Двухполюсный двунаправленный преобразователь постоянного тока, а также способ и устройство управления ним
DOUBLE-POLE BIDIRECTIONAL DC CONVERTER, AS WELL AS A METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING IT

Техническая область
[0001] Настоящее изобретение относится к области прикладных технологий силовой электроники, в частности относится к двухполюсным двунаправленным преобразователям постоянного тока, а также способам и устройствам управления ими.
Уровень техники
[0002] Как оборудование, являющееся важной составляющей преобразования напряжения в электросети постоянного тока, двунаправленные преобразователи постоянного тока все больше привлекают внимание исследователей области электросетей постоянного тока. В условиях, где необходимо преобразование постоянного тока высокого напряжения под влиянием механического напряжения и себестоимости коммутационных элементов в качестве двунаправленных преобразователей постоянного тока часто используются устройства преобразования электрической энергии с конструкцией типа ISOP, ISOS или стыковые конструкции на основе ММС. При этом, устройства преобразования электрической энергии со стыковой конструкцией на основе ММС больше подходят для преобразования электроэнергии в системах электроснабжения постоянного тока от высокого до высокого/среднего напряжения.
[0003] Для снижения механического напряжения, оказываемого системами электроснабжения постоянного тока на изоляцию на землю обычно для питающих линий постоянного тока системы используется двухполюсное соединение, то есть напряжение изоляции на землю положительного полюса и отрицательного полюса питающей линии постоянного тока составляет половину напряжения между положительным и отрицательным полюсом. Двухполюсное соединение обычно бывает двух видов: псевдодвухполюсное и истинно двухполюсное. При использовании псевдодвухполюсного соединения, когда один полюс питающей линии системы постоянного тока прекращает работать, другой полюс также должен прекратить работать; а при использовании истинно двухполюсного соединения, прекращение работы одного полюса не влияет на работу другого полюса. Стыковая конструкция ММС представляет собой изолированный двунаправленный преобразователь постоянного тока, в котором двунаправленная передача электроэнергии между питающими линиями постоянного тока происходит посредством объединения различных соединений питающих линий, в частности, истинно двухполюсного и псевдодвухполюсного соединения.
[0004] Однако стыковая конструкция модульных многоуровневых преобразователей (ММС), включает два преобразовательных вентиля ММС и один трансформатор переменного тока сверхвысокой мощности и промышленной или средней частоты, что обуславливает сравнительно высокую себестоимость сооружения. В литературе анализировались двунаправленные преобразователи постоянного тока AUTO-DC, полученные в результате эволюции стыковой конструкции ММС; принцип работы таких преобразователей сходен с автотрансформаторами переменного тока; они представляют собой неизолированные двунаправленные преобразователи постоянного тока. По сравнению со стыковой конструкцией ММС, они позволяют снизить емкость трансформаторов переменного тока и преобразовательных вентильных блоков и подходят для применения в условиях невысоких требований к изоляции. Однако, конструкция AUTO-DC представляет собой неизолированную электроцепь, и конструкция AUTO-DC, образованная непосредственно в соответствии с автотрансформаторами переменного тока, не может напрямую использоваться в двухполюсных системах. Например, когда для питающих линий постоянного тока для порта на стороне высокого напряжения используется псевдодвухполюсное соединение, после преобразования посредством конструкции AUTO-DC отрицательный и положительный полюса порта на стороне низкого напряжения находятся в тех же точках, что и отрицательный и положительный полюса порта на стороне высокого напряжения, поэтому напряжение изоляции на землю составляет половину от напряжения между положительным и отрицательным полюсами на стороне высокого напряжения, в результате чего увеличивается механическое напряжение изоляции на землю на стороне низкого напряжения оборудования.
[0005] В настоящее время существует патент CN 105048813 A, в котором конструкция AUTO-DC была оптимизирована таким образом, что стало возможным реализовать преобразование электроэнергии между системами электроснабжения постоянного тока с псевдодвухполюсным соединением питающих линий постоянного тока на стороне высокого напряжения и псевдодвухполюсным соединением питающих линий постоянного тока на стороне низкого напряжения. Но, если применять решение, раскрытое в патенте CN 105048813 А, в фактической системе постоянного тока с псевдодвухполюсным соединением питающих линий постоянного тока на стороне высокого напряжения и истинно двухполюсным соединением питающих линий постоянного тока на стороне низкого напряжения, то можно подключать только два терминала порта на стороне низкого напряжения к положительному и отрицательному терминалу питающей линии постоянного тока низкого напряжения, и в случае прекращения работы одного полюса питающей линии на стороне низкого напряжения в этом решении отсутствует обратная цепь другого полюса по отношению к нейтральной точке, то есть вся система неминуемо прекратит работу.
Суть изобретения
[0006] Ввиду этого, варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают двухполюсный двунаправленный преобразователь постоянного тока, включающий: по крайней мере две цепочки вентильных блоков, различающиеся отношением соединения между упомянутыми цепочками вентильных блоков и портом на стороне низкого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; включающий по крайней мере две цепочки вентильных блоков и по крайней мере шесть магнитных элементов, при этом цепочки вентильных блоков разделяются на цепочку вентильных блоков I типа и цепочку вентильных блоков II типа в соответствии с отношением соединения цепочки вентильных блоков и порта на стороне низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока; положительный полюс порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа образует положительный полюс порта на стороне низкого напряжения двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; положительный полюс порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа соединяется с отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, образуя нейтральную точку порта на стороне низкого напряжения двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока, а отрицательный полюс порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа образует отрицательный полюс порта на стороне низкого напряжения двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; каждая цепочка вентильных блоков включает порт постоянного тока высокого напряжения, порт постоянного тока низкого напряжения и по крайней мере три порта переменного тока, при этом положительные полюсы всех упомянутых портов постоянного тока высокого напряжения соединяются друг с другом, образуя положительный полюс порта на стороне высокого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; отрицательные полюса всех упомянутых портов постоянного тока высокого напряжения соединяются друг с другом, образуя отрицательный полюс порта на стороне высокого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; каждый порт переменного тока соединяется одним магнитным элементом; другие терминалы магнитных элементов, подключенных ко всем портам переменного тока в одной и той же цепочке вентильных блоков соединяются друг с другом.
