УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА, ИМЕЮЩЕЕ РЕАКТОР С НУЛЕВОЙ ТОЧКОЙ
DEVICE FOR ELECTRIC PARAMETER CONVERSION WITH ZERO-POINT REACTOR

Изобретение относится к устройству для преобразования электрического параметра в области передачи и распределения электроэнергии с преобразователем, переключаемым между сетью переменного напряжения и цепью постоянного напряжения, который имеет силовые полупроводниковые вентили, которые располагаются между выводом переменного напряжения и выводом постоянного напряжения, причем каждый силовой полупроводниковый вентиль включает в себя последовательную схему из биполярных подмодулей, которые имеют, соответственно, накопитель энергии и силовую полупроводниковую схему, и с блоком сетевого подключения, соединенным с выводом переменного напряжения для соединения с сетью переменного напряжения.
Устройства для преобразования электрического параметра известны, например, как часть установки передачи высокого напряжения постоянного тока. Установка передачи высокого напряжения постоянного тока (HGÜ) имеет, как правило, два преобразователя, связанные между собой через промежуточный контур постоянного напряжения, которые со стороны переменного напряжения связаны, соответственно, с сетью переменного напряжения. С помощью установки передачи высокого напряжения постоянного тока является возможным передавать электрическую мощность от одной сети переменного напряжения к другой сети переменного напряжения. В частности, передача энергии на большие и расстояния предпочтительна путем передачи высокого напряжения постоянного тока, так как по сравнению с передачей переменного напряжения при передаче возникают меньшие потери.
Из уровня техники известны различные топологии преобразователей для HGÜ. Двухкаскадные преобразователи, которые в данной отрасли обозначаются как двухточечные преобразователи, вырабатывают на своем выходе только два различных уровня напряжения. Преобразовательные вентили двухточечных преобразователей имеют множество силовых полупроводниковых переключателей, которые размещены последовательно друг с другом. Расположенные последовательно друг с другом силовые полупроводники должны все переключаться одновременно, таким образом, переводиться из положения прерывания, в котором протекание тока через силовой полупроводник прерывается, в положение пропускания, в котором возможно протекание тока через силовой полупроводник. Автономные и сохраняющие напряжение преобразователи также обозначаются как преобразователи источника напряжения (VSC). Преобразователи, имеющие три каскада напряжения, обозначаются как трехточечные преобразователи.
Наряду с двухточечными и трехточечными преобразователями, из уровня техники также известны так называемые многокаскадные преобразователи, которые в данной отрасли также обозначаются как многоуровневые преобразователи источника напряжения (VSC). Многоуровневые VSC имеют, как правило, силовые полупроводниковые вентили из биполярных подмодулей, которые содержат, соответственно, накопитель энергии, например конденсатор, и силовую полупроводниковую схему, с помощью которой является возможным сформировать на выходных клеммах каждого подмодуля напряжение, падающее на конденсаторе, или нулевое напряжение. За счет последовательного включения подмодулей напряжение на выходе каждого силового полупроводникового вентиля можно изменять ступенчато, причем высота ступенек определяется напряжением, падающим на соответствующем конденсаторе. Предусмотренный в двух- или трехточечных преобразователях центральный конденсатор контура постоянного напряжения, в случае многоуровневых VSC, распределяется на отдельные подмодули силовых полупроводниковых вентилей.
Многоуровневые преобразователи имеют недостаток, заключающийся в том, что полюса промежуточного контура постоянного тока, к которым подключены силовые полупроводниковые вентили преобразователей, могут иметь различные по высоте величины напряжения относительно потенциала земли.
Задачей настоящего изобретения является предложить преобразователь вышеназванного типа, с помощью которого можно обеспечить простое, эффективное и экономичное симметрирование напряжений в контуре постоянного тока по отношению к потенциалу земли.
Изобретение решает эту задачу посредством реактора с нулевой точкой, соединенного с точкой потенциала между блоком сетевого подключения и преобразователем, имеющего дроссельные катушки, соединенные с заземленной нулевой точкой, причем дроссельные катушки выполнены таким образом, что они для переменного тока с частотой основного колебания сети переменного напряжения представляют токовый путь с высоким импедансом относительно потенциала земли, а для постоянного тока - токовый путь с низким импедансом относительно потенциала земли.
