SE522427C2 - Omriktaranordning samt förfarande för styrning av en sådan - Google Patents

Description

:anno a a :anno 10 15 20 25 30 35 522 427 O o ø o o - » n v. mittpunkt och fasutgången görs ledande, för att ge fasutgången en spänningsnivå motsvarande en summa av spänningen hos nämnda närmaste likspänningspol och spänningen över den fly- gande kondensatorn, samt ett förfarande för styrning av en så- dan anordning.

Således är uppfinningen inriktad på en spänningsstyv omriktar- anordning avsedd endast för överföring av reaktiv effekt och an- ordnas med fördel utefter högspända växelspänningsledningar för åstadkommande av reaktiv effektkompensering.

Därvid är inte uppfinningen begränsad till några nivåer på spän- ningen hos anordningens växelspänningssida, den reaktiva effekt omriktaranordningen förmår överföra eller det antal faser anord- ningens växelspänningssida uppvisar, och således kan den mycketväl vara utformad för enfasfallet, exempelvis vid banmat- ning av spårgående fordon.

Uppfinningen är dock speciellt, men icke uteslutande, inriktad på mellan- och högspänning, det vill säga där toppspänningen på anordningens växelspänningssida är 10 kV eller högre.

Det påpekas att uppfinningen ingalunda är begränsad till att det finns endast en nämnd flygande kondensator och ett därmed samordnat par av mittpunkter, utan i princip kan antalet av dessa vara godtyckligt.

Den inledningsvis definierade anordningen är en så kallad fler- nivå-omriktare, då den på nämnda fasutgång kan leverera åt- minstone tre olika faspotentialer. En fördel med att använda så- dana så kallade flernivå-omriktare i förhållande till så kallade få- nivåbryggor, är att halvledarelementen hos strömventilerna kan omkopplas med en betydligt lägre frekvens för uppnående av en växelspänning på växelspänningsfasledningen av en bestämd frekvens och kvalité, så att förlusterna hos omriktaranordningen kan reduceras avsevärt. Närmare bestämt kan switchfrekvensen hos halvledarelementen i en trenivåomriktare under nämnda för- uznøo 10 15 20 25 30 35 522 427 ~ . | . a Q - ø u- hållanden reduceras till ca 1/2. En fördel med att använda så kallade flygande kondensatorer för att uppnå ytterligare spän- ningsnivåer hos fasutgången utöver spänningsnivån hos likspän- ningssidans båda poler i förhållande till en användning av så kallade klampningsdioder är framförallt att halvledarelementen i det senare fallet måste styras på sådant sätt att det sker en ojämn fördelning av switchförlusten mellan dem, så att i prakti- ken alla halvledarelement måste dimensioneras för att klara den maximala belastningen som ett enskilt halvledarelement kan ut- sättas för, då i annat fall speciella hänsyn till utformningen av varje enskilt halvledarelement måste tas vid styrningen av dem.

Detta gör att totalkostnaden för halvledarelement blir mycket hög, då vissa av dem kommer att i de flesta driftsituationer vara kraftigt överdimensionerade. Genom att istället använda sig av flygande kondensatorer, såsom i den inledningsvis definierade anordningen, kan en flernivåomriktare med möjlighet till en jäm- nar belastning av halvledarelementen vad det gäller switchför- luster uppnås utan användande av dyra så kallade klampningsdi- oder eller extra halvledarelement. En anordning av det inled- ningsvis definierade slaget är tidigare känd genom US 5 737 201, även om den anordningen är avsedd att även överföra aktiv ef- fekt. Det finns naturligtvis ständigt en strävan att förbättra om- riktaranordningar av detta slag, bland annat vad gäller de switchförluster som uppstår i strömventilernas halvledarelement, och detta gäller då även fallet av användande av en anordning enligt nämnda US-patent i en SVC.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en om- riktaranordning av inledningsvis definierat slag samt ett förfa- rande för styrning därav, vilka i åtminstone något hänseende re- sulterar i en med avseende på tidigare kända sådana anord- ningar förbättrad funktion hos en sådan anordning, speciellt möj- liggör minskade totala switchförluster hos i strömventilerna ingå- ende halvledarelement. 522 427 u n a n n u o Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att det hos en så- dan anordning inrättningen är anordnad att styra halvledarele- menten hos de inre strömventilerna mellan de båda andra mitt- punkterna att tändas och släckas med en pulsbreddsmodule- 5 ringsfrekvens som är åtminstone en storleksordning högre än grundfrekvensen hos växelspänningen hos nämnda växelspän- ningsfasledning och att styra haiviedarelementen hos de yttre strömventilerna mellan respektive andra mittpunkt och den när- mast denna belägna likspänningspol att tändas och släckas med 10 en frekvens som är väsentligt lägre än nämnda pulsbreddsmo- duleringsfrekvens och inom eller i närheten av frekvensområdet en eller några gånger nämnda grundfrekvens.