[0007] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый двухполюсный двунаправленный преобразователь постоянного тока также включает первый разъединитель, второй разъединитель, третий разъединитель, четвертый разъединитель, пятый разъединитель и шестой разъединитель, при этом упомянутый первый разъединитель подключается между положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков и положительным терминалом линии постоянного тока высокого напряжения; упомянутый второй разъединитель подключается между отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков и отрицательным терминалом питающей линии постоянного тока высокого напряжения; упомянутый третий разъединитель подключается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа и положительным терминалом питающей линии постоянного тока низкого напряжения; упомянутый четвертый разъединитель подключается между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа и нейтральной точкой питающей линии постоянного тока низкого напряжения; упомянутый пятый разъединитель подключается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа и нейтральной точкой питающей линии постоянного тока низкого напряжения; упомянутый шестой разъединитель подключается между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа и отрицательным терминалом питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0008] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления все упомянутые магнитные элементы являются электрическими реакторами.
[0009] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления все упомянутые магнитные элементы являются трансформаторами переменного тока.
[0010] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутые цепочки вентильных блоков включают преобразователи источника напряжения, при этом количество упомянутых преобразователей источника напряжения равно количеству портов переменного тока упомянутой цепочки вентильных блоков, и упомянутые преобразователи источника напряжения включают цепь преобразования переменного-постоянного тока, а упомянутая цепь преобразования переменного-постоянного тока включает по крайней мере один порт переменного тока и один порт постоянного тока.
[0011] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления порты постоянного тока всех упомянутых преобразователей источника напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков по порядку от первого до последнего соединяются последовательным соединением, при этом положительный полюс порта постоянного тока первого преобразователя источника напряжения является положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков, а отрицательный полюс порта постоянного тока последнего преобразователя источника напряжения является положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков; все упомянутые порты переменного тока являются портами переменного тока упомянутой цепочки вентильных блоков.
[0012] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления в упомянутых цепочках вентильных блоков выбираются два преобразователя источника напряжения, положительные полюса порта постоянного тока которых выводятся наружу, образуя порт постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков; при этом положительный полюс высокого напряжения является положительным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения, а положительный полюс низкого напряжения является отрицательным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения; в цепочке вентильных блоков I типа выбранный отрицательный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал; в цепочке вентильных блоков II типа выбранный положительный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал.
[0013] Как вариант, в упомянутой цепочке вентильных блоков выбираются два преобразователя источника напряжения, отрицательные полюса порта постоянного тока которых выводятся наружу, образуя порт постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков; при этом, отрицательный полюс высокого напряжения является положительным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения, а отрицательный полюс низкого напряжения является отрицательным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения; при этом в цепочке вентильных блоков I типа выбранный отрицательный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал; в цепочке вентильных блоков II типа выбранный положительный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал.
[0014] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый преобразователь источника напряжения включает: по крайней мере два блока из четырех вентильных плеч, последовательно соединенных попарно; при этом, каждое вентильное плечо включает последовательно соединенные электрический генератор вентильного плеча и модуль мощности; два терминала последовательно подключенных верхнего и нижнего вентильного плеча каждого блока соединяются параллельно и образуют порт постоянного тока упомянутого трансформатора источника напряжения; нейтральная точка последовательно подключенных верхнего и нижнего вентильного плеча каждого блока выводятся вовне и образуют порт переменного тока упомянутого трансформатора источника напряжения.
[0015] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый модуль мощности включает: конструкцию, состоящую из полумоста и конденсатора.
[0016] Как вариант, упомянутый модуль мощности включает: конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора.
[0017] Как вариант, упомянутый модуль мощности включает: конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, и конструкцию, состоящую из полумоста и конденсатора.
[0018] Варианты осуществления настоящего изобретения также раскрывают способ управления упомянутым двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока, включающий: во время нормальной работы смыкается разъединитель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения всех цепочек вентильных блоков.
[0019] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: измерение первой разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа; если упомянутая первая разница потенциалов отклоняется от первого целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков I типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока она не достигнет первого целевого значения, равного упомянутой первой разнице потенциалов, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа или между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа; измерение второй разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа; если упомянутая вторая разница потенциалов отклоняется от второго целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков I типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока она не достигнет второго целевого значения, равного упомянутой второй разнице потенциалов, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа или между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа.
[0020] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутое первое целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока низкого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; упомянутое второе целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока высокого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока.
[0021] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: измерение третьей разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа; если упомянутая третья разница потенциалов отклоняется от третьего целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков II типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока упомянутая третья разница потенциалов не станет равна третьему целевому значению, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа или между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа; измерение четвертой разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа; если упомянутая четвертая разница потенциалов отклоняется от четвертого целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков II типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока упомянутая четвертая разница потенциалов не станет равна упомянутому четвертому целевому значению, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа или между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа.
