ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H02J3/36 

Область и уровень техники

Настоящее изобретение относится к преобразователю, для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и в наоборот в преобразовательной станции системы передачи высокого напряжения, причем упомянутый преобразователь содержит последовательное соединение из множества вентилей преобразователя, при этом сторона постоянного тока этого преобразователя образована противоположными концами упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя, для соединения с высоким потенциалом соответственно и низким потенциалом, преобразователь дополнительно содержит множество соединительных элементов, соединяющих со стороной переменного тока этого преобразователя посредством соединения каждого с точками упомянутого последовательного соединения между следующими друг за другом упомянутыми вентилями преобразователя, для вывода от преобразователя к трансформаторам.

Упомянутый преобразователь представляет собой преобразователь тока (CSC, Current Source Converter) с линейной коммутацией, где переключающие элементы, например тиристоры, выключаются при прохождении через ноль переменного тока в упомянутой системе переменного тока. Каждый вентиль преобразователя обычно содержит некоторое число таких переключающих элементов в виде силовых полупроводниковых устройств с выпрямляющими диодами, которые соединены с этими устройствами по встречно-параллельной схеме соединенных последовательно, чтобы вместе они могли выдерживать высокое напряжение, которое должен выдерживать такой вентиль преобразователя в состоянии, когда он заперт.

Данное изобретение, в частности, но не исключительным образом, направлено на создание преобразователей для систем передачи HVDC (высокого напряжения на постоянном токе) и поэтому оно будет описано для этой области применения. При передаче энергии в сети постоянного напряжения, соединенной с такой преобразовательной станцией, желательно иметь как можно более высокое напряжение, так как при увеличении напряжения уменьшаются потери при передаче. Таким образом, существует постоянное стремление увеличить напряжение на полюсе или полюсах передающей линии или кабеля в такой системе относительно земли. Настоящее изобретение, в частности, но не исключительным образом, направлено на решение проблем, возникающих при увеличении напряжения до высоких уровней, в особенности, но не исключительно, выше 600 кВ.

Преобразователь этого типа в обычном случае представляет собой так называемый преобразователь с 12-импульсной мостовой схемой, это означает, что он содержит 12 упомянутых вентилей преобразователя в форме трех параллельных последовательных соединений четырех вентилей преобразователя между упомянутыми концами для соединения с высоким потенциалом и низким потенциалом. Однако данное изобретение не ограничивается такой 12-импульсной схемой, но также представляется возможным наличие большего или меньшего числа вентилей преобразователя, где нижним пределом является четыре, так как необходимо существование, по меньшей мере, двух упомянутых соединительных элементов для соединения с трансформаторами.

Далее, чтобы описать проблемы, возникающие при использовании преобразователей этого типа, будет рассмотрен случай 12-импульсной схемы преобразователя для указанных высоких напряжений.

В известных преобразователях этого типа упомянутые соединительные элементы размещены с одной стороны упомянутых вентилей преобразователя для вывода от преобразователя к трансформаторам, которые в обычном случае размещены вне вентильного зала, в котором установлены упомянутые преобразователи. Необходимо, чтобы трансформаторы большой мощности по типу относились к однофазным двухобмоточным трансформаторам из-за ограничений при транспортировке, так как в противном случае их габариты и вес вызовут трудности при поиске средств их транспортировки и/или они могут оказаться слишком тяжелыми для их перевозки по дорогам. Это означает, что 12-импульсная схема преобразователя требует шести однофазных двухобмоточных трансформаторов. Эти трансформаторы в случае подобного известного преобразователя должны быть установлены с одной стороны этого преобразователя в один длинный ряд рядом друг с другом. Размещение всех трансформаторов по одной длинной стороне в таком корпусе вентильного зала приводит к концентрации на этой стороне большого количества электрических соединений. Необходимо наличие расстояния, обеспечивающего электрическую изоляцию (воздушный зазор), между соединениями, и это потребует дополнительного места и воздушного пространства. Это также означает, что вентили преобразователя в результате будут представлять собой в основном сдвоенные вентили, что предполагает их установку в колонны из двух поставленных друг на друга вентилей, в результате чего для случая 12-импульсной схемы будет существовать шесть таких колонн в ряду. Такая конструкция преобразователя приводит к усложнению системы электрических шин между преобразователем и трансформаторами.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является предложить преобразователь, тип которого указан во вводной части, являющийся более простым по сравнению с уже известными подобными преобразователями.

