RU2683956C1 - Преобразовательное устройство и способ его защиты от короткого замыкания - Google Patents

Преобразовательное устройство и способ его защиты от короткого замыкания Download PDF

Info

Publication number
RU2683956C1
RU2683956C1 RU2017133748A RU2017133748A RU2683956C1 RU 2683956 C1 RU2683956 C1 RU 2683956C1 RU 2017133748 A RU2017133748 A RU 2017133748A RU 2017133748 A RU2017133748 A RU 2017133748A RU 2683956 C1 RU2683956 C1 RU 2683956C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
constant voltage
voltage
branch
pole
circuit
Prior art date
Application number
RU2017133748A
Other languages
English (en)
Inventor
Цзян СЮЙ
Марк-Маттиас БАКРАН
Андре ШЕН
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Application granted granted Critical
Publication of RU2683956C1 publication Critical patent/RU2683956C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H02H7/1222—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters responsive to abnormalities in the input circuit, e.g. transients in the DC input
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательному устройству (1), и предназначено для повышения надежности его работы за счет улучшения защиты преобразовательного устройства от короткого замыкания. Преобразовательное устройство содержит первую ветвь (8) фазного модуля с первой последовательной цепью двухполюсных подмодулей (14), которые включают в себя, соответственно, по меньшей мере один накопитель энергии и по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключатель, причем первая ветвь фазного модуля проходит между первым выводом (2) переменного напряжения и первым полюсом (51) постоянного напряжения, вторую ветвь (9) фазного модуля со второй последовательной цепью двухполюсных подмодулей, которая проходит между первым выводом переменного напряжения и вторым полюсом (61) постоянного напряжения, третью ветвь (10) фазного модуля с третьей последовательной цепью двухполюсных подмодулей, которая проходит между вторым выводом переменного напряжения и первым полюсом постоянного напряжения, и четвертую ветвь (11) фазного модуля с четвертой последовательной цепью двухполюсных подмодулей, которая проходит между вторым выводом переменного напряжения и вторым полюсом постоянного напряжения, причем каждый подмодуль может шунтироваться с помощью расположенного параллельно к его соединительным клеммам шунтирующего блока (33) независимо от направления тока и причем первый полюс (51) постоянного напряжения соединен с первым выводом (5) постоянного напряжения и второй полюс (61) постоянного напряжения соединен со вторым выводом (6) постоянного напряжения. Изобретение отличается переключателем (16) постоянного напряжения, который расположен между одним из полюсов постоянного напряжения и соответствующим выводом постоянного напряжения, и цепью (22) свободного хода, которая проходит между обоими выводами постоянного напряжения и содержит полупроводниковый элемент с направлением запирания и пропускания. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к преобразовательному (инверторному) устройству, содержащему первую ветвь фазного модуля с первой последовательной цепью двухполюсных подмодулей, которые включают в себя, соответственно, по меньшей мере один накопитель энергии и по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий блок, причем первая ветвь фазного модуля проходит между первым выводом переменного напряжения и первым полюсом постоянного напряжения, вторую ветвь фазного модуля со второй последовательной цепью двухполюсных подмодулей, причем вторая ветвь фазного модуля проходит между первым выводом переменного напряжения и вторым полюсом постоянного напряжения, третью ветвь фазного модуля с третьей последовательной цепью двухполюсных подмодулей, причем третья ветвь фазного модуля проходит между вторым выводом переменного напряжения и первым полюсом постоянного напряжения, и четвертую ветвь фазного модуля с четвертой последовательной цепью двухполюсных подмодулей, причем четвертая ветвь фазного модуля проходит между вторым выводом переменного напряжения и вторым полюсом постоянного напряжения, причем каждый подмодуль может шунтироваться с помощью расположенного параллельно к его соединительным клеммам шунтирующего блока независимо от направления тока, и причем первый полюс постоянного напряжения соединен с первым выводом постоянного напряжения, и второй полюс постоянного напряжения соединен со вторым выводом постоянного напряжения.
При этом независимое от направления тока шунтирование должно присутствовать тогда, когда подмодуль шунтируется независимо от направления тока.
Выводы постоянного напряжения обычно предназначены для того, чтобы соединять преобразовательное устройство с линией постоянного напряжения. Соединения между полюсами постоянного напряжения и соответствующими выводами постоянного напряжения могут в соответствии с этим представлять собой разъемные соединения.
Типовое преобразовательное устройство известно из статьи ʺProtection of Nonpermanent Faults on DC Overhead Lines in MMC-Based HVDC Systemsʺ, Li et al, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 28, № 1, Jan 2013.
