SE508934C2 - Anordning för reducering av nollföljdsströmmar vid omvandling av likspänning till trefas växelspänning genom pulsbreddsmodulering - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 sus 934 En anläggning i vilken en anordning av ovannämnt slag ingàr har" nyligen. blivit: känd. genom licentiatavhandlingen "PWM and control of two and three level high power voltage source converters“ av Anders Lindberg, Kungliga Tekniska Stockholm, 1995.

(Insulated Gate Bipolar Transistor = isolerat styre) eller GTO-er (Gate Turn-off Thyristor) och Högskolan, Genom användande av IGBT-er bipolartransistor med seriekopplande av sådana i ventiler i strömriktare, vilket är möjligt då de enkelt låter sig tändas och släckas simultant, har VSC- (Voltage Source Converter) strömriktare för tvångsstyrd kommutering kunnat användas för överföring av elektrisk effekt mellan ett därigenom spänningsstyvt likströmsnät för högspänd likström och därtill anslutna växelspänningsnät.

Det är välkänt att en sådan spänningsstyv två-nivà-ström- riktare genererar övertoner av tre olika typer, nämligen plus-, och nollföljd. problem att filtrera bort plus- och minusföljderna med till minus- Av dessa är det inget större en HVDC-station anslutna harmoniska filter. Däremot ställer till då kombinationen två-nivå-strömriktare och trefas-växelspän- övertonerna av nollföljdstyp större problem, ning gör att den sammanlagda utspänningen hos pulserna på strömriktarens växelspänningssida aldrig är noll, vilket medför en nollföljdsspänning, vilken ger upphov till en nollföljdsström som sluter sig via induktorerna hos en HVDC-station utan transformator ner genom ett vid en sådan station förekommande växelspänningsfilter och tillbaka till kondensatorer som finns på likspänningssidan, och vilkas mittpunkt är jordad för att förhindra att nollföljdsström- mar fortplantas från en station till en annan hos likspän- ningsnätet. Hos hittills kända anordningar av det inled- ningsvis definierade slaget blir den alstrade nollföljds- strömmen hög och ger därigenom upphov till onödigt stora belastningar på en strömriktarstation i vilken anordningen ingår. En tänkbar lösning består i att installera speciella nollföljdsfilter för att minska nollföljdsströmmen, detta ger upphov till betydligt ökade kostnader hos statio- meïl 10 15 20 25 30 35 508 934 nen, vilket går stick i stäv med syftet med att ersätta transformatorer med induktorer, vilket är möjligt vid denna typ av station och medför lägre kostnader.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anordning av det inledningsvis nämnda slaget, hos vilken ovannämnda problem med alstrande av nollföljdsströmmar har långtgående reducerats.

Detta syfte uppnås genom uppfinningen genom att hos en sådan anordning anordna styrinrättningen att för faststäl- lande av pulsbreddsmoduleringsmönstret för varje fas använda en triangelvåg med samma grundfrekvens som tri- angelvågorna för de andra faserna, invertera denna ett jämnt antal gånger under en grundsvängning hos referens- växelspänningen och placera inverteringstidpunkterna för varje triangelvåg så i tiden att ständigt två triangelvàgor är en halv period förskjutna relativt en tredje.

Styrinrättningen åstadkommer följaktligen en i förhållande till tidigare kända pulsbreddsmoduleringsmetoder, såsom si- nus-PWM, tack vare nämnda inverteringar nmdifierad puls- breddsmoduleringsmetod. Normalt används nämligen en och samma triangelvåg för samtliga tre faser, vilket då gör att vid varje vändpunkt hos triangelvågen så kallade nollvekto- rer används för anpassning av de pà växelspänningssidan ut- matade pulserna till referensväxelspänningen, så att de är synkroniserade med växelspänningsnätet. En nollvektor innebär att samtliga växelströmsfaser anslutna till ström- till dessa vektorer skapar därför en hög nollföljdsspänning. Ge- att på det sättet triangelvàgor för varje fas och utföra nämnda invertering riktaren ansluts samma likspänningspotential, och nom uppfinningsenliga använda olika kommer inte några nollvektorer att användas när en beräknad skall endast vektorer med en amplitud som är en tredjedel av den spänningstidyta genereras av strömriktaren, utan 10 15 20 25 30 35 sus 934 hos dessa. I praktiken ersättes nollvektorerna med vektorer som gör att man inte “står stilla" tidpunkterna utan istället går fram och tillbaka i. spän- vid de ifrågavarande ningstidsdiagrammet. Det är för bibehållen periodicitet nödvändigt att ett jämnt antal inverteringar per grund- svängning utförs. Med invertering menas följaktligen att ifrågavarande triangelvåg momentant fasvänds, det vill säga fasförskjutes med l80°, så att ett toppvärde omvandlas till ett bottenvärde eller tvärtom.

