ПОДМОДУЛЬ, ЗАЩИТНЫЙ БЛОК, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ Российский патент 2018 года по МПК H02M7/483 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к области энергетики и электроники, в частности, к подмодулю, защитному блоку, многоуровневому преобразователю напряжения и способу управления преобразователем.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Модульный многоуровневый преобразователь представляет собой преобразователь нового типа, который пригоден для применений с высоким напряжением и который в последние годы привлекает к себе большое внимание. В модульном многоуровневом преобразователе подмодули расположены каскадом, причем состояние каждого подмодуля контролируют отдельно, чтобы обеспечить возможность приближения переменного напряжения, выдаваемого преобразователем, к синусоиде, тем самым уменьшая содержание гармоник в выходном напряжении. Модульный многоуровневый преобразователь решает ряд проблем, связанных со средним напряжением, которые существуют в двухуровневом преобразователе напряжения, и имеет перспективы широкого применения.

Впервые модульный многоуровневый преобразователь был упомянут в в документе "Распределенные накопители энергии и схема преобразователя" Марквардта Райнера (публикация заявки на патент № DE 10103031 A). Подмодуль данного преобразователя образован из полумоста и параллельно подключенного конденсатора, при этом посредством управления выходным портом подмодуля возможна генерация двух уровней: напряжения конденсатора и нулевого напряжения. В 2010 году проект Trans Bay был успешно введен в эксплуатацию, когда данная топологическая структура была внедрена во всем мире в проекте гибкой передачи постоянного тока (DC) и принята фирмой Siemens, что доказывает возможность технических применений этой топологической структуры преобразователя.

На основе данной топологической структуры модульного многоуровневого преобразователя фирма ABB модифицировала топологическую структуру и предложила каскадную двухуровневую модульную топологическую структуру (публикация заявки на патент №US 20100328977 A1), в которой преобразователь отличается от вышеупомянутого модульного многоуровневого преобразователя обратным соединением подмодулей.

Недостатки указанных двух модульных многоуровневых преобразователей заключаются в том, что если в цепи постоянного тока возникает короткое замыкание, то цепь переменного тока может подавать ток короткого замыкания через диод подмодуля к точке короткого замыкания, что приводит к сверхтокам в цепях переменного и постоянного тока и на вентиле преобразователя. Поэтому короткое замыкание в цепи постоянного тока необходимо устранять посредством размыкания линейного выключателя. Если в цепи постоянного тока возникает неустойчивое короткое замыкание, то линейные выключатели переменного тока необходимо размыкать для всех модульных многоуровневых преобразователей обоих вышеупомянутых типов, соединенных с цепью постоянного тока, так что для восстановления передачи электроэнергии требуется длительное время.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

Задачи данного изобретения состоят в том, чтобы создать подмодуль, в котором, в случае возникновения короткого замыкания в цепи постоянного тока, преобразователь может быть заблокирован, чтобы система переменного тока не могла передавать ток короткого замыкания в цепь постоянного тока, так чтобы неустойчивое короткое замыкание в цепи постоянного тока можно было устранить, не размыкая линейный выключатель переменного тока, с обеспечением, посредством этого, возможности быстрого перезапуска системы. Кроме того созданы защитный блок, преобразователь, соответствующий предлагаемому подмодулю, и способ управления.

Техническое решение

Для решения указанных задач в данном изобретении предлагаются описанные ниже технические решения.

Полезный эффект

Полезные эффекты данного изобретения, возможные благодаря вышеуказанным техническим решениям, состоят в следующем:

(1) если в цепи постоянного тока возникает короткое замыкание, то преобразователь блокируется, чтобы цепь переменного тока не могла передать ток короткого замыкания в точку короткого замыкания;

(2) если на стороне цепи постоянного тока возникает неустойчивое короткое замыкание, то это замыкание устраняется без размыкания линейного выключателя переменного тока;

(3) для двухполюсной или многополюсной системы постоянного тока, образованной из преобразователя согласно изобретению не требуется выключатель постоянного тока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - схема топологический структуры варианта осуществления подмодуля согласно данному изобретению.

Фиг. 2 - схема топологический структуры варианта осуществления подмодуля согласно данному изобретению.

Фиг. 3 - схема топологический структуры варианта осуществления подмодуля согласно данному изобретению.

Фиг. 4 - схема топологический структуры варианта осуществления подмодуля согласно данному изобретению.

Фиг. 5 - схема топологический структуры преобразователя, полностью образованного из подмодулей согласно данному изобретению.

