ES2693680T3 - Convertidor con monitorización de la conmutación - Google Patents

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ES2693680T3 ES10726469.9T ES10726469T ES2693680T3 ES 2693680 T3 ES2693680 T3 ES 2693680T3 ES 10726469 T ES10726469 T ES 10726469T ES 2693680 T3 ES2693680 T3 ES 2693680T3
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Herbert Gambach
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Frank Schremmer
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Abstract

Convertidor (1) para aplicaciones en el rango de la alta tensión con - submódulos (6) bipolares conectados en serie, que presentan en cada caso un acumulador de energía (7) y un circuito semiconductor de potencia con semiconductores de potencia (T1,T2) conectables y desconectables, donde el circuito semiconductor de potencia está conectado de tal forma con el acumulador de energía (7), que en los terminales de conexión (x1,x2) de cada submódulo (1) pueda generarse la tensión que cae en el acumulador de energía o, sin embargo, una tensión cero, - una unidad de control (9), que está conectada con los semiconductores de potencia (T1, T2) para la conexión y desconexión y - interruptores mecánicos (10), que se disponen paralelamente a cada submódulo (6) y están configurados para puentear el submódulo (6) asociado, caracterizado porque cada interruptor mecánico (16) presenta medios de monitorización del estado para monitorizar su activación, donde los medios de monitorización del estado están conectados con la unidad de control (9) y presentan una línea de señales (11), que se guía a través del interruptor mecánico (10) asignado de tal forma, que una activación de dicho interruptor mecánico (10) interrumpa la línea de señales (11).

Description

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Convertidor con monitorizacion de la conmutacion
La invencion se relaciona con un convertidor para aplicaciones en el rango de la alta tension con submodulos bipolares conectados en serie, que presentan, en cada caso, un acumulador de energfa y un circuito semiconductor de potencia con semiconductores de potencia conectables y desconectables, donde el circuito semiconductor de potencia esta conectado con el acumulador de energfa de tal forma que en los terminales de conexion de cada submodulo pueda generarse la tension que cae en el acumulador de energfa o una tension cero, una unidad de control, conectada con los semiconductores de potencia para la conexion y desconexion, e interruptores mecanicos, dispuestos paralelamente a cada submodulo y configurados para puentear el submodulo asignado.
Tal convertidor se conoce ya, por ejemplo, de la DE 10 2007 018 344 A1. Allf se describe un llamado convertidor multietapa modular, que presenta modulos de fase, que se extienden entre dos conexiones de corriente continua polarizadas en sentido contrario. Cada modulo de fase dispone de una conexion de corriente alterna para conectar una fase de una red de tension alterna. Los modulos de fase tienen conexiones en serie de submodulos bipolares, que disponen de un condensador, asf como de varios interruptores semiconductores de potencia, de forma que en dos terminales de salida de cada submodulo puede generarse o bien la tension del condensador que cae en el condensador o, sin embargo, una tension cero. Para que al fallar un submodulo el convertidor pueda proseguir su operacion en general, se tiene que puentear el submodulo defectuoso. Por este motivo, se conecta a cada submodulo un interruptor de puente en paralelo. El interruptor de puente esta equipado en dicho escrito de publicacion como tubo de conmutacion de vacfo.
La WO 2009/092621 A1 describe asimismo un interruptor de puente o de cortocircuito para un submodulo de un convertidor multinivel modular, donde, sin embargo, el interruptor mecanico presenta un accionamiento pirotecnico.
En los antiguos submodulos, el interruptor de puente se dispara en caso de fallo segun determinados criterios y pasa de su posicion abierta a la cerrada. En su posicion cerrada, el interruptor puentea el submodulo dispuesto en paralelo. Un criterio de activacion para puentear el submodulo paralelo es para el interruptor, por ejemplo, que un anteriormente detectado valor medido de tension supere de lejos un determinado valor umbral a lo largo de una cierta duracion o que se produzca una fuerte variacion de la tension en un corto perfodo de tiempo. Si fuera necesario, dos circuitos de ignicion redundantes activan independientemente el interruptor de puente. La probabilidad de fallo del interruptor de puente se reduce mediante esta redundancia. Sin embargo, los convertidores previamente conocidos tienen el inconveniente de que la unidad de control no recibe ninguna retroalimentacion de si el interruptor de puente tambien esta realmente cerrado y el submodulo puenteado. Por tanto, puede provocarse que se pulse una mayor corriente de cortocircuito a traves del submodulo defectuoso, lo que puede causar danos indeseables al convertidor.
