ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
CONVERTING DEVICE AND METHOD FOR ITS PROTECTION AGAINST SHORT CIRCUIT

Изобретение относится к преобразовательному (инверторному) устройству, содержащему первую ветвь фазного модуля с первой последовательной цепью двухполюсных подмодулей, которые включают в себя, соответственно, по меньшей мере один накопитель энергии и по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок, причем первая ветвь фазного модуля проходит между первым выводом переменного напряжения и первым полюсом постоянного напряжения, вторую ветвь фазного модуля со второй последовательной цепью двухполюсных подмодулей, причем вторая ветвь фазного модуля проходит между первым выводом переменного напряжения и вторым полюсом постоянного напряжения, третью ветвь фазного модуля с третьей последовательной цепью двухполюсных подмодулей, причем третья ветвь фазного модуля проходит между вторым выводом переменного напряжения и первым полюсом постоянного напряжения, и четвертую ветвь фазного модуля с четвертой последовательной цепью двухполюсных подмодулей, причем четвертая ветвь фазного модуля проходит между вторым выводом переменного напряжения и вторым полюсом постоянного напряжения, причем каждый подмодуль может шунтироваться с помощью расположенного параллельно к его соединительным клеммам шунтирующего блока независимо от направления тока, и причем первый полюс постоянного напряжения соединен с первым выводом постоянного напряжения, и второй полюс постоянного напряжения соединен со вторым выводом постоянного напряжения.
При этом независимое от направления тока шунтирование должно присутствовать тогда, когда подмодуль шунтируется независимо от направления тока.
Выводы постоянного напряжения обычно предназначены для того, чтобы соединять преобразовательное устройство с линией постоянного напряжения. Соединения между полюсами постоянного напряжения и соответствующими выводами постоянного напряжения могут в соответствии с этим представлять собой разъемные соединения.
Типовое преобразовательное устройство известно из статьи ʺProtection of Nonpermanent Faults on DC Overhead Lines in MMC-Based HVDC Systemsʺ, Li et al, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 28, № 1, Jan 2013.
Преобразовательные устройства такого типа используются, например, в применении высоковольтной передачи постоянного тока (HGÜ). При этом электрическая энергия может эффективно передаваться на большие расстояния от сотен до тысяч километров. Передача обычно осуществляется с помощью линий постоянного напряжения, которые реализуются в форме проложенных в земле или по дну моря кабелей или воздушных линий. Особенно в последнем случае, воздействия окружающей среды, такие как удары молнии и упавшие деревья, могут часто вызывать кратковременное короткое замыкание в линии постоянного напряжения. При таких неисправностях на стороне постоянного напряжения при определенных обстоятельствах возникают очень высокие токи короткого замыкания. Токи короткого замыкания могут привести к повреждению компонентов преобразователя, поскольку они, как правило, также проходят через ветви фазных модулей преобразовательного устройства. Это приводит к необходимости отключать токи короткого замыкания для защиты преобразовательного устройства от короткого замыкания. В известном преобразовательном устройстве все силовые полупроводниковые переключатели в подмодулях запираются, как только короткое замыкание на стороне постоянного напряжения обнаруживается с помощью подходящего детектора. Одновременно все подмодули шунтируются посредством соответствующих шунтирующих блоков, которые в известном преобразовательном устройстве содержат антипараллельные тиристоры, или их клеммы замыкаются накоротко. Для этого блок управления, предназначенный для этой цели, приводит к переключению тиристоров в проводящее состояние. Таким образом, на стороне переменного напряжения может быть введен тип симметричного короткого замыкания всех фаз сети переменного напряжения, подключенной к преобразовательному устройству. В результате достигается то, что в линию постоянного напряжения, соединенную с преобразовательным устройством на стороне постоянного напряжения, не вводится больше энергии. Таким образом, ток короткого замыкания в линии постоянного напряжения больше не поддерживается передачей энергии. Ток короткого замыкания, который продолжает течь из-за индуктивностей проводов в линии постоянного напряжения, тогда полностью затухает.
Исходя из известного преобразовательного устройства, задачей изобретения является улучшение защиты преобразовательного устройства от короткого замыкания.
Указанная задача решается в типовом преобразовательном устройстве с помощью переключателя постоянного напряжения, который расположен между первым полюсом постоянного напряжения и первым выводом постоянного напряжения или между вторым полюсом постоянного напряжения и вторым выводом постоянного напряжения, и цепи свободного хода (гасящей цепи), которая проходит между обоими выводами постоянного напряжения и содержит полупроводниковый элемент с направлением запирания и пропускания.
