SE520611C2 - Anläggning för överföring av elektrisk effekt - Google Patents

Description

20 25 30 35 520 611 2 begränsande syfte just denna användning av anläggningar av ovan definierad typ att diskuteras.

Före tillkomsten av nämnda avhandling har anläggningar för överföring av elkraft via ett likspänningsnät för högspänd likström byggt på att nätkommuterade CSC (Current Source Converter)-strömriktare har använts i stationerna för effektöverföring. Genom att IGBT-er (Insulated Gate Bipolar Transistor = bipolartransistor med isolerat styre) för högspänningsapplikationer har framtagits och dessa är lämpade då de enkelt låter sig tändas och släckas simultant, har nu istället VSC (Voltage kommutering kommit ifråga, elektrisk effekt likspänningsnät för högspänd likström och därtill anslutna för' seriekoppling i. ventiler i. strömriktare, Source Converter)-strömriktare för tvångsstyrd och denna typ av överföring av mellan ett därigenom spänningsstyvt växelspänningsnät erbjuder flera betydande fördelar i förhållande till användande av nätkommuterade CSC-er i HVDC, av vilka det kan nämnas att förbrukning av aktiv och reaktiv effekt kan styras oberoende av varandra och det inte finns någon risk för kommuteringsfel i strömriktaren, och därmed inte någon risk för att kommuteringsfel överförs mellan olika HVDC-länkar, såsom kan ske med nätkommuterad CSC. Dessutom finns det en möjlighet att mata ett svagt växelspänningsnät (ett dött växelspänningsnät). Ytterligare fördelar finnes också. eller ett nät utan någon egen generering Hos en anläggning av den inledningsvis definierade typen be- stäms derivatan på strömmen genom den induktans som är belä- gen på strömriktarens växelspänningssida på konventionellt sätt av skillnaden mellan växelspänningsnätets spänning och likspänningen hos likspänningsnätet och är direkt proportio- nell till denna skillnad. växelspänningen plötsligt minskar på grund av ett jordfel i Detta innebär att om exempelvis växelspänningsnätet, då kommer strömmen igenom den brytare, vanligtvis en IGBT, som just då är ledande hos en av ström- ventilerna att öka snabbt, varvid strömderivatan bestäms av 10 15 20 25 30 35 520 611 3 fasläget på växelspänningen och amplituden beror på strömmen när felet inträffar. Företrädesvis hålls marginalen mellan normal toppström genom strömriktaren och maximal släckbar ström hos brytarna i strömventilerna så liten som möjligt, vilket betyder att det blir svårt för den normala strömregle- ring som stationens styrinrättning utför att alltid hinna be- gränsa strömmen så att ett överströmsskydd ej måste ingripa.

Det är emellertid av stor nackdel om överströmsskyddet ingri- per, då det ger en temporär blockering av strömriktaren, vil- sin tur resulterar i ken i en ökning hos spänningen i likspänningsnätet, vilken då stör samtliga därtill anslutna strömriktare. I detta fall finns det således ett behov av att snabbt begränsa strömmen och därmed förhindra en 'temporär blockering av strömriktaren. Samma problem kan inträffa vid plötsligt omvända förhållanden mellan växelspänningen och likspänningen, d v s om växelspänningen plötsligt växer snabbt och likspänningen har ett lågt värde. Detta kan in- träffa vid ett återvändande av växelspänningen efter en bort- koppling av växelspänningsnätet på grund av fel, vilket kan resultera i enï hög återvändande växelspänning som dessutom kan kombineras med att likspänningen varit låg under bort- kopplingen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anläggning av det inledningsvis definierade slaget, hos vil- ken ovannämnda problem vid en snabbt ökande ström genom strömriktaren reduceras, så att det i långt högre grad än ti- digare kan undvikas att ett hos anläggningen befintligt över- strömsskydd utlöser och temporärt blockerar strömriktaren.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att förse en så- dan anläggning med organ anordnade att känna av riktningen och storleken pà strömmen genom strömriktaren samt genom vil- ken strömventil strömmen flyter och medel anordnade att på grundval av informationer från nämnda organ jämföra strömmens 10 15 20 25 30 35 w;- 520 611 4 storlek med ett förutbestämt undre första värde överstigande den normalt genom strömriktaren accepterade strömmen och ett förutbestämt andra övre värde och vid fastställande av att strömmen är belägen mellan nämnda värden och ett samtidigt fastställande av nämnda organ att strömmen flyter igenom nämnda brytare hos en av strömventilerna påverka styrinrätt- ningen att styra strömriktaren att kommutera över strömmen till att gå igenom den andra strömventilen.