Преобразовательные устройства такого типа используются, например, в применении высоковольтной передачи постоянного тока (HGÜ). При этом электрическая энергия может эффективно передаваться на большие расстояния от сотен до тысяч километров. Передача обычно осуществляется с помощью линий постоянного напряжения, которые реализуются в форме проложенных в земле или по дну моря кабелей или воздушных линий. Особенно в последнем случае, воздействия окружающей среды, такие как удары молнии и упавшие деревья, могут часто вызывать кратковременное короткое замыкание в линии постоянного напряжения. При таких неисправностях на стороне постоянного напряжения при определенных обстоятельствах возникают очень высокие токи короткого замыкания. Токи короткого замыкания могут привести к повреждению компонентов преобразователя, поскольку они, как правило, также проходят через ветви фазных модулей преобразовательного устройства. Это приводит к необходимости отключать токи короткого замыкания для защиты преобразовательного устройства от короткого замыкания. В известном преобразовательном устройстве все силовые полупроводниковые переключатели в подмодулях запираются, как только короткое замыкание на стороне постоянного напряжения обнаруживается с помощью подходящего детектора. Одновременно все подмодули шунтируются посредством соответствующих шунтирующих блоков, которые в известном преобразовательном устройстве содержат антипараллельные тиристоры, или их клеммы замыкаются накоротко. Для этого блок управления, предназначенный для этой цели, приводит к переключению тиристоров в проводящее состояние. Таким образом, на стороне переменного напряжения может быть введен тип симметричного короткого замыкания всех фаз сети переменного напряжения, подключенной к преобразовательному устройству. В результате достигается то, что в линию постоянного напряжения, соединенную с преобразовательным устройством на стороне постоянного напряжения, не вводится больше энергии. Таким образом, ток короткого замыкания в линии постоянного напряжения больше не поддерживается передачей энергии. Ток короткого замыкания, который продолжает течь из-за индуктивностей проводов в линии постоянного напряжения, тогда полностью затухает.
Исходя из известного преобразовательного устройства, задачей изобретения является улучшение защиты преобразовательного устройства от короткого замыкания.
Указанная задача решается в типовом преобразовательном устройстве с помощью переключателя постоянного напряжения, который расположен между первым полюсом постоянного напряжения и первым выводом постоянного напряжения или между вторым полюсом постоянного напряжения и вторым выводом постоянного напряжения, и цепи свободного хода (гасящей цепи), которая проходит между обоими выводами постоянного напряжения и содержит полупроводниковый элемент с направлением запирания и пропускания.
Изобретение включает в себя как двухфазные, так и трехфазные и многофазные варианты осуществления. При этом преобразовательное устройство имеет, например, в трехфазном варианте осуществления, пятую и шестую фазную ветвь, которые расположены в соответствии с известным преобразовательным устройством.
В соответствии с изобретением, разумеется, можно соединить как первый полюс постоянного напряжения, так и второй полюс постоянного напряжения с соответствующими выводами постоянного напряжения через по меньшей мере один переключатель постоянного напряжения.
Первый полюс постоянного напряжения может, например, быть реализован как положительная сборная шина, а второй полюс постоянного напряжения - как нулевой провод. Также возможно, что первый полюс постоянного напряжения реализован как нулевой провод, а второй полюс постоянного напряжения - как отрицательная сборная шина. Соответственно, также возможны дополнительные варианты, например, что первый полюс постоянного напряжения находится на положительном, а второй полюс постоянного напряжения - на отрицательном электрическом высоковольтном потенциале. Соответствующее изобретению преобразовательное устройство может также быть частью биполярной высоковольтной системы передачи постоянного тока (HGÜ).
Преимущество соответствующего изобретению преобразовательного устройства заключается в том, что переключатель постоянного напряжения может применяться для того, чтобы коммутировать ток короткого замыкания, протекающий в линии постоянного напряжения после шунтирования подмодулей, в цепь свободного хода. Таким образом, ток короткого замыкания стороны постоянного напряжения предпочтительным образом протекает тогда не через ветви фазных модулей преобразовательного устройства, в результате чего его защита улучшается.
Предпочтительным образом, за счет комбинации шунтирующих блоков и переключателя постоянного напряжения, больше не нужно проектировать переключатель постоянного напряжения или его запирающее напряжение для переключения при полном напряжении стороны постоянного напряжения. Скорее, достаточно, если переключатель постоянного напряжения выполнен только для коммутации тока короткого замыкания в цепь свободного хода. Например, вместо запирающего напряжение 320 кВ, теперь может быть достаточным запирающее напряжение 10 кВ. В результате предпочтительным образом сокращаются затраты на переключение силовых электронных схем для переключателя постоянного напряжения. Кроме того, потери при нормальном режиме работы преобразовательного устройства относительно низкие.