[0022] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутое третье целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока низкого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока; упомянутое четвертое целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока высокого напряжения упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока.
[0023] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: в случае кратковременного сбоя на питающей линии постоянного тока высокого напряжения происходит регулировка состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, во всех цепочках вентильных блоков; после устранения сбоя восстанавливается состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0024] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: в случае кратковременного сбоя положительного терминала по питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке, происходит регулировка состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения, расположенного между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков I типа; после устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0025] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: в случае кратковременного сбоя отрицательного терминала по питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке, происходит регулировка состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков II типа; после устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0026] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: в случае долговременного сбоя положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке происходит блокировка цепочки вентильных блоков I типа, в то же время отключается разъединитель или полностью управляемый переключатель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя; поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков II типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на отрицательный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0027] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутый способ также включает: в случае долговременного сбоя отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке происходит блокировка цепочки вентильных блоков II типа, в то же время отключается разъединитель или полностью управляемый переключатель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя; поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков I типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на отрицательный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0028] Варианты осуществления настоящего изобретения также раскрывают устройство управления вышеупомянутым двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока, включающее модуль нормальной работы, при этом во время нормальной работы упомянутого двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока упомянутый модуль нормальной работы управляет смыканием разъединителей, подключенных к положительному полюсу и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения всех цепочек вентильных блоков.
[0029] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутое устройство управления также включает первый измерительный блок, первый регулировочный блок, второй измерительный блок и второй регулировочный блок, при этом упомянутый первый измерительный блок осуществляет измерение первой разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и, если первая разница потенциалов отклоняется от первого целевого значения, то активируется первый регулировочный блок; упомянутый первый регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков I типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока упомянутая первая разница потенциалов не станет равна первому целевому значению, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа или между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа; упомянутый второй измерительный блок осуществляет измерение второй разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа, и, если упомянутая вторая разница потенциалов отклоняется от второго целевого значения, то активируется второй регулировочный блок; упомянутый второй регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков I типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока упомянутая вторая разница потенциалов не достигнет второго целевого значения, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа или между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа.
[0030] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутое устройство управления также включает третий измерительный блок, третий регулировочный блок, четвертый измерительный блок и четвертый регулировочный блок, при этом упомянутый третий измерительный блок осуществляет измерение третьей разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и, если третья разница потенциалов отклоняется от третьего целевого значения, то активируется третий регулировочный блок; упомянутый третий регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков II типа посредством магнитных элементов, до тех пор, пока упомянутая третья разница потенциалов не станет равна упомянутому третьему целевому значению, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа или между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа; упомянутый четвертый измерительный блок осуществляет измерение четвертой разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и, если четвертая разница потенциалов отклоняется от четвертого целевого значения, то активируется четвертый регулировочный блок; упомянутый четвертый регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения цепочки вентильных блоков II типа посредством трансформатора переменного тока, до тех пор, пока упомянутая четвертая разница потенциалов не станет равна упомянутому четвертому целевому значению, при этом упомянутый преобразователь источника напряжения располагается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа или между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа.
[0031] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутое устройство управления также включает блок обработки кратковременных сбоев питающей линии постоянного тока высокого напряжения, блок обработки кратковременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения и блок обработки кратковременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения, при этом в случае кратковременного сбоя на питающей линии постоянного тока высокого напряжения упомянутый блок обработки кратковременных сбоев питающей линии постоянного тока высокого напряжения осуществляет регулировку состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, во всех цепочках вентильных блоков после устранения сбоя восстанавливает предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля; в случае кратковременного сбоя положительного терминала по питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке, упомянутый блок обработки кратковременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет регулировку состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков I типа, а после устранения сбоя восстанавливает предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля; в случае кратковременного сбоя отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке упомянутый блок обработки кратковременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет регулировку состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков II типа, и после устранения сбоя восстанавливает предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0032] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления упомянутое устройство управления также включает блок обработки долговременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения и блок обработки долговременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения, при этом в случае долговременного сбоя положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке упомянутый блок обработки долговременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет блокировку цепочки вентильных блоков I типа и в то же время отключает разъединитель или полностью управляемый переключатель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя; одновременно поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков II типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на отрицательный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения; в случае долговременного сбоя отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке упомянутый блок обработки долговременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет блокировку цепочки вентильных блоков II типа, в то же время отключается разъединитель или полностью управляемый переключатель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя; одновременно поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков I типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на положительный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0033] По сравнению с существующими схемами, состоящими из стыковых конструкций ММС, в техническом решении, раскрытом в вариантах осуществления настоящего изобретения, тем же способом образуется псевдодвухполюсная конструкция на стороне высокого напряжения и истинно двухполюсная конструкция на стороне низкого напряжения, в то же время предложенное в настоящем изобретении решение позволяет снизить емкость вентильных блоков и трансформаторов, тем самым снизив проектную себестоимость системы. По сравнению с решением AUTO-DC, описанном в существующей литературе, в решении, раскрытом в настоящем патенте, для питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения может использоваться псевдодвухполюсное соединение, в то же время на стороне низкого напряжения не существует равенства напряжения на землю положительного и отрицательного терминалов на стороне низкого напряжения и напряжения на землю на стороне высокого напряжения, что приводит к проблеме повышения механического напряжения изоляции. По сравнению с решением AUTO-DC, описанном в существующей литературе, в решении, раскрытом в настоящем изобретении, когда на одном полюсе питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения происходит сбой и он прекращает работу, это не влияет на нормальную работу другого полюса и по-прежнему возможно осуществлять преобразование электроэнергии от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на питающую линию постоянного тока низкого напряжения, что позволяет удовлетворять условиям истинно двухполюсного соединения питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения.