Genom att på detta sätt kommutera över strömmen till den andra strömventilen kan en överström igenom brytaren hos en av strömventilerna momentant minskas, så att en temporär blockering av strömriktaren kan undvikas. Genom att det är ett villkor för kommuteringen att nämnda organ fastställer att strömmen flyter igenom en brytare hos en av strömventi- lerna, tillses att kommuteringen under inga omständigheter aktiveras om strömmen går igenom strömventilens diod, vilket ju skulle innebära att strömmen skulle kommuteras över till den andra strömventilens brytare och öka ännu snabbare. Där- till tillses genom förefintligheten av nämnda förutbestämda andra övre värde, att någon kommutering ej sker vid alltför hög ström, då därvid kommutering över huvudtaget inte är ak- tuell utan temporär blockering av strömriktaren måste ske på grund av annars för hög effektutveckling i komponenter hos anläggningen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda medel anordnade att vid en detekterad ström med en styrka mellan nämnda förutbestämda värden och ett samtidigt fast- ställande av att strömmen flyter igenom dioden hos en av utlösa ett hela strömriktaren strömventilerna temporärt blockerande överströmsskydd. Härigenom tillses att strömrik- taren temporärt blockeras vid diodström, istället för att en kommutering till den andra strömventilens brytare sker, vil- ket skulle leda till en ännu högre ström genom strömriktaren och risk för skador på stationens utrustning. 10 15 20 25 30 35 , , . . , » - - V » = v 520 611 Enligt en annan föredragen utföringsform, vilken utgör en vi- dareutveckling av den sistnämnda utföringsformen, är nämnda medel anordnade att utlösa överströmsskyddet under förutsätt- ningen att strömmen efter förflytande av en förutbestämd tid från dess överstigande av nämnda första värde fortfarande är högre än detta värde. Genom att på detta sätt fördröja en temporär blockering av strömriktaren kan om överströmmen or- sakas av en transient överspänning i växelspänningsnätet en temporärblockering av strömriktaren eventuellt även förhind- ras vid diodström.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda medel anordnade att vid fastställande av ett värde hos strömmen överstigande nämnda andra värde utlösa ett hela strömriktaren temporärt blockerande överströmsskydd oavsett om strömmen går igenom dioden eller brytaren hos den för tillfället strömförande strömventilen. Skulle således av nå- gon anledning strömmen rusa upp till ett värde överstigande det andra värdet vid brytarström utan att brytaren kopplas över till den andra strömventilens diod eller strömmen stiga över detta andra värde vid diodström, då tillses genom detta särdrag hos den uppfinningsenliga anläggningen att det ström- riktaren temporärt blockerande överströmsskyddet omedelbart utlöses och strömriktaren och därtill ansluten utrustning därigenom skyddas.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrinrättningen anordnad att kontinuerligt genomföra sin or- dinarie strömreglering även då nämnda medel som ett resultat av sina jämförelser utlöser påverkan av strömriktaren. Det är fördelaktigt att låta "överridas" under den korta tid som nämnda medel går in och den ordinarie strömregleringen påverkar strömriktaren, då denna därigenom även påverkar strömmen åt rätt håll och ser till att hålla den på en accep- tabel nivå när nämnda medel avslutat sin påverkan. lO 15 20 25 30 4» ~=-~ 520 611 6 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- Vid fallet av flera sådana strömriktare hos anläggningen är det nefattar anläggningen fler än en nämnd VSC-strömriktare. speciellt viktigt att på det uppfinningsenliga sättet en tem- porär blockering av en strömriktare i möjligaste mån undvi- kes, då en sådan blockering därav leder till att likspän- vilket de och det finns då en risk att ningen hos likspänningsnätet tillfälligt ökas, andra strömriktarna känner av, något, en av dessa blockerande överspänningsskydd utlöses, så att likspänningen ökar ytterligare och en kedjereaktion med kostsamma konsekvenser skulle kunna uppstå.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är anläggningen utformad för överföring av elkraft via ett likspänningsnät för högspänd likström (HVDC). Fördelarna med den uppfinningsenliga anläggningen är speciellt uppenbara vid denna föredragna applikation.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfi- nningen kommer att framgå av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härnedan beskrivs en såsom exempel anförd föredragen utfö- ringsform av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: Fig' 1 är ett: mycket schematiskt blockschema illustrerande uppfinningens princip, och Fig 2 är ett blockschema illustrerande funktionen hos jämfö- rarmedlet ingående i anläggningen enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 520 611 7 DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPP- FINNINGEN I Fig 1 illustreras mycket schematiskt uppbyggnaden hos en anläggning för överföring av elektrisk effekt enligt uppfin- ningen, varvid endast de olika komponenter som har direkt med den uppfinningsenliga funktionen att göra tagits med på rit- ningen för underlättande av förståelsen av uppfinningen. An- läggningen innefattar ett likspänningsnät l för högspänd lik- ström (HVDC = High Voltage Direct Current).

