СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ТОКА
METHOD FOR SWITCHING OPERATING CURRENT

Изобретение относится к способу переключения рабочего тока в ячеистой сети постоянного напряжения.
Для реализации будущих сетей постоянного напряжения настоятельно требуется использование силовых переключателей постоянного напряжения.
В WO 2011/057675 А1 предложен силовой переключатель постоянного напряжения, который реализует концепцию гибридного переключателя. Таким образом, раскрытый там силовой переключатель постоянного напряжения содержит механический переключатель последовательно с электронным вспомогательным переключателем. Это последовательное соединение шунтируется силовым электронным блоком переключения, который способен безопасно отключать большие мощности. Для этого множество силовых полупроводниковых переключателей соединены последовательно, что делает известный силовой переключатель постоянного напряжения затратным и дорогостоящим.
Для снижения стоимости уже был предложен силовой переключатель постоянного напряжения, который выполняют таким образом, что он хотя и проводит токи в обоих направлениях, но может переключать только в одном направлении. Такой однонаправленный переключатель был бы существенно дешевле, чем сопоставимый двунаправленный переключатель. Для отключения токов неисправностей постоянного напряжения часто достаточен однонаправленный переключатель. Рабочие токи возникают, однако, в обоих направлениях тока, так что требуется двунаправленный переключатель.
Из практики известно, что постоянные токи переключаются механическим переключателем, причем колебательный контур, включенный параллельно механическому переключателю, генерирует переход тока через нуль в механическом переключателе, так что дуга, возникающая между контактами механического переключателя, гаснет.
Задачей изобретения является создание способа вышеуказанного типа, с помощью которого рабочий ток можно безопасно и экономично отключать в обоих направлениях.
Изобретение решает эту задачу с помощью способа переключения рабочего тока в ячеистой сети постоянного напряжения, которая на стороне постоянного напряжения, соответственно, соединяет друг с другом инверторы, подключенные к сети переменного напряжения, причем каждый инвертор выполнен с возможностью передачи электрической мощности между соединенной с ним сетью переменного напряжения и сетью постоянного напряжения, и причем сеть постоянного напряжения имеет ветвь переключения, в которой размещен механический переключатель, при котором по меньшей мере один инвертор регулируется таким образом, что в ветви переключения генерируется переход через нуль тока, и механический переключатель приводится в действие в зависимости от сгенерированного перехода через нуль тока.
Изобретение исходит из того, что для отключения высоких токов неисправности постоянного напряжения отдельный силовой переключатель постоянного напряжения расположен в сети постоянного напряжения. Он может быть сконфигурирован как однонаправленный переключатель, так что токи неисправностей могут отключаться только в одном направлении. Изобретение основывается на идее, что искусственно сгенерированные переходы через нуль тока не обязательно должны генерироваться с помощью параллельного резонансного контура в механическом переключателе. Напротив, в рамках изобретения достаточно, если переход через нуль тока генерируется с помощью и без того уже соединенного с сетью постоянного напряжения инвертора. Действительно, трудно представить себе, что в сколь угодно большой ячеистой сети постоянного напряжения, к которой подключены инверторы разных производителей, можно будет регулировать рабочий ток на любой линии с достаточной точностью, например, +/-10 А или еще более точно. Правда каждый отдельный преобразователь тока может регулироваться достаточно точно. Однако ввиду ячеистой структуры сети постоянного напряжения на ток в данной ячейке одновременно действуют несколько регулирований и различные помеховые величины, так что необходимо считаться с постоянными колебаниями фактического значения. Поэтому в соответствии с изобретением предложено, что вместо того чтобы ток в ветви переключения непрерывно регулировать в течение более длительного временного интервала на нуль, генерируются искусственные переходы через нуль тока. В рамках изобретения достаточно ток линии устанавливать с допуском, например, +/-50 А. Таким образом может задаваться заданная характеристика для тока, которая вызывает переходы через нуль тока. Если этот переход через нуль тока создается в ветви переключения, в которой размещен механический переключатель, последний может приводиться в действие таким образом, что его контакты в момент времени перехода через нуль тока размыкаются настолько далеко, что электрическая дуга гасится. Поскольку при переключении рабочих или нагрузочных токов не требуется выдерживать никакие времена, такой процесс переключения в рамках изобретения может осуществляться медленно.
В соответствии с целесообразным в этом отношении выполнением, приведение в действие механического переключателя выполняется уже перед достижением перехода через нуль тока. Поэтому при размыкании контактов механического переключателя сначала создается электрическая дуга, пока она не погаснет в момент времени перехода тока через нуль. Контакты, однако, в этот момент времени достигают такого расстояния друг от друга, что обеспечивается необходимая электрическая прочность и никакая новая электрическая дуга не может возникнуть между контактами механического переключателя.
Разумеется, в вышеизложенных представлениях не требуется точная синхронизация между регулированием инвертора или инверторов и запуском процесса переключения.
