СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H02M7/483 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу управления преобразователем источника напряжения, сконфигурированным для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот, и имеющим, по меньшей мере, одну фазовую ветвь, соединяющую два противоположных полюса стороны постоянного напряжения преобразователя и содержащую последовательное соединение переключающих элементов, причем каждый элемент имеет, по меньшей мере, два полупроводниковых устройства запирающего типа, по меньшей мере, два обратных диода, соединенных с ним параллельно, и, по меньшей мере, один конденсатор накопления энергии, причем средняя точка последовательного соединения формирует выход фазы, сконфигурированный для соединения со стороной переменного напряжения преобразователя и разделения ветви фазы на верхнюю ветвь вентиля и нижнюю ветвь вентиля, причем способ содержит этапы, на которых полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента управляют для получения для этого переключающего элемента одного из a) первого состояния переключения и b) второго состояния переключения, в котором для a) напряжение на, по меньшей мере, одном конденсаторе накопления энергии и для b) нулевое напряжение прикладывают к зажимам переключающего элемента для того, чтобы получить определенное переменное напряжение на выходе фазы, а также к устройству для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и наоборот, согласно преамбуле дополнительного независимого пункта формулы изобретения для устройства.

Предшествующий уровень техники

У преобразователя, предназначенного для управления, может быть любое число упомянутых фазовых ветвей, но обычно у него есть три таких фазовых ветви для трехфазного переменного напряжения на его стороне переменного напряжения. Преобразователь источника напряжения этого типа может использоваться в любых ситуациях, в которых постоянное напряжение должно преобразовываться в переменное напряжение или наоборот, в которых примеры такого использования имеются на HVDC-станциях (высоковольтная станция постоянного тока), в которых постоянное напряжение обычно преобразуется в трехфазное переменное напряжение и наоборот, или в, так называемых, компенсационных станциях, в которых переменное напряжение, во-первых, преобразуется в постоянное напряжение, и затем преобразуется в переменное напряжение. Тем не менее настоящее изобретение не ограничивается этими применениями, другие применения являются также возможными, такими как в различных типах систем управления для машин, транспортных средств и т.д.

Преобразователь источника напряжения типа, предназначенного для управления с помощью способа, известен, например, из DE 10103031 A1 и WO 2007/023064 A1 и обычно называется многокаскадным преобразователем или M2LC. Ссылка сделана на эти публикации для преобразователя этого типа. У переключающих элементов преобразователя может быть другой внешний вид, отличный от показанного в упомянутых публикациях, и, например, возможно, что у каждого переключающего элемента будет больше, чем один конденсатор накопления энергии, поскольку возможно управлять переключающим элементом, который будет переключаться между двумя состояниями, упомянутыми во введении.

Настоящее изобретение, прежде всего, но не исключительно, направлено на управление преобразователем источника напряжения, сконфигурированным для передачи больших мощностей, и случай передачи больших мощностей будет рассмотрен ниже для раскрытия, но ни в коем случае не ограничения изобретения. Когда такой преобразователь источника напряжения используется для передачи больших мощностей, это также означает, что высокие напряжения управляемы, и напряжение на стороне постоянного напряжения преобразователя определяется напряжениями на конденсаторах накопления энергии переключающих элементов и обычно устанавливается как половина суммы этих напряжений. Это означает, что сравнительно высокое число таких переключающих элементов должно быть соединено последовательно, или большое число полупроводниковых устройств должно быть соединено последовательно в каждом переключающемся элементе, и преобразователь источника напряжения этого типа особенно интересен, когда число переключающих элементов сравнительно высоко, например, по меньшей мере, 8, и оно также может быть порядка 20. Большое число таких переключающих элементов, соединенных последовательно в фазовой ветви, означает, что будет возможно управлять этими переключающими элементами, чтобы меняться между первым и вторым состояниями переключения, и уже на выходе фазы получать переменное напряжение, являющееся очень близким к синусоидальному напряжению. Это делает возможным получение существенно более низких частот переключения, чем обычно используемые в известных преобразователях источника напряжения типа, показанного на фиг.1 ссылки DE 10103031 A1, имеющего переключающие элементы, по меньшей мере, с одним полупроводниковым устройством запирающего типа и, по меньшей мере, одним обратным диодом, соединенным с ним встречно-параллельным образом. Это позволяет получить существенно более низкие потери переключения и также значительно уменьшает проблемы фильтрования гармонических токов и радиопомехи, так что оборудование может быть менее дорогостоящим.

Способ, аналогичный описанному выше, известен из DE 10103031 A1, упомянутого выше, и WO 2007/033852 A1. Последний описывает способ управления, который является дальнейшим развитием способа управления согласно предыдущему. Этот способ управления начинается с синхронного управления переключением переключающих элементов в верхней и нижней ветвях вентиля для того, чтобы поддерживать то же число переключающих элементов в каждом из состояний переключения в последовательном соединении переключающих элементов между полюсами постоянного напряжения, и отклонения от него выполнены для того, чтобы управлять токами ветви вентиля, чтобы избежать уравнительных токов между фазовыми ветвями преобразователя. Эти известные способы управления в некоторых ситуациях могут иметь недостатки, относящиеся к степени сложности и затратам.

