DE112015007244T5

DE112015007244T5 - Ventileinheit für HVDC-Stromrichter

Info

Publication number: DE112015007244T5
Application number: DE112015007244.6T
Authority: DE
Inventors: Ming Li; Nan Chen; Olof Hjortstam; Erik Persson; Thomas Eriksson
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2018-09-20
Also published as: CN108476597A; WO2017114545A1; CN108476597B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Ventileinheit, die ein Behältnis, mehrere Stromrichterzellen, mehrere Halteelemente und mehrere Verbindungselemente zum mechanischen Verbinden der Halteelemente umfasst. Das Behältnis kann zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllt sein und kann sich entlang einer Axialrichtung erstrecken. Die mehreren Stromrichterzellen können als mindestens eine Säule in dem Behältnis angeordnet sein. Ein Halteelement ist zum Halten mindestens einer Stromrichterzelle angeordnet. Die Verbindungselemente erstrecken sich von einem ersten Halteelement zu einem anderen innerhalb eines durch einen Außenumfang einer zwischen den Halteelementen angeordneten Stromrichterzelle begrenzten Raums.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet von Hochspannungsstromrichtern und befasst sich mit einer Ventileinheit, bei der eine Isolierung mittels mindestens eines Isoliergases erhalten wird. Die Ventileinheit der vorliegenden Offenbarung kann beispielsweise bei Offshore-Plattformen angewandt werden.
HINTERGRUND
Eine Hochspannungsgleichstrom(HVDC-)Stromrichterstation ist eine Art von Station, die dazu ausgeführt ist, Hochspannungsgleichstrom (-DC) in Wechselstrom (AC) umzuwandeln, oder umgekehrt. Eine HVDC-Stromrichterstation kann mehrere Elemente, wie zum Beispiel den Stromrichter selbst (oder mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Stromrichter), eine Wechselstromschaltanlage, einen Transformator, Kondensatoren, Filter, eine Gleichstromschaltanlage und andere Zusatzelemente umfassen. Elektronische Stromrichter können als netzgeführte Stromrichter, die zum Beispiel Thyristoren als Schalter verwenden, oder spannungsgeführte Stromrichter, die Transistoren, wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), als Schalter (oder Schaltvorrichtungen) verwenden, kategorisiert werden. Mehrere Festkörperhalbleiterbauelemente, wie zum Beispiel die Thyristoren oder IBGTs, können von Kondensatoren umgeben und miteinander verbunden sein, zum Beispiel in Reihe geschaltet sein, um einen Baustein oder eine Ventileinheit eines HVDC-Stromrichters zu bilden.
Bei der Konstruktion und der Auslegung einer HVDC-Stromrichterstation besteht eine Herausforderung in der elektrischen Isolierung der verschiedenen Teile der HVDC-Stromrichterstation, da eine Zunahme des Abstands zwischen den verschiedenen Teilen einer HVDC-Stromrichterstation die Isolierung zwar verbessert, aber gleichzeitig zu einer HVDC-Stromrichterstation mit größeren Abmessungen führt. Dies kann mehrere Schwierigkeiten bezüglich beispielsweise Installation, Transport und Kosten, insbesondere für Offshore-Anwendungen, mit sich bringen. Zumindest für solche Anwendungen besteht ein allgemeiner Bedarf an kompaktere Lösungen.
KURZFASSUNG
Eine Aufgabe mindestens einiger Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung besteht darin, den obigen Nachteil von Systemen des Stands der Technik vollständig oder zumindest teilweise zu überwinden und eine kompaktere Alternative zu dem Stand der Technik zu bieten.
Diese und andere Aufgaben werden mittels einer Ventileinheit gemäß der Definition in dem angehängten unabhängigen Anspruch gelöst. Andere Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Gemäß einem allgemeinen Aspekt wird eine Ventileinheit bereitgestellt. Die Ventileinheit umfasst ein Behältnis, mehrere Stromrichterzellen, mehrere Halteelemente und mehrere Verbindungselemente zum mechanischen Verbinden der Halteelemente. Das Behältnis kann zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllt sein und kann sich entlang einer Axialrichtung erstrecken. Die mehreren Stromrichterzellen können als mindestens eine Säule in dem Behältnis angeordnet sein. Ein Halteelement ist dahingehend angeordnet, mindestens eine Stromrichterzelle zu halten. Die Verbindungselemente erstrecken sich von einem ersten Halteelement zu einem anderen innerhalb eines durch einen Außenumfang einer zwischen den Halteelementen angeordneten Stromrichterzelle begrenzten Raums.
Es versteht sich, dass die Halteelemente und die Verbindungselemente zusammen eine Stützstruktur bilden können. Mit dem Begriff Stützstruktur ist eine Struktur gemeint, die dazu dient, den Stapel von Stromrichterzellen zu stützen. Die Stützstruktur kann beispielsweise auch als Träger, Stützmittel oder Haltestruktur bezeichnet werden.
Mit dem Begriff „Behältnis“ ist auch ein Gehäuse oder ein Behälter gemeint, in dem mehrere Stromrichterzellen dahingehend angeordnet sein können, die Säule von Stromrichterzellen zu bilden. Das Behältnis kann sich entlang der Axialrichtung zwischen einem ersten Ende (oder einer Basis oder einem äußersten Ende) und einem zweiten Ende (oder einer Basis oder einem äußersten Ende), die sich an zwei voneinander entfernten Stellen entlang der Axialrichtung befinden, erstrecken. Der Abstand zwischen den beiden Enden des Behältnisses entlang der Axialrichtung entspricht der Höhe des Behältnisses.
Mit dem Begriff „Säule“ von Stromrichterzellen ist auch ein Stapel von Stromrichterzellen, das heißt mehrere übereinandergestapelte Stromrichterzellen, gemeint. Die mehreren Stromrichterzellen sind entlang der Axialrichtung (oder Stapelrichtung), zum Beispiel einer Vertikalrichtung, als ein Stapel angeordnet, wodurch sie eine Säule von Stromrichterzellen bilden. Wie zuvor erwähnt, kann solch eine Säule in dem Behältnis, das zumindest teilweise durch das Isoliergas gefüllt ist, angeordnet sein, und es versteht sich, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromrichterzellen des Stapels Isoliergas vorhanden sein kann.
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Ventileinheit bereit, die ein Behältnis, das zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllt ist, und einen Zellenstapel mit einer inneren Stützstruktur enthält. Das Anordnen der Verbindungselemente der Stützstruktur innerhalb des durch eine zwischen den Halteelementen angeordneten Stromrichterzelle begrenzten Außendurchmessers reduziert insofern das Erfordernis einer Isolierung zwischen benachbarten Stromrichterzellen, als die Verbindungselemente (oder allgemein die Stützstruktur) das elektrische Feld um die Stromrichterzellen nicht (oder zumindest weniger) stören. Dadurch wird auch das Erfordernis hinsichtlich des Abstands zwischen der Stromrichterzelle und einer Innenwandfläche des Behältnisses vermindert. Wie oben erwähnt, wird die elektrische Isolierung der Stromrichterzellen mittels eines in dem Behältnis eingeschlossenen Isoliergases erhalten. Infolgedessen wird eine kompaktere Ventileinheit erhalten.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen sind die Verbindungselemente insofern innerhalb des Stapels von Stromrichterzellen angeordnet, als die Verbindungselemente zwischen zwei (aufeinanderfolgenden) Halteelementen innerhalb des Außenumfangs (zum Beispiel eines Durchmessers) einer zwischen diesen beiden Halteelementen (oder an einem davon) angeordneten Stromrichterzelle angeordnet sind. Es versteht sich, dass sich die Verbindungselemente innerhalb des Außenumfangs des Stapels, wie durch den Außenumfang (die Außenumfänge) der den Stapel bildenden Stromrichterzellen definiert, befinden können, so dass eine innere Stützstruktur erhalten wird. Infolgedessen können eine kompaktere Ventileinheit und folglich eine kompaktere Installation mehrerer Ventileinheiten zur Bildung beispielsweise einer HVDC-Stromrichterstation erhalten werden.
Es versteht sich, dass die Halteelemente (und die Stützstruktur im Allgemeinen) das Tragen des Gewichts der Stromrichterzellen, das heißt der Installation, ermöglichen. Dazu sind die Halteelemente über die Verbindungselemente mechanisch miteinander verbunden.
Im Allgemeinen gewährleisten mindestens einige der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung insofern eine kompaktere Ventileinheit, als die Stromrichterzellen die Verbindungselemente umgeben, oder zumindest insofern, als sich die Verbindungselemente innerhalb des durch den Außenumfang der Stromrichterzellen (das heißt den Außenumfang der Säule von Stromrichterzellen) begrenzten Raums befinden.
Die Halteelemente können mehrere Stellen zur Anordnung der Stromrichterzellen entlang der Axialrichtung definieren. Es versteht sich, dass mehr als eine Stromrichterzelle an jeder Stelle entlang der Axialrichtung (in der Säule) angeordnet sein können und dass in einigen Fällen eine Stelle leer sein kann. Eine Stelle wird durch den Schnittpunkt zwischen den Verbindungselementen und einem Halteelement bestimmt, wobei ein Halteelement zum Aufnehmen (Stützen) einer oder mehrerer Stromrichterzellen angeordnet ist.
Es versteht sich, dass die Axialrichtung bei einigen Ausführungsformen eine Vertikalrichtung sein kann, so dass sich das Behältnis (und dadurch die Ventileinheit) in einer auf dem Boden stehenden Position befinden kann (oder vertikal dazu ausgerichtet sein kann).
Gemäß einer Ausführungsform kann die Säule von Stromrichterzellen koaxial zu der Axialrichtung, entlang der sich das Behältnis erstreckt, angeordnet sein, wodurch eine noch kompaktere Ventileinheit bereitgestellt wird.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Behältnis eine zylindrische Form aufweisen. Ferner kann die Säule bei einigen anderen Ausführungsformen mit scheibenförmigen Stromrichterzellen gebildet sein, wodurch eine Säule gebildet wird, die auch eine zylindrische Form aufweist, wodurch ein noch homogeneres elektrisches Feld bereitgestellt wird. Infolgedessen kann das Gasspiel (zwischen der Säule und der Seitenwand des Behältnisses) weiter reduziert werden, und es wird eine noch kompaktere Ventileinheit bereitgestellt.
Im Allgemeinen versteht sich, dass das Behältnis ein elektrisch leitendes Material, wie zum Beispiel ein Metall, enthalten kann. Als Alternative dazu kann das Behältnis aus einem anderen Material, das auf seiner Außenfläche mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet ist, hergestellt sein. Das elektrisch leitende Material oder die Beschichtung des Behältnisses kann dann für die Erdung verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen definieren die Halteelemente mehrere Stellen für die Anordnung der Stromrichterzellen entlang der Axialrichtung, wobei sich eine erste Stelle an oder nahe einem ersten äußersten Ende des Behältnisses befindet und sich eine zweite Stelle an oder nahe einem äußersten Ende des Behältnisses gegenüber dem ersten äußersten Ende entlang der Axialrichtung befindet. Mit anderen Worten, die Säule von Stromrichterzellen kann sich von einem äußersten Ende des Behältnisses zu seinem gegenüberliegenden äußersten Ende erstrecken.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Ventileinheit ferner mindestens ein Anbringungselement zum Anbringen mindestens eines der Halteelemente und/oder der Verbindungselemente an einer unteren Fläche, einer oberen Fläche und/oder einer Wandfläche des Behältnisses umfassen. Bei einer Ausführungsform kann die Stützstruktur bei Betrachtung der Ventileinheit (und dadurch des sich in der Axialrichtung erstreckenden Behältnisses) in einer stehenden Position, das heißt mit sich im Wesentlichen vertikal befindender Axialrichtung, an einem Ende am Boden des Behältnisses angebracht (oder montiert) sein, und die Stützstruktur kann wahlweise an ihrem anderen Ende am oberen Teil des Behältnisses angebracht (oder montiert) sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Anbringungselement eine Abschirmungsflächenstruktur zum Glätten des elektrischen Felds innerhalb des Behältnisses enthalten, die die Isolierung verbessert. Bei einer spezielleren Ausführungsform kann das Anbringungselement (oder die Abschirmung) so ausgeführt (oder aufgebaut) sein, dass es sich entlang einer Richtung erstreckt, die eine Radialrichtung schneidet (das heißt, es ist in einer Richtung ausgeführt, die nicht im Wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung, entlang der sich das Behältnis erstreckt, verläuft). Mit anderen Worten, das Anbringungselement kann dahingehend ausgeführt sein, horizontale Oberflächen, auf die Partikel fallen (und sich dort ansammeln) können, wodurch die Oberflächenisolierung beeinträchtigt wird, zu vermeiden.