Genom att på detta sätt endast låta de inre strömventilerna swit- 15 cha med pulsbreddsmoduIeringsfrekvensen, medan de yttre swit- chas med en betydligt lägre frekvens, kan de sammanlagda switchförlusterna i omriktaranordningen reduceras avsevärt i för- hållande till anordningarna enligt tidigare känd teknik, där samt- liga strömventiler switchar med pulsbreddsmoduleringsfrekven- 20 sen. Således blir switchförlusterna betydligt lägre i halvledarele- menten hos de båda yttre strömventilerna än om de skulle ha kopplats om med full pulsbreddsmoduleringsfrekvens. En annan fördel med en lägre frekvens hos omkopplingen av de yttre strömventilerna är att i fallet av seriekoppling av halvledarele- 25 ment, vilket är en nödvändighet vid hanterande av högre spän- ningar, är detta enklare vid låga omkopplingsfrekvenser, efter- som sneddelningen vad gäller spänningsupptagningen mellan de olika seriekopplade halvledarelementen då blir mindre, så att det är möjligt att anordna halvledarelement som har en mindre mar- 30 ginal mellan den spänning de maximalt tål och genomsnittsspän- ningen per halvledarelement i strömventilen. Detta innebär att antingen färre halvledarelement med en given spänningstålighet eller halvledarelement med en lägre spänningstålighet än eljest kan anordnas i de båda yttre strömventilerna och därmed kost- 35 nader kan sparas. axon: »unna 522 427 none n o v u | Q ' . ' ' " Enligt föredragna utföringsformer av uppfinningen är inrättningen anordnad att styra halvledarelementen hos de yttre strömventi- lerna att tändas och släckas med en frekvens som är väsentligen lika med nämnda grundfrekvens, nämnda grundfrekvens är i 5 storleksordningen 40-70 Hz, företrädesvis 50 Hz eller 60 Hz, och inrättningen är anordnad att tända och släcka halvledarelemen- ten hos de inre strömventilerna med en frekvens som är 15-45 gånger nämnda grundfrekvens, vilket vanligtvis betyder 1-2 kHz. 10 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är halvledarelementen samt likriktarkomponenterna hos nämnda strömventiler utformade så att medelvärdet över tiden hos spän- ningen över den flygande kondensatorn kommer att vara en fak- tor 0,2-0,5 gånger spänningen mellan likspänningssidans båda 15 poler, varvid det är fördelaktigt om nämnda faktor är mindre än 0,5. Skiljer sig denna faktor från 0,5 kommer nämligen genom användande av en enda flygande kondensator och fyra nämnda strömventiler fyra olika nivåer på potentialen att kunna erhållas på fasutgången, medan hos en anordning enligt US 5 737 201 20 sex seriekopplade strömventiler och två flygande kondensatorer krävs för att uppnå fyra nivåer, vilket innebär en betydande kost- nadsbesparing vad gäller komponenter samt även switchförluster i förhållande till en sådan tidigare känd anordning, därest man önskar uppnå fyra nivåer istället för tre. Detta är också något 25 som är önskvärt, eftersom switchförlusterna typiskt sett minskar vid ökande antal nivåer. Således kommer i detta fall olika spän- ningar att ligga över de yttre strömventilerna i förhållande till de inre strömventilerna, vilket ej är fallet hos anordningar av tidigare känd teknik. Närmare bestämt innebär det när nämnda faktor är 30 mindre än 0,5 att det kommer att ligga högre spänningar över de yttre strömventilerna än över de inre, vilket är fördelaktigt ur switchförlustsynpunkt, eftersom då spänningen är högre där fre- kvensen är låg, medan den är lägre där frekvensen är hög. Såle- des kan i de yttre strömventilerna andra typer av halvledarele- 35 ment än i de inre anordnas, såsom sådana som är anpassade att '1"5 kunna ta höga spänningar och ha låga ledförluster hellre än låga switchförluster. Alternativt anordnas likadana seriekopplade »upon uasnu :vara 10 15 20 25 30 35 522 427 o o ; c Q c u u a n. halvledarelement i alla strömventilerna, men olika antal i de yttre och de inre.

En annan fördel med att en högre spänning ligger över de yttre strömventilerna än över de inre i biockerande tillstånd är att haivledarelementen hos de yttre strömventilerna måste inte di- mensioneras lika stora vad gäller spänningsupptagningsförmåga för att klara påkänningarna vid spänningssättning av omriktar- anordningen från växelspänningssidan. Vid sådan spännings- sättning kommer nämligen likspänningssidans fritt hängande klampningskondensator att laddas upp före den flygande kon- densatorn. Den flygande kondensatorn kommer därefter att lad- das till sin nominella spänning tack vare de spänningsdelare som normalt sitter parallellt med de släckbara haivledarelementen i de olika strömventilerna. Därmed kommer kortvarigt hela spän- ningen “mellan de båda likspänningspolerna att ligga över den ena eller den andra av de yttre strömventilerna innan den fly- gande kondensatorn laddats. Tack vare att den nominella spän- ningen på den flygande kondensatorn dimensioneras så att den utgör mindre än 0,5 av den totala spänningen mellan likspän- ningspolerna, så kommer de yttre strömventilerna vid spännings- sättning att utsättas för en spänning som är närmare dess nomi- nella spänning än eljest. Exempelvis är i fallet av en faktor av 1/3 den spänning som de utsätts för i storleksordningen 3/2 = 1,5 gånger högre än dess nominella spänning, vilket dessa ström- ventiler normalt klarar utan att speciella åtgärder behöver vidta- gas i syfte att begränsa spänningen över ventilerna.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda faktor 1/3. Detta innebär nämligen att de fyra spänningsnivàerna som kan uppnås på fasuttaget blir likformigt fördelade mellan po- sitiv och negativ polspänning, vilket resulterar i en lägre switchad spänning, det vill säga lägre pulshöjdsteg, vilket minskar påkän- ningen på anslutna apparater som reaktorer och transformatorer.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen en enhet anordnad att möjliggöra så kallad mean: :anna 10 15 20 25 30 35 522 427 o n ø u | | . , . ,, soft-switching av de inre strömventilernas halvledarelement, det vill såga så att inte höga spänningar och höga strömmar kombi- neras hos halvledarelementen i dessa båda ventiler. Det är mycket fördelaktigt att anordna en sådan enhet just där frekven- serna är höga, då detta har störst inverkan på switchförlusterna.

