SE522427C2 - Converter device and method for controlling such - Google Patents

Abstract

An apparatus for converting alternating voltage into direct voltage and conversely included in a SVC (Stacic Var Compensator) with a direct voltage side formed by one or more capacitors (7) hanging freely comprises a series connection of all current valves (1-4) and a flying capacitor (2) connected in parallel with the two inner current valves (2, 3), and an arrangement for controlling the current valves to generate a train of pulses with determined amplitudes according to a pulse width modulation pattern on a phase output (16) of the apparatus. The arrangement (24) is adapted to control the semiconductor devices of the inner current valves (2, 3) to be turned on and turned off with a pulse width modulation pattern being at least an order of magnitude higher than the fundamental frequency of the alternating voltage of an alternating voltage line (19) connected to the phase otuput and to control the outer current valves (1, 4) to be turned on and turned off with a frequency being substantially lower than said pulse width modulation frequency and within or close to the frequency range one or a few times said fundamental frequency.

Description

:anno a a :anno 10 15 20 25 30 35 522 427 O o ø o o - » n v. mittpunkt och fasutgången görs ledande, för att ge fasutgången en spänningsnivå motsvarande en summa av spänningen hos nämnda närmaste likspänningspol och spänningen över den fly- gande kondensatorn, samt ett förfarande för styrning av en så- dan anordning. : anno aa: anno 10 15 20 25 30 35 522 427 O o ø oo - »n v. midpoint and the phase output are made conductive, to give the phase output a voltage level corresponding to a sum of the voltages of said nearest DC voltage pole and the voltage across the flying the capacitor, as well as a method for controlling such a device.

Således är uppfinningen inriktad på en spänningsstyv omriktar- anordning avsedd endast för överföring av reaktiv effekt och an- ordnas med fördel utefter högspända växelspänningsledningar för åstadkommande av reaktiv effektkompensering.Thus, the invention is directed to a voltage-rigid converter device intended only for the transmission of reactive power and is advantageously arranged along high-voltage alternating voltage lines for providing reactive power compensation.

Därvid är inte uppfinningen begränsad till några nivåer på spän- ningen hos anordningens växelspänningssida, den reaktiva effekt omriktaranordningen förmår överföra eller det antal faser anord- ningens växelspänningssida uppvisar, och således kan den mycketväl vara utformad för enfasfallet, exempelvis vid banmat- ning av spårgående fordon.The invention is not limited to any levels of the voltage of the alternating voltage side of the device, the reactive power the converter device is able to transmit or the number of phases the alternating voltage side of the device has, and thus it may well be designed for the single-phase case, for example .

Uppfinningen är dock speciellt, men icke uteslutande, inriktad på mellan- och högspänning, det vill säga där toppspänningen på anordningens växelspänningssida är 10 kV eller högre.However, the invention is particularly, but not exclusively, focused on medium and high voltage, i.e. where the peak voltage on the AC side of the device is 10 kV or higher.

Det påpekas att uppfinningen ingalunda är begränsad till att det finns endast en nämnd flygande kondensator och ett därmed samordnat par av mittpunkter, utan i princip kan antalet av dessa vara godtyckligt.It is pointed out that the invention is by no means limited to the fact that there is only one said flying capacitor and a coordinated pair of center points therewith, but in principle the number of these can be arbitrary.

Den inledningsvis definierade anordningen är en så kallad fler- nivå-omriktare, då den på nämnda fasutgång kan leverera åt- minstone tre olika faspotentialer. En fördel med att använda så- dana så kallade flernivå-omriktare i förhållande till så kallade få- nivåbryggor, är att halvledarelementen hos strömventilerna kan omkopplas med en betydligt lägre frekvens för uppnående av en växelspänning på växelspänningsfasledningen av en bestämd frekvens och kvalité, så att förlusterna hos omriktaranordningen kan reduceras avsevärt. Närmare bestämt kan switchfrekvensen hos halvledarelementen i en trenivåomriktare under nämnda för- uznøo 10 15 20 25 30 35 522 427 ~ . | . a Q - ø u- hållanden reduceras till ca 1/2. En fördel med att använda så kallade flygande kondensatorer för att uppnå ytterligare spän- ningsnivåer hos fasutgången utöver spänningsnivån hos likspän- ningssidans båda poler i förhållande till en användning av så kallade klampningsdioder är framförallt att halvledarelementen i det senare fallet måste styras på sådant sätt att det sker en ojämn fördelning av switchförlusten mellan dem, så att i prakti- ken alla halvledarelement måste dimensioneras för att klara den maximala belastningen som ett enskilt halvledarelement kan ut- sättas för, då i annat fall speciella hänsyn till utformningen av varje enskilt halvledarelement måste tas vid styrningen av dem.The device initially defined is a so-called multi-level converter, as it can supply at least three different phase potentials at said phase output. An advantage of using such so-called multi-level inverters in relation to so-called low-level bridges, is that the semiconductor elements of the current valves can be switched with a much lower frequency to achieve an alternating voltage on the alternating voltage phase line of a certain frequency and quality, so that the losses of the inverter device can be considerably reduced. More specifically, the switching frequency of the semiconductor elements in a three-level converter during said pre-current 10 15 20 25 30 35 522 427 ~. | . a Q - ø u ratios are reduced to about 1/2. An advantage of using so-called flying capacitors to achieve additional voltage levels at the phase output in addition to the voltage level of the two poles of the direct voltage side in relation to a use of so-called clamping diodes is above all that the semiconductor elements must be controlled in such a way that there is an uneven distribution of the switch loss between them, so that in practice all semiconductor elements must be dimensioned to withstand the maximum load to which an individual semiconductor element can be subjected, otherwise special consideration must be given to the design of each individual semiconductor element. the control of them.

Detta gör att totalkostnaden för halvledarelement blir mycket hög, då vissa av dem kommer att i de flesta driftsituationer vara kraftigt överdimensionerade. Genom att istället använda sig av flygande kondensatorer, såsom i den inledningsvis definierade anordningen, kan en flernivåomriktare med möjlighet till en jäm- nar belastning av halvledarelementen vad det gäller switchför- luster uppnås utan användande av dyra så kallade klampningsdi- oder eller extra halvledarelement. En anordning av det inled- ningsvis definierade slaget är tidigare känd genom US 5 737 201, även om den anordningen är avsedd att även överföra aktiv ef- fekt. Det finns naturligtvis ständigt en strävan att förbättra om- riktaranordningar av detta slag, bland annat vad gäller de switchförluster som uppstår i strömventilernas halvledarelement, och detta gäller då även fallet av användande av en anordning enligt nämnda US-patent i en SVC.This means that the total cost of semiconductor elements will be very high, as some of them will in most operating situations be greatly oversized. By instead using flying capacitors, as in the initially defined device, a multilevel converter with the possibility of an even load of the semiconductor elements in terms of switch losses can be achieved without the use of expensive so-called clamping dies or extra semiconductor elements. A device of the type initially defined is previously known from US 5,737,201, although that device is intended to also transmit active power. Of course, there is a constant effort to improve converter devices of this kind, among other things with regard to the switch losses that occur in the semiconductor elements of the current valves, and this also applies to the case of using a device according to the said US patent in an SVC.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en om- riktaranordning av inledningsvis definierat slag samt ett förfa- rande för styrning därav, vilka i åtminstone något hänseende re- sulterar i en med avseende på tidigare kända sådana anord- ningar förbättrad funktion hos en sådan anordning, speciellt möj- liggör minskade totala switchförluster hos i strömventilerna ingå- ende halvledarelement. 522 427 u n a n n u o Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att det hos en så- dan anordning inrättningen är anordnad att styra halvledarele- menten hos de inre strömventilerna mellan de båda andra mitt- punkterna att tändas och släckas med en pulsbreddsmodule- 5 ringsfrekvens som är åtminstone en storleksordning högre än grundfrekvensen hos växelspänningen hos nämnda växelspän- ningsfasledning och att styra haiviedarelementen hos de yttre strömventilerna mellan respektive andra mittpunkt och den när- mast denna belägna likspänningspol att tändas och släckas med 10 en frekvens som är väsentligt lägre än nämnda pulsbreddsmo- duleringsfrekvens och inom eller i närheten av frekvensområdet en eller några gånger nämnda grundfrekvens.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a converter device of an initially defined type and a method for controlling it, which in at least some respect results in an improved function of a prior art such device. such a device, in particular, enables reduced total switch losses of semiconductor elements included in the current valves. This object is achieved according to the invention in that in such a device the device is arranged to control the semiconductor elements of the internal current valves between the two other center points to be switched on and off with a pulse width modulation frequency which is at least one magnitude higher than the fundamental frequency of the alternating voltage of said alternating voltage phase line and controlling the loudspeaker elements of the external current valves between respective second midpoints and the nearest DC voltage pole to be turned on and off at a frequency substantially lower than said pulse width modulus and or in the vicinity of the frequency range one or a few times said fundamental frequency.