Шунтирующий блок предпочтительно содержит шунтирующую ветвь, расположенную параллельно обоим выводам или полюсам подмодулей, так что короткое замыкание на выводах может осуществляться независимо от направления тока. Шунтирующий блок может быть соединен с устройством управления, с помощью которого можно управлять шунтирующим блоком, который может, в частности, инициировать шунтирование подмодулей. Предпочтительно, шунтирующий блок содержит антипараллельно включенные тиристоры. Для независимого от направления тока шунтирования подмодулей тиристоры срабатывают (зажигаются) одновременно. Таким образом, обеспечивается особенно благоприятный и надежный шунтирующий блок.
Для обнаружения короткого замыкания в линии постоянного напряжения может быть предусмотрено устройство обнаружения, например, блок измерения тока, который на выходной стороне соединен, например, с устройством управления.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, полупроводниковый элемент в цепи свободного хода содержит по меньшей мере один диод и/или один тиристор. Диод или тиристор предотвращают короткое замыкание между обоими полюсами постоянного напряжения линии постоянного напряжения в нормальном режиме работы преобразовательного устройства. Тиристор надлежащим образом зажигается в случае короткого замыкания, чтобы обеспечить ток короткого замыкания в цепи свободного хода. Соответственно, цепь свободного хода имеет полярность, противоположную номинальному потенциалу. Таким образом, цепь свободного хода при нормальном режиме работы преобразовательного устройства в соответствии с выбранным направлением пропускания диода по существу не проводит ток. Полупроводниковый элемент также может быть образован последовательной цепью нескольких диодов и/или тиристоров.
Предпочтительным образом, в цепи свободного хода, в дополнение к полупроводниковому элементу, размещен поглотитель энергии, причем поглотитель энергии расположен последовательно с полупроводниковым элементом. Поглотитель энергии, который может быть, например, резистивным элементом, выполнен с возможностью отвода энергии тока короткого замыкания, например, путем преобразования в тепло. Таким образом, может осуществляться более быстрое затухание тока короткого замыкания в линии постоянного напряжения.
Поглотитель энергии может также содержать разрядник защиты от перенапряжения или последовательную цепь разрядников защиты от перенапряжения. Такой вариант осуществления имеет то преимущество, что обеспечивается дополнительная защита преобразовательного устройства.
Подмодули преобразовательного устройства могут, но не обязательно все должны быть выполнены одинаково.
Предпочтительно, подмодули реализуются как полумостовые схемы. Такие полумостовые схемы описаны, например, в DE 101 03 031 B4. Ввиду относительно малых потерь, такие подмодули являются особенно экономичными в эксплуатации. Силовые полупроводниковые переключатели подмодулей являются подходящим образом отключаемыми силовыми полупроводниками, такими как, например, IGBT, GTO или тому подобное.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, переключатель постоянного напряжения содержит по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий модуль с силовым полупроводниковым переключателем. Силовой полупроводниковый переключатель представляет собой, например, так называемый твердотельный переключатель с биполярным транзистором с интегральным затвором (IGBT), к которому антипараллельно подключен безынерционный (гасящий) диод. Переключатель постоянного напряжения может содержать последовательную цепь из нескольких таких силовых полупроводниковых переключающих модулей. Количество силовых полупроводниковых переключающих модулей в последовательной цепи соответствующим образом согласовано с соответствующим применением. В случае короткого замыкания, силовые полупроводниковые переключающие модули переключаются, например, с помощью установленного для этой цели управления, так что ток короткого замыкания может коммутироваться в цепь свободного хода.
Предпочтительно, переключатель постоянного напряжения включает в себя последовательную цепь из по меньшей мере одного силового полупроводникового переключающего модуля и по меньшей мере одного разъединителя. Разъединитель может быть механическим выключателем. С помощью разъединителя линия постоянного напряжения может быть прервана после затухания тока в разъединителе. После размыкания разъединителя ток короткого замыкания стороны переменного напряжения также может быть прерван простым способом, например, путем запирания шунтирующих блоков.
Переключатель постоянного напряжения может дополнительно содержать по меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжения. По меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжения может, например, располагаться параллельно к по меньшей мере одному силовому полупроводниковому переключающему модулю или последовательной цепи силовых полупроводниковых переключающих модулей. Разрядник защиты от перенапряжения ограничивает напряжение, падающее на силовых полупроводниковых переключающих модулях, а также может использоваться в качестве поглощающего энергию элемента.
Как обсуждалось ранее, диэлектрическую прочность или запирающую способность переключателя постоянного напряжения соответствующего изобретению преобразовательного устройства не требуется проектировать в расчете на номинальное значение напряжения стороны постоянного напряжения, то есть напряжение, падающее при нормальном режиме работы между обоими выводами постоянного напряжения. Предпочтительно, диэлектрическая прочность переключателя постоянного напряжения составляет менее 40%, предпочтительно от 5% до 20% номинального значения напряжения. Это снижает электрические потери и, следовательно, эксплуатационные затраты преобразовательного устройства.
