WO2012119645A1 - Anlage zum übertragen elektrischer energie von einer gleichstromleitung zu einem wechselspannungsnetz - Google Patents

Anlage zum übertragen elektrischer energie von einer gleichstromleitung zu einem wechselspannungsnetz Download PDF

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Mark Davies
Herbert Gambach
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H02H7/1225—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters responsive to internal faults, e.g. shoot-through

Definitions

  • the invention relates to a system for transmitting electrical energy from a DC line to an AC voltage network via a self-commutated inverter, in which the self-commutated inverter is associated with a diode on the DC side.
  • the invention has for its object to provide a system for transmitting electrical energy, which can reduce or interrupt the current flow with comparatively little effort in case of a fault or short circuit on the DC line.
  • the diode is arranged with its direction of passage in the energy flow direction in a system of the type specified in the introduction.
  • the system according to the invention advantageously only one diode in the DC line in the vicinity of the self-commutated inverter to completely prevent a current flow through the inverter to the short circuit point on the DC line in case of failure.
  • the diode can be arranged in the system according to the invention in different ways with respect to the self-commutated inverter; In an advantageous embodiment, the diode is connected to the positive-side terminal of the inverter. It can also be advantageous to connect the diode to the negative-side connection of the self-commutated inverter.
  • the DC line is connected to a feeding AC voltage network via a rectifier with reversibility of the polarity of its DC voltage.
  • the plant according to the invention can be on the supply side also bi ⁇ polar run by the rectifier one of further rectifier with possibility of reversal of the polarity was ⁇ ner DC voltage is arranged in series, which is connected to another busbar of the feeding Kirwoodsnet ⁇ zes.
  • the system according to the invention can advantageously be designed to be bipolar, in that a further inverter is connected in series with one of the inverters. is ordered, which is connected to a further alternating voltage network.
  • the rectifiers with reversibility of the polarity of their DC voltage advantageously comprise thyristor valves or modular multilevel inverters with H-bridge submodules.
  • the inverters are advantageously electronic power semiconductors which can be switched off on the control side. Particularly preferred is an embodiment of the inverter as a multi-level inverter.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an inventive
  • Fig. 2 shows another embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows another embodiment of the invention
  • the system shown in Fig. 1 comprises a DC line 1 with two lines 2 and 3, is transmitted via the supplied from a feeding AC voltage network 4 electrical energy to egg ⁇ nem AC voltage network 5.
  • the feeding AC voltage network 4 is connected via a known transformer arrangement 6 in a so-called six-pulse circuit to a rectifier 7, which is designed as a rectifier with reverse polarity of its DC voltage.
  • the rectifier with thyristor valves can be formed, as is described in German Laid ⁇ specification DE 10 2005 012 371 Al.
  • a DC Id is unidirectionally from the rectifier 7 via the lying at the DC voltage + Ud line 2 via a diode 8 to a self-commutated inverter 9, which may be performed in a known manner, for example, a so-called.
  • VSC Voltage Source Converter
  • the diode 8 is arranged so that it lies with its forward direction in normal, error-free operation in the energy flow direction.
  • the self-commutated inverter 9 is connected to the alternating voltage network 5.
  • FIG. 2 corresponds largely to that of FIG. 1, and therefore diesel ⁇ ben reference numerals have been used for corresponding facilities. Only one diode 20 is arranged here on the negative-side terminal of the inverter 9, again with a polarity, the one
  • FIG. 3 is also very similar to the embodiment shown in FIG. 1, which is why the same reference numerals have been used here for matching components.
  • the plant of FIG. 3 is executed feed-side bipolar, by the supplying alternating ⁇ voltage network 4 comprises a further feeding busbar 30 on ⁇ , which is connected via an additional transformer assembly 31 in, for example, six-pulse circuit, and via a further rectifier 32 with possibility of reversal of the polarity of its DC voltage to the DC power line 1; the two rectifiers 7 and 32 are arranged in series with a common grounded node.
  • the diode 8 it is prevented by the diode 8 that, after detecting a fault on the DC line 1, a current can flow from the inductances of the self-commutated inverter 9 to the short-circuit point.