En la contribucion de Kreusel, J. et al. "Monitorizacion del Estado (ConditionMonitoring) en subestaciones de alta y media tension", que se publico en el sector electrico ano 94 (1995), libreta 7, paginas 350 a 358, se describen medios de monitorizacion del estado para subestaciones de alta y media tension. Para monitorizar el estado de conmutacion de los interruptores mecanicos se proponen, por ejemplo, camaras, sensores de movimiento o sensores de medicion, que detectan una corriente de conmutacion que fluye a traves de los contactos del interruptor. Estos medios de monitorizacion no sirven, sin embargo, para los convertidores multinivel modulares descritos inicialmente en el rango de alta tension, pues el convertidor para tales niveles de tension puede tener varios cientos de submodulos, de forma que se requieren correspondientemente muchos interruptores de puente. Los medios de monitorizacion del estado conocidos hasta ahora serfan facilmente demasiado costosos.
En la US 2009/0141416 A1 se describe un dispositivo para cortocircuitar modulos semiconductores de potencia, en que el dispositivo de cortocircuito es un elemento pirotecnico-mecanico. El dispositivo comprende ademas un contacto auxiliar, que se puede usar para comprobar si el elemento pirotecnico-mecanico se ha accionado tras una ignicion. La distribucion y el modo de funcionamiento del contacto auxiliar no se tratan en la US 2009/0141416 A1.
En el artfculo "Mejora de la fiabilidad del aparataje de alta tension" de Thuries E. et. al. se describe el uso de fibras opticas y sensores opticos para detectar una posicion de un interruptor.
Es, por tanto, objeto de la invencion proporcionar un convertidor del tipo citado inicialmente, cuyos interruptores de puente puedan monitorizarse economicamente respecto a su respectivo estado de conmutacion.
La invencion resuelve este objeto haciendo que cada conmutador mecanico tenga medios de monitorizacion del estado para controlar su activacion, donde los medios de monitorizacion del estado estan conectados a la unidad de control y tienen una lfnea de senales, que se gufa a traves del interruptor mecanico asociado de tal forma que una activacion de dicho interruptor mecanico interrumpa la lfnea de senales.
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Segun la invencion, cada interruptor mecanico del convertidor esta equipado con medios de monitorizacion del estado, que monitorizan la activacion del interruptor mecanico. Ademas, los medios de monitorizacion del estado estan conectados con la unidad de control, que, por consiguiente, conoce el estado de conmutacion del respectivo interruptor mecanico o, con otras palabras, interruptor de puente. Para limitar los costes de tal convertidor, los medios de monitorizacion del estado estan disenados en el contexto de la invencion como lfneas de senales sencillas y economicas, que se gufan a traves del respectivo interruptor mecanico de tal forma, que una activacion del interruptor de puente asignado interrumpa la lfnea de senales. La interrupcion de la lfnea de senales es detectada por la respectiva unidad de control, de forma que la unidad de control, que puede ser, por ejemplo, una unidad central de control o una unidad de control especial para el respectivo submodulo, conozca el estado de conmutacion del respectivo interruptor mecanico. La unidad de control puede iniciar las medidas apropiadas cuando sea necesario. Las lfneas de senales estan disponibles a bajo coste, de forma que mediante la monitorizacion conforme a la invencion del estado de conmutacion del interruptor mecanico no se provoca ningun alto coste adicional.
Convenientemente, la lfnea de senales es un circuito conductor cerrado, que se somete a una tension de reposo. Tal ordenacion de la lfnea de senales es especialmente economica. La tension de reposo pulsa, por ejemplo, una corriente de reposo, que se detecta a traves de un sensor adecuado.
En una variante diferente de la invencion, la lfnea de senales es una fibra optica, que del lado de la entrada se expone a una senal optica, donde un sensor dispuesto del lado de la salida de la fibra optica detecta la senal optica saliente. Al interrumpirse la fibra optica se produce, por consiguiente, tambien una conclusion de la deteccion de la senal optica. La unidad de control, que esta conectada, por ejemplo, con el sensor para detectar la senal optica a traves de una lfnea de comunicacion, puede tomar entonces las medidas correspondientes.
Convenientemente, se preven dos lfneas de senales. Mediante esta lfnea de senales doble redundante se proporciona una mayor seguridad en la monitorizacion de la activacion.
En una ordenacion preferida de la invencion, el interruptor mecanico dispone de un accionamiento pirotecnico. Con la ayuda del accionamiento pirotecnico, se produce un unico movimiento de conmutacion a unas altas velocidad y fuerza de conmutacion. Debido a la alta fuerza de conmutacion se separa de forma segura la respectiva lfnea de senales.
