WO2012103936A1 - Verfahren zum beseitigen eines fehlers an einer hochspannungs-gleichstromleitung, anlage zum übertragen eines elektrischen stromes über eine hochspannungs-gleichstromleitung und umrichter - Google Patents

Verfahren zum beseitigen eines fehlers an einer hochspannungs-gleichstromleitung, anlage zum übertragen eines elektrischen stromes über eine hochspannungs-gleichstromleitung und umrichter Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for eliminating a fault on a high-voltage direct current line, to which a self-commutated inverter, an AC power supply is connected.
  • the invention has for its object to provide a method for eliminating a fault in a high voltage To propose DC line that can be reliably performed with relatively little effort.
  • H-bridge submodules are known, for example, from the article "New Concept for High Voltage Modular Multilevel Converters", PESC 2004 Conference in Aachen, Germany ".
  • the activation of the respective at least one H-bridge submodule takes place immediately after the short circuit-related opening of switches, which are arranged in the AC voltage network on the side remote from the high-voltage direct current line side of the inverter.
  • the method according to the invention advantageously requires no additional circuit elements on or in the high-voltage direct current line in order to interrupt the current. Namely, these circuit elements lead to additional losses in error-free operation.
  • the number of H-bridges sub-modules depends on the amount of each to erzeu ⁇ constricting counter voltage.
  • the remaining submodules of the converter can be half-bridge submodules, which has an advantageous effect on the manufacturing costs of the entire converter.
  • Au ⁇ ßerdem are thus kept the losses in the inverter small.
  • Half-bridge submoduls for example, from the on ⁇ set "New Concept for High Voltage Modular Multilevel Converter", PESC 2004 Conference in Aachen, Germany "known.
  • an inverter is advantageously used in which the number of H-bridge submodules is small in comparison to the number of half-bridge submodules.
  • converters are used to reduce manufacturing costs and to reduce losses, each of which has as few H-bridge submodules and as many half-bridge submodules as possible.
  • the converter can be operated as a rectifier or as an inverter depending on the direction of energy flow.
  • the invention further relates to a system for transmitting an electric current via a high-voltage direct current line, to which a self-commutated converter, an alternating current network is connected.
  • the invention is also based on the object to develop this system so that it is comparatively low cost with low losses in a position to eliminate errors in the DC network.
  • the converter according to the invention is designed in a modular design and has in its phase branches in each case at least one H-bridge submodule in a series circuit with a plurality of half-bridge submodules.
  • the converter can be used both as a rectifier and as an inverter.
  • the invention is also concerned with the task of proposing an inverter, which advantageously between a
  • High-voltage DC power line and an AC power grid is inserted.
  • the converter according to the invention is designed in a modular design and has in its phase branches in each case at least one H-bridge submodules in a series circuit with a plurality of half-bridge submodules.
  • the main advantage of the converter according to the invention be ⁇ is that a fault on the high voltage direct current line can be removed quickly by actuation of its sub-modules according to a short circuit caused by opening of switches in the inverter connected to the alternating voltage network.
  • the size of the short-circuit current is limited on the DC side by the use of H-bridge submodules; additional switching elements on the overhead line are not required.
  • such a converter is relatively low loss because of its relatively few H-bridge submodules.
  • the number of H-bridge submodules in comparison to the number of half-bridge submodules is small.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a system for carrying out the method according to the invention with AC side operable switches and in
  • Fig. 2 shows an embodiment of the inverter according to the invention.
  • the system shown in Fig. 1 has a self-commutated converter 1 shown only schematically, in a known manner from a positive-side converter part 2 shown here only in the manner of a block diagram and a negative-side converter part 3 with phase branches 4,5 and 6 and 7 respectively , 8 and 9 consists.
  • the converter 1 is usually connected via coils 11p, 12p and 13p or 11n, 12n and 13n to the three phase conductors 14, 15 and 16 of an AC voltage network 17.
  • the coils can also be arranged on the DC side of the inverter 1, as indicated by dashed lines in Figure 1 using reference numerals 11p 'to 13n'.
  • a high-voltage DC line 19 is connected with its two lines 20 and 21 on both sides.
  • the open switches 24 to 26 interrupt the connection between the AC voltage network 17 and the
  • the self-commutated converter 1 according to FIG. 1 is shown in detail with its positive-side converter part 2 and its negative-side converter part 3; each of these
  • Converter parts 2 and 3 consists of the three positive-side phase branches 4, 5 and 6 and of the three negative-side phase branches 7, 8 and 9.
