СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
METHOD AND PLANT FOR COOLING

Область техники, к которой относится изобретение и уровень техники
Настоящее изобретение относится к установке охлаждения высоковольтного конвертера, которая содержит средство, способное пропускать охлаждающую жидкость по замкнутому контуру, а также средство нагнетания для нагнетания охлаждающей жидкости, циркулирующей в упомянутом замкнутом контуре, причем замкнутый контур способен пропускать упомянутую охлаждающую жидкость для прохождения мимо силовых полупроводниковых приборов упомянутого конвертера, для поглощения тепловой энергии, созданной, и теплообменник, в котором температура охлаждающей жидкости снижается перед тем, как снова подать ее для охлаждения упомянутых силовых полупроводниковых приборов, а также к способу, согласно преамбуле приложенного независимого пункта на способ.
Упомянутый высоковольтный конвертер может быть любого типа, который требует охлаждения упомянутых силовых полупроводниковых приборов, как конвертеры в преобразовательных подстанциях высоковольтных сетей электроснабжения, как высоковольтные сети постоянного тока (HVDC) и статические компенсаторы реактивной мощности для регулирования реактивной мощности. Под высоким напряжением обычно понимается напряжение более 5 кВ, но часто оно превышает 20 кВ.
Упомянутые силовые полупроводниковые приборы, такие как тиристоры, IGB транзисторы и им подобные устройства, в большинстве случаев включаются в таких конвертерах последовательно в цепочку для того, чтобы выдержать приложенное напряжение в запертом состоянии конвертера.
При расчете охлаждающей способности упомянутого устройства для охлаждения конвертера должен учитываться весь диапазон предельных параметров и возможных условий работы этих полупроводниковых приборов, таких как максимальная температура окружающей среды, одновременно с максимально возможной нагрузкой, то есть максимальной мощностью, коммутируемой конвертером. Таким образом, охлаждающая способность такого устройства определяет область работоспособности силовых полупроводниковых устройств, которые должны выдерживать такие предельные условия без повреждения. Следовательно, если, например, температура окружающей среды в течение нескольких дней в году достигает +40°C, силовые полупроводниковые приборы должны выдерживать эти условия с учетом возможностей упомянутой установки. Следует также принять во внимание то, что режимы максимальной нагрузки и перегрузки могут возникать в течение короткого времени и в том числе в эти дни повышенной температуры окружающей среды.
Это значит, что эти полупроводниковые приборы должны иметь излишний запас по параметрам безопасной работы в течение большей части времени работы. Это в особенности характерно для высоковольтных конвертеров в статических регулируемых компенсаторах, которые часто работают на холостом ходу или с ограниченной нагрузкой и только кратковременно переключаются на режим максимальной нагрузки. Такой запас по параметрам, значительно больший, чем обычно требуется, может относиться к большому количеству полупроводниковых приборов конвертера. Это существенно удорожает оборудование, но предельные режимы должны быть обязательно учтены, как определено выше, при проектировании установки охлаждения для исключения перегрузок и сбоев в работе при упомянутых предельных режимах.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание установки такого типа, как определено в водной части документа, которая направлена на решение упомянутой проблемы: избыточной стоимости оборудования, которое в номинальных режимах работы упомянутого высоковольтного конвертера практически не требуется.
Эта цель, в соответствии с настоящим изобретением, достигается путем предоставления такой установки, которая также содержит устройство охлаждения, расположенное с наружной стороны упомянутого замкнутого контура, содержащего объем с охлаждающей средой, позволяющей охлаждать эту среду до температуры по существу ниже, чем температура упомянутой охлаждающей жидкости, после прохождения мимо теплообменника в упомянутом замкнутом контуре, причем упомянутая емкость с охлаждающей средой расположена в дополнительном замкнутом контуре, соединенном с упомянутым замкнутым контуром, называемым основным контуром, и установка содержит блок управления, позволяющий управлять по меньшей мере частью потока упомянутой охлаждающей жидкости, подлежащей ответвлению от упомянутого основного замкнутого контура к упомянутому дополнительному замкнутому контуру, для отвода тепла к упомянутой среде, перед подходом к силовым полупроводниковым приборам, при определении того, что невозможно охладить упомянутые полупроводниковые приборы только за счет температуры охлаждающей жидкости, циркулирующей в упомянутом основном контуре.