Anläggningen uppvisar vidare ett till likspänningsnätet via en station 4 anslutet växelspänningsnät 5, vilket är indike- rat genom en växelspänningssymbol 6 och en induktans 7. Sta- tionen är utformad att åstadkomma överföring av elektrisk ef- fekt mellan likspänningsnätet 1. och växelspänningsnätet 5, varvid effekten kan matas in från växelspänningsnätet till likspänningsnätet eller matas ut från likspänningsnätet till växelspänningsnätet. Växelspänningsnätet kan således uppvisa generatorer av elektrisk effekt eller endast vara anslutet till förbrukare av sådan. Stationen innefattar åtminstone en VSC-strömriktare 8 anordnad att omvandla likspänning till växelspänning och vice versa. Det ligger emellertid inom upp- finningens ram att stationen innefattar ett flertal sådana strömriktare, fastän i figuren endast en sådan visas. Likaså är det även möjligt att växelspänningsnätet uppvisar fler än en fas, oftast tre faser, men växelspänningsnätet sammanfat- tas i figuren genom en enda ledning. Således uppvisar vid fler än en fas varje fas en egen strömriktare. VSC-strömrik- taren 8 innefattar på konventionellt sätt två så kallade strömventiler 9, 10, här benämnda första respektive andra.

Dessa båda strömventiler är seriekopplade mellan likspän- ningsnätets båda poler 2, 3, slutet till en punkt hos och växelspänningsnätet är an- förbindelsen ll däremellan. Varje strömventil uppvisar åtminstone en tänd- och släckbar brytare 12, 13 och en därmed antiparallellt kopplad diod 14, 15, var- vid brytarna hos de båda strömventilerna är riktade åt samma 10 15 20 25 30 35 .. m:- f. »nu 520 611 8 håll. Brytarna är företrädesvis i form av IGBT-er och före- kommer i ett relativt stort antal hos varje strömventil, även om de i figuren sammanfattas med en enda symbol. Därvid kan exempelvis ett stort antal IGBT-er vara seriekopplade hos en enda ventil för att tändas och släckas samtidigt för att fungera som en enda brytare, varigenom spänningen över ventilen delas upp på de olika seriekopplade brytarna.

Styrningen av brytarna sker på konventionellt sätt genom pulsbreddsmodulering (PWM). Även dioden kan vara ersatt av en rad seriekopplade dioder.

