УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ КЛАПАНАМИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SEQUENTIAL VALVE CONTROL DEVICE FOR TRANSMITTING HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к области передачи мощности постоянного тока высокого напряжения и передачи мощности постоянного тока сверхвысокого напряжения, в частности, к регулятору напряжения клапанов при регулировании тока с помощью последовательного клапана в ходе передачи мощности постоянного тока высокого напряжения.
Уровень техники изобретения
Устройство передачи мощности постоянного тока высокого напряжения преобразует переменный ток в постоянный с помощью преобразователя тока и передает постоянный ток на другой преобразователь тока, чтобы постоянный ток преобразовывался в другой переменный ток. Используемый преобразователь тока обычно включает клапан, состоящий из регулируемых силовых полупроводниковых приборов, причем силовые полупроводниковые приборы каждого клапана соединены друг с другом и образуют шестиимпульсный или двенадцатиимпульсный мост. Только один клапан обычно применяется для передачи мощности. Однако в некоторых случаях требуется последовательное соединение нескольких клапанов друг с другом.
Если клапаны соединены последовательно друг с другом, токи, проходящие через силовые полупроводниковые приборы клапанов, одинаковые. Если каждый клапан оснащен блоком регулирования тока, такие блоки регулирования тока регулируют общий постоянный ток. Поскольку имеют место погрешности измерения и регулирования, блоки регулирования тока выводят разные углы срабатывания, а напряжения соответствующих клапанов могут колебаться. Таким образом, разность напряжений между двумя клапанами может быть относительно большой, что приводит к частому срабатыванию ответвлений трансформаторов преобразователя тока, соединенных с клапанами.
Для решения данной проблемы на известном уровне техники 1 применяется общий блок регулирования тока на так называемом «полюсном уровне» последовательного клапана. Угол срабатывания, выводимый общим блоком регулирования тока, передается на каждый последовательно соединенный клапан. Как вариант, общий блок регулирования тока может располагаться в главном регулирующем клапане, а вторичный регулирующий клапан использует угол срабатывания, передаваемый главным регулирующим клапаном. Если последовательный клапан соединен с той же сетью электропитания переменного тока, поскольку параметры системы переменного тока и трансформаторов преобразователя тока одинаковые для последовательно соединенных клапанов, вывод сигнала управления тем же блоком регулирования тока может, по сути, обеспечить баланс напряжений последовательного клапана. Если последовательный клапан соединен с другими сетями электропитания переменного тока, поскольку параметры систем переменного тока и трансформаторов преобразователя тока разные для последовательно соединенных клапанов, вывод сигнала управления тем же блоком регулирования тока не может регулировать баланс напряжений последовательного клапана. Хотя разность напряжений можно сократить с помощью ответвления трансформатора преобразователя тока, скорость динамического отклика становится низкой, а соответствующая разность напряжений на этапе регулирования ответвления трансформатора преобразователя тока не может быть устранена.
Для решения данной проблемы на известном уровне техники 2 блок регулирования тока совмещается с блоком балансировки напряжения в каждом последовательном клапане, чтобы погрешности регулирования тока и разность напряжений последовательного клапана одновременно вводились в пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор для регулирования тока и балансировки напряжений последовательного клапана. Независимо от того, подсоединен ли последовательный клапан к той же сети или другим сетям электропитания переменного тока, с помощью данного метода можно достичь баланса напряжений последовательного клапана. Тем не менее, когда блок съема напряжения неисправен, а блок балансировки напряжения отключен, последовательный клапан не может регулировать общий постоянный ток.
Разбаланс напряжений последовательного клапана не может контролироваться посредством двух вышеописанных решений. В системе передачи мощности постоянного тока необходимо регулировать напряжения последовательного клапана. Например, в случае передачи мощности постоянного тока сверхвысокого напряжения, когда высоковольтный и низковольтный клапаны соединены с разными сетями электропитания переменного тока, имеющими разные уровни напряжения, если напряжение между высоковольтным и низковольтным клапанами можно отрегулировать, потребление мощности в разных сетях электропитания переменного тока, с которыми соединены высоковольтный и низковольтный клапаны, также можно удовлетворить, чтобы в некоторой степени осуществлять раздельное управление разными подсоединенными сетями электропитания переменного тока. Однако такое раздельное управление не может осуществляться на известном уровне техники, так как напряжения последовательно соединенных клапанов, по сути, сбалансированы, токи последовательного соединения одинаковы, и мощность последовательно соединенных клапанов также одинакова.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в создании устройства управления последовательными клапанами для передачи мощности постоянного тока высокого напряжения, предназначенного для регулирования напряжения клапанов, когда устройство передачи мощности постоянного тока высокого напряжения в последовательной цепи, включающей два или более клапанов, имеющих регулируемые силовые полупроводниковые приборы, соответственно регулирует ток для контроля баланса или разбаланса напряжений последовательного клапана.