Bei einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil eines Halteelements in einem Körper der durch das Halteelement gestützten Stromrichterzelle integriert. Mit anderen Worten, die Halteelemente können integrierte Teile der Stromrichterzellen sein, so dass ein Halteelement Teil eines Körpers einer durch das Halteelement gestützten Stromrichterzelle ist. Insbesondere kann der untere Teil (ein Körper) einer Stromrichterzelle dicker hergestellt oder mit einem Mittel zum Anbringen an den Verbindungselementen ausgestattet sein. Unabhängig davon, ob die Halteelemente integrierte Teile der Stromrichterzellen sind oder nicht, kann im Folgenden dennoch auf eine Stützstruktur verwiesen werden, um auf die Verbindungselemente und die Halteelemente zu verweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Halteelement ein integrierter Teil der Stromrichterzelle sein, und es kann somit in Betracht gezogen werden, dass die Anordnung der Stromrichterzellen selbst Stellen entlang der Axialrichtung definiert.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die Halteelemente Halteplatten sein. Es versteht sich jedoch, dass ein Halteelement nicht zwangsweise eine durchgehende Platte sein muss und dass ein Halteelement, das Kontaktpunkte an den Verbinderelementen bereitstellt, dazu ausreichend sein kann, dass eine oder mehrere Stromrichterzellen an einer Stelle entlang der Stapelrichtung anliegen können.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Stromrichterzelle einen Körper enthalten, der sich in einer Radialrichtung zwischen einem Außenumfang und einem Innenumfang erstreckt, wodurch ein Innenraum definiert wird. Mit anderen Worten, eine Stromrichterzelle kann einen Körper mit einem Innenumfang (wie zum Beispiel einem Innendurchmesser im Falle eines kreisförmigen oder ringförmigen Körpers) und einem Außenumfang (wie zum Beispiel einem Außendurchmesser), wodurch der Innenraum definiert wird, enthalten. Der Körper der Stromrichterzelle kann einen Hohlraum oder eine Kavität, zum Beispiel ein Durchgangsloch, enthalten. Es versteht sich, dass die Außenumfänge der Stromrichterzellen den Außenumfang der Säule von Stromrichterzellen bestimmen. Obgleich eine Variation des Außenumfangs der Säule von Stromrichterzellen entlang der Axialrichtung in Betracht gezogen werden kann, können die Stromrichterzellen bei einigen Ausführungsformen im Wesentlichen den gleichen oder ungefähr den gleichen Außenumfang aufweisen, wodurch ein konstanter Außenumfang der Säule von Stromrichterzellen, in dem sich die Verbindungselemente befinden, entlang der Axialrichtung definiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform können sich die Verbindungselemente innerhalb des Innenraums (wie durch die Überlagerung der Stromrichterzellen definiert) erstrecken, was eine noch kompaktere Ventileinheit bereitstellt, da der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromrichterzellen in der Säule reduziert sein kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Halteelement einen Querschnitt (oder eine Form) über die Axialrichtung aufweisen, die einem Querschnitt (oder einer Form) des Körpers der über die Axialrichtung an dem Halteelement angeordneten Stromrichterzelle entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Halteelement ein mittleres Durchgangsloch mit einem Umfang, der dem Innenumfang des Körpers einer an dem Halteelement angeordneten Stromrichterzelle entspricht oder größer als dieser ist. Insbesondere kann das mittlere Durchgangsloch des Halteelements eine Form aufweisen, die mit einer Form der Oberfläche des den Innenraum definierenden Körpers der Stromrichterzelle übereinstimmt. Es versteht sich, dass das Durchgangsloch des Halteelements verschiedene Formen aufweisen kann, beispielsweise kreisförmig, elliptisch, rechteckig oder quadratisch sein kann. Ferner kann auch die Größe des Durchgangslochs variieren.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Umfang des mittleren Durchgangslochs des Halteelements größer als der Innenumfang des Körpers der Stromrichterzelle sein, in welchem Fall nur ein Teil des Körpers der Stromrichterzelle an dem Halteelement anliegt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Umfang des mittleren Durchgangslochs des Halteelements im Wesentlichen gleich dem Innenumfang des Körpers der Stromrichterzelle sein. Diese Ausführungsformen bewirken eine Verhinderung eines Oberflächenfunkenüberschlags, der durch Partikelverunreinigung unterstützt wird, da ein reduzierter Bereich von horizontalen Oberflächen der Halteelemente, die solchen Partikeln ausgesetzt sind, besteht.
Bei noch einigen anderen Ausführungsformen kann der Umfang des mittleren Durchgangslochs des Halteelements bei einigen Ausführungsformen kleiner als der Innenumfang des Körpers der Stromrichterzelle sein, in welchem Fall jegliche Vorrichtung (oder einige der Vorrichtungen), die in dem durch den Innenumfang begrenzten Innenraum angeordnet ist (sind), an dem Halteelement anliegen kann (können).
Der Körper (oder die Kondensatoreinheit) einer Stromrichterzelle kann aus einem einzigen Teil mit einem Loch gebildet sein, in dem andere elektrische Bauelemente, wie zum Beispiel Schaltvorrichtungen, angeordnet sein können.
Bei anderen Ausführungsformen kann der Körper in mehrere Teile unterteilt sein. Ein Teil kann dann einen Abschnitt des Körpers bilden. Die vorliegenden Ausführungsformen stellen eine Stromrichterzelle mit einem Körper bereit, der mehrere Teile oder Abschnitte (insbesondere kapazitive Teile) enthält. Diese Ausführungsformen sind insofern vorteilhaft, als dass sie Wirbelströme (oder Foucault'sche Ströme), die an der Außenfläche der Kondensatoreinheit (das heißt am Kondensatorkasten oder Kondensatorgehäuse/-behältnis) erzeugt werden, wenn er ein elektrisch leitendes Material enthält, reduzieren. Wirbelströme fließen in geschlossenen Kreisläufen innerhalb elektrisch leitender Materialien (Leiter) in senkrecht zu dem magnetischen Feld verlaufenden Ebenen. Die Größe des Stroms in einer Schleife ist unter anderem proportional zu der Fläche der Schleife. Im Vergleich zu einer auf einem einzigen Teil basierenden Kondensatoreinheit unterteilt die Verwendung mehrerer kleinerer Teile die Induktionsschleife in kleinere Teile, wodurch die Amplitude der Wirbelströme reduziert wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Schnittpunkt der mehreren Verbindungselemente mit einem Halteelement mehrere Fächer an dem Halteelement definieren, die der Anzahl von Teilen des an dem Halteelement angeordneten Körpers entsprechen. Ein Teil des Körpers kann dann in einem Fach angeordnet sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die sich zwischen einem ersten Halteelement und einem zweiten Halteelement erstreckenden Verbindungselemente zwischen zwei benachbarten Teilen des am ersten Halteelement angeordneten Körpers am ersten Halteelement fixiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Außenfläche einer Stromrichterzelle (das heißt des Körpers oder der Kondensatoreinheit einer Stromrichterzelle) elliptisch, kreisförmig sein und/oder umfasst mindestens eine abgerundete Ecke. Bei einigen Ausführungsformen können die Stromrichterzellen scheibenförmig sein.
Ein kreisförmiger Körper bietet ein glatteres Stromrichterzellenprofil, wodurch das Erfordernis einer Isolationsausführung reduziert wird und andere Vorzüge, wie zum Beispiel eine geringere Streuinduktivität in der Stromkommutierungsschleife, geboten werden. Der Körper (oder die Kondensatoreinheit) der Stromrichterzelle kann zum Beispiel kreisförmig (oder ringförmig) sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ventileinheit ferner eine erste elektrische Abschirmung an einem Ende des Behältnisses und/oder eine zweite elektrische Abschirmung an einem gegenüberliegenden Ende des Behältnisses umfassen. Die elektrischen Abschirmungen können entfernbare Teile des Behältnisses für ein leichteres Einsetzen der mindestens einen Säule von Stromrichterzellen in das Behältnis sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ventileinheit ferner mindestens einen Verbinder oder einen steckbaren Kabelabschluss zur elektrischen Verbindung einer Zelle der Ventileinheit an einem Ende des Behältnisses umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ventileinheit ferner ein Beabstandungselement umfassen, das Isoliermaterial enthält und an einem Ende des Behältnisses zur Beabstandung des Behältnisses von einem Behältnis einer anderen Ventileinheit, mit der die Ventileinheit verbunden ist, angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Isoliergas Schwefelhexafluorid (SF₆) und/oder Stickstoff (N₂) und/oder Luft und/oder Trockenluft sein. Es versteht sich, dass das Gas ein Gemisch aus verschiedenen Gasen, wie zum Beispiel ein Gemisch aus SF₆ und N₂, sein kann. Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf solche Gase beschränkt ist und dass andere Isoliergase in Betracht kommen können. Ferner kann das Gas ein Druckgas, zum Beispiel ein Gas unter einem bestimmten Druck, der über Atmosphärendruck liegt, sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Verbindungselement zumindest teilweise festes Isoliermaterial enthalten. Insbesondere kann jedes der Verbindungselemente der mehreren Verbindungselemente ein Isoliermaterial enthalten, wodurch die elektrische Potenzialtrennung zwischen aufeinanderfolgenden Stromrichterzellen verbessert wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Stromrichterstation bereitgestellt. Die Stromrichterstation kann mindestens zwei Ventileinheiten gemäß der Definition in einer der vorhergehenden Ausführungsformen umfassen. Die Stromrichterstation kann auch als eine Hochspannungsgleichstrom(HVDC-)Stromrichterstation bezeichnet werden.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen, die alle möglichen Kombinationen aus den bei den oben beschriebenen Ausführungsformen angeführten Merkmalen verwenden, in Betracht kommen können.
Figurenliste
Es werden nunmehr beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden angehängten Zeichnungen ausführlich beschrieben:

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Haltestruktur (oder Stützstruktur) gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ventileinheit, die ein Behältnis, das zumindest teilweise mit einem Isoliergas gefüllt ist, einen Zellenstapel und eine Stützstruktur gemäß einigen Ausführungsformen enthält;
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Zelle gemäß einigen Ausführungsformen;
4 zeigt eine schematische allgemeine Ansicht eines Ventilstapels gemäß einigen Ausführungsformen;
5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Körpers (oder einer Kondensatoreinheit) einer Stromrichterzelle gemäß einer Ausführungsform;
Die 6A und 6B zeigen schematische Draufsichten von Körpern von Stromrichterzellen gemäß einigen Ausführungsformen;
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer Kondensatoreinheit gemäß einer Ausführungsform;
Die 8A und 8B zeigen schematische Ansichten von alternativen Ausführungsformen für die Montage von stückweisen Stromrichterzellen an einer Haltestruktur;
9 zeigt eine schematische Ansicht einer Ventileinheit eines HVDC-Stromrichters gemäß einer Ausführungsform;
10 zeigt eine schematische Ansicht einer Ventileinheit gemäß einer anderen Ausführungsform; und
11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ventileinheit gemäß noch einer anderen Ausführungsform.