Genom den uppfinningsenliga utformningen av anordningen är det i fallet av en HVDC-station möjligt att använda sig av två-nivå-strömriktare utan någon transformator och utan några kostsamma nollföljdsfilter. Det vore även möjligt att i det transformatorlösa fallet klara sig utan nollföljds- filter' vid användande. av 'tre-nivå-strömriktare, det vill säga en NPC-brygga, hos vilken nollföljder kan elimineras, men en sådan är mera komplicerad än en två-nivå-strömrik- tare. Det har visat sig att de dominerande övertonerna hos en anordning av det uppfinningsenliga slaget blir plus- och minus-följdskomponenterna, vilka blir något högre än vid konventionell pulsbreddsmodulering och det därför ställs något högre krav på växelspänningsfiltrenas filtrering.

Emellertid blir nollföljdskomponenterna mycket små genom do- ordning. användande av den uppfinningsenliga anordningen, och de minerande nollföljdskomponenterna är av en högre Eftersom den nollföljdsström som uppkommer främst bestäms av induktiva element betyder ett högt ordningstal att den resulterande nollföljdsströmmen blir mycket lägre än vid utnyttjande av tidigare kända anordningar.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är styrinrättningen anordnad att för respektive fas åstadkomma nämnda inverteringar med väsentligen jämna tidsmellanrum.

Detta har befunnits vara av fördel för att undvika stör- ningar, såsom tillkommande övertoner eller resonansfenomen hos växelspänningen på grund av inverteringarna. 10 15 20 25 30 35 508 934 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrinrättningen anordnad att framkalla nämnda inverte- ringar så att tidsmellanrummet mellan en invertering hos en fas och nästa invertering hos någon av de andra faserna är väsentligen konstant. Detta är av fördel för att uppnå minimal risk för uppträdande av störningar i den alstrade I fallet inverteringar per fas och grundsvängning skulle växelspänningen på grund av nämnda inverteringar. av två detta följaktligen betyda att varje invertering ligger 60° fasförskjuten med avseende på intilliggande inverteringar. således av för Inverteringstidpunkterna är betydelse symmetrin.

Enligt en annan fördragen utföringsform av uppfinningen är styrinrättningen anordnad att för respektive fas åstadkomma inverteringar åtminstone vid vändpunkterna hos referens- växelspänningen för den fasen. Det har visat sig att det för att säkert undvika uppkommande av nämnda nollvektorer är fördelaktigt att välja dessa vändpunkter för nämnda inverteringar.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är att inverteringar två gånger per grundsvängningsperiod. Två in- styrinrättningen anordnad för varje fas framkalla verteringar per period är ett minimum, och ett större jämnt antal inverteringar vore i och för sig tänkbart, men detta skulle innebära en för stor avvikelse från den grundfrek- vens som triangelvågorna uppvisar och därigenom leda till ökade switchförluster. För att hålla dessa switchförluster nere är det därför fördelaktigt att invertera triangelvågen för varje fas två gånger per grundsvängningsperiod.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrinrättningen anordnad att för respektive fas framkalla en nämnd invertering när referensväxelspänningarna hos de båda andra faserna korsar varandra eller strax därefter.