Genom att på detta sätt endast låta de inre strömventilerna swit- 15 cha med pulsbreddsmoduIeringsfrekvensen, medan de yttre swit- chas med en betydligt lägre frekvens, kan de sammanlagda switchförlusterna i omriktaranordningen reduceras avsevärt i för- hållande till anordningarna enligt tidigare känd teknik, där samt- liga strömventiler switchar med pulsbreddsmoduleringsfrekven- 20 sen. Således blir switchförlusterna betydligt lägre i halvledarele- menten hos de båda yttre strömventilerna än om de skulle ha kopplats om med full pulsbreddsmoduleringsfrekvens. En annan fördel med en lägre frekvens hos omkopplingen av de yttre strömventilerna är att i fallet av seriekoppling av halvledarele- 25 ment, vilket är en nödvändighet vid hanterande av högre spän- ningar, är detta enklare vid låga omkopplingsfrekvenser, efter- som sneddelningen vad gäller spänningsupptagningen mellan de olika seriekopplade halvledarelementen då blir mindre, så att det är möjligt att anordna halvledarelement som har en mindre mar- 30 ginal mellan den spänning de maximalt tål och genomsnittsspän- ningen per halvledarelement i strömventilen. Detta innebär att antingen färre halvledarelement med en given spänningstålighet eller halvledarelement med en lägre spänningstålighet än eljest kan anordnas i de båda yttre strömventilerna och därmed kost- 35 nader kan sparas. axon: »unna 522 427 none n o v u | Q ' . ' ' " Enligt föredragna utföringsformer av uppfinningen är inrättningen anordnad att styra halvledarelementen hos de yttre strömventi- lerna att tändas och släckas med en frekvens som är väsentligen lika med nämnda grundfrekvens, nämnda grundfrekvens är i 5 storleksordningen 40-70 Hz, företrädesvis 50 Hz eller 60 Hz, och inrättningen är anordnad att tända och släcka halvledarelemen- ten hos de inre strömventilerna med en frekvens som är 15-45 gånger nämnda grundfrekvens, vilket vanligtvis betyder 1-2 kHz. 10 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är halvledarelementen samt likriktarkomponenterna hos nämnda strömventiler utformade så att medelvärdet över tiden hos spän- ningen över den flygande kondensatorn kommer att vara en fak- tor 0,2-0,5 gånger spänningen mellan likspänningssidans båda 15 poler, varvid det är fördelaktigt om nämnda faktor är mindre än 0,5. Skiljer sig denna faktor från 0,5 kommer nämligen genom användande av en enda flygande kondensator och fyra nämnda strömventiler fyra olika nivåer på potentialen att kunna erhållas på fasutgången, medan hos en anordning enligt US 5 737 201 20 sex seriekopplade strömventiler och två flygande kondensatorer krävs för att uppnå fyra nivåer, vilket innebär en betydande kost- nadsbesparing vad gäller komponenter samt även switchförluster i förhållande till en sådan tidigare känd anordning, därest man önskar uppnå fyra nivåer istället för tre. Detta är också något 25 som är önskvärt, eftersom switchförlusterna typiskt sett minskar vid ökande antal nivåer. Således kommer i detta fall olika spän- ningar att ligga över de yttre strömventilerna i förhållande till de inre strömventilerna, vilket ej är fallet hos anordningar av tidigare känd teknik. Närmare bestämt innebär det när nämnda faktor är 30 mindre än 0,5 att det kommer att ligga högre spänningar över de yttre strömventilerna än över de inre, vilket är fördelaktigt ur switchförlustsynpunkt, eftersom då spänningen är högre där fre- kvensen är låg, medan den är lägre där frekvensen är hög. Såle- des kan i de yttre strömventilerna andra typer av halvledarele- 35 ment än i de inre anordnas, såsom sådana som är anpassade att '1"5 kunna ta höga spänningar och ha låga ledförluster hellre än låga switchförluster. Alternativt anordnas likadana seriekopplade »upon uasnu :vara 10 15 20 25 30 35 522 427 o o ; c Q c u u a n. halvledarelement i alla strömventilerna, men olika antal i de yttre och de inre.By in this way only allowing the internal flow valves to switch with the pulse width modulation frequency, while the external ones are switched with a much lower frequency, the total switch losses in the converter device can be considerably reduced in relation to the devices according to prior art, where and equal current valves switch with the pulse width modulation frequency. Thus, the switch losses are significantly lower in the semiconductor elements of the two external current valves than if they had been switched with full pulse width modulation frequency. Another advantage of a lower frequency of the switching of the external current valves is that in the case of series connection of semiconductor elements, which is a necessity when handling higher voltages, this is easier at low switching frequencies, since the skew in terms of the voltage absorption between the various series-connected semiconductor elements then becomes smaller, so that it is possible to arrange semiconductor elements which have a smaller margin between the voltage they can withstand the maximum and the average voltage per semiconductor element in the current valve. This means that either fewer semiconductor elements with a given voltage resistance or semiconductor elements with a lower voltage resistance than otherwise can be arranged in the two external current valves and thus costs can be saved. axon: »unng 522 427 none n o v u | Q '. According to preferred embodiments of the invention, the device is arranged to control the semiconductor elements of the external current valves to be switched on and off at a frequency which is substantially equal to said fundamental frequency, said fundamental frequency being in the order of 40-70 Hz, preferably 50 Hz or 60 Hz, and the device is arranged to turn on and off the semiconductor elements of the internal current valves with a frequency which is 15-45 times said fundamental frequency, which usually means 1-2 kHz. According to another preferred embodiment of the invention, the semiconductor elements and the rectifier components are of said current valves designed so that the average value over time of the voltage across the flying capacitor will be a factor of 0.2-0.5 times the voltage between the two poles of the DC voltage side, it being advantageous if said factor is less than 0 This factor differs from 0.5 by the use of a single flying capacitor and four n said current valves four different levels of the potential to be obtained at the phase output, while in a device according to US 5 737 201 20 six series-connected current valves and two flying capacitors are required to achieve four levels, which means a significant cost saving in terms of components and also switch losses in relation to such a prior art device, in which it is desired to achieve four levels instead of three. This is also something that is desirable, since the switch losses typically decrease with increasing number of levels. Thus, in this case, different voltages will be across the external flow valves relative to the internal flow valves, which is not the case with prior art devices. More specifically, when said factor is less than 0.5, it will mean that there will be higher voltages across the external power valves than over the internal ones, which is advantageous from a switch loss point of view, since then the voltage is higher where the frequency is low, while the is lower where the frequency is high. Thus, in the external current valves, other types of semiconductor elements than in the internal ones can be arranged, such as those which are adapted to be able to take high voltages and have low joint losses rather than low switch losses. Alternatively, similar series-connected ones are arranged. uasnu: vara 10 15 20 25 30 35 522 427 oo; c Q cuua n. semiconductor elements in all the current valves, but different numbers in the outer and the inner ones.

En annan fördel med att en högre spänning ligger över de yttre strömventilerna än över de inre i biockerande tillstånd är att haivledarelementen hos de yttre strömventilerna måste inte di- mensioneras lika stora vad gäller spänningsupptagningsförmåga för att klara påkänningarna vid spänningssättning av omriktar- anordningen från växelspänningssidan. Vid sådan spännings- sättning kommer nämligen likspänningssidans fritt hängande klampningskondensator att laddas upp före den flygande kon- densatorn. Den flygande kondensatorn kommer därefter att lad- das till sin nominella spänning tack vare de spänningsdelare som normalt sitter parallellt med de släckbara haivledarelementen i de olika strömventilerna. Därmed kommer kortvarigt hela spän- ningen “mellan de båda likspänningspolerna att ligga över den ena eller den andra av de yttre strömventilerna innan den fly- gande kondensatorn laddats. Tack vare att den nominella spän- ningen på den flygande kondensatorn dimensioneras så att den utgör mindre än 0,5 av den totala spänningen mellan likspän- ningspolerna, så kommer de yttre strömventilerna vid spännings- sättning att utsättas för en spänning som är närmare dess nomi- nella spänning än eljest. Exempelvis är i fallet av en faktor av 1/3 den spänning som de utsätts för i storleksordningen 3/2 = 1,5 gånger högre än dess nominella spänning, vilket dessa ström- ventiler normalt klarar utan att speciella åtgärder behöver vidta- gas i syfte att begränsa spänningen över ventilerna.Another advantage of having a higher voltage across the external current valves than over the internal ones in biocurrent states is that the shear conductor elements of the external current valves do not have to be dimensioned as large in terms of voltage absorption capacity to withstand the stresses of energizing the inverter device from the AC side. In the case of such a voltage setting, the free-hanging clamping capacitor of the direct voltage side will be charged before the flying capacitor. The flying capacitor will then be charged to its nominal voltage thanks to the voltage dividers that normally sit parallel to the extinguishing shark conductor elements in the various current valves. Thus, for a short time, the entire voltage “between the two DC poles will be over one or the other of the external current valves before the flying capacitor is charged. Due to the fact that the nominal voltage of the flying capacitor is dimensioned so that it constitutes less than 0.5 of the total voltage between the direct voltage poles, the external current valves will be exposed to a voltage which is closer to its nomi. - voltage than otherwise. For example, in the case of a factor of 1/3, the voltage to which they are subjected is in the order of 3/2 = 1.5 times higher than its nominal voltage, which these current valves can normally handle without special measures having to be taken in order to to limit the voltage across the valves.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda faktor 1/3. Detta innebär nämligen att de fyra spänningsnivàerna som kan uppnås på fasuttaget blir likformigt fördelade mellan po- sitiv och negativ polspänning, vilket resulterar i en lägre switchad spänning, det vill säga lägre pulshöjdsteg, vilket minskar påkän- ningen på anslutna apparater som reaktorer och transformatorer.According to a preferred embodiment of the invention, said factor is 1/3. This means that the four voltage levels that can be achieved on the phase socket are uniformly distributed between positive and negative pole voltage, which results in a lower switched voltage, ie lower pulse height steps, which reduces the stress on connected devices such as reactors and transformers.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen en enhet anordnad att möjliggöra så kallad mean: :anna 10 15 20 25 30 35 522 427 o n ø u | | . , . ,, soft-switching av de inre strömventilernas halvledarelement, det vill såga så att inte höga spänningar och höga strömmar kombi- neras hos halvledarelementen i dessa båda ventiler. Det är mycket fördelaktigt att anordna en sådan enhet just där frekven- serna är höga, då detta har störst inverkan på switchförlusterna.According to another preferred embodiment of the invention, the device comprises a unit arranged to enable so-called means:: anna 10 15 20 25 30 35 522 427 o n ø u | | . ,. ,, soft-switching of the semiconductor elements of the internal current valves, that is to say that high voltages and high currents are not combined in the semiconductor elements in these two valves. It is very advantageous to arrange such a unit precisely where the frequencies are high, as this has the greatest impact on the switch losses.