Wie in den Figuren dargestellt, können die Größen der Elemente, Lagen und Bereiche für Veranschaulichungszwecke übertrieben sein und werden somit zur Veranschaulichung der allgemeinen Strukturen der Ausführungsformen dargeboten. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgendend werden nunmehr beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen aktuell bevorzugte Ausführungsformen gezeigt werden, ausführlicher beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet werden und sollte nicht als auf die hierin angeführten Ausführungsformen beschränkt interpretiert werden; stattdessen werden diese Ausführungsformen der Gründlichkeit und Vollständigkeit halber dargeboten und vermitteln dem Fachmann vollständig den Schutzumfang der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Stützstruktur 100 beschrieben, die mehrere Halteelemente 121-124 und mehrere Verbindungselemente 141-144 umfasst.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit zeigt 1 eine Stützstruktur 100, die mehrere Halteplatten 121-124, welche als Halteelemente (oder Halteglieder) wirken, und mehrere Stangen 141-144, die als Verbindungselemente wirken, umfasst. Die Stangen 141-144 erstrecken sich entlang einer in 1 mit 110 bezeichneten Axialrichtung. Insbesondere erstrecken sich die Stangen 141-144 parallel zu der Axialrichtung 110, und die Halteplatten 121-124 sind an verschiedenen Stellen entlang der Axialrichtung 110 in die Axialrichtung 110 senkrecht schneidenden Ebenen angeordnet. Es versteht sich jedoch, dass die Verbindungselemente nicht zwangsweise parallel zur Axialrichtung 110 sein müssen und dass die Halteplatten nicht in sich senkrecht zu der Axialrichtung 110 befindenden Ebenen sein müssen.
Die Halteplatten 121-124 sind entlang der Axialrichtung 110 durch einen Spalt voneinander getrennt, wodurch die Anordnung von Stromrichterzellen gestattet wird, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Halteplatten 121-124 der Stützstruktur 100 kreisförmig oder scheibenförmig. Es kommen jedoch auch andere Formen in Betracht. Ferner enthält jede der Halteplatten 121-124 ein Durchgangsloch, so dass sie als Ringe geformt sind. Eine erste Halteplatten 121 ist zum Beispiel scheibenförmig mit einem mit 151 bezeichneten Durchgangsloch, das in einem mittleren Teil der Halteplatte 121 angeordnet ist. Das mittlere Durchgangsloch 151 der Halteplatte 121 weist einen Umfang auf, der dem Innenumfang eines Körpers der an dem Halteelement 121 anzuordnenden Stromrichterzelle entspricht. Die Stangen 141-144 erstrecken sich entlang der Axialrichtung 110 und schneiden die Halteplatten 121-124 nahe den Durchgangslöchern der Halteplatten.
Wie oben erwähnt, kann das Halteelement gemäß einigen Ausführungsformen einen Querschnitt (oder eine Form) über die Axialrichtung aufweisen, der (bzw. die) einem Querschnitt (oder einer Form) des Körpers der über die Axialrichtung an dem Halteelement anzuordnenden Stromrichterzelle entspricht. Ein Halteelement kann ein mittleres Durchgangsloch mit einem Umfang enthalten, der dem Innenumfang des Körpers einer an dem Halteelement anzuordnenden Stromrichterzelle entspricht oder größer als dieser ist. Insbesondere kann das mittlere Durchgangsloch des Halteelements eine Form aufweisen, die mit einer Form der Oberfläche des den Innenraum definierenden Körpers der Stromrichterzelle übereinstimmt. Es versteht sich, dass das Durchgangsloch des Halteelements verschiedene Formen aufweisen kann, beispielsweise kreisförmig, elliptisch, rechteckig oder quadratisch sein kann. Ferner kann auch die Größe des Durchgangslochs variieren.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Umfang des mittleren Durchgangslochs des Halteelements größer als der Innenumfang des Körpers der Stromrichterzelle sein, in welchem Fall nur ein Teil des Körpers der Stromrichterzelle an dem Halteelement anliegt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Umfang des mittleren Durchgangslochs des Halteelements im Wesentlichen gleich dem Innenumfang des Körpers der Stromrichterzelle sein. Diese Ausführungsformen bewirken eine Verhinderung eines Oberflächenfunkenüberschlags, der durch Partikelverunreinigung unterstützt wird, da ein reduzierter Bereich von horizontalen Oberflächen der Halteelemente, die solchen Partikeln ausgesetzt sind, besteht.
Bei noch einigen anderen Ausführungsformen kann der Umfang des mittleren Durchgangslochs des Halteelements kleiner als der Innenumfang des Körpers der Stromrichterzelle sein, in welchem Fall jegliche Vorrichtung (oder einige der Vorrichtungen), die in dem durch den Innenumfang begrenzten Innenraum angeordnet ist (sind), an dem Halteelement anliegen kann (können).
Der Körper (oder die Kondensatoreinheit) einer Stromrichterzelle kann aus einem einzigen Teil mit einem Loch gebildet sein, in dem andere elektrische Bauelemente, wie zum Beispiel Schaltvorrichtungen, angeordnet sein können.
Obgleich 1 Halteplatten als ein Beispiel für Halteelemente zeigt, versteht sich, dass auch andere Arten von Halteelementen verwendet werden können. Allgemein dienen die Halteelemente dazu, eine oder mehrere Stromrichterzellen an einer Stelle entlang der Axialrichtung, entlang der sich der Stapel von Stromrichterzellen erstreckt, (das heißt der Stapelrichtung) zu halten. Die Halteelemente können deshalb an einer bestimmten Stelle entlang der Stapelrichtung fixiert sein. Das Halteelement einer bestimmten Stelle darf kein(e) durchgehende(r) Körper oder Platte sein, sondern könnte eine Anzahl von Haltegliedern sein, die mehrere Kontaktpunkte an jedem der Verbindungselemente definieren, so dass eine Stromrichterzelle an einer bestimmten Stelle entlang der Stapelrichtung daran installiert werden kann. Es versteht sich jedoch, dass ein Halteelement mit einem einzigen Körper, wie zum Beispiel einer Halteplatte, der bzw. die sich entlang der Stapelrichtung erstreckenden Verbindungselemente physisch verbindet, für das Tragen des Gewichts der Stromrichterzellen, wodurch die mechanische Stabilität verbessert wird, günstig ist.
Obgleich 1 eine Stützstruktur mit mehreren Verbindungselementen und mehreren Halteelementen zeigt, versteht sich, dass die Halteelemente integrierte Teile der Körper der an den durch die Halteelemente entlang der Axialrichtung definierten Stellen anzuordnenden Stromrichterzellen sein können. Bei diesen Ausführungsformen können die Stromrichterzellen mit einigen Anbringungsmitteln zum Anbringen der Verbindungselemente ausgestattet sein.
Bei einigen Ausführungsformen können die Verbindungselemente eine oder mehrere Stangen, Seile oder Röhren sein. Die Verbindungselemente können dahingehend ausgeführt sein, ein Halteelement mit einem anderen mechanisch zu verbinden. Zum Beispiel kann die Stützstruktur mehrere Halteplatten enthalten, die mehrere Löcher zum Einsetzen mehrerer als Verbindungselemente wirkender Stangen umfassen. Die Halteplatten können dann mittels einigen Befestigungselementen (oder Befestigungsmitteln), wie zum Beispiel Schrauben oder Klammern, an den Stangen befestigt werden. In einem anderen Beispiel können die Halteelemente mit den Verbindungselementen verlötet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die Verbindungselemente zumindest teilweise festes Isoliermaterial enthalten (oder daraus hergestellt sein). Insbesondere kann jedes der Verbindungselemente der mehreren Verbindungselemente ein Isoliermaterial enthalten, wodurch die elektrische Potenzialtrennung zwischen aufeinanderfolgenden Stromrichterzellen verbessert wird.
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Ventileinheit 200 gemäß einer Ausführungsform beschrieben.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ventileinheit 200, die mehrere Stromrichterzellen 130-139, eine Stützstruktur ähnlich der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Stützstruktur mit Halteelementen 121-124 (nicht alle Elemente in der Figur bezeichnet) und Verbindungselementen 141-143 und ein Behältnis 280, das zumindest teilweise mit Isoliergas gefüllt ist, umfasst.
Die Ventileinheit 200 umfasst ein Behältnis (oder Gehäuse) 280 und mehrere Zellen 130-139, die als ein Stapel (oder eine Säule) innerhalb des Gehäuses 280 angeordnet sind. Die Zellen 130-139 sind übereinander angeordnet und in Reihe geschaltet, um ein(e) elektrische(s) Ausrüstung oder System (zum Beispiel einen Stromrichter) innerhalb des Behältnisses 280 zu bilden.
Das Behältnis 280 kann sich hauptsächlich entlang einer Axialrichtung 110 erstrecken und kann zum Beispiel eine zylinderartige Form haben, die sich von einer Basisfläche oder einem Basisbereich 288 zu einer anderen Basisfläche oder einem anderen Basisbereich 289 (das heißt zwischen zwei beabstandeten Stellen entlang der Axialrichtung 110) erstreckt. Bei einer bestimmten Ausführungsformen kann das Gehäuse 280 ein Zylinder sein, der sich entlang der Axialrichtung 110 erstreckt, und die Zellen 130-139 sind unter Verwendung einer Stützstruktur, wie zum Beispiel der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen, entlang der Axialrichtung 110 angeordnet, wodurch mehrere Zellenpositionen entlang der Axialrichtung 110 definiert werden.
Wie in 2 dargestellt, kann die Ventileinheit bei einigen Ausführungsformen mit mindestens einem Anbringungselement zum Anbringen mindestens eines der Halteelemente und/oder der Verbindungselementen 141-143 an einer unteren Fläche, einer oberen Fläche und/oder einer Wandfläche des Behältnisses ausgestattet sein. Bei einer Ausführungsform kann die Stützstruktur bei Betrachtung der Ventileinheit (und dadurch des sich in der Axialrichtung erstreckenden Behältnisses) in einer stehenden Position, das heißt mit sich im Wesentlichen vertikal befindender Axialrichtung, an einem Ende am Boden des Behältnisses angebracht (oder montiert) sein, und die Stützstruktur kann wahlweise an ihrem anderen Ende am oberen Teil des Behältnisses angebracht (oder montiert) sein.
Wie bei anderen Ausführungsformen weiter beschrieben wird, kann das Anbringungselement eine Abschirmungsflächenstruktur zum Glätten des elektrischen Felds innerhalb des Behältnisses enthalten, die die Isolierung verbessert. Bei einer spezielleren Ausführungsform kann das Anbringungselement (oder die Abschirmung) so ausgeführt (oder aufgebaut) sein, dass es sich entlang einer Richtung erstreckt, die eine Radialrichtung schneidet (das heißt, es ist in einer Richtung ausgeführt, die nicht im Wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung, entlang der sich das Behältnis erstreckt, verläuft). Mit anderen Worten, das Anbringungselement kann dahingehend ausgeführt sein, horizontale Oberflächen, auf die Partikel fallen (und sich dort ansammeln) können, wodurch die Oberflächenisolierung beeinträchtigt wird, zu vermeiden.