Изобретение также относится к способу защиты от короткого замыкания соответствующего изобретению преобразовательного устройства.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить такой способ, который является максимально простым и надежным.
Изобретение решает эту задачу способом, в котором при коротком замыкании стороны постоянного напряжения все подмодули шунтируются независимо от направления тока, после чего переключатель постоянного напряжения отключается, так что ток короткого замыкания стороны постоянного тока коммутируется в цепь свободного хода.
В соответствующем изобретению способе, таким образом, в случае короткого замыкания стороны постоянного напряжения, посредством шунтирующих блоков в преобразовательном устройстве создается короткое замыкание стороны переменного напряжения, после чего посредством переключателя постоянного напряжения ток короткого замыкания от ветвей фазных модулей преобразовательного устройства активно коммутируется в цепь свободного хода.
Преимущества соответствующего изобретению способа проистекают из вышеописанных преимуществ соответствующего изобретению преобразовательного устройства.
Изобретение поясняется более подробно ниже со ссылкой на фиг. 1-3.
Фиг. 1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению преобразовательного устройства в схематичном представлении;
Фиг. 2 показывает двухполюсный подмодуль преобразовательного устройства согласно фиг. 1 в схематичном представлении;
Фиг. 3 показывает схематичный профиль токов в преобразовательном устройстве согласно фиг. 1.
На фиг. 1 детально показан пример выполнения соответствующего изобретению преобразовательного (инверторного) устройства 1. Преобразовательное устройство 1 содержит три вывода 2, 3 и 4 переменного напряжения, которые предназначены для того, чтобы соединять преобразовательное устройство 1 с трехфазной сетью переменного напряжения. Кроме того, преобразовательное устройство 1 содержит первый вывод 5 постоянного напряжения и второй вывод 6 постоянного напряжения для соединения с линией 7 постоянного напряжения. Преобразовательное устройство 1 в данном примере выполнения выполнено трехфазным, причем должно быть понятно, что изобретение не ограничивается трехфазным выполнением. Оно включает в себя первую ветвь 8 фазного модуля, которая проходит между первым полюсом 51 постоянного напряжения и первым выводом 2 переменного напряжения, вторую ветвь 9 фазного модуля, которая проходит между первым выводом 2 переменного напряжения и вторым полюсом 61 постоянного напряжения, третью ветвь 10 фазного модуля, которая проходит между первым полюсом 51 постоянного напряжения и вторым выводом 3 переменного напряжения, четвертую ветвь 11 фазного модуля, которая проходят между вторым выводом переменного напряжения и вторым полюсом 61 постоянного напряжения, пятую ветвь 12 фазного модуля, которая проходит между первым полюсом 51 постоянного напряжения и третьим выводом 4 переменного напряжения, а также шестую ветвь 13 фазного модуля, которая проходит между третьим выводом 4 переменного напряжения и вторым полюсом 61 постоянного напряжения. Первый полюс 51 постоянного напряжения соединен с первым выводом 5 постоянного напряжения. Второй полюс 61 постоянного напряжения соединен с вторым выводом 6 постоянного напряжения.
Первая ветвь 8 фазного модуля включает в себя первую последовательную цепь двухполюсных подмодулей 14 и сглаживающий дроссель 15, расположенный последовательно с последовательной цепью двухполюсных подмодулей 14. Соответственно, ветви 9, 10, 11, 12, 13 фазных модулей содержат, соответственно, последовательную цепь подмодулей 14 и сглаживающий дроссель 15, включенный последовательно с ней. В показанном на фиг. 1 примере выполнения преобразовательного устройства 1, каждая из ветвей 8-13 фазных модулей содержит три подмодуля 14. Однако число подмодулей 14 в каждой ветви фазного модуля обычно согласовано с соответствующим применением преобразовательного устройства 1 и может быть любым числом.
В примере выполнения, показанном на фиг. 1, все подмодули 14 преобразовательного устройства 1 сконструированы одинаково. В соответствии с этим, ветви 8-13 фазных модулей образуют вместе с выводами 2-4 переменного напряжения и выводами 5, 6 постоянного напряжения так называемый модульной многоступенчатый преобразователь (инвертор) (MMC). Такой инвертор известен, например, из DE 10 103 031 B4. С помощью соответствующего управления (не показано на фиг. 1), в ветвях 8-13 фазных модулей может генерироваться заданное напряжение, так что на стороне постоянного напряжения ветвей 8-13 фазных модулей падает напряжение UDC.
