SE520788C2 - VSC-strömriktare - Google Patents

Description

25 30 35 520 788 í"f?fi??@ï?ï"' och därtill anslutna växelspänningsnät, vilket erbjuder flera betydande fördelar i förhållande till spänd likström, användande av nätkommuterade CSC-strömriktare 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 strömriktare och därmed inte någon risk för att kommuteringsfel överförs mellan olika HVDC-länkar, Dessutom finns det en möjlighet att mata ett svagt växel- såsom kan ske med nätkommuterade CSC-er. spänningsnät eller ett nät utan någon egen generering (ett dött växelspänningsnät). Ytterligare fördelar finnes också.

Uppfinningen är inte begränsad till denna applikation, utan strömriktaren kan lika väl vara avsedd för omvandling av likspänning till likspänning i. en DC/DC-omvandlare, varvid då endast en fas förekommer. "Nät" är även att ge en mycket vid betydelse, och det måste inte röra sig om några sådana i detta ords egentliga bemärkelse. Här kommer nu emellertid uppfinningens problem att belysas för just denna appli- kation, ehuru problemet är gemensamt för alla tänkbara inom uppfinningens ram fallande applikationer. Vid användande av en strömriktare av det inledningsvis nämnda slaget istället för en strömstyv CSC-strömriktare uppstår ett helt nytt, vid skall som visar en VSC- den senare inte förekommande problem, vilket nu förklaras genom hänvisning till fig 1, strömriktare 1 med tre fasben 2, 3, 4 med vardera två som var och en består av åtminstone ett IGBT ll, och ett antiparallellt därmed kopplat likriktarorgan i. form :mr en diod 12. hOS ett strömventiler 5-10, släckbart halvledarelement, såsom en Fasbenen är anslutna till var sin fas 13, 14, 15 trefasigt växelspänningsnät 16. Strömriktarens motsatta ände är ansluten till ett likspänningsnät 17 med en positiv polledare 18 och en negativ polledare 19. Strömrik- taren är således bildad av en så kallad 6-pulsbrygga. Om vi nu betraktar exempelvis fasen 15 och tänker oss att halv- ledarelementet 11 tillhörande strömventilen 10 är tänt och 10 15 20 25 30 35 520 788 en ström flyter från växelspänningsnätet, och till släckande av halvledarelementet ll hos strömventilen 10 att igenom detta halvledarelement likspänningsnätet kommer ett medföra att strömmen först fortsätter från fasen 15 i riktning mot likspänningsnätet, men nu via dioden hos strömventilen 7. Kommuteringstiderna är korta och förhållan- devis stora tidsderivator av strömmen uppstår, vilket gör det eftersträvansvärt att sänka induktansen i kommuterings- kretsen, det vill säga i själva fasbenet och den mellan likspänningsnätets poler anslutna ledningen. med kondensa- torer för definierande av likspänningen, till en så låg nivå som möjligt, för att undvika onödigt stora överspänningar och därmed förluster vid nämnda kommuteringar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en VSC-strömriktare av inledningsvis definierat slag, hos vilken ovan nämnda problem lösts på ett tillfredsställande sätt.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att hos en sådan strömriktare varje strömventil är bildad av ett flertal i åtminstone en stack på varandra staplade enheter och att fasbenet är uppbyggt enligt bandkabelprincipen med fasbenet av släckbara halvledarelement och likriktarorgan, bildat av parvis fram och åter löpande, bredvid varandra på små avstånd anordnade sådana stackar och med en kylplatta av elektriskt ledande material anordnad mellan och seriekopplad med varje enhet i stackarna.