Изобретение включает в себя как двухфазные, так и трехфазные и многофазные варианты осуществления. При этом преобразовательное устройство имеет, например, в трехфазном варианте осуществления, пятую и шестую фазную ветвь, которые расположены в соответствии с известным преобразовательным устройством.
В соответствии с изобретением, разумеется, можно соединить как первый полюс постоянного напряжения, так и второй полюс постоянного напряжения с соответствующими выводами постоянного напряжения через по меньшей мере один переключатель постоянного напряжения.
Первый полюс постоянного напряжения может, например, быть реализован как положительная сборная шина, а второй полюс постоянного напряжения - как нулевой провод. Также возможно, что первый полюс постоянного напряжения реализован как нулевой провод, а второй полюс постоянного напряжения - как отрицательная сборная шина. Соответственно, также возможны дополнительные варианты, например, что первый полюс постоянного напряжения находится на положительном, а второй полюс постоянного напряжения - на отрицательном электрическом высоковольтном потенциале. Соответствующее изобретению преобразовательное устройство может также быть частью биполярной высоковольтной системы передачи постоянного тока (HGÜ).
Преимущество соответствующего изобретению преобразовательного устройства заключается в том, что переключатель постоянного напряжения может применяться для того, чтобы коммутировать ток короткого замыкания, протекающий в линии постоянного напряжения после шунтирования подмодулей, в цепь свободного хода. Таким образом, ток короткого замыкания стороны постоянного напряжения предпочтительным образом протекает тогда не через ветви фазных модулей преобразовательного устройства, в результате чего его защита улучшается.
Предпочтительным образом, за счет комбинации шунтирующих блоков и переключателя постоянного напряжения, больше не нужно проектировать переключатель постоянного напряжения или его запирающее напряжение для переключения при полном напряжении стороны постоянного напряжения. Скорее, достаточно, если переключатель постоянного напряжения выполнен только для коммутации тока короткого замыкания в цепь свободного хода. Например, вместо запирающего напряжение 320 кВ, теперь может быть достаточным запирающее напряжение 10 кВ. В результате предпочтительным образом сокращаются затраты на переключение силовых электронных схем для переключателя постоянного напряжения. Кроме того, потери при нормальном режиме работы преобразовательного устройства относительно низкие.
Шунтирующий блок предпочтительно содержит шунтирующую ветвь, расположенную параллельно обоим выводам или полюсам подмодулей, так что короткое замыкание на выводах может осуществляться независимо от направления тока. Шунтирующий блок может быть соединен с устройством управления, с помощью которого можно управлять шунтирующим блоком, который может, в частности, инициировать шунтирование подмодулей. Предпочтительно, шунтирующий блок содержит антипараллельно включенные тиристоры. Для независимого от направления тока шунтирования подмодулей тиристоры срабатывают (зажигаются) одновременно. Таким образом, обеспечивается особенно благоприятный и надежный шунтирующий блок.
Для обнаружения короткого замыкания в линии постоянного напряжения может быть предусмотрено устройство обнаружения, например, блок измерения тока, который на выходной стороне соединен, например, с устройством управления.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, полупроводниковый элемент в цепи свободного хода содержит по меньшей мере один диод и/или один тиристор. Диод или тиристор предотвращают короткое замыкание между обоими полюсами постоянного напряжения линии постоянного напряжения в нормальном режиме работы преобразовательного устройства. Тиристор надлежащим образом зажигается в случае короткого замыкания, чтобы обеспечить ток короткого замыкания в цепи свободного хода. Соответственно, цепь свободного хода имеет полярность, противоположную номинальному потенциалу. Таким образом, цепь свободного хода при нормальном режиме работы преобразовательного устройства в соответствии с выбранным направлением пропускания диода по существу не проводит ток. Полупроводниковый элемент также может быть образован последовательной цепью нескольких диодов и/или тиристоров.
Предпочтительным образом, в цепи свободного хода, в дополнение к полупроводниковому элементу, размещен поглотитель энергии, причем поглотитель энергии расположен последовательно с полупроводниковым элементом. Поглотитель энергии, который может быть, например, резистивным элементом, выполнен с возможностью отвода энергии тока короткого замыкания, например, путем преобразования в тепло. Таким образом, может осуществляться более быстрое затухание тока короткого замыкания в линии постоянного напряжения.
Поглотитель энергии может также содержать разрядник защиты от перенапряжения или последовательную цепь разрядников защиты от перенапряжения. Такой вариант осуществления имеет то преимущество, что обеспечивается дополнительная защита преобразовательного устройства.