Wie unter Bezugnahme auf 3 weiter beschrieben wird, kann eine Zelle mindestens ein Kondensatorelement und eine Schaltvorrichtung enthalten. Der Stapel von Stromrichterzellen 130-139 kann Hochspannungskondensatorabschirmungen (HV-Kondensatorabschirmungen) enthalten, in denen die Kondensatorelemente angeordnet sind. Die HV-Kondensatorabschirmung einer Zelle kann die Schaltvorrichtung umgeben. Mit anderen Worten, eine Kondensatorabschirmung einer Zelle wirkt als eine Ummantelung für das Kondensatorelement. Die Kondensatorabschirmung kann als ein Toroid mit einem quadratischen Querschnitt gebildet sein. In dem Stapel sind zwei aufeinanderfolgende Stromrichterzellen, die jeweils eine Kondensatorabschirmung mit einem Kondensatorelement und eine Schaltvorrichtung umfassen, durch das sich innerhalb des Behältnisses befindende Isoliergas getrennt. In dieser Konfiguration wird eine HV-Kondensatorabschirmung als Teil einer Zelle betrachtet, so dass eine Zelle eine Schaltvorrichtung, ein Kondensatorelement und ihre Kondensatorabschirmung enthält, wobei der Stapel dann eine Folge von Zellen enthält, die mit einem gewissen Gasspalt zwischen aufeinanderfolgenden Zellen aufeinander angeordnet sind.
Die Außenfläche des Gehäuses 280 kann aus einem elektrischen leitenden Material, wie zum Beispiel einem Metall, hergestellt sein, oder kann durch ein elektrisch leitendes Material bedeckt sein, so dass die Außenfläche des Gehäuses 280 geerdet sein kann.
Ferner kann das Behältnis 280 für eine elektrische Isolierung zwischen den Stromrichterzellen 130-139 zum Beispiel teilweise mit einem Isoliergas 215 gefüllt sein, bei dem es sich zum Beispiel um SF₆, N₂, Luft, Trockenluft oder ein Gemisch aus solchen Gasen handeln kann. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist und dass andere Gase, insbesondere SF₆-freie Gase, mit ähnlichen Isoliereigenschaften verwendet werden können. Ferner kann ein Druckgas mit einem Druck von ungefähr ein paar Bar verwendet werden. Zum Beispiel kann das Gehäuse 280 mit SF₆ mit einem Druck in einem Bereich von 2 bis 6 bar gefüllt sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann mindestens eine der Zellen, eine Gruppe von Zellen oder der Stapel trennbar angeordnet sein, so dass sie bzw. er aus dem Behältnis entfernt werden kann. Insbesondere kann der Stapel von Zellen von dem Gehäuse trennbar (oder daraus entfernbar) sein, was beispielsweise für Reparatur oder Austausch einer Zelle des Stapels, einer Gruppe von Zellen oder sogar des gesamten Stapels von Vorteil ist. Auf 2 Bezug nehmend, kann der Stapel von Zellen 130-139 durch Entfernen eines oberen Teils des Behältnisses 280 in das Gehäuse 280 eingesetzt oder daraus entfernt werden. 2 zeigt, dass das Behältnis 280 aus mindestens zwei Teilen hergestellt sein kann, wobei ein Hauptteil ein Zylinder ist, in dem der Zellenstapel angeordnet ist, und ein oberer Teil als ein Flaschenhals geformt ist, der mittels eines Flansches 287 auf dem Hauptteil aufliegt, um ein flaschenartiges Behältnis 280 zu bilden. Der zylinderartige Stapel mit seiner inneren Stützstruktur kann entlang der Axialrichtung 110 in dem zylinderartigen Gehäuse 280 gleiten.
In der in 2 gezeigten Ventileinheit 200 kann der Stapel von Stromrichterzellen koaxial zu der Axialrichtung 110, entlang der sich das Behältnis 280 erstreckt, angeordnet sein.
Obgleich eine zylinderartige Form einige Vorteile hinsichtlich Homogenität der in solch einer Art von elektrischen Ausrüstungen induzierten elektrischen Felder bietet, versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf solch eine Form des Gehäuses beschränkt ist und auch andere Geometrien in Betracht kommen.
Ferner werden die Spannungen der Kondensatoren der Zellen 130-139 (die ungefähr ein paar kV betragen könnten) dem in dem Gehäuse 280 eingeschlossenen Druckgas ausgesetzt.
In der Ventileinheit 200 sind die mehreren Stromrichterzellen 130-139 als ein Stapel entlang der Axialrichtung 110 angeordnet. Eine Stromrichterzelle, zum Beispiel die mit 139 bezeichnete Stromrichterzelle, enthält einen Körper, der sich in einer Radialrichtung (in dem vorliegenden Beispiel in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung 110 erstreckenden Richtung) zwischen einem Außenumfang und einem Innenumfang erstreckt (siehe auch Figur 3 für mehr Details). Infolge der Anordnung der Stromrichterzellen 130-139 an den Halteplatten 120-129 der Stützstruktur ist in dem Stapel von Stromrichterzellen ein Innenraum 170 gebildet.
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist jede Stromrichterzelle an ihrer eigenen Halteplatte angeordnet. Somit definieren die Halteplatten 120-129 mehrere Stellen für die Anordnung der Stromrichterzellen 130-139 entlang der Axialrichtung 110. Insbesondere sind die mit 130-139 bezeichneten Stromrichterzellen an den jeweiligen mit 120-129 bezeichneten Halteplatten der Stützstruktur angeordnet. Die Stützstruktur enthält auch mehrere Verbindungselemente, in dem vorliegenden Beispiel vier Stangen 141-144, die sich entlang der Stapelrichtung 110 erstrecken. Die vier Stangen sind dahingehend angeordnet, die Halteplatten 120-129 mechanisch miteinander zu verbinden. Die Stangen 141-144 erstrecken sich in dem durch das Stapeln der Stromrichterzellen 130-139 definierten Innenraum 170. Obgleich die spezielle Ausführungsform von 2 Verbindungselemente zeigt, die sich innerhalb des Innenraums des Stapels erstrecken, können die Verbindungselemente allgemeiner als sich innerhalb des Außenumfangs (und insbesondere des Außendurchmessers) des Stapels (wie durch den Außendurchmesser der den Stapel bildenden Stromrichterzellen definiert) erstreckend beschrieben werden.
2 veranschaulicht, dass die Stromrichterzellen die Verbindungselemente 141-144 der Stützstruktur umgeben. Insbesondere veranschaulicht 2, dass die Stromrichterzellen ringförmig sein können und somit eine kreisförmige Außenfläche aufweisen, wodurch sie einen zylinderartigen Stapel von Zellen ergeben. Es kommen auch andere Geometrien in Betracht; es ist jedoch günstig, wenn die Stromrichterzellen (und der sich ergebende Stapel von Stromrichterzellen) eine glatte Außenfläche mit abgerundeten Ecken haben.
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Zelle 130 gemäß einer Ausführungsform ausführlicher beschrieben.
3 zeigt eine Zelle 130, die einen Körper (oder eine Kondensatorabschirmung) 332 und eine Schaltvorrichtung, wie zum Beispiel ein Bauelement 337 auf Halbleiterbasis, enthält. Mindestens ein Kondensatorelement (nicht gezeigt) ist in dem Körper (oder in der Kondensatorabschirmung 332), das heißt in dem durch das Innere des Körpers 332 definierten Volumen, angeordnet oder eingeschlossen. Der Körper 332 der Stromrichterzelle 130 erstreckt sich in einer Radialrichtung (in einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Axialrichtung, wie durch den ringförmigen Körper definiert, verlaufenden Richtung) zwischen einem Außenumfang 160 und einem Innenumfang 162.
Die Kondensatorabschirmung 332 und ihr darin angeordnetes Kondensatorelement kann als die Kondensatoreinheit (oder der Körper) der Stromrichterzelle 130 bezeichnet werden. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform umgibt der Körper 332 das Halbleiterbauelement 337 und ist scheibenförmig. Der Körper 332 ist ringförmig und definiert ein mittleres Loch, in dem das Halbleiterbauelement 337 platziert sein kann. Die in 3 gezeigte Zelle 130 eignet sich deshalb besonders zur Bildung eines zylinderartigen Stapels von Stromrichterzellen.
In dem in 3 gezeigten Beispiel bildet der Körper 332 einen Innenraum 370, der durch den Körper 332 der Stromrichterzelle 130 definiert wird. Das Halbleiterbauelement 337 ist innerhalb des Innenraums 370 angeordnet. Der Innenraum 370 weist in der Darstellung eine kreisförmige Querschnittsform über die Axialrichtung, entlang der sich die Stromrichterzelle erstreckt, auf. Der Innenraum kann jedoch auch eine andere Geometrie aufweisen.
Der durch den Körper einer Stromrichterzelle definierte Innenraum kann zum Beispiel eine elliptische Querschnittsform, eine kreisförmige Querschnittsform, eine polygonale Querschnittsform oder eine quadratische Querschnittsform über die Axialrichtung aufweisen. Obgleich es von Vorteil, wenn auch nicht immer erforderlich, ist, dass die Außenfläche des Körpers abgerundete Ecken enthält und kreisförmig ist, kann der durch die Körper der Stromrichterzellen definierte Innenraum (oder innere Raum) in Abhängigkeit von der gewünschten Anordnung der elektrischen Bauelemente in dem Innenraum verschiedene Formen aufweisen. Bei einer speziellen Ausführungsform kann der durch den hohlen Körper begrenzte Innenraum quadratisch sein, was einen verbesserten Füllfaktor der daran installierten Bauelemente bereitstellen kann. Ferner kann die Form des Innenraums an die Konfiguration (Anzahl, Positionierung) der sich in dem Innenraum erstreckenden Verbindungselemente angepasst sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der Innenumfang der Stromrichterzellen (das heißt der Innenraum) zur Aufnahme der Verbindungselemente ausgeführt sein. Zum Beispiel können in der Oberfläche des dem Innenraum zugewandten Körpers Vertiefungen zum Einsetzen der Verbindungselemente ausgebildet sein, wodurch mehr Raum für jegliche elektronischen Bauelemente und/oder andere in dem Innenraum anzuordnende Vorrichtungen gelassen wird.
Es versteht sich, dass sich die Verbindungselemente bei einigen Ausführungsformen in einem (innerhalb eines) zwischen dem Außenumfang einer Stromrichterzelle und dem Innenumfang der Stromrichterzelle begrenzten Raum(s) erstrecken können. Mit anderen Worten, die Verbindungselemente befinden sich bei einigen Ausführungsformen möglicherweise nicht innerhalb des Raums der Säule (wie durch die Überlagerung der Stromrichterzellen definiert), sondern außerhalb des Innenraums, jedoch innerhalb des Außenumfangs der Säule (oder der Außendurchmesser der die Säule bildenden Stromrichterzellen).
Wie oben erwähnt, kann eine Außenfläche der Stromrichterzelle (das heißt der Körper oder die Kondensatoreinheit der Stromrichterzelle) elliptisch, kreisförmig sein und/oder mindestens eine abgerundete Ecke umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können die Stromrichterzellen scheibenförmig sein. Insbesondere kann die Stromrichterzelle (oder ihr Körper) eine zylindrische Form oder die Form eines Parallelepipeds aufweisen. Es versteht sich jedoch, dass für die Zwecke einer HVDC-Stromrichterzelle eine Kreisform oder zumindest eine Form mit abgerundeten Ecken von Vorteil ist, da dadurch eine glatte Oberfläche bereitgestellt wird, was wiederum die Hochspannungsisolation erleichtert, da es weniger scharfe Kurven und Kanten gibt, die hervorstehen. Infolgedessen können Isolierungsabstände verkürzt werden, und beispielsweise können Koronaringe teilweise oder vollständig vermieden werden. Die Verwendung eines kapazitiven Körpers mit einer Außenfläche, die abgerundete Ecken umfasst und zum Beispiel kreisförmig ist, bietet deshalb den Vorteil, dass Raum effizienter genutzt werden kann, wodurch die Größe der Stromrichterstation reduziert werden kann.