Фиг. 6 - две схемы топологический структуры дополнительного подмодуля согласно данному изобретению.

Фиг. 7 - схема топологический структуры преобразователя, частично образованного из подмодулей согласно данному изобретению.

Фиг. 8 - принципиальная схема варианта осуществления способа управления для преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 9 - принципиальная схема варианта осуществления способа управления для преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 10 - четыре схемы топологический структуры защитного блока для подмодуля согласно данному изобретению.

Фиг. 11 - схема способа соединения подмодуля согласно данному изобретению и защитного блока для него.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технические решения согласно данному изобретению описываются подробно ниже в сочетании с прилагаемыми чертежами и конкретными вариантами осуществления изобретения.

Фиг. 1-4 представляют собой схемы топологический структуры предпочтительных вариантов осуществления подмодуля согласно данному изобретению. Фиг. 1 и 2 иллюстрируют случай, когда в цепи обратного диода отсутствует резистор. Фиг. 3 и 4 иллюстрируют случай, когда в цепи обратного диода имеется резистор.

Как показано на фиг. 1 и 2, подмодуль содержит запираемые устройства 1, 3, 5, соединенные с диодами встречно-параллельно, и накопитель 8 энергии, причем запираемое устройство 1 соединено с диодом 2 встречно-параллельно, запираемое устройство 3 соединено с диодом 4 встречно-параллельно, а запираемое устройство 5 соединено с диодом 6 встречно-параллельно. Каждое из запираемых устройств 1, 3, 5 может представлять собой отдельно управляемое переключающее устройство (например, полностью управляемое устройство, в частности, IGBT (insulated gate bipolar transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором), IGCT (integrated gate-commutated thyristor - запираемый тиристор с интегрированным управлением), MOSFET (metal-oxide-silicon field-effect transistor - МОП-транзистор) или GTO (gate turn-off - двухоперационный диодный тиристор), причем в приведенных вариантах осуществления изобретения в качестве примера взят IGBT или устройство, образованное из по меньшей мере двух последовательно соединенных управляемых переключающих устройств.

На фиг. 1 изображен подмодуль 10. Эмиттер запираемого устройства 1 соединен с коллектором запираемого устройства 3, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х1 подмодуля 10. Коллектор запираемого устройства 1 через накопитель 8 энергии соединен с эмиттером запираемого устройства 3. Кроме того, коллектор запираемого устройства 1 соединен с катодом диода 7. Анод диода 7 соединен с коллектором запираемого устройства 5, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х2 подмодуля 10. Эмиттер запираемого устройства 5 соединен с эмиттером запираемого устройства 3.

На фиг. 2 изображен подмодуль 11. Эмиттер запираемого устройства 5 соединен с катодом диода 7, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х1 подмодуля 11. Коллектор запираемого устройства 5 через накопитель 8 энергии соединен с анодом диода 7. Кроме того, коллектор запираемого устройства 5 соединен с коллектором запираемого устройства 3. Эмиттер запираемого устройства 3 соединен с коллектором запираемого устройства 1, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х2 подмодуля 11. Эмиттер запираемого устройства 1 соединен с анодом диода 7.

Как показано на фиг. 3 и 4, подмодуль содержит запираемые устройства 1, 3, 5, соединенные с диодами встречно-параллельно, и накопитель С энергии, причем запираемое устройство 1 соединено с диодом 2 встречно-параллельно, запираемое устройство 3 соединено с диодом 4 встречно-параллельно, а запираемое устройство 5 соединено с диодом 6 встречно-параллельно. Каждое из запираемых устройств 1, 3, 5 может представлять собой отдельное управляемое переключающее устройство (например, полностью управляемое устройство, в частности, IGBT, IGCT, MOSFET или GTO, причем в приведенных вариантах осуществления изобретения в качестве примера взят IGBT) или устройство, образованное из по меньшей мере двух последовательно соединенных управляемых переключающих устройств.

На фиг. 3 изображен подмодуль 10'. Коллектор запираемого устройства 1 соединен с эмиттером запираемого устройства 3, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х1 подмодуля 10'. Эмиттер запираемого устройства 1 через накопитель С энергии соединен с коллектором запираемого устройства 3. Кроме того, коллектор запираемого устройства 1 соединен с последовательным резистором R, причем другой конец последовательного резистора соединен с катодом диода 7. Анод диода 7 соединен с коллектором запираемого устройства 5, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х2 подмодуля 10. Коллектор запираемого устройства 5 соединен с коллектором запираемого устройства 3. Положения последовательного резистора R и диода 7 можно поменять, при условии, что обеспечено соединение анода диода 7 с выводом Х2 непосредственно или через последовательный резистор R.

