BR112012001065B1

BR112012001065B1 - Reator de ponto de estrela

Info

Publication number: BR112012001065B1
Application number: BR112012001065-4A
Authority: BR
Inventors: Christoph Armschat; Mike Dommaschk; Volker Hussennether; Thomas Westerweller
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2020-09-29
Also published as: CN102474101B; CN102474101A; KR101386805B1; EP2454794A2; KR20120031069A; EP2454794B1; DE102009034354A1; BR112012001065A2; RU2534027C2; WO2011006796A3; US8994232B2; WO2011006796A2; US20120120691A1; BR112012001065B8; RU2012105533A

Abstract

reator de ponto de estrela. a presente invenção refere-se a um dispositivo (1) para a inversão de um parâmetro elétrico no campo de transmissão e distribuição de potência, tendo um inversor (2) que pode ser conectado entre uma rede de corrente alternada (11) e um circuito cc (7), compreendendo válvulas de semicondutor de potência (3), que se estendem entre uma conexão de corrente alternada (4) e uma conexão de voltagem cc (5, 6), em que cada válvula de semicondutor de potência (3) compreende um circuito em série de submódulos bipolares (8), cada um compreendendo um armazenamento de energia e um circuito de semicondutor de potência disposto em paralelo com o armazenamento de energia, e uma unidade de conexão de rede (9) conectada à conexão de codificação (4) para conexão à rede de corrente alternada (11), por meio do que uma simetrização simples, efetiva e econômica das voltagens no circuito de voltagem cc em relação ao potencial de aterramento é criada, um reator de ponto de estrela (14) conectado entre a unidade de conexão de rede (9) e o inversor (2) com um ponto de potencial (13) é proposto, compreendendo bobinas de indução (15) conectadas a um ponto de estrela aterrado (16), em que as bobinas de indução (15) são implementadas, de modo que as referidas bobinas implementem um percurso de corrente que tem uma impedância alta para o potencial de aterramento para uma corrente alternada na frequência de base da rede de corrente alternada (11) e tendo baixa impedância para o potencial de aterramento para uma corrente cc.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um aparelho para a conversão de uma variável elétrica no setor de transmissão de energia elétrica e distribuição com um conversor, o qual pode ser comutado entre uma rede de tensão CA e um circuito de tensão CC e tem válvulas de semicondutor de potência, as quais se estendem entre uma conexão de tensão CA e uma conexão de tensão CC, cada válvula de semicondutor compreendendo um circuito em série compreendendo submódulos bipolares, cada um dos quais tendo um armazenamento de energia e um circuito de semicondutor de potência, e uma unidade de conexão de rede para conexão à rede de tensão CA, a referida unidade de conexão de rede sendo conectada à conexão de tensão CA.

[0002] Aparelhos para a conversão de uma variável elétrica são conhecidos, por exemplo, como parte de um sistema de transmissão de corrente contínua de tensão alta (sistema de HDVC) geralmente tem dois conversores, os quais são conectados um ao outro através de um circuito intermediário de tensão CC e os quais são acoplados ao lado de tensão CA a em cada caso uma rede de tensão CA. É possível com o auxílio do sistema de transmissão de corrente contínua de tensão alta transmitir potência elétrica a partir de uma rede de tensão CA para a outra rede de tensão CA. Em particular, a transmissão de potência por longas distâncias é vantajosa com uma transmissão de corrente contínua de tensão alta, uma vez que perdas menores ocorrem durante uma transmissão, em comparação com uma transmissão com tensão CA.

[0003] Topologias diferentes de conversor para a transmissão de HVDC são conhecidas a partir da técnica anterior. Conversores em dois estágios, os quais são referidos como conversores de dois pontos por aqueles versados na técnica, geram apenas dois níveis de tensão diferentes em sua saída. As válvulas de conversor dos conversores de dois pontos têm um grande número de comutadores de semicondutor de potência, os quais são dispostos em série uns com os outros. Os semicondutores de potência conectados em série precisam todos ser comutados ao mesmo tempo, isto é, a partir de uma posição de interruptor, em que um fluxo de corrente através do semicondutor de potência é interrompido, para uma posição de condução, na qual um fluxo de corrente através do semicondutor de potência é permitido. Conversores autocomutados e de impressão de tensão também são referidos como “conversores de fonte de tensão (VSCs)”. Os conversores tendo três estágios de tensão são referidos como conversores de três pontos.