Краткое изложение существа изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа типа, определенного выше, являющегося альтернативным способом, уже известным и описанным выше, хорошо функционирующего и обладающего определенными достоинствами, например надежностью и быстрым реагированием на изменения эксплуатационных режимов преобразователя.

Эта задача достигается путем создания способа, содержащего дополнительно следующие этапы, на которых:

- каждый переключающий элемент предназначен для управления, получает, с одной стороны, отдельное пилообразное напряжение, причем пилообразные напряжения переключающих элементов являются идентичными, но равномерно распределенными во времени друг относительно друга со сдвигом фазы на 2π/(pN) между смежными пилообразными напряжениями, где p является коэффициентом пульсации, определенным как период опорного переменного напряжения/период пилообразного напряжения, и N является числом переключающих элементов в фазовой ветви, и, другой стороны, отдельное опорное переменное напряжение с той же частотой и фазой, как и другие переключающие элементы,

- переключающими элементами управляют согласно широтно-импульсной модуляции так, что каждый переключающий элемент переключается, чтобы менять состояния переключения с первого на второе и наоборот, каждый раз, когда волна пилообразного напряжения для этого переключающего элемента пересекает опорное переменное напряжение, соответствующее этому переключающему элементу,

- напряжение на конденсаторе накопления энергии каждого переключающего элемента измеряют во время управления преобразователем и сравнивают с опорным постоянным напряжением, и

- результат этого сравнения используют как сигнал управления обратной связи для установки амплитуды отдельного опорного переменного напряжения на основе результата сравнения.

Оказалось, что этот способ управления переключающимися элементами согласно образцу широтно-импульсной модуляции с распределенными отдельными пилообразными напряжениями и отдельными опорными переменными напряжениями, согласованными с фактическим напряжением с помощью конденсатора накопления энергии соответствующего переключающего элемента, приводит к очень надежному и чрезвычайно быстрому управлению, что могла быть получена чрезвычайно сглаженная кривая переменного напряжения с низкой чувствительностью к гармоникам и другим неисправностям, таким как замыкания на землю, на сети переменного напряжения, соединенной со стороной переменного напряжения преобразователя. Ключевой момент заключается в том, чтобы удержать напряжение на конденсаторах накопления энергии переключающих элементов, по существу, на том же уровне, который получен с помощью измерения этих напряжений и согласования отдельных опорных переменных напряжений согласно результату этого измерения.

Следует отметить, что предполагается, что в качестве эквивалента рассматривается наличие одной и той же фазы для всех пилообразных напряжений и равномерно распределенных отдельных опорных переменных напряжений с течением времени друг относительно друга вместо сдвига фазы и изобретение, как определено в п.1 формулы изобретения, также охватывает это.

Согласно варианту осуществления изобретения опорное постоянное напряжение получают путем измерения постоянного напряжения на полюсах стороны постоянного напряжения преобразователя. Напряжение, измеренное на конденсаторе накопления энергии каждого переключающего элемента, может тогда быть сравнено с 2×U_D/N, где U_D является постоянным напряжением, измеренным на полюсах. Это подходит для получения постоянного напряжения на полюсах, являющегося половиной суммы постоянных напряжений на зажимах переключающих элементов.

Опорное постоянное напряжение может также быть получено с помощью вычисления среднего из напряжений, измеренных на конденсаторах накопления энергии переключающих элементов.

Согласно другому варианту осуществления изобретения амплитудой отдельного опорного переменного напряжения управляют для того, чтобы понижать или повышать ее относительно амплитуды среднего опорного переменного напряжения, которое соответствует амплитуде отдельного опорного переменного напряжения для постоянного напряжения, измеренного на конденсаторе накопления энергии переключающего элемента, являющегося средним из таких напряжений, измеренных для всех переключающих элементов, в зависимости от разницы измеренного постоянного напряжения и среднего напряжения.

Согласно другому варианту осуществления изобретения пропорциональное управление используют во время установки амплитуды отдельного опорного переменного напряжения, так чтобы разница в амплитуде двух таких отдельных опорных переменных напряжений была пропорциональна разнице в напряжении, измеренном на конденсаторах накопления энергии этих переключающих элементов, что составит простой путь выполнения управления, приводящий к преимуществам, упомянутым выше, при удержании напряжения на конденсаторе накопления энергии, по существу, на том же уровне, при получении сглаженной формы кривой переменного напряжения.

Согласно другому варианту осуществления изобретения переменное напряжение стороны переменного напряжения преобразователя измеряют во время управления преобразователем, и амплитуду этого переменного напряжения используют для установки амплитуд отдельных опорных переменных напряжений. Это улучшает реакцию управления после колебаний переменного напряжения на стороне переменного напряжения преобразователя.

Согласно другому варианту осуществления изобретения коэффициент пульсации p устанавливают не целым числом. Это означает, что у каждого переключающего элемента будет различная фаза пилообразного напряжения каждого цикла опорного переменного напряжения, что дает эффект баланса напряжений на конденсаторах накопления энергии переключающих элементов. Оказалось, что, установив коэффициент пульсации p как не целое число, может быть выбран очень низкий коэффициент пульсации, и при этом все еще будет обеспечено, что напряжения на различных элементах переключения, соединенных последовательно, будут, по существу, теми же, и получится сглаженная форма кривой переменного напряжения. Чем ниже коэффициент пульсации, тем ниже потери при переключении преобразователя, что поясняет, что эта особенность очень благоприятна.