  • each phase module 4 to 6 and 7 to 9 are connected in series with the half-bridge k submodules 30 to 32 or 33 to 35 Nk H-bridge submodules 36, 37 and 38 Bezie ⁇ hung as 39, 40 and 41st
  • the inductances acting in the coils 11p to 13p and 11n to 13n as well as in the DC voltage side for example, the inductance of a cable connected on the DC side as a DC line to the fault point or an overhead line connected to the DC voltage side
  • the H-bridge submodules at ge ⁇ suitably control also effect a reduction in the size of the short-circuit current.
  • the number Nk of the H-bridge submodules which advantageously affects the costs of the components-self-commutated converter 1; the number k of the less expensive half-bridge bridge submodules 30 to 35 is then relatively large.

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Abstract

Um einen Fehler an einer Hochspannungs-Gleichstromleitung (19) mit einem über einen selbstgeführten Umrichter (1) angeschlossenem Wechselspannungsnetz (17) zuverlässig mit vergleichsweise geringem Aufwand beseitigen zu können, wird mittels Ansteuerung jeweils mindestens eines H-Brücken-Submoduls (36, 37, 38;39, 40, 41) in Phasenzweigen (4, 5, 6; 7, 8, 9) des in Modulbauweise ausgeführten Umrichters (1) unter Erzeugung einer Gegenspannung zur Spannung am Lichtbogen der bei dem Fehler fließende Kurzschlussstrom verringert. Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zum Übertragen eines elektrischen Stromes über eine Hochspannungs-Gleichstromleitung und einen Umrichter.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Beseitigen eines Fehlers an einer Hochspan- nungs-Gleichstromleitung, Anlage zum Übertragen eines elekt- rischen Stromes über eine Hochspannungs-Gleichstromleitung und Umrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beseitigen eines Fehlers an einer Hochspannungs-Gleichstromleitung, an die über einen selbstgeführten Umrichter ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
Ein solches Verfahren ist aus der Übersetzung DE 698 37 414 T2 2007.12.20 der europäischen Patentschrift EP 0 867 998 Bl bekannt. Dieser Druckschrift lässt sich nämlich ein Verfahren für die Hochspannungsgleichstromübertragung über eine elektrische Anlage mit einem Gleichspannungsnetz mit zwei Leitungen und daran über Umrichter angeschlossenen Wechselspannungsnetzen entnehmen. Bei dem bekannten Verfahren wird zur schnellen Begrenzung eines Stromes im Falle eines Fehlers, beispielsweise bei einem Fehler mit Erdschluss in dem Gleich¬ spannungsnetz, in eine der Leitungen eine Parallelschaltung mindestens eines Absperrhalbleiterbauteils und eines Über- spannungsableiters verwendet. Im Normalbetrieb wird das Ab- sperrhalbleiterbauteil durchlässig gehalten, während es bei einem gleichspannungsnetzseitigen Fehler von einer Steuervorrichtung mit hoher Frequenz abwechselnd gesperrt und geöffnet wird, wodurch eine Strombegrenzung und gegebenenfalls auch eine Stromunterbrechung eintritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beseitigen eines Fehlers an einer Hochspannungs- Gleichstromleitung vorzuschlagen, dass zuverlässig mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß bei einem Fehler an der Hochspan- nungs-Gleichstromleitung zur Löschung eines Lichtbogens an der Hochspannungs-Gleichstromleitung
mittels Ansteuerung jeweils mindestens eines H-Brücken- Submoduls in Phasenzweigen des in Modulbauweise mit mehreren Halbbrücken-Submodulen ausgeführten Umrichters unter Erzeugung einer Gegenspannung zur Spannung am Lichtbogen der bei dem Fehler fließende Kurzschlussstrom verringert. H-Brücken- Submodule sind beispielsweise aus dem Aufsatz „New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter", PESC 2004 Conference in Aachen, Germany" bekannt.