[0004] Além dos conversores de dois pontos e de três pontos, a técnica anterior também mostrou os assim denominados conversores de estágio múltiplo, os quais também são referidos como “conversores de fonte de tensão de nível múltiplo (VSCs)” por aqueles versados na técnica. Os VSCs de nível múltiplo geralmente têm válvulas de semicondutor de potência consistindo em submódulos bipolares, cada um dos quase tendo um armazenamento de energia, tal como um capacitor, por exemplo, e um circuito de semicondutor de potência, com o auxílio do que é possível gerar a queda de tensão através do capacitor ou, ainda, uma tensão zero nos terminais de saída de cada submódulo. Devido ao fato de o circuito em série compreender os submódulos, a tensão na saída de cada válvula de semicondutor de potência pode ser variada de uma forma em incrementos, com o nível destes estágios sendo determinado pela queda de tensão através do respectivo capacitor. O capacitor central, provido no caso de conversores de dois pontos ou de três pontos, do circuito de tensão CC é distribuído dentre os submódulos individuais das válvulas de semicondutor de potência no caso de VSCs de nível múltiplo.

[0005] Os conversores de nível múltiplo têm a desvantagem de os polos do circuito intermediário de tensão CC aos quais as válvulas de semicondutor de potência do conversor são conectadas poderem ter voltagens com magnitudes diferentes com respeito ao potencial de aterramento.

[0006] O objetivo da invenção, portanto, é prover um conversor do tipo mencionado no começo, o qual pode ser usado para se criar um equilíbrio simples, efetivo e econômico das voltagens no circuito de tensão CC com respeito ao potencial de aterramento.

[0007] A invenção alcança o objetivo por um reator de ponto de estrela, o qual é conectado a um ponto de potencial entre a unidade de conexão de rede e o conversor e tem bobinas de indutor as quais são interconectadas para a formação de um ponto de estrela aterrado, as bobinas de indutor sendo configuradas de forma tal que representem um percurso de corrente com uma alta impedância para um potencial de aterramento, para corrente alternada com a frequência fundamental da rede de tensão CA, e um percurso de corrente com uma impedância baixa para o potencial de aterramento, para uma corrente contínua.

[0008] De acordo com a invenção, o acoplamento de potencial de lado de conversor é realizado por um reator de ponto de estrela. O reator de ponto de estrela tem bobinas de indutor, as quais são interconectadas para a formação de um ponto de estrela e as quais, no seu lado voltado para longe do ponto de estrela, são conectadas com CC a uma conexão de tensão CA do respectivo conversor. Em outras palavras, quando o aparelho de acordo com a invenção é conectado a uma rede de tensão CA com o auxílio da unidade de conexão de rede, o reator de ponto de estrela é disposto em paralelo com a rede de tensão CA. As bobinas de indutor do reator de ponto de estrela são configuradas de forma tal que elas representem um percurso de corrente com uma impedância alta para o componente fundamental da corrente alternada, a qual geralmente é de 50 ou 60 Hz, com o resultado de as correntes alternadas não poderem fluir através do ponto de estrela aterrado. Contudo, o fluxo de corrente de correntes contínuas é possível com uma ordem de magnitude de correntes de vazamento parasitas nas superfícies de isolador. De forma expediente, o reator de ponto de estrela está localizado, quando instalado em ambientes externos, na vizinhança de uma casa de válvulas, em que as válvulas de semicondutor de potência são dispostas. Portanto, é possível com o auxílio deste reator de ponto de estrela equilibrar o circuito intermediário de tensão CC de conversores de nível múltiplo tendo um potencial flutuante. Em outras palavras, os polos do circuito intermediário de tensão CC têm voltagens com valores aproximadamente iguais em comparação com o potencial de aterramento.