Краткое описание прилагаемых чертежей
[0034] Для более четкого разъяснения технических решений по вариантам осуществления настоящего изобретения далее приводится обзор прилагаемых чертежей, необходимых для описания вариантов осуществления. При этом совершенно очевидно, что чертежи в приведенном ниже описании изображают только некоторые варианты осуществления, и рядовой технический персонал данной отрасли может, не применяя созидательного труда, вывести из данных чертежей другие чертежи.
[0035] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока по настоящему изобретению;
[0036] Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение определений каждого порта отдельной цепочки вентильных блоков;
[0037] Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение двунаправленного преобразователя постоянного тока со всего двумя цепочками вентильных блоков, где каждая цепочка вентильных блоков включает всего три преобразователя источника напряжения (VSC);
[0038] Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение конструкции отдельного преобразователя источника напряжения;
[0039] Фиг. 5 представляет собой модуль мощности, состоящий из полумоста и конденсатора;
[0040] Фиг. 6 представляет собой модуль мощности, состоящий из полного моста и конденсатора;
[0041] Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков I типа;
[0042] Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков II типа;
[0043] Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков I типа по еще одному варианту осуществления;
[0044] Фиг. 10 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков II типа по еще одному варианту осуществления.
Конкретные варианты осуществления
[0045] Для более четкого разъяснения цели, технического решения и преимуществ вариантов осуществления настоящего изобретения далее на основе чертежей и вариантов осуществления приводится подробное и детальное описание конкретных вариантов осуществления технического решения по настоящему изобретению. При этом, приведенное ниже описание конкретных способов и вариантов осуществления приводится только с целью разъяснения и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Здесь приводятся некоторые, а не все варианты осуществления настоящего изобретения, и другие варианты осуществления, полученные техническим персоналом данной отрасли посредством внесения различных изменений в настоящее изобретение, также находятся в диапазоне защиты настоящего изобретения.
[0046] Необходимо понимать, что термины «первый», «второй», «третий» и «четвертый» используются в формуле изобретения, раскрытии изобретения и на прилагаемых чертежах для того, чтобы различать разные объекты, а не для того, чтобы описать определенную последовательность. Термины «включает» и «содержит» используются в раскрытии настоящего изобретения и формуле изобретения для указания наличия описываемых характеристик, целого, этапов, действий, компонентов и/или составных частей и совершенно не исключают наличия или добавления одной или нескольких других характеристик, целого, этапов, действий, компонентов и/или составных частей или их комбинаций.
[0047] Для решения проблемы, которая заключается в том, что при включении преобразователей AUTO-DC питающая линия постоянного тока на стороне высокого напряжения имеет псевдодвухполюсную систему, а питающая линия постоянного тока на стороне низкого напряжения имеет истинно двухполюсную систему, в настоящем изобретении предлагается двухполюсный двунаправленный преобразователь постоянного тока. Когда на одном полюсе питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения происходит сбой и он прекращает работу, это не влияет на нормальную работу другого полюса и по-прежнему возможно осуществлять преобразование электроэнергии от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на питающую линию постоянного тока низкого напряжения. Также настоящее изобретение раскрывает способ и устройство управления двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока.
[0048] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока по настоящему изобретению.
[0049] Как показано на Фиг. 1, двунаправленный преобразователь постоянного тока состоит из по крайней мере двух цепочек вентильных блоков и шести магнитных элементов.
[0050] Каждая цепочка вентильных блоков имеет один порт постоянного тока высокого напряжения, один порт постоянного тока низкого напряжения и по крайней мере три порта переменного тока. Положительные полюса портов постоянного тока высокого напряжения всех цепочек вентильных блоков соединяются друг с другом, образуя положительный полюс порта на стороне высокого напряжения упомянутого двунаправленного преобразователя постоянного тока; отрицательные полюса портов постоянного тока высокого напряжения всех цепочек вентильных блоков соединяются друг с другом, образуя отрицательный полюс порта на стороне высокого напряжения упомянутого двунаправленного преобразователя постоянного тока.
[0051] Во всех цепочках вентильных блоков каждый порт переменного тока соединяется с одним магнитным элементом. Другие терминалы магнитных элементов, подключенных ко всем портам переменного тока в отдельной цепочке вентильных блоков, соединяются друг с другом параллельным соединением.
[0052] Цепочки вентильных блоков разделяются на цепочки вентильных блоков I типа и цепочки вентильных блоков II типа в соответствии с отношениями соединения цепочки вентильных блоков и порта на стороне низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Положительный полюс порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа образует положительный полюс порта на стороне низкого напряжения упомянутого двунаправленного преобразователя постоянного тока, а его отрицательный терминал образует нейтральную точку порта на стороне низкого напряжения упомянутого двунаправленного преобразователя постоянного тока. Положительный полюс порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа образует нейтральную точку порта на стороне низкого напряжения упомянутого двунаправленного преобразователя постоянного тока, а его отрицательный терминал образует отрицательный полюс порта на стороне низкого напряжения упомянутого двунаправленного преобразователя постоянного тока. Нейтральные точки портов на стороне низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока, образованного цепочкой вентильных блоков I типа и цепочкой вентильных блоков II типа, совпадают.