Чтобы при этом получить больше свободы действий, в соответствии с целесообразным вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрен по меньшей мере один включенный последовательно с механическим переключателем в ветви переключения силовой полупроводниковый переключатель, который постоянно поддерживается во время нормальной работы в своем положении пропускания и для отключения рабочего тока переводится в его запирающее положение. Как уже говорилось, без такого силового полупроводникового переключателя между размыканием механического переключателя и моментом времени перехода через нуль тока требуется очень хорошая синхронизация. В противном случае между контактными элементами механического переключателя в течение очень длительного времени существует электрическая дуга или происходит переход через нуль тока в момент времени, в который механический переключатель еще не разомкнут. По этой причине по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключатель является целесообразным. В качестве силовых полупроводниковых переключателей могут использоваться отключаемые силовые полупроводниковые переключатели, такие как IGBT, IGCT или GTO с встречно-параллельно включенными безынерционными диодами. Предпочтительно, однако, в качестве силового полупроводникового переключателя используется тиристор. Тиристор является, например, тиристором, поджигаемым светом. Для поддержания тиристора в его положении пропускания, в котором возможно протекание тока через тиристор, последний беспрерывно поджигается. Ввиду непрерывного поджига тиристора в нормальном режиме нагрузочный ток протекает через упомянутый тиристор и через расположенный последовательно с ним механический переключатель. Если рабочий или нагрузочный ток должен быть отключен, команды поджига не подаются. При переходе через нуль тока тиристор гасится, причем должно гарантироваться, что тиристору обеспечивается достаточно большое запрещенное время, так чтобы он мог надежно перейти в свое запертое положение. В запертом положении, тиристор не проводит, так что включенный последовательно с ним механический переключатель может размыкаться в обесточенном состоянии.
Если желательно использовать этот тип отключения нагрузочного тока или рабочего тока для обоих направлений тока, необходим второй силовой полупроводниковый переключатель, например второй тиристор, который включен встречно-параллельно первому тиристору. Оба тиристора расположены последовательно с механическим переключателем. Так как последовательно с тиристором размещен механический переключатель, который берет на себя развязку по напряжению, тиристоры могут быть рассчитаны на низкое напряжение. Здесь, например, достаточна запирающая способность в несколько киловольт. По причинам избыточности, однако, выгодно, если несколько тиристорных «таблеток» (интегральных схем в форме диска) соединены последовательно. Например, три тиристорные таблетки соединены последовательно. В соответствии с целесообразным в этом отношении вариантом осуществления, параллельно с одним или несколькими тиристорами предусмотрен разрядник, который ограничивает максимальное напряжение на тиристорах. Разрядник выполнен таким образом, что при обычных напряжениях при отключении рабочего тока протекает только очень малый ток.
Рациональным образом измерительные датчики регистрируют ток переключения, протекающий в ветви переключения, причем регулирование одного или нескольких инверторов осуществляется в зависимости от зарегистрированного тока переключения. Таким способом временная последовательность может рациональным образом согласовываться между регулированием одного или нескольких инверторов и выдачей команды переключения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления переход через нуль тока осуществляется посредством падения напряжения, которое генерируется на выводе постоянного напряжения по меньшей мере одного инвертора. Согласно этому предпочтительному варианту осуществления инвертор предпочтительно является создающим напряжение инвертором, т.е. так называемым "преобразователем источника напряжения (VSC)", на выходе постоянного напряжения которого генерируется, соответственно, желательное постоянное напряжение. Если это выходное напряжение скачкообразно изменяется, это приводит к падению напряжения, которое может обеспечивать необходимый переход через нуль тока. Конечно, упомянутый инвертор в рамках изобретения может также быть ведомым инвертором.
Согласно целесообразному в этом отношении варианту осуществления вызывается первое падение напряжения через по меньшей мере один инвертор, затем регистрируется и оценивается профиль тока переключения, протекающего в ветви переключения, причем в итоге вызывается второе падение напряжения через тот же инвертор или те же инверторы, величина которого устанавливается в зависимости от оценки профиля тока переключения. Если посредством первого заданного падения напряжения не вызывается переход через нуль тока, то это может быть определено из измеренного тока в ветви переключения. Затем может генерироваться более сильное падение напряжения при создании второго падения напряжения. Таким образом, можно с помощью первого падения напряжения, как при тестовом пуске, протестировать влияние падения напряжения на ветвь переключения. Второе падение напряжения затем регулируется на основе результатов первого падения напряжения.
В соответствии с настоящим изобретением рабочие токи могут переключаться в обоих направлениях со сравнительно небольшими затратами. В соответствии с изобретением достаточно установить механический переключатель с дугостойкостью в сеть постоянного напряжения. Более затратные принципы переключения стали излишними в контексте настоящего изобретения. Если последовательно с механическим переключателем включены тиристоры, то они могут поджигаться, например, светом. Отпадает необходимость в более затратном энергоснабжении высоковольтных тиристоров.
Дальнейшие целесообразные варианты осуществления и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаково действующим компонентам и на которых представлено следующее:
Фиг. 1 – схематичное представление ячеистой сети постоянного напряжения,
Фиг. 2 - ветвь переключения сети постоянного напряжения согласно фиг. 1 с механическим переключателем,
Фиг. 3 - идеализированный профиль тока для перехода через нуль тока в ветви переключения согласно фиг. 2,
Фиг. 4 – реалистичный профиль тока для генерирования перехода через нуль тока в ветви переключения согласно фиг. 2 и
Фиг. 5 – более детальное представление механического переключателя и ветви отключения.