Эта задача согласно настоящему изобретению решается посредством обеспечения такого преобразователя упомянутыми соединительными элементами на обеих из двух противоположных сторон упомянутых вентилей преобразователя. Это позволяет существенно уменьшить размер вентильного зала, в котором размещен преобразователь, и упростить электрическое соединение между трансформаторами и преобразователем, так как в результате трансформаторы могут быть размещены с обеих сторон преобразователя. Это означает, что вентили преобразователя могут быть размещены более компактным образом, например, в комбинациях по четыре вентиля вместо комбинаций по два вентиля, и при этом по-прежнему обеспечивается достаточное для электрической изоляции расстояние между соединениями с трансформаторами, так как этих соединений становится меньше, чем прежде с каждой стороны преобразователя. Таким образом, выгодно иметь половину упомянутых соединительных элементов, размещенных с одной стороны от упомянутых вентилей преобразователя и половину - с другой их стороны. Сочетание этого с размещением упомянутых вентилей в колонны с удвоенным числом вентилей означает возможность уменьшения длины упомянутого зала с вентилями преобразователя фактически наполовину при одновременной экономии пространства, так как упрощается система электрических шин между преобразователем и трансформатором.

Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения преобразователь содержит упомянутое последовательное соединение из, по меньшей мере, четырех упомянутых вентилей преобразователя, установленных друг над другом в одну колонну, а упомянутые соединительные элементы для стороны переменного тока соединены с точками упомянутого последовательного соединения между каждым вторым вентилем тока, например между первым и вторым, третьим и четвертым и т.д.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения упомянутое последовательное соединение вентилей преобразователя имеет четыре преобразовательных вентиля и один упомянутый соединительный элемент для стороны переменного тока на каждой из двух противоположных сторон упомянутой колонны. Это означает наличие только одного упомянутого соединительного элемента на каждой из двух противоположных сторон колонны из вентилей преобразователя для четырех таких вентилей преобразователя.

Согласно следующему варианту реализации настоящего изобретения преобразователь содержит множество упомянутых последовательных соединений вентилей преобразователя, соединенных друг с другом параллельно, и в обычном случае этот преобразователь содержит три упомянутых последовательных соединения вентилей преобразователя, соединенных друг с другом параллельно для обеспечения трех фаз на упомянутой стороне переменного тока. В результате преобразователь может содержать три упомянутых колонны из соединенных последовательно четырех вентилей преобразователя, размещенных в ряд, и каждая колонна имеет один упомянутый соединительный элемент с упомянутой стороной переменного тока на каждой из двух противоположных сторон упомянутого ряда. Это означает наличие трех соединительных элементов на каждой стороне упомянутого ряда вместо шести для такой 12-импульсной схемы для известных преобразователей.

Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения преобразователь содержит множество ограничителей перенапряжения, соединенных последовательно между упомянутыми двумя концами на стороне постоянного тока последовательного соединения вентилей преобразователя, по одному ограничителю перенапряжения, соединенному параллельно с каждым вентилем преобразователя, последовательное соединение ограничителей перенапряжения имеет первую часть, размещенную с одной стороны упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя, а следующую вторую часть, размещенную с противоположной стороны упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя, и упомянутые две части соединены между собой проводником, проходящим от одной упомянутой стороны к другой через свободное пространство между двумя упомянутыми вентилями преобразователя. При обеспечении такого свободного пространства между двумя следующими друг за другом вентилями преобразователя упомянутого последовательного соединения можно менять сторону упомянутого последовательного соединения ограничителей перенапряжения и посредством этого менять сторону размещения упомянутых соединительных элементов для вывода преобразователя к трансформаторам, для размещения таких соединительных элементов на обеих сторонах преобразователя.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения каждый вентиль преобразователя содержит множество наложенных друг на друга слоев, содержащих силовые полупроводники, а упомянутое свободное пространство образовано путем создания расстояния между двумя следующими друг за другом вентилями преобразователя, равного приблизительно половине такого слоя или одному такому слою. Это обеспечивает легкий способ изменения стороны упомянутого последовательного соединения ограничителей перенапряжения путем простого исключения одного слоя или половины такого слоя, в результате чего полная высота колонны из поставленных друг на друга преобразовательных вентилей будет увеличиваться незначительно.

Согласно следующему варианту реализации настоящего изобретения два соединения стороны постоянного тока с противоположными концами упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя также расположены каждый на одной из упомянутых противоположных сторон вентилей преобразователя. Это устраняет необходимость увеличения размеров преобразователя в любом направлении из-за концентрации электрических соединений на одной его стороне. Необходимо подчеркнуть, что каждый из упомянутых двух противоположных концов последовательного соединения вентилей преобразователя может быть соединен с полюсом линии передачи высокого напряжения либо один из них может быть соединен с таким полюсом, а другой - с шиной нейтрали, которая заземлена.

Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения преобразователь содержит зал вентилей преобразователя, содержащий в себе упомянутые вентили преобразователя и имеющий проходные втулки на противоположных стенках для соединения с трансформаторами снаружи упомянутого зала с противоположных его сторон. Благодаря размещению упомянутых соединительных элементов с обеих сторон упомянутого преобразователя и тем самым размещению упомянутых трансформаторов с обеих сторон этого зала, можно обеспечить компактные размеры такого зала вентилей преобразователя, одновременно сохраняя расстояние, достаточное для электрической изоляции, между соединительными элементами и между трансформаторами.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения преобразователь выполнен с возможностью преобразования напряжений, составляющих на стороне постоянного тока этого преобразователя свыше 50 кВ, свыше 200 кВ, свыше 400 кВ или 600-1000 кВ. Данное изобретение представляет тем больший интерес, чем выше упомянутое напряжение, хотя в этих условиях оно может также оказаться выгодным для напряжений низких в данном контексте например, порядка 200 кВ. Особый смысл имеет применение этого изобретения при более высоких напряжениях в системах передачи по линиям/кабелям и при более низких напряжениях с применением встречно-параллельной схемы.

Данное изобретение также относится к преобразовательной станции для соединения системы переменного тока с линией передачи HVDC, которая снабжена, по меньшей мере, одним преобразователем, соответствующим настоящему изобретению, к преобразовательной станции для соединения системы переменного тока с другой системой переменного тока с применением встречно-параллельной схемы, которая снабжена, по меньшей мере, одним преобразователем, соответствующим настоящему изобретению, а также к системе передачи HVDC (высокого напряжения на постоянном токе), содержащей преобразовательные станции с, по меньшей мере, одним преобразователем, соответствующим настоящему изобретению. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе передачи высокого напряжения на переменном токе, содержащей преобразовательную станцию с, по меньшей мере, одним преобразователем, соответствующим настоящему изобретению, к способу использования преобразователя, соответствующего настоящему изобретению, в преобразовательной станции системы передачи HVDC, а также к использованию преобразователя, соответствующего настоящему изобретению, в преобразовательной станции, со встречно-параллельной схемой, системы передачи высокого напряжения на переменном токе, при этом, как очевидно из приведенного выше описания, размещение и применение преобразователей, соответствующие различным вариантам реализации настоящего изобретения, позволяют упростить конструкции и снизить их габариты, а также снизить расходы.

Дополнительные преимущества, а также являющиеся выгодными признаки изобретения станут очевидными из приведенного далее описания одного из вариантов его реализации.