Uttryckt på annat sätt väljer man att ha höga frekvenser där för- lusterna per switchning är mycket låga. Således får man på så- dant sätt maximalt utbyte av den merkostnad som en dylik enhet innebär. En anordning av detta slag får ytterst låga switchförlus- ter, då de yttre strömventilerna switchar enligt hard-switchnings- principen med låg frekvens och de inre strömventilerna switchar enligt soft-switchningsprincipen med hög frekvens. Speciellt för- delaktig är denna utföringsform i kombination med väljande av nämnda faktor mindre än 0,5, så att lägre spänningar kommer att behöva hanteras av de inre strömventilerna och därigenom även av enheten, som därigenom kan göras mindre och till en lägre kostnad.In other words, you choose to have high frequencies where the losses per switching are very low. In this way, you get the maximum return on the additional cost that such a unit entails. A device of this kind has extremely low switch losses, as the external current valves switch according to the hard-switching principle with low frequency and the internal current valves switch according to the soft-switching principle with high frequency. This embodiment is particularly advantageous in combination with the selection of said factor less than 0.5, so that lower voltages will have to be handled by the internal flow valves and thereby also by the unit, which can thereby be made smaller and at a lower cost.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen har de båda inre strömventilerna var sin snubberkondensator kopplad parallellt med nämnda släckbara halvledarelement samt innefat- tar enheten en resonanskrets för omladdning av strömventilernas snubberkondensatorer för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarelement vid låg spänning över dessa. Detta är fördelaktiga sätt att uppnå så kallad soft- switching av de inre strömventilerna på, varvid en föredragen utföringsform avser att resonanskretsen utgörs av en ARCP-krets (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole).According to another preferred embodiment of the invention, the two internal current valves each have their snubber capacitor connected in parallel with said extinguishable semiconductor element and the unit comprises a resonant circuit for recharging the snubber capacitors of the current valves to thereby enable ignition of these semiconductor valves by the low valves of the current valves. These are advantageous ways of achieving so-called soft-switching of the internal current valves, a preferred embodiment being that the resonant circuit consists of an ARCP circuit (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole).

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen har även de båda yttre strömventilerna var sitt snubberorgan, till ex- empel en snubberkondensator eller en RC-krets, kopplad paral- lellt med nämnda släckbara halvledarelement, så att tidsderiva- tan av spänningen över de släckbara halvledarelementen be- gränsas vid switchning av de yttre strömventilerna och därigenom de kapacitiva strömmarna i anslutande transformator begränsas. un1.| »unna 10 15 20 25 30 35 522 427 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda inrättning anordnad att styra strömventilernas halvledar- element och därmed strömventilerna efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning, och att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/Z och (1-k) x Udc/Z, motsvarande över en första nivå, omväxlande göra de båda inre strömventilerna ledande och kon- stant hålla den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre strömventilen ledande och den andra yttre strömventilen blockerad, att när spänningsbörvärdet ligger mellan -UdC/2 och (- 1 + k) x UdC/Z, motsvarande under en andra nivå, omväxlande göra de båda inre strömventilerna ledande och konstant hålla den närmast den positiva likspänningspolen belägna strömventi- len blockerad och den motsatta yttre strömventilen ledande, och att då spänningsbörvärdet ligger mellan nämnda båda nivåer om- växlande göra den ena yttre strömventilen och den på motsatt sida om fasutgången belägna inre strömventilen ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen och den andra inre strömventilen blockerande och tvärtom, varvid Udc är spänningen mellan nämnda båda likspänningspoler och k är nämnda faktor.According to another preferred embodiment of the invention, the two external current valves also each have their own snubber means, for example a snubber capacitor or an RC circuit, connected in parallel with said extinguishable semiconductor elements, so that the time derivative of the voltage across the extinguishable semiconductor elements is is limited when switching the external current valves and thereby the capacitive currents in the connecting transformer are limited. un1. | According to another preferred embodiment of the invention, said device is arranged to control the semiconductor elements of the current valves and thus the current valves according to a voltage setpoint for said phase voltage, and that when the voltage setpoint is between Udc / Z and (1- k) x Udc / Z, corresponding over a first level, alternately make the two internal current valves conductive and constantly keep the external current valve lying closest to the positive DC terminal and the second external current valve blocked, that when the voltage setpoint is between -UdC / 2 and (- 1 + k) x UdC / Z, corresponding to a second level, alternately making the two internal current valves conductive and constantly keeping the current valve located closest to the positive DC pole blocked and the opposite external current valve conductive, and that when the voltage setpoint is between the said two levels alternately make one external flow valve and the one located on the opposite side of the phase output the internal current valve conductive and at the same time the second external current valve and the second internal current valve blocking and vice versa, wherein Udc is the voltage between said two direct voltage poles and k is said factor.

På detta sätt uppnås med fördel en switchning med i det när- maste grundfrekvens av de yttre strömventilerna och puls- breddsmoduleringsfrekvens av de inre.In this way, a switching is achieved with advantage with almost the fundamental frequency of the external flow valves and pulse width modulation frequency of the internal ones.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken utgör en vidareutveckling av sistnämnda utföringsform, är inrättningen anordnad att styra strömventilerna efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning med formen av en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent eller en multipel av tredjetonskom- ponenter med avseende på sinuskurvans grundton för förläng- ande av den tid spänningsbörvärdet befinner sig över nämnda första nivå och under nämnda andra nivå och de båda yttre strömventilerna kan befinna sig i ett fast läge och inte måste switchas. Härigenom görs spänningsbörvärdets flanker brantare och därmed blir tiden då de yttre strömventilerna måste switcha kortare. Det blir möjligt att minska denna tid till ett värde som är i samma storleksordning eller mindre än periodtiden för den switchfrekvens med vilken de inre ventilerna arbetar med, så att nnnln »unna 10 15 20 25 30 35 522 427 o: nu: grundtonskommutering kan användas för de båda yttre ström- ventilerna utan att negativa konsekvenser i form av ökad över- tonshalt uppträder i anslutande nät.According to a preferred embodiment of the invention, which constitutes a further development of the latter embodiment, the device is arranged to control the current valves according to a voltage setpoint for said phase voltage in the form of a sinusoidal curve added with a thirteenth component or a multiple of thirteenth component components with respect to basic components. - the time the voltage setpoint is above said first level and below said second level and the two external flow valves may be in a fixed position and do not have to be switched. This makes the flanks of the voltage setpoint steeper and thus the time when the external current valves have to switch is shorter. It becomes possible to reduce this time to a value which is of the same order of magnitude or less than the period time of the switching frequency with which the internal valves operate, so that nnnln »unt 10 15 20 25 30 35 522 427 o: nu: fundamental tone commutation can be used for the two external flow valves without negative consequences in the form of increased harmonic content occurring in the connecting network.

Uppfinningen avser även ett förfarande för styrning av en omrik- taranordning enligt ovan enligt bifogade självständiga förfaran- depatentkrav.The invention also relates to a method for controlling a converter device as above according to the appended independent procedure patent claims.