Фиг. 1 показывает пример выполнения сети 1 постоянного напряжения. Сеть 1 постоянного напряжения сети соединяет инверторы 2 на стороне постоянного напряжения друг с другом. При этом сеть постоянного напряжения образует сетевые узлы 3. В сети 1 постоянного напряжения расположены не показанные на чертеже силовые переключатели постоянного напряжения, которые способны переключать токи неисправности в одном направлении. Для переключения рабочих токов предусмотрены только механические переключатели, которые также не показаны на фиг. 1. Каждый инвертор соединен с сетью переменного напряжения, не показанной на чертеже.
На фиг. 2 показан увеличенный фрагмент той же сети 3 постоянного напряжения согласно фиг. 1. Здесь можно видеть ветвь 4 переключения, в которой размещен механический блок 5 переключения. Механический блок 5 переключения содержит механический переключатель и размещенные последовательно с ним тиристоры в качестве силовых полупроводниковых переключателей. Ветвь 4 переключения походит между двумя узлами 3a и 3b сети постоянного напряжения, которые соответственно соединены непосредственно с инвертором 2а или 2b. Здесь следует отметить, что на чертежах сеть 1 постоянного напряжения показана только как однополюсная сеть. Однако это сделано только для наглядности. Сеть постоянного напряжения в рамках изобретения рациональным образом имеет две линии, поляризованные по-разному относительно друг друга, например плюс и минус.
Напряжение на первом узле 3а сети постоянного напряжения в основном определяется выходным напряжением инвертора 2а на стороне постоянного напряжения, причем напряжение на втором узле 3b сети постоянного напряжения в основном определяется выходным напряжением второго инвертора 2b. При нормальном режиме работы напряжение U1, падающее на первом сетевом узле 3а по отношению к потенциалу земли немного больше, чем соответствующее напряжение U2 на втором узле 3b сети постоянного напряжения. Таким образом, ток I течет в направлении, показанном на фиг. 2, от первого узла 3а сети постоянного напряжения к второму узлу 3b сети постоянного напряжения через блок 5 переключения. Если теперь с помощью не показанного на чертеже инверторного управления первого инвертора 2а на выходе постоянного напряжения инвертора 2а генерируется падение напряжения, то напряжение U1 на первом узле сети постоянного напряжения снижается. Если это падение напряжения достаточно велико, то оно приводит к переходу через нуль тока.
На фиг. 3 показан в качестве примера идеализированный переход через нуль тока. В момент времени 0 существуют обычные при нормальном режиме рабочие условия U1 и U2, ток течет в направлении, показанном на фиг. 2. Через 10 секунд на первом инверторе 2а вызывается падение напряжения. Это приводит в итоге через 25 секунд к переходу через нуль тока и к протеканию тока в противоположном направлении.
На фиг.4 показан более реалистичный профиль тока, причем исходят из того, что падение напряжения на первом инверторе 2а происходит только в течение короткого временного интервала, так что затем первый инвертор 2а может снова работать с нормальными рабочими параметрами. Таким образом, произойдут два перехода через нуль тока спустя примерно 16 и 24 миллисекунды. Если механический переключатель блока 5 переключения поджигается, например, в момент времени 0, то спустя 16 миллисекунд электрическая дуга между его контактами переключения гасится, причем они достигают такого большого расстояния друг от друга, что обеспечивается достаточно высокая электрическая прочность, и повторное зажигание электрической дуги не происходит.
Фиг. 5 показывает предпочтительное выполнение блока переключения, из которого видно, что блок 5 переключения содержит механический переключатель 6 и в последовательном соединении с ним два тиристора 7 и 8 в качестве силовых полупроводниковых переключателей, которые соединены друг с другом встречно-параллельно. Параллельно обоим тиристорам 7, 8 включен разрядник 9. Оба тиристора 7 и 8 при нормальном режиме работы беспрерывно поджигаются, так что рабочий ток может протекать в обоих направлениях через тиристоры 7 и 8 и к механическому переключателю 6. В случае, показанном на фиг.5, рабочий ток I протекает слева направо, таким образом, проходит через тиристор 8, а затем через механический переключатель 6.
Для выключения рабочего тока I генерируется переход через нуль тока. Беспрерывное поджигание тиристора 8 прекращается. Если ток I, протекающий через тиристор 8, спадает ниже его удерживающего тока, то тиристор 8 переводится в свое запирающее состояние. Протекание тока через тиристор 8 и, конечно, также через тиристор 7 больше невозможно в указанном направлении. Механический переключатель 6 теперь может теперь размыкаться в обесточенном состоянии. Разрядник 9 служит для защиты тиристоров 7 и 8 от перенапряжений. Ввиду последовательного расположения тиристоров 7, 8 и механического переключателя 6 может использоваться менее точная синхронизация между приведением в действие механического переключателя 6 и падением напряжения, вызванным регулированием инвертора 2.