УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
INSTALLATION FOR ELECTRIC POWER TRANSMISSION

Область техники
Настоящее изобретение относится к установке для передачи электроэнергии, содержащей сеть постоянного напряжения для постоянного тока высокого напряжения и, по меньшей мере, одну трехфазную сеть переменного напряжения, соединенную с ней через станцию, причем станция сконфигурирована для выполнения передачи электрической энергии между сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения и содержит, по меньшей мере, один преобразователь источника напряжения, сконфигурированный для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот, и блок, сконфигурированный для управления преобразователем в соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для генерации переменного напряжения в каждой из трех фазных ветвей преобразователя, имеющего составляющую напряжения третьей гармоники, добавляемую к основному напряжению, причем основная составляющая напряжения имеет ту же частоту, что и переменное напряжение сети переменного напряжения.
Предшествующий уровень техники
Установки этого типа известны, например, из брошюры «It's time to connect, Technical description of HVDC Light technology», изданной ABB Power Technologies AB, Ludvika, Sweden, напечатанной Elanders, Vasteras POW-0038 rev. 2, 2006-02.
Один тип такой известной широтно-импульсной модуляции, которая добавляет только составляющую напряжения третьей гармоники к основной составляющей напряжения, будет разобран ниже со ссылкой на фиг. 1-4 для формирования основы, чтобы раскрыть изобретение, но никоим образом не ограничивая этим его объем. Блок управления такого типа может использовать другие типы широтно-импульсной модуляции, добавляя другие составляющие напряжения нулевой последовательности к основной составляющей напряжения, такие как составляющие напряжения шестой или девятой гармоник, которые также там содержатся.
Кроме того, указанный преобразователь источника напряжения может быть любым из известных типов, таким как двухуровневый, трехуровневый, многоуровневый преобразователь источника напряжения, и также относится к так называемому модульному многоуровневому преобразователю типа M2LC. Частота, используемая для импульсов по принципу широтно-импульсной модуляции, зависит от того, какой тип преобразователя источника напряжения используется, таким образом, эта частота составляет обычно порядка от 1 до 5 кГц для двухуровневого преобразователя и от 100 Гц до 500 Гц для M2LC-преобразователя, где частота переменного напряжения в сети обычно равна 50 Гц или 60 Гц.
Двухуровневый преобразователь источника напряжения очень схематично изображен на фиг.1. Преобразователь 1 имеет три фазные ветви 2-4, включенные между противоположными полюсами 5, 6 сети 7 постоянного напряжения. Каждая фазная ветвь имеет два вентиля 8-13 тока, соединенных последовательно, и среднюю точку между ними, формирующую фазный вывод 14-16 и соединенную через фазные реакторы 17 и трансформатор 18 с сетью 19 переменного напряжения.
Блок 20 сконфигурирован для управления полупроводниковыми устройствами 21 запираемого типа, такими как биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ), чтобы включать или отключать для соединения соответствующий вывод с потенциалом полюса 5 или полюса 6 и с помощью этого генерировать импульсы напряжения в соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции на соответствующем фазном выводе. То, как это осуществляется, является стандартной технологией, известной специалистам в данной области техники. Фазные реакторы 17 помогут сгладить создаваемое переменное напряжение.
Фиг.2 изображает диаграмму зависимости напряжения U от времени t, изображающую для одной фазы напряжение А слева от соответствующего фазного реактора с фиг.1, когда широтно-импульсная модуляция осуществляется без добавления какой-либо гармонической составляющей напряжения к основной составляющей напряжения, в то время как В изображает составляющую напряжения третьей гармоники, которая может добавляться к основной составляющей напряжения, и С изображает напряжение, получаемое при добавлении составляющей напряжения третьей гармоники к основной составляющей напряжения, а именно путем сложения кривых А и В. Оказывается, что составляющая напряжения третьей гармоники уменьшает значение максимума напряжения преобразователя. Это означает, что основная составляющая напряжения может быть увеличена на величину до 15 процентов относительно случая, когда нет добавления составляющей напряжения третьей гармоники, а напряжение, получаемое при таком добавлении, все еще остается в пределах ограничения напряжения преобразователя. Это означает, что до 15 процентов номинальной мощности может быть получено, и потери преобразователя могут также быть уменьшены на величину около 15 процентов. Это является причиной добавления такой составляющей напряжения третьей гармоники в процессе указанной широтно-импульсной модуляции. Фиг.3 изображает вид преобразованного переменного напряжения U для трех фаз 2-4 в зависимости от времени для такой широтно-импульсной модуляции, имеющей составляющую напряжения третьей гармоники, добавленную к основной составляющей напряжения для каждой фазы.