Fördelar med detta förfarande samt med i bifogade osjälvstän- diga patentkrav definierade utföringsformer av förfarandet fram- går med all önskvärd tydlighet av ovanstående diskussion av fö- redragna utföringsformer av den uppfinningsenliga omriktaran- ordningen.Advantages of this method and of embodiments of the method defined in the appended dependent claims are apparent with all the desired clarity from the above discussion of preferred embodiments of the inverter device according to the invention.

Uppfinningen avser även en datorprogramprodukt samt ett da- torläsbárt medium enligt motsvarande bifogade patentkrav. Det inses lätt att förfarandet enligt uppfinningen definierat i bifogade uppsättning förfarandepatentkrav är väl lämpat att utföras genom programinstruktioner från en processor påverkbar av ett med ifrågavarande programsteg försett datorprogram.The invention also relates to a computer program product and a computer-readable medium according to the corresponding appended claims. It is easily understood that the method according to the invention defined in the appended set of method patent claims is well suited to be performed by program instructions from a processor controllable by a computer program provided with the program step in question.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgàr av övriga osjälvständiga patentkrav.Additional advantages and advantageous features of the invention appear from the other dependent claims.

KORT BESKRIVNING AV RlTNlNGARNA Såsom exempel anförda föredragna utföringsformer av uppfin- ningen beskrivs härefter under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: fig 1 är ett förenklat kopplingsschema av en omriktaranordning enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen, fig 2 är en fig 1 motsvarande vy av en omriktaranordning enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, coon: »anno 10 15 20 25 30 35 522 427 .o nu 10 fig 3 är en fig 1 motsvarande vy av en omriktaranordning enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken är bil- dad genom en smärre modifiering av omriktaranordningen enligt fig 2, fig 4 och 5 illustrerar ett sinusformat spänningsbörvärde respek- tive ett spänningsbörvärde i form av en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent för spänningen mellan fasuttaget och en tänkt nollspänningsnivå på omriktaranordningens likspännings- sida, vilket utnyttjas för pulsbreddsmodulering av omriktaranord- ningen, och fig 6 illustrerar schematiskt hur ett pulsbreddsmoduleringsmöns- ter utgående från spänningsbörvärdet enligt fig 5 kan se ut för en omriktaranordning enligt fig 1.BRIEF DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a simplified circuit diagram of a drive device according to a first preferred embodiment of the invention, Fig. 2 is a view corresponding to Figs. a converter device according to a second preferred embodiment of the invention, coon: »anno 10 15 20 25 30 35 522 427. now Fig. 3 is a Fig. 1 corresponding view of a converter device according to a third preferred embodiment of the invention, which is formed by a minor modification of the converter device according to Figs. 2, Figs. 4 and 5 illustrates a sinusoidal voltage setpoint and a voltage setpoint in the form of a sine curve added with a third tone component for the voltage between the phase socket and an imaginary zero voltage level of the converter device. of the inverter device, and Fig. 6 illustrates is a schematic diagram of what a pulse width modulation pattern based on the voltage setpoint according to Fig. 5 can look like for a converter device according to Fig. 1.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN I fig 1 är endast den del av omriktaranordningen som är ansluten till en fas hos en växelspänningsfasledning visad, varvid antalet faser normalt är tre, men det är möjligt att detta utgör hela om- riktaranordningen, då denna är ansluten till ett enfas-växe|spän- ningsnät. Omriktaranordningen är en så kallad VSC-strömriktare (Voltage Source Converter), vilken uppvisar fyra strömventiler 1- 4 som är seriekopplade mellan de båda polerna 5, 6, positiv re- spektive negativ, hos en likspänningssida hos anordningen. En fritt hängande så kallad kopplingskondensator 7 är anordnad mellan de båda polerna. Den därigenom definierade spänningen mellan de båda polerna blir Udc, varvid potentialerna för polerna blir +Udcl2 respektive -UdC/Z. Då flera faser finns har de likspän- ningssidan och kondensatorn 7 gemensamt, men i övrigt har de var sin VSC-strömriktare enligt fig 1.DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION In Fig. 1 only the part of the converter device connected to a phase of an AC phase line is shown, the number of phases normally being three, but it is possible that this constitutes the whole converter device, as this is connected to a single-phase growth | voltage network. The converter device is a so-called VSC (Voltage Source Converter) converter, which has four current valves 1-4 which are connected in series between the two poles 5, 6, positive and negative, respectively, of a direct voltage side of the device. A free-hanging so-called coupling capacitor 7 is arranged between the two poles. The voltage thus defined between the two poles becomes Udc, the potentials of the poles becoming + Udcl2 and -UdC / Z, respectively. When there are several phases, they have the DC voltage side and the capacitor 7 in common, but otherwise they each have their own VSC converter according to Fig. 1.

Strömventilerna 1-4 är var och en uppbyggd av ett släckbart halvledarelement 8-11, såsom en i IGBT, GTO eller IGCT, och en antiparallellt därmed kopplad likriktarkomponent i form av en lik- nova: :upon 10 15 20 25 30 35 11 riktande diod 12-15. Fastän endast ett släckbart halvledarele- ment per strömventil visas kan detta stå för en mängd, serie- kopplade, simultant styrda halvledarelement, vilket ävenledes är fallet, då det krävs ett förhållandevis stort antal seriekopplade sådana halvledarelement för att hålla den spänning som varje strömventil måste hålla i blockerat tillstånd.The current valves 1-4 are each built up of a quenchable semiconductor element 8-11, such as one in IGBT, GTO or IGCT, and an anti-parallel rectifier component in the form of a lignova:: upon 10 15 20 25 30 35 11 directing diodes 12-15. Although only one extinguishing semiconductor element per current valve is shown, this can account for a plurality of series-connected, simultaneously controlled semiconductor elements, which is also the case, as a relatively large number of series-connected such semiconductor elements is required to maintain the voltage that each current valve must hold in blocked condition.

En första mittpunkt 16, vilken utgör omriktarens fasutgång, är ansluten till en växelspänningsledning 19 via en induktor 20. På detta sätt uppdelas nämnda seriekoppling i två likadana delar med två strömventiler 1, 2 respektive 3, 4 hos varje sådan del.A first center point 16, which constitutes the phase output of the inverter, is connected to an alternating voltage line 19 via an inductor 20. In this way, said series connection is divided into two equal parts with two current valves 1, 2 and 3, 4, respectively, of each such part.

En andra mittpunkt 21 mellan två nämnda strömventiler hos den ena delen hos seriekopplingen är via en flygande kondensator 22 ansluten till en med avseende på fasutgången motsvarande andra mittpunkt 23 hos seriekopplingens andra del.A second center point 21 between two said flow valves of one part of the series connection is connected via a flying capacitor 22 to a second center point 23 of the second part of the series connection corresponding to the phase output.

Anordningen uppvisar vidare en inrättning 24 anordnad att styra de olika halvledarelementen hos strömventilerna 1-4 och därige- nom tillse att nämnda fastutgång ansluts och erhåller samma potential som polen 5, polen 6 eller någon av nämnda andra mittpunkter 21, 23, vilket för mittpunkten 21 innebär potentialen hos polen 6 adderad med spänningen över kondensatorn 22 och för mittpunkten 23 spänningen hos polen 5 subtraherad med spänningen över kondensatorn 22. lnrättningen 24 och dess an- ordnande är mycket förenklat framställt här, och i praktiken torde en separat sådan inrättning vara anordnad på högpotential vid varje enskild strömventil och dessa erhålla styrsignaler från en på marknivå anordnad styrinrättning.The device further comprises a device 24 arranged to control the various semiconductor elements of the current valves 1-4 and thereby ensure that said fixed output is connected and obtains the same potential as the pole 5, pole 6 or any of said other midpoints 21, 23, which for the midpoint 21 means the potential of the pole 6 added with the voltage across the capacitor 22 and for the midpoint 23 the voltage of the pole 5 subtracted with the voltage across the capacitor 22. The device 24 and its arrangement are very simply presented here, and in practice a separate such device should be provided on high potential at each individual current valve and these receive control signals from a control device arranged at ground level.

Med fördel är strömventilerna så utformade att medelvärdet över tiden hos spänningen över den flygande kondensatorn 22 kom- mer att vara en faktor 0,2-O,5 gånger spänningen mellan likspän- ningssidans båda poler. Detta innebär att när denna faktor är mindre än 0,5 kommer i blockerat tillstånd en högre spänning att tagas av de yttre strömventilerna 1, 4 än de inre 2, 3 samtidigt som fyra olika nivåer kommer att kunna erhållas på potentialen »vara 10 15 20 25 30 35 522 427 12 hos fasutgången 16. Såsom nämnt är det speciellt fördelaktigt att k = 1/3, då detta innebär att nivåerna Udc/Z, Udc/6, -Udc/6 samt - Udo/Z kan erhållas på fasutgången, det vill säga likformigt förde- lade nivåer, så att det i snitt blir minsta möjliga skillnad mellan vald spänningsnivå på en puls och det spänningsbörvärde en spänningsbörvärdeskurva uppvisar. l alldeles speciella fall, kan dock en spänningsbörvärdeskurva ha ett sådant utseende att det är mest fördelaktigt att ha ojämnt fördelade sådana nivåer, då det just där leder till mindre switchförluster.Advantageously, the current valves are designed so that the average value over time of the voltage across the flying capacitor 22 will be a factor of 0.2 -0.5 times the voltage between the two poles of the direct voltage side. This means that when this factor is less than 0.5, in the blocked state a higher voltage will be taken by the external current valves 1, 4 than the internal 2, 3 at the same time as four different levels can be obtained on the potential »be 10 15 20 As mentioned, it is particularly advantageous that k = 1/3, as this means that the levels Udc / Z, Udc / 6, -Udc / 6 and - Udo / Z can be obtained at the phase output, that is, uniformly distributed levels, so that on average there is the smallest possible difference between the selected voltage level on a pulse and the voltage setpoint a voltage setpoint curve shows. In very special cases, however, a voltage setpoint curve can have such an appearance that it is most advantageous to have unevenly distributed such levels, as this is where it leads to smaller switch losses.