Die Ansteuerung des jeweils mindestens einen H-Brücken- Submoduls erfolgt unmittelbar nach dem kurzschlussbedingten Öffnen von Schaltern, die in dem Wechselspannungsnetz auf der von der Hochspannungs-Gleichstromleitung abgewandten Seite des Umrichters angeordnet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bedarf es im Fehlerfalle in vorteilhafter Weise keiner zusätzlichen Schaltungselemente an bzw. in der Hochspannungs-Gleichstromleitung, um den Strom zu unterbrechen. Diese Schaltungselemente führen nämlich im fehlerfreien Betrieb zu zusätzlichen Verlusten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es dagegen nur erforderlich, einen selbstgeführten Umrichter in Modulbauweise mit mindestens einem H-Brücken-Submodul zu verwenden und im Fehlerfalle nach Öffnen der Schalter im Wechselspannungsnetz so anzusteuern, dass eine Gegenspannung zur Spannung am Lichtbogen erzeugt wird; dadurch wird der aus den Induktivitäten des selbstgeführten Umrichters in Modulbauweise und aus den In¬ duktivitäten, die auf der Gleichspannungsseite zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des Umrichters und der Fehlerstelle wirksam sind, fließende Strom über die Fehlerstelle erheb- lieh schneller verringert, als dies ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fall wäre. Dabei richtet sich die Anzahl der H-Brücken-Submodule nach der Höhe der jeweils zu erzeu¬ genden Gegenspannung. Die übrigen Submodule des Umrichters können Halbbrücken-Submodule sein, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten des gesamten Umrichters auswirkt. Au¬ ßerdem sind dadurch die Verluste im Umrichter klein gehalten. Halbbrücken-Submodule sind beispielsweise auch aus dem Auf¬ satz „New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter", PESC 2004 Conference in Aachen, Germany" bekannt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafter Weise ein Umrichter verwendet, bei dem die Anzahl der H-Brücken- Submodule im Vergleich zur Anzahl Halbbrücken-Submodule klein ist. Es werden also zur Herstellungskosten- und zur Verlust- reduzierung Umrichter verwendet, die jeweils möglichst wenige H-Brücken-Submodule und möglichst viele Halbbrücken-Submodule aufweisen .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Umrichter je nach Energieflussrichtung als Gleichrichter oder als Wechselrichter betrieben werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zum Übertragen eines elektrischen Stromes über eine Hochspannungs- Gleichstromleitung, an die über einen selbstgeführten Umrichter ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Ausgehend von einer solchen Anlage gemäß dem eingangs angege benen Stand der Technik, liegt der Erfindung auch die Aufgab zugrunde, diese Anlage so fortzuentwickeln, dass sie mit ver gleichsweise geringem Aufwand bei geringen Verlusten in der Lage ist, Fehler im Gleichspannungsnetz zu beseitigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß der Umrichter in Modulbauweise ausgeführt ist und weist in seinen Phasen- zweigen jeweils mindestens ein H-Brücken-Submodul in einer Reihenschaltung mit mehreren Halbbrücken-Submodulen auf.
Mittels eines solchen Umrichters ist die erfindungsgemäße An¬ lage nach einem kurzschlussbedingten Öffnen von Schaltern im Wechselspannungsnetz in der Lage, bei einer derartigen An- Steuerung seines mindestens einen H-Brücken-Submoduls , dass eine Gegenspannung zur Spannung am Lichtbogen in einem Fehlerfalle erzeugt wird, den Kurzschlussstrom relativ schnell soweit zu verringern, dass der Fehler beseitigt ist; dabei werden im normalen Betrieb der Anlage bei fehlerfreier
Hochspannungs-Gleichstromleitung Verluste vergleichsweise gering gehalten, weil die erfindungsgemäße Anlage ohne zu¬ sätzliche Absperrelemente und Überspannungsabieiter im
Gleichspannungsnetz auskommt, indem der Umrichter selbst bzw. seine H-Brücken-Submodule entsprechend gesteuert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage ist - um die Herstellungs¬ kosten und die elektrischen Verluste gering zu halten - in der Reihenschaltung die Anzahl H-Brücken-Submodule im Vergleich zur Anzahl der Halbbrücken-Submodule klein.
In der erfindungsgemäßen Anlage kann der Umrichter sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter eingesetzt werden. Die Erfindung befasst sich ferner mit der Aufgabe, einen Umrichter vorzuschlagen, der mit Vorteil zwischen eine
Hochspannungs-Gleichstromleitung und ein Wechselspannungsnetz einfügbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Umrichter erfindungsgemäß in Modulbauweise ausgeführt und weist in seinen Phasenzweigen jeweils mindestens ein H-Brücken-Submodulen in einer Reihenschaltung mit mehreren Halbbrücken-Submodulen auf.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Umrichters be¬ steht darin, dass durch Ansteuerung seiner Submodule nach einem kurzschlussbedingten Öffnen von Schaltern im mit dem Umrichter verbundenen Wechselspannungsnetz ein Fehler auf der Hochspannungs-Gleichstromleitung schnell beseitigt werden kann. Außerdem wird durch den Einsatz der H-Brücken-Submodule die Größe des Kurzschlussstroms auf der Gleichspannungsseite begrenzt; zusätzliche Schaltelemente auf der Freileitung sind nicht erforderlich. Außerdem ist ein solcher Umrichter wegen seiner verhältnismäßig wenigen H-Brücken-Submodule relativ verlustarm.