Med nämnda korsning men betydligt närmare denna korsning än den "strax därefter" menas att inverteringen sker efter 10 15 20 25 30 35 508 954 nästföljande korsningen. Det har visat sig att detta är ett lämpligt kriterium för undvikande av att de oönskade nollvektorerna uppstår.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är anordningen utformad för omvandling av likspänning till växelspänning i en station hos en anläggning för överföring av elkraft via ett likspänningsnät för högspänd likström (HVDC). ningsenliga slaget har alldeles speciella fördelar när den vilket Det har visat sig att en anordning av det uppfin- utnyttjas i en station hos en sådan anläggning, framgår av resonemangen ovan.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfinningen kommer att framgå av denm efterföljande be- skrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs först konventionell sinus-pulsbreddsmo- dulering genom en två-nivà-VSC-strömriktare för omvandling av likspänning till en trefasväxelspänning och sedan en så- som exempel anförd föredragen utföringsform av den uppfin- under hänvisning till bifogade ningsenliga anordningen ritningar, på vilka: fig l illustrerar en spänningsstyv tvångskommuterad två-ni- vå-strömriktare ansluten till ett växelspänningsnät via in- duktorer, fig 2 illustrerar principen för konventionell sinus-puls- breddsmodulering, fig 3 illustrerar konventionell sinus-pulsbreddsmodulering för trefas-växelspänning, fig 4 är en vy i det så kallade dß-planet av en vektorföljd enligt moduleringsmönstret i fig 3, 10 15 20 25 30 35 508 934 fig ES är ett diagram illustrerande övertoner som uppstår vid pulsbreddsmodulering enligt fig 3, fig 6 är en vy illustrerande principerna för den puls- breddsmodulering en anordning enligt en föredragen utfö- ringsform av uppfinningen åstadkommer, fig 7 är en vy av det så kallade aß-planet, vilken används för att förklara principerna för föreliggande uppfinning, fig 8 är en fig 4 motsvarande vy för pulsbreddsmoduleringen enligt fig 6, fig 9 är en vy illustrerande flödet (spänningstidyta) med pulsbreddsmoduleringsförfarandet enligt fig 6, och fig 10 är en fig 5 motsvarande vy för pulsbreddsmodule- ringsförfarandet enligt fig 6.

KORT BESKRIVNING AV TIDIGARE KÄND ANORDNING I fig 1 illustreras en transformatorlös spänningsstyv strömriktarstation ingående i en anläggning för överföring av elkraft via ett likspänningsnät 1 för högspänd likström (HVDC). tare 2, vilken på konventionellt sätt uppvisar strömventi- ler 3, 4, nent 5, Denna station uppvisar åtminstone en VSC-strömrik- i form av en tänd- och släckbar halvledarkompo- såsom en IGBT, antiparallellt kopplad med en frihjulsdiod 6. Fastän endast en IGBT per ventil visas, kan denna stå för en. mängd, seriekopplade, simultant styrda IGBT-er. I strömriktaren 2 till en fas hos ett växelspänningsnät 7, figuren visas endast anslutningen av men i praktiken. är strömriktaren på detta sätt via två respektive strömventiler ansluten till de tre olika faserna hos växelspänningsnätet. För att förhindra att nollföljds- strömmar fortplantas från den ena stationen till en annan station är likspänningssidans kondensator 8 jordad i mitt- 10 15 20 25 30 35 sus 934 punkten 9. På detta sätt kan pulser med en amplitud av halva likspänningen mellan likspänningsnätets l båda poler 10, ll via lämpligt styrande av strömriktaren 2 ges ut på respektive fas hos växelspänningsnätet 7. För styrning av strömriktaren 2 är en schematiskt antydd inrättning 12 anordnad att sända tändpulser till strömriktarens IGBT-er. sin reglering hänsyn till Därvid tar inrättningen vid likspänningen på likspänningsnätet, krav på effekt, av inmatad eller krävd aktiv effekt och så vidare. storleken på förbrukning av reaktiv växelspänningsnätet Genom ett så kallat samplingsförfarande kan ström och spänning mätas för att referensspänningen skall kunna beräknas och puls- breddsmoduleringsmönstret bestämmas.