Техническое решение по настоящему изобретению заключается в создании устройства управления последовательными клапанами для передачи мощности постоянного тока высокого напряжения, предназначенного для регулирования устройства передачи мощности постоянного тока высокого напряжения, включающего два или более клапанов, подсоединенных последовательно и соответственно имеющих регулируемые силовые полупроводниковые приборы, причем каждый клапан оснащен блоком регулирования тока и блоком регулирования напряжения, блок регулирования тока предназначен для регулирования постоянного тока, проходящего через клапан, соответствующий блоку регулирования тока, а блок регулирования напряжения предназначен для регулирования напряжения на двух сторонах клапана, соответствующего блоку регулирования напряжения; один клапан выбирается из последовательных клапанов в качестве главного регулирующего клапана, а другие принимаются в качестве вторичных регулирующих клапанов; главный регулирующий клапан контролируется углом срабатывания, который выводится блоком регулирования тока, в то время как вторичный регулирующий клапан контролируется углом срабатывания, который выводится вычитателем. Выходное значение вычитателей получают путем вычета выходного значения блока регулирования напряжения из угла срабатывания, передаваемого главным регулирующим клапаном.
В решении выше, когда два или более последовательно соединенных клапанов работают одновременно, только один из них является главным регулирующим клапаном, а другие являются вторичными регулирующими клапанами; когда главный регулирующий клапан полностью неисправен или отключен, один исправный вторичный регулирующий клапан используется для замены главного регулирующего клапана в качестве нового главного регулирующего клапана, а остальные вторичные регулирующие клапаны остаются неизменными.
В вышеприведенном решении угол срабатывания, передаваемый главным регулирующим клапаном, получают путем прямой или непрямой связи между устройствами управления во вторичном регулирующем клапане.
Кроме того, блок регулирования тока соединен с блоком токосъема клапана, и каждый блок токосъема клапана соответствует одному клапану и предназначен для определения тока, проходящего через клапан; блок регулирования напряжения соединен с блоком съема напряжения клапана, и каждый блок съема напряжения клапана соответствует одному клапану и предназначен для определения напряжения, приходящегося на соответствующий клапан.
Блок регулирования напряжения оснащен вычитателем, вход опорного напряжения вычитателя является выбранным напряжением главного регулирующего клапана или несбалансированным опорным напряжением, а вход измеренного напряжения вычитателя является напряжением, выводимым блоком съема напряжения клапана, с которым соединен блок регулирования напряжения.
По вышеописанному решению, блок регулирования напряжения оснащен ПИ-регулятором, выход ПИ-регулятора соединен с отрицательной стороной одного вычитателя, а угол срабатывания, передаваемый главным регулирующим клапаном, соединен с положительной стороной вычитателя.
Положительные эффекты настоящего изобретения заключаются в следующем: настоящее изобретение предусматривает устройство управления последовательными клапанами для передачи мощности постоянного тока высокого напряжения; регулируя ток с помощью главного регулирующего клапана, вторичный регулирующий клапан выбирает угол срабатывания, полученный от главного регулирующего клапана, а выходное значение блока регулирования напряжения проходит через вычитатель для управления им и регулирования напряжений между клапанами при регулировании тока с помощью последовательного клапана, тем самым удовлетворяя потребности регулирования мощности разных клапанов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ. 1 - преобразователь тока нескольких последовательно соединенных клапанов для передачи мощности постоянного тока высокого напряжения;
ФИГ. 2 - вариант осуществления устройства по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Каждый клапан оснащен блоком регулирования тока и блоком регулирования напряжения. Блок регулирования тока предназначен для регулирования постоянного тока, проходящего через клапан, соответствующий блоку регулирования тока, а блок регулирования напряжения предназначен для регулирования напряжения на двух сторонах клапана, соответствующего блоку регулирования напряжения. Один клапан выбирается из последовательных клапанов в качестве главного регулирующего клапана, а другие принимаются в качестве вторичных регулирующих клапанов. Главный регулирующий клапан выбирает угол срабатывания, выводимый блоком регулирования тока для управления им, и предназначен для регулирования тока, проходящего через последовательную цепь. Вторичный регулирующий клапан выбирает угол срабатывания, полученный после его передачи от главного регулирующего клапана, а выходное значение блока регулирования напряжения проходит через вычитатель для управления им. Блок регулирования напряжения предназначен для регулирования напряжения последовательного клапана, а выходное значение блока регулирования напряжения генерируется путем сравнения заданного значения напряжения постоянного тока со значением напряжения постоянного тока, измеренным ПИ-регулятором.