Фиг.4 изображает вид фазных напряжений с фиг.3 в сети 19 переменного напряжения после прохождения через трансформатор 19. Оказывается, что составляющие напряжения третьей гармоники пропадают на стороне сети переменного напряжения трансформатора, что приводит к требуемым синусоидальным фазным напряжениям и к большему максимальному значению напряжения, по сравнению с теми, что можно получить без добавления составляющей напряжения третьей гармоники.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей данного изобретения является предоставление установки, относящейся к типу, определенному во введении, улучшенной в, по меньшей мере, некоторых аспектах по отношению к уже известной установке такого типа.
Эта задача в соответствии с изобретением достигается путем предоставления установки, в которой блок сконфигурирован для управления преобразователем, чтобы использовать постоянное напряжение для импульсов по принципу широтно-импульсной модуляции, адаптированных для максимального значения переменного напряжения сети переменного напряжения, причем сеть переменного напряжения соединена с фазными выводами каждой из фазных ветвей без какого-либо промежуточного силового трансформатора, и установка дополнительно содержит компоновку, соединенную с каждой из фазных ветвей и сконфигурированную для блокирования составляющей напряжения третьей гармоники и предотвращения ее попадания в сеть переменного напряжения.
Заявитель данного изобретения обнаружил, что для улучшения установки этого типа возможно использование того факта, что силовой трансформатор в области применения постоянного тока высокого напряжения (ПТВН) с использованием преобразователя источника напряжения имеет в основном функцию согласования напряжения между сетью переменного напряжения и преобразователем и не является в отличие от линейно коммутируемых передач ПТВН составляющей частью преобразователя. С увеличением степени преобразования и напряжений во многих случаях может не быть весомых причин для наличия трансформатора для согласования напряжения между сетью переменного напряжения и сетью постоянного напряжения, так как эти напряжения практически одинаковы. Исключение силового трансформатора принесет выгоду как в виде уменьшения стоимости, так и в виде уменьшения потерь. Тем не менее, для того чтобы можно было использовать преимущества добавления составляющей напряжения третьей гармоники к основной составляющей напряжения в широтно-импульсной модуляции, установка обеспечивается указанной компоновкой, сконфигурированной для блокирования составляющей напряжения третьей гармоники. Таким образом, увеличение номинальной мощности благодаря добавлению составляющей напряжения третьей гармоники может быть осуществлено вместе с экономией затрат за счет исключения силового трансформатора. Обращается внимание на то, что установка в соответствии с изобретением не имеет силового трансформатора, но изобретение охватывает случай, когда установка не имеет вообще никакого трансформатора, так же как и случаи, когда другие трансформаторы, отличные от силового трансформатора, такие как регулировочный трансформатор и/или автотрансформатор, соединяют сеть переменного напряжения с фазными выводами каждой из фазных ветвей.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения компоновка содержит, по меньшей мере, фильтр, блокирующий третью гармонику, с индуктивностью и емкостью для каждой фазной ветви. Такой фильтр, блокирующий третью гармонику, может эффективно устранять составляющую напряжения третьей гармоники, наложенную на основное напряжение, вырабатываемое преобразователем, благодаря наличию индуктивности и емкости, в виде катушки индуктивности и конденсатора, настроенных на третью гармонику. Затраты на такие фильтры, блокирующие третью гармонику, значительно меньше, чем на трансформатор.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения компоновка содержит реактор нулевой последовательности, сконфигурированный для блокирования любых составляющих напряжения нулевой последовательности, добавляемых к основной составляющей напряжения в результате широтно-импульсной модуляции. Также замена трансформатора таким реактором нулевой последовательности приводит к существенной экономии на затратах, и компоновка такого типа делает возможным использование принципов широтно-импульсной модуляции, добавляя любые типы составляющих напряжения нулевой последовательности к основной составляющей напряжения, таких как, например, так называемая оптимальная ШИМ, и при этом получение чисто синусоидального переменного напряжения в сети переменного напряжения.