На фиг. 4 изображен подмодуль 11', полученный в результате следующего изменения топологической структуры подмодуля, показанного на фиг. 3: изменены положения вывода Х1 и вывода Х2, изменены положения коллектора и эмиттера каждого запираемого устройства, и изменены положения анода и катода каждого диода. Коллектор запираемого устройства 5 соединен с катодом диода 7, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х1 подмодуля 11. Эмиттер запираемого устройства 5 через накопитель С энергии соединен с одним концом последовательного резистора R, причем другой конец последовательного резистора R соединен с анодом диода 7. Кроме того, коллектор запираемого устройства 5 соединен с коллектором запираемого устройства 3. Эмиттер запираемого устройства 3 соединен с коллектором запираемого устройства 1, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х2 подмодуля 11. Коллектор запираемого устройства 1 соединен с одним концом последовательного резистора R. Положения последовательного резистора R и диода 7 можно поменять при условии, что обеспечено соединение катода диода 7 с выводом Х1 непосредственно или через последовательный резистор R.

Следует отметить, что при описании вариантов осуществления данного изобретения для запираемых устройств, резистора и обратного диода применены только эквивалентные элементы. Таким образом, запираемые устройства, резистор и обратный диод в каждом случае могут быть образованы посредством каскадного соединения нескольких элементов. Например, эквивалентный резистор может быть образован из множества резисторов, соединенных последовательно или параллельно, эквивалентный обратный диод может быть образован из множества обратных диодов, соединенных последовательно или параллельно, и т.д.

Следует отметить, что в вариантах осуществления изобретения, описанных на фиг. 3 и 4, последовательный резистор показан в эквивалентном представлении, то есть варианты расположения и количество резисторов и обратных диодов не ограничены, причем резисторы и обратный диоды могут быть расположены поочередно.

Фиг. 5 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления преобразователя согласно данному изобретению. Каждый из подмодулей указанного преобразователя представляет собой подмодуль согласно данному изобретению. Преобразователь содержит по меньшей мере один фазовый блок. Конкретное количество фазовых блоков может быть определено в соответствии с количеством выводов переменного тока системы переменного тока. Каждый фазовый блок содержит верхнее плечо 100 моста и нижнее плечо 101 моста. Каждое верхнее и каждое нижнее плечо моста содержит по меньшей мере два подмодуля 10 и по меньшей мере один реактор 20, соединенные друг с другом последовательно. Количество подмодулей и реакторов, содержащихся в верхнем плече моста, может быть таким же или отличаться от количества подмодулей и реакторов, содержащихся в нижнем плече моста. Каждый подмодуль 10 имеет два вывода Х1 и Х2. Все подмодули 10 одного и того же плеча моста (верхнего или нижнего плеча моста) соединены в том же самом направлении, а направления соединений подмодулей в верхнем плече моста и в нижнем плече моста противоположны друг другу, как показано на фиг. 3. Один конец верхнего плеча 100 моста используют в качестве первого вывода Р постоянного тока фазового блока, который подлежит соединению с цепью постоянного тока. Один конец нижнего плеча 101 моста используют в качестве второго вывода N постоянного тока фазового блока, который подлежит соединению с цепью постоянного тока. Другие концы верхнего плеча 100 и нижнего плеча 101 моста используют вместе в качестве вывода А переменного тока фазового блока, который подлежит соединению с цепью переменного тока. Касательно верхнего плеча 100 моста и нижнего плеча 101 моста следует отметить, что изобретение не ограничено последовательным расположением подмодулей 10 и реакторов 20, и так как один реактор может быть образован из множества последовательно соединенных реакторов, то количество реакторов по существу не ограничено, при соблюдении условия, что величина общего реактивного сопротивления в определенном плече моста соответствует требованиям, предъявляемым к данному плечу моста.

Следует отметить, что подмодуль 10, показанный на фиг. 3, также можно заменить любым из четырех предложенных выше подмодулей.