Genom att på detta sätt utnyttja den så kallade bandkabel- principen i denna helt nya applikation kan induktansen hos kommuteringskretsen, närmare bestämt hos nämnda fasben, sänkas till mycket låga nivåer, så att nämnda förluster kan nedbringas till en låg, acceptabel nivå. Genom att stapla , 1.., 10 15 20 25 30 35 . . . . .» n, 1.- 520 788 nämnda enheter av släckbara halvledarelement och likriktar- organ på varandra i en stack uppnås en kort ledningssträcka Vilket till för strömmen igenom ett visst antal sådana enheter, nedbringar induktansen, då denna är proportionell nämnda längd. Vidare uppnås genom att på detta sätt bringa ström i de till samma par hörande sådana stackar att löpa i olika riktning induktansen ned genom uppnående av nämnda bandkabeleffekt, tionell till nämnda avstånd mellan stackarna hos ett sådant "kylplatta" av att det inte tillförs något kylmedium eller dylikt för varvid induktansen är väsentligen propor- par. Det påpekas här att även inbegriper fallet avledande av värme från en sådan platta, utan att kylning helt enkelt sker genom att plattan tar upp värme och avger denna till omgivande medium, såsom luft. Ett anordnande av sådana kylplattor möjliggör även ett tätare anordnande av nämnda enheter, det vill säga ett staplande därav med mellanliggande kylplattor, så att induktansen kan ned- bringas.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen har plat- torna en stor utsträckning i riktningen väsentligen vinkel- rätt mot en bredvid varandra löpande stackar sammanbindande linje. Då induktansen hos ett stackpar i detta fall blir om- vänt proportionell mot utsträckningen av stackarna i riktningen väsentligen vinkelrätt mot en bredvid varandra löpande stackar sammanbindande linje, kan genom en sådan ut- formning av kylplattorna induktansen minskas väsentligt.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är den sida av varje stack som är vänd mot en sida hos den andra samma par tillhörande stacken fri från styrdon och annan utrustning för att tillåta ett bestämmande av nämnda avstånd enbart av krav på nánimalt elektriskt friavstånd.

Genonn att se till att all sådan extra utrustning, såsom styrdon, spänningsdelare och kylrör, placeras på nämnt sätt är det endast den elektriska spänningen mellan bredvid 10 15 20 25 30 35 520 788 varandra liggande stackar och däri ingående komponenters spänningstålighet som är begränsande för hur litet avståndet mellan de båda stackarna kan göras och därmed hur låg induktansen kan bli. Det påpekas, att förutom en låg induk- tans hos kommuteringskretsen uppnås genom en dylik uppbygg- nad även en kompakt och ringa platskrävande konstruktion av strömriktaren.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen uppvisar ett nämnt par av stackar bredvid varandra placerade delar av två sådana stackar med ett större avstånd mellan sig än andra sådana bredvid varandra placerade delar hos stackparet med en lägre spänning mellan sig än spänningen mellan förstnämnda delar. Genom att på detta sätt låta den mellan stackarna i olika punkter förekommande spänningen styra avståndet mellan stackarna i dessa punkter kan en lägre induktans uppnås än om den del av stackparet med högsta spänningen mellan stackarna skulle få vara dimensio- nerande för avståndet mellan stackarna utmed hela dessas ut- sträckning.

Enligt en annan föredragen utföringsform, som utgör en vidareutveckling av sistnämnda utföringsform, är nämnda delar med olika inbördes avstånd bildade genom att varje stack är uppdelad i på varandra följande understackar med i övergången mellan dessa stegvis förändrat nämnt avstånd. Ett sådant realiserande av olika avstånd beroende på olika spänning mellan olika delar av stackarna kan av tillverk- nings- och monteringstekniska skäl stundom vara att före- draga. Här framgår att "stack" i detta sammanhang är att ge en vid betydelse och inbegriper även fallet att den kan vara uppdelad i sådana så kallade understackar, som ju är anord- nade enligt i sidled relativt varandra förskjutna linjer.