Преобразовательное устройство 1 дополнительно содержит переключатель 16 постоянного напряжения, который размещен между потенциальной точкой 51 между первой ветвью 8 фазного модуля и третьей ветвью 10 фазного модуля и первым выводом 5 постоянного напряжения. Переключатель 16 постоянного напряжения содержит последовательную цепь силовых полупроводниковых переключающих модулей 17, причем каждый силовой полупроводниковый переключающий модуль 17 содержит IGBT 18, а также включенный антипараллельно ему безынерционный (гасящий) диод 19. В параллельной цепи к силовым полупроводниковым переключающим модулям 17 расположен разрядник 20 защиты от перенапряжения. Последовательно с силовыми полупроводниковыми переключающими модулями 17 также расположен разъединитель 21, который в изображенном примере выполнения представляет собой механический выключатель.
Преобразовательное устройство 1 дополнительно содержит цепь 22 свободного хода. Цепь 22 свободного хода расположена параллельно ветвям 8-13 фазных модулей и проходит между обоими выводами 5, 6 постоянного напряжения. Цепь свободного хода дополнительно включает в себя полупроводниковый элемент 23, который реализован как полупроводниковый диод. Кроме того, цепь 22 свободного хода содержит поглотитель 24 энергии, который расположен последовательно с полупроводниковым элементом 23.
Такое преобразовательное устройство 1, в частности, может быть защищено от повреждения в случае короткого замыкания на стороне постоянного напряжения. Короткое замыкание показано на фиг. 1 зигзагообразной стрелкой 25.
На следующих чертежах более подробно описывается режим работы преобразовательного устройства 1, а также его функция защиты, причем IDC1 обозначает ток через переключатель 16 постоянного напряжения, IDC2 обозначает ток в линии 7 постоянного напряжения, и ICD обозначает ток в цепи 22 свободного хода.
Подмодули 14 преобразовательного устройства 1 согласно фиг. 1 реализованы как полумостовые схемы.
Фиг. 2 показывает принципиальную схему одного из подмодулей 14 преобразовательного устройства 1 согласно фиг. 1. Подмодуль 14 включает в себя первую соединительную клемму 26 и вторую соединительную клемму 27. Кроме того, подмодуль 14 содержит два последовательно соединенных силовых полупроводниковых переключающих блока 28. Каждый из обоих силовых полупроводниковых переключающих блоков 28 содержит силовой полупроводниковый переключатель 29, который представляет собой IGBT в примере выполнения, показанном на фиг. 2, а также включенный антипараллельно к нему безынерционный диод 30. Параллельно к последовательной цепи силовых полупроводниковых переключающих блоков 28 расположен накопитель 31 энергии, который в настоящем примере выполнения подмодуля 14 является силовым конденсатором. На силовом конденсаторе 31 падает напряжение, которое обозначено на фиг. 2 как UC.
Вторая соединительная клемма 27 подмодуля 14 соединена с одним полюсом силового конденсатора 31, первая соединительная клемма 26 подмодуля 14 соединена с потенциальной точкой 32 между обоими силовыми полупроводниковыми переключающими блоками 28.
Подмодуль 14 дополнительно включает в себя шунтирующий блок 33, который соединен с клеммами 26, 27 таким образом, что он может шунтировать подмодуль 14 или замыкать накоротко обе соединительные клеммы 26, 27. Шунтирующий блок 33 имеет два антипараллельно включенных тиристора 34 и 35, которые могут обеспечивать независимое от направления тока шунтирование подмодуля 40. Для шунтирования подмодуля 14, оба тиристора управляются с помощью непоказанного блока управления таким образом, чтобы зажигаться одновременно.
На фиг. 3 показаны временные профили трех токов IDC1, IDC2 и ID примера выполнения преобразовательного устройства согласно фиг. 1 на диаграмме 36. По оси абсцисс t диаграммы 36 нанесено истекшее время, а по ординате I - значения тока в заданные моменты времени. Направление тока для трех токов IDC1, IDC2, ID в нормальном режиме работы на фиг. 1 указано соответствующими стрелками.
В некоторый момент времени, который показан на диаграмме 36 как прерывистая линия t1, возникает неисправность, например короткое замыкание, в линии 7 постоянного напряжения. С этого момента времени токи IDC1 и IDC2 увеличиваются. До момента времени, который показан прерывистой линией t2, значения токов IDC1 и IDC2 совпадают. Можно видеть, что ввиду полярности диода 23 противоположно имеющемуся в нормальном режиме работы номинальному потенциалу, цепь свободного хода по существу обесточена в нормальном режиме работы.
В момент времени, обозначенный t2, неисправность обнаруживается с помощью подходящего устройства обнаружения неисправностей. Затем все шунтирующие блоки 33 в ветвях 9-13 фазных модулей управляются так, чтобы шунтировать соответствующие им подмодули 14, то есть тиристоры 34 и 35 в каждом подмодуле 14 зажигаются. Таким образом, фазы сети переменного напряжения, соединенной на стороне переменного напряжения с выводами 2, 3, 4 переменного напряжения, замыкаются накоротко. Другими словами, сеть переменного напряжения отключается от стороны постоянного напряжения, так что ток короткого замыкания больше не может подаваться от сети переменного напряжения, то есть снабжаться энергией. С этого момента времени значения токов IDC1 и IDC2 уменьшаются.