В соответствии с настоящим изобретением, в режиме работы последовательных клапанов главный регулирующий клапан выполняет регулирование тока, а вторичный регулирующий клапан путем контроля прямой или непрямой связи между устройствами принимает угол срабатывания, выводимый блоком регулирования тока главного регулирующего клапана. Для регулирования напряжений между клапанами вторичный регулирующий клапан активирует блок регулирования напряжения, находящийся во вторичном регулирующем клапане. Блок регулирования напряжения генерирует выходной сигнал и применяет полученный выходной сигнал после того, как он проходит через вычитатель вместе с углом срабатывания, полученным от главного регулирующего клапана, для регулирования напряжения клапана. Сигнал управления воздействует только на соответствующий вторичный регулирующий клапан.
Для входа опорного напряжения блока регулирования напряжения: а. если выбрано напряжение главного регулирующего клапана, такое же напряжение прилагается на каждый последовательный клапан, т.е. выполняется регулирование баланса напряжений клапанов; b. если выбрано несбалансированное опорное напряжение, на каждый последовательный клапан прилагается разное напряжение, т.е. выполняется регулирование разбаланса напряжений клапанов. Напряжения вторичных регулирующих клапанов являются несбалансированными опорными напряжениями, а напряжение главного регулирующего клапана - общим напряжением постоянного тока за вычетом напряжений вторичных регулирующих клапанов.
Для генерирования соответствующего выходного сигнала вход измеренного тока блока регулирования тока соединяется с блоком токосъема, соответствующим одному клапану. Измерительный сигнал блока токосъема передается на блок регулирования тока, а вход опорного тока и вход измеренного тока проходят через вычитатель и затем соединяются с ПИ-регулятором для вывода сигнала. Вход измеренного напряжения блока регулирования напряжения соединяется с блоком съема напряжения, соответствующим одному клапану. Измерительный сигнал блока съема напряжения передается на блок регулирования напряжения, а вход опорного напряжения и вход измеренного напряжения проходят через вычитатель и затем соединяются с ПИ-регулятором для вывода сигнала. Угол срабатывания, передаваемый главным регулирующим клапаном, и выход ПИ-регулятора проходят через вычитатель и образуют выходной сигнал, таким образом, может выполняться частичное регулирование напряжения. Отрицательный или положительный знак определяется в зависимости от отношения угла срабатывания к напряжению клапана. Если напряжение клапана и угол срабатывания показывают отношение возрастающей функции, то знак положительный. Если напряжение клапана и угол срабатывания показывают отношение убывающей функции, то знак отрицательный. Диапазон регулирования напряжения должен определяться по значению выдерживаемого напряжения каждого последовательного клапана и изоляции, мощности, объему регулирования ответвления и подобным характеристикам трансформатора преобразователя тока, с которым соединен клапан.
Когда главный регулирующий клапан полностью неисправен, он становится вторичным регулирующим клапаном, а один исправный вторичный регулирующий клапан становится главным. Когда главный регулирующий клапан отключен, один исправный вторичный регулирующий клапан становится главным, а остальные вторичные регулирующие клапаны остаются неизменными. Если работает только один клапан, он выступает в качестве главного регулирующего клапана.
Устройство управления последовательными клапанами для передачи постоянного тока высокого напряжения по вышеописанному методу регулирует последовательную цепь, включающую два или более клапанов, имеющих регулируемые силовые полупроводниковые приборы. Силовые полупроводниковые приборы представлены тиристорами, которые не выключаются.
Вариант осуществления настоящего изобретения описан со ссылкой на прилагаемые чертежи ниже. Для компонентов используются соответствующие позиционные обозначения. На ФИГ. 1 показан преобразователь тока 11, соединенный с другим преобразователем тока (не показан на рисунке) посредством линии постоянного тока 6. Преобразователь тока 11 имеет две последовательные цепи 10, включающие два клапана 4, которые могут шунтироваться отдельно с помощью ключей постоянного тока 5. Клапан 4 представляет собой двенадцатиимпульсную трехфазную мостовую цепь. Другими словами, клапан 4 включает два последовательно соединенных шестиимпульсных моста 4а и 4b, которые отдельно соединены с трансформатором передачи мощности постоянного тока высокого напряжения 3. Кроме того, трансформатор передачи мощности постоянного тока высокого напряжения 3 имеет первичную обмотку 3а, соединенную с сетью электропитания переменного тока 1. Следует отметить, что сеть электропитания переменного тока трехфазная, но для упрощения на ФИГ. 1 показана только одна фаза. Во вторичных обмотках 3b трансформатора передачи мощности постоянного тока высокого напряжения используются соединения по схеме «звезда» и «треугольник» для обеспечения разности фаз.