Краткое описание чертежей

Далее со ссылкой на приложенные чертежи приведено конкретное описание преобразователя, соответствующего известному уровню техники, и преобразователя, соответствующего одному из вариантов реализации настоящего изобретения.

На чертежах:

На Фиг.1 очень схематично изображена система передачи HVDC (высокого напряжения на постоянном токе) с преобразовательными подстанциями, которые могут или нет содержать преобразователь, соответствующий настоящему изобретению;

На Фиг.2 очень схематично изображен известный преобразователь с 12-импульсной схемой;

Фиг.3 - упрощенный вид сбоку преобразователя, соответствующего одному из вариантов реализации настоящего изобретения;

На Фиг.4 в упрощенном виде показана общая конструкция двух известных преобразователей, используемых с применением встречно-параллельной схемой; и

Фиг.5 - вид, аналогичный приведенному на Фиг.4, преобразователя, соответствующего настоящему изобретению, который используется с применением встречно-параллельной схемой.

Краткое описание преобразователя, соответствующего известному уровню техники

На Фиг.1 схематично изображена система передачи высокого напряжения на постоянном токе, содержащая две преобразовательных станции 1, 2, соединенных между собой линией 3 передачи высокого напряжения на постоянном токе, относящейся к двухполюсному типу, один полюс 4 которой имеет положительную полярность относительно земли, например, +800 кВ, а один полюс 5 имеет отрицательную полярность относительно земли, например, -800 кВ. Каждая преобразовательная станция содержит два преобразователя 6, 7, у которых сторона постоянного тока соединена, с одной стороны, с упомянутым полюсом, имеющим высокий потенциал, и, с другой, с контуром 8 нейтрали для постоянного тока, который заземлен. Сторона переменного тока каждого преобразователя соединена с трансформаторами 9.

На Фиг.2 показан являющийся известным, так называемый преобразователь с 12-импульсной мостовой схемой, предназначенный для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и наоборот, который входит в состав преобразовательной подстанции системы передачи HVDC данного типа. Этот преобразователь содержит три последовательных соединения, каждое из четырех вентилей преобразователя 10', 11', 12' и 13', и упомянутые последовательные соединения соединены друг с другом параллельно для соединения их противоположных концов 14' и 15' соответственно с высоким потенциалом и низким потенциалом упомянутой стороны постоянного тока. В данном случае каждое упомянутое последовательное соединение организовано в две колонны, каждая из которых содержит два поставленных друг на друга вентиля преобразователя. На чертеже показано, каким образом точки между двумя вентилями преобразователя в каждой колонне снабжают соединительными элементами 16', предназначенными для соединения каждого из них с трансформатором 17', в результате чего на одной стороне ряда из колонн вентилей преобразователя размещают шесть трансформаторов, что приводит к возникновению рассмотренных выше проблем.

Подробное описание вариантов реализации изобретения

На Фиг.3, представляющей собой вид сбоку упомянутого ряда, схематично изображен преобразователь, соответствующий одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Он также представляет собой преобразователь с 12-импульсной мостовой схемой, содержащий последовательное соединение из четырех вентилей преобразователя 10-13, установленных в одну колонну друг над другом, в результате чего преобразователь будет иметь три таких колонны, размещенных в ряду. Здесь показано, что такая колонна должна быть изолирована относительно свода 18 зала вентилей тока при помощи изолирующего элемента 19. Сторона постоянного тока этого преобразователя соединена с упомянутой преобразовательной колонной на ее противоположных сторонах при помощи соединения 20 с полюсом линии передачи HVDC и при помощи соединения 21 с шиной нейтрали преобразовательной станции. Ограничители 22-25 перенапряжения соединены последовательно между упомянутыми соединениями 20, 21 постоянного тока, при этом с каждым вентилем преобразователя параллельно соединен один ограничитель перенапряжения для защиты этого вентиля от перенапряжений. Одна часть этого последовательного соединения ограничителей перенапряжения, а именно два из них, 22 и 23, размещены с одной стороны колонны вентилей преобразователя, а другая часть - с другой стороны колонны, при этом они соединены друг с другом проводником 26, который проходит от одной упомянутой стороны к другой через свободное пространство 27 между двумя упомянутыми вентилями 11, 12 преобразователя. Каждый вентиль преобразователя содержит множество наложенных друг на друга слоев, содержащих силовые полупроводники, и упомянутое свободное пространство 27 в предпочтительном случае образовано путем сохранения расстояния между двумя следующими друг за другом вентилями преобразователя, равного приблизительно половине такого слоя.