Это означает, что упомянутые запасы по режимам силовых полупроводниковых приборов и избыток оборудования, работающего с ними, могут быть существенно уменьшены, так как они не рассчитываются для условий предельных режимов работы в комбинации с возможностями охлаждающей жидкости, циркулирующей только в упомянутом основном контуре упомянутой установки. Это означает, что могут приниматься в расчет меньшие значения напряжений и более высокие значения коммутируемых конвертером токов для определенной (ниже пиковой) коммутируемой мощности, что, соответственно, требует меньшее количество силовых полупроводниковых приборов, и за счет этого уменьшается стоимость самих полупроводниковых приборов и устройств их управления. Другим преимуществом устройства этого типа является возможность применять упомянутый высоковольтный конвертер при повышенных нагрузках, т.е. коммутировать мощности большие, чем значения, заложенные при проектировании для случаев кратковременных перегрузок, за счет использования упомянутого дополнительного охлаждающего контура в тех случаях, когда требуется передача мощности, превышающей номинальное значение.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения упомянутый дополнительный контур охлаждения подключается к основному контуру по направлению потока после упомянутого теплообменника и перед упомянутыми силовыми полупроводниковыми приборами.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения упомянутый блок управления позволяет управлять потоком упомянутой охлаждающей жидкости так, что в случае нормальной работы он позволяет ей полностью проходить по основному контуру без ответвления в упомянутый дополнительный контур. Во время коротких периодов повышенных нагрузок конвертера только кратковременно, когда требуется более интенсивное охлаждение, блок переключает поток жидкости на емкость с охлаждающей средой, которая оказывает охлаждающий эффект на охлаждающую жидкость только в течение этих коротких интервалов времени. Охлаждающая среда запасает дополнительные охлаждающие ресурсы в холодильнике в течение длительного времени между этими периодами пиковой нагрузки. Привлекательность с точки зрения стоимости системы определяется тем, что емкость с охлаждающей средой дополнительного контура накапливает охлаждающие ресурсы в течение длительного времени между периодами пиковой нагрузки и реализует накопленные дополнительные охлаждающие возможности в короткие интервалы перегрузки. Таким образом, избыточные охлаждающие ресурсы используются только в те моменты, когда в этом возникает необходимость в короткие периоды работы с перегрузкой конвертера. Следовательно, большая мощность может быть передана конвертером при высокой температуре окружающей среды в короткие периоды времени, порядка получаса или немного больше, перед тем, как работа всей установки, в которую входит конвертер, будет перестроена для работы в условиях повышенной окружающей температуры в длительном режиме.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения установка содержит вентили, управляемые упомянутым блоком управления для направления доли потока охлаждающей жидкости, поступающей в упомянутую емкость с охлаждающей средой.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения установка содержит средство для определения температуры окружающей среды вблизи конвертера, и упомянутый блок управления учитывает информацию, касающуюся этой температуры, для определения, какая часть потока охлаждающей жидкости должна быть направлена через емкость с охлаждающей средой. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения установка содержит средство, выполненное с возможностью измерения мощности, коммутируемой конвертером, и упомянутый блок управления учитывает значение мощности для определения необходимости переключения и определяет долю потока охлаждающей жидкости, которую необходимо направить через емкость с охлаждающей средой. Значения температуры окружающей среды и передаваемой мощности конвертера являются важными параметрами, определяющими необходимость использования охлаждающих ресурсов упомянутого дополнительного контура. Измерения коммутируемой конвертером мощности могут производиться по результатам измерения напряжения и тока через конвертер.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения блок управления определяет, что по крайней мере часть упомянутого потока охлаждающей жидкости должна направляться через упомянутую емкость с охлаждающей средой, в случае, если упомянутая мощность превышает заданное предельное значение. Таким образом, охлаждающие ресурсы упомянутого дополнительного контура всегда могут быть использованы во время перегрузки конвертера в большей или меньшей степени независимо от влияния температуры окружающей среды.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения блок управления определяет, что по крайней мере часть упомянутого потока охлаждающей жидкости должна направляться через упомянутую емкость с охлаждающей средой периодически с интервалом через максимально 3 часа, еще более предпочтительно через максимально 2 часа, еще более рекомендуется максимально через 1 час, и наиболее предпочтительно максимально через 40 минут. Это решение делает возможным получить упомянутую установку и упомянутую емкость для охлаждающей среды достаточно малых размеров и при реализации этих решений добиться наиболее привлекательных экономических результатов.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения устройство производит ледяную смесь при охлаждении упомянутой охлаждающей среды. Сравнительно небольшой объем такой ледяной смеси может быть произведен посредством устройства охлаждения за длительный период между пиками нагрузки, позволяет сохранить достаточно высокие охлаждающие ресурсы, которых будет достаточно для поглощения значительного количества тепловой энергии от упомянутой охлаждающей жидкости. Температура охлаждающей жидкости может достигать +50°C, когда охлаждающая ледяная смесь тает и превращается в жидкость, температура охлаждающей жидкости снижается.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения блок управления пропускает упомянутую охлаждающую жидкость через упомянутую ледяную смесь, когда возникает необходимость интенсивного охлаждения, что является эффективным путем снижения температуры упомянутой охлаждающей жидкости перед подводом ее к упомянутым силовым полупроводниковым приборам.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения упомянутое средство нагнетания, перекачивающее в качестве охлаждающей жидкости воду, которая наиболее предпочтительна, в особенности с точки зрения доступности и стоимости.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения устройство охлаждения способно охлаждать упомянутую охлаждающую среду до температуры по меньшей мере на 20°C, предпочтительно более чем на 35°C, наиболее предпочтительно на 35-50°C, ниже температуры охлаждающей жидкости после теплообменника. Это означает, что высокие охлаждающие ресурсы могут быть запасены в упомянутой емкости с охлаждающей средой, достаточные для сохранения диапазона рабочих параметров.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения упомянутый объем охлаждающей среды составляет 100-2000 литров, предпочтительно 200-1000 литров.