Enligt en annan föredragen utföringsform, vilken utgör ett alternativ till den föregående utföringsformen, är (ka båda 10 15 20 25 30 35 520 788 stackarna tillhörande samma par inbördes vinklade så att nämnda avstånd ökar linjärt från deras ena ände till den andra. På detta sätt uppnås med hänsyn till krävt elektriskt friavstånd minsta möjliga avstånd mellan de båda stackarna utmed hela dessas längd.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen ökar avståndet mellan de båda samma fasben tillhörande strömventilerna i riktningen bort från nämnda punkt för dessas fasanslutning. Spänningen mellan två samma fasben tillhörande strömventiler ökar i nämnd riktning, varför det är fördelaktigt att därigenom öka avståndet mellan strömven- tilerna i denna riktning.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är varje strömventil hos ett fasben bildad av en enda nämnd stack och de samma par tillhörande stackarna är avsedda att ansluta till var sin polledare vid närliggande ändar motsatt ändarna för anslutning till en fas hos ett lik- eller växelspänningsnät. Detta är ett ur induktans- och plats- besparingssynpunkt fördelaktigt sätt att bilda ett fasben hos strömriktaren på, varvid således i förhållande till det som visas i ovan diskuterade fig l fasbenet är tillbakaböjt i mittpunkten mellan de båda strömventilerna.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är varje strömventil hos ett fasben bildad av ett eller flera par av nämnda stackar. Denna utföringsform är fördelaktig i det fall ett förhållandevis stort antal nämnda enheter av halvledarelement och likriktarorgan måste ingå i varje strömventil för att denna skall kunna hålla en hög spänning, då det kan vara problematiskt att uppnå en stabil konstruk- tion med mycket långa stackar. På detta sätt uppnås i ett sådant fall ändå en låg induktans hos fasbenet. lO 15 20 25 30 35 520 788 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen uppvisar strömriktaren flera fasben för anslutning till flera faser hos ett växelspänningsnät, och intilliggande fasben. har' gemensam anslutning till en polledare hos ett likspänningsnät. En sådan fysisk anordning av de olika fasbenen gör det möjligt att uppnå en kompakt konstruktion av strömriktaren genom att fasbenen ligger nära varandra där de ur spänningssynpunkt kan göra detta, och genom korta ledningslängder även hålla induktansen nere.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är antalet fasben tre och anordnade bredvid varandra med de båda yttre fasbenen försedda med var sin nämnd med det mellersta fasbenet gemensann anslutning till en polledare, och dessa båda gemensamma anslutningar är till skiljaktiga polledare hos ett likspänningsnät. På detta sätt är det möjligt att uppnå en sicksackartad utsträckning av de olika ventilerna och en kompakt konstruktion hos strömriktaren under iakttagande av krävda elektriska friavstånd.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar strömriktaren medel för upphängning av stackarna i en ram. "Ram" är här att ge en vid betydelse och inbegriper varje typ av fast fundament, såsom exempelvis ett innertak i en byggnad. Genom sådan upphängning av stackarna kan ström- ventilerna anordnas utan andra krafter därpå än tyngdkraf- ten, och de blir förhållandevis okänsliga mot markvibratio- ner, såsom jordskalv, framför allt vid upphängning av dem i ett tak hos en byggnad.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är strömriktaren avsedd att anslutas till ett likspänningsnät för högspänd likström (HVDC). seriekoppling av ett relativt stort antal, utan vidare ett trettiotal, I denna applikation krävs en nämnda enheter för att bilda en strömventil, 10 15 20 25 30 520 788 varför uppfinningen är speciellt väl lämpad för just denna applikation.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfinningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna ut- föringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig 1 är ett schematiskt kopplingsschema illustrerande uppbyggnaden hos en VSC-strömriktare av det upp- finningsenliga slaget, Fig 2 är en detaljvy av ett fasben hos en strömriktare enligt en första föredragen utföringsform av upp- finningen, Fig 3 är en snittvy av en enhet av halvledarelement och likriktarorgan samt en kylplatta i riktningen av pilen A i fig 2, Fig 4 är en förenklad vy av ett fasben hos en strömrik- tare enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, Fig 5 är en mycket förenklad skiss illustrerande en möjlig utformning av ett fasben hos en strömrik- tare enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 m ...u 520 788 Fig 6 är en vy av ett fasben hos en strömriktare enligt en fjärde föredragen utföringsform av uppfin- ningen, Fig 7 är en vy av ett fasben hos en strömriktare enligt en femte föredragen utföringsform av uppfinningen, Fig 8 är en mycket förenklad vy av en strömriktare med tre fasben enligt en sjätte föredragen utförings- form av uppfinningen, och Fig 9 är en vy i riktningen av pilen B i fig 8 av en strömventil hos strömriktaren enligt fig 8.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPP- FINNINGEN Figur l har redan ovan diskuterats, och här kan konstateras att den schematiskt illustrerar uppbyggnaden av en VSC- strömriktare ansluten mellan likspänningsnät för högspänd likström (HVDC = High Voltage Direct Current) och ett trefasigt växelspänningsnät. Varje fasben hos strömriktaren uppvisar två så kallade strömventiler, vilka består av seriekopplade enheter av tänd- och släckbara brytare ll, fö- reträdesvis i form av IGBT-er, och därmed antiparallellt kopplade likriktarorgan, det vill säga organ som är ledande i en riktning och blockerande i motsatt riktning, i form av dioder 12. därmed IGBT-er vara seriekopplade hos en enda ventil för att Därvid kan ett stort antal sådana enheter och tändas och släckas samtidigt för att fungera som en enda brytare, varigenom spänningen över ventilen delas upp på de olika seriekopplade brytarna.