Подмодули преобразовательного устройства могут, но не обязательно все должны быть выполнены одинаково.
Предпочтительно, подмодули реализуются как полумостовые схемы. Такие полумостовые схемы описаны, например, в DE 101 03 031 B4. Ввиду относительно малых потерь, такие подмодули являются особенно экономичными в эксплуатации. Силовые полупроводниковые переключатели подмодулей являются подходящим образом отключаемыми силовыми полупроводниками, такими как, например, IGBT, GTO или тому подобное.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, переключатель постоянного напряжения содержит по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий модуль с силовым полупроводниковым переключателем. Силовой полупроводниковый переключатель представляет собой, например, так называемый твердотельный переключатель с биполярным транзистором с интегральным затвором (IGBT), к которому антипараллельно подключен безынерционный (гасящий) диод. Переключатель постоянного напряжения может содержать последовательную цепь из нескольких таких силовых полупроводниковых переключающих модулей. Количество силовых полупроводниковых переключающих модулей в последовательной цепи соответствующим образом согласовано с соответствующим применением. В случае короткого замыкания, силовые полупроводниковые переключающие модули переключаются, например, с помощью установленного для этой цели управления, так что ток короткого замыкания может коммутироваться в цепь свободного хода.
Предпочтительно, переключатель постоянного напряжения включает в себя последовательную цепь из по меньшей мере одного силового полупроводникового переключающего модуля и по меньшей мере одного разъединителя. Разъединитель может быть механическим выключателем. С помощью разъединителя линия постоянного напряжения может быть прервана после затухания тока в разъединителе. После размыкания разъединителя ток короткого замыкания стороны переменного напряжения также может быть прерван простым способом, например, путем запирания шунтирующих блоков.
Переключатель постоянного напряжения может дополнительно содержать по меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжения. По меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжения может, например, располагаться параллельно к по меньшей мере одному силовому полупроводниковому переключающему модулю или последовательной цепи силовых полупроводниковых переключающих модулей. Разрядник защиты от перенапряжения ограничивает напряжение, падающее на силовых полупроводниковых переключающих модулях, а также может использоваться в качестве поглощающего энергию элемента.
Как обсуждалось ранее, диэлектрическую прочность или запирающую способность переключателя постоянного напряжения соответствующего изобретению преобразовательного устройства не требуется проектировать в расчете на номинальное значение напряжения стороны постоянного напряжения, то есть напряжение, падающее при нормальном режиме работы между обоими выводами постоянного напряжения. Предпочтительно, диэлектрическая прочность переключателя постоянного напряжения составляет менее 40%, предпочтительно от 5% до 20% номинального значения напряжения. Это снижает электрические потери и, следовательно, эксплуатационные затраты преобразовательного устройства.
Изобретение также относится к способу защиты от короткого замыкания соответствующего изобретению преобразовательного устройства.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить такой способ, который является максимально простым и надежным.
Изобретение решает эту задачу способом, в котором при коротком замыкании стороны постоянного напряжения все подмодули шунтируются независимо от направления тока, после чего переключатель постоянного напряжения отключается, так что ток короткого замыкания стороны постоянного тока коммутируется в цепь свободного хода.
В соответствующем изобретению способе, таким образом, в случае короткого замыкания стороны постоянного напряжения, посредством шунтирующих блоков в преобразовательном устройстве создается короткое замыкание стороны переменного напряжения, после чего посредством переключателя постоянного напряжения ток короткого замыкания от ветвей фазных модулей преобразовательного устройства активно коммутируется в цепь свободного хода.
Преимущества соответствующего изобретению способа проистекают из вышеописанных преимуществ соответствующего изобретению преобразовательного устройства.
Изобретение поясняется более подробно ниже со ссылкой на фиг. 1-3.
Фиг. 1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению преобразовательного устройства в схематичном представлении;
Фиг. 2 показывает двухполюсный подмодуль преобразовательного устройства согласно фиг. 1 в схематичном представлении;
Фиг. 3 показывает схематичный профиль токов в преобразовательном устройстве согласно фиг. 1.
