SE525546C2 - A plant for transmitting electrical power and a method for operating such a plant - Google Patents
A plant for transmitting electrical power and a method for operating such a plantInfo
- Publication number
- SE525546C2 SE525546C2 SE0202433A SE0202433A SE525546C2 SE 525546 C2 SE525546 C2 SE 525546C2 SE 0202433 A SE0202433 A SE 0202433A SE 0202433 A SE0202433 A SE 0202433A SE 525546 C2 SE525546 C2 SE 525546C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- phase
- voltage
- converter
- width modulation
- pulse width
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
Abstract
Description
25 30 35 525 546 2 blem på grund av frånvaro av galvanisk separation mellan växel- spänningsnätet och strömriktaren, är det ändock önskvärt att klara sig utan sådana transformatorer, då de utgör en i samman- hanget kostsam investering. Due to the absence of galvanic separation between the AC mains and the converter, it is nevertheless desirable to be able to do without such transformers, as they constitute a costly investment in this context.
Hos hittills kända anläggningar av inledningsvis definierat slag har därför s k fasreaktorer, m a o induktorer med luftkärna, d v s som saknar kärna, anordnats mellan respektive fasuttag och re- spektive fas hos trefasväxelspänningsnätet. Dessa fasreaktorer används för omvandlande av nämnda tåg av pulser på fasuttaget till en väsentligen sinusformad fasspänning. Emellertid förmår en sådan fasreaktor inte i nämndvärdgrad filtrera bort vid puls- breddsmoduleringen alstrade övertoner. Det är väl känt att vid driften av en VSC-strömriktare genereras övertoner av tre olika typer, nämligen plus-, minus- och nollföljd. Av dessa är det inget större problem att filtrera bort plus- och minusföljderna med till anläggningen anslutna harmoniska filter. Däremot ställer överto- nerna av nollföljdstyp till större problem, speciellt i fallet av kom- binationen Z-nivà-strömriktare och trefasväxelspänning, vilket gör att den sammanlagda utspänningen hos pulserna pä strömrikta- rens växelspänningssida aldrig är noll, vilket medför en noll- följdsspänning, som ger upphov till en nollföljdsström som sluter sig via fasreaktorerna hos en anläggning utan transformator ned genom ett filter och tillbaka till kondensatorer som finns på lik- spänningssidan, och vilkas mittpunkter är jordade för att för- hindra att nollföljdsströmmen fortplantas på anläggning-ens lik- spänningssida. Nollföljdsströmmarna blir betydande och medför ett avsevärt rippel på 'strömmen från strömriktaren, vilket belastar nämnda släckbara halvledarelement hos strömriktarens ström- ventiler i form av värmealstring, så att själva nyttoströmmen ge- nom dem inte kan göras lika hög som om detta rippel inte vore förhanden.In hitherto known plants of an initially defined type, so-called phase reactors, i.e. inductors with air core, i.e. which have no core, have been arranged between the respective phase outlets and the respective phase of the three-phase AC voltage network. These phase reactors are used for converting said train of pulses on the phase socket into a substantially sinusoidal phase voltage. However, such a phase reactor is not able to filter out harmonics generated by the pulse width modulation to a degree of degree. It is well known that in the operation of a VSC converter, harmonics of three different types are generated, namely plus, minus and zero sequence. Of these, it is no major problem to filter out the plus and minus consequences with harmonic filters connected to the system. On the other hand, the zero-sequence type harmonics pose greater problems, especially in the case of the combination of Z-level converters and three-phase AC voltage, which means that the total output voltage of the pulses on the AC side of the inverter is never zero, which results in a zero-sequence voltage. which gives rise to a zero-current current which closes via the phase reactors of a plant without a transformer down through a filter and back to capacitors located on the direct voltage side, and whose midpoints are grounded to prevent the zero-current current from propagating on the plant's direct current. voltage side. The zero-sequence currents become significant and cause a considerable ripple on the current from the inverter, which loads the extinguishing semiconductor elements of the inverter's current valves in the form of heat generation, so that the actual current through them cannot be made as high as if this ripple did not exist.
Att förse nämnda fasreaktorer hos tidigare kända anläggningar av inledningsvis definierat slag med en kärna för spärrande av _ nollföljdsspänningen är inget tänkbart alternativ, eftersom en så- dan kärna blir mycket stor om plusföljdsspänningen skall tas upp 10 15 20 25 30 35 525 546 3 beroende på att grundtonen är av plusföljdskaraktär, vilket skulle göra en sådan kärna oacceptabelt dyr. Det magnetiska flödet i kärnan blir ju i så fall mycket stort på grund av den låga frekven- sen hos grundtonen.Providing said phase reactors of previously known plants of an initially defined type with a core for blocking the zero-sequence voltage is not a conceivable alternative, since such a core becomes very large if the positive-sequence voltage is to be taken up depending on that the fundamental tone is of a plus-sequence nature, which would make such a core unacceptably expensive. The magnetic flux in the core then becomes very large due to the low frequency of the fundamental tone.
Här kan även en anläggning av ett annorlunda slag, men vilken är behäftad med ett liknande problem kort beskrivas. I fallet av en anläggning för överföring av elektrisk effekt mellan en lik- spånningssida hos en strömriktare med nätkommuterade halvle- darelement uppstår liknande problem, men där hamnar problemet pà likspänningssidan istället för på växelspänningssidan som hos anläggningen av inledningsvis definierat slag. I US 5 414 612 beskrivshur de problem med strömmar av nollföljdstyp som upp- står hos en sådan till ett trefasväxelspänningsnät transformator- löst ansluten strömriktare löses genom anordnande av minst en på strömriktarens likströmssida anordnad ömsinduktor, vilken har två i varsin av strömriktarens likströmstilledningar inkopplade och till varandra väl magnetiskt kopplade lindningar med en hög grad av symmetri, så att de uppvisar hög impedans för s k jordmod- strömmar.Here, too, a plant of a different kind, but which is afflicted with a similar problem, can be briefly described. In the case of a system for transmitting electrical power between a direct voltage side of a converter with mains-commutated semiconductor elements, similar problems arise, but the problem ends up on the direct voltage side instead of on the alternating voltage side as in the system of an initially defined type. U.S. Pat. well-magnetically coupled windings with a high degree of symmetry, so that they have a high impedance for so-called earth currents.
SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- läggning för överföring av elektrisk effekt av inledningsvis defini- erat slag samt ett förfarande för drift av en sådan, vilka långtgå- ende reducerar ovannämnda problem hos tidigare kända sådana anläggningar.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a plant for transmitting electrical power of an initially defined type and a method for operating one, which far reduce the above-mentioned problems of previously known such plants.
Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att hos en sådan anläggning respektive fasuttag hos strömriktaren är anslutet till respektive fas hos växelspänningsnätet genom en fasledning som är lindad kring en med de övriga båda fasledningarna gemensam järnkärna dimensionerad att väsentligen ta hand om vid pulsbreddsmoduleringen genererade nollföljdsströmmar. 10 15 20 25 30 35' . I I Û :". o: o o o o o o o . q o 0 o l Q Il 525 546 4 Tack vare att på detta sätt en järnkärna som är gemensam för de tre faserna används måste denna inte dimensioneras att spärra för plusföljds- och minusföljdsströmmar, d v s inte mot grundto- nen, som är av plusföljdskaraktär. När summan av strömmarna i faserna är noll, vilket är fallet för plusföljds- och minusföljds- strömmar, kommer spänningen inducerad i faserna att vara noll, eftersom den ekvivalenta impedansen är noll och därigenom kommer plusföljden och minusföljden inte att känna av någon im- pedans frán kärnan. Såldes ser plusföljden, dvs bland annat grundtonen, ej järnet utan passerar kärnan opàverkad. Däremot kommer kärnan att uppvisa en hög impedans för nollföljdskom- ponenter hos strömmen. Sådana nollföljdskomponenter har dock en betydligt högre frekvens, så att kärnan kan få en ur kostnads- synpunkt acceptabel storlek.This object is achieved according to the invention by connecting such a system and phase socket of the converter to the respective phase of the AC network through a phase line which is wound around an iron core common to the other two phase lines dimensioned to substantially take care of zero-sequence currents generated during pulse width modulation. 10 15 20 25 30 35 '. II Û: ". O: ooooooo. Qo 0 ol Q Il 525 546 4 Due to the fact that in this way an iron core common to the three phases is used, it does not have to be dimensioned to block plus-sequence and minus-sequence currents, ie not against basic currents. When the sum of the currents in the phases is zero, as is the case for the plus-sequence and minus-sequence currents, the voltage induced in the phases will be zero, since the equivalent impedance is zero and thus the plus-sequence and the minus-sequence will not If the positive sequence, ie among other things the fundamental tone, does not see the iron but passes the core, the core will show a high impedance for zero-sequence components of the current. that the core can have a size that is acceptable from a cost point of view.
En fördel med att nollföljdsströmmarna på detta sätt kraftigt re- I duceras är att ripplet pà strömmen igenom halvledarelementen blir mindre och därigenom kan själva grundtonsströmmen, d v s nyttoströmmen, igenom strömriktaren ökas utan ökad belastning på halvledarelementen och därigenom högre effekt överföras.An advantage of the zero-sequence currents being greatly reduced in this way is that the ripple on the current through the semiconductor elements becomes smaller and thereby the fundamental tone current, i.e. the payload current, through the converter can be increased without increased load on the semiconductor elements and thereby higher power transmitted.
Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är anlägg- ningens styrinrättning anordnad att använda en referensväxel- spänning med formen av en sinuskurva adderad med en tredje- tonskomponent eller en multipel av tredjetonskomponenter med avseende på sinuskurvans grundton för respektive fas vid puls- breddsmoduleringen. Det är nämligen så att s k tredjetonskom- ponenter och multiplar därav är av nollföljdskaraktär och således effektivt kan tas hand om av den för de tre faserna gemensamma kärnan, därest denna dimensioneras för detta. Detta *innebär att s k tredjetons-pulsbreddsmodulering (3PWM) kan appliceras på strömriktaren, vilket är tidigare känt genom bl a PCTlSE02lO0066 och kan utnyttjas för att ge en ökad nyttospänning ut från en VSC-strömriktare och därmed en ökad, via anläggningen överför- bar effekt. Genom användande av sådan s k tredjetons- pulsbreddsmodulering kan toppspänningen på' växelspänningen 10 15 20 25 30 35 525 546 5 på strömriktarens växelspänningssida fâs att to m bli högre än spänningen mellan likspänningssidans båda poler.According to a preferred embodiment of the invention, the control device of the system is arranged to use a reference alternating voltage in the form of a sine curve added with a third-tone component or a multiple of third-tone components with respect to the fundamental tone of the sine curve for each phase in pulse width modulation. Namely, it is the case that so-called third-tone components and multiples thereof are of a zero-sequence nature and can thus be effectively taken care of by the core common to the three phases, where this is dimensioned for this. This * means that so-called three-tone pulse width modulation (3PWM) can be applied to the converter, which is previously known by PCTlSE02100066 and can be used to provide an increased useful voltage from a VSC converter and thus an increased power, which can be transmitted via the system. . By using such so-called third-tone pulse width modulation, the peak voltage of the alternating voltage 10 15 20 25 30 35 525 546 5 on the AC side of the converter can be made to be higher than the voltage between the two poles of the direct voltage side.