Uttryckt på annat sätt väljer man att ha höga frekvenser där för- lusterna per switchning är mycket låga. Således får man på så- dant sätt maximalt utbyte av den merkostnad som en dylik enhet innebär. En anordning av detta slag får ytterst låga switchförlus- ter, då de yttre strömventilerna switchar enligt hard-switchnings- principen med låg frekvens och de inre strömventilerna switchar enligt soft-switchningsprincipen med hög frekvens. Speciellt för- delaktig är denna utföringsform i kombination med väljande av nämnda faktor mindre än 0,5, så att lägre spänningar kommer att behöva hanteras av de inre strömventilerna och därigenom även av enheten, som därigenom kan göras mindre och till en lägre kostnad.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen har de båda inre strömventilerna var sin snubberkondensator kopplad parallellt med nämnda släckbara halvledarelement samt innefat- tar enheten en resonanskrets för omladdning av strömventilernas snubberkondensatorer för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarelement vid låg spänning över dessa. Detta är fördelaktiga sätt att uppnå så kallad soft- switching av de inre strömventilerna på, varvid en föredragen utföringsform avser att resonanskretsen utgörs av en ARCP-krets (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole).

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen har även de båda yttre strömventilerna var sitt snubberorgan, till ex- empel en snubberkondensator eller en RC-krets, kopplad paral- lellt med nämnda släckbara halvledarelement, så att tidsderiva- tan av spänningen över de släckbara halvledarelementen be- gränsas vid switchning av de yttre strömventilerna och därigenom de kapacitiva strömmarna i anslutande transformator begränsas. un1.| »unna 10 15 20 25 30 35 522 427 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda inrättning anordnad att styra strömventilernas halvledar- element och därmed strömventilerna efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning, och att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/Z och (1-k) x Udc/Z, motsvarande över en första nivå, omväxlande göra de båda inre strömventilerna ledande och kon- stant hålla den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre strömventilen ledande och den andra yttre strömventilen blockerad, att när spänningsbörvärdet ligger mellan -UdC/2 och (- 1 + k) x UdC/Z, motsvarande under en andra nivå, omväxlande göra de båda inre strömventilerna ledande och konstant hålla den närmast den positiva likspänningspolen belägna strömventi- len blockerad och den motsatta yttre strömventilen ledande, och att då spänningsbörvärdet ligger mellan nämnda båda nivåer om- växlande göra den ena yttre strömventilen och den på motsatt sida om fasutgången belägna inre strömventilen ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen och den andra inre strömventilen blockerande och tvärtom, varvid Udc är spänningen mellan nämnda båda likspänningspoler och k är nämnda faktor.

På detta sätt uppnås med fördel en switchning med i det när- maste grundfrekvens av de yttre strömventilerna och puls- breddsmoduleringsfrekvens av de inre.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken utgör en vidareutveckling av sistnämnda utföringsform, är inrättningen anordnad att styra strömventilerna efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning med formen av en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent eller en multipel av tredjetonskom- ponenter med avseende på sinuskurvans grundton för förläng- ande av den tid spänningsbörvärdet befinner sig över nämnda första nivå och under nämnda andra nivå och de båda yttre strömventilerna kan befinna sig i ett fast läge och inte måste switchas. Härigenom görs spänningsbörvärdets flanker brantare och därmed blir tiden då de yttre strömventilerna måste switcha kortare. Det blir möjligt att minska denna tid till ett värde som är i samma storleksordning eller mindre än periodtiden för den switchfrekvens med vilken de inre ventilerna arbetar med, så att nnnln »unna 10 15 20 25 30 35 522 427 o: nu: grundtonskommutering kan användas för de båda yttre ström- ventilerna utan att negativa konsekvenser i form av ökad över- tonshalt uppträder i anslutande nät.

Uppfinningen avser även ett förfarande för styrning av en omrik- taranordning enligt ovan enligt bifogade självständiga förfaran- depatentkrav.