На фиг. 1 детально показан пример выполнения соответствующего изобретению преобразовательного (инверторного) устройства 1. Преобразовательное устройство 1 содержит три вывода 2, 3 и 4 переменного напряжения, которые предназначены для того, чтобы соединять преобразовательное устройство 1 с трехфазной сетью переменного напряжения. Кроме того, преобразовательное устройство 1 содержит первый вывод 5 постоянного напряжения и второй вывод 6 постоянного напряжения для соединения с линией 7 постоянного напряжения. Преобразовательное устройство 1 в данном примере выполнения выполнено трехфазным, причем должно быть понятно, что изобретение не ограничивается трехфазным выполнением. Оно включает в себя первую ветвь 8 фазного модуля, которая проходит между первым полюсом 51 постоянного напряжения и первым выводом 2 переменного напряжения, вторую ветвь 9 фазного модуля, которая проходит между первым выводом 2 переменного напряжения и вторым полюсом 61 постоянного напряжения, третью ветвь 10 фазного модуля, которая проходит между первым полюсом 51 постоянного напряжения и вторым выводом 3 переменного напряжения, четвертую ветвь 11 фазного модуля, которая проходят между вторым выводом переменного напряжения и вторым полюсом 61 постоянного напряжения, пятую ветвь 12 фазного модуля, которая проходит между первым полюсом 51 постоянного напряжения и третьим выводом 4 переменного напряжения, а также шестую ветвь 13 фазного модуля, которая проходит между третьим выводом 4 переменного напряжения и вторым полюсом 61 постоянного напряжения. Первый полюс 51 постоянного напряжения соединен с первым выводом 5 постоянного напряжения. Второй полюс 61 постоянного напряжения соединен с вторым выводом 6 постоянного напряжения.
Первая ветвь 8 фазного модуля включает в себя первую последовательную цепь двухполюсных подмодулей 14 и сглаживающий дроссель 15, расположенный последовательно с последовательной цепью двухполюсных подмодулей 14. Соответственно, ветви 9, 10, 11, 12, 13 фазных модулей содержат, соответственно, последовательную цепь подмодулей 14 и сглаживающий дроссель 15, включенный последовательно с ней. В показанном на фиг. 1 примере выполнения преобразовательного устройства 1, каждая из ветвей 8-13 фазных модулей содержит три подмодуля 14. Однако число подмодулей 14 в каждой ветви фазного модуля обычно согласовано с соответствующим применением преобразовательного устройства 1 и может быть любым числом.
В примере выполнения, показанном на фиг. 1, все подмодули 14 преобразовательного устройства 1 сконструированы одинаково. В соответствии с этим, ветви 8-13 фазных модулей образуют вместе с выводами 2-4 переменного напряжения и выводами 5, 6 постоянного напряжения так называемый модульной многоступенчатый преобразователь (инвертор) (MMC). Такой инвертор известен, например, из DE 10 103 031 B4. С помощью соответствующего управления (не показано на фиг. 1), в ветвях 8-13 фазных модулей может генерироваться заданное напряжение, так что на стороне постоянного напряжения ветвей 8-13 фазных модулей падает напряжение UDC.
Преобразовательное устройство 1 дополнительно содержит переключатель 16 постоянного напряжения, который размещен между потенциальной точкой 51 между первой ветвью 8 фазного модуля и третьей ветвью 10 фазного модуля и первым выводом 5 постоянного напряжения. Переключатель 16 постоянного напряжения содержит последовательную цепь силовых полупроводниковых переключающих модулей 17, причем каждый силовой полупроводниковый переключающий модуль 17 содержит IGBT 18, а также включенный антипараллельно ему безынерционный (гасящий) диод 19. В параллельной цепи к силовым полупроводниковым переключающим модулям 17 расположен разрядник 20 защиты от перенапряжения. Последовательно с силовыми полупроводниковыми переключающими модулями 17 также расположен разъединитель 21, который в изображенном примере выполнения представляет собой механический выключатель.
Преобразовательное устройство 1 дополнительно содержит цепь 22 свободного хода. Цепь 22 свободного хода расположена параллельно ветвям 8-13 фазных модулей и проходит между обоими выводами 5, 6 постоянного напряжения. Цепь свободного хода дополнительно включает в себя полупроводниковый элемент 23, который реализован как полупроводниковый диод. Кроме того, цепь 22 свободного хода содержит поглотитель 24 энергии, который расположен последовательно с полупроводниковым элементом 23.
Такое преобразовательное устройство 1, в частности, может быть защищено от повреждения в случае короткого замыкания на стороне постоянного напряжения. Короткое замыкание показано на фиг. 1 зигзагообразной стрелкой 25.
На следующих чертежах более подробно описывается режим работы преобразовательного устройства 1, а также его функция защиты, причем IDC1 обозначает ток через переключатель 16 постоянного напряжения, IDC2 обозначает ток в линии 7 постоянного напряжения, и ICD обозначает ток в цепи 22 свободного хода.