Фиг. 6 представляет собой две схемы топологический структуры дополнительного подмодуля согласно данному изобретению. Стоимость преобразователя может быть снижена заменой подмодулей преобразователя, изображенного на фиг. 5, указанным дополнительным подмодулем. Дополнительный подмодуль содержит запираемые устройства 1, 3, соединенные с диодами встречно-параллельно, и накопитель С энергии, причем запираемое устройство 1 соединено с диодом 2 встречно-параллельно, а запираемое устройство 3 соединено с диодом 4 встречно-параллельно. Каждое из запираемых устройств 1, 3 может представлять собой отдельно управляемое переключающее устройство (например, полностью управляемое устройство, в частности, IGBT, IGCT, MOSFET или GTO, причем в приведенных вариантах осуществления изобретения в качестве примера взят IGBT) может также иметь структуру, образованную из по меньшей мере двух последовательно соединенных управляемых переключающих устройств. На фиг. 6(a) изображен подмодуль 12. Коллектор запираемого устройства 1 соединен с эмиттером запираемого устройства 3, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х1 подмодуля 12. Эмиттер запираемого устройства 1 через накопитель энергии С соединен с коллектором запираемого устройства 3. Коллектор запираемого устройства 3 используют в качестве вывода Х2 подмодуля 12. На фиг. 6(b) изображен подмодуль 13. Коллектор запираемого устройства 3 соединен с эмиттером запираемого устройства 1, причем эту точку соединения используют в качестве вывода Х2 подмодуля 13. Эмиттер запираемого устройства 1 через накопитель С энергии соединен с коллектором запираемого устройства 3. Коллектор запираемого устройства 3 используют в качестве вывода Х1 подмодуля 13.

Фиг. 7 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления преобразователя согласно данному изобретению, в котором один из подмодулей в нижнем плече моста преобразователя, изображенного на фиг. 5, заменен подмодулем 13. Количество запираемых устройств уменьшено, что снижает стоимость преобразователя. Следует отметить, что преобразователь, полученный в результате замены, должен содержать по меньшей мере один подмодуль согласно изобретению, и в этом случае любое количество подмодулей согласно изобретению в любом месте преобразователя, показанного на фиг. 5, можно заменить дополнительным подмодулем.

Дополнительно в данном изобретении предлагается способ управления вышеописанным преобразователем, в котором преобразователем управляют посредством регулировки рабочих состояний каждого подмодуля преобразователя. Содержание регулировки в способе управления согласно изобретению описывается ниже на примере подмодулей 10, 11, изображенных на фиг. 1 и 2. Способ управления преобразователями, образованными из подмодулей 10', 11', изображенных на фиг. 3 и 4, аналогичен и повторно не описывается.

Фиг. 8(a) и 8(d) представляют собой принципиальные схемы соответственно двух направлений тока в состоянии 1, фиг. 8(b) и 8(e) представляют собой принципиальные схемы соответственно двух направлений тока в состоянии 2, а фиг. 8(c) и 8(f) представляют собой принципиальные схемы соответственно двух направлений тока в состоянии 3.

Управление подмодулем 10 осуществляется для обеспечения его работы в трех рабочих состояниях. В состоянии 1 запираемые устройства 1, 5 включены, запираемое устройство 3 выключено, а накопитель С энергии подключен к плечу моста через диод 2 и диод 6 (см. фиг. 8(a)), или накопитель С энергии подключен к плечу моста через запираемые устройства 5, 1 (см. фиг. 8(d)), так что выходное напряжение (то есть напряжение вывода Х1 относительно вывода Х2) подмодуля 10 представляет собой напряжение на накопителе С энергии. В состоянии 2 запираемые устройства 3, 5 включены, запираемое устройство 1 выключено, так что ток может течь через запираемое устройство 3 и диод 6 (см. фиг. 8(b)) или запираемое устройство 5 и диод 4 (см. фиг. 8(e)), накопитель С энергии перемкнут и выходное напряжение подмодуля 10 равно 0. В состоянии 3 запираемые устройства 1, 3, 5 выключены, так что если ток течет от вывода Х1 к выводу Х2, диод 2 и диод 6 открыты, накопитель С энергии подключен к плечу моста через вывод Х1 и вывод Х2 и выходное напряжение подмодуля 10 представляет собой напряжение на накопителе С энергии (см. фиг 8(c)); когда ток течет от вывода Х2 к выводу Х1, диод 7 и диод 4 открыты, накопитель С энергии реверсивно подключен к плечу моста через вывод Х1 и вывод Х2 (см. фиг. 8(f)), выходное напряжение подмодуля 10 представляет собой сумму отрицательного значения напряжения на накопителе С и напряжения на резисторе. Когда подмодуль работает в состоянии 3, то выходное напряжение подмодуля 10 и ток, текущий в подмодуле 10 направлены противоположно, так что ток короткого замыкания может быть ограничен и, в конечном счете, быть равным нулю. Добавление последовательного резистора R ускоряет ослабление тока короткого замыкания.