Согласно другому варианту осуществления изобретения коэффициент пульсации, не являющийся целым числом, непрерывно или периодически изменяется во время управления, что может иметь дополнительный эффект баланса напряжений на переключающих элементах, позволяя выбирать еще более низкий коэффициент пульсации. Коэффициентом пульсации можно управлять для его повышения и понижения в пределах интервала коэффициента пульсации во время управления преобразователем. Указание, что "коэффициент пульсации установлен как не целое число", должно интерпретироваться так, чтобы также охватывать случай, при котором этот коэффициент является временным целым коэффициентом во время изменения коэффициента пульсации.

Согласно другому варианту осуществления изобретения способ выполнен для преобразователя, в котором N>8, N равно от 12 до 32, или N равно от 16 до 24. Коэффициенты переключающих элементов в фазовой ветви являются подходящими для того, чтобы получить сглаженную форму кривой переменного напряжения с низкими требованиями к фильтрующему оборудованию.

Согласно другому варианту осуществления изобретения коэффициент p пульсации установлен как <10, <8 или <5, и >2. Частота переменного напряжения обычно составляет 50 Гц или 60 Гц, хотя другие частоты являются возможными, чтобы, например, коэффициент пульсации, равный 5, означал бы переключающуюся частоту в широтно-импульсной модуляции 500 Гц или 600 Гц, которая приблизительно в 5-10 раз ниже, чем для известных двухуровневых преобразователей источника напряжения, и соответственно приводит к значительно более низким потерям переключения.

Согласно другому варианту осуществления изобретения способ выполнен для преобразователя, в котором N=16, и коэффициент пульсации p установлен как 3<p<4, например 3,4. Такой низкий коэффициент пульсации в комбинации с таким числом переключающих элементов, соединенных последовательно, оказалось, приводит к преимуществам упомянутого выше настоящего изобретения.

Согласно другому варианту осуществления изобретения коэффициент пульсации установлен как целое число больше 10. Оказалось, что способ управления согласно настоящему изобретению хорошо функционирует также для чисел пульсации, являющихся целым числом, но тогда они должны быть выше 10 для того, чтобы привести к приемлемому поддержанию постоянного напряжения на различных переключающих элементах, по существу, на том же уровне, что означает более высокие потери переключения, чем были бы при более низком коэффициенте пульсации, установленном как не целое число.

Согласно другому варианту осуществления изобретения отдельные пилообразные напряжения, используемые для управления, распределены с течением времени так, чтобы каждое второе принадлежало к верхней ветви вентиля и каждое второе к нижней ветви вентиля, что способствует простоте способа управления согласно изобретению.

Согласно другому варианту осуществления изобретения полупроводниковые устройства в элементах переключения являются IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или GTO (полупроводниковое устройство с запираемым затвором), но возможны также и другие полупроводниковые устройства запирающего типа.

Согласно другому варианту осуществления изобретение представляет собой преобразователь источника напряжения, имеющий сторону постоянного напряжения, соединенную с сетью постоянного напряжения для того, чтобы передавать высоковольтный постоянный ток (HVDC) и сторону переменного напряжения, соединенную с линией фазы переменного напряжения, принадлежащей сети переменного напряжения, которая управляется. Это составляет особенно интересное применение настоящего изобретения, в котором делается акцент на проблеме высоких потерь переключения и требование надежности и прочности.

Согласно другому варианту осуществления изобретение представляет собой преобразователь источника напряжения, сконфигурированный на постоянное напряжение на двух полюсах, составляющее от 1 кВ до 1200 кВ, от 10 кВ до 1200 кВ или от 100 кВ до 1200 кВ, которое является управляемым.

Изобретение также относится к устройству для преобразования переменного напряжения согласно независимому пункту формулы об устройстве. Преимущества и выгодные особенности этого устройства и его вариантов осуществления, определенных в дополнительных зависимых пунктах формулы об устройстве, становятся очевидными из описанного выше способа согласно существующему изобретению.

Изобретение также относится к станции для передачи электроэнергии согласно соответствующему дополнительному пункту формулы.

Изобретение дополнительно относится к компьютерной программе и компьютерной машиночитаемой среде согласно соответствующим приложенным пунктам формулы. Легко понять, что способ согласно изобретению, определенному в приложенной формуле, касающейся способа, хорошо подходит для выполнения посредством программных инструкций от процессора, на который может влиять компьютерная программа, предусматривающая рассмотренные этапы программы.