Подмодули 14 преобразовательного устройства 1 согласно фиг. 1 реализованы как полумостовые схемы.
Фиг. 2 показывает принципиальную схему одного из подмодулей 14 преобразовательного устройства 1 согласно фиг. 1. Подмодуль 14 включает в себя первую соединительную клемму 26 и вторую соединительную клемму 27. Кроме того, подмодуль 14 содержит два последовательно соединенных силовых полупроводниковых переключающих блока 28. Каждый из обоих силовых полупроводниковых переключающих блоков 28 содержит силовой полупроводниковый переключатель 29, который представляет собой IGBT в примере выполнения, показанном на фиг. 2, а также включенный антипараллельно к нему безынерционный диод 30. Параллельно к последовательной цепи силовых полупроводниковых переключающих блоков 28 расположен накопитель 31 энергии, который в настоящем примере выполнения подмодуля 14 является силовым конденсатором. На силовом конденсаторе 31 падает напряжение, которое обозначено на фиг. 2 как UC.
Вторая соединительная клемма 27 подмодуля 14 соединена с одним полюсом силового конденсатора 31, первая соединительная клемма 26 подмодуля 14 соединена с потенциальной точкой 32 между обоими силовыми полупроводниковыми переключающими блоками 28.
Подмодуль 14 дополнительно включает в себя шунтирующий блок 33, который соединен с клеммами 26, 27 таким образом, что он может шунтировать подмодуль 14 или замыкать накоротко обе соединительные клеммы 26, 27. Шунтирующий блок 33 имеет два антипараллельно включенных тиристора 34 и 35, которые могут обеспечивать независимое от направления тока шунтирование подмодуля 40. Для шунтирования подмодуля 14, оба тиристора управляются с помощью непоказанного блока управления таким образом, чтобы зажигаться одновременно.
На фиг. 3 показаны временные профили трех токов IDC1, IDC2 и ID примера выполнения преобразовательного устройства согласно фиг. 1 на диаграмме 36. По оси абсцисс t диаграммы 36 нанесено истекшее время, а по ординате I - значения тока в заданные моменты времени. Направление тока для трех токов IDC1, IDC2, ID в нормальном режиме работы на фиг. 1 указано соответствующими стрелками.
В некоторый момент времени, который показан на диаграмме 36 как прерывистая линия t1, возникает неисправность, например короткое замыкание, в линии 7 постоянного напряжения. С этого момента времени токи IDC1 и IDC2 увеличиваются. До момента времени, который показан прерывистой линией t2, значения токов IDC1 и IDC2 совпадают. Можно видеть, что ввиду полярности диода 23 противоположно имеющемуся в нормальном режиме работы номинальному потенциалу, цепь свободного хода по существу обесточена в нормальном режиме работы.
В момент времени, обозначенный t2, неисправность обнаруживается с помощью подходящего устройства обнаружения неисправностей. Затем все шунтирующие блоки 33 в ветвях 9-13 фазных модулей управляются так, чтобы шунтировать соответствующие им подмодули 14, то есть тиристоры 34 и 35 в каждом подмодуле 14 зажигаются. Таким образом, фазы сети переменного напряжения, соединенной на стороне переменного напряжения с выводами 2, 3, 4 переменного напряжения, замыкаются накоротко. Другими словами, сеть переменного напряжения отключается от стороны постоянного напряжения, так что ток короткого замыкания больше не может подаваться от сети переменного напряжения, то есть снабжаться энергией. С этого момента времени значения токов IDC1 и IDC2 уменьшаются.
В момент времени, показанный прерывистой линией t3, силовые полупроводниковые переключатели 18 силовых полупроводниковых переключающих модулей 17 управляются так, чтобы отключаться. Ввиду запирающего напряжения силовых полупроводниковых переключателей 17, ток с помощью разрядника 20 защиты от перенапряжения, который может быть выполнен как последовательная цепь разрядников защиты от перенапряжения, коммутируется в цепь 22 свободного хода. С этого момента времени значение тока IDC1 очень быстро падает до нуля.
Как только ток IDC1 упал до нуля или почти до нуля, что происходит на фиг. 3 в момент времени, показанный прерывистой линией t4, может размыкаться механический разъединитель 21. Оставшийся ток ID короткого замыкания в линии 7 постоянного напряжения, значение которого соответствует тогда значению тока IDC2, протекает с этого момента времени полностью через цепь 22 свободного хода. Ток ID затухает в соответствии с RL-постоянной линии 7 постоянного напряжения. Затухание тока ID дополнительно ускоряется с помощью поглотителя 24 энергии.