SE504301C2 - Anordning för avtappning av elektrisk effekt från en högspänd likströmstransmissionslinje - Google Patents

Description

fsn4 301 2 vid fulla linjespänningen och avtappar en del av linjeström- men. Vid smà avtappade effekter blir dock kostnaden per kw prohibitivt hög. Det har därför föreslagits att anordna avtappningar av serietyp, dvs den avtappande strömriktaren genomflyts av hela linjeströmmen, medan likspänningsfallet över strömriktaren endast är sá stort som den avtappade effekten kräver.

Ett problem med serieavtappningar är att pà ett praktiskt och ekonomiskt sätt föra ner den avtappade effekten frän linjepotential till jordpotential.

I den svenska utläggningsskriften med publiceringsnummer 463 953 beskrivs en anordning för serieavtapping fràn en HVDC-linje. En nätkommuterad strömriktare är med sin lik- strömssida inkopplad i linjen och är med sin växelströmssida via en transformator ansluten till en som likriktare arbe- tande självkommuterad strömriktare pá jordpotential. Denna strömriktare matar via ett likspànningsmellanled en till ett lokalt kraftnät ansluten växelriktare. Eftersom den poten- tialseparerande transformatorn mäste utföras för en spänning lika med linjespänningen mellan sina bada lindningar blir den sä dyr att anordningens användning vid mindre effekter inte är ekonomiskt acceptabel.

I Asplund, Hammarsten, Lagerup, Lescale:"Small Series Tap- ping in HVDC Systems", Proc III Symposium of Specialists in Electrical Operational and Expansion Planning (III SEPOPE), May 18-22, 1992, Belo Horizonte, Brazil, beskrivs en anord- ning för serieavtappning, där ett flertal seriekopplade nät- kommuterade trefasströmriktare är inkopplade i HVDC-linjen och anslutna till var sin lindning hos en pä potential anordnad trefastransformator. Transformatorn transformerar upp växelspänníngen frän strömriktarna, och den upptrans- formerade trefasspänningen överförs till ett pà jordpoten- tial beläget lokalnät via tre kondensatorkedjor som tar upp potentialskillnaden mellan HVDC-linjen och jord. Bàde kon- 3 504 301 densatorerna och transformatorn arbetar vid lokalnätets frekvens och fär därför stora dimensioner och högt pris.

REDOGÖRELSE FÖR UPFINNINGEN Uppfinningen avser att àstadomma en anordning av inlednings- vis angivet slag, med vars hjälp en avtappning kan göras pá ett enkelt och ekonomiskt fördelaktigt sätt även vid läga avtappade effekter.

Vad som kännetecknar en anordning enligt uppfinningen fram- gär av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1, 2, 3a, 3b och 4. Figur l visar ett principschema över en HVDC-överföring försedd med en anordning enligt uppfinningen. Figur 2 visar ett exempel pà utformningen av den i HVDC-linjen inkopplade strömrikta- ren. Figur 3a och figur 3b äskädliggör tva olika sätt att styra denna strömriktare, och figur 4 visar schematiskt hur en regleranordning för strömriktaren kan utformas.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar en HVDC-överföring försedd med en anordning enligt uppfinningen. Överföringen är enpolig och har tvä strömriktarstationer SRI och SRII. Stationerna är pä sina växelströmssidor anslutna till de trefasiga kraftnäten NI och NII, mellan vilka effekt överförs med hjälp av överfö- ringen. Stationerna är förbundna med hjälp av en likströms- linje L, genom vilken en likström Id flyter. Likströmslin- jens spänning relativt jord kan vara av storleksordningen 500 kV och den maximala strömmen Id 2 kA. i 504 301 4 I det följande förutsätts som exempel att en avtappning öns- kas, vilken kan lämna en effekt pä maximalt cirka 650 kw till ett lokalnät LN.