Дополнительные преимущества, а также и существенные признаки изобретения, будут понятны из следующего описания.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает очень упрощенный вид преобразователя источника напряжения, который управляется способом согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 и Фиг.3 - два различных известных переключающих элемента, которые могут быть частью преобразователя источника напряжения, который управляется способом согласно изобретению;

Фиг.4 - упрощенный вид, схематично иллюстрирующий устройство для преобразования напряжения согласно настоящему изобретению;

Фиг.5 - более детальный вид части устройства согласно фиг.4 для одного переключающего элемента преобразователя источника напряжения;

Фиг.6 - диаграмма, показывающая отдельные пилообразные напряжения для шести из шестнадцати переключающих элементов в фазовой ветви преобразователя источника напряжения согласно фиг.1 и 4 и опорное переменное напряжение, используемое для того, чтобы выполнять управление согласно образцу широтно-импульсной модуляции;

Фиг.7 - пилообразное напряжение одного переключающего элемента и отдельное опорное переменное напряжение для этого переключающего элемента с амплитудой, пониженной относительно амплитуды среднего опорного переменного напряжения;

Фиг.8-11 - виды моделированных сигналов, выполненных для способа управления одной фазовой ветвью преобразователя источника напряжения согласно фиг.1, где:

Фиг.8a - переменное напряжение стороны переменного напряжения преобразователя в зависимости от времени;

Фиг.8b - напряжения конденсаторов восьми верхних переключающих элементов;

Фиг.8c - напряжения конденсаторов восьми нижних переключающих элементов;

Фиг.9a - переменное напряжение стороны переменного напряжения преобразователя в зависимости от времени при помехе в одном конденсаторе верхнего переключающего элемента в преобразователе источника напряжения согласно фиг.1;

Фиг.9b - напряжения конденсаторов восьми верхних переключающих элементов;

Фиг.9c - напряжения конденсаторов восьми нижних переключающих элементов;

Фиг.10a - среднее опорное переменное напряжение в зависимости от времени, в котором появляется скачок;

Фиг.10b - напряжения на конденсаторах шестнадцати переключающих элементов в преобразователе источника напряжения согласно фиг.1;

Фиг.10c - переменное напряжение на стороне переменного напряжения преобразователя;

Фиг.11a - среднее опорное переменное напряжение в зависимости от времени, с гармоническим сигналом, добавленным к опорному переменному напряжению;

Фиг.11b представляет напряжения на конденсаторах шестнадцати переключающих элементов в преобразователе источника напряжения согласно фиг.1;

Фиг.11c - переменное напряжение на стороне переменного напряжения преобразователя.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На Фиг.1 схематично показана общая конструкция преобразователя 1 источника напряжения, к которому может применяться способ управления согласно изобретению. У этого преобразователя есть три фазовые ветви 2-4, соединенные с противоположными полюсами 5, 6 стороны постоянного напряжения преобразователя, как и сеть постоянного напряжения для передачи напряжения на постоянном токе. Каждая фазовая ветвь содержит последовательное соединение переключающих элементов 7, указанных блоками, в данном случае 16 по количеству, и это последовательное соединение разделено на две равные части: верхняя ветвь 8 вентиля и нижняя ветвь 9 вентиля, отделенные средней точкой 10-12, формирующей выход фазы, сконфигурированной для соединения со стороной переменного напряжения преобразователя. Выходы 10-12 фазы возможно могут соединяться через трансформатор с сетью трехфазного переменного напряжения, нагрузкой, и т.д. Фильтрующее оборудование также выполнено на стороне переменного напряжения для того, чтобы улучшить форму переменного напряжения на стороне переменного напряжения.

Компоновка 13 управления выполнена для управления переключающимися элементами 7 и преобразования этим преобразователем постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот, и то, как эта компоновка управления построена и сконфигурирована для управления преобразователем, представляет суть этого изобретения и будет подробно разъяснено дополнительно.

Способ согласно настоящему изобретению предназначен для управления преобразователями источника напряжения с переключающимися элементами 7 типа, имеющего, по меньшей мере, два полупроводниковых устройства запирающего типа, по меньшей мере, два обратных диода, соединенных с ними параллельно, и, по меньшей мере, один конденсатор накопления энергии, и два примера таких переключающих элементов показаны на фиг.2 и фиг.3. Зажимы 14, 15 из переключающего элемента выполнены с возможностью соединения со смежными переключающими элементами в последовательном соединении переключающих элементов, формирующих ветвь фазы. Полупроводниковыми устройствами 16, 17 являются в данном случае IGBT, соединенные параллельно с диодами 18, 19. Конденсатор 20 накопления энергии параллельно соединен соответствующим последовательным соединением диодов и полупроводниковых устройств. Один зажим 14 соединен со средней точкой между двумя полупроводниковыми устройствами, а также со средней точкой между двумя диодами. Другой зажим 15 соединен с конденсатором 20 накопления энергии, в варианте осуществления фиг.2 - с одной его стороной, и в варианте осуществления согласно фиг.3 - с другой его стороной. Отмечается, что каждое полупроводниковое устройство и каждый диод, как показано на фиг.2 и фиг.3, могут быть более чем один раз соединены последовательно, чтобы иметь возможность управлять напряжениями, которыми необходимо управлять, и полупроводниковые устройства, соединенные, таким образом, последовательно, могут управляться одновременно, чтобы действовать как одно полупроводниковое устройство.

Переключающие элементы, показанные на фиг.2 и фиг.3, могут управляться для получения одного из a) первого состояния переключения и b) второго состояния переключения, в котором для a) напряжение на конденсаторе 20 и для b) нулевое напряжение прикладываются к зажимам 14, 15. Для того чтобы получить первое состояние на фиг.2, полупроводниковое устройство 16 включается и полупроводниковое устройство 17 выключается, и в варианте осуществления согласно фиг.3 включается полупроводниковое устройство 17 и полупроводниковое устройство 16 выключается. Переключающие элементы переключаются во второе состояние, изменяя состояние полупроводниковых устройств так, чтобы в варианте осуществления согласно фиг.2 полупроводниковое устройство 16 было выключено и 17 включено, и на фиг.3 выключено полупроводниковое устройство 17, и 16 включено.