В соответствии с изобретением привязка потенциала на стороне преобразователя реализуется реактором с нулевой точкой. Реактор с нулевой точкой имеет дроссельные катушки, соединенные с нулевой точкой, которые на их стороне, противоположной нулевой точке, гальванически соединены с выводом переменного напряжения соответствующего преобразователя. При подключении соответствующего изобретению устройства к сети переменного напряжения с помощью блока сетевого подключения реактор с нулевой точкой, другими словами, располагается параллельно сети переменного напряжения. Дроссельные катушки реактора с нулевой точкой выполнены таким образом, что они для компоненты основного колебания переменного тока, которая обычно равна 50 или 60 Гц, представляют токовый путь с высоким импедансом, так что переменные токи не могут протекать через заземленную нулевую точку. Протекание постоянных токов, однако, возможно с порядком величины паразитных токов утечки на поверхности изолятора. Целесообразно, что реактор с нулевой точкой находится в наружном поле вблизи вентильного отсека, в котором размещаются силовые полупроводниковые вентили. С помощью этого реактора с нулевой точкой, таким образом, является возможным симметрировать промежуточный контур постоянного напряжения многоуровневых преобразователей, которые имеют плавающий потенциал. Иными словами, полюса промежуточного контура постоянного напряжения по отношению к потенциалу земли имеют напряжения, величины которых примерно одинаковы.
Целесообразно, что нулевая точка реактора с нулевой точкой через омическое сопротивление соединена с потенциалом земли. С помощью омического сопротивления можно избежать резонансов или колебаний между емкостью между проводником и землей промежуточного контура постоянного напряжения и индуктивностью реактора с нулевой точкой. Таким способом обеспечивается затухание.
Целесообразно, что каждая дроссельная катушка имеет намагничиваемый сердечник. Намагничиваемый сердечник может представлять собой железный сердечник или тому подобное. Согласно целесообразному в этом отношении дальнейшему развитию, сердечник ограничивает воздушный зазор. Воздушный зазор служит тому, чтобы избегать преждевременного насыщения сердечника при проведении постоянных токов, например, до 100 мА.
Целесообразно, что каждый подмодуль имеет полномостовую схему с четырьмя отключаемыми силовыми полупроводниками, которые таким образом соединены с накопителем энергии, что на выходных клеммах подмодуля может генерироваться падающее на накопителе энергии напряжение накопителя энергии, нулевое напряжение или инверсное напряжение накопителя энергии. Такие полномостовые схемы хорошо известны специалистам, так что здесь не требуется рассматривать более подробно их точный способ действия и пример включения. Полномостовые схемы также обозначаются как Н-мостовые схемы. К каждому отключаемому силовому полупроводнику противоположно параллельно включен безынерционный диод.
Как вариант описанного выполнения, каждый подмодуль имеет полумостовую схему с двумя отключаемыми силовыми полупроводниками, которые таким образом соединены с накопителем энергии, что на выходных клеммах подмодуля может генерироваться падающее на накопителе энергии напряжение накопителя энергии или нулевое напряжение. Преобразователи с такой топологией и подмодули также обозначаются как так называемые «преобразователи Марквардта». В противоположность полномостовой схеме, с помощью полумостовой схемы невозможно выработать инверсное напряжение накопителя энергии на выходных клеммах. Но зато в случае полумостовой схемы число дорогостоящих силовых полупроводников наполовину сокращается. И в данном случае, с каждым управляемым и отключаемым силовым полупроводником, таким как IGBT или GTO, противоположно параллельно включен безынерционный диод.
Предпочтительным образом, блок сетевого подключения представляет собой трансформатор. Трансформатор соединен в соответствии с конкретными требованиями. Первичная обмотка трансформатора соединена, например, через распределительное устройство с сетью переменного напряжения. Вторичная обмотка трансформатора гальванически соединена с выводом переменного напряжения преобразователя, а также с реактором с нулевой точкой. Для каждой фазы, которая ведет от блока сетевого подключения к выводу переменного напряжения преобразователя, предусмотрена дроссельная катушка. Число дроссельных катушек соответствует в рамках изобретения, таким образом, числу фаз подключаемой сети переменного напряжения.
В другом варианте блок сетевого подключения содержит индуктивность, подключаемую последовательно с сетью переменного напряжения. Токовый путь от сети переменного напряжения к выводу переменного напряжения преобразователя ведет, согласно этому варианту выполнения, через последовательно соединенную индуктивность. Блок сетевого подключения может, кроме того, содержать конденсатор, включенный последовательно с индуктивностью. Кроме того, возможно, что блок сетевого подключения содержит как трансформатор, так и последовательно соединенную индуктивность, а также последовательно соединенный конденсатор. Индуктивность в принципе представляет собой любой индуктивный компонент. Целесообразно, что индуктивность является катушкой, дросселем, обмоткой или тому подобным.
Целесообразно, что дроссельные катушки реактора с нулевой точкой смонтированы на изоляторах. В особенности, является целесообразным, что реактор с нулевой точкой со своими дроссельными катушками установлен на открытом воздухе.
Предпочтительным образом, преобразователь имеет незаземленную нулевую точку преобразователя, причем дроссельные катушки размещены на нулевой точке преобразователя.