I fig 4 och 5 visas hur i fallet av k = 1/3 de olika möjliga nivåerna på fasutgången ligger i förhållande till en spänningsbörvärdes- kurva i form av en sinuskurva respektive en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent med avseende på sinuskurvans grundton. Således har här de olika strömventilerna skiljaktig spänningsupptagningsförmåga. lnrättningen är anordnad att styra strömventilernas halvledarele- ment på följande sätt för att uppnå en spänning enligt ifrågava- rande spänningsbörvärdeskurva (som inrättningen 24 får som in-~ signal) på fasledningen 19: de yttre ventilerna styrs att släcka och tända med en frekvens i närheten av grundfrekvensen hos växelspänningen hos växelspänningsfasledningen 19, vilken ty- piskt sett kan vara 50 Hz eller 60 Hz, medan de båda inre ström- ventilerna 2, 3 styrs att tända och släcka med en pulsbreddsmo- duleringsfrekvens som är åtminstone en storlek högre än grund- frekvensen, företrädesvis 1 kHz - 2 kHz. Det hänvisas även till fig 6. I praktiken innebär detta att inrättningen 24 är anordnad att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/Z och (1-k) x UdC/Z, vil- ket motsvarar över en första nivå 25, omväxlande göra de båda inre strömventilerna 2, 3 ledande och konstant hålla den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre strömventilen 1 le- dande och den andra yttre strömventilen 4 blockerad. När spän- ningsbörvärdet ligger mellan -UdC/Z och (-1+k) x Udo/Z, vilket mot- svarar under en andra nivå 26, gör styrinrättningen omväxlande de båda inre strömventilerna 2, 3 ledande och håller konstant den närmast den positiva likspänningspolen belägna strömventi- na|;n 10 15 20 25 30 35 522 427 ., n. 13 len 1 blockerad och den motsatta yttre strömventilen 4 ledande.Figs. 4 and 5 show how in the case of k = 1/3 the different possible levels of the phase output lie in relation to a voltage setpoint curve in the form of a sine curve and a sine curve added with a thirteenth component with respect to the fundamental tone of the sine curve. Thus, here the different current valves have different voltage absorption capacity. The device is arranged to control the semiconductor elements of the current valves in the following manner in order to achieve a voltage according to the voltage setpoint curve in question (which the device 24 receives as an input signal) on the phase line 19: the external valves are controlled to switch off and on at a frequency of the fundamental frequency of the alternating voltage of the alternating voltage phase line 19, which may typically be 50 Hz or 60 Hz, while the two internal current valves 2, 3 are controlled to turn on and off with a pulse width modulation frequency which is at least one magnitude higher than the fundamental. the frequency, preferably 1 kHz - 2 kHz. Reference is also made to Fig. 6. In practice this means that the device 24 is arranged that when the voltage setpoint is between Udc / Z and (1-k) x UdC / Z, which corresponds over a first level 25, alternately make the two internal current valves 2, 3 conductive and constantly keep the outer current valve 1 closest to the positive DC pole conducting and the second external current valve 4 blocked. When the voltage setpoint is between -UdC / Z and (-1 + k) x Udo / Z, which corresponds to a second level 26, the control device alternately makes the two internal current valves 2, 3 conductive and constantly keeps it closest to the positive the current voltage pole located current valves |; n 10 15 20 25 30 35 522 427., n. 13 len 1 blocked and the opposite external current valve 4 conductive.

När spännlngsbörvärdet ligger mellan nivåerna 25 och 26 gör styrinrättningen omväxlande den ena yttre strömventilen 1 och den på motsatt sida om fasutgången belägna inre strömventilen 3 ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen 4 och den andra inre strömventilen 2 blockerande och tvärtom. Således switchar de båda yttre strömventilerna 1, 4 endast inom det tidsintervall 27, som ligger mellan spänningsbörvärdeskurvans korsningspunkter av de båda nivåerna 25, 26. Genom adderande av en tredjetonskomponent eller en multipel av tredjetonskompo- nenter till sinuskurvan för att uppnå en spänningsbörvärdeskurva kan denna tid förkortas utan att spänningen mellan faserna änd- ras.When the voltage setpoint is between levels 25 and 26, the control device alternately makes one external current valve 1 and the inner current valve 3 located on the opposite side of the phase output and at the same time the second external current valve 4 and the second inner current valve 2 blocking and vice versa. Thus, the two external current valves 1, 4 switch only within the time interval 27, which lies between the intersection points of the voltage setpoint curve of the two levels 25, 26. By adding a third tone component or a multiple of third tone components to the sine set curve, this time value curve can shortened without changing the voltage between the phases.

Eftersom de yttre strömventilerna 1, 4 switchar med en låg fre- kvens, i närheten av nämnda grundfrekvens, kommer switchför- lusterna i dessa strömventiler att bli mycket låga. l fig 2 visas en omriktaranordning enligt en mycket föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken skiljer sig från den enligt fig 1 genom att här en enhet 28 för så kallad soft-switching av de inre strömventilerna 2, 3 anordnas. Denna enhet är bildad av med respektive strömventil parallellkopplade snubberkondensato- rer 29, 30 samt en resonanskrets för omladdning av dessa snub- berkondensatorer för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarelement vid låg spänning över dessa. Resonanskretsen utgörs av en ARCP-krets (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole). Hur en krets av denna typ fungerar får anses vara allmänt känt, och det hänvisas här bland annat till US 5 047 913. ARCP-kretsen innefattar närmare bestämt en hjälpventil 31 innefattande två seriekopplade hjälp- ventilkretsar 32, 33, vilka vardera innefattar ett släckbart halvle- darelement 34, såsom en IGBT eller en GTO, och en därmed an- tiparallellt kopplad likriktarkomponent 35 i form av en diod, så- som en frihjulsdiod. De släckbara halvledarelementen 34 hos de två hjälpventilkretsarna är anordnade i motsatt polaritet i förhål- lande till varandra. ARCP-kretsen innefattar vidare en induktor panna øufnn 10 15 20 25 30 35 522 427 u - » - . , , . ._ 14 36 som är seriekopplad med hjälpventilkretsarna. Denna hjälp- ventil 31 utgör en dubbelriktad ventil som kan bringas att leda åt ena eller andra hållet. Såsom framgår är den flygande konden- satorn här uppdelad på två kondensatorer 37, 38, vilka tillsam- mans håller en spänning enligt tidigare nämnd faktor k gånger spänningen mellan polerna 5, 6. Mycket kort kan funktionen av denna resonanskrets beskrivas. När exempelvis den inre ventilen 3 leder och strömmen går från fasuttaget till ventilen och denna styrs att släcka förs den ström som går in i fasuttaget från fas- ledningen direkt över till de båda snubberkondensatorerna 29 och 30 och spänningen växer långsamt över strömventilen 3, så att strömmen genom halvledarelementet hinner bli låg innan spänningen blir hög och därmed switchförlusten blir låg. När strömriktningen relativt fasuttaget är densamma och istället dio- den 13 i den inre strömventilen 2 leder och denna skall släckas tänds halvledarelementet 34 i hjälpventilkretsen 32. Lastström- men in mot fasuttaget från fasledningen förs mer och mer över till att gå genom induktorn 36 som har en stor induktans och ström- men därigenom stiger linjärt. När strömmen genom dioden 13 bli- vit noll, det vill säga hela lastströmmen går igenom induktorn 36 kommer spänningen hos fasuttaget 16 att beskriva en sinusfunk- tion och svänga över till att få samma potential som den andra mittpunkten 23, så att halvledarelementet 10 i den inre ström- ventilen 3 då kan tändas vid nollspänning däröver.Since the external current valves 1, 4 switch with a low frequency, in the vicinity of said fundamental frequency, the switch losses in these current valves will be very low. Fig. 2 shows a converter device according to a very preferred embodiment of the invention, which differs from that according to Fig. 1 in that a unit 28 for so-called soft-switching of the internal flow valves 2, 3 is arranged here. This unit is formed by snubber capacitors 29, 30 connected in parallel with the respective current valve and a resonant circuit for recharging these snubber capacitors in order thereby enabling ignition of the extinguishing semiconductor elements of the current valves at low voltage across them. The resonant circuit consists of an ARCP circuit (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole). How a circuit of this type works may be considered to be generally known, and reference is made here inter alia to US 5,047,913. More specifically, the ARCP circuit comprises an auxiliary valve 31 comprising two series-connected auxiliary valve circuits 32, 33, each of which comprises an extinguishable half. element 34, such as an IGBT or a GTO, and a rectifier component 35 coupled thereto in the form of a diode, such as a freewheel diode. The extinguishable semiconductor elements 34 of the two auxiliary valve circuits are arranged in opposite polarity relative to each other. The ARCP circuit further comprises an inductor boiler øufnn 10 15 20 25 30 35 522 427 u - »-. ,,. ._ 14 36 connected in series with the auxiliary valve circuits. This auxiliary valve 31 constitutes a bidirectional valve which can be caused to lead in one direction or the other. As can be seen, the flying capacitor here is divided into two capacitors 37, 38, which together hold a voltage according to the previously mentioned factor k times the voltage between the poles 5, 6. The function of this resonant circuit can be described very briefly. For example, when the internal valve 3 conducts and the current flows from the phase outlet to the valve and this is controlled to go out, the current entering the phase outlet from the phase line is transferred directly to the two snubber capacitors 29 and 30 and the voltage grows slowly across the current valve 3, the current through the semiconductor element has time to become low before the voltage becomes high and thus the switch loss becomes low. When the current direction relative to the phase socket is the same and instead the diode 13 in the internal current valve 2 leads and this is to be switched off, the semiconductor element 34 in the auxiliary valve circuit 32 is lit. The load current towards the phase socket from the phase line is transferred more and more a large inductance and the current thereby rises linearly. When the current through the diode 13 becomes zero, i.e. the entire load current passes through the inductor 36, the voltage of the phase socket 16 will describe a sine function and oscillate to have the same potential as the second center point 23, so that the semiconductor element 10 in the the internal current valve 3 can then be switched on at zero voltage above it.