I fig 1 illustreras även att strömriktaren är ansluten till det vill transformatorlöst, och att ett så kallat harmoniskt filter växelspänningsnätet via induktorer 13, säga 14 är anslutet till växelspänningsnätet för att ta bort be- svärande övertoner i form av plus- och minusföljder.

I fig 2 illustreras för en av faserna hos växelspänningsnä- tet 7 hur så kallat sinus-PWM går till. En tänkt triangel- våg 15 med en amplitud av väsentligen halva likspänningen mellan likspänningsnätets poler och en frekvens som är en multipel, i det 'visade fallet nio gånger, av ^växelspän- ningsnätets frekvens läggs ovanpå en referensväxelspänning Samma triangelvåg läggs på refe- 16 för fasen ifråga. rensväxelspänningen för var och en av faserna, varvid referensväxelspänningarna för de olika faserna är för- skjutna 120 elgrader i förhållande till varandra. Inrätt- ningen 12 är utformad att styra strömriktaren att på sin växelspänningssida för fasen ifråga avge pulser 17 med en varaktighet mellan två på varandra följande korsningspunk- ter mellan triangelvågen och referensväxelspänningen, varvid dessa pulser styrs att vara positiva om referens- växelspänningen ligger ovanför triangelvàgen och negativa vid omvända förhållanden. Förhållandet mellan triangelvå- gens frekvens och grundtonsfrekvensen referensväxelspän- 10 15 20 25 30 35 508 934 ningens frekvens) definieras som pulstalet p. De domine- rande övertonerna i de realiserade fasspänningarna med denna sinus-PWM-metod är av följande ordning och typ: p-2:plusföljd, pznollföljd, p+2:minusföljd, 2p-3:nollföljd, 2p-l:minusföljd, 2p+1:plusföljd och 2p+3:nollföljd.

Noll- följdsspänningen definieras som summan av spänningarna hos Det är framförallt nollföljderna som är besvärliga. pulserna hos de tre faserna i ett givet ögonblick dividerat med 3, nollföljdsspänning kommer att ge upphov till en nollföljds- vilket innebär att den aldrig kan bli 0. Denna ström som sluter sig via induktorerna ner genom växelspän- ningsfiltret 14 och tillbaka via likspänningskondensato- vilket kommer att ge upphov till onödigt stora tælastningar på rerna 8. Den alstrade nollföljdsströmmen blir hög, strömriktarstationen och krav på dyra nollföljdsfilter.

I fig 3 illustreras schematiskt hur pulsbreddsmoduleringen enligt fig' 2 ger upphov till olika av' de tre fasernas pulser sammansatta spänningsvektorer vid olika tidpunkter.