Gemäß einer allgemeineren Ausführungsform kann die Stromrichterzelle ferner mindestens ein Kondensatorelement, das in einem sich von dem Außenumfang zu einem Innenumfang der Stromrichterzelle erstreckenden Körper angeordnet ist, und mindestens eine Schaltvorrichtung umfassen.
Bei solchen Ausführungsformen kann der Körper mindestens ein Kondensatorelement enthalten, das heißt der Körper kann dem Kondensatorteil (oder der Kondensatoreinheit) der Stromrichterzelle entsprechen. In dieser Hinsicht können die Abmessungen des Körpers die Eigenschaften und insbesondere die mögliche Kapazität und Spannung des Kondensators der Stromrichterzelle für eine bestimmte Auswahl von Materialien bestimmen. Ferner kann die Höhe des Körpers entlang der Axialrichtung durch die gewünschte Kapazität oder gewünschte Spannung bestimmt werden. Der Körper kann deshalb auch als kapazitiver Körper oder Kondensator der Stromrichterzelle bezeichnet werden.
Mit dem Begriff Kondensatorelement ist ein Bauelement gemeint, das als Kondensator fungiert, das heißt als ein elektrisches Bauelement zur elektrostatischen Speicherung von Energie in einem elektrischen Feld wirkt. Ein Kondensatorelement (oder Kondensator) wird normalerweise durch Metallschichten (oder Platten), zwischen denen ein isolierendes Medium angeordnet ist, gebildet.
Die Schaltvorrichtung kann zum Beispiel innerhalb des durch den Körper der Stromrichterzelle begrenzten Innenraums angeordnet sein. Die Schaltvorrichtungen (zum Beispiel die Halbleiterschalter) können auf einer Weise zur gleichmäßigeren Verteilung des geschalteten Stroms um den Bereich des kapazitiven Körpers, zum Beispiel zur Reduzierung von Hotspottemperaturen und zur Erhöhung der langfristigen Zuverlässigkeit des Kondensators, angeordnet sein.
Die Schaltvorrichtung kann eine Schaltvorrichtung auf Halbleiterbasis sein. Beispielsweise kann die Schaltvorrichtung ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor), ein MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), ein IGCT (integrated gatecommutated thyristor), ein GTO-Thyristor (GTO - gate turn-off), ein HEMT (high electron mobility transistor) und ein HBT (hetero junction bipolar transistor) sein. Es können auch andere Arten von Transistoren (oder Schaltvorrichtungen auf Halbleiterbasis) in Betracht kommen.
Ferner versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf eine spezielle Halbleitertechnologie beschränkt ist. Es versteht sich, dass auf Silizium oder Siliziumcarbid basierende Schaltvorrichtungen eingesetzt werden können, insbesondere beispielsweise MOSFET, IBGTs, IGCTs und GTOs. Auf Galliumnitrid oder Galliumsarsenid basierende Schaltvorrichtungen können auch eingesetzt werden, insbesondere beispielsweise HEMTs oder HBTs. Andere Arten von Halbleitern, die Schaltvorrichtungen für Hochleistungsanwendungen bereitstellen, können in Betracht kommen.
Es versteht sich, dass die Stromrichterzelle ferner andere elektrische Bauelemente oder Vorrichtungen umfassen kann. Zum Beispiel kann die Stromrichterzelle auch eine Kühlvorrichtung und/oder einen Überbrückungsschalter, der einem Strom das Umgehen der Schaltvorrichtungen einer Stromrichterzelle bei Versagen einer Schaltvorrichtung gestattet, wodurch die Gefahr von Beschädigungen der Bauelemente einer Stromrichterzelle reduziert wird, die zum Beispiel durch Kurzschlussströme verursacht werden, enthalten. Der Überbrückungsschalter kann ein mechanischer Schalter oder ein elektrischer Schalter, wie zum Beispiel ein Thyristor, sein. Ferner kann die Stromrichterzelle auch Mittel zum Reduzieren der Fehlerströme enthalten. Andere Bauelemente und Vorrichtungen als die hierin aufgeführten können innerhalb des durch den Zellenstapel definierten Innenraums angeordnet sein.
Es können mehrere Zellen entlang einer Axialrichtung (insbesondere, aber nicht zwangsweise, einer Vertikalrichtung) zur Bildung eines Stapels von Zellen übereinander angeordnet sein. Die mehreren Zellen können über ein Sammelschienenelement elektrisch miteinander verbunden sein, um die gewünschte elektrische Ausrüstung zu bilden.
4 zeigt ein Beispiel für einen Ventilstapel 450, bei dem mehrere Stromrichterzellen entlang einer Axialrichtung übereinander angeordnet sind. Der Ventilstapel 150 enthält mehrere Zellen 130-139, die jeweils der unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Stromrichterzelle 130 entsprechen können. Die in 4 gezeigte Anordnung kann der in 2 dargestellten Anordnung entsprechen. 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Stapels 450 von Stromrichterzellen mit einer Schaltvorrichtung 337, die von einem Körper oder einer Kondensatorabschirmung 332 umgeben ist. Ferner versteht sich, dass zwei aufeinanderfolgenden Zellen in dem Stapel identisch oder verschieden voneinander sein können. 4 zeigt auch eine Sammelschiene 440, die die mehreren Stromrichterzellen 130-139 zur Bildung eines größeren Stromrichters in Reihe schaltet.
4 stellt auch dar, dass die Halteelemente 120-129 zwischen den Stromrichterzellen 130-139 angeordnet sein können. In dem dargestellten Beispiel ist ein Halteelement zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromrichterzellen angeordnet. Insbesondere kann das Halteelement eine Form haben, die der Form des Körpers der am Halteelement angeordneten Stromrichterzelle entspricht.
Bei der dargestellten Konfiguration kann der Stapel von Stromrichterzellen durch aufeinanderfolgendes Montieren eines Halteelements (wie zum Beispiel einer Halteplatte) und einer Stromrichterzelle an den Verbindungselementen hergestellt werden.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen unter Verwendung einer anderen Art von Stromrichterzellen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 5 wird eine Kondensatoreinheit 500 einer Stromrichterzelle gemäß einer Ausführungsform beschrieben.
5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Kondensatoreinheit 500. Die Kondensatoreinheit 500 umfasst vier Teile 501-504. Wenn die vier Teile 501-504 montiert sind, bilden sie einen sich entlang einer Axialrichtung 110 erstreckenden Körper.
Bei diesen Ausführungsformen kann der Körper (oder die Kondensatoreinheit) der Stromrichterzelle deshalb nicht aus einem einzigen Teil (oder einem einzigen mechanischen Block) bestehen, sondern besteht aus mehreren (mindestens zwei) Teilen. Die Teile oder „Scheiben“ bilden bei einem Kreiskondensator die Kondensatoreinheit, wenn sie zusammenmontiert sind. Es versteht sich, dass jedes der Teile bzw. jeder der Abschnitte eine Teileinheit (oder ein Teilelement) der Kondensatoreinheit sein kann und selbst als Kondensator wirkt.
Die Kondensatoreinheit kann durch Montieren von N Teilen gebildet werden, wodurch die Installation der Kondensatoreinheit in einer Ventileinheit einer Stromrichterhalle erleichtert wird, da eines der N Teile der Kondensatoreinheit leichter zu handhaben ist als die gesamte Kondensatoreinheit (das heißt, wenn die Kondensatoreinheit aus einem einzigen Teil hergestellt wäre). Ein Teil oder Teilelement einer Kondensatoreinheit weist auch ein geringeres Gewicht als die gesamte Kondensatoreinheit (im Vergleich zu einem einzigen Teil, das die gesamte Kondensatoreinheit bildet) auf.
Bei diesen Ausführungsformen ist der Körper aus mehreren Teilen gebildet, die nach der Montage ein Loch oder einen Hohlraum bilden, in dem andere elektrische Bauelemente angeordnet sein können. Die Teile können nebeneinander, das heißt in einer engen Anordnung mit einem mechanischen Kontakt zwischen zwei benachbarten oder aufeinanderfolgenden Teilen, angeordnet sein. Die den Körper bildenden Teile können jedoch bei einigen anderen Ausführungsformen dicht beieinander, jedoch mit einem Spalt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilen angeordnet sein. Somit kann der Körper auch durch eine lose Anordnung der Teile, das heißt mit einem Spalt zwischen den Teilen, gebildet sein, was von Vorteil ist, da er einen Teil des Drucks entlastet. Die Anordnung der Teile bestimmt einen Außenumfang der sich ergebenden Stromrichterzelle.
Es versteht sich, dass ein Teil der Kondensatoreinheit (oder des Körpers) selbst mehrere Kondensatorelemente oder kapazitive Teilelemente, die zur Bildung eines „kapazitiven“ Teils miteinander verbunden sind (das heißt als Kondensator fungieren), enthalten kann.
Unter Bezugnahme auf 5 begrenzen die Teile 501-504 einen Raum oder Bereich 570, der auch als Innenraum bezeichnet wird und dem mittleren Teil oder Hohlraum der Kondensatoreinheit 500 entspricht. Jedes der Teile 501-504 bildet einen Abschnitt des Körpers, und mindestens eines der Teile ist ein trennbarer Abschnitt des Körpers. 5 veranschaulicht, dass das mit 504 bezeichnete Teil von den anderen Teilen getrennt ist.
Die Kondensatoreinheit 500 kann verschiedene Formen aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Außenfläche 506 des Körpers der Kondensatoreinheit 500 kreisförmig sein, wie zum Beispiel in 5 dargestellt, aber es kann auch in Betracht kommen, dass die Außenfläche des Körpers der Kondensatoreinheit elliptisch und/oder rechteckig oder quadratisch ist oder irgendeine andere Form aufweist. Es kann jedoch auf der Hand liegen, dass die Außenfläche des Körpers der Kondensatoreinheit 500 vorteilhafterweise abgerundete Ecken umfassen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann jedes der Teile 501-504 einen Abschnitt eines Rings definieren, so dass der Körper 500 ringförmig ist, wodurch ein Ringkondensator, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, gebildet wird.
Unter weiterer Bezugnahme auf Figur 5 können die Teile 501-504 um die Axialrichtung 110 verteilt sein. Die Teile 501-504 erstrecken sich in einer die Axialrichtung 110 schneidenden Ebene. Insbesondere zeigt 5, dass die Teile 501-504 in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur Axialrichtung 110 verläuft.
Obgleich in dem in 5 gezeigten Beispiel vier Teile 501-504 die Kondensatoreinheit 500 bilden, versteht sich, dass die Kondensatoreinheit 500 in einer anderen Anzahl von Teilen unterteilt sein kann. Die Kondensatoreinheit 500 kann in mindestens zwei Teile unterteilt sein, so dass mindestens ein Teil von der Kondensatoreinheit trennbar ist. Mit trennbar ist gemeint, dass das Teil von der Kondensatoreinheit getrennt werden kann, ohne dass die gesamte Kondensatoreinheit auseinandergebaut werden muss, das heißt, ohne dass sämtliche anderen Teile getrennt werden müssen. Das trennbare Teil 504 ist aus der Kondensatoreinheit 500 entfernbar und kann wieder zurück in Position angeordnet werden.