[0053] Как показано на Фиг. 1, блок 101 это цепочка вентильных блоков I типа, блок 102 - цепочка вентильных блоков II типа, а блок 103 - магнитный блок.
[0054] Как показано на Фиг. 1, блоки 104-111 представляют собой разъединители. При этом блоки 104-107 являются разъединителями, подключенным к порту на стороне высокого напряжения цепочки вентильных блоков, а блоки 108-111 - это разъединители, подключенные к порту на стороне низкого напряжения цепочки вентильных блоков. Разъединители могут, помимо прочего, представлять собой полностью управляемые переключатели.
[0055] Первые разъединители 106 и 104 подключаются между положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения и положительным терминалом питающей линии высокого напряжения цепочек вентильных блоков соответственно цепочки вентильных блоков I типа и цепочек вентильных блоков II типа. Вторые разъединители 107 и 105 подключается между отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков и отрицательным терминалом питающей линии постоянного тока высокого напряжения соответственно цепочки вентильных блоков I типа и цепочки вентильных блоков II типа. Третий разъединитель 110 подключается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа и положительным терминалом питающей линии постоянного тока низкого напряжения. Четвертый разъединитель 111 подключается между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков I типа и нейтральной точкой питающей линии постоянного тока низкого напряжения Пятый разъединитель 108 подключается между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа и нейтральной точкой питающей линии постоянного тока низкого напряжения. Шестой разъединитель 109 подключается между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков II типа и отрицательным полюсом питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0056] Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение определений каждого порта отдельной цепочки вентильных блоков.
[0057] На Фиг. 2 блок 201 обозначает одну цепочку вентильных блоков, включающую порт постоянного тока высокого напряжения, порт постоянного тока низкого напряжения и по крайней мере три порта переменного тока.
[0058] Положительные полюса портов постоянного тока высокого напряжения всех цепочек вентильных блоков двунаправленного преобразователя постоянного тока по-отдельности соединяются посредством разъединителей и затем подключаются к положительному терминалу питающей линии постоянного тока высокого напряжения. Отрицательные полюса портов постоянного тока высокого напряжения всех цепочек вентильных блоков по-отдельности соединяются посредством разъединителей и затем подключаются к отрицательному терминалу питающей линии постоянного тока высокого напряжения. Положительные и отрицательные полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа двунаправленного преобразователя постоянного тока по-отдельности соединяются посредством разъединителей и подключаются к положительному терминалу и нейтральной точке питающей линии постоянного тока низкого напряжения. Положительные и отрицательные полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа двунаправленного преобразователя постоянного тока по-отдельности соединяются посредством разъединителей и подключаются к нейтральной точке и отрицательному терминалу питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0059] Как показано на Фиг. 2, блок 202 представляет собой электрический реактор; магнитный элемент, подключенный к отдельной цепочке вентильных блоков, может быть электрическим реактором; к каждому выходному терминалу порта переменного тока подключается один электрический реактор. Блок 203 представляет собой трансформатор переменного тока. Магнитный элемент, подключенный к отдельной цепочке вентильных блоков, может быть трансформатором переменного тока; к одному порту переменного тока подключается один трансформатор переменного тока.
[0060] Цепочки вентильных блоков I типа и II типа двунаправленного преобразователя постоянного тока включают столько же преобразователей источника напряжения, сколько портов переменного тока, при этом все преобразователи источника напряжения имеют схему преобразования переменного/постоянного тока, а схема преобразования переменного/постоянного тока включает по крайней мере один порт переменного тока и один порт постоянного тока.
[0061] В цепочке вентильных блоков I и II типа двунаправленного преобразователя постоянного тока порты постоянного тока всех преобразователей источника напряжения по порядку от первого до последнего соединяются последовательным соединением, при этом положительный полюс порта постоянного тока первого преобразователя источника напряжения и отрицательный полюс порта постоянного тока последнего преобразователя источника напряжения образуют порт постоянного тока высокого напряжения одной цепочки вентильных блоков; внутри всех преобразователей источника напряжения находится по крайней мере один порт переменного тока, все порты переменного тока являются портами переменного тока упомянутой цепочки вентильных блоков.
[0062] Преобразователь источника напряжения сокращенно называется VSC. На Фиг. 3 показан один двунаправленный преобразователь постоянного тока, имеющий только две цепочки вентильных блоков, а каждая цепочка вентильных блоков имеет только три преобразователя источника напряжения. На Фиг. 3 блоки 301-306 представляют собой преобразователь источника напряжения с двумя цепочками вентильных блоков, то есть VSC1-VSC6. При этом, VSC1, VSC2 и VSC3 соединяются последовательным соединением и образуют цепочку вентильных блоков II типа, a VSC4, VSC5 и VSC6 соединяются последовательным соединением, образуя цепочку вентильных блоков I типа. Блок 307 обозначает трансформатор переменного тока.
[0063] Из всех преобразователей источника напряжения цепочки вентильных блоков выбираются два преобразователя источника напряжения, положительные полюса порта постоянного тока которых выводятся наружу, образуя порт постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков. При этом, положительный полюс высокого напряжения является положительным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения, а положительный полюс низкого напряжения является отрицательным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения. В цепочке вентильных блоков I типа выбранный отрицательный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал. В цепочке вентильных блоков II типа выбранный положительный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал. Это показано на Фиг. 3.