Fördelar med detta förfarande samt med i bifogade osjälvstän- diga patentkrav definierade utföringsformer av förfarandet fram- går med all önskvärd tydlighet av ovanstående diskussion av fö- redragna utföringsformer av den uppfinningsenliga omriktaran- ordningen.

Uppfinningen avser även en datorprogramprodukt samt ett da- torläsbárt medium enligt motsvarande bifogade patentkrav. Det inses lätt att förfarandet enligt uppfinningen definierat i bifogade uppsättning förfarandepatentkrav är väl lämpat att utföras genom programinstruktioner från en processor påverkbar av ett med ifrågavarande programsteg försett datorprogram.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgàr av övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RlTNlNGARNA Såsom exempel anförda föredragna utföringsformer av uppfin- ningen beskrivs härefter under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: fig 1 är ett förenklat kopplingsschema av en omriktaranordning enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen, fig 2 är en fig 1 motsvarande vy av en omriktaranordning enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, coon: »anno 10 15 20 25 30 35 522 427 .o nu 10 fig 3 är en fig 1 motsvarande vy av en omriktaranordning enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken är bil- dad genom en smärre modifiering av omriktaranordningen enligt fig 2, fig 4 och 5 illustrerar ett sinusformat spänningsbörvärde respek- tive ett spänningsbörvärde i form av en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent för spänningen mellan fasuttaget och en tänkt nollspänningsnivå på omriktaranordningens likspännings- sida, vilket utnyttjas för pulsbreddsmodulering av omriktaranord- ningen, och fig 6 illustrerar schematiskt hur ett pulsbreddsmoduleringsmöns- ter utgående från spänningsbörvärdet enligt fig 5 kan se ut för en omriktaranordning enligt fig 1.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN I fig 1 är endast den del av omriktaranordningen som är ansluten till en fas hos en växelspänningsfasledning visad, varvid antalet faser normalt är tre, men det är möjligt att detta utgör hela om- riktaranordningen, då denna är ansluten till ett enfas-växe|spän- ningsnät. Omriktaranordningen är en så kallad VSC-strömriktare (Voltage Source Converter), vilken uppvisar fyra strömventiler 1- 4 som är seriekopplade mellan de båda polerna 5, 6, positiv re- spektive negativ, hos en likspänningssida hos anordningen. En fritt hängande så kallad kopplingskondensator 7 är anordnad mellan de båda polerna. Den därigenom definierade spänningen mellan de båda polerna blir Udc, varvid potentialerna för polerna blir +Udcl2 respektive -UdC/Z. Då flera faser finns har de likspän- ningssidan och kondensatorn 7 gemensamt, men i övrigt har de var sin VSC-strömriktare enligt fig 1.

Strömventilerna 1-4 är var och en uppbyggd av ett släckbart halvledarelement 8-11, såsom en i IGBT, GTO eller IGCT, och en antiparallellt därmed kopplad likriktarkomponent i form av en lik- nova: :upon 10 15 20 25 30 35 11 riktande diod 12-15. Fastän endast ett släckbart halvledarele- ment per strömventil visas kan detta stå för en mängd, serie- kopplade, simultant styrda halvledarelement, vilket ävenledes är fallet, då det krävs ett förhållandevis stort antal seriekopplade sådana halvledarelement för att hålla den spänning som varje strömventil måste hålla i blockerat tillstånd.

En första mittpunkt 16, vilken utgör omriktarens fasutgång, är ansluten till en växelspänningsledning 19 via en induktor 20. På detta sätt uppdelas nämnda seriekoppling i två likadana delar med två strömventiler 1, 2 respektive 3, 4 hos varje sådan del.

En andra mittpunkt 21 mellan två nämnda strömventiler hos den ena delen hos seriekopplingen är via en flygande kondensator 22 ansluten till en med avseende på fasutgången motsvarande andra mittpunkt 23 hos seriekopplingens andra del.

Anordningen uppvisar vidare en inrättning 24 anordnad att styra de olika halvledarelementen hos strömventilerna 1-4 och därige- nom tillse att nämnda fastutgång ansluts och erhåller samma potential som polen 5, polen 6 eller någon av nämnda andra mittpunkter 21, 23, vilket för mittpunkten 21 innebär potentialen hos polen 6 adderad med spänningen över kondensatorn 22 och för mittpunkten 23 spänningen hos polen 5 subtraherad med spänningen över kondensatorn 22. lnrättningen 24 och dess an- ordnande är mycket förenklat framställt här, och i praktiken torde en separat sådan inrättning vara anordnad på högpotential vid varje enskild strömventil och dessa erhålla styrsignaler från en på marknivå anordnad styrinrättning.