(PWM). föreligger vid en sådan strömriktare har noga avhandlats i Styrningen av brytarna sker genom pulsbreddsmodulering De induktansproblem som beskrivningsinledningen, och nu skall en del av ett mycket stort antal inom uppfinningens ram fallande utföringsformer 10 15 20 25 30 35 ,»-a 520 788 10 av strömriktare enligt uppfinningen och delar hos sådana be- skrivas under att i tur och ordning hänvisa till figurerna 2-9.

I fig 2 illustreras hur ett fasben 4 hos en strömriktare är uppbyggt uppfinningen enligt bandkabelprincipen med fasbenet bildat enligt en första föredragen utföringsform av av fram och åter löpande, bredvid varandra på ett ringa avstånd ci anordnade, 'var~ sin. strömventil. bildande stackar 20, 21, vilka är bildade av ett flertal på varandra staplade enheter 22 av halvledarelement och likriktarorgan och en kylplatta 23 av elektriskt ledande material, företrädesvis aluminium, anordnad mellan och seriekopplad med varje enhet 22. Det illustreras i fig 3 att kylplattorna 23 har en stor utsträckning b i riktning väsentligen vinkelrätt mot en bredvid. varandra löpande stackar* sammanbindande linje, så att fasbenet likt en bandkabel är bildat av ett förhållande- vis platt och brett element löpande i en riktning och ett likadant element löpande tillbaka på kort avstånd från det första i motsatt riktning. Med stor menas i detta sammanhang vanligtvis att utsträckningen i den riktningen är klart större än enheternas, företrädesvis mer än två gånger utsträckningen hos de senare. Härigenom uppnås en mycket låg induktans hos fasbenet, vilken även är proportionell till längden 1 hos en stack och genom nämnda täta stapling nedbringas än mer. Närmare bestämt gäller med viss approxi- mation följande formel för induktansen L: där u är den magnetiska permeabiliteten. Genom den bandka- belartade uppbyggnaden hos det i fig 2 visade fasbenet hos strömriktaren kan hos detta fasben en induktans av lera storleksordningar mindre belopp än induktansen hos en friliggande ledare med motsvarande längd uppnås. 10 15 20 25 30 35 , . « . , 1 520 788 ll Vad gäller utföringsformen enligt fig 2 och 3 kan i övrigt 25 till fas- benets plus- respektive minuspolledare är belägna vid samma tilläggas att de båda polanslutningarna 24, ände av fasbenet, och med 26 är anslutningar av extra utrustning, såsom drivdon till IGBT-erna, spänningsdelare och kylrör till kylplattorna 23 indikerade, varvid dessa är så belägna att de ej inkräktar på bestämmandet av avståndet d.