Фиг. 9(a) и 9(d) представляют собой принципиальные схемы соответственно двух направлений тока в состоянии 1, фиг. 9(b) и 9(e) представляют собой принципиальные схемы соответственно двух направлений тока в состоянии 2, а фиг. 9(c) и 9(f) представляют собой принципиальные схемы соответственно двух направлений тока в состоянии 3.

Управление подмодулем 11 также осуществляется для обеспечения его работы в трех рабочих состояниях. В состоянии 1 запираемые устройства 1, 5 включены, запираемое устройство 3 выключено, а накопитель С энергии подключен к плечу моста через диод 6 и диод 2 (см. фиг. 9(a)), или накопитель С энергии подключен к плечу моста через запираемые устройства 1, 5 (см. фиг. 9(d)), так что выходное напряжение (то есть напряжение вывода Х1 относительно вывода Х2) подмодуля 11 представляет собой напряжение на накопителе С энергии. В состоянии 2 запираемые устройства 3, 5 включены, запираемое устройство 1 выключено, так что ток может течь через диод 6 и запираемое устройство 3 (см. фиг. 9(b)) или диод 4 и запираемое устройство 5 (см. фиг. 9(e)), накопитель С энергии перемкнут и выходное напряжение подмодуля 11 равно нулю. В состоянии 3 все запираемые устройства 1, 3, 5 выключены, так что когда ток течет от вывода Х1 к выводу Х2, диод 6 и диод 2 открыты, накопитель С энергии подключен к плечу моста через вывод Х1 и вывод Х2 и выходное напряжение подмодуля 11 представляет собой напряжение на накопителе С энергии (см. фиг 9(c)); и когда ток течет от вывода Х2 к выводу Х1, диод 4 и диод 7 открыты, накопитель С энергии реверсивно подключен к плечу моста через вывод Х1 и вывод Х2 (см. фиг. 9(f)) и выходное напряжение подмодуля 11 представляет собой сумму отрицательного значения напряжения на накопителе С и напряжения на резисторе. Когда подмодуль работает в состоянии 3, выходное напряжение подмодуля 11 и ток, текущий в подмодуле 11, направлены противоположно, так что ток короткого замыкания может быть ограничен и, в конечном счете, быть равным нулю. Добавление последовательного резистора R ускоряет ослабление тока короткого замыкания.

Когда в цепи постоянного тока происходит короткое замыкание на землю, преобразователь блокируется, так что все подмодули 10 или 11 и возможно установленные дополнительные подмодули 12, 13 преобразователя работают в состоянии 3, тем самым при неисправности ток в плече моста ограничивают и, в конце концов, снижают его до нуля. В результате цепь переменного тока не может передать ток короткого замыкания к точке короткого замыкания. Когда неустойчивое короткое замыкание возникает на стороне цепи постоянного тока, это замыкание может быть устранено без размыкания линейного выключателя переменного тока, при этом двухполюсная или многополюсная система постоянного тока, образованная из преобразователя согласно изобретению, без выключателя постоянного тока может обладать большей способностью к устранению короткого замыкания на стороне цепи постоянного тока.

Дополнительно, в данном изобретении предлагается защитный блок. Защитный блок может использоваться в подмодуле согласно изобретению, при этом он также может использоваться для защиты полномостовых или полумостовых подмодулей других типов. Возможны четыре структуры защитного блока. На фиг. 10(a) показан защитный блок, образованный из одного тиристора. На фиг. 10(b) показан защитный блок, образованный из одного быстродействующего выключателя. На фиг. 10(c) показан защитный блок, образованный из тиристора и быстродействующего выключателя, соединенных параллельно друг другу. На фиг. 10(d) показан защитный блок, образованный из встречно-параллельных тиристоров и быстродействующего выключателя, соединенного параллельно с данными тиристорами.