Obgleich in 5 nur eines der Teile 501-504 von der Kondensatoreinheit 500 getrennt gezeigt wird, das heißt das in dem vorliegenden Beispiel mit 504 bezeichnete Teil, versteht sich, dass sämtliche der Teile 501-504 von der Kondensatoreinheit 500 trennbar sein können.
Im Allgemeinen kann mindestens eines der Teile zum Beispiel ein trennbarer Abschnitt des Körpers sein. Infolgedessen kann mindestens ein Teil einzeln entfernt und ausgetauscht werden, ohne dass die umliegenden Teile des Körpers gestört werden. Dadurch wird auch die Zugänglichkeit des durch den Körper (oder die Kondensatoreinheit) der Stromrichterzelle begrenzten Innenraums (oder inneren Raums) verbessert, wobei in dem Innenraum elektronische Bauteile (wie zum Beispiel Halbleiter-Schaltvorrichtungen) angeordnet werden können. Durch Entfernen eines Teils des kapazitiven Körpers können jegliche sich im Innenraum befindende Bauelemente geprüft werden, herausgenommen und möglicherweise ausgetauscht oder repariert werden. Solch eine Ausführung des Körpers der Stromrichterzelle erleichtert Wartungsarbeiten und reduziert den Platzbedarf für Wartung, was wiederum zu einer kompakteren Stromrichterstation führen kann. Es versteht sich, dass bei einigen Ausführungsformen jedes der Teile des Körpers trennbar sein (das heißt trennbare Abschnitte des Körpers bilden) kann.
Unter Bezugnahme auf 6 werden Kondensatoreinheiten gemäß einigen Ausführungsformen beschrieben.
6 zeigt eine schematische Draufsicht von zwei verschiedenen Kondensatoreinheiten 500 und 600 gemäß einigen Ausführungsformen.
6A zeigt eine Draufsicht einer Kondensatoreinheit 500, die der unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Kondensatoreinheit 500 entsprechen kann. Insbesondere enthält die Kondensatoreinheit 500 einen kapazitiven Körper, der einem Bereich oder Innenraum 570, bei dem es sich um ein Quadrat handelt, begrenzen kann. Mit Innenraum ist der Raum oder der Bereich gemeint, der sich in der durch den durch die Teile 501-504 gebildeten Körper definierten geschlossenen Schleife befindet. Mit anderen Worten, der Innenraum 570 entspricht dem mittleren Teil der Kondensatoreinheit 500.
6B zeigt auch eine Draufsicht einer anderen Kondensatoreinheit 600, die der unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Kondensatoreinheit entsprechen kann, außer dass der durch den kapazitiven Körper der Kondensatoreinheit 600 definierte Bereich oder Innenraum 670 kreisförmig ist. Die Kondensatoreinheit 600 umfasst auch drei Teile 601-603 allein zur Bildung des kapazitiven Körpers. Obgleich die 6A und 6B zwei Beispiele für mögliche Formen von durch die Hohlkörper von zwei Kondensatoreinheiten definierten Innenräumen zeigen, können auch andere Formen in Betracht kommen. Zum Beispiel kann der Innenraum auch elliptisch oder rechteckig sein.
6B zeigt ferner, dass sich der Körper der Kondensatoreinheit 600 (und dadurch der sich ergebenden Stromrichterzelle, nachdem eine Schaltvorrichtung in der Kondensatoreinheit angeordnet ist) zwischen einem Außendurchmesser 660 und einem Innendurchmesser 662 erstreckt.
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer Kondensatoreinheit gemäß einer Ausführungsform.
7 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils 700 einer Kondensatoreinheit, wie zum Beispiel der unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Kondensatoreinheit 500. Das Teil 700 kann deshalb irgendeinem der Teile 501-504 entsprechen.
7 zeigt ein Teil 700, das die Form eines trapezförmigen Blocks mit einer gekrümmten Fläche 746 aufweist. Insbesondere umfasst das Teil 700 eine erste Oberfläche 746, die einen Teil der Außenfläche des Hohlkörpers definiert, und eine zweite Oberfläche 742, die einen Teil des durch den Hohlkörper definierten Innenraums definiert. Das Teil 700 umfasst ferner zwei Seitenflächen 744, 748, die jeweils bei Montage in einer Kondensatoreinheit Kontakt mit einem benachbarten Teil oder ihm (in der Nähe davon) zugekehrt angeordnet werden sollen. Das Teil umfasst auch eine Basisfläche 752 (oder eine untere Fläche) und eine obere Fläche 750.
In dem Teil 700 bilden die beiden Seitenflächen Wände, die sich in die erste (gekrümmte) Oberfläche 746 schneidenden Ebenen erstrecken, wobei sie einen Teil der Außenseite der Kondensatoreinheit in einem Winkel von weniger als 90 Grad bilden. Die beiden Seitenflächen sind durch die einen Teil des Innenraums der Kondensatoreinheit 700 bildende zweite Oberfläche 742 miteinander verbunden. Die Basisfläche 752 und die obere Fläche 750 erstrecken sich in die beiden Seitenflächen und die erste und die zweite Oberfläche senkrecht schneidenden Ebenen. Die Oberflächen des Teils bilden einen geschlossenen Kasten, in dem ein Isoliermaterial oder in dem mehrere kapazitive Teilelemente angeordnet sein können, um die kapazitive Funktionalität des Teils 700 zu gewährleisten.
Obgleich 7 ein Teil mit einer Trapezform zeigt, versteht sich, dass auch andere Geometrien in Betracht kommen können. Zum Beispiel können die beiden Seitenflächen 744 und 748 die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche senkrecht schneiden, wodurch sich ein kubischeres Teil bzw. ein kubischerer Abschnitt der Kondensatoreinheit ergibt. Ferner kann die einen Teil des Innenraums der Kondensatoreinheit definierende zweite Oberfläche gekrümmt sein, wodurch ein kreisförmigerer Innenraum anstatt ein quadratischer Innenraum, wie er durch das in 7 gezeigte Teil erhalten wird, definiert wird.
Ferner zeigt 7, dass das Teil 700 elektrische Verbinder 760 umfasst, die an der einen Teil des Innenraums der Kondensatoreinheit definierenden zweiten Oberfläche 742 angeordnet sind. Mit anderen Worten, die elektrischen Verbinder sind an der dem durch den Körper definierten Innenraum zugekehrten Wand angeordnet. Die elektrischen Verbinder 760 können zur Verbindung mit mindestens einer Schaltvorrichtung oder einer Stromrichterschaltungsanordnung, die in der hohlen Mitte der Kondensatoreinheit angeordnet ist, verwendet werden.
Allgemein bilden die Teile einer Kondensatoreinheit, wie zum Beispiel das in 7 gezeigte Teil 700, ein Gehäuse oder ein Behältnis, in dem mindestens ein Kondensatorelement angeordnet sein kann. Das Kondensatorelement kann Metallplatten und ein zwischen den Metallplatten angeordnetes dielektrisches Material enthalten. Das Kondensatorelement kann zum Beispiel ein Wickel-Folien-Kondensator sein. Das durch das Teil definierte Gehäuse oder Behältnis kann aus einem elektrisch leitenden Material, wie zum Beispiel Metall, hergestellt sein, aber kann auch aus einem nichtleitenden Material hergestellt sein. In Abhängigkeit davon, ob das Gehäuse zur Abschirmung verwendet werden soll, das heißt in Abhängigkeit von der Anwendung, kann das Gehäuse oder das Behältnis ferner auch mit einem nichtleitenden Lack beschichtet sein. Das Montieren der mehreren Teile kann einen zylindrischen Kondensator ergeben.
8A zeigt eine Ventileinheit 1100 oder zumindest einen Teil davon (die Säule von Stromrichterzellen mit ihrer inneren Stützstruktur), bei der eine stückweise Kondensatoreinheit (oder ein stückweiser kapazitiver Körper) zur Bildung der Stromrichterzellen verwendet wird. Es kann in Betracht kommen, dass 8A einen Teil einer Ventileinheit, wie zum Beispiel der unter Bezugnahme auf 9 beschriebenen Ventileinheit 1200, die gerade montiert wird, zeigt.
Die Ventileinheit 1100 enthält eine Stützstruktur 100, die der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Stützstruktur 100 entsprechen kann. In 8A werden eine Stützstruktur 100 mit zwei Halteplatten 121 und 122 und vier Verbindungselementen als Stangen 141-144 gezeigt.
Die erste Halteplatte 121 ist zur Aufnahme einer ersten Stromrichterzelle 131 angeordnet, während eine zweite Halteplatten 122 zur Aufnahme einer zweiten Stromrichterzelle 132 angeordnet ist. Die erste und zweite Stromrichterzelle 131, 132 oder die Hauptkörper dieser Stromrichterzellen können irgendeinen bzw. irgendeiner der unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschriebenen Körper oder Stromrichterzellen 500 und 600 entsprechen.
Obgleich in der Darstellung nur eine Stromrichterzelle 131 an der mit 151 bezeichneten ersten Halteplatte angeordnet ist, kann zwischen der ersten Halteplatte 121 und der zweiten Halteplatte 122 eine andere Stromrichterzelle eingesetzt sein, so dass die erste Halteplatten 121 zwei Stromrichterzellen hält. Die erste Halteplatte weist ein Durchgangsloch 151 auf, durch das elektrische Verbindungen zwischen aufeinanderfolgenden Stromrichterzellen hergestellt werden können.
8A veranschaulicht auch, dass sich die Stangen 141-144 innerhalb des durch die Teile der Körper (oder Kondensatoreinheiten) der Stromrichterzellen 131, 132 definierten Innenraums erstrecken.
Bei der vorliegenden Konfiguration brauchen die Stromrichterzellen und die Halteplatten nicht nacheinander an den Stangen 141-144 angebracht zu werden. Die Haltestruktur kann zuerst als Ganzes realisiert werden, das heißt durch Montage der Halteplatten 121, 122 und der Verbindungselemente 141-144. Die Stromrichterzellen können dann stückweise an der Stützstruktur angebracht werden, das heißt, indem zunächst die vier Teile der Stromrichterzelle zusammen mit ihrer zugehörigen Schaltvorrichtung und irgendwelchen anderen Zusatzvorrichtungen montiert werden und dann eine andere Stromrichterzelle montiert wird.
Bei diesen Ausführungsformen definiert der Schnittpunkt mehrerer Verbindungselemente mit einem Halteelement allgemein mehrere Fächer am Halteelement, die der Anzahl von Teilen des am Halteelement angeordneten Körpers entsprechen, wobei ein Teil des Körpers in einem Fach angeordnet ist. Die Verbindungselemente, die sich zwischen einem ersten Halteelement und einem zweiten Halteelement erstrecken, können zwischen zwei benachbarten Teilen des am ersten Halteelement angeordneten Körpers am ersten Halteelement fixiert sein. Bei solchen Ausführungsformen kann zwischen zwei benachbarten Teilen des Körpers der Stromrichterzelle ein gewisser Spalt bestehen, so dass die Verbindungselemente zwischen diesen beiden benachbarten Teilen eingesetzt oder angeordnet werden können. Bei diesen Ausführungsformen sind die Verbindungselemente in einem durch den Außenumfang der Stromrichterzelle und einem Innenumfang der Stromrichterzelle, wie durch die Montage der Teile definiert, begrenzten Raum angeordnet.
9 zeigt eine schematische Ansicht einer Ventileinheit 1200 eines Stromrichters, wie zum Beispiel eines HVDC-Stromrichters gemäß einigen Ausführungsformen.