La unidad de control puede tener tanto una unidad central de control como tambien un gran numero de unidades descentralizadas de control de ramificacion de la valvula, donde la unidad central de control y/o las unidades de control de ramificacion de la valvula esta(n) conectada(s) con los medios de monitorizacion del estado. Segun esta ordenacion de la invencion, la unidad central de control transmite valores nominales de tension de ramificacion a la respectiva unidad de control de ramificacion de la valvula, asociada en cada caso a una ramificacion de la valvula del convertidor. Una ramificacion de la valvula se extiende entre la conexion de corriente alterna y en cada caso una de las conexiones de corriente continua de un modulo de fase del convertidor.
Otras configuraciones y ventajas convenientes de la invencion son objeto de la siguiente descripcion de ejemplos de ejecucion de la invencion con referencia a las Figuras de los dibujos, donde los mismos sfmbolos de referencia se refieren a piezas que actuan igual y donde ilustran en mas detalle:
Figura 1 un ejemplo de ejecucion del convertidor conforme a la invencion en una representacion
esquematica y
Figura 2 un modulo de fase del convertidor conforme a la invencion segun la Figura 1.
La Figura 1 muestra un ejemplo de ejecucion del convertidor 1 conforme a la invencion, que presenta tres modulos de fase 2, 3 y 4, que se extienden entre dos conexiones de corriente continua, que estan conectadas en cada caso con un polo cargado positivamente 5+ y un polo cargado negativamente 5- de un circuito intermedio de corriente continua 5. Por otra parte, cada modulo de fase 2, 3 o 4 tiene una conexion de corriente alterna para conectar una fase 7 de una red de tension alterna no representada, que esta conectada con el convertidor 1 a traves de un transformador no mostrado u otra inductancia. El circuito intermedio de corriente continua 5 esta conectado, por ejemplo, con otro convertidor no mostrado, que esta conectado asimismo a una red de tension alterna. A traves del convertidor y del circuito intermedio de corriente continua 5 se posibilita, por consiguiente, la transmision de energfa electrica. Tales instalaciones se conocen como tales y el experto las designa tambien como disposicion de transmision de corriente continua de alta tension-(HGU).
La Figura 2 muestra la estructura del convertidor y particularmente la estructura de un modulo de fase 2 en mayor detalle, donde a este respecto se senala que los otros modulos de fase 3 o 4 estan configurados identicos al modulo de fase 2. Puede verse que el modulo de fase 2 presenta una conexion en serie de submodulos 6, que estan configurados bipolares y presentan ambos terminales de conexion x1 y x2. Cada submodulo 6 cuenta con un
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acumulador de energfa 7, que, en el ejemplo de ejecucion mostrado, es un condensador. En el condensador 7 cae la tension del condensador Uc. Por otra parte, cada submodulo 6 dispone de un circuito semiconductor de potencia, que, en el ejemplo de ejecucion mostrado, presenta dos semiconductores de potencia Ti y T2 conectables y desconectables, donde a cada uno de estos semiconductores de potencia conectables y desconectables Ti y T2 se le conecta en cada caso un diodo libre D1 o D2 en sentido contrario en paralelo. El primer borne de conexion x1 esta conectado con el punto de potencial entre los diodos libres o entre los interruptores semiconductores de potencia conectables y desconectables Ti y T2. El segundo borne de conexion x2 esta al mismo potencial que uno de los electrodos del condensador 7. Si el interruptor semiconductor de potencia T2 estuviera cerrado y estuviera Ti en su posicion de paso, en los terminales de salida x1, x2 del respectivo submodulo caerfa la tension del condensador Uc. En el caso opuesto, sin embargo, se generarfa en los terminales de conexion una tension cero.
En este punto cabe senalar que, en vez del circuito de medio puente de cada submodulo mostrado en la Figura 2, tambien es posible un llamado circuito de puente completo en el contexto de la invencion, en el que pueden usarse cuatro interruptores semiconductores de potencia conectables y desconectables, por ejemplo, IGBTs, GTOs o similares. En un circuito de puente completo puede generarse en los terminales de salida de cada submodulo, ademas de la tension del condensador y de la tension cero, tambien la tension inversa del condensador -Uc.
Mediante la conexion en serie de los submodulos 6 puede ajustarse por etapas la tension, die cae en una ramificacion de la valvula, que se extienda entre la conexion de corriente alterna 7 y la respectiva conexion de corriente continua 5+. La altura de las etapas esta determinada por la tension del condensador Uc. Para la conexion y desconexion convenientes de los semiconductores de potencia Ti y T2, estos estan conectados a traves de una lfnea de control 8 con una unidad de control 9, que, en base a un algoritmo de control, proporcionan las senales de control convenientes para el interruptor semiconductor de potencia Ti y T2 de todo el modulo de fase. Para esto se les transmite la tension del condensador Uc desde el respectivo submodulo a traves de una lfnea de senales no mostrada.