Enligt uppfinningen är en första strömriktare SRI inkopplad med sina likströmsanslutningar LSla och LSlb i linjen L och anordnad att genomflytas av linjeströmmen Id. Strömriktaren är en strömstyv självkommuterad strömriktare. Ett exempel pä dess uppbyggnad och styrning beskrivs nedan i anslutning till figurerna 2-4. Strömriktaren är anordnad att arbeta med en frekvens som är väsentligt högre än vanlig kraftnätsfrek- vens (50 eller 60 Hz), företrädesvis inom omradet över 3 kHz. Ur ljudstörningssynpunkt kan det vara fördelaktigt att välja en frekvens ovanför det hörbara frekvensomrädet, dvs överstigande 15 - 20 kHz. Lämpligen väljs dock frekven- sen inte sá hög att den interfererar med en eventuell pä linjen anordnad bärfrekvensöverföring. En annan faktor som päverkar frekvensvalet är de med frekvensen ökande förlus- terna i strömriktaren. En frekvens inom omradet 20-30 kHz kan vara ett lämpligt val. I det här beskrivna exemplet har strömriktaren en arbetsfrekvens pä 24 kHz.

Strömriktaren är parallellkopplad med en släckbar tyristor GTO. Denna är anordnad att tändas mycket snabbt vid över- ström i linjen, och den tjänstgör som överströmsskydd för strömriktaren. En elkopplare SW är anordnad för överbrygg- ning av strömriktaren dä den ej är i drift och eventuellt även för avlastning av tyristorn GTO vid en överström.

Strömriktaren SRl har vàxelströmsanslutningarna VSla och Vslb. Till dessa är en transformator Tl ansluten. Denna är (liksom strömriktaren SRl) anordnad pä samma potential som linjen. Transformatorn är anordnad att transformera upp spänningen frän strömriktaren SRl till ett sä högt värde att den avtappade effekten kan överföras till jordpotential via kondensatorer av mättlig storlek. Utspänningen frän ström- riktaren kan t ex ha ett effektivvärde pà cirka 350 V, och transformatorn ha en sädan omsättning att dess sekundärspän- 5 504 301 ning blir lO kV. Pä grund av den höga arbetsfrekvensen utfö- res transformatorn med ferritkärna,och det har visat sig att transformatorn av samma skäl kan ges mycket måttliga dimen- sioner.

De hittills beskrivna komponenterna ligger pä samma poten- tial som linjen L. För att ge den erforderliga potentialse- parationen mellan linjepotential och jordpotential är tvà kondensatorer Cl och C2 anordnade i var sin av de bäda ledarna frän transformatorns Tl sekundärlindning. Spänningen och arbetsfrekvensen kan väljas sä höga att vid mättliga avtappade effekter kondensatorer med smà kapacitanser kan användas. Det har visat sig att kondensatorspànningstrans- formatorer av standardtyp ofta kan användas, vilket, efter- som en befintlig standardkomponent kan användas, ger en enkel och ekonomiskt fördelaktig lösning. En sädan kondensa- tor har i typiska fall en kapacitans av storleksordningen 10 nF.

En transformator T2 är anordnad för nedtransformering av spänningen och utförd pä i princip samma sätt som transfor- matorn Tl. Transformatorerna behöver dock givetvis inte ha samma omsättning, utan omsättningen hos transformatorn T2 kan väljas för att fä lämplig växelspänning till den efter- följande likriktaren SR2 och därmed lämplig likspänning för växelriktaren SR3.

Transformatorerna är sä dimensionerade att deras läckreak- tanser tillsammans med kondensatorerna Cl och C2 bildar en serieresonanskrets med en resonansfrekvens lika med den valda arbetsfrekvensen. Pà detta sätt kan spänningsfallet vid överföringen mellan linjen och jord kraftigt reduceras.

Sekundärspänningen frän transformatorn T2 tillförs en lik- riktare SR2, vilken företrädesvis utgörs av en ostyrd enfa- sig diodlikriktare. Dess utgàngslikspänning matar ett lik- spänningsmellanled med en kondensator C3. 504 301 e, En tredje trefasig strömriktare SR3 är med sina likströmsut- tag LS3a och LS3b ansluten till mellanledet och med sina vàxelströmsuttag VS3 till lokalnätet LN. Denna strömriktare kan vara en styrbar växelriktare av nagon godtycklig känd typ. I det fall lokalnätet har egna växelspänningskällor kan växelriktaren vara en nätkommuterad strömriktare, men i annat fall väljes en självkommuterad växelriktare.