Vorteilhafter Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Umrichter in der Reihenschaltung die Anzahl H-Brücken-Submodule im Ver- gleich zur Anzahl der Halbbrücken-Submodule klein.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit wechselspannungsseitig betätigbaren Schaltern und in
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umrichters dargestellt. Die in Fig. 1 gezeigte Anlage weist einen nur schematisch dargestellten selbstgeführten Umrichter 1 auf, der in bekannte Weise aus einem hier nur nach Art eines Blockschaltbildes dargestellten positivseitigen Converterteil 2 und einem nega- tivseitigen Converterteil 3 mit Phasenzweigen 4,5 und 6 bzw. 7,8 und 9 besteht. Der Umrichter 1 ist in üblicherweise über Spulen 11p, 12p und 13p bzw. lln, 12n und 13n mit den drei Phasenleitern 14, 15 und 16 eines Wechselspannungsnetzes 17 verbunden. Die Spulen können aber auch auf der Gleichspannungsseite des Umrichters 1 angeordnet sein, wie es in Figur 1 strichliert unter Benutzung von Bezugszeichen 11p' bis 13n' angedeutet ist.
Auf der vom Wechselspannungsnetz 17 abgewandeten Seite des Umrichters 2 ist beidseitig eine Hochspannungs- Gleichstromleitung 19 mit ihren beiden Leitungen 20 und 21 angeschlossen ist. In der Leitung 21 ist eine Anordnung 22 zum Erfassen eines bei einem Fehler an der Hochspannungs- Gleichstromleitung 19 fließenden Kurzschlussstromes geschal¬ tet, von der über eine strichliert dargestellte elektrische Verbindung 23 im Fehlerfalle eine Betätigung von Schaltern 24, 25 und 26 in den Phasenleitern 14, 15 und 16 bewirkt wird. Die geöffneten Schalter 24 bis 26 unterbrechen die Verbindung zwischen dem Wechselspannungsnetz 17 und der
Hochspannungs-Gleichstromleitung 19.
In Fig. 2 ist der selbstgeführte Umrichter 1 gemäß Fig. 1 im Detail mit seinem positivseitigen Converterteil 2 und seinen negativseitigen Converterteil 3 dargestellt; jedes dieser
Converterteile 2 und 3 besteht aus den drei positivseitigen Phasenzweigen 4, 5 und 6 und aus den drei negativseitigen Phasenzweigen 7,8 und 9. Jeder Phasenzweig 4 bis 9 seiner- seits besteht positivseitig und negativseitig aus jeweils N Submodulen, wobei der positivseitige Phasenzweig 4 bis 6 je¬ weils eine Anzahl k von Halbbrücken-Submodulen 30, 31 und 32 aufweist und der negativseitige Phasenzweig 7 bis 9 ebenfalls eine Anzahl k von Halbbrücken-Submodulen 33, 34 und 35 besitzt. In jedem Phasenmodul 4 bis 6 sowie 7 bis 9 liegen in Reihe mit den k Halbbrücken-Submodulen 30 bis 32 beziehungsweise 33 bis 35 N-k H-Brücken-Submodule 36, 37 und 38 bezie¬ hungsweise 39, 40 und 41.