Para que el convertidor i pueda continuar en conjunto su funcionamiento, al fallar un submodulo 6, se tiene que puentear el submodulo 6 defectuoso. En caso contrario se pulsarfa una corriente demasiado elevada a traves del submodulo defectuoso, que podrfa originar un dano irreversible del convertidor. Para puentear se dispone paralelamente a cada submodulo 6 un interruptor mecanico i0, designado aquf tambien como interruptor de puente. El interruptor mecanico i0 es, en el ejemplo de ejecucion mostrado en la Figura 2, un tubo de conmutacion de vacfo con accionamiento pirotecnico. En la operacion normal, o sea cuando el submodulo 6 conectado en paralelo trabaje correctamente, el tubo de conmutacion de vacfo i0 estara en su posicion abierta. Un flujo de corriente a traves del interruptor mecanico i0 no es, por tanto, posible. Si un dispositivo de monitorizacion no mostrado del respectivo submodulo 6 detectara, por ejemplo, un demasiado rapido aumento de la corriente o de la tension, se producirfa la activacion del interruptor y, por consiguiente, el puenteado del defectuoso submodulo 6, donde el interruptor mecanico i0 pasa a su posicion de contacto. Para comprobar esta activacion del respectivo interruptor i0, la unidad de control 9 esta conectada a traves de lfneas de senales ii con cada interruptor mecanico i0 del convertidor i. En el ejemplo de ejecucion mostrado, la lfnea de senalesii es un conductor cerrado de hilo de cobre, que se interrumpe al activarse el interruptor i0. Ademas, el circuito conductor ii se expone a una corriente o una tension, que es monitorizada continuamente por la unidad de control 9. Si se produjera una interrupcion del flujo de corriente a traves del circuito conductor, la unidad de control 9 establecerfa la activacion del respectivo interruptor i0 e iniciarfa las medidas apropiadas, por ejemplo, se emitirfa un mensaje de error y la advertencia de que el submodulo defectuoso tiene que sustituirse en el siguiente mantenimiento del convertidor.
Tal y como se ha indicado ya anteriormente, la unidad de control puede disenarse tambien redundante.

Claims (6)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Convertidor (1) para aplicaciones en el rango de la alta tension con
    - submodulos (6) bipolares conectados en serie, que presentan en cada caso un acumulador de energfa (7) y un circuito semiconductor de potencia con semiconductors de potencia (T1,T2) conectables y desconectables, donde el circuito semiconductor de potencia esta conectado de tal forma con el acumulador de energfa (7), que en los terminales de conexion (x1,x2) de cada submodulo (1) pueda generarse la tension que cae en el acumulador de energfa o, sin embargo, una tension cero,
    - una unidad de control (9), que esta conectada con los semiconductores de potencia (T1, T2) para la conexion y desconexion y
    - interruptores mecanicos (10), que se disponen paralelamente a cada submodulo (6) y estan configurados para puentear el submodulo (6) asociado,
    caracterizado porque
    cada interruptor mecanico (16) presenta medios de monitorizacion del estado para monitorizar su activacion, donde los medios de monitorizacion del estado estan conectados con la unidad de control (9) y presentan una lfnea de senales (11), que se gufa a traves del interruptor mecanico (10) asignado de tal forma, que una activacion de dicho interruptor mecanico (10) interrumpa la lfnea de senales (11).
  2. 2. Convertidor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque
    la lfnea de senales es un circuito conductor cerrado (11), que se expone a una tension de reposo.
  3. 3. Convertidor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque
    la lfnea de senales (11) es una fibra optica, que del lado de la entrada se expone a una senal optica, donde un sensor dispuesto del lado de la salida de la fibra optica detecta la senal optica.
  4. 4. Convertidor (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque
    se preven dos lfneas de senales (11).
  5. 5. Convertidor (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque
    el interruptor mecanico (16) presenta un accionamiento pirotecnico.
  6. 6. Convertidor (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque
    la unidad de control (9) presenta unidades de control de ramificacion de la valvula, que estan asociadas en cada caso a una ramificacion de la valvula, donde cada unidad de control de ramificacion de la valvula esta conectada con los medios de monitorizacion del estado de la ramificacion de la valvula asociada, que se extiende entre la conexion de corriente alterna (7) y una de las conexiones de corriente continua (5+,5-) del convertidor (1 y presenta una conexion en serie de submodulos (6).
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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PL2580854T3 (pl) 2019-03-29
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