Figur 2 visar ett exempel pá hur den första strömriktaren SRl i figur 1 kan vara utformad. Den utgörs av en enfas- brygga med en styrbar (och släckbar) halvledarventil i varje gren. Ventilerna betecknas med TRl - TR4 och kan företrä- desvis utgöras av s k IGBT-transistorer (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor). Sådana transistorer kan erhällas för sà pass höga strömmar och spänningar att mattliga avtap- pade effekter kan hanteras med en enda eller endast ett fàtal transistorer i varje bryggren, exempelvis ett fatal parallellkopplade transistorer. Ventilbryggan är med sina likströmsuttag LSla och LSlb inkopplad i linjen L, och bryg- gans váxelströmsuttag utgör strömriktarens växelströmsuttag VSla och VSlb. Mellan växelströmsuttagen är en kondensator C4 ansluten, över vilken strömriktarens växelspänning alst- IâS .

En spole X, en s k "line trap“, är anordnad i serie med bryggan och hindrar bryggan frän att störa en pä linjen L anordnad högfrekvent bàrfrekvensöverföring. En kondensator CS överbryggar bryggan och tillàter bärfrekvenssignalerna att passera förbi.

Figur 3a àskàdliggör ett sätt att styra den i figur 2 visade bryggan. Figuren visar som funktioner av tiden t strömmarna Il - I4 i de fyra grenarna samt kondensatorströmmen IC och kondensatorspänningen UC. En period hos den alstrade spän- ningen omfattar tiden mellan tidpunkterna tl och t5. Nedan anges vilka ventiler som är ledande under de olika interval- len under perioden: v 504 301 Cl - t2 TRl + TR4 t2 - t3 TRl + TR3 t3 - C4 TR2 + TR3 C4 - t5 TR2 + TR4 Kondensatorströmmen bestär av pulser med pulslängden tp och med omväxlande motsatta polariteter. Strömpulserna uppladdar och urladdar kondensatorn C4, varigenom en växelspänning UC erhålles över kondensatorn, vilken spänning utgör strömrik- tarens utspänning. Amplituden hos strömmarna genom venti- lerna och kondensatorn blir lika med linjeströmmen Id.

Genom styrning av pulslängden tp kan kondensatorspänningens amplitud hällas vid ett önskat konstant värde oberoende av variationer i linjeströmmen och i den avtappade belast- ningen. Figur 4 visar schematiskt hur detta kan ästadkommas.

Kondensatorspänningen UC avkännes och en mätstorhet U'C bil- das, vilken utgör ett mätt pä kondensatorspänningen, t ex dess toppvärde eller likriktade medelvärde. Denna mätstorhet jämförs i en differensbildare DB med ett referensvärde Ur och skillnaden dU tillförs ett styrdon SD, vilket genererar styrpulser spl - sp4 till ventilerna för styrning av dessa mellan icke-ledande och ledande tillstànd och vice versa pá ovan angivet sätt.

Ett alternativt styrförfarande visas i figur 3b. De ventiler som är ledande under varje intervall är: tl - t2 TRl + TR4 t2 - t3 TRl + TR2 + TR3 + TR4 C3 - C4 TR2 + TR3 t4 - t5 TRl + TR2 + TR3 + TR4 Kondensatorströmmen och -spänningen fär samma utseende som enligt figur 3a, och kondensatorströmpulsernas pulsbredd tp kan pä samma sätt användas för styrning av kondensatorspän- ningen. Skillnaden mellan detta styrförfarande och det i figur 3a visade är att enligt figur 3a endast tvà ventiler 504 301 e är ledande under de intervall dä kondensatorströmmen är noll, medan enligt figur 3b alla fyra ventilerna är ledande under dessa intervall, under vilka strömmen genom varje ven- til är lika med halva linjeströmmen Id.

Den ovan beskrivna anordningen enligt uppfinningen är endast ett exempel, och manga andra utföringsformer är tänkbara inom uppfinningens ram.

Sàlunda kan den i linjen inkopplade strömriktaren SRl utgö- ras av nágon annan typ av strömriktare än den ovan beskrivna och/eller med nagon annan typ av styrbara halvledarventiler.

I princip kan vilken som helst självkommuterad strömstyv strömriktare användas, exempelvis en i och för sig känd strömriktare av den typ där en approximativt sinusformad växelspänning genereras genom pulsbreddmodulering. Strömrik- taren är i exemplet ovan enfasig, vilket ger den enklaste utföringsformen, men alternativt kan den utföras trefasig (varvid tre kopplingskondensatorer i stället för tvä fär anordnas, och varvid den likriktande strömriktaren SR2 fär utföras trefasig).