Другие предпочтительные формы выполнения преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров выполнения со ссылками на чертеж, на котором показан пример выполнения реактора с нулевой точкой соответствующего изобретению устройства.
Фиг.1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению устройства 1, которое содержит преобразователь 2 с шестью силовыми полупроводниковыми вентилями 3, которые находятся, соответственно, между выводом 4 переменного напряжения и выводом 5 или 6 постоянного напряжения. При этом между каждым силовым полупроводниковым вентилем 3 и каждым выводом 4 переменного напряжения предусмотрена индуктивность 18 в форме катушки, с помощью которой, в частности, облегчается регулирование контурных токов, которые могут протекать между различными силовыми полупроводниковыми вентилями 3. Каждый вывод 5 постоянного напряжения соединен с положительным полюсом промежуточного контура 7 постоянного тока, который на чертеже изображен лишь частично. Выводы 6 постоянного напряжения соединены с отрицательным полюсом (-) промежуточного контура 7 постоянного тока. Каждый силовой полупроводниковый вентиль 3 состоит из последовательного соединения биполярных подмодулей 4, которые, соответственно, содержат не показанные на чертеже конденсатор и силовую полупроводниковую схему из двух отключаемых силовых полупроводников, IGBT, к которым, соответственно, противоположно параллельно подключен безынерционный диод. Подмодули 8 являются биполярными и имеют поэтому две выходные клеммы. Соединение силовых полупроводников и конденсатора выбрано таким образом, что на выходных клеммах каждого подмодуля может вырабатываться либо падающее на конденсаторе конденсаторное напряжение, либо нулевое напряжение. За счет целенаправленного управления подмодулями 8 является возможным устанавливать напряжение, падающее на силовых полупроводниковых вентилях 3, ступенчатым образом. Число подмодулей, в случае применений в области передачи высокого напряжения постоянного тока, составляет от 20 до нескольких сотен.
Устройство 1 содержит, кроме того, трансформатор 9 в качестве блока сетевого подключения, причем трансформатор 9 имеет первичную обмотку 10, которая соединена с сетью 11 переменного напряжения, а также вторичную обмотку 12, которая гальванически соединена с выводами 4 переменного напряжения преобразователя 1. Сеть 11 переменного напряжения выполнена трехфазной. Это справедливо, соответственно, для числа выводов 4 переменного напряжения, а также для участка 13 проводника для гальванического соединения вторичной обмотки 12 с выводами 4 переменного напряжения. Участок 13 проводника может также обозначаться как точка потенциала между блоком 9 сетевого подключения и выводами 4 переменного напряжения преобразователя 2.
Для симметрирования положительного постоянного напряжения и отрицательного постоянного напряжения или, другими словами, для симметрирования полюсов промежуточного контура 7 постоянного тока по отношению к потенциалу земли предусмотрен реактор 14 с нулевой точкой. Реактор 14 с нулевой точкой имеет три дроссельные катушки 15, которые соединены с нулевой точкой 16. Нулевая точка 16 соединена через омическое сопротивление 17 с потенциалом земли. Каждая дроссельная катушка 15 на своей стороне, противоположной нулевой точке 16, соединена с фазой участка 13 проводника и, тем самым, гальванически соединена с выводом 4 переменного напряжения преобразователя 2.
Дроссельные катушки 15 выполнены таким образом, то они для основной частоты переменного напряжения сети 11 переменного напряжения, которая в выбранном примере выполнения составляет 50 Гц, представляют токовый путь с высоким импедансом. К тому же каждая дроссельная катушка имеет железный сердечник. Во избежание преждевременного насыщения железного сердечника внутри каждого железного сердечника дроссельных катушек 15 предусмотрен воздушный зазор. Реактор с нулевой точкой выполняется как обычный коммерчески доступный преобразователь разряда, причем вторичные обмотки преобразователя разряда опущены. Дроссельные катушки 15 реактора с нулевой точкой установлены на подходящих изоляторах, например, таких изоляторах, которые рассчитаны на 39 кВ. С помощью реактора 14 с нулевой точкой, таким образом, обеспечивается возможность привязки потенциала на стороне переменного напряжения преобразователя 2, с симметрированием полюсов промежуточного контура 7 постоянного тока, как следствие. Первые испытания показали, что, несмотря на экстремальное возбуждение реактора с нулевой точкой третьей гармоникой основного колебания переменного напряжения, система остается стабильной. Контурные токи в значительной степени предотвращаются. К тому же, в противоположность привязке потенциала на стороне постоянного напряжения, возникают заметно сниженные потери энергии. Подобный по конструкции индуктивному преобразователю напряжения реактор с нулевой точкой доступен как стандартный продукт на рынке, так что соответствующее изобретению устройство является экономичным.