Stationen 4 innefattar vidare en schematiskt antydd inrätt- ning 16 för styrande av strömriktaren 8. Denna inrättning är anordnad att styra stationens strömriktare för reglering av strömmen därigenom, varvid regleringen sker på konventionellt sätt genom sättet på vilket styrpulserna till de olika ström- ventilerna hos strömriktaren utformas. Därvid söker inrätt- ningen reglera strömmen till det värde som krävs för önskad effektöverföring via stationen mellan de båda näten. under tillförsäkrande av att strömmen ej stiger över ett högsta ac- ceptabelt värde.

Anläggningen uppvisar vidare schematiskt antydda organ 17 an- ordnade att känna av riktningen och storleken på strömmen ge- nom strömriktaren samt genom vilken strömventil strömmen för ögonblicket flyter. Dessa informationer sänder organet till i styrinrättningen 16 ingående och denna pàverkande jämförarme- del 18. Dessa jämförarmedel är anordnade att på grundval av informationer från nämnda organ 17 jämföra strömmens storlek med ett förutbestämt undre första värde överstigande den nor- malt genom strömriktaren accepterade strömmen och ett förut- bestämt andra övre värde för att påverka styrinrättningens styrning av strömriktaren på ett sätt som nu kommer att för- klaras under hänvisning till Fig 2.

I Fig 2 illustreras hur växelströmmen i växelspänningsnätet 5 i nämnda medel 18 utsätts för olika jämförelser, varvid nämn- 10 15 20 25 30 35 520 611 da medels funktion här illustreras med utgångspunkt från den första strömventilen 9 som referens. I nämnda medel jämförs amplituden hos växelströmmen genom strömriktaren med ett för- utbestämt undre första värde, vilket indikeras i rutorna 19, 20, och ett andra förutbestämt övre värde, vilket indikeras i rutorna 21 och. 22. Därvid innebär staplarna i. den första kvadranten i rutorna 19 och 21 att strömmen flyter från väx- elspänningsnätet till likspänningsnätet, medan staplarna i den fjärde kvadranten i rutorna 20 och 22 indikerar att strömmen flyter i motsatt riktning från likspänningsnätet till växelspänningsnätet. Vid uppfyllande av det villkor som respektive ruta 19-22 visar, d V s en ström igenom strömrik- taren i angiven riktning och över den i rutan indikerade ni- vån, då sänder respektive ruta en logisk etta till en eller två (rutorna 19 och 20) logiska OCH-grindar 23-28. På dessa 25 och 27 en lo- gisk etta om den första strömventilen 9 ej är ledande och en logiska grindars andra ingång inges för 23, logisk etta inges för 24, 26 och 28 om den är det. Så länge strömmen genom strömriktaren underskrider det förutbestämda undre första värdet, vilket utgör gränsvärdet för rutorna 19 och 20, kommer medlet 18 inte att gripa in och påverka styr- inrättningens 16 sätt att styra strömriktaren. Om emellertid strömmen på grund av exempelvis ett plötsligt minskande av växelspänningen på grund av ett jordfel i växelspänningsnätet snabbt ökar och kommer över detta värde griper nämnda medel 18 in.

Nu kommer de olika fallen som då kan inträffa att diskuteras.

Vi antar först att strömmen när det första förutbestämda vär- det hos dess amplitud överskrids rör sig från växelspännings- nätet till likspänningsnätet, vilket innebär att det från ru- tan 19 kommer att sändas en logisk etta till grindarna 24 och 25. Flyter strömmen genom den andra strömventilen 10, vilket skulle innebära att den går igenom IGBT-en 13, då erhåller grinden 25 en logisk etta på sin andra ingång, vilket gör att den påverkar styrinrättningen 16 att styra strömriktaren att kommutera över strömmen till att gå igenom den första ström- 10 15 20 25 30 35 , , . , . n 520 611 10 ventilens 9 diod 14 istället, kommer att minskas, varigenom strömmen momentant så att en temporär blockering av ström- riktaren undvikes. Är i det givna ögonblicket istället den första strömventilen 9 ledande, vilket innebär att båda in- gångarna hos grinden 24 erhåller en logisk etta, då kan inte någon kommutering till den motsatta strömventilen 10 ske, då vi i detta fall har en ström genom dioden 14 och en kommute- ring skulle innebära en ännu snabbare ökning av strömmen ge- nom IGBT-en 13. Emellertid väntas först en viss tid, vilket indikeras genom rutan 29, innan strömriktaren temporärt blockeras, och sådan blockering sker endast om strömmen fort- farande är över nämnda första värde efter förflytandet av denna tid. Det påpekas att ruta 29, 30 kan ha ett mera komplext utförande för att beräkna påkänningarna på dioden.