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения реактор нулевой последовательности содержит железный сердечник с тремя ветвями и одной проводящей обмоткой на каждой ветви, и каждая из обмоток соединена с отдельной фазной ветвью преобразователя последовательно между фазной ветвью и соответствующей ей фазной линией сети переменного напряжения. Такой реактор нулевой последовательности будет эффективно устранять любые составляющие напряжения нулевой последовательности, добавленные к основной составляющей напряжения при ШИМ, и он может по существу сравниваться с трансформатором с номиналом, на 10 процентов меньшим, чем у трансформаторов, обычно используемых в установках ПТВН этого типа.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения блок сконфигурирован для управления преобразователем, чтобы генерировать переменное напряжение на каждой из фазных ветвей, имеющее также другие составляющие напряжения нулевой последовательности, отличные от составляющей напряжения третьей гармоники, добавляемые к основной составляющей напряжения, что может быть преимущественно осуществлено, когда компоновка содержит реактор нулевой последовательности.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения преобразователь источника напряжения станции принадлежит к типу, у которого каждая из трех фазных ветвей соединяет противоположные полюса стороны постоянного тока преобразователя и содержит последовательное соединение переключающих ячеек, причем каждая переключающая ячейка имеет, с одной стороны, по меньшей мере, две полупроводниковые сборки, каждая из которых имеет полупроводниковое устройство запираемого типа и возвратный диод, соединенный с ним встречно параллельно, и, с другой стороны, по меньшей мере, один накапливающий энергию конденсатор, причем средняя точка переключающей ячейки формирует фазный вывод, причем каждая из переключающих ячеек сконфигурирована для получения двух переключающих состояний путем управления полупроводниковыми устройствами каждой переключающей ячейки, а именно первого переключающего состояния и второго переключающего состояния, при которых напряжение, по меньшей мере, на одном накапливающем энергию конденсаторе и нулевое напряжение соответственно прикладываются на контакты переключающей ячейки для получения определенного переменного напряжения на фазном выводе. При использовании такого преобразователя источника напряжения будет возможно получать импульсы напряжения с большим количеством различных уровней таким образом, что уже при значительно более низких переключающих частотах по сравнению с теми, что обычно используются в других известных типах преобразователей источника напряжения, переменное напряжение, очень близкое к синусоидальному напряжению, может быть получено уже до того, как будет проведена какая-либо фильтрация, что приводит к низким потерям в таком преобразователе. Это означает дополнительную экономию затрат на установку в соответствии с данным изобретением.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения компоновка содержит фильтр, блокирующий третью гармонику, соединяющий каждую половину последовательного соединения переключающих ячеек с фазным выводом соответствующей фазы. Фазный реактор может в таком варианте осуществления быть включен в фильтр, блокирующий третью гармонику.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения число переключающих ячеек последовательного соединения переключающих ячеек в каждой из фазных ветвей преобразователя составляет ≥4, ≥12, ≥30 или ≥50. Преобразователь этого типа, как уже было упомянуто, представляет особенный интерес, когда число переключающих ячеек фазной ветви довольно велико, что приводит к большому числу возможных уровней импульсов напряжения, подаваемых на фазный вывод.
В соответствии с другим вариантом осуществления компоновка подключена последовательно между фазным выводом каждой фазной ветви преобразователя и соответствующей линией фазы сети переменного напряжения, что составляет преимущественный способ подключения компоновки для получения желаемого переменного напряжения в сети переменного напряжения.