Med fördel är strömventilerna så utformade att medelvärdet över tiden hos spänningen över den flygande kondensatorn 22 kom- mer att vara en faktor 0,2-O,5 gånger spänningen mellan likspän- ningssidans båda poler. Detta innebär att när denna faktor är mindre än 0,5 kommer i blockerat tillstånd en högre spänning att tagas av de yttre strömventilerna 1, 4 än de inre 2, 3 samtidigt som fyra olika nivåer kommer att kunna erhållas på potentialen »vara 10 15 20 25 30 35 522 427 12 hos fasutgången 16. Såsom nämnt är det speciellt fördelaktigt att k = 1/3, då detta innebär att nivåerna Udc/Z, Udc/6, -Udc/6 samt - Udo/Z kan erhållas på fasutgången, det vill säga likformigt förde- lade nivåer, så att det i snitt blir minsta möjliga skillnad mellan vald spänningsnivå på en puls och det spänningsbörvärde en spänningsbörvärdeskurva uppvisar. l alldeles speciella fall, kan dock en spänningsbörvärdeskurva ha ett sådant utseende att det är mest fördelaktigt att ha ojämnt fördelade sådana nivåer, då det just där leder till mindre switchförluster.

I fig 4 och 5 visas hur i fallet av k = 1/3 de olika möjliga nivåerna på fasutgången ligger i förhållande till en spänningsbörvärdes- kurva i form av en sinuskurva respektive en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent med avseende på sinuskurvans grundton. Således har här de olika strömventilerna skiljaktig spänningsupptagningsförmåga. lnrättningen är anordnad att styra strömventilernas halvledarele- ment på följande sätt för att uppnå en spänning enligt ifrågava- rande spänningsbörvärdeskurva (som inrättningen 24 får som in-~ signal) på fasledningen 19: de yttre ventilerna styrs att släcka och tända med en frekvens i närheten av grundfrekvensen hos växelspänningen hos växelspänningsfasledningen 19, vilken ty- piskt sett kan vara 50 Hz eller 60 Hz, medan de båda inre ström- ventilerna 2, 3 styrs att tända och släcka med en pulsbreddsmo- duleringsfrekvens som är åtminstone en storlek högre än grund- frekvensen, företrädesvis 1 kHz - 2 kHz. Det hänvisas även till fig 6. I praktiken innebär detta att inrättningen 24 är anordnad att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/Z och (1-k) x UdC/Z, vil- ket motsvarar över en första nivå 25, omväxlande göra de båda inre strömventilerna 2, 3 ledande och konstant hålla den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre strömventilen 1 le- dande och den andra yttre strömventilen 4 blockerad. När spän- ningsbörvärdet ligger mellan -UdC/Z och (-1+k) x Udo/Z, vilket mot- svarar under en andra nivå 26, gör styrinrättningen omväxlande de båda inre strömventilerna 2, 3 ledande och håller konstant den närmast den positiva likspänningspolen belägna strömventi- na|;n 10 15 20 25 30 35 522 427 ., n. 13 len 1 blockerad och den motsatta yttre strömventilen 4 ledande.

När spännlngsbörvärdet ligger mellan nivåerna 25 och 26 gör styrinrättningen omväxlande den ena yttre strömventilen 1 och den på motsatt sida om fasutgången belägna inre strömventilen 3 ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen 4 och den andra inre strömventilen 2 blockerande och tvärtom. Således switchar de båda yttre strömventilerna 1, 4 endast inom det tidsintervall 27, som ligger mellan spänningsbörvärdeskurvans korsningspunkter av de båda nivåerna 25, 26. Genom adderande av en tredjetonskomponent eller en multipel av tredjetonskompo- nenter till sinuskurvan för att uppnå en spänningsbörvärdeskurva kan denna tid förkortas utan att spänningen mellan faserna änd- ras.

Eftersom de yttre strömventilerna 1, 4 switchar med en låg fre- kvens, i närheten av nämnda grundfrekvens, kommer switchför- lusterna i dessa strömventiler att bli mycket låga. l fig 2 visas en omriktaranordning enligt en mycket föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken skiljer sig från den enligt fig 1 genom att här en enhet 28 för så kallad soft-switching av de inre strömventilerna 2, 3 anordnas. Denna enhet är bildad av med respektive strömventil parallellkopplade snubberkondensato- rer 29, 30 samt en resonanskrets för omladdning av dessa snub- berkondensatorer för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarelement vid låg spänning över dessa. Resonanskretsen utgörs av en ARCP-krets (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole). Hur en krets av denna typ fungerar får anses vara allmänt känt, och det hänvisas här bland annat till US 5 047 913. ARCP-kretsen innefattar närmare bestämt en hjälpventil 31 innefattande två seriekopplade hjälp- ventilkretsar 32, 33, vilka vardera innefattar ett släckbart halvle- darelement 34, såsom en IGBT eller en GTO, och en därmed an- tiparallellt kopplad likriktarkomponent 35 i form av en diod, så- som en frihjulsdiod. De släckbara halvledarelementen 34 hos de två hjälpventilkretsarna är anordnade i motsatt polaritet i förhål- lande till varandra. ARCP-kretsen innefattar vidare en induktor panna øufnn 10 15 20 25 30 35 522 427 u - » - . , , . ._ 14 36 som är seriekopplad med hjälpventilkretsarna. Denna hjälp- ventil 31 utgör en dubbelriktad ventil som kan bringas att leda åt ena eller andra hållet. Såsom framgår är den flygande konden- satorn här uppdelad på två kondensatorer 37, 38, vilka tillsam- mans håller en spänning enligt tidigare nämnd faktor k gånger spänningen mellan polerna 5, 6. Mycket kort kan funktionen av denna resonanskrets beskrivas. När exempelvis den inre ventilen 3 leder och strömmen går från fasuttaget till ventilen och denna styrs att släcka förs den ström som går in i fasuttaget från fas- ledningen direkt över till de båda snubberkondensatorerna 29 och 30 och spänningen växer långsamt över strömventilen 3, så att strömmen genom halvledarelementet hinner bli låg innan spänningen blir hög och därmed switchförlusten blir låg. När strömriktningen relativt fasuttaget är densamma och istället dio- den 13 i den inre strömventilen 2 leder och denna skall släckas tänds halvledarelementet 34 i hjälpventilkretsen 32. Lastström- men in mot fasuttaget från fasledningen förs mer och mer över till att gå genom induktorn 36 som har en stor induktans och ström- men därigenom stiger linjärt. När strömmen genom dioden 13 bli- vit noll, det vill säga hela lastströmmen går igenom induktorn 36 kommer spänningen hos fasuttaget 16 att beskriva en sinusfunk- tion och svänga över till att få samma potential som den andra mittpunkten 23, så att halvledarelementet 10 i den inre ström- ventilen 3 då kan tändas vid nollspänning däröver.