I fig 4 illustrerar schematiskt uppbyggnaden av ett fasben hos en strömriktare enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, varvid hos denna utföringsform ett par av stackar med en uppbyggnad enligt bandkabelprincipen bildar 10 hos fasbenet. även hur strömriktaren kan vara försedd med medel 27 för en separat strömventil 7, Här illustreras upphängande av stackarna i taket 28 hos en byggnad.

I fig 5 illustreras mycket schematiskt hur ett fasben kan se ut hos en strömriktare enligt en tredje föredragen ut- föringsform av uppfinningen, varvid i detta fall två enligt bandkabelprincipen uppbyggda stackpar bildar varje strömven- til, och denna uppbyggnad kan vara fördelaktig vid förekom- mande av mycket höga spänningar att hålla av strömventilen, vilket innebär ett krav på en seriekoppling av en stor mängd släckbara halvledarelement.

I fig 6 visas hur ett fasben kan vara uppbyggt hos en strömriktare enligt en fjärde föredragen utföringsfor¶\ av uppfinningen genom att varje en strömventil bildande stack 20, 21 är uppdelad i två understackar 29, 30 för uppnående av ett stegvis förändrat avstånd mellan stackarna, så att detta kan göras mindre där spänningen mellan bredvid varand- ra anordnade stackdelar är mindre än den är vid den ände 31, där den är högst. 10 15 20 25 30 35 520 788 12 I fig 7 illustreras hur ett fasben hos en strömriktare en- ligt en femte föredragen utföringsform av uppfinningen kan vara utformad för att uppnå det som eftersträvas genom den i fig 6 visade utföringsformen, men här sker en linjär ökning av avståndet mellan de båda stackarna mot den ände där spänningen däremellan är störst.

I fig 8 och 9 illustreras mycket schematiskt uppbyggnaden av en strömriktare med tre fasben enligt en sjätte föredragen utföringsforna av' uppfinningen, varvid intilliggande ström- ventiler är uppifrån sett anordnade i en vinkel i förhål- lande till varandra, så att dessas avstånd är störst där spänningen däremellan är störst, medan motsvarande utform- ning förekommer hos varje en strömventil bildande stackpar, men i plan sträckande sig vinkelrätt mot ritningsplanet i fig 8. yttre fasbenen 2, Fasbenen är anordnade bredvid varandra med de båda 4 försedda med var sin med det mellersta fasbenet 3 gemensam anslutning 32, 33 till en polledare 19 respektive 18 hos likspänningsnätet. Härigenom uppnås en kompakt konstruktion.

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

Exempelvis kan nämnas att antalet stackar hos ett fasben kan skilja sig från det som visas i figurerna, vinklarna mellan samma par tillhörande stackar kan vara annorlunda, antalet understackar vid stackar med stegvis förändrade avstånd kan vara annat och så vidare.

Dessutom kan nämnas att VSC-strömriktaren kan vara av olika typ, såsom två-nivå-, NPC-strömriktare, etc. 520 788 13 Det påpekas även att "kylplatta" är att ge en vid betydelse i den meningen att "kylplatta" avses innefatta en mängd platt-artade strukturer, varvid motsatta flatsidor hos den inte nödvändigtvis måste vara helt parallella utan kan uppvisa exempelvis uppbuktningar, räfflingar eller dylikt.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 520 788 14 Eaxenikray

1. VSC-strömriktare för omvandling av likspänning till växelspänning eller likspänning och vice versa och vilken uppvisar åtminstone ett fasben (2-4) med två seriekopplade strömventiler (5-10), som består av åtminstone ett släckbart halvledarelement (11) och ett antiparallellt därmed kopplat (12), nämnda ventiler är avsedd att anslutas till en fas (13-15) likriktarorgan varvid en punkt på fasbenet mellan hos ett lik- eller växelspänningsnät och fasbenets motsatta ändar är avsedda att anslutas till var sin polledare (18, kännetecknad därav, strömventil är bildad av ett flertal i åtminstone en stack (20, (22) halvledarelement och likriktarorgan, och att fasbenet är 19) hos ett likspänningsnät, att varje 21) på varandra staplade enheter av släckbara uppbyggt enligt bandkabelprincipen rmui fasbenet bildat av parvis fram och åter löpande, bredvid varandra på små avstånd (d) anordnade sådana stackar och med en kylplatta (23) seriekopplad med varje enhet i stackarna. av elektriskt ledande material anordnad mellan och