[0009] De forma expediente, o ponto de estrela do reator de ponto de estrela é conectado ao potencial de aterramento através de um resistor não reativo. Com o auxílio do resistor não reativo, é possível que ressonâncias ou oscilações sejam evitadas entre a capacitância de condutor para aterramento do circuito intermediário de tensão CC e a indutância do reator de ponto de estrela. Desta forma, uma atenuação assim é provida.

[00010] De forma expediente, cada bobina de indutor tem um núcleo magnetizável. O núcleo magnetizável pode ser um núcleo de ferro ou similar, por exemplo. De acordo com um desenvolvimento expediente nesse sentido, o núcleo delimita um espaço de ar. O espaço de ar serve para a finalidade de evitar uma saturação prematura do núcleo quando da condução de correntes contínuas de até 100 mA, por exemplo.

[00011] De forma expediente, cada submódulo tem um circuito de ponte completa com quatro semicondutores de potência desconectáveis, os quais são interconectados com o armazenamento de energia, de forma tal que uma queda de tensão de armazenamento de energia através do armazenamento de energia possa ser gerada nos terminais de saída do submódulo. Esses circuitos de ponte completa são bem conhecidos por pessoas versadas na técnica neste campo, com o resultado de nenhum detalhe adicional precisar ser dado aqui com respeito ao modo preciso de operação e aos circuitos dos mesmos. Os circuitos de ponte completa também são referidos como circuitos de ponte H. Um diodo de rotação livre é conectado em paralelo, em oposição, a cada semicondutor de potência desconectável.

[00012] Como um desvio disso, cada submódulo tem um circuito de meia ponte com dois semicondutores de potência desconectáveis, os quais são interconectados com o armazenamento de energia, de forma tal que uma queda de tensão de armazenamento de energia através do armazenamento de energia ou uma tensão zero possa ser gerada em terminais de saída do submódulo. Conversores com uma topologia como essa e os submódulos também são referidos como os assim denominados “conversores de Marquardt”. Em contraste com o circuito de ponte completa, não é possível que uma tensão de armazenamento de energia seja gerada nos terminais de saída com o circuito de meia ponte. Por essa razão, o número de semicondutores de potência de custo intensivo para o conversor é reduzido à metade no caso do circuito de ponte completa. Neste caso, também, um diodo de rotação livre é conectado, de novo, em paralelo, em oposição, a cada semicondutor de potência acionável e desconectável, tal como IGBT ou GTO.

[00013] Vantajosamente, a unidade de conexão de rede é um transformador. O transformador é ligado com fio correspondendo às respectivas exigências. O enrolamento primário do transformador é conectado à rede de tensão CA através de um conjunto de mecanismo de distribuição, por exemplo. O enrolamento secundário do transformador é conectado em CC à conexão de tensão CA do conversor e ao reator de ponto de estrela. Uma bobina de indutor é provida para cada fase, a qual se estende a partir da unidade de conexão de rede até a conexão de tensão CA do conversor. No contexto da invenção, portanto, o número de bobinas de indutor corresponde ao número de fases na rede de tensão CA conectável.

[00014] Em uma variante adicional, a unidade de conexão de rede compreende uma indutância, a qual pode ser conectada em série com a rede de tensão CA. O percurso de corrente a partir da rede de tensão CA para a conexão de tensão CA do conversor passa através da indutância, a qual é conectada em série, de acordo com este desenvolvimento. A unidade de conexão de rede pode ter, mais ainda, um capacitor, o qual é conectado em série com a indutância. Mais ainda, é possível que a unidade de conexão de rede tenha um transformador e uma indutância conectada em série e um capacitor conectado em série. A indutância a princípio é qualquer componente indutivo desejado. De forma expediente, a indutância é uma bobina, um indutor, um enrolamento ou similar.

[00015] De forma expediente, as bobinas de indutor do reator de ponto de estrela são adaptadas em isoladores. Em particular, é expediente que o reator de ponto de estrela com suas bobinas de indutor seja instalado em ambientes externos.