Преобразователь тока 11 можно отсоединять и соединять с сетью электропитания переменного тока 1 с помощью ключей переменного тока 2. Сети электропитания переменного тока 1a, 1b, 1с и 1d, с которыми соединен стандартный преобразователь тока для передачи мощности постоянного тока сверхвысокого напряжения 11, являются одной и той же сетью электропитания переменного тока. Клапан 4, соединенный с линией постоянного тока 6, рассматривается как высоковольтный клапан, а клапан 4, соединенный с линией заземления 7, рассматривается как низковольтный клапан. Высоковольтные и низковольтные клапаны в иерархическом порядке соединены с преобразователем тока для передачи мощности постоянного тока сверхвысокого напряжения 11 в разных сетях электропитания переменного тока. Сети электропитания переменного тока 1а и 1d, с которыми соединен высоковольтный клапан, являются одной и той же сетью электропитания переменного тока, а сети электропитания переменного тока 1b и 1с, с которыми соединен низковольтный клапан, являются другой сетью электропитания переменного тока. Каждая последовательная цепь 10, включающая клапаны 4 и соответствующие компоненты, такие как трансформаторы передачи мощности постоянного тока высокого напряжения, ключи переменного и постоянного тока, также представлена электродом 9, а компоненты, соответствующие одному клапану 4, образуют блок клапанов 8. Линия заземления 7, показанная на ФИГ. 1, используется для соединения преобразователя тока 11 с заземляющим электродом 12.
ord
На ФИГ. 2 показан вариант осуществления устройства управления 24 по настоящему изобретению, которое предназначено для регулирования устройства передачи мощности постоянного тока высокого напряжения 11, представленного на ФИГ. 1. Устройство управления 24 включает блок регулирования тока 17, блок регулирования напряжения 13 и логический блок выбора 22. Блок регулирования тока 17 и логический блок выбора 22 образуют комбинированный блок 23. Вход блока регулирования тока 17 является разностью заданного значения тока Idref и измеренного значения Idv1 (Idv2), и соединяется с ПИ-регулятором 18. Вход опорного значения блока регулирования напряжения 13 является напряжением Udv2 (Udv1) главного регулирующего клапана или опорным значением несбалансированного напряжения Udlvref (Ud2vref). Входной сигнал выбора селектора 14 предусматривает сигнал 15 контроля баланса/разбаланса напряжений. Выход селектора 14 сравнивается с сигналом измерения напряжения Udv1 (Udv2) клапана и выводится на ПИ-регулятор 16. Логический блок выбора 22 включает два селектора 19 и 20. Вход селектора 19 является выходом блока регулирования тока и выходом селектора 19 в другом клапане, а выход селектора 19 соединен с входом селектора 20. Другой вход селектора 20 является разностью выхода селектора 19 и выхода блока регулирования напряжения 13. Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления напряжение клапана и угол срабатывания представляют отношение убывающей функции. Входные сигналы выбора селекторов 19 и 20 клапана предусматривают сигнал 21 главного/вторичного регулирующего клапана. Сигнал 21 главного/вторичного регулирующего клапана подается после того, как во входных сигналах выбора селекторов 19 и 20 другого клапана выполняется операция отрицания. Выход селектора 20 является конечным углом срабатывания α и используется в качестве сигнала управления силового полупроводникового прибора.