[0064] Из всех преобразователей источника напряжения цепочки вентильных блоков выбираются два преобразователя источника напряжения, отрицательные полюса порта постоянного тока которых выводятся наружу, образуя порт постоянного тока низкого напряжения упомянутой цепочки вентильных блоков. При этом, отрицательный полюс высокого напряжения является положительным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения, а отрицательный полюс низкого напряжения является отрицательным терминалом порта постоянного тока низкого напряжения. В цепочке вентильных блоков I типа выбранный отрицательный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал. В цепочке вентильных блоков II типа выбранный положительный терминал и нейтральная точка питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения имеют равный потенциал. Это показано на Фиг. 3.
[0065] Преобразователь источника напряжения цепочки вентильных блоков включает по крайней мере два блока с четырьмя вентильными плечами, последовательно соединенными попарно. Каждое вентильное плечо включает последовательно соединенные по порядку электрический генератор вентильного плеча и модуль мощности. Два терминала последовательно подключенных верхнего и нижнего вентильного плеча каждого блока соединяются параллельно и образуют порт постоянного тока преобразователя источника напряжения. Нейтральные точки последовательно подключенных верхнего и нижнего вентильного плеча каждого блока выводятся вовне и образуют порт переменного тока;
[0066] Фиг. 4 представляет собой подробное схематическое изображение конструкции преобразователя источника напряжения на одной цепочке вентильных блоков.
[0067] Как показано на Фиг. 4, блок 401 это электрический реактор вентильного плеча, а блок 402 модуль мощности. Один электрический реактор вентильного плеча соединяется с несколькими SM блоками мощности последовательным соединением, образуя одного вентильное плечо. На Фиг. 4 шесть вентильных плеч образуют один преобразователь источника напряжения, то есть, конструкцию ММС, при этом все точки соединения всех верхних и нижних вентильных плеч выводятся наружу, что позволяет выводить трехфазный переменный ток; в случае удаления любой вентильных плеч упомянутый преобразователь источника напряжения может осуществлять вывод однофазного переменного тока.
[0068] Вентильные плечи преобразователя источника напряжения цепочки вентильных блоков состоят из последовательно соединенных по порядку электрического генератора и модуля мощности вентильного плеча. Все модули мощности используют конструкцию, состоящую из полумоста и конденсатора. Фиг. 5 представляет собой модуль мощности, состоящий из полумоста и конденсатора. На Фиг. 5 Q1 и Q2 обозначают два полностью управляемых коммутационных элемента схемы полумоста.
[0069] Как вариант, все модули мощности могут использовать конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора. Фиг. 6 представляет собой модуль мощности, состоящий из полного моста и конденсатора. На Фиг. 6 Q1, Q2, Q3 и Q4 обозначают четыре полностью управляемых коммутационных элемента схемы полного моста.
[0070] Как вариант, все модули мощности могут использовать комбинацию конструкции, состоящей из полного моста и конденсатора, и конструкции, состоящей из полумоста и конденсатора.
[0071] Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков I типа, а Фиг. 8 - схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков II типа; далее следует разъяснение способа управления двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока с использованием Фиг. 7 и Фиг. 8.
[0072] Как показано на Фиг. 7 и Фиг. 8, во время нормальной работы смыкается разъединитель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения всех цепочек вентильных блоков. Как показано на Фиг. 6, во время нормальной работы полномостовой модуль мощности вводится в работу при включении Q1 и Q4 и отключении Q2 и Q3; полномостовой модуль мощности выводится из работы при включении Q1 и Q3 и отключении Q2 и Q4 или при включении Q2 и Q4 и отключении Q1 и Q3.
[0073] Как показано на Фиг. 7, для каждой цепочки вентильных блоков I типа используется следующий способ управления.
[0074] В реальном времени происходит измерение разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа. Эта разница потенциалов сравнивается с первым целевым значением, при этом первое целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если измеренное значение отклоняется от первого целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока измеренное значение не станет равно первому целевому значению.
[0075] В реальном времени происходит измерение разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков I типа. Эта разница потенциалов сравнивается со вторым целевым значением, при этом второе целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока высокого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если измеренное значение отклоняется от второго целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока измеренное значение не станет равно второму целевому значению.
[0076] Как показано на Фиг. 8, для каждой цепочки вентильных блоков II типа используется следующий способ управления.
[0077] В реальном времени происходит измерение разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа. Эта разница потенциалов сравнивается с третьим целевым значением, при этом упомянутое третье целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если измеренное значение отклоняется от третьего целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока измеренное значение не станет равно третьему целевому значению.
[0078] В реальном времени происходит измерение разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа. Эта разница потенциалов сравнивается с четвертым целевым значением, при этом четвертое целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока высокого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если измеренное значение отклоняется от четвертого целевого значения, то происходит регулировка мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения, цепочки вентильных блоков II типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока измеренное значение не станет равно четвертому целевому значению;
[0079] Как показано на Фиг. 7 и Фиг. 8, в случае кратковременного сбоя на питающей линии постоянного тока высокого напряжения происходит регулировка состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, во всех цепочках вентильных блоков. После устранения сбоя восстанавливается состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0080] В случае кратковременного сбоя положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке, происходит регулировка состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения, расположенного между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков I типа. После устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0081] В случае кратковременного сбоя отрицательного терминала по питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке, происходит регулировка состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков II типа. После устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0082] В случае кратковременного сбоя посредством высокочастотного переключения, состоящего во включении Q1, Q4 и отключении Q2 и Q3, а также включении Q2 и Q3 и отключении Q1 и Q4, происходит управление выходным током полного моста, то есть управление величиной аварийного тока. После устранения сбоя происходит возвращение в предыдущее нормальное рабочее состояние.