Uppfinningen är speciellt fördelaktig i fallet då styrinrättningen vid pulsbreddsmoduleringen använder en för varje fas specifik triangelvàg och genom fastställande av korsningspunkten mellan referensväxelspänningen för fasen och triangelvägen styr ström- ventiiernas halvledarelement, så att för varje fas pulser med en varaktighet mellan två på varandra följande nämnda korsnings- punkter avges pà fasuttaget och i ett sådan fall för varje fasuttag samma triangelvàg som för de båda andra fasuttagen används.The invention is particularly advantageous in the case where the control device in the pulse width modulation uses a triangular wave specific for each phase and by determining the point of intersection between the reference AC voltage for the phase and the triangular path controls the semiconductor element of the current valves so that for each phase pulses points are given on the phase outlet and in such a case for each phase outlet the same triangular wave as for the other two phase outlets is used.
Med ”samma” menas här att den inte bara har samma utseende, utan att de tre triangelvàgorna inte heller uppvisar någon inbör- des tidsförskjutning. Däremot inbegriper denna definition att ex- akt likadana och i tiden inbördes ej förskjutna triangelvàgor, en för varje fasben, används för pulsbreddsmoduleringen.By “same” is meant here that it not only has the same appearance, but that the three triangular waves also do not show any mutual time shift. On the other hand, this definition implies that exactly the same and in time mutually unshifted triangular waves, one for each phase leg, are used for the pulse width modulation.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anläggningen en enhet anordnad att möjliggöra s k soft- switching av strömventilernas halvledarelement, d v s så att inga höga spänningar och höga strömmar kombineras hos halvledar- elementen i strömventilerna. Genom användande av sådan soft- switching hos en anläggning av detta slag kan spänningen hos anläggningen höjas utan problem med strökapacitanser.According to another preferred embodiment of the invention, the system comprises a unit arranged to enable so-called soft-switching of the semiconductor elements of the current valves, i.e. so that no high voltages and high currents are combined with the semiconductor elements in the current valves. By using such soft-switching in a plant of this kind, the voltage in the plant can be raised without problems with stray capacitances.
Uppfinningen avser även ett förfarande för drift av en anläggning enligt bifogade självständiga förfarandepatentkrav. De fördelak- tiga särdragen och fördelarna hos detta förfarande och förfaran- dena enligt de föredragna utföringsformer som definieras i övriga bifogade förfarandepatentkrav framgår med all önskvärd tydlighet av diskussionen ovan av den uppfinningsenliga anläggningen.The invention also relates to a method for operating a plant according to the appended independent method patent claims. The advantageous features and advantages of this method and the methods according to the preferred embodiments defined in the other appended patent claims appear with all the desired clarity from the discussion above of the plant according to the invention.
Uppfinningen avser även ett datorprogram samt ett datorläsbart medium enligt motsvarande bifogade patentkrav. Det inses lätt att förfarandet enligt uppfinningen definierat i bifogade uppsätt- ning förfarandepatentkrav är väl lämpat att utföras genom pro- 10 15 20 25 30 35 525 546 graminstruktioner frán en processor påverkbar av ett med ifråga- varande programsteg försett datorprogram.The invention also relates to a computer program and a computer-readable medium according to the corresponding appended claims. It is easily understood that the method according to the invention defined in the appended set of method patent claims is well suited to be performed by program instructions from a processor controllable by a computer program provided with the program step in question.
Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav. _' KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: Fig 1 Fig 3 Fig 4 Fig s Fig 6 Fig 7 illustrerar en tidigare känd anläggning med en VSC- strömriktare av tvánivàtyp ansluten till ett trefasväxel- spänningsnät via induktorer, illustrerar en anläggning av det i fig 1 visade slaget utformad i enlighet med en första utföringsform av uppfinningen, är en sidovy av en järnkärna med faslindningar an- vänd i anläggningen enligt fig 2, är en vy av järnkärnan med faslindningar enligt fig 3 från annat håll, är en fig 4 motsvarande vy av en alternativ utformning av järnkârnan med faslindningar användbar i anlägg- ningen enligt fig 2, illustrerar konventionell sinus-pulsbreddsmodulering för växelspänning för en av de tre faserna, illustrerar användningen av en referensväxelspän- ningskurva i form av en sinuskurva adderad med en OQO ll 10 15 20 25 30 35 525 546 7 tredjetonskomponent vid pulsbreddsmodulering hos en anläggning enligt fig 2, Fig 8 illustrerar hur uppfinningen kan appliceras på en an- läggning med en trenivåströmriktare, och Fig 9 illustrerar en uppfinningsenlig anläggning utformad att möjliggöra sk soft-switching av strömventilernas halvledarelement.Additional advantages and advantageous features of the invention appear from the following description and other dependent claims. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Preferred embodiments of the invention are described below by way of example with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 Fig. 3 Fig. 4 Fig. Fig. 6 Fig. 7 illustrates a prior art plant with a VSC converter of two-level type connected to a three-phase AC voltage network via inductors, illustrates a plant of the type shown in Fig. 1 designed in accordance with a first embodiment of the invention, is a side view of an iron core with phase windings used in the plant according to Fig. 2, is a view of the iron core with phase windings according to Fig. 3 from elsewhere, a Fig. 4 corresponding view of an alternative design of the iron core with phase windings useful in the plant according to Fig. 2, illustrates conventional sine-pulse width modulation for alternating voltage for one of the three phases, illustrates the use of a reference AC voltage curve in the form of a sine curve added with an OQO III 10 15 20 25 30 35 525 546 7 third tone comp Fig. 8 illustrates how the invention can be applied to a plant with a three-level converter, and Fig. 9 illustrates a plant according to the invention designed to enable so-called soft-switching of the semiconductor elements of the current valves.
DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDÉAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN Nu kommer en föredragen utföringsform av uppfinningen att be- skrivas under samtidigt_hänvisande till fig 1 och 2, varvid anlägg- ningarna enligt dessa figurer skiljer sig àt vad gäller anslutningen mellan strömriktaren 1 och trefasväxelspänningsnätet 2. Denna anläggning för överföring av elektrisk effekt är mycket .schema- tiskt illustrerad, och endast de olikakomponenter som har direkt med den uppfinningsenliga funktionen att göra har tagits med på ritningen för underlättande av förståelsen av uppfinningen. VSC- strömriktaren är av tvånivåtyp och innefattar tre fasben 3-5, som är anslutna mellan två poler 6, 7 hos en likspänningssida hos strömriktaren. Denna likspänningssida uppvisar en jordad mitt- punkt 8 och kondensatorer 9, 10, så att relativt mittpunkten 8 lig- ger +Udl2 på polen 6 och -Udl2 på polen 7, varvid U., är spän- ningen mellan polerna 6 och 7. Likspänningssidan kan vara an- sluten till ett likspänningsnät för högspänd likström (HVDC. = High Voltage Direct Current), men den skulle även kunna vara ansluten till en annan strömriktare i en s k back-to-back-station.DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION A preferred embodiment of the invention will now be described with reference simultaneously to Figures 1 and 2, the plants according to these figures differing in the connection between the converter for the transmission of electrical power is very schematically illustrated, and only the various components which are directly related to the function according to the invention have been included in the drawing to facilitate the understanding of the invention. The VSC converter is of the two-level type and comprises three phase pins 3-5, which are connected between two poles 6, 7 of a direct voltage side of the converter. This DC voltage side has a grounded center point 8 and capacitors 9, 10, so that relative to the center point 8 lies + Udl2 on pole 6 and -Udl2 on pole 7, where U., is the voltage between poles 6 and 7. DC voltage side may be connected to a direct voltage network for high voltage direct current (HVDC), but it could also be connected to another converter in a so-called back-to-back station.
Som ett alternativ skulle även mellan polerna 6 och 7 en eller flera fritt hängande kondensatorer kunna vara anordnade i en s k SVC för reaktiv effektkompensering. R Varje fasben innefattar tvâ seriekopplade strömventiler 11-16, vilka vardera innefattar ett släckbart halvledarelement 17, exem- pelvis en lGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor) eller GTO 000 0 10 15 20 25 30 35 525 5416 8 (Gate Turn-Off thyristor) samt ett därmed antiparallellt kopplat likriktarorgan 18, här i form av en Iikriktardiod. Även om endast ett halvledarelement 17 och en diod 18 är visad per strömventil kan dessa stå för ett stort antal seriekopplade sådana element och dioder, så att ett stort antal seriekopplade halvledarelement hos en ventil kan tändas och släckas samtidigt för att fungera som en enda brytare, varigenom spänningsfallet över strömven- tilen delas upp på de olika seriekopplade brytarna. Styrningen av halvledarelementen sker på konventionellt sätt genom puls- breddsmodulering (PWM) med en pulsfrekvens av vanligtvis 1-4 kHz för uppnående av en fasspänning med en frekvens av exem- ~ pelvis 50 Hz eller 60 Hz på_trefasväxelspänningsnätet 2.As an alternative, one or more free-hanging capacitors could also be arranged between the poles 6 and 7 in a so-called SVC for reactive power compensation. Each phase leg comprises two series-connected current valves 11-16, each of which comprises a quenchable semiconductor element 17, for example an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or GTO 000 0 10 15 20 25 30 35 525 5416 8 (Gate Turn-Off thyristor) and a rectifier means 18 connected thereto, here in the form of a rectifier diode. Although only a semiconductor element 17 and a diode 18 are shown per current valve, these can account for a large number of series-connected such elements and diodes, so that a large number of series-connected semiconductor elements of a valve can be switched on and off simultaneously to function as a single switch. whereby the voltage drop across the current valve is divided on the various series-connected switches. The semiconductor elements are controlled in a conventional manner by pulse width modulation (PWM) with a pulse frequency of usually 1-4 kHz to achieve a phase voltage with a frequency of, for example, 50 Hz or 60 Hz on the three-phase AC voltage network 2.
Hos varje fasben finns en mittpunkt, benämnd fasuttag 19, som uppdelar fasbenet i två lika delar och är transformatorlöst anslu- ten till en fas 20-22 hos trefasväxelspänningsnätet 2. Hos den tidigare kända anläggningen är respektive fasuttag anslutet till respektive fas hos trefasväxelspänningsnätet via en egen s k fas- reaktor 23-25, medan den transformatorlösa anslutningen mellan fasuttagen och .trefasväxelspänningsnätet har lösts pà annat sätt enligt uppfinningen, vilket är illustrerat i fig 2 och kommer att be- skrivas längre ned.At each phase leg there is a center point, called phase socket 19, which divides the phase leg into two equal parts and is transformerlessly connected to a phase 20-22 of the three-phase AC voltage network 2. In the previously known plant, the respective phase sockets are connected to each phase of the three-phase AC voltage network own so-called phase reactor 23-25, while the transformerless connection between the phase outlets and the three-phase AC voltage network has been solved in another way according to the invention, which is illustrated in Fig. 2 and will be described further down.