Die Ventileinheit 1200 umfasst mehrere Stromrichterzellen 1271-1280, das heißt in dem vorliegenden Beispiel zehn Stromrichterzellen, die mittels einer Haltestruktur 100 als ein Stapel angeordnet sind. Die Ventileinheit 1200 kann in Abhängigkeit von der Anwendung und folglich von der gewünschten Spannung oder gewünschten Leistung jedoch irgendeine Anzahl von Stromrichterzellen umfassen.
Die Ventileinheit 1200 kann auch Hochspannungskondensatorabschirmungen umfassen, die zwischen zwei benachbarten (oder aufeinanderfolgenden) Stromrichterzellen angeordnet sind.
Wie in der vergrößerten Ansicht dargestellt, kann ein Teil der in 9 gezeigten Ventileinheit, eine Stromrichterzelle 1275 in der Ventileinheit 700, eine Kondensatoreinheit und eine Stromrichterschaltung der unter Bezugnahme auf irgendwelche der 5-7 beschriebenen Art umfassen. Die in 9 gezeigten Stromrichterzellen können Kondensatoreinheiten mit scheibenförmigen Gehäusen enthalten. Es können auch andere Formen in Betracht kommen, wie zum Beispiel Gehäuse mit einem kreisförmigen, elliptischen oder rechteckigen Querschnitt. Bei einer Ausführungsform können die Kondensatoreinheiten (und dadurch die Stromrichterzellen) die Form von die Stromrichterschaltungen umgebenden Ringen haben.
Wie bereits in 9 dargestellt, können die Stromrichterschaltungen der Stromrichterzellen 1271-1280 zum Beispiel elektrisch in Reihe geschaltet sein, um die Eingangs- und/oder Ausgangsspannung der Ventileinheit 1200 zu erhöhen.
Wie in 9 dargestellt, ist die Verwendung einer Stromrichterzelle mit einem Körper, der in mehrere Teile unterteilt ist, günstig, da eine Trennung eines der Teile die Zugänglichkeit zu anderen Bauelementen der Stromrichterzellen (das heißt innerhalb des durch die Kondensatoreinheit der Stromrichterzelle definierten Innenraums) erleichtert, wodurch Wartungsarbeiten erleichtert und der Platzbedarf reduziert wird.
8B zeigt eine schematische Ansicht einer Ventileinheit gemäß einer anderen Ausführungsform.
8B zeigt eine Ventileinheit 1300, die der unter Bezugnahme auf 8A beschriebenen Ventileinheit 1100 entspricht, außer dass die Verbindungselemente versetzt sind. In 8B enthält die Stützstruktur 1310 mehrere Verbindungselemente 1341-1344, die sich nicht innerhalb des durch die Stromrichterzellen des Stapels gebildeten Innenraums 151 erstrecken, sondern sich zwischen dem Außendurchmesser der mit 1331 bezeichneten Stromrichterzelle und seinem Innendurchmesser erstrecken. Analog dazu erstrecken sich die Verbindungselemente 1341-1344 zwischen dem Außendurchmesser der mit 1332 bezeichneten Stromrichterzelle und ihrem Innendurchmesser. Zwischen benachbarten Teilen einer Stromrichterzelle kann ein Spalt vorgesehen sein, so dass die Verbindungselemente an den Halteplatten 121, 122 fixiert werden können. Bei diesen Ausführungsformen sind die Verbindungselemente 1341-1344 zwischen zwei nebeneinander angeordneten Teilen angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 10 wird eine Ventileinheit 1400 gemäß einer Ausführungsform beschrieben.
10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ventileinheit 1400, die ein Behältnis (oder ein Gehäuse) 280 und mehrere Zellen umfasst, die unter Verwendung einer Stützstruktur, die mehrere Stangen 141-143 und Halteelemente 121-124, wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben, enthält, als ein Stapel in dem Gehäuse 280 angeordnet sind.
Die in 10 gezeigte Ventileinheit 1400 kann der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ventileinheit 200 entsprechen, außer dass sie auch einen ersten Verbinder 1460 zur Verbindung eines Endes des Stapels der Ventileinheit mit einer anderen Ventileinheit und einen zweiten Verbinder 1470 zur Verbindung eines anderen Endes des Stapels der Ventileinheit mit noch einer anderen Ventileinheit aufweist.
Das den Stapel von Stromrichterzellen enthaltende Behältnis 280 kann verschlossen oder versiegelt sein. Zum Beispiel kann ein Beabstandungselement an einem der Enden oder Basisflächen des Gehäuses angeordnet sein. Wie in 10 dargestellt, kann ein erstes Beabstandungselement 1416 an einem Ende 288 des Behältnisses 280 angeordnet sein, während ein zweites Beabstandungselement 1414 an einem gegenüberliegenden Ende 289 des Behältnisses 280 angeordnet sein kann. Insbesondere kann das erste Beabstandungselement 1416 an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten Verbinder 1460 und dem oberen Ende 288 des Behältnisses 280 angeordnet sein, während das zweite Beabstandungselement 1414 an der Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Verbinder 1470 und dem unteren Ende 289 des Behältnisses 280 angeordnet sein kann.
Das erste Beabstandungselement 1416 und das zweite Beabstandungselement 1414 können zum Beispiel aus einem Isoliermaterial hergestellt sein.
Es kann ein Beabstandungselement an einem Ende des Behältnisses zum Trennen des Behältnisses von einem Behältnis einer anderen Ventileinheit, mit der die Ventileinheit verbunden ist, angeordnet sein.
Der erste Verbinder 1460 enthält ein Sammelschienenelement 1461, das zur Verbindung des Stapels von Stromrichterzellen (und insbesondere einer oberen Zelle des Stapels) mit dem Stapel einer benachbarten Ventileinheit (in 10 nicht gezeigt) angeordnet ist. Der erste Verbinder 1460 kann ein Sammelschienenelement enthalten, das aus einem einzigen Teil hergestellt ist, das zur Verbindung von zwei sich oben auf den Stapeln von zwei benachbarten Ventileinheiten befindenden Zellen gebogen ist. Wie in 10 gezeigt, kann das Sammelschienenelement des ersten Verbinders 1460 als Alternative dazu mehrere Segmente enthalten. Zum Beispiel kann der erste Verbinder ein Knotenelement 1462 zur Verbindung eines ersten Segments des Sammelschienenelements mit einem anderen Segment des Sammelschienenelements, das sich entlang der Axialrichtung 110 erstreckt, aufweisen, um die Stromrichterzellen in Reihe zu schalten. Bei der in 10 gezeigten besonderen Ausführungsform ist das Knotenelement 1462 dahingehend konfiguriert, ein Segment des Sammelschienenelements 1461 in einer die Axialrichtung 110, entlang der sich das Behältnis 280 erstreckt, schneidenden Richtung (zum Beispiel orthogonal dazu) zu führen, um eine benachbarte Ventileinheit zu erreichen.
Der zweite Verbinder 1470 enthält ein Sammelschienenelement 1471, das zur Verbindung des Stapels von Stromrichterzellen (und insbesondere einer unteren Zelle des Stapels) mit dem Stapel einer benachbarten Ventileinheit (in 1 nicht gezeigt) angeordnet ist. Der zweite Verbinder 1470 kann ein Sammelschienenelement enthalten, das aus einem einzigen Teil hergestellt ist, das zur Verbindung von zwei sich am unteren Ende der Stapel von zwei benachbarten Ventileinheiten befindenden Zellen gebogen ist. Wie in 10 gezeigt, kann das Sammelschienenelement des zweiten Verbinders 1470 als Alternative dazu mehrere Segmente enthalten. Zum Beispiel kann der zweite Verbinder ein Knotenelement 1472 zur Verbindung eines ersten Segments des Sammelschienenelements mit einem anderen Segment des Sammelschienenelements, das sich entlang der Axialrichtung 110 erstreckt, aufweisen, um die Stromrichterzellen in Reihe zu schalten. Bei der in 1 gezeigten besonderen Ausführungsform ist das Knotenelement 1472 dahingehend konfiguriert, ein Segment des Sammelschienenelements 1471 in einer die Axialrichtung 110, entlang der sich das Behältnis 2801 erstreckt, schneidenden Richtung (zum Beispiel orthogonal dazu) zu führen, um eine benachbarte Ventileinheit zu erreichen.
Der erste Verbinder 1460 und der zweite Verbinder 1470 können dahingehend konfiguriert sein, ein Sammelschienenelement in entgegengesetzte Richtungen zu führen, um den Stapel von zwei verschiedenen Ventileinheiten zu erreichen, wodurch eine Reihenschaltung der Ventileinheiten zur Bildung eines größeren Stromrichters ermöglicht wird.
Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform können der Stapel von Zellen und seine Stützstruktur in das Gehäuse 280 eingesetzt oder daraus entfernt werden, indem das erste Beabstandungselement oder Abstandsstück 1416, der erste Verbinder 1460, der am oberen Ende des zylinderartigen Behältnisses 280 angebracht ist, entfernt werden, wodurch das Behältnis 280 geöffnet wird, und in dem wahlweise das zweite Beabstandungselement 1414 entfernt wird und ein oberer Teil des Behältnisses 280 demontiert wird.
Die Ventileinheit 1400 kann wahlweise auch mit einer oberen (oder ersten) Kondensatorabschirmung 1411 am oberen Ende 288 des Behältnisses 280 und mit einer unteren (oder zweiten) Kondensatorabschirmung 1413 am unteren Ende 289 des Behältnisses 280 versehen sein, an der die Stützstruktur (und insbesondere die Stangen 141-143) angebracht sein können, um den Stapel von Stromrichterzellen zu stützen. Die elektrischen Abschirmungen 1411 und 1413 können entfernbare Teile des Behältnisses sein, um ein Einsetzen der Säule von Stromrichterzellen in das Behältnis zu erleichtern.
Allgemeiner ausgedrückt, die Ventileinheit kann über ihren ersten Verbinder mit einem anderen Ventil verbunden sein oder kann über einen steckbaren Kabelabschluss mit einer AC- oder DC-Übertragungsleitung verbunden sein. Der erste Verbinder kann zum Beispiel ein erstes Sammelschienenelement zur elektrischen Verbindung der betreffenden Zelle mit einer Zelle einer anderen Ventileinheit enthalten. Der erste Verbinder kann zum Beispiel zur elektrischen Verbindung einer oberen Zelle der Säule einer ersten Ventileinheit mit einer oberen Zelle einer Säule einer zweiten Ventileinheit angeordnet sein. Der erste Verbinder kann durch ein elektrisch isolierendes Gas isoliert sein.
Wie in dem Beispiel von 10 gezeigt, liegt auf der Hand, dass eine Ventileinheit an einem anderen Ende des Behältnisses mit einem zweiten Verbinder zur Verbindung einer anderen Zelle der Säule mit einer anderen Ventileinheit ausgestattet sein kann. Gemäß einigen Ausführungsformen können sich der erste Verbinder und der zweite Verbinder an gegenüberliegenden Enden des Behältnisses befinden. Insbesondere kann der erste Verbinder dahingehend konfiguriert sein, eine obere Zelle der Säule (zum Beispiel die sich oben auf dem Stapel befindende) mit einer oberen Zelle einer Säule der anderen Ventileinheit elektrisch zu verbinden. Analog dazu kann der zweite Verbinder dahingehend konfiguriert sein, eine untere Zelle der Säule mit einer unteren Zelle der Säule (zum Beispiel der untersten in dem Ventilstapel) einer dritten Ventileinheit elektrisch zu verbinden. Im Falle eines zylinderartigen Behältnisses (oder Gehäuses) kann der erste Verbinder zum Beispiel an einer ersten Basis des zylinderartigen Behältnisses angeordnet sein, und der zweite Verbinder kann an einer zweiten Basis des zylinderartigen Behältnisses gegenüber der ersten Basis angeordnet sein.