[0083] Как показано на Фиг. 7 и Фиг. 8, в случае долговременного сбоя положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке происходит блокировка цепочки вентильных блоков I типа, в то же время отключается разъединитель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя. В то же время поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков II типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на отрицательный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0084] В случае долговременного сбоя отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке происходит блокировка цепочки вентильных блоков II типа, в то же время отключается разъединитель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя. В то же время поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков I типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на положительный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0085] Отключение переключателей, обозначаемых блоками 104, 105, 108 и 109, позволяет изолировать цепочку вентильных блоков I типа. Отключение переключателей, обозначаемых блоками 106, 107, 110 и 111, позволяет изолировать цепочку вентильных блоков II типа. Это показано на Фиг. 1.
[0086] Варианты осуществления настоящего изобретения также раскрывают устройство управления двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока. Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков I типа, а Фиг. 8 - схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков II типа. Устройство управления также называется распределителем мощности. Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков I типа по еще одному варианту осуществления, а Фиг. 10 - схематическое изображение стратегии управления цепочки вентильных блоков II типа по еще одному варианту осуществления.
[0087] Устройство управления включает блок нормальной работы. Во время нормальной работы двухполюсного двунаправленного преобразователя постоянного тока блок нормальной работы управляет смыканием разъединителя или полностью автоматического выключателя, подключенного к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения всех цепочек вентильных блоков.
[0088] Как вариант, устройство управления двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока также включает первый измерительный блок, первый регулировочный блок, второй измерительный блок и второй регулировочный блок.
[0089] Первый измерительный блок в реальном времени осуществляет измерение первой разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа. Первая разница потенциалов сравнивается с первым целевым значением, при этом первое целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если первая разница потенциалов отклоняется от первого целевого значения, то активируется первый регулировочный блок. Первый регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока первая разница потенциалов не станет равна первому целевому значению.
[0090] Второй измерительный блок в реальном времени осуществляет измерение второй разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков I типа. Вторая разница потенциалов сравнивается со вторым целевым значением, при этом второе целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока высокого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если вторая разница потенциалов отклоняется от второго целевого значения, то активируется второй регулировочный блок. Второй регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока вторая разница потенциалов не станет равна второму целевому значению.
[0091] Как вариант, устройство управления двухполюсным двунаправленным преобразователем постоянного тока также включает третий измерительный блок, третий регулировочный блок, четвертый измерительный блок и четвертый регулировочный блок.
[0092] Третий измерительный блок в реальном времени осуществляет измерение третьей разницы потенциалов положительного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа. Третья разница потенциалов сравнивается с третьим целевым значением, при этом упомянутое третье целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока низкого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если третья разница потенциалов отклоняется от третьего целевого значения, то активируется третий регулировочный блок. Третий регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока третья разница потенциалов не станет равна третьему целевому значению.
[0093] Четвертый измерительный блок в реальном времени осуществляет измерение четвертой разницы потенциалов отрицательного полюса порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательного полюса порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа. Четвертая разница потенциалов сравнивается с четвертым целевым значением, при этом четвертое целевое значение составляет половину от опорного значения напряжения положительного и отрицательного терминалов порта постоянного тока высокого напряжения двунаправленного преобразователя постоянного тока. Если четвертая разница потенциалов отклоняется от четвертого целевого значения, то активируется четвертый регулировочный блок. Четвертый регулировочный блок осуществляет регулировку мощности, передаваемой преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и отрицательным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и преобразователем источника напряжения, расположенным между положительным полюсом порта постоянного тока низкого напряжения и положительным полюсом порта постоянного тока высокого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, посредством магнитных элементов до тех пор, пока четвертая разница потенциалов не станет равна четвертому целевому значению.
[0094] Как вариант, устройство управления также может включать блок обработки кратковременных сбоев питающей линии постоянного тока высокого напряжения, блок обработки кратковременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения и блок обработки кратковременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения.
[0095] В случае кратковременного сбоя на питающей линии постоянного тока высокого напряжения блок обработки кратковременных сбоев питающей линии постоянного тока высокого напряжения осуществляет регулировку состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, во всех цепочках вентильных блоков. После устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля. В случае кратковременного сбоя положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке, упомянутый блок обработки кратковременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет регулировку состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения между портами постоянного тока низкого напряжения во всех цепочках вентильных блоков I типа. После устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля. В случае кратковременного сбоя отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке блок обработки кратковременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет регулировку состояния включения-выключения модулей мощности, имеющих конструкцию, состоящую из полного моста и конденсатора, преобразователя источника напряжения между портами постоянного тока низкого напряжения на цепочке вентильных блоков II типа. После устранения сбоя восстанавливается предыдущее состояние включения-выключения упомянутого модуля.
[0096] Как вариант, устройство управления также может включать блок обработки долговременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения и блок обработки долговременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения.
[0097] В случае долговременного сбоя положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке блок обработки долговременных сбоев положительного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет блокировку цепочки вентильных блоков I типа, в то же время он отключает разъединитель или полностью управляемый переключатель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков I типа, и, таким образом, происходит изоляция вышеупомянутого сбоя. В то же время поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков II типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на отрицательный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0098] В случае долговременного сбоя отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения по отношению к земле или нейтральной точке блок обработки долговременных сбоев отрицательного терминала питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения осуществляет блокировку цепочки вентильных блоков II типа, в то же время отключается разъединитель или полностью управляемый переключатель, подключенный к положительному и отрицательному полюсу порта постоянного тока высокого напряжения и порта постоянного тока низкого напряжения цепочки вентильных блоков II типа, и, таким образом, происходит изоляция упомянутого сбоя. В то же время поддерживается неизменное рабочее состояние цепочки вентильных блоков I типа, продолжается выполнение преобразования электроэнергии, подающейся от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на положительный терминал и нейтральную точку питающей линии постоянного тока низкого напряжения.
[0099] Чтобы в достаточной степени разъяснить принцип регулировки по настоящему патенту далее описывается способ определения количественных параметров на примере схемы, изображенной на Фиг. 3. Примем класс напряжения на стороне высокого напряжения за псевдодвухполюсный ±Е1, тогда напряжение положительного и отрицательного терминала порта на стороне высокого напряжения будет составлять 2Е1. Класс напряжения на стороне низкого напряжения - истинно двухполюсный ±Е2, тогда напряжение положительного и отрицательного терминала порта на стороне низкого напряжения будет составлять 2Е2; удовлетворяя условие E1>Е2, получаем n=Е1/Е2, тогда n>1. Примем номинальную мощность такого двунаправленного преобразователя постоянного тока за Р, то есть выходная и входная мощность порта на стороне высокого напряжения - это Р, а выходная мощность каждого полюса из двух полюсов на стороне низкого напряжения - это Р/2.
[0100] В соответствии с разграничением классов напряжения необходимо установить равные номинальные напряжения портов постоянного тока VSC1 и VSC6, которое будет составлять Е1; также необходимо установить равное номинальное напряжение портов постоянного тока VSC2 и VSC5, которое будет составлять Е2, тогда номинальное напряжение VSC3 и VSC4 будет составлять Е2-Е1.
[0101] Из правил Кирхгофа известно, что, если VSC1, VSC2 и VSC3 соединяются последовательным соединением и VSC4, VSC5 и VSC6 также соединяются последовательным соединением, то ток портов постоянного тока является равным, вследствие чего номинальная мощность VSC1 и VSC6 равна Р/4; в соответствии с равенством n=Е1/Е2 можно вывести, что номинальная расчетная мощность VSC3 и VSC4 составляет (n-1)/n*(Р/4), а мощность портов переменного тока VSC1 и VSC6, а также VSC3 и VSC4 посредством магнитных элементов передается на VSC2 и VSC5 соответственно, следовательно, номинальная мощность VSC2 и VSC5 составляет (2n-1)/n*(Р/4).
[0102] Зная номинальную мощность и напряжение порта постоянного тока преобразователей источника напряжения (VSC), можно в соответствии с существующими способами проектирования преобразователей источника напряжения на основе конструкции ММС спроектировать сам преобразователь источника напряжения (VSC).
[0103] Номинальная активная мощность каждого трансформатора переменного тока, подключенного к каждому VSC, и номинальная мощность соответствующего VSC равны, а напряжение трансформатора может определяться в соответствии с соотношением модуляции изменения напряжения переменного тока VSC в постоянный.
[0104] Таким образом, можно в соответствии с настоящим патентом разработать двунаправленный преобразователь постоянного тока, который может применяться на практике для псевдодвухполюсных соединений проводов на стороне высокого напряжения и истинно двухполюсных соединений проводов на стороне низкого напряжения.
[0105] По сравнению с существующими схемами на основе стыковых конструкций ММС, в техническом решении, раскрытом в вариантах осуществления настоящего изобретения, тем же способом образуется псевдодвухполюсная конструкция на стороне высокого напряжения и истинно двухполюсная конструкция на стороне низкого напряжения, в то же время предложенное в настоящем изобретении решение позволяет уменьшить емкость вентильных блоков и трансформаторов, тем самым снизив проектную себестоимость системы. По сравнению с решением AUTO-DC, описанном в существующей литературе, в решении, раскрытом в настоящем патенте, для питающей линии постоянного тока на стороне высокого напряжения может использоваться псевдодвухполюсное соединение, в то же время на стороне низкого напряжения не существует равенства напряжения на землю положительного и отрицательного терминалов на стороне низкого напряжения и напряжения на землю на стороне высокого напряжения, что приводит к проблеме повышения механического напряжения изоляции. По сравнению с решением AUTO-DC, описанном в существующей литературе, в решении, раскрытом в настоящем изобретении, когда на одном полюсе питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения происходит сбой и он прекращает работу, это не влияет на нормальную работу другого полюса, и по-прежнему возможно осуществлять преобразование электроэнергии от питающей линии постоянного тока высокого напряжения на питающую линию постоянного тока низкого напряжения, что позволяет удовлетворять условиям истинно двухполюсного соединения питающей линии постоянного тока на стороне низкого напряжения.
[0106] Необходимо заметить, что приведенные выше для описания чертежей варианты осуществления предназначены только для разъяснения настоящего изобретения и ни в коем случае не ограничивают его диапазон; рядовой технический персонал должен понимать, что любые модификации и тождественные замены, вносимые в настоящее изобретение при соблюдении сути и диапазона настоящего изобретения также находятся в диапазоне защиты настоящего изобретения. При этом, если иное не следует из контекста, все приведенные здесь формы единственного числа также включают формы множественного числа и наоборот. Кроме того, если явно не указано иное, любой из вариантов осуществления может полностью или частично применяться в сочетании с другим вариантом осуществления, как полным, так и его частью.