Därvid anger "+" att spänningspulsen har ett värde av likspänningen mellan likspänningsnätets poler ud dividerat med 2 och ett "-" början och slutet av respektive räta linje hos triangelvå- ett värde av -ud/2. Det framgår att vid gen bildas så kallade nollvektorer, det vill säga samtliga växelströmsfaser är anslutna till samma likspänningspoten- tial. Just dessa nollvektorer som används för att pulsgene- reringen skall hållas synkroniserad med växelspänningsnätet medför en tre gånger så hög nollföljdsspänning än andra vektorer och därigenom en hög nollföljdsström med ovan- nämnda negativa konsekvenser. I fig 4 illustreras i det så kallade dß-planet hur en given spänningstidyta åstadkommes genom vektorföljden: ---, ++- och +++. +_-'I I fig 5 illustreras storleken på de olika pulsföljderna vid p = 40, åtminstone så högt som 10. och det kan inskjutas Det framgår att nollföljds- att p företrädesvis är 10 15 20 25 30 35 _ 10 508 934 spänningen 18 vid p är mycket hög och följaktligen ger upphov till en hög nollföljdsström.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÜREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN I fig 6 illustreras hur styrinrättningen 12 hos en anord- ning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är utformad att styra två-nivå-strömriktaren 2. Det påpekas att detta sätt att styra en två-nivå-strömriktare inte är begränsad till den användning som illustreras i fig 1, fastän den här efter kommer att diskuteras. Styrinrätt- ningen använder sig av en triangelvåg 19, 20, 21 för varje varvid de fas a, IL c hos referensväxelspänningen 24-26, olika triangelvàgorna har samma grundfrekvens. Var och en två referensväxelspänningen, av triangelvàgorna inverteras gånger under en grundsvängning hos varvid inverteringstidpunkterna för varje triangelvåg är så i tiden placerade att ständigt två triangelvågor är en halv period förskjutna relativt en tredje. Närmare bestämt är tidsmellanrummet mellan en invertering hos en fas och nästa faserna väsentligen av de andra att invertering hos någon konstant, vilket innebär avståndet mellan sådana inverteringar är väsentligen 60”. Inverteringarna sker vid vändpunkter hos triangelvågen och vid vändpunkterna hos re- ferensväxelspänningen för fasen ifråga, och närmare bestämt gäller att triangelvàgorna byter fasläge enligt följande: inverteras uv,bref>uV,cref: triangelvågen i fas a triangelvågen i fas a inverteras tillbaka Uv,bref5“v,cref= fas b fas b triangelvågen i inverteras “v,cref>uv,aref= triangelvågen i inverteras tillbaka uv,cref5uv,aref= triangelvågen i fas c inverteras Uv,aref>Uv,bref= triangelvågen i fas c inverteras tillbaka uv,aref5“v,bref= 10 15 20 25 30 35 lll 508 934 Längst ned i figuren illustreras pulsbreddsmodulerings- mönstret för den översta växelspänningsfasen a.

Genom de extra kommuteringar O som àstadkommes genom inverteringarna av triangelvàgorna och att pà detta sätt använda olika triangelvàgor för de olika faserna försvinner nollvektorerna och endast vektorer med en tredjedel av dessas amplitud förekommer.

I fig 7 illustreras det så kallade aß-planet, vilket visar vilka vektorer som gàr att realisera med en två-nivá- strömriktare. Figuren har delats in i sex sektorer och beroende på j. vilken sektor referensväxelspänningsvektorn befinner sig i kommer följande switchsekvenser att användas under varje samplingsintervall med den uppfinningsenliga anordningen: Sektor 1: "+-+" -> "+--" -> "++-" -> "-+-" eller vice versa Sektor 2: "+--" -> "++-" -> "-+-" -> "-++" eller vice versa Sektor 3: "++-" -> "-+-" -> "-++" -> "--+" eller vice versa Sektor 4: "-+-" -> "-++" -> "--+" -> "+-+" eller vice versa Sektor 5: "-++" -> "--+" -> "+-+" -> "+--" eller vice versa Sektor 6: "--+" -> "+-+" -> "+--" -> "++-" eller vice versa utan att istället för närheten av Observera att inga nollvektorer används, två riktade sektor, så att man här inte står stilla i andra motsatt vektorer används varje triangelvàgornas vändpunkter, utan istället går fram och tillbaka för synkronisering med nätet. Detta illustreras för sektor 1 i fig 8.

I fig 9 illustreras flödet, det vill säga den spänningstid- yta som àstadkommes under en grundsvängning hos referens- växelspänningarna, varvid p är lika med 40.

I fig 10 illustreras de övertoner som bildas vid den i fig 6 visade pulsbreddsmoduleringen, varvid de dominerande övertonerna här är: 10 15 20 25 30 35 12 sos 934 p-3: nollföljd, p-1: plusföljd, p+1: minusföljd, p+3: noll- följd, 2p-3: nollföljd, 2p-l: och 2p+3: nollföljd. minusföljd, 2p+l: plusföljd Jämfört med konventionell sinus-PWM (se fig 5) är de domi- nerande övertonernas plus- och minus-följdskomponenter högre, vilket betyder ett något högre krav på växelspän- ningsfiltrenas filtrering. Detta bör dock ej påverka filtrenas kostnad i någon högre grad. Det viktiga här är att nollföljdskomponenterna är mycket små. Som synes är nollföljdskomponenterna 22 med lågt ordningstal mycket små, och de ordningen 2p-3 och 2p+3 och har även de en relativt låg dominerande nollföljdskomponenterna 23 är av amplitud. Eftersom den nollföljdsström som uppkommer främst bestäms av induktiva element (framförallt fasinduktorerna 13) betyder ett högt ordningstal och därmed en hög frekvens att den resulterande nollföljdsströmmen blir mycket lägre här än vid nollföljderna enligt fig 5.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till den ovan beskrivna föredragna utföringsformen, utan en mängd möjligheter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på området, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke.