Anläggningen innefattar även en inrättning 26 för styrning av strömventilernas halvledarelement 17 att alstra en nämnt tåg av pulser med bestämda amplituder, närmare bestämt +Udl2 och -Ud/2, enligt ett pulsbreddsmoduleringsmönster pà respektive fasuttag och för denna pulsbreddsmodulering för spänningen pá respektive fas använda en spännlngsbörvärden definierande re- ferensväxelspänning som är förskjuten med 120 elektriska grader relativt referensväxelspänningarna använda för de båda andra faserna. l fig 2 illustreras hur respektive fasuttag 19, 19',_ 19" är anslutet till respektive fas 20-22 hos växelspänningsnätet genom en fas- ledning 27-29 som är lindad kring en med de övriga båda fasled- ningarna gemensam järnkärna 30, som är dimensionerad att vä- 10 15 20 25 30 35 5 2 5 5 4 5 IÃÉÉ šfïš- §2I= 9 sentligen ta hand om vid pulsbreddsmodulering genererade noll- följdsströmmar. Plusföljds- och minusföljdskomponenterna, d v s även grundtonen, kommer inte att se järnet utan att passera detta som om det inte fanns, medan nollföljdskomponenterna kommer att se en mycket hög impedans och effektivt reduceras.The system also comprises a device 26 for controlling the semiconductor elements 17 of the current valves to generate a said train of pulses with determined amplitudes, more specifically + Udl2 and -Ud / 2, according to a pulse width modulation pattern on the respective phase sockets and for this pulse width modulation voltage setpoints defining reference alternating voltage which is offset by 120 electrical degrees relative to the reference alternating voltages used for the other two phases. Fig. 2 illustrates how the respective phase terminals 19, 19 ', 19 "are connected to the respective phase 20-22 of the alternating voltage network through a phase line 27-29 which is wound around an iron core 30 common to the other two phase lines, which is dimensioned to essentially take care of zero-sequence currents generated during pulse width modulation. to pass this as if it did not exist, while the zero-sequence components will see a very high impedance and be effectively reduced.
Genom att kärnan inte måste dimensioneras för att ta hand grundton kan den göras tämligen liten. l fallet av en likspänning av :150 kV på strömriktarens likspänningssida utgör nollföljds- komponenten av switchfrekvensen cirka 77% av grundton, vilket vid ett modulationsindex av 90% och en switchfrekvens av 1 050 Hz vid pulsbreddsmoduleringen medför en nollföljdskomponent av switchfrekvensen på 104 kV som toppvärde. För den maxi- mala magnetiska flödestätheten i kärnan gäller: i Bm, = Um, I (N xw x A) där N är antalet varv hos respektive fasledning kring kärnan, w vinkelfrekvensen hos switchningen och A kärnans tvärsnittsarea.Because the core does not have to be dimensioned to handle the basic tone, it can be made rather small. In the case of a direct voltage of: 150 kV on the DC side of the inverter, the zero-sequence component of the switching frequency constitutes approximately 77% of the fundamental tone, which at a modulation index of 90% and a switching frequency of 1,050 Hz . For the maximum magnetic flux density in the core, the following applies: i Bm, = Um, I (N xw x A) where N is the number of revolutions of each phase line around the core, w the angular frequency of the switching and the cross-sectional area of the A core.
Om vi antar att N är lika med 200 varv och Bm, är lika med 1 T, då blir A =104 x103/(200 x 2 x 1: x105O x 1) = 78 x 104, så att kärnan får måtten 28 x 28 cm om den är rektangulär.If we assume that N is equal to 200 revolutions and Bm is equal to 1 T, then A = 104 x103 / (200 x 2 x 1: x105O x 1) = 78 x 104, so that the nucleus has the dimensions 28 x 28 cm if it is rectangular.
Totalt blir järnväglängden i de tre benen ungefär 30 m, vilket medför en total kärnvikt pä cirka 18 ton. Detta innebär typiskt sett en kostnad för kärnan pà cirka 30 000 USD.In total, the railway length in the three legs will be approximately 30 m, which means a total core weight of approximately 18 tonnes. This typically involves a core cost of approximately $ 30,000.
Vinsten blir att strömbelastningen på strömriktarnas halvledar- element minskar pà ovan angivet sätt. Det har visat sig att vid användande av en kärna enligt fig 1 blir den s k RMS-strömmen, vilken kan sägas vara ett mått pà ripplet hos strömmen, ungefär 4% högre än grundtonsströmmen, medan en luftreaktor enligt fig 1, vilken inte spärrar nollföljden av switchfrekvensen, får en RMS-ström som är 16% högre än grundtonsströmmen. Följaktli- gen blir det möjligt att öka grundtonsströmmen med 12% och därigenom öka den av anläggningen överförbara effekten i mot- svarande grad utan att för den skull belasta halvledarelementen 10 15 20 25 30 35 525 546 10 mer. Vad gäller kostnaderna kan sägas att en anläggning av detta slag kostar cirka 20 miljoner USD, så att en effektökning pà 12% skulle ge en besparing på över 2 miljoner USD, vilket skall jämföras med merkostnaden för kärnan.The benefit is that the current load on the semiconductor elements of the converters is reduced in the manner specified above. It has been found that when using a core according to Fig. 1, the so-called RMS current, which can be said to be a measure of the ripple of the current, is about 4% higher than the fundamental tone current, while an air reactor according to Fig. 1, which does not block the zero sequence of switch frequency, receives an RMS current that is 16% higher than the fundamental tone current. Consequently, it becomes possible to increase the fundamental tone current by 12% and thereby increase the power transmitted by the system to a corresponding degree without for this purpose loading the semiconductor elements 10 15 20 25 30 35 525 546 10 more. In terms of costs, it can be said that a plant of this kind costs around USD 20 million, so that a power increase of 12% would result in a saving of more than USD 2 million, which should be compared with the additional cost of the core.