Es versteht sich, dass die Ventileinheit des Weiteren oder als Alternative dazu mit einem steckbaren Kabelabschluss oder einer gasisolierten Sammelschiene zur Verbindung mit einer Wechselstromübertragungsleitung (AC-Übertragungsleitung) ausgestattet sein kann. Analog dazu kann die Ventileinheit mit einem anderen steckbaren Kabelabschluss oder einer gasisolierten Sammelschiene zur Verbindung mit einer Gleichstromübertragungsleitung (DC-Übertragungsleitung) ausgestattet sein. Ob die Ventileinheit mit einem oder mehreren Verbindern oder einem steckbaren Kabelabschluss (oder einer gasisolierten Sammelschiene) ausgestattet ist, hängt von der Position der betreffenden Ventileinheit in einer Anordnung mehrerer Ventileinheiten, die zur Konstruktion einer Stromrichterstation verwendet werden, ab. Bei einer Konfiguration mit nur zwei Ventileinheiten kann die erste Ventileinheit einen steckbaren Kabelabschluss oder eine gasisolierte Sammelschiene zur Verbindung mit einer AC-Übertragungsleitung an einem Ende ihres Behältnisses enthalten, während die erste Ventileinheit an ihrem gegenüberliegenden Ende über einen durch Gas elektrisch isolierten ersten Verbinder mit einer zweiten Ventileinheit verbunden ist. Eine Zelle an einem gegenüberliegenden Ende der zweiten Ventileinheit kann über einen steckbaren Kabelabschluss oder eine gasisolierte Sammelschiene mit einer DC-Übertragungsleitung verbunden sein.
Unter Bezugnahme auf 11 wird eine Ventileinheit 1500 gemäß noch einer anderen Ausführungsform beschrieben.
Die Ventileinheit 1500 enthält ein Behältnis 1580, das mindestens vier Hauptteile enthält. Das Behältnis 1580 kann zylindrisch sein, und sein mittlerer Teil kann aus zwei röhrenförmigen Teilen 1582 und 1583, die Flansche zur Montage dieser beiden Teile umfassen können, hergestellt sein. Das Behältnis 1580 kann auch zwei Endteile umfassen, die als Flaschenhälse geformt sein können. Ein aus mehreren Teilen hergestelltes Behältnis kann die Montage der Ventileinheit und insbesondere das Einsetzen der Stromrichterzellen und der Stützstruktur in das Behältnis erleichtern.
Wie in 11 gezeigt, kann die Ventileinheit 1500 eine Stützstruktur enthalten, die mehrere Halteelemente 1520 enthält (obgleich in 15 nur eines gezeigt wird, um die Figur nicht zu sehr zu verdecken), sowie mehrere Verbindungselemente (oder Stangen) 1540, die die Halteelemente (oder Halteplatten) miteinander verbinden. Die Verbindungselemente 1540 sind innerhalb des Außenumfangs der an dem Halteelement 1520 angeordneten Stromrichterzelle 1530 angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Stromrichterstation bereitgestellt. Die Stromrichterstation kann mindestens zwei Ventileinheiten wie bei irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen definiert umfassen. Die Stromrichterstation kann auch als eine Hochspannungsgleichstrom(HVDC-)Stromrichterstation bezeichnet werden.
Ferner versteht sich, dass die mehreren Stromrichterzellen der Ventileinheit nur Teil eines größeren Stromrichters bilden können. Insbesondere kann gemäß einigen Ausführungsformen ein Stromrichterarm (oder ein Stromrichterzweig) mindestens zwei Ventileinheiten wie bei irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen definiert umfassen. Bei diesen Ausführungsformen können die Stromrichterzellen einer ersten Ventileinheit mit den Stromrichterzellen einer zweiten Ventileinheit elektrisch in der Reihe geschaltet sein, wie oben beschrieben.
Die HVDC-Stromrichterstation kann auch durch Montieren von mindestens zwei Ventilarmen konstruiert werden, wobei ein Arm mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Ventileinheiten umfasst. Die HVDC-Stromrichterstation kann zum Beispiel drei Arme zur Bereitstellung eines Drehstromrichters enthalten.
Wie oben erwähnt, kann die Außenfläche des Behältnisses ein elektrisch leitendes Material oder eine elektrisch leitende Schicht, wie zum Beispiel ein Metall, enthalten, das dann zur Erdung verwendet werden kann. In einem Ventilarm oder in einer Stromrichterstation können alle der Behältnisse der Ventileinheiten ein Metall (oder eine elektrisch leitende Außenfläche) mit elektrischem Potenzial zu Erde enthalten.
Die vorliegende Offenbarung ist auf Stromversorgungseinrichtungen mit verschiedenen Spannungspegeln, wie zum Beispiel eine Hochspannungs-Stromrichterstation, aber auch Mittelspannungseinrichtungen, bei denen das Raummanagement verbessert werden soll, anwendbar. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind bei jeglichen Anwendungen vorteilhaft, bei denen eine Säule von Stromrichterzellen verwendet wird. Rein zur Veranschaulichung können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zum Erhalt von Stromrichtern, wie zum Beispiel eines statischen STATCOM (static synchronous compensator) für Anwendungen von flexiblen AC-Übertragungssystemen (FACTS - flexible AC transmission systems), Motorantrieben, Unterwasserstromrichtern und DC/DC-Wandlern für ein Gleichstromnetz, günstig sein. Es können jedoch auch andere Anwendungen in Betracht kommen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verbessern das Raummanagement mittels Gasisolation in dem Behältnis und durch Anordnung der Stützstruktur innerhalb des Außendurchmessers der Säule von Stromrichterzellen, das heißt über eine innere Stützstruktur.
Die vorliegende Offenbarung ist allgemein für Anwendungen von Vorteil, bei denen eine kompaktere Stromversorgungseinrichtung erwünscht ist, wie zum Beispiel bei Anwendungen, bei denen Raum für die Installation der elektrischen Stromversorgungseinheit begrenzt ist und/oder für Offshore-Windpark-Anwendungen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann der Begriff Ventileinheit gegen die Begriffe Stromrichterventilstapel, Blockeinheit oder Vorrichtung (eines Stromrichters) ausgetauscht werden.
Obgleich Merkmale und Elemente oben in bestimmten Kombinationen beschrieben werden, kann jedes Merkmal oder Element ohne die anderen Merkmale und Elemente oder in verschiedenen Kombinationen mit oder ohne andere(n) Merkmale(n) und Elemente(n) alleine verwendet werden. Obgleich die in den 4 und 6 gezeigten Beispiele fünf Ventileinheiten enthalten, versteht sich insbesondere, dass irgendeine andere Anzahl von Ventileinheiten zur Bildung einer Stromrichterstation (oder zumindest eines Teils davon) verwendet werden kann. Ferner kann ein Verweis auf eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Ventileinheit ausgetauscht werden, so kann zum Beispiel die dritte Ventileinheit als die erste Ventileinheit und umgekehrt betrachtet werden.
Darüber hinaus können Varianten der offenbarten Ausführungsformen von dem die beanspruchte Erfindung ausübenden Fachmann anhand einer genauen Untersuchung der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche nachvollzogen und umgesetzt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassen“ andere Elemente nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine(r)“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Allein die Tatsache, dass bestimmte Merkmale in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen angeführt werden, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht vorteilhaft genutzt werden kann.

Claims

Ventileinheit, umfassend: ein Behältnis, das zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllt ist und sich entlang einer Axialrichtung erstreckt; mehrere Stromrichterzellen, die als mindestens eine Säule in dem Behältnis angeordnet sind; mehrere Halteelemente, wobei ein Halteelement dahingehend angeordnet ist, mindestens eine Stromrichterzelle zu halten; und mehrere Verbindungselemente, die die Halteelemente mechanisch verbinden, wobei sich die Verbindungselemente von einem ersten Halteelement zu einem anderen innerhalb eines durch einen Außenumfang einer zwischen den Halteelementen angeordneten Stromrichterzelle begrenzten Raums erstrecken.
Ventileinheit nach Anspruch 1, wobei die Säule von Stromrichterzellen koaxial zu der Axialrichtung, entlang der sich das Behältnis erstreckt, angeordnet ist.
Ventileinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Behälter eine zylindrische Form aufweist.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halteelemente und die Verbindungselemente zusammen eine Stützstruktur für die Stromrichterzellen bilden.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halteelemente mehrere Stellen zur Anordnung der Stromrichterzellen entlang der Axialrichtung definieren, wobei sich eine erste Stelle an oder nahe einem ersten äußersten Ende des Behältnisses befindet und sich eine zweite Stelle an oder nahe einem äußersten Ende des Behältnisses gegenüber dem ersten äußersten Ende entlang der Axialrichtung befindet.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens ein Anbringungselement zum Anbringen mindestens eines der Halteelemente und/oder der Verbindungselemente an einer unteren Fläche, einer oberen Fläche und/oder einer Wandfläche des Behältnisses.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil eines Halteelements in einem Körper der durch das Halteelement gestützten Stromrichterzelle integriert ist.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stromrichterzelle einen Körper enthält, der sich in einer Radialrichtung zwischen einem Außenumfang und einem Innenumfang erstreckt, wodurch ein Innenraum definiert wird.
Ventileinheit nach Anspruch 6, wobei sich die Verbindungselemente innerhalb des Innenraums erstrecken.
Ventileinheit nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Körper in mehrere Teile unterteilt ist, wobei ein Teil einen Abschnitt des Körpers bildet.
Ventileinheit nach Anspruch 6-8, wobei ein Halteelement ein mittleres Durchgangsloch mit einem Umfang, der dem Innenumfang des Körpers einer an dem Halteelement angeordneten Stromrichterzelle entspricht oder größer als dieser ist, enthält.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Außenfläche einer Stromrichterzelle elliptisch, kreisförmig sein und/oder mindestens eine abgerundete Ecke umfassen kann.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromrichterzelle mindestens ein Kondensatorelement, das in einem sich von dem Außenumfang zu einem Innenumfang der Stromrichterzelle erstreckenden Körper angeordnet ist, und mindestens eine Schaltvorrichtung umfassen kann.
Ventileinheit nach Anspruch 8, wobei der Schnittpunkt der mehreren Verbindungselemente mit einem Halteelement mehrere Fächer an dem Halteelement definiert, die der Anzahl von Teilen des an dem Halteelement angeordneten Körpers entsprechen, wobei ein Teil des Körpers in einem Fach angeordnet ist.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine erste elektrische Abschirmung zum Einsetzen der mindestens einen Säule von Stromrichterzellen an einem Ende des Behältnisses und/oder eine elektrische Abschirmung zum Einsetzen des Stapels von Stromrichterzellen an einem gegenüberliegenden Ende des Behältnisses.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen Verbinder, der ein erstes Sammelschienenelement enthält, das eine Zelle der Ventileinheit an einem Ende des Behältnisses mit einer Zelle einer zweiten Ventileinheit elektrisch verbindet.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Beabstandungselement, das Isoliermaterial enthält und an einem Ende des Behältnisses zur Beabstandung des Behältnisses von einem Behältnis einer anderen Ventileinheit, mit der die Ventileinheit verbunden ist, angeordnet ist.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isoliergas Schwefelhexafluorid (SF₆) und/oder Stickstoff (N₂) und/oder Luft und/oder Trockenluft ist.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verbindungselement zumindest teilweise festes Isoliermaterial enthält.
Ventileinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Axialrichtung vertikal ist, so dass das Behältnis vertikal vom Boden ausgerichtet ist.
Stromrichterstation, die mindestens zwei Ventileinheiten wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert umfasst.