На фиг. 10(a) показан защитный блок 21, образованный из одного тиристора, причем катод тиристора используют в качестве вывода Х3 защитного блока 21, а анод тиристора используют в качестве вывода Х4 защитного блока 21, так что в случае перегрузки по току в подмодуле защитный блок 21 может быть быстро включен для шунтирования с обеспечением, таким образом, защиты подмодуля. На фиг. 10(b) показан защитный блок 22, образованный из одного быстродействующего выключателя, причем один конец быстродействующего выключатели используют в качестве вывода Х3 защитного блока, а другой конец быстродействующего выключателя используют в качестве вывода Х4 защитного блока, так что в случае короткого замыкания в подмодуле неисправный подмодуль могут шунтировать, а если плечо моста, в котором установлен этот неисправный подмодуль, имеет резервный подмодуль, то преобразователь может продолжить работу. На фиг. 10(c) показан защитный блок 23, образованный из тиристора и быстродействующего выключателя, соединенных параллельно друг другу, причем катод тиристора используют в качестве вывода Х3 защитного блока, анод тиристора используют в качестве вывода Х4 защитного блока, один конец быстродействующего выключателя соединен с катодом тиристора, а другой конец быстродействующего выключателя соединен с анодом тиристора. В результате получают максимальную токовую защиту и активное шунтирование для подмодуля. На фиг. 10(d) показан защитный блок 24, образованный из встречно-параллельных тиристоров и быстродействующего выключателя, соединенных параллельно друг с другом, причем один конец встречно-параллельных тиристоров 2' и 3' используют в качестве вывода Х3 защитного блока, другой конец встречно-параллельных тиристоров 2' и 3' используют в качестве вывода Х4 защитного блока, один конец быстродействующего выключателя 1' соединен с выводом Х3, а другой конец быстродействующего выключателя 1' соединен с выводом Х4.

Фиг. 11 представляет собой схему способа соединения защитного блока 23 и подмодуля 10. Вывод Х3 защитного блока 23 соединен с выводом Х1 подмодуля 10, а вывод Х4 защитного блока 23 соединен с выводом Х2 подмодуля 10. Следует заметить, что защитный блок 23, изображенный на фиг. 9, может быть заменен защитным блоком 21, защитным блоком 22 или защитным блоком 24, а подмодуль 10 может быть заменен подмодулем 11.

Когда в цепи постоянного тока происходит короткое замыкание на землю, преобразователь блокируется, так что все подмодули 10, 11 в преобразователе работают в состоянии 3 с ограничением, таким образом, тока в плече моста при коротком замыкании и, в конце концов, снижением его до нуля. В результате цепь переменного тока не может передать ток короткого замыкания к точке короткого замыкания. Когда на стороне цепи постоянного тока возникает неустойчивое короткое замыкание, это замыкание может быть устранено без размыкания линейного выключателя переменного тока, и двухполюсная или многополюсная система постоянного тока, образованная из преобразователя согласно изобретению, без выключателя постоянного тока, может обладать большой способностью к устранению короткого замыкания на стороне цепи постоянного тока.

Вышеприведенные варианты осуществления изобретения даны только с целью описания технических идей данного изобретения и не ограничивают объема его правовой охраны. Все изменения, осуществленные в соответствии с техническими идеями данного изобретения на основе этих технических решений, входят в объем правовой охраны изобретения.

Изобретение относится к преобразовательной технике. Раскрыты структура подмодуля, образованного из накопителя энергии, первого запираемого устройства, второго запираемого устройства, третьего запираемого устройства, обратного диода, последовательного резистора и диодов, соответственно соединенных встречно-параллельно с запираемыми устройствами, и преобразователь, полностью или частично образованный из подмодулей. Дополнительно раскрыты соответствующий защитный блок и способ управления для преобразователя. Преобразователь может быть заблокирован в случае возникновения короткого замыкания в цепи постоянного тока, чтобы система переменного тока не могла передать ток короткого замыкания в цепь постоянного тока, так что неустойчивое короткое замыкание цепи постоянного тока можно устранить, не размыкая линейный выключатель переменного тока, с обеспечением, посредством этого, быстрого перезапуска системы. В подмодуле содержится зарядный резистор, так что зарядный резистор, расположенный на стороне цепи переменного тока преобразователя, может быть уменьшен, или даже от него можно отказаться. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Подмодуль, содержащий накопитель энергии, первое запираемое устройство, второе запираемое устройство, третье запираемое устройство, обратный диод и диоды, соответственно соединенные встречно-параллельно с запираемыми устройствами, причем в нем реализована топология одного из следующих двух типов:

i) отрицательный электрод первого запираемого устройства соединен с положительным электродом второго запираемого устройства, причем данную точку соединения используют в качестве первого вывода подмодуля, положительный электрод первого запираемого устройства соединен с отрицательным электродом второго запираемого устройства через накопитель энергии, а отрицательный электрод третьего запираемого устройства соединен с отрицательным электродом второго запираемого устройства; при этом один конец цепи обратного диода соединен с положительным электродом первого запираемого устройства; другой конец цепи обратного диода соединен с положительным электродом третьего запираемого устройства, причем данную точку соединения используют в качестве второго вывода подмодуля; и