Genom att använda en resonanskrets av ARCP-typ för de ström- ventiler 2, 3 som switchas med den ordinarie pulsbreddsmodule- ringsfrekvensen, kan omriktaranordningens switchförluster mins- kas ytterligare, samtidigt som kostnaden för resonanskretsen kan göras låg, därest hjälpventilkretsarna 32, 33 endast behöver hantera en låg spänning, vilket är fallet då k är mindre än 0,5, såsom 1/3, då den spänning de måste hantera endast blir Udc/6. l praktiken kommer de yttre ventilerna 1 och 4 att switcha med grundtonsfrekvens vid normal stabil SVC-drift, det vill säga då SVC-n är ansluten till ett växelspänningsnät med sinusformad spänning och med krav på att omriktaranordningen skall leverera u|iun znßa» 10 15 20 25 30 35 522 427 15 en viss reaktiv effekt till eller ifrån det anslutande nätet. Under transienta förhållanden kan man dock tänka sig att spännings- börvärdet kommer att befinna sig en längre tid i spänningsinter- vallet mellan nivåerna 25 och 26 (se fig 4 och 5). Man kan då låta ventilerna 1 och 2 switcha flera gånger per period. Alterna- tivt kan man dock transient acceptera en högre övertonshalt.By using an ARCP-type resonant circuit for the current valves 2, 3 which are switched with the ordinary pulse width modulation frequency, the switch losses of the inverter device can be further reduced, while the cost of the resonant circuit can be made low, where the auxiliary valve circuits 32, 33 only need handle a low voltage, which is the case when k is less than 0.5, such as 1/3, as the voltage they have to handle only becomes Udc / 6. In practice, the external valves 1 and 4 will switch with fundamental frequency during normal stable SVC operation, ie when the SVC is connected to an AC network with sinusoidal voltage and with a requirement that the inverter device deliver u | iun znßa »10 15 20 25 30 35 522 427 15 a certain reactive power to or from the connecting network. Under transient conditions, however, it is conceivable that the voltage setpoint will be for a longer time in the voltage range between levels 25 and 26 (see Figs. 4 and 5). You can then let valves 1 and 2 switch several times per period. Alternatively, however, a higher harmonic content can be transiently accepted.

Tack vare att omriktaranordningen enbart arbetar med reaktiv effekt blir spänningsregleringen av den flygande kondensatorn enkel. Sett under en halvperiod av fasströmmens grundton kom- mer kondensatorns uppladdning att vara lika med dess urladd- ning, så att kondensatorspänningen är naturligt självbalanse- rande.Thanks to the fact that the converter device only works with reactive power, the voltage regulation of the flying capacitor becomes simple. Seen over half a period of the fundamental current of the phase current, the charge of the capacitor will be equal to its discharge, so that the capacitor voltage is naturally self-balancing.

I fig 3 illustreras en omriktaranordning enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken skiljer sig från den enligt fig 2 genom att här även snubberkondensatorer 39, 40 parallell- kopplats med de båda yttre strömventilerna 1, 4, så att tidsderi- vatan av spänningen begränsas och därigenom de kapacitiva strömmarna i anslutande transformator begränsas i samband med att de yttre strömventilerna 1, 4 switchar. Dessa snubber- kondensatorer skulle även kunna ersättas med något annat snubberorgan, såsom en RC-krets. Dessa tillkommande snub- berorgan 39, 40 är fördelaktiga när den del av omriktaren (de inre ventilerna) som arbetar med pulsbreddsmoduleringsfrekven- sen är utformad som resonansomriktare, exempelvis av ARCP- typ, eftersom spänningsderivatan på fasuttaget då blir mycket låg, vilket kan möjliggöra direkt anslutning av omriktaranord- ningen till en transformator, utan mellanliggande reaktorer eller filter. I detta fall åstadkommes såsom nämnt genom organen 39, 40 begränsning av kapacitiva strömmar i anslutande transforma- tor.Fig. 3 illustrates a converter device according to a third preferred embodiment of the invention, which differs from that according to Fig. 2 in that here also snubber capacitors 39, 40 are connected in parallel with the two external current valves 1, 4, so that the time derivative of the voltage is limited and thereby the capacitive currents in the connecting transformer are limited in connection with the external current valves 1, 4 switching. These snub capacitors could also be replaced with another snub member, such as an RC circuit. These additional snub means 39, 40 are advantageous when the part of the converter (the inner valves) which operates with the pulse width modulation frequency is designed as a resonant converter, for example of the ARCP type, since the voltage derivative on the phase socket then becomes very low, which can enable direct connection of the inverter device to a transformer, without intermediate reactors or filters. In this case, as mentioned by the means 39, 40, limitation of capacitive currents in the connecting transformer is effected.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området utan att denne för den skull avviker från uppfin- >uaan »»||n 522 427 §jj='-.___,-' s::j_' 16 ningens grundtanke, sådan denna definieras i de bifogade pa- tentkraven.The invention is of course not in any way limited to the preferred embodiments described above, but a number of possibilities for modifications thereof should be obvious to a person skilled in the art without him deviating from the invention for this purpose. n 522 427 §jj = '-.___, -'s :: j_' 16 basic idea, as defined in the appended claims.

Såsom redan tidigare nämnts skulle andra typer av enheter för åstadkommande av ”soft-switching” av de inre strömventilerna än en ARCP-krets kunna användas, och en fackman på området in- ser sådana möjligheter.As mentioned earlier, other types of devices for providing soft-switching of the internal flow valves than an ARCP circuit could be used, and one skilled in the art will recognize such possibilities.

Claims (26)