На чертеже показано то, каким образом в этом случае могут быть расположены с противоположных сторон 30, 31 преобразователя элементы 16, соединенные с точками последовательного соединения вентилей преобразователя, между следующими друг за другом вентилями, и которые предназначены для соединения с трансформаторами, установленными на противоположных сторонах от этого преобразователя, что в результате приводит к достижению описанных выше преимуществ.

На Фиг.4 показан следующий вариант полезного применения настоящего изобретения. На этой фигуре показано известное применение со встречно-параллельной схемой, в котором два преобразователя 40, 41 соединены при помощи линии 42 постоянного тока и размещены в зале 43 для преобразователей. Переменное напряжение на одной стороне 44 может иметь, например, частоту 50 Гц, а на другой стороне 45 - частоту 60 Гц. В данном случае каждый преобразователь содержит три колонны, по одной для каждой фазы, при этом каждая колонна содержит четыре вентиля 46-49 преобразователя, как показано для колонны 50. Трансформаторы 51 - 54, соединенные с одним и тем же преобразователем, установлены на одной и той же стороне преобразователя, и при таком размещении зал 43 для преобразователей становится достаточно широким.

На Фиг.5 показан преобразователь, соответствующий настоящему изобретению, который используется с применением встречно-параллельной схемы и аналогичен изображенному на Фиг.4. В этом преобразователе используются комбинации по восемь вентилей, т.е. восемь вентилей преобразователя в каждой колонне, при этом трансформаторы 51-54 размещены на обеих сторонах зала 43 для преобразователей за счет использования технологии, которая описана выше и показана на Фиг.3. Это значительно уменьшает ширину вентильного зала.

Данное изобретение, разумеется, никоим образом не ограничивается описанным выше вариантом его реализации, и специалисту в данной области техники будут очевидны многие возможные его модификации, не отступающее от основной идеи этого изобретения, закрепленной в пунктах приложенной формулы изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности. Преобразователь, предназначенный для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и наоборот в преобразовательной станции, входящей в систему передачи высокого напряжения, содержит последовательное соединение из множества вентилей (10-13) преобразователя. Соединения с трансформаторами в упомянутом преобразователе расположены с обеих из двух противоположных сторон упомянутых вентилей преобразователя. 7 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Преобразователь для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и наоборот в преобразовательной станции системы передачи высокого напряжения, причем упомянутый преобразователь содержит последовательное соединение из множества вентилей (10-13) преобразователя, при этом сторона постоянного тока этого преобразователя образована противоположными концами (14, 15) упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя для соединения с высоким потенциалом соответственно и низким потенциалом, преобразователь дополнительно содержит множество элементов (16), соединяющих со стороной переменного тока этого преобразователя посредством соединения каждого с точками упомянутого последовательного соединения между следующими друг за другом упомянутыми вентилями преобразователя, для вывода от преобразователя к трансформаторам (17), отличающийся тем, что преобразователь содержит упомянутые соединительные элементы (16) на обеих из двух противоположных сторон (30, 31) упомянутых вентилей преобразователя.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что половина упомянутых соединительных элементов (16) размещена на одной стороне от упомянутых вентилей (10-13) преобразователя и половина - на другой их стороне.