В соответствии с иным вариантом осуществления изобретения упомянутая установка способна охлаждать конвертер, работающий при напряжении выше 5 кВ, выше 20 кВ, 100-1000 кВ. Установка может быть приспособлена охлаждать конвертер, работающий с токами более 50А, или 100А-5кА. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения установка выполнена с возможностью конвертера, имеющего пропускную способность для передачи мощности через себя более 500 МВт, предпочтительно более 1 ГВт при работе его с высокими нагрузками. Настоящее изобретение тем привлекательнее, чем выше передаваемая мощность конвертера.
Изобретение относится к способу охлаждения высоковольтного конвертера согласно приложенному независимому пункту на способ. Преимущества и преимущественные признаки такого способа и вариантов осуществления его определяются в зависимых пунктах на способ, становятся понятными из вышеприведенного обсуждения установки согласно изобретению.
Изобретение относится также к статическим регулируемым компенсаторам, к преобразовательным подстанциям для соединения сетей переменного тока с высоковольтной линией постоянного тока, к преобразовательным подстанциям, включенным в качестве вставки между системами переменного тока, к высоковольтным сетям постоянного тока, и к высоковольтным сетям переменного тока с преобразовательными подстанциями, имеющими хотя бы одну конвертерную подстанцию с системой охлаждения, выполненную в соответствии с настоящим изобретением.
Изобретение относится также к применению установки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, для охлаждения конвертерной подстанции в высоковольтной сети постоянного тока, и к применению установки в соответствии с изобретением для охлаждения конвертера в соединительной конвертерной подстанции высоковольтной сети переменного тока, и к применению системы по настоящему изобретению для охлаждения конвертера в статическом регулируемом компенсаторе.
Далее преимущества и преимущественные признаки станут понятными из следующего описания и зависимых пунктов.
Краткое описание чертежей
В соответствие с приложенными чертежами ниже приведены детальные описания предмета изобретения, рассматриваемого как вариант его осуществления.
На чертежах показано следующее.
Фиг.1 - схематическое изображение, иллюстрирующее традиционное установку для охлаждения высоковольтного конвертера в конвертерной подстанции, преобразующей постоянное напряжение в переменное и наоборот.
Фиг.2 - упрощенная схема установки по фиг.1, и
Фиг.3 - схема, соответствующая фиг.2 установки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения
На фиг.1 показана традиционная установка для охлаждения высоковольтного конвертера 1 для преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот, который может быть частью преобразовательной подстанции в системе передачи энергии. Этот конвертер имеет три столба 2-4 из четырех вентилей конвертера, таких как 5, каждый включен последовательно между двумя шинами 6,7 со стороны постоянного тока конвертера, трансформаторы 8 включены между вентилями упомянутого конвертера на стороне переменного тока конвертера. Получается так называемая 12-ти фазная мостовая схема. Каждый вентиль 5 конвертера состоит из нескольких силовых полупроводниковых приборов, таких как тиристор, включенных последовательно для того, чтобы выдержать высокое напряжение в закрытом состоянии вентиля конвертера. Силовые полупроводниковые приборы могут коммутироваться по линии или принудительно различными способами, хорошо известными для специалистов.
Установка предназначена для охлаждения упомянутых силовых полупроводниковых приборов, на которых при прохождении по ним тока выделяется значительное количество тепла. Эта установка содержит замкнутый контур 9, для пропускания охлаждающей жидкости посредством насоса 10, с прохождением ее мимо силовых полупроводниковых приборов вентилей конвертера для их охлаждения. Следует отметить, что изображенная на фиг.1 установка очень упрощена. Каждый отдельный силовой полупроводниковый прибор может в реальном устройстве находиться в контакте с блоком охлаждения, через который проходит упомянутый замкнутый контур, для его охлаждения. Замкнутый контур также обеспечен теплообменником 11, способным снижать температуру охлаждающей жидкости, приходящей от упомянутых силовых полупроводниковых приборов, и перед тем, как она снова поступит для их охлаждения.