Exempelvis vore det möjligt att använda sig av flera inverteringar än två under en grundsvängning hos refe- rensväxelspänningen, därest detta skulle vara önskvärt.

Ovan diskuteras uppfinningen under hänvisning till ett digitalt system, men den täcker även in ett analogt system, och det kan förekomma en verklig triangelvåg, ej endast en beräknad.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 13

1. Anordning för omvandling av likspänning till en trefas- växelspänning tvá-nivà-VSC- strömriktare (2) ansluten till ett likspänningsnät (1) och ett växelspänningsnät (7) samt en inrättning (12) anordnad innefattande åtminstone en att i beroende av en referensväxelspänning styra strömrik- taren enligt ett för varje fas hos växelspänningsnätet bestämt fastställande av korsningspunkter mellan referensväxelspän- specifikt pulsbreddsmoduleringsmönster genom ningen för respektive fas och en för fasen specifik tri- angelvàg med en amplitud av väsentligen halva likspänningen båda (10, ll) och en frekvens som är en multipel av referensväxelspänningens mellan likspänningsnätets poler frekvens, så att för varje fas pulser med en varaktighet mellan tvà på varandra följande nämnda korsningspunkter och med en amplitud av väsentligen halva nämnda likspänning, positiva om referensväxelspänningen ligger ovanför tri- avges pà att styrinrättningen (12) är anordnad att för fastställande av angelvågen och negativa vid omvända förhållanden, strömriktarens växelspänningssida, kännetecknad därav, pulsbreddsmoduleringsmönstret för varje fas (a, b, c) använda en triangelvàg (19, 21) med samma grundfrekvens som triangelvágorna för de andra faserna, invertera denna ett jämnt antal gånger under en grundsvängning hos referens- (24-26) terna för varje triangelvàg så :L tiden att ständigt två växelspänningen och placera inverteringstidpunk- triangelvågor är en halv period förskjutna relativt en tredje.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att styrinrättningen (12) är anordnad att för respektive fas (a, b, c) åstadkomma nämnda inverteringar med väsentligen jämna tidsmellanrum.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att styrinrättningen (12) är anordnad att framkalla nämnda inverteringar så att tidsmellanrummet mellan en invertering 5(()8 9311 10 15 20 25 30 14 sus 934 hos en fas och nästa invertering hos någon av de andra faserna är väsentligen konstant. kännetecknad att

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, att (12) är c) åstadkomma inverteringar åtmins- därav, styrinrättningen anordnad för respektive fas (a, b, tone vid vändpunkterna hos referensväxelspänningen (24-26) för den fasen.

5. Anordning enligt något av kraven 1-4, kännetecknad därav, att styrinrättningen (12) är anordnad att för varje fas (a, b, c) framkalla inverteringar två gånger per grundsvängningsperiod. kännetecknad att

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, därav, att (12) är respektive fas (a, b, c) framkalla en nämnd invertering när styrinrättningen anordnad för referensväxelspänningarna (24-26) hos de båda andra faserna korsar varandra eller strax därefter. kännetecknad att l-6, anordnad

7. Anordning enligt något av kraven att (12) är respektive fas (a, b, c) åstadkomma nämnda inverteringar därav, styrinrättningen för vid vändpunkter hos den fasen tillhörande triangelvågen.

8. Anordning enligt något av kraven 1-7, kännetecknad därav, att nämnda multipel är större än 10.

9. Anordning enligt något av kraven 1-8, kännetecknad därav, att anordningen är utformad för omvandling av likspänning till växelspänning i en station hos en anlägg- ning för överföring av elkraft via ett likspänningsnät (1) för högspänd likström (HVDC).