На фиг.4 показано более подробно, как формируется фазовая ветвь преобразователя согласно фиг.1, путем переключения элементов типа, показанного на фиг.3, на которой полностью десять переключающих элементов были пропущены для того, чтобы упростить чертеж. Компоновка 13 управления выполнена для управления переключающими элементами, с помощью управления их полупроводниковыми устройствами, так, чтобы они или подавали нулевое напряжение или напряжение на конденсаторе, которое будет добавлено к напряжениям других переключающих элементов в последовательном соединении. Трансформатор 21 и фильтрующее оборудование 22 здесь также обозначены. Показано, как каждая ветвь вентиля через фазовый дроссель 50, 51 соединена с выходом 10 фазы, и такие фазовые дроссели должны также быть на фиг.1 для выходов 10, 11 и 12 фазы, но были пропущены там для упрощения чертежа.

Способ согласно настоящему изобретению будет теперь объяснен со ссылками также на фиг.5 и фиг.6. Часть компоновки 13 управления показана более подробно на фиг.5. Эта компоновка управления содержит первое средство 23, сконфигурированное для подачи отдельного пилообразного напряжения 24 для управления каждым переключающим элементом фазовой ветви. Эти пилообразные напряжения переключающих элементов идентичны, но равномерно распределены с течением времени друг относительно друга со сдвигом фазы между такими смежными пилообразными напряжениями на 2π/pN, где p является коэффициентом пульсации, определенным как период опорного переменного напряжения 25/период пилообразного напряжения 24, и N является числом переключающих элементов в фазовой ветви. Для того чтобы упростить чертеж, на фиг.6 показано только пилообразное напряжение шести из шестнадцати переключающих элементов для фазовой ветви преобразователя источника напряжения согласно фиг.1.

Компоновка управления также содержит второе средство 26, сконфигурированное для подачи отдельного опорного переменного напряжения 25 каждому переключающему элементу с той же частотой и фазой, как и другим переключающим элементам. Компоновка управления также содержит средство 27 управления, сконфигурированное для управления переключающимися элементами согласно образцу широтно-импульсной модуляции так, чтобы каждый переключающий элемент переключался для изменения переключающегося состояния от первого ко второму и наоборот, каждый раз, когда волна пилообразного напряжения для этого переключающего элемента пересекает опорное переменное напряжение, принадлежащее этому переключающему элементу. Это означает, что, когда мы предполагаем, что опорное переменное напряжение 25, показанное на фиг.6, принадлежит к пилообразному напряжению 24, полупроводниковое устройство 16 может быть включено и полупроводниковое устройство 17 может быть выключено в точке пересечения 28 для подачи нулевого напряжения на зажимы 15, 14 до следующей точки пересечения 29, в которой полупроводниковое устройство 16 выключено и полупроводниковое устройство 17 включено для приложения напряжения U_c на конденсаторе 20 между этими двумя зажимами 15, 14 до следующей точки пересечения 30 и так далее.

Опорное переменное напряжение 25 будет иметь частоту, равную частоте напряжения на стороне переменного напряжения преобразователя, такую как 50 Гц или 60 Гц. Второе средство 26 содержит первый элемент 31, выполненный для измерения напряжения на конденсаторе 20 каждого переключающего элемента, второй элемент 32, выполненный для сравнения этого постоянного напряжения с соответственным опорным постоянным напряжением, которое может быть подано элементом 40, вычисляющим среднее из напряжений, измеренных на конденсаторах во всех элементах переключения, а также третий элемент 33, сконфигурированный для вычисления и установки амплитуды отдельного опорного переменного напряжения для каждого переключающего элемента на основе результата сравнения. Четвертый элемент 34 обозначен на фиг.5 и сконфигурирован для измерения постоянного напряжения на полюсах 5, 6 со стороны постоянного напряжения преобразователя и подачи результата этого измерения второму элементу 32 для сравнения. Это означает на практике, что амплитуда отдельного опорного переменного напряжения для единственного переключающего элемента увеличена или снижена, когда напряжение на конденсаторе 20, принадлежащее этому переключающему элементу, отклоняется от среднего из напряжений всех конденсаторов переключающих элементов фазовой ветви. Фиг.7 показывает, как амплитуда отдельного опорного переменного напряжения 25 была изменена для переключающего элемента, причем на этом чертеже показано только отдельное пилообразное напряжение для этого переключающего элемента. Таким образом, образец широтно-импульсной модуляции этого переключающего элемента будет определен точкой пересечения кривых 25 и 24", показанных на фиг.7. Оказалось, что этот путь отдельного регулирования опорного переменного напряжения для каждого переключающего элемента будет иметь эффект баланса для постоянных напряжений на конденсаторах переключающих элементов так, чтобы, если напряжение конденсатора переключающего элемента понижено ниже среднего постоянного напряжения, регулирование амплитуды опорного переменного напряжения склонялось бы к тому, чтобы поднять напряжение на этом конденсаторе и наоборот, если это напряжение будет выше, чем среднее постоянное напряжение.