На фиг.2 приведена схема, в которую включена установка охлаждения, изображенная на фиг.1, и конверторы с силовыми полупроводниковыми приборами в виде прямоугольника 1.
На фиг.3 приведена схема установки охлаждения, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, в которой кроме упомянутого замкнутого контура 9, называемого в настоящем изобретении основным контуром, добавлен дополнительный замкнутый контур 12, который подсоединен к основному контуру по направлению потока охлаждающей жидкости после теплообменника 11 и перед силовыми полупроводниковыми приборами, то есть перед конвертером 1. Этот дополнительный контур 12 включает в себя устройство 13 охлаждения, имеющее емкость с охлаждающей средой, устройство охлаждения предназначено для охлаждения этой охлаждающей среды до температуры по существу ниже, чем температура охлаждающей жидкости, которую она имеет после того, как она пройдет теплообменник 11. устройство охлаждения в этом случае способно создать ледяную смесь в объеме порядка 500 литров.
Установка дополнительно включает в себя вентили 14-16 и блок 17 управления, предназначенный для управления этими вентилями для управления потоком охлаждающей жидкости на участке основного контура 9 от теплообменника 11 до конвертера 1. Поток может полностью проходить по основному контуру 9 или ответвляться частично или полностью на дополнительный контур 12.
Установка также включает в себя средство 18, выполненное с возможностью измерения температуры окружающей среды вблизи конвертера, а также средство 19, выполненное с возможностью измерения мощности, коммутируемой конвертером, и передающее информацию измерений в блок 17 управления.
Блок 17 управления в нормальных условиях работы конвертера 1 держит вентиль 14 закрытым и направляет весь поток охлаждающей жидкости от теплообменника 11 к конвертеру 1 напрямую по основному контуру 9, а устройство охлаждения в это время охлаждает охлаждающую среду для формирования ледяной смеси.
Когда возникают условия, требующие обеспечить повышенные охлаждающие свойства системы, с которыми не может справиться система при проходе охлаждающей жидкости только по упомянутому основному контуру, например, когда возникает необходимость временно перевести конвертер в режим повышенной нагрузки или при чрезмерном повышении температуры окружающей среды и одновременном повышении нагрузки на конвертер, блок управления позволяет ответвить часть потока охлаждающей жидкости в упомянутый дополнительный контур 12, для более эффективного снижения ее температуры соответствующим регулированием потока вентилями14-16, направляя поток охлаждающей жидкости мимо упомянутой ледяной смеси. Это позволяет снизить температуру охлаждающей жидкости, подходящей к конвертеру 1, за счет прохождения по дополнительному контуру 12, например, с +50°C до +40°C в течение незначительного периода времени, например за 30 минут. Это значит, что конвертер 1, особенно силовые полупроводниковые приборы, не должны иметь избыточные запасы по параметрам в течение этого ограниченного периода при завышенных условиях эксплуатации. После выхода из этого режима, когда режим работы всей установки, в которую входит конвертер 1, изменился и стал номинальным, блок 17 управления снова переключает поток охлаждающей жидкости на основной контур 9. Устройство 13 охлаждения в это время заряжает охлаждающую среду охлаждающим ресурсом, вновь создавая упомянутую ледяную смесь, чтобы иметь возможность применить ее в следующем периоде повышенной нагрузки.
Изобретение не ограничено вариантом, описанным выше, но имеет другие возможные модификации, понятные специалистам в данной области, которые не выходят за рамки основных идей изобретения, изложенных в приложенной формуле изобретения. Например, возможно иметь установку охлаждения, основной контур которой проходит более одного конвертера, или установку, в которой упомянутый основной контур проходит только через часть узлов конвертера, такую, как один на каждую его стойку.
Емкость с охлаждающей средой является понятием, которое должно толковаться широко. Охлаждающая среда не обязательно является веществом, которое превращается в ледяную смесь, но эта емкость охлаждающей среды может быть сосудом любого вида, который может запасать и хранить в течение длительного времени большой ресурс охлаждающих свойств, и отдать накопленные холодильные ресурсы в течение короткого периода времени. Например, возможно, что накопительная холодильная емкость частично или полностью представляет из себя массивную деталь, которая охлаждается до пониженной температуры в течение упомянутого длительного периода, и затем поглощает тепло проходящей по ней упомянутой охлаждающей жидкости в течение короткого периода перегрузки.