10 15 20 25 30 35 s22 427 ¿ 17 Patentkrav10 15 20 25 30 35 s22 427 ¿17 Patent claims 1. Anordning för omriktning av växelspänning till likspänning och vice versa ingående i en SVC (Static Var Compensator) med en likspänningssida bildad av en eller flera fritt hängande konden- satorer (7), varvid anordningen innefattar en mellan två poler (5, 6), en positiv och en negativ, hos nämnda likspänningssida an- ordnad seriekoppling av minst fyra strömventiler (1-4) vardera innefattande ett släckbart halvledarelement (8-11) och en därmed antiparallellt kopplad likriktarkomponent (12-15), en växelspän- ningsfasledning (19) ansluten till en första mittpunkt (16), be- nämnd fasutgång, på seriekopplingen mellan två strömventiler under uppdelande av seriekopplingen i två lika delar, varvid likspänningssidans båda poler är lagda på väsentligen samma spänning men med motsatta tecken i förhållande till en nollspän- ningsnivå hos likspänningssidan, varvid den innefattar en andra mittpunkt (21) mellan två nämnda strömventiler hos den ena de- len hos seriekopplingen som är via en flygande kondensator (22, 37, 38) ansluten till en med avseende på fasutgången motsva- rande andra mittpunkt (23) hos seriekopplingens andra del, och en inrättning (24) för styrande av strömventilernas halvledarele- ment att alstra ett tåg av pulser med bestämda amplituder enligt ett pulsbreddsmoduleringsmönster på anordningens fasutgàng genom omväxlande anslutning av fasutgången till åtminstone likspänningssidans pluspol, minuspol samt var och en av nämnda andra mittpunkter genom att strömventilen/strömventilerna mel- lan en annan andra mittpunkt och den närmast denna belägna likspänningspolen samt strömventilen/strömventilerna mellan ifrågavarande andra mittpunkt och fasutgången görs ledande, för att ge fasutgången en spänningsnivå motsvarande en summa av spänningen hos nämnda närmaste likspänningspol och spän- ningen över den flygande kondensatorn, kännetecknad därav, att inrättningen är anordnad att styra halvledarelementen (9,10) hos de inre strömventilerna (2, 3) mellan de båda andra mitt- punkterna att tändas och släckas med en pulsbreddsmodule- ringsfrekvens som är åtminstone en storleksordning högre än grundfrekvensen hos växelspänningen hos nämnda växelspän- 10 15 20 25 30 35 522 427 18 ningsfasledning och att styra halvledarelementen (8, 11) hos de yttre strömventilerna (1, 4) mellan respektive andra mittpunkt och den närmast denna belägna likspänningspol att tändas och släckas med en frekvens som är väsentligt lägre än nämnda pulsbreddsmoduleringsfrekvens och inom eller i närheten av fre- kvensområdet en eller några gånger nämnda grundfrekvens, att halvledarelementen samt likriktarkomponenterna hos nämnda strömventiler är utformade så att medelvärdet över tiden hos spänningen över den flygande kondensatorn (22, 37, 38) kommer att vara en faktor f gånger spänningen mellan likspänningssidans båda poler (5, 6), med 0,2 s f < 0,5.Device for converting alternating voltage to direct voltage and vice versa included in an SVC (Static Var Compensator) with a direct voltage side formed by one or more freely hanging capacitors (7), the device comprising one between two poles (5, 6) , a positive and a negative, at said DC voltage side arranged series connection of at least four current valves (1-4) each comprising a quenchable semiconductor element (8-11) and a rectifier component (12-15) connected thereto, an alternating voltage phase line ( 19) connected to a first center point (16), called phase output, on the series connection between two current valves while dividing the series connection into two equal parts, the two poles of the direct voltage side being laid at substantially the same voltage but with opposite signs in relation to a zero voltage. level of the direct voltage side, wherein it comprises a second center point (21) between two said flow valves of one part of the series connection which is via a flying capacitor (22, 37, 38) connected to a second center point (23) of the second part of the series connection corresponding to the phase output, and a device (24) for controlling the semiconductor elements of the current valves to generate a train of pulses with determined amplitudes according to a pulse width modulation pattern on the phase output of the device by alternating connection of the phase output to at least the DC pole plus pole, minus pole and each of said second midpoints by the current valve (s) between another second midpoint and center point and the phase output are made conductive, to give the phase output a voltage level corresponding to a sum of the voltage of said nearest DC voltage pole and the voltage across the flying capacitor, characterized in that the device is arranged to control the semiconductor elements (9,10) of the internal current valves 2, 3) between the two other mit the t-points to be turned on and off with a pulse width modulation frequency which is at least an order of magnitude higher than the fundamental frequency of the alternating voltage of said alternating voltage phase line and to control the semiconductor elements (8, 11) of the external current valves ( 1, 4) between the respective second center point and the nearest DC pole to be turned on and off at a frequency which is substantially lower than said pulse width modulation frequency and within or near the frequency range one or a few times said fundamental frequency, that the semiconductor elements and the rectifier components of said current valves are designed so that the average value over time of the voltage across the flying capacitor (22, 37, 38) will be a factor f times the voltage between the two poles of the DC voltage side (5, 6), with 0.2 sf <0.5. 2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att inrättningen (24) är anordnad att styra halvledarelementen hos nämnda yttre strömventiler (1, 4) att tändas och släckas med en frekvens som är 1-5 gånger nämnda grundfrekvens.Device according to claim 1, characterized in that the device (24) is arranged to control the semiconductor elements of said external current valves (1, 4) to be switched on and off with a frequency which is 1-5 times said fundamental frequency. 3. Anordning enligt krav 2, kännetecknad därav, att inrättningen (24) är anordnad att styra halvledarelementen hos nämnda yttre strömventiler (1, 4) att tändas och släckas med en frekvens som är väsentligen lika med nämnda grundfrekvens.Device according to claim 2, characterized in that the device (24) is arranged to control the semiconductor elements of said external current valves (1, 4) to be switched on and off at a frequency which is substantially equal to said fundamental frequency. 4. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att inrättningen (24) är anordnad att tända och släcka halvledarelementen hos de inres strömventilerna (2, 3) med en frekvens som är 15-45 gånger nämnda grundfrekvens.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (24) is arranged to switch on and off the semiconductor elements of the internal current valves (2, 3) with a frequency which is 15-45 times said fundamental frequency. 5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda grundfrekvens är i storleksordningen 40-70 Hz, företrädesvis 50 Hz eller 60 Hz.Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said fundamental frequency is in the order of 40-70 Hz, preferably 50 Hz or 60 Hz. 6. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att nämnda faktor är 1/3.Device according to claim 1, characterized in that said factor is 1/3. 7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att varje nämnd strömventil (1, 4) innefattar ett antal se- riekopplade nämnda halvledarelement med därmed antiparallellt 10 15 20 25 30 35 522 427 19 kopplade Iikriktarkomponenter, och att inrättningen (24) är an- ordnad att styra samtliga halvledarelement inom en och samma strömventil att tändas och släckas simultant.Device according to any one of the preceding claims, characterized in that each said flow valve (1, 4) comprises a number of said semiconductor elements connected in series with rectifier components connected thereto in parallel, and that the device (24) is arranged to control all semiconductor elements within one and the same current valve to be switched on and off simultaneously. 8. Anordning enligt krav 7, kännetecknad därav, att de inre och yttre strömventilerna uppvisar likadana halvledarelement och lik- riktarkomponenter, och att de yttre strömventilerna (1, 4) är för- sedda med fler seriekopplade halvledarelement och likriktarkom- ponenter än de inre strömventilerna (2, 3).Device according to Claim 7, characterized in that the inner and outer current valves have the same semiconductor elements and rectifier components, and in that the outer current valves (1, 4) are provided with more semiconductor elements and rectifier components connected in series than the inner current valves. (2, 3). 9. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att den innefattar en enhet (28) anordnad att möjliggöra så kallad soft-switching av de inre strömventilernas halvledarele- ment, det vill säga så att inte höga spänningar och höga ström- mar kombineras hos halvledarelementen (9, 10) i dessa båda ventiler (2, 3).Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a unit (28) arranged to enable so-called soft-switching of the semiconductor elements of the internal current valves, i.e. so that high voltages and high currents are not combined. of the semiconductor elements (9, 10) in these two valves (2, 3). 10. Anordning enligt krav 9, kännetecknad därav, att de båda inre strömventilerna (2, 3) har var sin snubberkondensator (29, 30) kopplad parallellt med nämnda släckbara halvledarelement.Device according to claim 9, characterized in that the two internal current valves (2, 3) each have their own snubber capacitor (29, 30) connected in parallel with said extinguishable semiconductor elements. 11. Anordning enligt krav 10, kännetecknad därav, att nämnda enhet (28) innefattar en resonanskrets för omladdning av ström- ventilernas snubberkondensatorer (29, 30) för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarele- ment vid låg spänning över dessa.Device according to claim 10, characterized in that said unit (28) comprises a resonant circuit for recharging the snub capacitors (29, 30) of the current valves, thereby enabling ignition of the extinguishing semiconductor elements of the current valves at low voltage across them. 12. Anordning enligt krav 11,kännetecknad därav, att resonans- kretsen utgörs av en ARCP-krets (ARCP = Auxiliary Resonant Commutation Pole).Device according to Claim 11, characterized in that the resonant circuit consists of an ARCP (Auxiliary Resonant Commutation Pole). 13. Anordning enligt krav 12, kännetecknad därav, att ARCP- kretsen innefattar en hjälpventil (31) innefattande åtminstone en uppsättning av två seriekopplade hjälpventilkretsar (32, 33), vilka vardera innefattar ett släckbart halvledarelement (34) och en därmed antiparallellt kopplad likriktarkomponent (35), varvid de släckbara halvledarelementen hos de tvâ hjälpventilkretsarna är 10 15 20 25 30 35 522 427 20 anordnade i motsatt polaritet i förhållande till varandra, samt att ARCP-kretsen vidare innefattar en induktor (36) som är serie- kopplad med nämnda uppsättning av hjälpventilkretsar.Device according to claim 12, characterized in that the ARCP circuit comprises an auxiliary valve (31) comprising at least a set of two series-connected auxiliary valve circuits (32, 33), each of which comprises a switchable semiconductor element (34) and a rectifier component (4) connected thereto. 