Längden på denna fördröjning bestäms av specifikationen för den använda dioden. Genom en sådan fördröjning kan om överströmmen orsakas av en transient överspänning :L växel- spänningsnätet en temporärblockering eventuellt förhindras även vid diodström. Skulle av någon anledning funktionen en- ligt rutan 25 inte fungera finns såsom en extra säkerhet villkoret enligt rutan 21, vilket innebär att om strömmen går igenom IGBT-en 13 hos den andra strömventilen 10 och denna överskrider ett förutbestämt andra övre värde, då kommer en temporär blockering av strömriktaren trots allt att utlösas.

Omvänt sker följande vid uppfyllande av villkoren hos grin- darna 26, 27 och 28 enligt följande: ström igenom IGBT-en 12 i den första strömventilen 9 över nämnda första undre värde (villkor enligt ruta 20 är uppfyllt) innebär att grinden 26 påverkar styrinrättningen att styra strömriktaren att kommu- tera över strömmen till att gå igenom den andra strömventi- lens diod 15 istället, så att en momentan minskning av ström- men uppnås. Är istället villkoret enligt ruta 20 uppfyllt, men strömmen går för tillfället igenom dioden 15, då erhåller grinden 27 en etta på båda sina ingångar, men någon kommute- ring till den motsatta, första strömventilen 9 kan inte ske, men likväl en fördröjning av ett utlösande av en temporär 10 15 20 25 30 35 520 611 ll vilket indikeras genom rutan 30. Vid uppfyllande av villkoret enligt blockering av strömriktaren på ovan beskrivet sätt, rutan 22, d v s strömmen igenom den första strömventilens 9 IGBT 12 är över nämnda förutbestämda andra övre värde, då kommer grinden 28 att tillse en temporär blockering av ström- riktaren. Företrädesvis upphävs den temporära blockeringen av strömriktaren så snart strömmen igenom densamma sjunkit under det förutbestämda undre första värdet.

Det påpekas att hela tiden styrinrättningens ordinarie ström- reglering "tuffar på" och således överrids av den reglering som nämnda medel utför, därest villkoren är uppfyllda för att dessa skall påverka styrinrättningens styrning av strömrikta- ren .

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till den ovan beskrivna föredragna utföringsformen, utan en mängd möjligheter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på området, utan att denne för den skull avvi- ker från uppfinningens grundtanke, sådan denna definieras i patentkraven.

Såsom redan tidigare nämnts kan anläggningen uppvisa en mängd komponenter som ej är visade på ritningarna, såsom exempelvis harmoniska filter för avlägsnande av vid pulsbreddsmodulering uppkomna övertonsströmmar.

Ehuru symboler ritats in i Fig 1 för vissa organ, medel eller dylikt, är det inte alls nödvändigt att dessa förekommer som separata komponenter, utan de funktioner de har att fylla kan mycket väl tillses genom någon komponent som även har andra uppgifter och exempelvis värden inte mätas direkt utan fram- räknas utifrån uppmätta värden hos någon annan storhet.

Anläggningen kan uppvisa fler än en station, varvid företrä- desvis varje station uppvisar nämnda medel för ingrepp i strömregleringen. Därvid är det även möjligt att en av sta- 10 15 520 611 Üïffït" LLLL d' 12 tionerna är spänningsreglerande, d v s styr sin strömriktare för reglering av spänningen hos likspänningsnätet vid denna station. Även om funktionerna som motsvaras av rutorna 21, 23, 22 och 28 i Fig 2 skulle kunna undvaras, säkerhet. utgör de en tillkommande Omnämnandet av den andra förutbestämda nivån i patentkravet 1 är ej att tolka begränsande för uppfinningen, utan anger en- dast det självklara faktumet att strömriktaren naturligtvis blockeras om strömmen blir alltför hög.