Likasä kan de bada pà jordpotential anordnade strömriktarna SR2 och SR3 utformas pä annat sätt än vad som beskrivits ovan. Exempelvis kan sàlunda strömriktaren SR2 utföras som en styrbar strömriktare med styrorgan för konstanthällning av mellanledsspänningen.

Som ovan nämnts ger användandet av kondensatorspänningskon- densatorer av standardtyp stora ekonomiska och praktiska fördelar. Alternativt kan dock, speciellt vid stora avtappade effekter, konventionella kraftkondensatorer användas.

Styr- och reglersystemet för anordningen enligt uppfinningen kan utformas pä andra sätt än vad som ovan beskrivits.

Sälunda kan exempelvis den reglerade storheten alternativt - 504 301 utgöras av likspanningen i mellanledet mellan strömriktarna SR2 och SR3 i figur 1.

I de fall den aktuella effekten kan överföras via konden- satorer av rimlig storlek utan upptranšformering av spän- ningen kan transformatorerna T1 och T2 slopas.

Claims (9)

504 301 10 PATENTKRAV

1. Anordning för avtappning av elektrisk effekt från en högspänd likströmstransmissionslinje, vilken anordning inne- fattar en första strömriktare (SR1) med likströmsanslutningar (LSla, LS1b) och växelströmsanslutningar (VS1a, VSlb), var- vid likströmsanslutningarna är anordnade för inkoppling i en transmissionslinje (L), till strömriktarens växelströmsanslutningar anslutna potentialseparerande transmissionsorgan för överföring av växelströmseffekt fràn strömriktaren till jordpotential, en pà jordpotential anordnad och till transmissionsor- ganen ansluten andra strömriktare (SR2) för omvandling av frán transmissionsorganen mottagen effekt till likströmsef- fekt, samt en till den andra strömriktaren ansluten tredje ström- riktare (SR3) för omvandling av från den andra strömriktaren mottagen effekt till växelströmseffekt, kännetecknad av att den första strömriktaren (SRl) är en självkommute- rad strömstyv växelriktare, vilken är anordnad att generera en växelspänning (UC) med en frekvens som är väsentligt högre än frekvensen hos vanliga kraftnät, samt att transmissionsorganen innefattar i förbindelsen mel- lan den första och den andra strömriktaren anordnade poten- tialseparerande kondensatorer (Cl, C2) för upptagande av potentialskillnaden mellan linjen och jordpotential.

2. . Anordning enligt patentkravet l k ä n n e t e c k n a d a v att den första strömriktarens (SRl) växelspänning (UC) har en frekvens som överstiger 3 kHz.

3. Anordning enligt något av patentkraven 1 och 2 kär1- n e t e c k n a d a v att transmissionsorganen innefattar en mellan de potentialseparerande kondensatorerna (Cl, C2) och den första strömriktaren (SRl) anordnad första transformator (Tl) för upptransformering av spänningen från den första strömriktaren, samt en mellan nämnda kondensatorer (Cl, C2) :l 504 301 och den andra strömriktaren (SR2) anordnad andra transforma- tor (T2) för nedtransformering av spänningen.

4. Anordning enligt patentkravet 3 känn et e c kn a d av att transformatorerna (Tl, T2) är så utformade att deras läckreaktanser bildar resonans med de potentialseparerande kondensatorerna (Cl, C2) vid den första växelriktarens (SRl) arbetsfrekvens.

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kän- n e t e c k n a d a v att den andra strömriktaren (SR2) utgörs av en ostyrd likriktare.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav kän- netecknad av att den första strömriktaren (SR1) inne- fattar organ (TRl-TRLI) anordnade att avge en växelström (IC) i form av fyrkantpulser med styrbar pulsbredd (tp) till en kondensator (G4), vars spänning (UC) utgör strömriktarens utspänning och är anordnad att tillföras transmissionsorga- Den .

7. Anordning enligt patentkravet 6 k ä nn e t e c k n a d a v att den första strömriktaren (SRl) är försedd med styrorgan (DB, SD) anordnade att styra strömpulsernas pulsbredd (tp) i beroende av amplituden hos kondensatorspänningen (UC) för konstanthàllning av nämnda amplitud.

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav kän- n e t e c k n a d a v att de potent ialseparerande kondensato- rerna (Cl, C2) utgörs av kondensatorspänningstransformato- rer.

9. Anordning enligt något av föregående patentkrav kän- netecknad av att den första strömriktaren (SRl) är anordnad att avge en enfasig växelspänning (UC).