3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит упомянутое последовательное соединение из, по меньшей мере, четырех упомянутых вентилей (10-13) преобразователя, размещенных друг над другом в одну колонну, и тем, что упомянутые соединительные элементы (16) для стороны переменного тока соединены с точками упомянутого последовательного соединения между каждым вторым вентилем тока, например между первым и вторым, третьим и четвертым и т.д.

4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что упомянутое последовательное соединение вентилей преобразователя имеет четыре вентиля (10-13) преобразователя и один упомянутый соединительный элемент для стороны переменного тока на каждой из двух противоположных сторон упомянутой колонны.

5. Преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит множество упомянутых последовательных соединений вентилей преобразователя, соединенных друг с другом параллельно.

6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что он имеет три упомянутых последовательных соединения вентилей (10-13) преобразователя, соединенных друг с другом параллельно для обеспечения трех фаз на упомянутой стороне переменного тока.

7. Преобразователь по п.4 и 6, отличающийся тем, что он содержит три упомянутых колонны из соединенных последовательно четырех вентилей (10-13) преобразователя, размещенных в ряд, и тем, что каждая колонна имеет один упомянутый элемент (16), соединяющий с упомянутой стороной переменного тока, на каждой из двух противоположных сторон упомянутого ряда.

8. Преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит множество ограничителей перенапряжения (22-25), соединенных последовательно, между упомянутыми двумя концами (20, 21) на стороне постоянного тока последовательного соединения вентилей преобразователя, по одному ограничителю перенапряжения, соединенному параллельно с каждым вентилем преобразователя, тем, что последовательное соединение ограничителей перенапряжения имеет первую часть (22, 23), размещенную с одной стороны (30) упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя, и следующую вторую часть (24, 25), размещенную с противоположной стороны (31) упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя, и тем, что упомянутые две части соединены между собой проводником (26), проходящим от одной упомянутой стороны к другой через свободное пространство (27) между двумя упомянутыми вентилями преобразователя.

9. Преобразователь по п.8, отличающийся тем, что каждый вентиль (10-13) преобразователя содержит множество наложенных друг на друга слоев, содержащих силовые полупроводники, и тем, что упомянутое свободное пространство (27) образовано путем создания расстояния между двумя следующими друг за другом вентилями (11, 12) преобразователя, равного приблизительно половине такого слоя или одному такому слою.

10. Преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что два соединения (20, 21) стороны постоянного тока с противоположными концами упомянутого последовательного соединения вентилей преобразователя также расположены каждый на одной из упомянутых противоположных сторон вентилей (10, 13) преобразователя.

11. Преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит зал вентилей преобразователя, содержащий в себе упомянутые вентили преобразователя и имеющий проходные втулки на противоположных стенках для соединения с трансформаторами (17) снаружи упомянутого зала на противоположных его сторонах.

12. Преобразователь по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью преобразования напряжений, составляющих на стороне постоянного тока этого преобразователя свыше 50 кВ, свыше 200 кВ, свыше 400 кВ или 600-1000 кВ.

13. Преобразовательная станция для соединения системы переменного тока с линией передачи высокого напряжения на постоянном токе HVDC, которая снабжена, по меньшей мере, одним преобразователем по любому из пп.1-12.

14. Преобразовательная станция для соединения системы переменного тока с другой системой переменного тока с применением встречно-параллельной схемы, которая снабжена, по меньшей мере, одним преобразователем по любому из пп.1-12.

15. Система передачи HVDC (высокого напряжения на постоянном токе), содержащая преобразовательную станцию с, по меньшей мере, одним преобразователем по любому из пп.1-12.

16. Система передачи высокого напряжения на переменном токе, содержащая преобразовательную станцию с, по меньшей мере, одним преобразователем по любому из пп.1-12 с применением встречно-параллельной схемы.

17. Применение преобразователя по любому из пп.1-12 в преобразовательной станции системы передачи HVDC.

18. Применение преобразователя по любому из пп.1-12 в преобразовательной станции со встречно-параллельной схемой системы передачи высокого напряжения на переменном токе.