Tritt ein Fehler an der Hochspannungs-Gleichstromleitung 19 auf, dann wird der damit einhergehende Kurzschlussstrom von der Anordnung 22 erfasst, und es werden die Schalter 24 bis 26 geöffnet, wodurch das Wechselspannungsnetz 17 von der Hochspannungs-Gleichstromleitung 19 abgetrennt wird. Aufgrund der in den Spulen 11p bis 13p sowie lln bis 13n sowie in den gleichspannungsseitig wirksamen Induktivitäten (zum Beispiel der Induktivität eines gleichspannungsseitig angeschlossenen Kabels als Gleichstromleitung bis zur Fehlerstelle oder einer gleichspannungsseitig angeschlossenen Freileitung bis zur
Fehlerquelle) gespeicherten elektrischen Energie fließt je¬ doch weiterhin ein Kurzschlussstrom zu der Fehlerstelle an der Hochspannungs-Gleichstromleitung 19. Um diesen Strom schnell zu verringern und damit den Fehler an der Hochspan- nungs-Gleichstromleitung 19 zu beseitigen, werden von einer der besseren Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellten Steueranordnung die H-Brücken-Submodule 36 bis
40 so angesteuert, dass eine Gegenspannung zu der Spannung an der Fehlerstelle bzw. am Lichtbogen entsteht; diese Gegen- Spannung verringert schnell den Kurzschlussstrom unter Beseitigung des Fehlers an der Hochspannungs-Gleichstromleitung 19. Dabei ist die Anzahl N-k der H-Brücken-Submodule 36 bis
41 so groß gewählt, dass eine ausreichend hohe Gegenspannung erzeugbar und damit eine schnelle Verringerung des Kurzschlussstromes mit einhergehender Fehlerbeseitigung möglich ist. Darüber hinaus bewirken die H-Brücken-Submodule bei ge¬ eigneter Ansteuerung auch eine Verminderung der Größe des Kurzschlussstroms.
Dabei kann die Anzahl N-k der H-Brücken-Submodule in günsti¬ ger Weise relativ klein gehalten werden, was sich vorteilhaft auf die Bauelemente-Kosten des selbstgeführten Umrichters 1 auswirkt; die Anzahl k der wenig aufwendigen Halbbrücken- Brücken-Submodule 30 bis 35 ist dann relativ groß.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beseitigen eines Fehlers an einer Hochspan- nungs-Gleichstromleitung (19), an die über einen selbstge- führten Umrichter (1) ein Wechselstromnetz (17) angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Fehler an der Hochspannungs-Gleichstromleitung (19) zur Löschung eines Lichtbogens an der Hochspannungs- Gleichstromleitung (19)
• mittels Ansteuerung jeweils mindestens eines H-Brücken- Submoduls ( 36, 37 , 38 ; 39, 40 , 41 ) in Phasenzweigen
(4, 5, 6; 7, 8, 9) des in Modulbauweise mit mehreren Halbbrü- cken-Submodulen ( 30 , 31 , 31 ; 33 , 34 , 35 ) ausgeführten Umrich- ters (1) unter Erzeugung einer Gegenspannung zur Spannung am Lichtbogen der bei dem Fehler fließende Kurzschlussstrom verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
• bei dem Umrichter (1) die Anzahl der H-Brücken-Submodule ( 36, 37 , 38 ; 39, 40 , 41 ) im Vergleich zur Anzahl Halbbrücken- Submodule ( 30 , 31 , 31 ; 33 , 34 , 35 ) klein ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der Umrichter als Gleichrichter betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der Umrichter als Wechselrichter betrieben wird.
5. Anlage zum Übertragen eines elektrischen Stromes über eine Hochspannungs-Gleichstromleitung (19), an die über einen selbstgeführten Umrichter (1) ein Wechselstromnetz (17) angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der Umrichter (1) in Modulbauweise ausgeführt ist und in seinen Phasenzweigen (4, 5, 6; 7, 8, 9) jeweils mindestens ein H-Brücken-Submodul ( 36, 37 , 38 ; 39, 40 , 41 ) in einer Reihenschaltung mit mehreren Halbbrücken-Submodulen
(30, 31, 32; 33, 34, 35) aufweist.
6. Anlage nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
• in der Reihenschaltung die Anzahl H-Brücken-Submodule (36, 37, 38; 39, 40, 41) im Vergleich zur Anzahl der Halbbrü- cken-Submodule ( 30 , 31 , 32 ; 33 , 34 , 35 ) klein ist.
7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
· der Umrichter als Gleichrichter eingesetzt ist.
8. Anlage nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der Umrichter als Wechselrichter eingesetzt ist.
9. Umrichter zum Übertragen eines elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass
• der Umrichter (1) in Modulbauweise ausgeführt ist und in seinen Phasenzweigen (4, 5, 6; 7, 8, 9) jeweils mindestens ein H-Brücken-Submodul ( 36, 37 , 38 ; 39, 40 , 41 ) in einer Reihenschaltung mit mehreren Halbbrücken-Submodulen
(10, 11, 12; 13, 14, 15) aufweist.
10. Umrichter nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
• in der Reihenschaltung die Anzahl H-Brücken-Submodule ( 36, 37 , 38 ; 39, 40 , 41 ) im Vergleich zur Anzahl der Halbbrü- cken-Submodule ( 30 , 31 , 32 ; 33 , 34 , 35 ) klein ist.
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