Genom att använda en resonanskrets av ARCP-typ för de ström- ventiler 2, 3 som switchas med den ordinarie pulsbreddsmodule- ringsfrekvensen, kan omriktaranordningens switchförluster mins- kas ytterligare, samtidigt som kostnaden för resonanskretsen kan göras låg, därest hjälpventilkretsarna 32, 33 endast behöver hantera en låg spänning, vilket är fallet då k är mindre än 0,5, såsom 1/3, då den spänning de måste hantera endast blir Udc/6. l praktiken kommer de yttre ventilerna 1 och 4 att switcha med grundtonsfrekvens vid normal stabil SVC-drift, det vill säga då SVC-n är ansluten till ett växelspänningsnät med sinusformad spänning och med krav på att omriktaranordningen skall leverera u|iun znßa» 10 15 20 25 30 35 522 427 15 en viss reaktiv effekt till eller ifrån det anslutande nätet. Under transienta förhållanden kan man dock tänka sig att spännings- börvärdet kommer att befinna sig en längre tid i spänningsinter- vallet mellan nivåerna 25 och 26 (se fig 4 och 5). Man kan då låta ventilerna 1 och 2 switcha flera gånger per period. Alterna- tivt kan man dock transient acceptera en högre övertonshalt.

Tack vare att omriktaranordningen enbart arbetar med reaktiv effekt blir spänningsregleringen av den flygande kondensatorn enkel. Sett under en halvperiod av fasströmmens grundton kom- mer kondensatorns uppladdning att vara lika med dess urladd- ning, så att kondensatorspänningen är naturligt självbalanse- rande.

I fig 3 illustreras en omriktaranordning enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken skiljer sig från den enligt fig 2 genom att här även snubberkondensatorer 39, 40 parallell- kopplats med de båda yttre strömventilerna 1, 4, så att tidsderi- vatan av spänningen begränsas och därigenom de kapacitiva strömmarna i anslutande transformator begränsas i samband med att de yttre strömventilerna 1, 4 switchar. Dessa snubber- kondensatorer skulle även kunna ersättas med något annat snubberorgan, såsom en RC-krets. Dessa tillkommande snub- berorgan 39, 40 är fördelaktiga när den del av omriktaren (de inre ventilerna) som arbetar med pulsbreddsmoduleringsfrekven- sen är utformad som resonansomriktare, exempelvis av ARCP- typ, eftersom spänningsderivatan på fasuttaget då blir mycket låg, vilket kan möjliggöra direkt anslutning av omriktaranord- ningen till en transformator, utan mellanliggande reaktorer eller filter. I detta fall åstadkommes såsom nämnt genom organen 39, 40 begränsning av kapacitiva strömmar i anslutande transforma- tor.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området utan att denne för den skull avviker från uppfin- >uaan »»||n 522 427 §jj='-.___,-' s::j_' 16 ningens grundtanke, sådan denna definieras i de bifogade pa- tentkraven.

Såsom redan tidigare nämnts skulle andra typer av enheter för åstadkommande av ”soft-switching” av de inre strömventilerna än en ARCP-krets kunna användas, och en fackman på området in- ser sådana möjligheter.

Claims (26)