ii) отрицательный электрод третьего запираемого устройства соединен с катодом диода, причем данную точку соединения используют в качестве первого вывода подмодуля; положительный электрод третьего запираемого устройства соединен с положительным электродом второго запираемого устройства, отрицательный электрод второго запираемого устройства соединен с положительным электродом первого запираемого устройства, причем данную точку соединения используют в качестве второго вывода подмодуля, а положительный электрод третьего запираемого устройства соединен с отрицательным электродом первого запираемого устройства через накопитель энергии; при этом в качестве последовательной цепи, обратный диод с одного конца имеет соединение с отрицательным электродом первого запираемого устройства, а с другого конца имеет соединение с отрицательным электродом третьего запираемого устройства,

отличающийся тем, что с цепью обратного диода последовательно соединен резистор.

2. Подмодуль по п. 1, отличающийся тем, что каждое запираемое устройство представляет собой отдельное управляемое переключающее устройство или образовано из по меньшей мере двух последовательно соединенных управляемых переключающих устройств.

3. Подмодуль по п. 1, отличающийся тем, что накопитель энергии представляет собой конденсатор.

4. Подмодуль по п. 2, отличающийся тем, что управляемое переключающее устройство представляет собой IGBT (insulated-gate bipolar transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором), IEGT (injection-enhanced gate transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором и увеличенной инжекцией), IGCT (integrated gate-commutated thyristor - запираемый тиристор с интегрированным управлением), MOSFET (metal-oxide-silicon field-effect transistor - МОП-транзистор) или GTO (gate turn-off- двухоперационный диодный тиристор).

5. Подмодуль по п. 1, отличающийся тем, что, если запираемые устройства представляют собой IGBT или IEGT, то положительный электрод представляет собой коллектор, а отрицательный электрод представляет собой эмиттер; если запираемые устройства представляют собой IGCT или GTO, то положительный электрод представляет собой анод, а отрицательный электрод представляет собой катод; если запираемые устройства представляют собой MOSFET, то положительный электрод представляет собой эмиттер, а отрицательный электрод представляет собой коллектор.

6. Подмодуль по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит защитный блок, причем первый вывод защитного блока соединен с первым выводом подмодуля, а второй вывод защитного модуля соединен со вторым выводом подмодуля; при этом защитный блок имеет одну или несколько из следующих четырех топологических структур:

i) защитный блок образован из тиристора, причем катод тиристора представляет собой первый вывод защитного блока, а анод тиристора представляет собой второй вывод защитного блока;

ii) защитный блок образован из быстродействующего выключателя, причем один конец быстродействующего выключателя представляет собой первый вывод защитного блока, а другой конец быстродействующего выключателя представляет собой второй вывод защитного блока;

iii) защитный блок образован из тиристора и быстродействующего выключателя, соединенных параллельно друг другу, причем катод тиристора представляет собой первый вывод защитного блока, анод тиристора представляет собой второй вывод защитного блока, один конец быстродействующего выключателя соединен с катодом тиристора, а другой конец быстродействующего выключателя соединен с анодом тиристора; и

iv) защитный блок образован из по меньшей мере двух встречно-параллельных тиристоров и быстродействующего выключателя, соединенных параллельно друг другу, причем один конец встречно-параллельных тиристоров представляет собой первый вывод защитного блока, а другой конец встречно-параллельных тиристоров представляет собой второй вывод защитного блока, один конец быстродействующего выключателя соединен с первым выводом защитного блока, а другой конец быстродействующего выключателя соединен со вторым выводом защитного блока.

7. Подмодуль по п. 6, отличающийся тем, что, когда в подмодуле происходит короткое замыкание, если параллельный защитный блок имеет топологическую структуру i) или ii), то либо включается тиристор, либо замыкается быстродействующий выключатель, чтобы защитить подмодуль; а если параллельный защитный блок имеет топологическую структуру iii) или iv), то включается тиристор и замыкается быстродействующий выключатель, чтобы защитить подмодуль.

8. Преобразователь, содержащий по меньшей мере один фазовый блок, причем каждый фазовый блок содержит верхнее плечо моста и нижнее плечо моста, при этом и верхнее плечо моста, и нижнее плечо моста содержит по меньшей мере два подмодуля и по меньшей мере один реактор, соединенные друг с другом последовательно, все подмодули одного и того же плеча моста соединены в одном направлении, причем направления соединений подмодулей в верхнем плече моста и в нижнем плече моста противоположны друг другу, один конец верхнего плеча моста и один конец нижнего плеча моста используют соответственно в качестве первого вывода постоянного тока и второго вывода постоянного тока фазового блока, подлежащих соединению с цепью постоянного тока, а другой конец верхнего плеча моста и другой конец нижнего плеча моста закорачиваются друг на друга в качестве вывода переменного тока фазового блока, подлежащего соединению с цепью переменного тока, отличающийся тем, что во всех или в части из по меньшей мере двух подмодулей применяется подмодуль по п. 1.

9. Преобразователь по п. 8, отличающийся тем, что если упомянутые подмодули являются частью всех подмодулей определенного плеча моста, то из первого запираемого устройства и второго запираемого устройства, последовательно соединенных друг с другом, диода, соединенного встречно-параллельно с первым запираемым устройством, диода, соединенного встречно-параллельно со вторым запираемым устройством, и накопителя энергии образуется дополнительный подмодуль, при этом накопитель энергии соединен с последовательной цепью из первого запираемого устройства и второго запираемого устройства параллельно.

10. Преобразователь по п. 9, отличающийся тем, что в указанном дополнительном подмодуле отрицательный электрод первого запираемого устройства соединен с положительным электродом второго запираемого устройства, причем данную точку соединения используют в качестве первого вывода, а отрицательный электрод второго запираемого устройства используют в качестве второго вывода.

11. Преобразователь по п. 9, отличающийся тем, что в указанном дополнительном подмодуле положительный электрод второго запираемого устройства используют в качестве первого вывода, а отрицательный электрод второго запираемого устройства соединен с положительным электродом первого запираемого устройства, причем данную точку соединения используют в качестве второго вывода.

12. Преобразователь по п. 9, отличающийся тем, что накопитель энергии в указанном дополнительном подмодуле представляет собой конденсатор.

13. Преобразователь по п. 9, отличающийся тем, что запираемые устройства в указанном дополнительном подмодуле представляют собой IGBT, IEGT, IGCT, MOSFET или GTO.

14. Преобразователь по п. 13, отличающийся тем, что, если запираемые устройства представляют собой IGBT или IEGT, то положительный электрод представляет собой коллектор, а отрицательный электрод представляет собой эмиттер; если запираемые устройства представляют собой IGCT или GTO, то положительный электрод представляет собой анод, а отрицательный электрод представляет собой катод; и если запираемые устройства представляют собой MOSFET, то положительный электрод представляет собой эмиттер, а отрицательный электрод представляет собой коллектор.

15. Способ управления преобразователем по п. 8, в котором преобразователем управляют посредством регулировки рабочих состояний подмодулей в преобразователе, отличающийся тем, что:

способ управления подмодулем по п. 1 состоит в следующем: в состоянии 1 первое запираемое устройство и третье запираемое устройство включены, а второе запираемое устройство выключено, так что выходное напряжение подмодуля представляет собой напряжение на накопителе энергии; в состоянии 2 второе запираемое устройство и третье запираемое устройство включены, а первое запираемое устройство выключено, так что выходное напряжение подмодуля равно 0; в состоянии 3 первое запираемое устройство, второе запираемое устройство и третье запираемое устройство, все, выключены, и выходное напряжение подмодуля определяется направлением тока; причем выходное напряжение подмодуля представляет собой напряжение первого вывода подмодуля относительно второго вывода;

способ управления дополнительным подмодулем состоит в следующем: в состоянии 1 первое запираемое устройство включено, а второе запираемое устройство выключено, так что выходное напряжение подмодуля представляет собой напряжение на накопителе энергии; в состоянии 2 второе запираемое устройство включено, а первое запираемое устройство выключено, так что выходное напряжение подмодуля равно 0; в состоянии 3 выключены оба устройства - первое запираемое устройство и второе запираемое устройство, выходное напряжение подмодуля определяется направлением тока; выходное напряжение дополнительного подмодуля представляет собой напряжение первого вывода дополнительного подмодуля относительно второго вывода.

16. Способ управления по п. 15, в котором, если определяют, что в системе постоянного тока, соединенной с преобразователем, происходит короткое замыкание, все подмодули регулируют для перехода в состояние 3, чтобы заблокировать преобразователь.