  • FIG. 4 is very similar to that of FIG. 3; matching elements are therefore provided here with the same reference numerals. It can be seen that the system shown here is on the inverter side bipolar out forms ⁇ ; In series with the series connection of the one inverter 9 and the one diode 8 is here another inverter 40 with charging capacitor 41 and a further diode 42. A common circuit point 43 of the two inverters 9 and 40 is grounded. The further inverter 40 is connected via a further additional transformer arrangement 43 with a further alternating voltage network 44. Again, through the two diodes 8 and 42, a backflow in the event of a fault on the DC line 1 is prevented.
  • a system according to the invention can also be unipolar on the supply side - ie with a single rectifier on a single busbar - and bipolar on the inverter side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Übertragen elektrischer Energie von einer Gleichstromleitung (1) zu einem Wechselspannungsnetz (5) über einen selbstgeführten Wechselrichter (9), bei der dem selbstgeführten Wechselrichter (9) gleichspannungsseitig eine Diode zugeordnet ist. Um bei einer solchen Anlage im Falle eines Fehlers den Stromfluss mit geringem Aufwand verringern zu können, ist die Diode (8) mit ihrer Durchlassrichtung in Energieflussrichtung angeordnet. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Gleichstromleitung (1) mit einem speisenden Wechselspannungsnetz (4) über einen Gleichrichter (7) mit Umkehrmöglichkeit der Polarität seiner Gleichspannung verbunden.

Description

Beschreibung
Anlage zum Übertragen elektrischer Energie von einer Gleichstromleitung zu einem Wechselspannungsnetz
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Übertragen elektrischer Energie von einer Gleichstromleitung zu einem Wechselspannungsnetz über einen selbstgeführten Wechselrichter, bei der dem selbstgeführten Wechselrichter gleichspannungsseitig eine Diode zugeordnet ist.
Eine derartige Anlage lässt sich der Übersetzung DE 698 37 414 T2 2007.12.20 der europäischen Patentschrift EP 0 867 998 Bl entnehmen. Bei der bekannten Anlage ist zur schnellen Be- grenzung eines Stromes im Falle eines Fehlers auf der Gleich¬ stromleitung in einer der Leitungen der Gleichstromleitung eine Parallelschaltung mindestens eines Absperrhalbleiterbau¬ teils und eines Überspannungsabieiters vorgesehen; parallel zu dieser Parallelschaltung ist eine Diode mit Durchlassrich- tung entgegen dem Energiefluss angeordnet. Im Normalbetrieb wird das Absperrhalbleiterbauteil durchlässig gehalten, wäh¬ rend es bei einem gleichstromleitungsseitigen Fehler von einer Steuervorrichtung mit hoher Frequenz abwechselnd gesperrt und geöffnet wird, wodurch eine Strombegrenzung und gegebe- nenfalls auch eine Stromunterbrechung eintritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Übertragen elektrischer Energie zu schaffen, mit der sich mit vergleichsweise geringem Aufwand bei einem Fehler bzw. Kurz- schluss an der Gleichstromleitung der Stromfluss verringern bzw. unterbrechen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anlage der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Diode mit ihrer Durch- lassrichtung in Energieflussrichtung angeordnet.
Es bedarf daher bei der erfindungsgemäßen Anlage in vorteilhafter Weise lediglich einer Diode in der Gleichstromleitung in der Nähe des selbstgeführten Wechselrichters, um im Fehlerfalle einen Stromfluss über den Wechselrichter zur Kurzschlussstelle an der Gleichstromleitung vollständig zu unterbinden. Dies ist darauf zurück zu führen, dass die Diode auf Grund ihrer Polung im Kurzschlussfall auf der Gleichstromlei¬ tung einen Stromrückfluss aus den gleichstromseitigen Anschlüssen des selbstgeführten Wechselrichters in die Gleichstromleitung verhindert. Die Diode kann in der erfindungsgemäßen Anlage in unterschiedlicher Weise in Bezug auf den selbstgeführten Wechselrichter angeordnet sein; bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Diode an den positivseitigen Anschluss des Wechselrichters angeschlossen. Vorteilhaft kann es auch sein, die Diode an den negativseitigen Anschluss des selbstgeführten Wechselrichters anzuschließen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage ist die Gleichstromleitung mit einem speisenden Wechselspannungsnetz über einen Gleichrichter mit Umkehrmöglichkeit der Polarität seiner Gleichspannung verbunden. Damit besteht im Fehlerfalle die vorteilhafte Möglich¬ keit, auch von der Speiseseite her einen Strom zu unterbinden, indem der Gleichrichter im Kurzschlussfall durch Ände- rung der Polarität seiner Gleichspannung gesperrt bzw. in die Wechselrichterendlage gesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Anlage lässt sich speiseseitig auch bi¬ polar ausführen, indem mit dem einen Gleichrichter ein wei- terer Gleichrichter mit Umkehrmöglichkeit der Polarität sei¬ ner Gleichspannung in Reihe angeordnet ist, der mit einer weiteren Sammelschiene des einspeisenden Wechselspannungsnet¬ zes verbunden ist. Auch auf der Wechselrichterseite kann die erfindungsgemäße Anlage vorteilhaft bipolar ausgestaltet sein, indem mit dem einen Wechselrichter ein weiterer Wechselrichter in Reihe an- geordnet ist, der mit einem weiteren Wechselspannungsnetz verbunden ist.