В момент времени, показанный прерывистой линией t3, силовые полупроводниковые переключатели 18 силовых полупроводниковых переключающих модулей 17 управляются так, чтобы отключаться. Ввиду запирающего напряжения силовых полупроводниковых переключателей 17, ток с помощью разрядника 20 защиты от перенапряжения, который может быть выполнен как последовательная цепь разрядников защиты от перенапряжения, коммутируется в цепь 22 свободного хода. С этого момента времени значение тока IDC1 очень быстро падает до нуля.
Как только ток IDC1 упал до нуля или почти до нуля, что происходит на фиг. 3 в момент времени, показанный прерывистой линией t4, может размыкаться механический разъединитель 21. Оставшийся ток ID короткого замыкания в линии 7 постоянного напряжения, значение которого соответствует тогда значению тока IDC2, протекает с этого момента времени полностью через цепь 22 свободного хода. Ток ID затухает в соответствии с RL-постоянной линии 7 постоянного напряжения. Затухание тока ID дополнительно ускоряется с помощью поглотителя 24 энергии.

Claims (19)

1. Преобразовательное устройство (1), содержащее
- первую ветвь (8) фазного модуля с первой последовательной цепью двухполюсных подмодулей (14), которые включают в себя, соответственно, по меньшей мере один накопитель (31) энергии и по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключатель (29), причем первая ветвь (8) фазного модуля проходит между первым выводом (3) переменного напряжения и первым полюсом (51) постоянного напряжения,
- вторую ветвь (9) фазного модуля со второй последовательной цепью двухполюсных подмодулей (14), причем вторая ветвь (9) фазного модуля проходит между первым выводом (3) переменного напряжения и вторым полюсом (61) постоянного напряжения,
- третью ветвь (10) фазного модуля с третьей последовательной цепью двухполюсных подмодулей (14), причем третья ветвь (10) фазного модуля проходит между вторым выводом (4) переменного напряжения и первым полюсом (51) постоянного тока, и
- четвертую ветвь (11) фазного модуля с четвертой последовательной цепью двухполюсных подмодулей (14), причем четвертая ветвь (11) фазного модуля проходит между вторым выводом (4) переменного напряжения и вторым полюсом (61) постоянного напряжения,
причем каждый подмодуль (14) выполнен с возможностью шунтироваться независимо от направления тока с помощью расположенного параллельно к его соединительным клеммам (26, 27) шунтирующего блока (33) и причем первый полюс (51) постоянного напряжения соединен с первым выводом (5) постоянного напряжения, а второй полюс (61) постоянного напряжения соединен со вторым выводом (6) постоянного напряжения,
отличающееся
- переключателем (16) постоянного напряжения, который расположен между первым полюсом (51) постоянного напряжения и первым выводом (5) постоянного напряжения или между вторым полюсом (61) постоянного напряжения и вторым выводом (6) постоянного напряжения, и
- цепью (22) свободного хода, которая проходит между обоими выводами (5, 6) постоянного напряжения и содержит полупроводниковый элемент (23) с направлением запирания и пропускания,
причем переключатель (16) постоянного напряжения содержит по меньшей мере один силовой полупроводниковый переключающий модуль (17) с силовым полупроводниковым переключателем (18),
причем переключатель (16) постоянного напряжения содержит разрядник (20) защиты от перенапряжения, который расположен параллельно к по меньшей мере одному силовому полупроводниковому переключающему модулю (17).
2. Преобразовательное устройство (1) по п. 1, причем шунтирующий блок (33) содержит антипараллельно включенные тиристоры (34, 35).
3. Преобразовательное устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, причем полупроводниковый элемент (23) в цепи свободного хода содержит по меньшей мере один диод и/или один тиристор.
4. Преобразовательное устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, причем в цепи (22) свободного хода последовательно с полупроводниковым элементом (23) расположен поглотитель (24) энергии.
5. Преобразовательное устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, причем подмодули (14) выполнены в виде полумостовых схем.
6. Преобразовательное устройство (1) по п. 1, причем переключатель (16) постоянного напряжения содержит последовательную цепь из по меньшей мере одного силового полупроводникового переключающего модуля (17) и по меньшей мере одного разъединителя (21).
7. Преобразовательное устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, причем переключатель (16) постоянного напряжения имеет диэлектрическую прочность, которая составляет менее 40% от номинального значения напряжения на стороне постоянного напряжения преобразовательного устройства (1).
8. Способ защиты от короткого замыкания преобразовательного устройства (1) по п. 1, в котором в случае короткого замыкания на стороне постоянного напряжения
- все подмодули (14) шунтируют независимо от направления тока, после чего переключатель (16) постоянного напряжения отключают, так что ток короткого замыкания на стороне постоянного напряжения коммутируется в цепь (22) свободного хода.