2. Strömriktare enligt krav l, käggejegkgad därav, att plat- torna har en stor utsträckning (b) i riktningen väsentligen vinkelrätt mot en bredvid varandra löpande stackar samman- bindande linje.

3. Strömriktare enligt krav 2, kännejegkgad därav, att den sida av varje stack (20, 21) som är vänd mot en sida hos den andra samma par tillhörande stacken är fri från styrdon och annan utrustning (26) för att tillåta ett bestämmande av nämnda avstånd enbart av krav på minimalt elektriskt fri- avstånd. 1" I 1 1 (20, 21) bredvid varandra placerade delar av två sådana stackar med

4. Strömriktare enligt något av kraven 1-3, därav, att ett nämnt par av stackar uppvisar 10 15 20 25 30 35 Å , Y . _ 1 520 788 15 ett större avstånd mellan sig än andra sådana bredvid varandra placerade delar hos stackparet med en lägre spän- ning mellan sig än spänningen mellan förstnämnda delar.

5. Strömriktare enligt krav 4, kännejegkad därav, att nämn- da delar med olika inbördes avstånd är bildade genom att (20, 21) understackar (29, 30) med i övergången mellan dessa stegvis varje stack är uppdelad i på varandra följande förändrat nämnt avstånd. därav, att de 21) tillhörande samma par är inbördes

6. Strömriktare enligt krav 4, båda stackarna (20, vinklade så att nämnda avstånd ökar linjärt från deras ena ände till den andra. känneieçknad därav, att avståndet mellan de båda samma fasben tillhörande

7. Strömriktare enligt något av kraven 1-6, strömventilerna ökar i riktningen bort från nämnda punkt för dessas fasanslutning. därav, att varje strömventil hos ett fasben är bildad av en

8. Strömriktare enligt något av kraven 1-7, enda nämnd stack (20, 21) och att de samma par tillhörande stackarna. är avsedda att anslutas till var sin polledare (18, ning till en fas (13-15) hos ett lik- eller växelspännings- 19) vid närliggande ändar motsatt ändarna för anslut- nät. 1- I 1 1 därav, att varje strömventil (5-10) hos ett fasben är bildad

9. Strömriktare enligt något av kraven 1-7, av ett eller flera par av nämnda stackar. för anslutning och att

10. Strömriktare enligt något av kraven l-9, därav, att den uppvisar flera fasben (2-4) till flera faser (13-15) hos ett växelspänningsnät, 10 15 20 _ :___ Å, M1. 520 788 16 intilliggande fasben har gemensam anslutning till en pol- ledare hos ett likspänningsnät.

11. ll. Strömriktare enligt krav 10, kängejegknad därav, att an- talet fasben (2-4) är tre och anordnade bredvid varandra med de båda yttre fasbenen (2, 4) försedda med var sin nämnd med fasbenet (3) 19), ningar är till skiljaktiga polledare hos ett likspännings- det mellersta gemensam anslutning till en polledare (18, och att dessa båda gemensamma anslut- nät. för upphängning av

12. Strömriktare enligt något av kraven 1-ll, därav, att den innefattar medel (27) stackarna i en ram (28).

13. Strömriktare enligt något av kraven 1-12, kägngjggkgad därav, att kylplattorna (23) är av aluminium.

14. Strömriktare enligt något av kraven 1-13, känneteçknad därav, att den är avsedd att anslutas till ett likspännings- nät (l7) för högspänd likström (HVDC).