In der erfindungsgemäßen Anlage enthalten die Gleichrichter mit Umkehrmöglichkeit der Polarität ihrer Gleichspannung in vorteilhafter Weise Thyristorventile oder modulare Multile- vel-Umrichter mit H-Brücken-Submodulen .
Die Wechselrichter sind vorteilhaft steuerseitig abschaltbare elektronische Leistungshalbleiter. Besonders bevorzugt wird eine Ausbildung der Wechselrichter als Multi-Level-Umrichter.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Anlage mit einem Gleichrichter und einem Wechselrichter mit positivseitig angeordneter Diode, in
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anlage mit einem Gleichrichter und einem Wechselrichter mit negativseitig angeordneter Diode, in
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anlage mit zwei Gleichrichtern und einem Wechselrichter mit positivseitig angeordneter Diode und in Fig. 4 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der erfindungsge¬ mäßen Anlage mit bipolarer Ausgestaltung an beiden Enden der Gleichstromleitung
dargestellt .
Die in Fig. 1 gezeigte Anlage weist eine Gleichstromleitung 1 mit zwei Leitungen 2 und 3 auf, über die von einem speisenden Wechselspannungsnetz 4 gelieferte elektrische Energie zu ei¬ nem Wechselspannungsnetz 5 übertragen wird. Dazu ist das speisende Wechselspannungsnetz 4 über eine bekannte Transformatoranordnung 6 in sog. Sechspuls-Schaltung an einen Gleichrichter 7 angeschlossen, der als Gleichrichter mit Umkehrmög- lichkeit der Polarität seiner Gleichspannung ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Gleichrichter mit Thyristorventilen so ausgebildet sein, wie es in der deutschen Offenlegungs¬ schrift DE 10 2005 012 371 AI beschrieben ist. Auch kommt ei- ne Ausführung als modularer Multilevel-Umrichter mit H- Brücken-Submodulen in Frage, wie er beispielsweise in der DE 101 03 031 AI beschrieben ist. Ein Gleichstrom Id wird unidirektional von dem Gleichrichter 7 über die an der Gleichspannung +Ud liegende Leitung 2 über eine Diode 8 zu einem selbstgeführten Wechselrichter 9, der in bekannter Weise ausgeführt sein kann, beispielsweise ein sog. VSC (Voltage Source Converter) -Wechselrichter mit Lade- kondensator 10 ist. Die Diode 8 ist dabei so angeordnet, dass sie mit ihrer Durchlassrichtung bei normalem, fehlerfreien Betrieb in Energieflussrichtung liegt. Über eine weitere Transformatoranordnung 11 ist der selbstgeführte Wechselrichter 9 an das Wechselspannungsnetz 5 angeschlossen.