Компановка управления также содержит главный блок 35 управления, выполненный с возможностью обеспечения элемента 27 управления для ШИМ с коэффициентом пульсации p и положением фазы опорных переменных напряжений относительно переменного тока на стороне переменного напряжения преобразователя в зависимости от потребности потребления энергии и т.п. Блок 35 управления может также влиять на амплитуду опорных переменных напряжений в зависимости от измерения с помощью средства 41 переменного напряжения, присутствующего в настоящее время на стороне переменного напряжения преобразователя.

Моделирование проводилось для фазовой ветви преобразователя согласно фиг.1 при управлении способом, согласно настоящему изобретению, как описано выше, для коэффициента пульсации 3,37 и частоты 50 Гц переменного напряжения. Моделирование показало, что выбор нецелого числа, для коэффициента пульсации, имеет эффект баланса напряжений на конденсаторах различных переключающих элементов, так чтобы мог быть выбран коэффициент пульсации, являющийся таким низким. Моделирование с коэффициентом пульсации 3 показало, что эти напряжения на конденсаторе не будут в таком случае постоянными, и выходящее переменное напряжение будет очень искажено.

На фиг.8a показана диаграмма переменного напряжения, которое вычислено путем моделирования в зависимости от времени на стороне переменного напряжения преобразователя для коэффициента пульсации, равного 3,37. Фиг.8b и фиг.8c показывают напряжения конденсаторов верхней ветви вентиля и нижней ветви вентиля, соответственно. Предполагается, что эти напряжения удерживаются, по существу, на постоянном уровне, и переменное напряжение, следующее из схемы управления, обладает, несмотря на низкий коэффициент пульсации, сравнительно сглаженной и правильной формой, требующей малой емкости фильтра.

Фиг.9a-c соответствуют фиг.8a-c для случая нарушения работы конденсатора первого переключающего элемента в верхней ветви вентиля. Замечено, что это нарушение работы не влияет на переменное напряжение, следующее из схемы управления согласно существующему изобретению. Никакое изменение образца широтно-импульсной модуляции здесь не проводится.

Фиг.10 показана для иллюстрации того, насколько быстрым будет отклик способа управления согласно настоящему изобретению на изменение в опорном переменном напряжении, в котором такое изменение может произойти, например, от замыкания на землю в сети переменного напряжения, соединяющейся со стороной переменного напряжения преобразователя. Фиг.10a показывает опорное переменное напряжение и как скачок S создается в нем, фиг.10b - напряжения на всех шестнадцати конденсаторах переключающих элементов и фиг.10c - переменное напряжение на стороне переменного напряжения преобразователя. Можно заметить, что отклик очень быстр и что напряжения конденсаторов очень быстро возвращаются к нормальному.

Наконец, фиг.11 используется для того, чтобы показать низкую чувствительность способа управления согласно настоящему изобретению к гармоническим сигналам, появляющимся на стороне переменного напряжения преобразователя. 10%-ное напряжение одиннадцатой гармоники добавлено к опорному переменному напряжению, показанному на фиг. 11a при моделировании. Фиг.11b показывает напряжения всех шестнадцати конденсаторов переключающих элементов, и фиг.11c показывает выходное переменное напряжение преобразователя, из чего становится ясно, что способ управления согласно настоящему изобретению является также очень надежным относительно возникновения гармоник.

Управление может предпочтительно, но не обязательно, выполняться так, чтобы отдельные пилообразные напряжения, используемые для управления, были распределены по времени так, чтобы каждое второе принадлежало верхней ветви вентиля и каждое второе принадлежало нижней ветви вентиля.

Изобретение конечно ни в коем случае не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше, и много возможностей его модификаций будут очевидны для специалиста, не отступая от основной идеи изобретения, определенной в приложенной формуле изобретения.