RU2017133748A 2015-04-02 2015-04-02 Преобразовательное устройство и способ его защиты от короткого замыкания RU2683956C1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2015/057359 WO2016155837A1 (de) 2015-04-02 2015-04-02 Umrichteranordnung sowie verfahren zu deren kurzschlussschutz

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2683956C1 true RU2683956C1 (ru) 2019-04-03

Family

ID=53724292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017133748A RU2683956C1 (ru) 2015-04-02 2015-04-02 Преобразовательное устройство и способ его защиты от короткого замыкания

Country Status (8)

Country Link
US (2) US20180076727A1 (ru)
EP (2) EP3259839B1 (ru)
KR (1) KR101994143B1 (ru)
CN (2) CN107580737A (ru)
ES (1) ES2856832T3 (ru)
PL (1) PL3257147T3 (ru)
RU (1) RU2683956C1 (ru)
WO (2) WO2016155837A1 (ru)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10075091B2 (en) * 2015-04-24 2018-09-11 Mitsubishi Electric Corporation Power converter
PL3485563T3 (pl) * 2016-09-01 2020-10-19 Siemens Aktiengesellschaft Układ przetwornicy jak również sposób jej pracy
DE102016117006A1 (de) * 2016-09-09 2018-03-15 Eaton Industries (Austria) Gmbh Schutzschaltgerät
CN106451518B (zh) * 2016-10-13 2019-03-08 国家电网公司 一种确定柔性直流电网直流场电气主接线的方法及***
US10411587B2 (en) * 2016-12-14 2019-09-10 Abb Schweiz Ag Fault isolation and system restoration using power converter
EP3352356A1 (de) 2017-01-20 2018-07-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum warten eines modularen mehrstufenumrichters
CN211930497U (zh) 2017-02-15 2020-11-13 西门子股份公司 变换器模块和电压中间电路变换器
WO2018154783A1 (ja) * 2017-02-27 2018-08-30 三菱電機株式会社 電力変換装置および直流送電システム
DE102017207898A1 (de) 2017-05-10 2018-11-15 Siemens Aktiengesellschaft Umrichteranordnung mit Brandmeldeanlage
EP3695501B1 (de) 2017-11-21 2024-04-24 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Umrichteranordnung
EP3514943B1 (de) 2018-01-22 2021-04-14 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Umrichteranordnung mit einer vielzahl steuerbarer leistungshalbleiterschalter sowie verfahren zum betrieb der umrichteranordnung
EP3724982B1 (de) 2018-02-02 2022-10-05 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Modularer mehrstufenumrichter und schaltmodul für modularen mehrstufenumrichter
CN108649820A (zh) * 2018-06-04 2018-10-12 上海海事大学 船舶中压直流***用的mmc并联拓扑结构
WO2020011339A1 (de) 2018-07-10 2020-01-16 Siemens Aktiengesellschaft Anlage und verfahren zum energieversorgen einer hochleis-tungslast
DE102018211900A1 (de) 2018-07-17 2020-01-23 Siemens Aktiengesellschaft Halbleiteranordnung, Schaltmodul mit der Halbleiteranordnung und modularer Mehrstufenumrichter mit dem Schaltmodul
US11121542B2 (en) * 2018-10-29 2021-09-14 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Protection coordination technique for power converters
EP3734818B1 (de) * 2019-04-29 2022-06-29 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Verfahren zur fehlerbehandlung eines fehlers in einer gleichspannungsleitung sowie eine stromrichteranordnung zum durchführen des verfahrens
CN112187029A (zh) * 2019-07-05 2021-01-05 西安许继电力电子技术有限公司 一种直流耗能装置
US11323018B2 (en) 2019-07-23 2022-05-03 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Method for controlling controllable power semiconductor switches of a converter assembly with a plurality of switching modules having controllable power semiconductor switches, and a converter assembly with a control system configured for performing the method
DE102019214545B4 (de) * 2019-09-24 2022-01-27 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Stromrichter und Verfahren zu dessen Betrieb
CN113224729A (zh) * 2020-01-21 2021-08-06 台达电子企业管理（上海）有限公司 直流母线过流保护电路与双向变换器
EP3913786A1 (de) * 2020-05-18 2021-11-24 Siemens Aktiengesellschaft Stromrichteranordnung mit einem netzgeführten stromrichter sowie verfahren zum anfahren der stromrichteranordnung
EP4156442A4 (en) * 2020-05-21 2023-05-31 Mitsubishi Electric Corporation POWER CONVERTER SYSTEM
KR102621859B1 (ko) 2020-11-04 2024-01-05 엘에스일렉트릭(주) 단락 조정 장치 및 이를 포함하는 모듈형 멀티 레벨 컨버터

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2430461C2 (ru) * 2007-03-13 2011-09-27 Сименс Акциенгезелльшафт Способ ограничения повреждения выпрямителя тока, имеющего силовые полупроводниковые приборы, при коротком замыкании в промежуточном контуре постоянного напряжения