35), the extinguishable semiconductor elements of the two auxiliary valve circuits being arranged in opposite polarity relative to each other, and the ARCP circuit further comprising an inductor (36) connected in series with said set of auxiliary valve circuits. 14. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att de båda yttre strömventilerna har var sitt snubberorgan (39, 40), t.ex. en snubberkondensator eller en RC-krets, kopplat parallellt med nämnda släckbara halvledarelement.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the two external flow valves each have their own snub means (39, 40), e.g. a snubber capacitor or an RC circuit, connected in parallel with said extinguished semiconductor device. 15. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda inrättning (24) är anordnad att styra ström- ventilernas halvledarelement och därmed strömventilerna efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning, och att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/2 och (1-k) x Udc/2, motsva- rande över en första nivå (25), omväxlande göra de båda inre strömventilerna (2, 3) ledande och konstant hålla den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre strömventilen (1) ledande och den andra yttre strömventilen (4) blockerad, att när spänningsbörvärdet ligger mellan -Udc/Z och (-1 + k) x Udc/Z, motsvarande under en andra nivå (26), omväxlande göra de båda inre strömventilerna (2, 3) ledande och konstant hålla den när- mast den positiva likspänningspolen belägna strömventilen (1) blockerad och den motsatta yttre strömventilen (4) ledande, och att då spänningsbörvärdet ligger mellan nämnda båda nivåer om- växlande göra den ena yttre strömventilen (1) och den på motsatt sida om fasutgången belägna inre strömventilen (3) ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen (4) och den andra inre strömventilen (2) blockerande och tvärtom, varvid Udc är spän- ningen mellan nämnda båda likspänningspoler och k är nämnda faktor.Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said device (24) is arranged to control the semiconductor elements of the current valves and thus the current valves according to a voltage setpoint for said phase voltage, and that when the voltage setpoint is between Udc / 2 and (1-k ) x Udc / 2, corresponding over a first level (25), alternately making the two internal current valves (2, 3) conductive and constantly keeping the external current valve (1) adjacent to the positive DC pole and the second external current valve (1) conductive 4) blocked, that when the voltage setpoint is between -Udc / Z and (-1 + k) x Udc / Z, corresponding to a second level (26), alternately make the two internal current valves (2, 3) conductive and constantly keep it closest to the positive DC terminal located current valve (1) blocked and the opposite external current valve (4) conductive, and that when the voltage setpoint is between said two levels alternately make one external current valve (1) and the opposite tt side of the phase output located the inner current valve (3) conductive and at the same time the second outer current valve (4) and the second inner current valve (2) blocking and vice versa, wherein Udc is the voltage between said two direct voltage poles and k is said factor. 16. Anordning enligt krav 15, kännetecknad därav, att nämnda inrättning (24) är anordnad att styra strömventilerna (1-4) efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning med formen av en sinuskurva adderad med en tredjetonskomponent eller en multipel av tredjetonskomponenter med avseende på sinuskur- vans grundton för förlängande av den tid spänningsbörvärdet be- 10 15 20 25 30 35 522 427 21 finner sig över nämnda första nivå (25) och under nämnda andra nivå (26) och de båda yttre strömventilerna (1, 4) kan befinna sig i ett fast läge och inte måste switchas.Device according to claim 15, characterized in that said device (24) is arranged to control the current valves (1-4) according to a voltage setpoint for said phase voltage in the form of a sine wave added with a third tone component or a multiple of third tone components with respect to sine wave. the basic tone of the vane for extending the time the voltage setpoint is located above said first level (25) and below said second level (26) and the two external flow valves (1, 4) may be located in a fixed position and does not need to be switched. 17. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda haivledarelement är IGBT-er (lnsulated Gate Bipolar Transistor), GTO-er (Gate Turn-Off Thyristor) eller IGCT- er (lntegrated Gate Commutated Thyristor).Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said shark conductor elements are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), GTOs (Gate Turn-Off Thyristor) or IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristor). 18. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att likspänningssidan är avsedd att ha en spänning mellan sina båda poler (5, 6) överstigande 10 kV, företrädesvis mellan 10 och 500 kV.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the direct voltage side is intended to have a voltage between its two poles (5, 6) in excess of 10 kV, preferably between 10 and 500 kV. 19. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att antalet faser hos växelspänningsnätet är tre.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the number of phases of the alternating voltage network is three. 20. Förfarande för styrning av en omriktaranordning enligt krav 1, kännetecknat därav, att halvledarelementen hos nämnda yttre strömventiler (1, 4) styrs att tända och släcka med en frekvens som är 1-5 gånger nämnda grundfrekvens.Method for controlling a converter device according to claim 1, characterized in that the semiconductor elements of said external current valves (1, 4) are controlled to turn on and off with a frequency which is 1-5 times said fundamental frequency. 21. Förfarande enligt krav 20, kännetecknat därav, att halvle- darelementen hos de inre strömventilerna (2, 3) styrs att tända och släcka med en frekvens som är 15-45 gånger nämnda grundfrekvens.Method according to claim 20, characterized in that the semiconductor elements of the internal current valves (2, 3) are controlled to turn on and off with a frequency which is 15-45 times said fundamental frequency. 22. Förfarande enligt krav 20 för styrning av en anordning enligt krav 1, kännetecknat därav, att strömventilernas halvledarele- ment styrs efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning så att när spänningsbörvärdet ligger mellan Udc/Z och (1-k) x Udc/Z, motsvarande över en första nivå (25), görs de båda inre strömventilerna (2, 3) omväxlande ledande och hålls konstant den närmast den positiva likspänningspolen liggande yttre ström- ventilen (1) ledande och den andra yttre strömventilen (4) block- erad, när spänningsbörvärdet ligger mellan -Udc/Z och (-1 + k) x Udo/Z, motsvarande under en andra nivå (26), görs de båda inre 10 15 20 25 30 522 427 22 strömventilerna (2, 3) omväxlande ledande och hålls konstant den närmast den positiva likspänningspolen belägna strömventi- len (1) blockerad och den motsatta yttre strömventilen (4) le- dande, och när spänningsbörvärdet ligger mellan nämnda båda nivåer görs omväxlande den ena yttre strömventilen (1) och den på motsatt sida av fasutgången belägna inre strömventilen (3) ledande och samtidigt den andra yttre strömventilen (4) och den andra inre strömventilen (2) blockerande och tvärtom, varvid Udc är spänningen mellan nämnda båda likspänningspoler och k är nämnda faktor.Method according to claim 20 for controlling a device according to claim 1, characterized in that the semiconductor elements of the current valves are controlled according to a voltage setpoint for said phase voltage so that when the voltage setpoint is between Udc / Z and (1-k) x Udc / Z, correspondingly over a first level (25), the two internal current valves (2, 3) are made alternately conductive and the external current valve (1) adjacent to the positive voltage pole is kept constant and the second external current valve (4) is blocked, when the voltage setpoint is between -Udc / Z and (-1 + k) x Udo / Z, corresponding to a second level (26), the two internal current valves (2, 3) are alternately conductive and the current valve (1) located closest to the positive voltage pole is kept constantly blocked and the opposite external current valve (4) conductive, and when the voltage setpoint is between said two levels, one external current valve (1) and the one on the opposite side of phase output a located internal current valve (3) conductive and at the same time the second external current valve (4) and the second internal current valve (2) blocking and vice versa, wherein Udc is the voltage between said two direct voltage poles and k is said factor. 23. Förfarande enligt krav 22, kännetecknat därav, att ström- ventilerna (1-4) styrs efter ett spänningsbörvärde för nämnda fasspänning med formen av en sinuskurva adderad med en tred- jetonskomponent eller en multipel av tredjetonskomponenter med avseende på sinuskurvans grundton för förlängande av den tid spänningsbörvärdet befinner sig över nämnda första nivå och under nämnda andra nivå och de båda yttre strömventilerna kan befinna sig i ett fast läge och inte måste switchas.Method according to claim 22, characterized in that the current valves (1-4) are controlled according to a voltage setpoint for said phase voltage in the form of a sinusoidal curve added with a three-tone component or a multiple of third-tone components with respect to the fundamental tone of the sine curve for extending the time the voltage setpoint is above said first level and below said second level and the two external flow valves may be in a fixed position and not have to be switched. 24. Datorprogramprodukt ämnad att laddas direkt in i internmin- net hos en dator och innefattande mjukvarukodpartier för instrue- rande av en processor att genomföra stegen enligt något av kra- ven 20-23 när produkten körs på en dator.A computer program product intended to be loaded directly into the internal memory of a computer and comprising software code portions for instructing a processor to perform the steps of any of claims 20-23 when the product is run on a computer. 25. Datorprogramprodukt enligt krav 24 tillhandahållen åtmins- tone delvis över ett nätverk såsom Internet.The computer program product of claim 24 provided at least in part over a network such as the Internet. 26. Datorläsbart medium med ett därpå registrerat program äm- nat att bringa en dator att styra stegen enligt något av kraven 20- 23.Computer readable medium with a program registered thereon intended to cause a computer to control the steps according to any one of claims 20-23.