Способ управления преобразователем источника напряжения, имеющим, по меньшей мере, одну фазовую ветвь, содержащую последовательное соединение переключающих элементов (7), в котором у каждого элемента есть, по меньшей мере, два полупроводниковых устройства (16, 17) запирающего типа, по меньшей мере, два обратных диода (18, 19), соединенных с ними параллельно, и, по меньшей мере, один конденсатор (20) накопления энергии содержит этапы, на которых каждым переключающим элементом управляют согласно образцу широтно-импульсной модуляции так, чтобы каждый переключающий элемент был переключен для того, чтобы менять состояние между приложенным нулевым напряжением и напряжением на его конденсаторе на его зажимах, каждый раз, когда волна пилообразного напряжения для этого переключающего элемента пересекает опорное переменное напряжение, принадлежащее этому переключающему элементу. Технический результат - повышение надежности и быстрое реагирование на изменение эксплуатационных режимов. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ управления преобразователем источника напряжения, сконфигурированным для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот и имеющим, по меньшей мере, одну фазовую ветвь (2-4), соединяющую два противоположных полюса (5, 6) стороны постоянного напряжения преобразователя и содержащую последовательное соединение переключающих элементов (7), причем каждый элемент имеет, по меньшей мере, два полупроводниковых устройства (16, 17) запирающего типа, по меньшей мере, два обратных диода (18, 19), соединенных с ними параллельно, и, по меньшей мере, один конденсатор (20) накопления энергии, причем средняя точка (10-12) последовательного соединения, формирующая выход фазы, сконфигурирована для соединения со стороной переменного напряжения преобразователя и разделения ветви фазы на верхнюю ветвь (8) вентиля и нижнюю ветвь (9) вентиля, причем способ содержит этапы, на которых:
полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента управляют с возможностью получения этим переключающим элементом одного из а) первого состояния переключения и b) второго состояния переключения, в котором для а) напряжение на, по меньшей мере, одном конденсаторе накопления энергии и для b) нулевое напряжение прикладывают на зажимы переключающего элемента для получения определенного переменного напряжения на выходе фазы,
отличающийся тем, что на каждый переключающий элемент (7) для управления, подают, с одной стороны, отдельное пилообразное напряжение (24), причем пилообразные напряжения переключающих элементов являются идентичными, но равномерно распределенными с течением времени относительно друг друга со сдвигом фазы между такими смежными пилообразными напряжениями на 2π/(pN), где р является коэффициентом пульсации, определенным как период опорного переменного напряжения/период пилообразного напряжения, и N число переключающих элементов в фазовой ветви, и с другой стороны, отдельное опорное переменное напряжение (25) с той же частотой и фазой, как и другие переключающие элементы,
при этом переключающими элементами управляют согласно образцу широтно-импульсной модуляции так, чтобы каждый переключающий элемент был переключен, чтобы менять переключающееся состояние с одного на второе и наоборот, каждый раз, когда волна пилообразного напряжения для этого переключающего элемента (28-30) пересекает опорное переменное напряжение, принадлежащее этому переключающему элементу,
тем, что напряжение на конденсаторе (20) накопления энергии каждого переключающего элемента измеряют во время управления преобразователем и сравнивают с опорным постоянным напряжением, и тем, что результат этого сравнения используют как сигнал управления обратной связи для установки амплитуды отдельного опорного переменного напряжения на основе результата сравнения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорное постоянное напряжение получают путем измерения постоянного напряжения на полюсах стороны постоянного напряжения преобразователя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорное постоянное напряжение получают путем вычисления среднего из напряжений, измеренных на конденсаторах накопления энергии переключающих элементов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что амплитудой отдельного опорного переменного напряжения (25) управляют так, чтобы понижать или повышать ее относительно амплитуды среднего опорного переменного напряжения, которая соответствует амплитуде отдельного опорного переменного напряжения для постоянного напряжения, измеренного на конденсаторе накопления энергии этого переключающего элемента, которое является средним из таких напряжений, измеренных для всех переключающих элементов, в зависимости от разницы измеренного постоянного напряжения, и среднего напряжения.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что напряжение, измеренное на конденсаторе (20) накопления энергии каждого переключающего элемента, сравнивают с 2×U_D/N, в котором U_D является постоянным напряжением, измеренным на полюсах.

6. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что используют пропорциональное управление для установки амплитуды упомянутого отдельного опорного переменного напряжения (25) так, чтобы разница в амплитуде двух таких отдельных опорных переменных напряжений была пропорциональна разнице в напряжениях, измеренных на конденсаторах накопления энергии этих переключающих элементов.

7. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что переменное напряжение на стороне переменного напряжения преобразователя измеряют во время управления преобразователем и амплитуду этого переменного напряжения используют для установки амплитуд отдельных опорных переменных напряжений.

8. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что коэффициент пульсации р устанавливают как нецелое число.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что коэффициент пульсации непрерывно или периодически изменяют во время управления.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что коэффициентом пульсации управляют так, чтобы увеличивать и уменьшать его в пределах интервала коэффициента пульсации во время управления преобразователем.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что его выполняют для преобразователя, в котором N>8, N от 12 до 32 или N от 16 до 24.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент пульсации р устанавливают <10, <8 или <5, но>2.

13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что его выполняют для преобразователя, в котором N=16, и коэффициент пульсации р устанавливают 3<р<4, например 3,4.

14. Способ по п.1 или 11, отличающийся тем, что коэффициент пульсации устанавливают как целое число больше 10.

15. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что отдельные пилообразные напряжения (24), используемые для управления, распределяют с течением времени так, чтобы каждое второе принадлежало верхней ветви вентиля и каждое второе - нижней ветви вентиля.

16. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что преобразователь содержит в качестве полупроводниковых устройств (16, 17), которыми управляют IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или GTO (полупроводниковые устройства с запираемым затвором).

17. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что преобразователь источника напряжения со стороны постоянного напряжения соединяют с сетью постоянного напряжения для передачи высоковольтного постоянного тока (HVDC) и со стороны переменного напряжения, соединяют с линией фазы переменного напряжения, принадлежащей сети переменного напряжения, которой управляют.

18. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что преобразователь источника напряжения конфигурируют на постоянное напряжение на двух полюсах, которым управляют, равное от 1 кВ до 1200 кВ, от 10 кВ до 1200 кВ или от 100 кВ до 1200 кВ.

19. Устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и наоборот, содержащее преобразователь источника напряжения, имеющий, по меньшей мере, одну фазовую ветвь (2-4), соединяющую противоположные полюса (5, 6) стороны постоянного напряжения преобразователя и содержащую последовательно соединенные переключающие элементы (7), причем каждый переключающий элемент имеет, по меньшей мере, два полупроводниковых устройства (16, 17) запирающего типа, по меньшей мере, два обратных диода (18, 19) соединенных с ним параллельно, и, по меньшей мере, один конденсатор (20) накопления энергии, причем средняя точка (10-12) последовательного соединения, формирующая выход фазы, сконфигурирована для соединения со стороной переменного напряжения преобразователя и разделения ветви фазы на верхнюю ветвь (8) вентиля и нижнюю ветвь (9) вентиля, причем устройство содержит компоновку (13) управления, сконфигурированную для управления полупроводниковыми устройствами каждого переключающего элемента так, чтобы получить для этого переключающего элемента одно из а) первого состояния переключения и b) второго состояния переключения, в котором для а) напряжение на, по меньшей мере, одном конденсаторе (20) накопления энергии и для b) нулевое напряжение прикладываются к зажимам переключающего элемента для того, чтобы получить определенное переменное напряжение на выходе фазы,
отличающееся тем, что компоновка управления содержит
первое средство (23), сконфигурированное с возможностью подачи отдельного пилообразного напряжения (24) для управления каждого переключающего элемента, причем пилообразные напряжения переключающих элементов являются идентичными, но равномерно распределенными по времени относительно друг друга со сдвигом фазы между такими смежными пилообразными напряжениями на 2π/pN, где р является коэффициентом пульсации, определенным как период опорного переменного напряжения/период пилообразного напряжения, и N является числом переключающих элементов в фазовой ветви,
второе средство (26), сконфигурированное с возможностью подачи отдельного опорного переменного напряжения (25) на каждый переключающий элемент с той же частотой и фазой, как и на другие переключающие элементы, и
средство (27) управления, сконфигурированное с возможностью управления переключающими элементами согласно образцу широтно-импульсной модуляции так, чтобы каждый переключающий элемент был переключен, чтобы менять переключающееся состояние с первого на второе, и наоборот, каждый раз волна пилообразного напряжения для этого переключающего элемента пересекает опорное переменное напряжение, принадлежащее этому переключающему элементу,
при этом упомянутое второе средство (26) содержат первый элемент (31), выполненный с возможностью измерения напряжения на конденсаторе (20) накопления энергии каждого переключающего элемента (7), второй элемент (32), выполненный с возможностью сравнения этого постоянного напряжения с опорным постоянным напряжением, а также третий элемент (33), сконфигурированный для вычисления и установки амплитуды отдельного опорного переменного напряжения для каждого переключающего элемента на основе результата сравнения.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит четвертый элемент (34), сконфигурированный для измерения постоянного напряжения на полюсах (5, 6) стороны постоянного напряжения преобразователя и доставки результата этого измерения второму элементу (32) для сравнения.

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что компоновка (13) управления содержит элемент (40), сконфигурированный для вычисления среднего из напряжений, измеренных на конденсаторах (20) накопления энергии переключающих элементов, и подачи этого среднего значения в качестве опорного постоянного напряжения.

22. Устройство по любому из пп.19-21, отличающееся тем, что содержит средство (41), сконфигурированное для измерения переменного напряжения на стороне переменного напряжения преобразователя во время управления преобразователем, и тем, что второе средство (26) сконфигурировано для использования амплитуды этого переменного напряжения, при установке амплитуд отдельных опорных переменных напряжений (25).

23. Устройство по любому из пп.19-21, отличающееся тем, что первое средство (23) сконфигурировано для подачи отдельных пилообразных напряжений, имеющих коэффициент пульсации р, не являющийся целым числом.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что первое средство (23) сконфигурировано для подачи отдельных пилообразных напряжений, имеющих коэффициент пульсации, изменяющийся непрерывно или периодически во время управления.

25. Устройство по любому из пп.19-21, отличающееся тем, что число N переключающих элементов ветви фазы >8, от 12 до 32 или от 16 до 24.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что число N переключающих элементов ветви фазы равно 16, и первое средство выполнено с возможностью использования коэффициента пульсации р 3<р<4, например 3,4.

27. Устройство по любому из пп.19-21, отличающееся тем, что полупроводниковыми устройствами (16, 17) переключающих элементов являются IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или GTO (полупроводниковые устройства с запираемым затвором).

28. Устройство по любому из пп.19-21, отличающееся тем, что преобразователь источника напряжения сконфигурирован для соединения стороны постоянного напряжения с сетью постоянного напряжения для передачи высоковольтного постоянного тока (HVDC) и соединения стороны переменного напряжения с линией фазы переменного напряжения, принадлежащей сети переменного напряжения.

29. Устройство по любому из пп.19-21, отличающееся тем, что преобразователь источника напряжения сконфигурирован на постоянное напряжение на двух полюсах, равное от 1 кВ до 1200 кВ, от 10 кВ до 1200 кВ или от 100 кВ до 1200 кВ.

30. Станция для передачи электроэнергии, содержащая сеть постоянного напряжения и, по меньшей мере, одну сеть переменного напряжения, соединенную с ней через станцию, причем станция выполнена с возможностью осуществления передачи электроэнергии между сетью постоянного напряжения и сетью переменного напряжения, и содержит, по меньшей мере, один преобразователь источника напряжения, выполненный с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот,
отличающаяся тем, что содержит устройство по любому из пп.19-29.

31. Машиночитаемая среда, содержащая программу, записанную на ней, причем программа выполнена с возможностью побуждения компьютера выполнять способ по любому из пп.1-18.