[00016] Vantajosamente, o conversor tem um ponto de estrela não aterrado, com as bobinas de indutor sendo dispostas no ponto de estrela do conversor.

[00017] Outras configurações e vantagens expedientes da invenção são o assunto da descrição a seguir com relação a modalidades de exemplo com referência à figura no desenho, na qual: a figura mostra uma modalidade de exemplo de um reator de ponto de estrela de um aparelho de acordo com a invenção.

[00018] A figura 1 mostra uma modalidade de exemplo do aparelho 1 de acordo com a invenção, o qual tem um conversor 2 com seis válvulas de semicondutor de potência 3, cada uma das quais se estendendo entre uma conexão de tensão CA 4 e uma conexão de tensão CC 5 ou 6. Neste caso, uma indutância 18 na forma de uma bobina é provida entre cada válvula de semicondutor de potência 3 e cada conexão de tensão CA 4, a referida indutância facilitando em particular a regulagem de correntes de circulação, as quais podem fluir entre diferentes válvulas de semicondutor de potência 3. Cada conexão de tensão CC 5 é conectada ao terminal positivo de um circuito intermediário de tensão CC 7, o qual é ilustrado apenas parcialmente na figura. As conexões de tensão CC 6 são conectadas ao terminal negativo (-) do circuito intermediário de tensão CC 7. Cada válvula de semicondutor de potência 3 compreende um circuito em série compreendendo submódulos bipolares 4, cada um dos quais tendo um capacitor (não ilustrado nas figuras) e um circuito de semicondutor de potência compreendendo dois semicondutores de potência desconectáveis, IGBTs, com os quais, em cada caso, um diodo de rotação livre é conectado em paralelo, em oposição. Os submódulos 8 são bipolares e, portanto, têm dois terminais de saída. O circuito para os semicondutores de potência e o capacitor é selecionado de modo que a queda de tensão de capacitor através do capacitor ou, de outra forma, uma tensão zero possa ser gerada nos terminais de saída de cada submódulo. Pelo acionamento expediente dos submódulos 8, portanto, é possível ajustar a queda de tensão através das válvulas de semicondutor de potência 3 de uma forma em incrementos. O número de submódulos está entre 20 e várias centenas em aplicações no setor de transmissão de corrente contínua de alta tensão.

[00019] Além disso, o aparelho 1 tem um transformador 9 como uma unidade de conexão de rede, com o transformador 9 tendo um enrolamento primário 10, o qual é conectado a uma rede de tensão CA 11, e um enrolamento secundário 11, o qual é conectado em CC com as conexões de tensão CA 4 do conversor 1. A rede de tensão CA 11 tem uma configuração trifásica. Isto se aplica de forma correspondente ao número de conexões de tensão CA 4 e a uma seção de condutor 13 para uma conexão CC do enrolamento secundário 12 às conexões de tensão CA 4. A seção de condutor 13 também pode ser referida como um ponto de potencial entre a unidade de conexão de rede 9 e as conexões de tensão CA 4 do conversor 2.

[00020] De modo a equilibrar a tensão CC positiva e a tensão CC negativa, isto é, em outras palavras, para o equilíbrio dos terminais do circuito intermediário de tensão CC 7 com respeito ao potencial de aterramento, um reator de ponto de estrela 14 é provido. O reator de ponto de estrela 14 tem três bobinas de indutor 15, as quais são interconectadas para a formação de um ponto de estrela 16. O ponto de estrela 16 é conectado ao potencial de aterramento através de um resistor não reativo 17. Cada bobina de indutor 15 é conectada em seu lado voltado para longe do ponto de estrela 16 a uma fase da seção de condutor 13 e, portanto, é conectada em CC a uma conexão de tensão CA 4 do conversor 2.