Tritt ein Kurzschluss an einer Stelle 12 auf der Leitung 2 auf, dann wird der Stromfluss von der speisenden Seite mit dem Gleichrichter 7 her unterbrochen, indem dieser so gesteuert wird, dass sich die Polarität seiner Gleichspannung um- kehrt, wodurch ein weiterer Stromfluss unterbunden wird. Ein Stromrückfluss aus den nicht gezeigten Induktivitäten des selbstgeführten Wechselrichters 9 in die Kurzschlussstelle kann wegen der jetzt sperrenden Wirkung der Diode 8 nicht erfolgen. Ein womöglich an der Kurzschlussstele vorhandener Lichtbogen wird schnell gelöscht.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht weitgehend dem nach Fig. 1, weshalb für entsprechende Einrichtungen diesel¬ ben Bezugszeichen verwendet worden sind. Lediglich eine Diode 20 ist hier an dem negativseitigen Anschluss des Wechselrichters 9 angeordnet, wiederum mit einer Polung, die einen
Stromrückfluss aus den Induktivitäten des Wechselrichters 9 zur Kurzschlussstelle verhindert. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ebenfalls dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sehr ähnlich, weshalb auch hier für übereinstimmende Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet worden sind. Die Anlage nach Fig. 3 ist speiseseitig bipolar ausgeführt, indem das speisende Wechsel¬ spannungsnetz 4 eine weitere speisende Sammelschiene 30 auf¬ weist, die über eine zusätzliche Transformatoranordnung 31 in beispielsweise Sechspuls-Schaltung und über einen weiteren Gleichrichter 32 mit Umkehrmöglichkeit der Polarität seiner Gleichspannung an die Gleichstromleitung 1 angeschlossen ist; die beiden Gleichrichter 7 und 32 sind in Reihe angeordnet mit einem gemeinsamen geerdeten Schaltungspunkt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist durch die Diode 8 verhindert, dass nach Erkennen eines Fehlers auf der Gleichstromleitung 1 ein Strom aus den Induktivitäten des selbstgeführten Wechselrichters 9 zur Kurzschlussstelle fließen kann.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ähnelt sehr dem nach Fig. 3; übereinstimmende Elemente sind deshalb hier mit denselben Bezugszeichen versehen. Es ist zu erkennen, dass die hier gezeigte Anlage auch auf der Wechselrichterseite bipolar ausge¬ bildet ist; in Reihe mit der Reihenschaltung aus dem einen Wechselrichter 9 und der einen Diode 8 liegt hier ein weite- rer Wechselrichter 40 mit Ladekondensator 41 und eine weitere Diode 42. Ein gemeinsamer Schaltungspunkt 43 der beiden Wechselrichter 9 und 40 ist geerdet. Der weitere Wechselrichter 40 ist über eine weitere zusätzliche Transformatoranordnung 43 mit einem weiteren Wechselspannungsnetz 44 verbunden. Auch hier ist durch die beiden Dioden 8 und 42 ein Stromrückfluss im Falle eines Fehlers auf der Gleichstromleitung 1 verhindert .
Es ist verständlich, dass auch eine Anlage gemäß der Erfin- dung speiseseitig unipolar - also mit einem einzigen Gleichrichter an einer einzigen Sammelschiene - und wechselrichter- seitig bipolar ausgeführt sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zum Übertragen elektrischer Energie von einer
Gleichstromleitung (1) zu einem Wechselspannungsnetz (5) über einen selbstgeführten Wechselrichter (9), bei der
• dem selbstgeführten Wechselrichter (9) gleichspannungs- seitig eine Diode zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
• die Diode (8) mit ihrer Durchlassrichtung in Energie- flussrichtung angeordnet ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Diode (7) an den positivseitigen Anschluss des Wechselrichters (9) angeschlossen ist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Diode (20) an den negativseitigen Anschluss des
Wechselrichters angeschlossen ist.
4. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Gleichstromleitung (1) mit einem speisenden Wechselspannungsnetz (4) über einen Gleichrichter (7) mit Umkehrmöglichkeit der Polarität seiner Gleichspannung verbunden ist.
5. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
• mit dem einen Gleichrichter (7) ein weiterer Gleichrich- ter (32) mit Umkehrmöglichkeit der Polarität seiner
Gleichspannung in Reihe angeordnet ist, der mit einer weiteren Sammelschiene (30) des einspeisenden Wechsel¬ spannungsnetzes (4) verbunden ist.
6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • mit dem einen Wechselrichter (9) ein weiterer Wechselrichter (40) in Reihe angeordnet ist, der mit einem wei¬ teren Wechselspannungsnetz (44) verbunden ist.
7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass
• die Gleichrichter (7,32) mit Umkehrmöglichkeit der Pola rität ihrer Gleichspannung Thyristorventile enthalten.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Gleichrichter mit Umkehrmöglichkeit der Polarität ihrer Gleichspannung modulare Multilevel-Umrichter mit H-Brücken-Submodulen sind.
9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch kennzeichnet, dass
• die Wechselrichter (9,40) steuerseitig abschaltbare
elektronische Leistungshalbleiter enthalten.
10. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Wechselrichter (9,20) als modulare Multilevel- Umrichter ausgebildet sind.
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