I organen för avkännande av genom vilken strömventil strömmen går kan avkännare av styrinrättningens styrpulser ingå. , . . . . v

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 . | ~ . .- 520 611 13

1. Anläggning för överföring av elektrisk effekt innefattande ett likspänningsnät (1) och åtminstone ett därtill via en station (4) anslutet växelspänningsnät (5), varvid stationen är utformad att åstadkomma överföring av elektrisk effekt mellan likspänningsnätet och växelspänningsnätet och innefat- tar åtminstone VSC-strömriktare (8) likspänning till växelspänning och vice versa och en inrätt- anordnad att omvandla ning (16) för styrande av strömriktaren, varvid inrättningen är anordnad att styra stationens strömriktare för reglering av strömmen därigenom, varvid strömriktaren på sin likspän- ningssida uppvisar två mellan likspänningsnätets båda poler (2, 3) seriekopplade strömventiler (9, 10) med växelspän- ningsnätet anslutet till en punkt hos förbindelsen (11) mel- lan dessa, samt varvid varje strömventil uppvisar åtminstone en tänd- och släckbar brytare (12, rallellt kopplad diod (14, 15) och brytarna hos de båda strömventilerna är riktade åt samma håll, kännfltfiflknâd därav, att den även innefattar organ (17) anord- nade att känna av riktningen och storleken på strömmen genom 13) och en därmed antipa- strömriktaren samt genom vilken strömventil strömmen flyter och medel (18) anordnade att på grundval av informationer från nämnda organ jämföra strömmens storlek med ett förutbe- stämt undre första värde överstigande den normalt genom strömriktaren accepterade strömmen och ett förutbestämt andra övre värde och vid fastställande av att strömmen är belägen mellan nämnda värden och ett samtidigt fastställande av nämn- da organ att strömmen flyter igenom nämnda brytare hos en av strömventilerna påverka styrinrättningen att styra strömrik- taren att kommutera över strömmen till att gå igenom den andra strömventilen.

2. Anläggning enligt krav 1, kännfitêflknâd därav, att nämnda medel (18) är anordnade att vid en detekterad ström med en styrka mellan nämnda förutbe- stämda värden och ett samtidigt fastställande av att strömmen 5 10 15 20 25 30 35 - . « . f . 520 611 14 flyter igenom dioden hos en av strömventilerna utlösa ett he- la strömriktaren (8) temporärt blockerande överströmsskydd.

3. Anläggning enligt krav 2, kännefiegknad därav, att nämnda medel (18) är anordnade att utlösa överströmsskyddet under förutsättningen att strömmen efter förflytande av en förutbestämd tid (29) från dess över- stigande av nämnda första värde fortfarande är högre än detta värde.

4. Anläggning enligt något av kraven 1-3, kännefiegknad därav, att nämnda medel (18) är anordnade att vid fastställande av ett värde hos strömmen överstigande nämnda andra värde utlösa ett hela strömriktaren temporärt blockerande överströmsskydd oavsett om strömmen går igenom dioden eller brytaren hos den för tillfället strömförande strömventilen.

5. Anläggning enligt något av kraven 1-4, kännfiififlknad därav, att nämnda brytare (12, 13) är IGBT-er.

6. Anläggning enligt något av kraven 1-5, kännefiegknad därav, att styrinrättningen (16) är anordnad att kontinuerligt genomföra sin ordinarie strömreglering även då nämnda medel (18) som ett resultat av sina jämförelser utlö- ser påverkan av strömriktaren (8).

7. Anläggning enligt något av kraven 1-6, därav, strömriktare (8). att den innefattar fler än en nämnd VSC-

8. Anläggning enligt något av kraven l-7, kännfitfifiknâd därav, att den är utformad för överföring av el- kraft via ett likspänningsnät (1) för högspänd likström (HVDC).