ord
ord
ord
Если высоковольтный клапан является главным регулирующим клапаном, селектор 19 логического блока выбора 22 в высоковольтном клапане выбирает выход блока регулирования тока, селектор 20 выбирает выход селектора 19, а значение угла срабатывания α является выходом регулятора тока высоковольтного клапана. Селектор 19 логического блока выбора 22 в низковольтном клапане выбирает угол срабатывания, выводимый селектором 19 в высоковольтном клапане, селектор 20 выбирает разность выхода селектора 19 и выхода блока регулирования напряжения 13, а значение угла срабатывания α является разностью угла срабатывания высоковольтного клапана и выхода блока регулирования напряжения 13. Если входной сигнал выбора селектора 14 в низковольтном клапане представляет контроль баланса напряжений, выход селектора 14 является напряжением Udv1 высоковольтного клапана, сравнивается с сигналом измерения напряжения Udv2 низковольтного клапана и выводится на ПИ-регулятор 16 для контроля баланса напряжений в клапане. Если входной сигнал выбора селектора 14 в низковольтном клапане представляет контроль разбаланса напряжений, выход селектора 14 является опорным значением несбалансированного напряжения Udv2ref, сравнивается с сигналом измерения напряжения Udv2 низковольтного клапана и выводится на ПИ-регулятор 16 для контроля разбаланса напряжений в клапане. Если высоковольтный клапан отключен, низковольтный клапан становится главным регулирующим клапаном, селектор 19 логического блока выбора 22 в низковольтном клапане выбирает выход блока регулирования тока, селектор 20 выбирает выход селектора 19, а значение угла срабатывания α является выходом регулятора тока низковольтного клапана. Вышеописанный вариант осуществления может аналогичным образом применяться в случае, когда низковольтный клапан является главным регулирующим клапаном.
Измерительный датчик, соответствующий одному клапану 4, предназначен для регистрации фактических значений. Например, ток, проходящий через последовательную цепь 10, соответственно представляет значение измерения постоянного тока Idv1 высоковольтного клапана и значение измерения постоянного тока Idv2 низковольтного клапана. Значение измерения постоянного тока Idv1 высоковольтного клапана и значение измерения постоянного тока Idv2 низковольтного клапана регистрируются измерительными датчиками 25 и 26 соответственно и передаются на блок регулирования тока 17, соответствующий клапану 4, как фактические значения. В трех измерительных положениях электрода регистрируются напряжение шины постоянного тока Ud1 электрода, напряжение соединительной линии Udm клапана и напряжение нейтральной линии Udn электрода. Значение измеренного напряжения, требуемое для блока регулирования напряжения 13, может быть получено путем собственного вычитания зарегистрированных напряжений:
Измерение напряжения Udv1 высоковольтного клапана выполняется следующим образом:
Udv1=Ud1-Udm
измерение напряжения Udv2 низковольтного клапана выполняется следующим образом:
Udv2=Udm-Udn
Входной сигнал выбора селектора 14 блока регулирования напряжения предусматривает сигнал 15 контроля баланса/разбаланса напряжений. Когда опорное значение напряжения является напряжением главного регулирующего клапана, блок регулирования напряжения осуществляет контроль баланса напряжений. Когда опорное значение напряжения является несбалансированным опорным напряжением, блок регулирования напряжения осуществляет контроль разбаланса напряжений. Когда опорное значение напряжения вторичного регулирующего клапана является напряжением главного регулирующего клапана, если напряжение вторичного регулирующего клапана больше напряжения главного регулирующего клапана, блок регулирования напряжения 13 выводит отрицательный выходной сигнал. Отрицательный выходной сигнал проходит через ПИ-регулятор 16, вычитается из угла срабатывания, выводимого главным регулирующим клапаном, а затем применяется к вторичному регулирующему клапану, чтобы угол срабатывания вторичного регулирующего клапана превышал угол срабатывания главного регулирующего клапана. Напряжение вторичного регулирующего клапана снижается до уровня, аналогичного уровню главного регулирующего клапана, чтобы осуществлять контроль баланса напряжений в клапане с результатом Udv1=Udv2. Если напряжение вторичного регулирующего клапана меньше напряжения главного регулирующего клапана, можно прийти к такому же заключению. Аналогичным образом, когда опорное значение напряжения вторичного регулирующего клапана является несбалансированным опорным напряжением, напряжение вторичного регулирующего клапана следует за несбалансированным опорным напряжением для контроля разбаланса напряжений в клапане. Результат контроля состоит в том, что напряжение вторичного регулирующего клапана является значением опорного напряжения, а напряжение главного регулирующего клапана равно напряжению постоянного тока Ud=Ud1-Udn за вычетом опорного значения напряжения вторичного регулирующего клапана.
Таким образом, можно получить мощность сети электропитания переменного тока, с которой соединен главный регулирующий клапан, и мощность сети электропитания переменного тока, с которой соединен вторичный регулирующий клапан, чтобы в некоторой степени осуществлять раздельное регулирование мощности разных подсоединенных сетей электропитания.
Вышеприведенные варианты осуществления используются только для описания технической идеи настоящего изобретения, но не ограничивают объем его правовой охраны. Все технические идеи, представленные по настоящему изобретению, и любые модификации, основанные на технических решениях, входят в объем правовой охраны настоящего изобретения.