RU2494512C2 (ru) * 2008-08-07 2013-09-27 Сименс Акциенгезелльшафт Способ управления при резервировании многофазного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии
WO2015011039A1 (de) * 2013-07-26 2015-01-29 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur kompensation von blindleistung und wirkleistung in einem hochspannungsnetz

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE20122923U1 (de) 2001-01-24 2010-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern
EP2100368B1 (de) * 2006-12-08 2011-09-07 Siemens Aktiengesellschaft Halbleiterschutzelemente zur beherrschung von dc-seitigen kurzschlüssen bei spannungszwischenkreisumrichtern
CN102823121B (zh) * 2010-02-03 2015-08-19 Abb技术有限公司 用于限制电力传输或分配线的电流和/或使其断路的装置中的开关模块
DE102012209903A1 (de) * 2012-06-13 2013-12-19 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zum Schalten in einem Gleichspannungsnetz
JP5622978B1 (ja) * 2014-02-14 2014-11-12 三菱電機株式会社 直流送電系統の保護システムおよび交流直流変換器ならびに直流送電系統の遮断方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2430461C2 (ru) * 2007-03-13 2011-09-27 Сименс Акциенгезелльшафт Способ ограничения повреждения выпрямителя тока, имеющего силовые полупроводниковые приборы, при коротком замыкании в промежуточном контуре постоянного напряжения
RU2494512C2 (ru) * 2008-08-07 2013-09-27 Сименс Акциенгезелльшафт Способ управления при резервировании многофазного выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии
WO2015011039A1 (de) * 2013-07-26 2015-01-29 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur kompensation von blindleistung und wirkleistung in einem hochspannungsnetz

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Norrga staffan et al. Converter topologies for HVDC grids, IEEE INTERNATIONAL ENERGY CONFERENCE (ENERGYCON), 13.05.2014. *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3257147A1 (de) 2017-12-20
US20180076735A1 (en) 2018-03-15
CN107580737A (zh) 2018-01-12
PL3257147T3 (pl) 2021-11-15
US20180076727A1 (en) 2018-03-15
WO2016155850A1 (de) 2016-10-06
EP3259839A1 (de) 2017-12-27
EP3259839B1 (de) 2021-09-29
ES2856832T3 (es) 2021-09-28
KR101994143B1 (ko) 2019-06-28
EP3257147B1 (de) 2020-11-25
CN208522665U (zh) 2019-02-19
WO2016155837A1 (de) 2016-10-06
KR20170132844A (ko) 2017-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2683956C1 (ru) Преобразовательное устройство и способ его защиты от короткого замыкания
EP2786479B1 (en) Power converter
KR102127036B1 (ko) 직류 송전 보호 장치, 컨버터 및 보호 방법
RU2599261C2 (ru) Подмодуль для модульного многоступенчатого преобразователя частоты
US9130477B2 (en) High voltage converter for limiting short-circuit currents
US8687389B2 (en) Apparatus having a converter
Chang et al. Multi-terminal VSC-HVDC pole-to-pole fault analysis and fault recovery study
US8971070B2 (en) Interface arrangement between AC and DC systems for reliable opening of the circuit breaker in time
CA2620100A1 (en) Inverter circuit with distributed energy stores
US11258437B2 (en) Switching device for disconnecting a current path
US20170033708A1 (en) Dc side fault isolator for high voltage dc convertors
CN211670775U (zh) 多相多级变流器
US20180115253A1 (en) Improvements in or relating to electrical assemblies
US11368084B2 (en) Current converter unit, transmission installation having a current converter unit, and method for fault management in a current converter unit
EP2849330A1 (en) Modular Power Converter and module thereof
ES2834471T3 (es) Dispositivo de protección frente a la corriente transitoria para sistemas de conversión de energía eléctrica conectados a la red eléctrica
WO2015039942A1 (en) Module
US11258247B2 (en) Fault clearing circuitry
CN110999064B (zh) 具有相模块放电器的转换器装置和用于其短路保护的方法
CN113302812A (zh) 用于在直流电压供电网中提供故障电流的脉冲电路
EP3544141A1 (en) Electrical assembly
Elserougi et al. Half-bridge modular multilevel-based HVDC converters with external pre-charged capacitors for dc fault current suppression capability
EP3338336B1 (en) Electrical assembly
ES2853976T3 (es) Disposición de convertidor con unidad de cortocircuito y procedimiento para desconectar una línea de tensión alterna
US9647529B2 (en) Modular multi-stage inverter comprising surge arrester