10 15 20 25 30 35 s22 427 ¿ 17 Patentkrav

1. Anordning för omriktning av växelspänning till likspänning och vice versa ingående i en SVC (Static Var Compensator) med en likspänningssida bildad av en eller flera fritt hängande konden- satorer (7), varvid anordningen innefattar en mellan två poler (5, 6), en positiv och en negativ, hos nämnda likspänningssida an- ordnad seriekoppling av minst fyra strömventiler (1-4) vardera innefattande ett släckbart halvledarelement (8-11) och en därmed antiparallellt kopplad likriktarkomponent (12-15), en växelspän- ningsfasledning (19) ansluten till en första mittpunkt (16), be- nämnd fasutgång, på seriekopplingen mellan två strömventiler under uppdelande av seriekopplingen i två lika delar, varvid likspänningssidans båda poler är lagda på väsentligen samma spänning men med motsatta tecken i förhållande till en nollspän- ningsnivå hos likspänningssidan, varvid den innefattar en andra mittpunkt (21) mellan två nämnda strömventiler hos den ena de- len hos seriekopplingen som är via en flygande kondensator (22, 37, 38) ansluten till en med avseende på fasutgången motsva- rande andra mittpunkt (23) hos seriekopplingens andra del, och en inrättning (24) för styrande av strömventilernas halvledarele- ment att alstra ett tåg av pulser med bestämda amplituder enligt ett pulsbreddsmoduleringsmönster på anordningens fasutgàng genom omväxlande anslutning av fasutgången till åtminstone likspänningssidans pluspol, minuspol samt var och en av nämnda andra mittpunkter genom att strömventilen/strömventilerna mel- lan en annan andra mittpunkt och den närmast denna belägna likspänningspolen samt strömventilen/strömventilerna mellan ifrågavarande andra mittpunkt och fasutgången görs ledande, för att ge fasutgången en spänningsnivå motsvarande en summa av spänningen hos nämnda närmaste likspänningspol och spän- ningen över den flygande kondensatorn, kännetecknad därav, att inrättningen är anordnad att styra halvledarelementen (9,10) hos de inre strömventilerna (2, 3) mellan de båda andra mitt- punkterna att tändas och släckas med en pulsbreddsmodule- ringsfrekvens som är åtminstone en storleksordning högre än grundfrekvensen hos växelspänningen hos nämnda växelspän- 10 15 20 25 30 35 522 427 18 ningsfasledning och att styra halvledarelementen (8, 11) hos de yttre strömventilerna (1, 4) mellan respektive andra mittpunkt och den närmast denna belägna likspänningspol att tändas och släckas med en frekvens som är väsentligt lägre än nämnda pulsbreddsmoduleringsfrekvens och inom eller i närheten av fre- kvensområdet en eller några gånger nämnda grundfrekvens, att halvledarelementen samt likriktarkomponenterna hos nämnda strömventiler är utformade så att medelvärdet över tiden hos spänningen över den flygande kondensatorn (22, 37, 38) kommer att vara en faktor f gånger spänningen mellan likspänningssidans båda poler (5, 6), med 0,2 s f < 0,5.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att inrättningen (24) är anordnad att styra halvledarelementen hos nämnda yttre strömventiler (1, 4) att tändas och släckas med en frekvens som är 1-5 gånger nämnda grundfrekvens.

3. Anordning enligt krav 2, kännetecknad därav, att inrättningen (24) är anordnad att styra halvledarelementen hos nämnda yttre strömventiler (1, 4) att tändas och släckas med en frekvens som är väsentligen lika med nämnda grundfrekvens.

4. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att inrättningen (24) är anordnad att tända och släcka halvledarelementen hos de inres strömventilerna (2, 3) med en frekvens som är 15-45 gånger nämnda grundfrekvens.

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda grundfrekvens är i storleksordningen 40-70 Hz, företrädesvis 50 Hz eller 60 Hz.

6. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att nämnda faktor är 1/3.

7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att varje nämnd strömventil (1, 4) innefattar ett antal se- riekopplade nämnda halvledarelement med därmed antiparallellt 10 15 20 25 30 35 522 427 19 kopplade Iikriktarkomponenter, och att inrättningen (24) är an- ordnad att styra samtliga halvledarelement inom en och samma strömventil att tändas och släckas simultant.

8. Anordning enligt krav 7, kännetecknad därav, att de inre och yttre strömventilerna uppvisar likadana halvledarelement och lik- riktarkomponenter, och att de yttre strömventilerna (1, 4) är för- sedda med fler seriekopplade halvledarelement och likriktarkom- ponenter än de inre strömventilerna (2, 3).

9. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att den innefattar en enhet (28) anordnad att möjliggöra så kallad soft-switching av de inre strömventilernas halvledarele- ment, det vill säga så att inte höga spänningar och höga ström- mar kombineras hos halvledarelementen (9, 10) i dessa båda ventiler (2, 3).

10. Anordning enligt krav 9, kännetecknad därav, att de båda inre strömventilerna (2, 3) har var sin snubberkondensator (29, 30) kopplad parallellt med nämnda släckbara halvledarelement.

11. Anordning enligt krav 10, kännetecknad därav, att nämnda enhet (28) innefattar en resonanskrets för omladdning av ström- ventilernas snubberkondensatorer (29, 30) för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarele- ment vid låg spänning över dessa.

12. Anordning enligt krav 11,kännetecknad därav, att resonans- kretsen utgörs av en ARCP-krets (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole).

13. Anordning enligt krav 12, kännetecknad därav, att ARCP- kretsen innefattar en hjälpventil (31) innefattande åtminstone en uppsättning av två seriekopplade hjälpventilkretsar (32, 33), vilka vardera innefattar ett släckbart halvledarelement (34) och en därmed antiparallellt kopplad likriktarkomponent (35), varvid de släckbara halvledarelementen hos de tvâ hjälpventilkretsarna är 10 15 20 25 30 35 522 427 20 anordnade i motsatt polaritet i förhållande till varandra, samt att ARCP-kretsen vidare innefattar en induktor (36) som är serie- kopplad med nämnda uppsättning av hjälpventilkretsar.

14. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att de båda yttre strömventilerna har var sitt snubberorgan (39, 40), t.ex. en snubberkondensator eller en RC-krets, kopplat parallellt med nämnda släckbara halvledarelement.

15. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda inrättning (24) är anordnad att styra ström- ventilernas halvledarelement och därmed strömventilerna efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning, och att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/2 och (1-k) x Udc/2, motsva- rande över en första nivå (25), omväxlande göra de båda inre strömventilerna (2, 3) ledande och konstant hålla den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre strömventilen (1) ledande och den andra yttre strömventilen (4) blockerad, att när spänningsbörvärdet ligger mellan -Udc/Z och (-1 + k) x Udc/Z, motsvarande under en andra nivå (26), omväxlande göra de båda inre strömventilerna (2, 3) ledande och konstant hålla den när- mast den positiva likspänningspolen belägna strömventilen (1) blockerad och den motsatta yttre strömventilen (4) ledande, och att då spänningsbörvärdet ligger mellan nämnda båda nivåer om- växlande göra den ena yttre strömventilen (1) och den på motsatt sida om fasutgången belägna inre strömventilen (3) ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen (4) och den andra inre strömventilen (2) blockerande och tvärtom, varvid Udc är spän- ningen mellan nämnda båda likspänningspoler och k är nämnda faktor.

16. Anordning enligt krav 15, kännetecknad därav, att nämnda inrättning (24) är anordnad att styra strömventilerna (1-4) efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning med formen av en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent eller en multipel av tredjetonskomponenter med avseende på sinuskur- vans grundton för förlängande av den tid spänningsbörvärdet be- 10 15 20 25 30 35 522 427 21 finner sig över nämnda första nivå (25) och under nämnda andra nivå (26) och de båda yttre strömventilerna (1, 4) kan befinna sig i ett fast läge och inte måste switchas.

17. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda haivledarelement är IGBT-er (lnsulated Gate Bipolar Transistor), GTO-er (Gate Turn-Off Thyristor) eller IGCT- er (lntegrated Gate Commutated Thyristor).

18. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att likspänningssidan är avsedd att ha en spänning mellan sina båda poler (5, 6) överstigande 10 kV, företrädesvis mellan 10 och 500 kV.

19. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att antalet faser hos växelspänningsnätet är tre.

20. Förfarande för styrning av en omriktaranordning enligt krav 1, kännetecknat därav, att halvledarelementen hos nämnda yttre strömventiler (1, 4) styrs att tända och släcka med en frekvens som är 1-5 gånger nämnda grundfrekvens.

21. Förfarande enligt krav 20, kännetecknat därav, att halvle- darelementen hos de inre strömventilerna (2, 3) styrs att tända och släcka med en frekvens som är 15-45 gånger nämnda grundfrekvens.

22. Förfarande enligt krav 20 för styrning av en anordning enligt krav 1, kännetecknat därav, att strömventilernas halvledarele- ment styrs efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning så att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/Z och (1-k) x Udc/Z, motsvarande över en första nivå (25), görs de båda inre strömventilerna (2, 3) omväxlande ledande och hålls konstant den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre ström- ventilen (1) ledande och den andra yttre strömventilen (4) block- erad, när spänningsbörvärdet ligger mellan -Udc/Z och (-1 + k) x Udo/Z, motsvarande under en andra nivå (26), görs de båda inre 10 15 20 25 30 522 427 22 strömventilerna (2, 3) omväxlande ledande och hålls konstant den närmast den positiva likspänningspolen belägna strömventi- len (1) blockerad och den motsatta yttre strömventilen (4) le- dande, och när spänningsbörvärdet ligger mellan nämnda båda nivåer görs omväxlande den ena yttre strömventilen (1) och den på motsatt sida av fasutgången belägna inre strömventilen (3) ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen (4) och den andra inre strömventilen (2) blockerande och tvärtom, varvid Udc är spänningen mellan nämnda båda likspänningspoler och k är nämnda faktor.

23. Förfarande enligt krav 22, kännetecknat därav, att ström- ventilerna (1-4) styrs efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning med formen av en sinuskurva adderad med en tred- jetonskomponent eller en multipel av tredjetonskomponenter med avseende på sinuskurvans grundton för förlängande av den tid spänningsbörvärdet befinner sig över nämnda första nivå och under nämnda andra nivå och de båda yttre strömventilerna kan befinna sig i ett fast läge och inte måste switchas.

24. Datorprogramprodukt ämnad att laddas direkt in i internmin- net hos en dator och innefattande mjukvarukodpartier för instrue- rande av en processor att genomföra stegen enligt något av kra- ven 20-23 när produkten körs på en dator.

25. Datorprogramprodukt enligt krav 24 tillhandahållen åtmins- tone delvis över ett nätverk såsom Internet.

26. Datorläsbart medium med ett därpå registrerat program äm- nat att bringa en dator att styra stegen enligt något av kraven 20- 23.