В соответствии с другим вариантом осуществления полупроводниковые устройства запираемого типа в преобразователе, управляемые блоком в соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции, являются БТИЗ (биполярными транзисторами с изолированным затвором), КЗЗТ (коммутируемыми по затвору запираемыми тиристорами) или ЗТ (запираемыми тиристорами). Это подходящие полупроводниковые устройства для таких преобразователей, хотя приемлемы также другие полупроводниковые устройства запираемого типа.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения сеть постоянного напряжения имеет номинальное значение постоянного напряжения между двумя полюсами, равное от 10 кВ до 1200 кВ, от 100 кВ до 1200 кВ или от 300 кВ до 1200 кВ. Это типичные напряжения для установки в соответствии с данным изобретением, и обращается внимание на то, что установка этого типа представляет тем больший интерес, чем больше постоянное напряжение.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения сеть переменного напряжения соединена с фазными выводами каждой фазной ветви без какого-либо промежуточного трансформатора.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения сеть переменного напряжения соединена с фазными выводами каждой фазной ветви через регулировочный трансформатор.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения сеть переменного напряжения соединена с фазными выводами каждой фазной ветви через автотрансформатор.
Все три варианта осуществления, упомянутые последними, включают в себя значительную экономию затрат относительно компоновки с силовым трансформатором.
Дополнительные преимущества так же, как и преимущественные особенности изобретения, станут ясны из следующего описания.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид известной установки для передачи электрической энергии;
Фиг. 2-4 изображают диаграммы зависимости напряжения от времени, используемые для разъяснения причин добавления составляющей напряжения третьей гармоники к основной составляющей напряжения при широтно-импульсной модуляции;
Фиг. 5-8 изображают схематичные виды установок в соответствии с первым-четвертым вариантами осуществления изобретения;
Фиг.9 изображает схематичный вид реактора нулевой последовательности, включенного в установку в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Различные варианты осуществления изобретения будут кратко раскрыты со ссылкой на фиг. 5-9, но подчеркивается, что огромное количество модификаций бесспорно возможно в рамках объема изобретения. Кроме того, чертежи крайне упрощены практически только для изображения элементов, которые являются ключевыми для раскрытия изобретения, так что большое количество дополнительного оборудования и ему подобного было исключено.
Фиг.5 схематически изображает установку для передачи электрической энергии в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, установка содержит сеть 100 постоянного напряжения для постоянного тока высокого напряжения и одну сеть 101 переменного напряжения, соединенную с ней. Сеть переменного напряжения соединена с сетью постоянного напряжения через станцию, сконфигурированную для выполнения передачи электрической энергии между сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения и которая содержит, по меньшей мере, один преобразователь 103 источника напряжения, здесь принадлежащий к двухуровневому типу или другому типу, не имеющему конденсаторов, встроенных в его переключающие ячейки, такому как преобразователь M2LC. Преобразователь сконфигурирован для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот. Установка также содержит блок 104, сконфигурированный для управления преобразователем в соответствии с принципом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для генерации переменного напряжения на каждой из трех фазных ветвей 105 (здесь совмещенных в одну линию) преобразователя, имеющего составляющую напряжения третьей гармоники, добавляемую к основной составляющей напряжения, имеющей ту же частоту, такую как 50 Гц или 60 Гц, что и переменное напряжение в сети 101 переменного напряжения.
Кроме того, блок 104 сконфигурирован для управления преобразователем, чтобы использовать постоянное напряжение для импульсов принципа широтно-импульсной модуляции, приспособленных к максимальному значению переменного напряжения сети переменного напряжения, таким образом, что нет необходимости в каком-либо трансформаторе между фазными выводами 106 каждой фазной ветви 105 преобразователя для преобразования напряжения, генерируемого преобразователем до уровня напряжения в сети 101 переменного напряжения. Более того, три фазы сети 101 переменного напряжения и соответствующие фазные выводы 106 здесь совмещены путем изображения только одной фазы.
Установка дополнительно содержит компоновку 107, соединенную с каждой фазной ветвью и сконфигурированную для блокирования составляющей напряжения третьей гармоники, чтобы предотвратить ее попадание в сеть переменного напряжения. Эта компоновка 107 в этом случае является фильтром, блокирующим третью гармонику, с индуктивностью 108 и емкостью 109. Этот фильтр будет настроен на третью гармонику напряжения для практически полного устранения этой составляющей напряжения из напряжения, подающегося с фазного вывода 106 преобразователя и имеющего вид в соответствии с фиг.3, так что результирующее напряжение будет иметь вид в соответствии с фиг.4 на стороне сети переменного напряжения фильтра 107.
Фазный реактор 110 также, как и возможный фильтр 111 переменного напряжения, имеющий конденсатор 112, индуктивность 113 и сопротивление 114 для сглаживания напряжения, подаваемого с фазного вывода 106, изображены на фиг.5.