I fig 3 och 4 illustreras hur järnkärnan enligt uppfinningen uppvi- sar tre ben 31-33, kring vart och ett av vilka en nämnd fasledning 27-29 är lindad. Järnkärnbenen 31-33 är inbördes förbundna ge- nom ett ok 34. l utföringsformen enligt fig 3 och 4 är järnkärnbe- _ nen sedda i deras längdriktning anordnade bredvid varandra ut- med en rät linje, medan fig 5 illustrerar en alternativ utförings- form där järnkärnbenen är sedda i deras längdriktning anordnade bredvid varandra under bildande av hörn i en triangel. l fig 6 illustreras mycket schematiskt hur pulsbreddsmoduleringen _ går till för en av faserna genom användande av en spännings- börvärden definierande referensväxelspänning 35 i form av en sinuskurva med ett toppvärde som väsentligen motsvarar spän- ningen mellan likspänningssidans mittpunkt och respektive pol.Figures 3 and 4 illustrate how the iron core according to the invention has three legs 31-33, around each of which a said phase line 27-29 is wound. The iron core legs 31-33 are interconnected by a yoke 34. In the embodiment according to Figs. 3 and 4, the iron core legs seen in their longitudinal direction are arranged next to each other along a straight line, while Fig. 5 illustrates an alternative embodiment where the iron core bones are seen in their longitudinal direction arranged next to each other to form corners in a triangle. Fig. 6 shows very schematically how the pulse width modulation is performed for one of the phases by using a voltage setpoint defining reference alternating voltage 35 in the form of a sine curve with a peak value which substantially corresponds to the voltage between the midpoint of the direct voltage side and the respective pole.
Hur en pulsbreddsmodulering av .detta slaggâr till utgör konven- tionell teknik. För varje fas utnyttjas en referensväxelspänning som är 120 elektriska grader förskjuten relativt de bàda andra faserna. Referensväxelspänningen har en frekvens av exempel- vis 50 eller 60 Hz. Över denna lagras för varje fas en och samma s k triangelvàg 36. Triangelvàgen har en amplitud av väsentligen halva likspänningen mellan likspänningssidans båda poler och en frekvens som ärminst 5 gånger, företrädesvis 15-45 gånger högre än frekvensen hos referensväxelspännlngen 35. Styrinrätt- ningen 26 är utformad att styra strömriktaren att på fasuttaget för fasen ifråga avge pulser 38 med en varaktighet mellan två pà varandra följande korsningspunkter mellan triangelvägen och referensväxelspänningen, varvid dessa pulser styrs att vara po- sitiva om referensväxelspänningen ligger ovanför triangelvågen och negativa vid omvända förhållanden.How a pulse width modulation of this slag constitutes conventional technology. For each phase, a reference alternating voltage is used which is 120 electrical degrees offset relative to the other two phases. The reference AC voltage has a frequency of, for example, 50 or 60 Hz. Above this, one and the same so-called triangular wave 36 is stored for each phase. designed to control the converter to emit pulses 38 at the phase socket for the phase in question with a duration between two successive crossing points between the triangular path and the reference alternating voltage, these pulses being controlled to be positive if the reference alternating voltage is above the triangular wave and negative in reverse conditions.
Vad gäller övertonerna är det nollföljderna som är besvärliga.As for the harmonics, it is the zero sequences that are troublesome.
Nollföljdsspänningen definieras som summan av spänningarna 10 15 20 25 30 35 525 546 11 hos pulserna hos de tre faserna i ett givet ögonblick dividerad med tre, vilket innebär att den aldrig kan bli noll. Denna noll- följdsspänning kommer att ge upphov till en nollföljdsström, vil- ken dock vid anordnande av järnkärnan 30 kommer att se en hög impedans och reduceras avsevärt. l fig 7 illustreras hur en s k tredjetonskomponent, d vs en ton med en frekvens av 150 Hz i det fall grundtonsfrekvensen är 50 Hz, kan adderas till en sinuskurva för erhållande av en alternativ referensväxelspänning 35' för användning vid pulsbreddsmodule- ringen. Tredjetonskomponenten kan exempelvis ha en storlek av cirka 15% av grundtonen. En sådan addition av en tredjetons- komponent eller en valfri multipel av tredjetonskomponenter pà- verkar inte spänningen mellan faserna. Fas-fas-spänningens spänningsbörvärde är således fortfarande sinusformat. Den mo- duleringsform som följer av utnyttjande av en sàdan referensväx- elspänning ger en högre grundtonsspänning ut pá växelspän- ningssidan för en given nivå på likspänningen mellan strömrikta- rens båda likspänningspoler, vilket ävenledes höjer strömrikta- rens verkningsgrad och sänker kostnaderna för denna, d v s ökar den av anläggningen överförbara effekten. Tredjetonen är även av nollföljdskaraktär, varför denna typ av pulsbreddsmodulering med fördel kan användas hos den uppfinningsenliga anlägg- ningen med en för de tre faserna gemensam kärna. l fallet enligt ovan medför detta för kärnans storlek följande: Vi antar att Uma, är lika med 15% av 150 kV är lika med 22,5 kV för tredjetons- komponenten. Frekvensen är 150 Hz.The zero-sequence voltage is defined as the sum of the voltages of the pulses of the three phases at a given moment divided by three, which means that it can never be zero. This zero-sequence voltage will give rise to a zero-sequence current, which, however, when arranging the iron core 30 will see a high impedance and be considerably reduced. Fig. 7 illustrates how a so-called third-tone component, i.e. a tone with a frequency of 150 Hz in the case of the fundamental tone frequency is 50 Hz, can be added to a sine curve to obtain an alternative reference alternating voltage 35 'for use in pulse width modulation. The third-tone component may, for example, have a size of about 15% of the fundamental tone. Such an addition of a third tone component or an optional multiple of third tone components does not affect the voltage between the phases. The voltage setpoint of the phase-to-phase voltage is thus still sinusoidal. The modulation form that follows from the use of such a reference AC voltage gives a higher fundamental tone voltage out on the AC side for a given level of the DC voltage between the two DC coils of the inverter, which also increases the efficiency of the inverter and lowers its costs, ie. increases the power transferable by the plant. The third tone is also of a zero-sequence nature, which is why this type of pulse width modulation can advantageously be used in the system according to the invention with a core common to the three phases. In the case as above, this means for the size of the core the following: We assume that Uma, is equal to 15% of 150 kV is equal to 22.5 kV for the third-tone component. The frequency is 150 Hz.