[00021] As bobinas de indutor 15 são configuradas de modo que elas representem um percurso de corrente com uma alta impedância para a frequência fundamental da tensão CA da rede de tensão CA 11, a qual é de 50 Hz na modalidade de exemplo selecionada. Além disso, cada bobina de indutor 15 tem um núcleo de ferro. De modo a evitar uma saturação prematura do núcleo de ferro, um espaço de ar é provido em cada núcleo de ferro das bobinas de indutor 15. O reator de ponto de estrela é construído como um transformador de tensão de descarga, o qual é convencional no mercado, com os enrolamentos secundários do transformador de tensão de descarga sendo omitidos. As bobinas de indutor 15 do reator de ponto de estrela são instaladas em isoladores expedientes, por exemplo, isoladores os quais são projetados para 39 kV. Um acoplamento de potencial do conversor 2 no lado de tensão CA assim é tornado possível com o auxílio do reator de ponto de estrela 14, com equilíbrio dos terminais do circuito intermediário de tensão CC como resultado. Os primeiros testes mostraram que, apesar da excitação extrema do reator de ponto de estrela com o terceiro harmônico do fundamental da tensão CA, o sistema permanece estável. Correntes de circulação são largamente evitadas. Mais ainda, em contraste com um acoplamento de potencial no lado de tensão CC, perdas de energia notadamente reduzidas ocorrem. O reator de ponto de estrela, o qual em termos de projeto é similar a um transformador de tensão indutiva, está disponível no mercado como um produto padrão, com o resultado de o aparelho de acordo com a invenção ser econômico.

Claims

1. Aparelho (1) para a conversão de uma variável elétrica no setor de transmissão e distribuição de energia com - um conversor (2), o qual pode ser comutado entre uma rede de tensão CA (11) e um circuito de tensão CC (7) e apresenta válvulas de semicondutor de potência (3), as quais se estendem entre uma conexão de tensão CA (4) e uma conexão de tensão CC (5, 6), sendo que cada válvula de semicondutor de potência (3) compreende um circuito em série de submódulos bipolares (8), que respectivamente apresentam um armazenamento de energia bem como um circuito de semicondutor de potência, e - uma unidade de conexão de rede (9), conectada à conexão de tensão de CA (4), para conexão à rede de tensão CA (11), caracterizado por um reator de ponto de estrela (14), o qual é conectado a um ponto de potencial (13) entre a unidade de conexão de rede (9) e o conversor (2) e apresenta bobinas de indutor (15), as quais são interconectadas para formarem um ponto de estrela aterrado (16), sendo que as bobinas de indutor (15) são configuradas de modo que elas representem um percurso de corrente com alta impedância para o potencial de aterramento, para uma corrente alternada com a frequência fundamental da rede de tensão CA (11), e um percurso de corrente com baixa impedância para o potencial de aterramento, para uma corrente contínua.

2. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada bobina de indutor (15) ser conectada, com seu lado remoto do ponto de estrela (16), a uma conexão de tensão CA associada (4) do conversor (2).

3. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o ponto de estrela (16) do reator de ponto de estrela (14) ser conectado ao potencial de aterramento através de um resistor ôhmico (17).

4. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada bobina de indutor (15) apresentar um núcleo magnetizável.

5. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o núcleo delimitar um espaço de ar.

6. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada submódulo (8) apresentar um circuito de ponte completa com quatro semicondutores de potência desconectáveis, os quais são interconectados com o armazenamento de energia de forma tal que uma queda de tensão de armazenamento de energia através do armazenamento de energia, uma tensão zero ou, de outra forma, a tensão de armazenamento de energia inversa possa ser gerada em terminais de saída do submódulo.

7. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de cada submódulo apresentar um circuito de meia ponte com dois semicondutores de potência desconectáveis, os quais são interconectados com o armazenamento de energia de forma tal que uma queda de tensão de armazenamento de energia através do armazenamento de energia ou uma tensão zero possa ser gerada em terminais de saída do submódulo.

8. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de a unidade de conexão de rede ser um transformador (9).

9. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de a unidade de conexão de rede apresentar uma indutância, a qual pode ser conectada em série com a rede de tensão CA (11).

10. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as bobinas de indutor (15) do reator de ponto de estrela (14) serem montadas em isoladores.

11. Aparelho (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de o conversor (2) apresentar um ponto de estrela de conversor não aterrado, e as bobinas de indutor (15) serem dispostas no ponto de estrela de conversor.