Фиг.6 изображает установку в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, отличающуюся от установки, изображенной на фиг.5, только тем, что фильтр 111 переменного напряжения присоединен на стороне сети переменного напряжения фильтра 107, блокирующего третью гармонику.
Фиг.7 изображает установку в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, в которой преобразователь 103' является так называемым преобразователем M2LC, относящимся к типу, раскрытому, например, в DE 10103031 A1, в котором каждая из трех фазных ветвей, соединяющая противоположные полюсы 115, 116 сети 100 постоянного напряжения, содержит последовательное соединение переключающих ячеек 117, где каждая переключающая ячейка 117 имеет, с одной стороны, по меньшей мере, две полупроводниковые сборки, каждая - имеющая полупроводниковое устройство 118 запираемого типа, такое как БТИЗ, КЗЗТ или ЗТ, и возвратный диод 119, соединенный с ним встречно параллельно, и, с другой стороны, по меньшей мере, один накапливающий энергию конденсатор 120, причем средняя точка последовательного соединения формирует фазный вывод 106'. Каждая переключающая ячейка сконфигурирована для получения двух переключающих состояний путем управления полупроводниковыми устройствами каждой переключающей ячейки, а именно первого переключающего состояния и второго переключающего состояния, при которых напряжение на, по меньшей мере, одном накапливающем энергию конденсаторе и нулевое напряжение соответственно прикладываются на контакты переключающей ячейки для получения определенного переменного напряжения на фазном выводе. Индуктивности 121 соединяют каждую половину последовательного соединения переключающих ячеек с фазным выводом 106' для формирования фазных реакторов, но эти индуктивности могут также быть встроены в переключающие ячейки.
Фильтр 107, блокирующий третью гармонику, выполнен последовательно между фазным выводом 106' каждой фазной ветви преобразователя и соответствующей фазной линией сети 101 переменного напряжения. Блок 104 управления, сконфигурированный для управления переключающими ячейками, будет управлять ими со сравнительно низкой частотой по сравнению с преобразователем в соответствии с фиг.5 и 6, например, порядка 100 Гц-500 Гц, по сравнению с 1 кГц-5 кГц.
Фиг.8 изображает установку в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения, отличающуюся от установки, изображенной на фиг.7, тем, что фильтр 107”, блокирующий третью гармонику, выполнен с возможностью соединения каждой половины последовательного соединения переключающих ячеек с фазным выводом 106” соответствующей фазы, причем фазный вывод 106” затем соединяется напрямую с сетью 101 переменного напряжения. Фазный реактор 122 здесь встроен в фильтр 107”, блокирующий третью гармонику.
Наконец, фиг.9 изображает реактор нулевой последовательности, который может заменить фильтры, блокирующие третью гармонику, изображенные в других вариантах осуществления изобретения, для фильтрации любых составляющих напряжения нулевой последовательности, добавляемых к основной составляющей напряжения в результате широтно-импульсной модуляции, проводимой блоком 104 управления, а не только составляющие напряжения третьей гармоники. Например, при так называемой оптимальной ШИМ генерируется определенное число различных гармоник нулевой последовательности, а реактор 123 нулевой последовательности, изображенный на фиг.9, может исключить их все. Этот реактор нулевой последовательности может являться устройством с масляной изоляцией, которое состоит из железного сердечника 124 с тремя фазными ветвями 125-127 и одной проводящей обмоткой 128-130 на каждой ветви. Каждая из обмоток 128-130 соединена с отдельной фазной ветвью 105 преобразователя последовательно между фазной ветвью и соответствующей фазной линией сети 101 переменного напряжения. Такой реактор нулевой последовательности может быть использован в качестве фильтра, блокирующего нулевую последовательность, для любого типа преобразователя источника напряжения. Этот реактор нулевой последовательности можно сравнить с трансформатором с номиналом менее 10 процентов от трансформаторов, обычно используемых в установках для передачи электроэнергии с помощью постоянного тока высокого напряжения.
Изобретение, конечно, не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, а большое количество возможностей для его модификаций будет ясно специалисту в данной области техники, не выходя за рамки объема изобретения, определенные в приложенной формуле изобретения.