Aär lika med 104 x 103/ (200 x 2 xn x 1 050x 1) + 22,5 x 103/ (200 x 2 x 1: x 150) är lika med 0,2, så att kärnan får ett tvärsnitt av 44 x 44 cm om den är rektangulär. Denna kärna kommer att då väga 46 ton och generera en kostnad av ca 100 000 USD, men istället kan strömventilerna dimensioneras »ned 15% i spän- ning, vilket ger lägre ventilförluster och cirka 15% lägre kostnad för ventil- och kylsystem, vilket är en besparing som vida översti- ger kostnaden för järnet. Det finns även en möjlighet att istället 10 15 20 25 30 35 525 546 12 dimensionera upp anordningen med 15% vad gäller överförbar effekt utan att ändra på uppbyggnaden av strömventilerna. l fig 8 illustreras en anläggning enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen, vilken skiljer sig från den enligt fig 2 genom att här istället fyra strömventiler är seriekopplade per fasben samt en sk flygande kondensator 41 är anordnad mellan en andra mittpunkt 42 mellan två strömventiler hos en del av seriekopp- lingen och en motsvarande andra mittpunkt 43 hos den andra delen av seriekopplingen, så att en trenivåströmriktare bildas. En sådan strömriktare med fler möjliga nivåer innebär en finare kurvform och mindre övertonsinnehäll vid en given switchfrek- vens hos halvledarelementen eller samma kvalitet hos kurvfor- men som hos en tvånivåomriktare men med lägre switchfrekvens och därmed lägre förluster hos halvledarelementen. l fig 9 illustreras slutligen en anläggning enligt en ytterligare fö- redragen utföringsform av uppfinningen, hos vilken strömriktaren innefattar en enhet anordnad att möjliggöra s k soft-switching av strömventilerna_s halvledarelement, d v s så att inga höga spän- ningar och höga strömmar kombineras hos halvledarelementen i strömventilerna. Detta åstadkommas genom att strömventilerna har var sin s k snubberkondensator 39 kopplad parallellt med nämnda släckbara halvledarelement samt att enheten innefattar en resonanskrets 40 för omladdning av strömventilernas snub- berkondensatorer för att därigenom möjliggöra tändning av strömventilernas släckbara halvledarelement vid läg spänning över dessa. Hur en sådan resonanskrets kan utnyttjas för s k soft-switching förklaras mera i detalj i exempelvis PCTlSEO2/00697. Genom utnyttjande av soft-switching på detta sätt är det möjligt att öka spänningen hos anläggningen utan att få problem med strökapacitanser.A is equal to 104 x 103 / (200 x 2 xn x 1,050x 1) + 22.5 x 103 / (200 x 2 x 1: x 150) is equal to 0.2, so that the core has a cross section of 44 x 44 cm if it is rectangular. This core will then weigh 46 tons and generate a cost of about 100,000 USD, but instead the power valves can be dimensioned »down 15% in voltage, which gives lower valve losses and about 15% lower cost for valve and cooling systems, which is a saving that far exceeds the cost of the iron. There is also a possibility to instead dimension the device up to 15% in terms of transferable power without changing the construction of the flow valves. Fig. 8 illustrates a system according to an alternative embodiment of the invention, which differs from that according to Fig. 2 in that here instead four current valves are connected in series per phase leg and a so-called flying capacitor 41 is arranged between a second center point 42 between two current valves of a part of the series connection and a corresponding second center point 43 of the second part of the series connection, so that a three-level converter is formed. Such a converter with more possible levels means a finer waveform and less harmonic content at a given switching frequency of the semiconductor elements or the same quality of the waveform as in a two-level converter but with a lower switching frequency and thus lower losses of the semiconductor elements. Fig. 9 finally illustrates a plant according to a further preferred embodiment of the invention, in which the converter comprises a unit arranged to enable so-called soft-switching of the semiconductor elements of the current valves, ie so that no high voltages and high currents are combined in the semiconductor elements in the current valves. . This is achieved in that the current valves each have their own so-called snubber capacitor 39 connected in parallel with said extinguishable semiconductor elements and that the unit comprises a resonant circuit 40 for recharging the snubber capacitors of the current valves to thereby enable ignition of the current valves' extinguishable semiconductor elements over position. How such a resonant circuit can be used for so-called soft-switching is explained in more detail in, for example, PCT1SEO2 / 00697. By using soft-switching in this way, it is possible to increase the voltage of the system without having problems with current capacitances.
Som ingalunda begränsande exempel pâ spänningar möjliga att hantera av en anläggning enligt uppfinningen är 10 kV-500 kV, företrädesvis mellan 100 kV och 400 kV mellan strömriktarens båda likspänningspoler. Vad gäller förmågan av maximalt mellan n to! 10 s2s 546 g13 likspänningssidan och växelspänningsnätet överförbar effekt hos en sådan anläggning kan denna såsom exempel överstiga 50 MW, företrädesvis överstiga 200 MW.As by no means limiting examples of voltages possible to handle of a plant according to the invention are 10 kV-500 kV, preferably between 100 kV and 400 kV between the two DC poles of the converter. As for the ability of the maximum between n to! 10 s2s 546 g13 the DC voltage side and the AC power transfer power of such a plant may, for example, exceed 50 MW, preferably exceed 200 MW.
Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man pà omrâdet, utan denne för den skull avviker frán uppfin- ningens grundtanke sàdan denna definieras i bifogade patent- krav. » Andra utseenden hos den för de tre fasledningarna gemensamma kärnan än de visade i figurerna är naturligtvis tänkbara. Det vä- sentliga är att kärnan är gemensam för dem.The invention is of course not in any way limited to the preferred embodiments described above, but a number of possibilities for modifications thereof should be obvious to a person skilled in the art, but for this reason he deviates from the basic idea of the invention as defined in attached patent claims. »Other appearances of the core common to the three phase lines than those shown in the figures are of course conceivable. The important thing is that the core is common to them.
Claims (24)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE0202433A SE525546C2 (en) | 2002-08-16 | 2002-08-16 | A plant for transmitting electrical power and a method for operating such a plant |
PCT/SE2003/001115 WO2004017505A1 (en) | 2002-08-16 | 2003-06-26 | An installation for transmission of electric power and a method for operation of such an installation |
AU2003243103A AU2003243103A1 (en) | 2002-08-16 | 2003-06-26 | An installation for transmission of electric power and a method for operation of such an installation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE0202433A SE525546C2 (en) | 2002-08-16 | 2002-08-16 | A plant for transmitting electrical power and a method for operating such a plant |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE0202433D0 SE0202433D0 (en) | 2002-08-16 |
SE0202433L SE0202433L (en) | 2004-02-17 |
SE525546C2 true SE525546C2 (en) | 2005-03-08 |
Family
ID=20288728
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE0202433A SE525546C2 (en) | 2002-08-16 | 2002-08-16 | A plant for transmitting electrical power and a method for operating such a plant |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU2003243103A1 (en) |
SE (1) | SE525546C2 (en) |
WO (1) | WO2004017505A1 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8564981B2 (en) | 2010-04-15 | 2013-10-22 | Abb Research Ltd. | Modular multi-level power converter with second and third order harmonics reduction filter |
WO2011150962A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-08 | Abb Technology Ag | Interface arrangement between ac and dc systems including filter at transformer neutral point |
WO2012003857A1 (en) | 2010-07-05 | 2012-01-12 | Abb Research Ltd | Interface arrangement between ac and dc systems |
US8270191B2 (en) * | 2010-12-17 | 2012-09-18 | General Electric Company | Power generation system, power converter system, and methods of converting power |
CN105896586B (en) | 2016-05-05 | 2018-08-17 | 南京南瑞继保电气有限公司 | The fault location and restoration methods and system of a kind of voltage source converter station |
JP7001896B2 (en) | 2017-11-10 | 2022-01-20 | オムロン株式会社 | DC-DC converter |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4651266A (en) * | 1984-02-16 | 1987-03-17 | Fanuc Ltd | High-frequency noise absorbing circuit |
US5329221A (en) * | 1992-08-12 | 1994-07-12 | Electric Power Research Institute | Advanced static var compensator control system |
US5414612A (en) * | 1993-08-03 | 1995-05-09 | Asea Brown Boveri Ab | HVDC transmission with a converter connected between an AC voltage and a DC link common to the converters |
JPH1023745A (en) * | 1996-06-28 | 1998-01-23 | Mitsubishi Electric Corp | Power converter |
-
2002
- 2002-08-16 SE SE0202433A patent/SE525546C2/en not_active IP Right Cessation
-
2003
- 2003-06-26 WO PCT/SE2003/001115 patent/WO2004017505A1/en not_active Application Discontinuation
- 2003-06-26 AU AU2003243103A patent/AU2003243103A1/en not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE0202433L (en) | 2004-02-17 |
SE0202433D0 (en) | 2002-08-16 |
WO2004017505A1 (en) | 2004-02-26 |
AU2003243103A1 (en) | 2004-03-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11201565B2 (en) | Conversion circuit, control method, and power supply device | |
US8644037B2 (en) | AC-AC converter with high frequency link | |
US8259480B2 (en) | Arrangement for exchanging power | |
KR101633049B1 (en) | Power conversion device | |
US8416595B2 (en) | Arrangement for exchanging power | |
EP1657809A1 (en) | Power converter, motor drive, btb system and system linking inverter system | |
SE513846C2 (en) | VSCconverter | |
SE521243C2 (en) | Converter device and method for controlling such | |
SE512795C2 (en) | VSCconverter | |
CN106602885A (en) | Modular multilevel converter (MMC) four-quadrant frequency converter | |
Cui et al. | Control and experiment of a TLC-MMC hybrid DC–DC converter for the interconnection of MVDC and HVDC grids | |
Ren et al. | A modular multilevel DC–DC converter topology with a wide range of output voltage | |
CN107634659A (en) | A kind of control method of expansion mixed type MMC operation areas | |
US20140204614A1 (en) | Rectified high frequency power supply with low total harmonic distortion (thd) | |
JP5881362B2 (en) | Power converter | |
Sun et al. | Wide voltage range operation of isolated modular multilevel DC-DC converter | |
EP3046248A1 (en) | Modular embedded multi-level converter and method of use | |
SE517427C2 (en) | Procedure, apparatus, computer program and computer program product for controlling VSC inverters, as well as a VSC inverter | |
SE525546C2 (en) | A plant for transmitting electrical power and a method for operating such a plant | |
KR20110135126A (en) | Rush current prevention apparatus for cascade multi level high voltage inverter | |
Chaturvedi et al. | Multi-pulse converters as a viable solution for power quality improvement | |
WO2010118772A1 (en) | A converter structure and a modular voltage source converter | |
Chabert et al. | Multilevel converter with 2 stage-conversion | |
Garcia-Gil et al. | A DSP-controlled four-quadrant AC-DC matrix converter with high-frequency isolation | |
Sun et al. | An accelerated simulation model for the isolation stage of the smart energy router system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |