преобразователь источника напряжения и способ управления этим преобразователем

Формула изобретения

1. Устройство, содержащее вентиль в преобразователе источника напряжения (VSC) и схему (23) управления, отличающееся тем, что упомянутый вентиль содержит одно первое полупроводниковое устройство (24) запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения первого высокого уровня и соединенное с ним параллельно последовательное соединение множества вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37) запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения второго более низкого уровня, причем схема (23) управления сконфигурирована для переключения вентиля в проводящее состояние, начиная с прямосмещенного состояния блокировки вентиля, посредством управления вторыми полупроводниковыми устройствами для их включения, и затем первым полупроводниковым устройством для его включения с задержкой, достаточной для падения напряжения на вентиле до менее чем 10% от напряжения на вентиле в прямосмещенном состоянии блокировки вентиля, и в конце проводящего состояния для выключения первого полупроводникового устройства перед выключением вторых полупроводниковых устройств, когда вторые полупроводниковые устройства (25-29, 37) выключаются схемой (23) управления после того, как имело место большее число рекомбинаций носителей заряда в первом полупроводниковом устройстве (24).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37), соединенных последовательно и параллельно с первым полупроводниковым устройством (24), 3, от 3 до 10 или от 4 до 7.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение первый высокий уровень/второй более низкий уровень приблизительно равно количеству вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37), соединенных параллельно с первым полупроводниковым устройством (24).

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отношение первый высокий уровень/второй более низкий уровень приблизительно равно количеству вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37), соединенных параллельно с первым полупроводниковым устройством (24).

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что задержка составляет менее 10% средней продолжительности проводящего состояния вентиля.

6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что предварительное выключение управляется для того, чтобы произойти в то время, когда оно будет достаточным для уменьшения тока, проходящего через первое полупроводниковое устройство (24), чтобы составлять менее чем 10% тока, проходящего через него в проводящем состоянии вентиля.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что предварительное выключение управляется для того, чтобы произойти в то время, когда оно будет достаточным для уменьшения тока, проходящего через первое полупроводниковое устройство (24), чтобы составлять менее, чем 10% тока, проходящего через него в проводящем состоянии вентиля.

8. Устройство по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, отличающееся тем, что первое и вторые полупроводниковые устройства являются IGBTs (биполярными транзисторами с изолированным затвором).

9. Устройство по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, отличающееся тем, что первое и вторые полупроводниковые устройства являются IGCTs (тиристорами с интегрированным управлением).

10. Устройство по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, отличающееся тем, что первое полупроводниковое устройство (24) имеет первый высокий уровень 3 кВ, 5 кВ, 10 кВ или от 5 кВ до 30 кВ.

11. Устройство по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, отличающееся тем, что у каждого вентиля есть первый выпрямляющий элемент (30) с характеристикой блокировки напряжения третьего высокого уровня, соединенный встречно-параллельно с первым полупроводниковым устройством (24), и множество вторых выпрямляющих элементов (31-36) с характеристикой блокировки напряжения четвертого более низкого уровня, соединенных последовательно и встречно-параллельно с последовательным соединением вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что вентиль содержит третье полупроводниковое устройство (40) запирающего типа, соединенное последовательно с первым выпрямляющим элементом (30) и параллельно с первым полупроводниковым устройством (24).

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что третье полупроводниковое устройство (40) является транзистором MOS (металл-окисел-полупроводник).

14. Устройство по п.12 или 13, отличающееся тем, что количество вторых выпрямляющих элементов (31-36) является таким же, как и количество вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37), причем один второй выпрямляющий элемент встречно-параллельно соединен с каждым вторым полупроводниковым устройством.

15. Устройство по п.12 или 13, отличающееся тем, что выпрямляющие элементы (30, 31-36) являются выпрямляющими диодами.

16. Преобразователь источника напряжения (VSC) для преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот, который имеет, по меньшей мере, одну фазную ветвь (2-4), сконфигурированную для соединения с противоположными полюсами (20, 21) на стороне постоянного напряжения преобразователя, и содержащий

последовательное соединение, по меньшей мере, двух вентилей тока (5-10), причем вентили имеют характеристики в соответствии с вентилем по любому из предыдущих пунктов, при этом

средняя точка последовательного соединения вентилей образует выход фазы (13-15), который сконфигурирован для соединения со стороной переменного напряжения преобразователя,

при этом преобразователь дополнительно содержит схему (23) управления, сконфигурированную для управления полупроводниковыми устройствами вентилей для генерирования серии импульсов с определенными амплитудами, в соответствии с образцом широтно-импульсной модуляции (PWM) на выходе фазы, при этом схема (23) управления имеет дополнительные характеристики в соответствии с устройством управления по любому из предыдущих пунктов.

17. Преобразователь по п.16, отличающийся тем, что каждый вентиль содержит последовательное соединение множества блоков (50, 60), имеющих с одной стороны одно первое полупроводниковое устройство (24) и с другой стороны последовательное соединение вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37), соединенных с ним параллельно, при этом схема (23) управления сконфигурирована для управления всеми первыми полупроводниковыми устройствами вентиля, по существу, одновременно и всеми вторыми полупроводниковыми устройствами, по существу, одновременно.

18. Преобразователь по п.17, отличающийся тем, что количество первых полупроводниковых устройств (24) в вентиле, выполненном с возможностью одновременного управления, является 3, 5, 10, 20, от 20 до 130 или от 40 до 80.

19. Преобразователь по любому из пп.16-18, отличающийся тем, что схема (23) управления сконфигурирована, когда вентиль находится в состоянии, в котором ток течет через его выпрямляющие элементы, для управления третьим полупроводниковым устройством для выключения до основной коммутации тока для протекания через вентиль на другой стороне от средней точки, чем вентиль для тока, коммутируемого во вторых выпрямляющих элементах (31-36), перед этой основной коммутацией.

20. Способ управления преобразователем источника напряжения (VSC), содержащий последовательное соединение, по меньшей мере, двух вентилей (5-10) тока, причем вентили содержат, по меньшей мере, одно полупроводниковое устройство запирающего типа и один выпрямляющий элемент, соединенный с ними встречно-параллельно, отличающийся тем, что способ предназначен для преобразователя, в котором каждый вентиль содержит одно первое полупроводниковое устройство (24) запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения первого высокого уровня и соединенное с ним параллельно последовательное соединение множества вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37) запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения второго более низкого уровня, причем способ содержит этапы, на которых вентиль переключают в проводящее состояние, начиная с прямосмещенного состояния блокировки вентиля, посредством управления, вторыми полупроводниковыми устройствами, которые будут включены, и затем первым полупроводниковым устройством, которое будет включено с задержкой, достаточной для падения напряжения на вентиле, до меньше, чем 10%, от напряжения на вентиле в прямосмещенном состоянии блокировки вентиля, и тем, что в конце проводящего состояния первое полупроводниковое устройство выключают перед выключением вторых полупроводниковых устройств для того, чтобы обеспечить большинство рекомбинаций носителей заряда в первом полупроводниковом устройстве (24).

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что первое полупроводниковое устройство (24), включают с задержкой, составляющей менее 10% от средней продолжительности проводящего состояния вентиля.

22. Способ по любому из пп.20-21, отличающийся тем, что первое полупроводниковое устройство (24) выключают достаточно заблаговременно относительно выключения вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37) для уменьшения тока, проходящего через первое полупроводниковое устройство, чтобы составлять меньше, чем 10% от тока, проходящего через него в проводящем состоянии вентиля.

23. Способ по любому из пп.20-21, отличающийся тем, что его выполняют для преобразователя, в котором каждый вентиль содержит последовательное соединение множества блоков (50, 60), имеющих с одной стороны одно первое полупроводниковое устройство (24) и с другой стороны последовательное соединение вторых полупроводниковых устройств (25-29, 37), соединенных с ним параллельно, причем всеми первыми полупроводниковыми устройствами управляют, по существу, одновременно и всеми вторыми полупроводниковыми устройствами вентиля управляют, по существу, одновременно.

24. Способ по п.22, отличающийся тем, что его выполняют для преобразователя, в котором каждый вентиль содержит последовательное соединение множества блоков (50, 60), имеющих с одной стороны одно первое полупроводниковое устройство (24) и с другой стороны последовательное соединение вторых полупроводниковых устройств (25- 29, 37), соединенных с ним параллельно, причем всеми первыми полупроводниковыми устройствами управляют, по существу, одновременно и всеми вторыми полупроводниковыми устройствами вентиля управляют, по существу, одновременно.

25. Установка 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 передачи электроэнергии между сетью (22) постоянного напряжения и сетью (19) 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 станция установки содержит преобразователь (1) источника напряжения по любому из пп.16-19.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к преобразователю источника напряжения (VSC) для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и наоборот, у которого есть, по меньшей мере, одна фазная ветвь, сконфигурированная для соединения с противоположными полюсами на стороне постоянного напряжения преобразователя и содержащая последовательное соединение, по меньшей мере, двух вентилей тока, причем вентили содержат, по меньшей мере, одно полупроводниковое устройство запирающего типа и один выпрямляющий элемент, соединенный с ним встречно-параллельно, причем средняя точка последовательного соединения вентилей, формирующих выход фазы, сконфигурирована для соединения со стороной переменного напряжения преобразователя, при этом преобразователь дополнительно содержит компоновку, сконфигурированную для управления полупроводниковыми устройствами вентилей, чтобы формировать серию импульсов на выходе фазы с определенными амплитудами согласно образцу широтно-импульсной модуляции (PWM), а также к способу управления преобразователем источника напряжения (VSC) согласно преамбуле приложенного независимого пункта формулы изобретения о способе.

Предшествующий уровень техники

У преобразователя, предназначенного для управления, может быть любое количество фазных ветвей, но обычно у него три такие фазные ветви для трехфазного переменного напряжения на 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 находятся на станциях HVDC-установок (высоковольтные установки постоянного тока), в которых постоянное напряжение обычно преобразуется в трехфазное переменное напряжение или наоборот, или в так называемых станциях обратной нагрузки, в которых переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное напряжение, и затем преобразуется в переменное напряжение, а также как SVCs (статический компенсатор реактивной мощности), в котором сторона постоянного напряжения состоит из одного или более свободно подвешенных конденсаторов. Однако настоящее изобретение не ограничено этими применениями, другие применения являются также возможными, такими как в различных типах систем управления для машин, транспортных средств и т.д.

Такой преобразователь источника напряжения может иметь больше чем два вентиля тока на фазную ветвь и затем поставлять импульс больше чем двух различных амплитуд или уровней на выход фазы, как в преобразователе NPC-типа (нулевой фиксированной точки). У каждого такого вентиля может также быть множество мощных полупроводниковых устройств запирающего типа, соединенных последовательно для того, чтобы вместе иметь возможность заблокировать напряжение, которое будет заблокировано в блокирующем состоянии вентиля. IGBTs (биполярные транзисторы с изолированным затвором) обычно используются в таких преобразователях в качестве полупроводниковых устройств запирающего типа, но любое такое полупроводниковое устройство, такое как IGCTs (тиристоры с интегрированным управлением), находится в рамках настоящего изобретения.

Двухуровневый преобразователь этого типа очень схематично показан на Фиг. 1 для того, чтобы раскрыть настоящее изобретение, но ни в коем случае не ограничить его. У этого преобразователя 1 VSC есть три фазные ветви 2, 3, 4 с двумя вентилями 5-10 тока каждый, причем каждый состоит из, по меньшей мере, одного полупроводникового устройства запирающего типа, такого как IGBT 11, и выпрямляющего элемента в форме диода 12, соединенного с ним встречно-параллельно. Средняя точка каждой фазной ветви формирует выходы 13, 14, 15 фазы для соединения через реакторы 16, 17, 18 фазы с трехфазной сетью 19 переменного напряжения. Противоположные концы каждой фазной ветви соединены с противоположными полюсами 20, 21 на стороне постоянного напряжения преобразователя, такими как положительный и отрицательный полюса сети 22 постоянного напряжения.

Преобразователь содержит схему 23, сконфигурированную для управления полупроводниковыми устройствами 11 вентилей для формирования серии импульсов с определенными амплитудами согласно образцу широтно-импульсной модуляции (PWM) на соответствующем выходе фазы для создания переменного напряжения на соответствующей линии сети 19 переменного напряжения. Тогда когда, например, полупроводниковое устройство вентиля 7 включается, положительный импульс появится на выходе фазы 15, и если вместо этого будет включаться полупроводниковое устройство вентиля 10, отрицательный импульс с той же амплитудой появится на выходе 15 фазы. Во время положительного полупериода переменного напряжения, который будет сформирован на выходе 15 фазы, полупроводниковое устройство вентиля 7 будет поочередно включаться и выключаться для того, чтобы формировать серию положительных импульсов, и во время отрицательного полупериода переменного напряжения полупроводниковое устройство вентиля 10 будет поочередно включаться и выключаться. Число импульсов, то есть число импульсов, сформированных в результате этой широтно-импульсной модуляции во время периода переменного напряжения, полученного этим управлением, обычно бывает столь же высоким, как 15-25 для того, чтобы получить приемлемую форму кривой на стороне переменного напряжения, сохранив затраты на фильтрующее оборудование на приемлемом уровне.

Не принимаемые во внимание потери формируются в полупроводниковых устройствах вентилей. Эти потери бывают двух типов, а именно потери проводимости, приводящие к состоянию проводимости полупроводниковых устройств, и потери при переключении, происходящие, когда полупроводниковое устройство включается или выключается. Проблема высоких потерь при переключении бесспорно становится более важной при более высокой частоте переключения, то есть количестве импульсов. У полупроводниковых устройств с характеристикой блокировки напряжения низкого уровня значительно более низкие потери переключения, чем у таких полупроводниковых устройств с подобной характеристикой более высокого уровня, так чтобы более высокое количество таких полупроводниковых устройств с характеристикой блокировки напряжения более низкого уровня могло быть соединено последовательно вместо одного или нескольких таких полупроводниковых устройств с характеристикой более высокого уровня для, таким образом, значительного сокращения потерь при переключении рассматриваемого вентиля. Однако затем это приведет к более высоким потерям проводимости вентиля, так как у полупроводниковых устройств, имеющих характеристику блокировки напряжения более высокого уровня, будут значительно более низкие потери проводимости. Это может быть упомянуто в качестве примера, для которого для количества импульсов 23 потери при переключении пяти 1200 В IGBTs, соединенных последовательно, были бы 1300 мкВт по сравнению с 12000 мкВт для 6500 В IGBT1, тогда как потери проводимости для последовательного соединения 8000 мкВт и для одного 6500 В IGBT составят 3200 мкВт. Соответственно, для каждого применения, предназначенного для такого преобразователя VSC, есть оптимальное соотношение между потерями проводимости и потерями при переключении, при определении количества таких полупроводниковых устройств запирающего типа, которые будут соединены последовательно в каждом вентиле преобразователя.

Краткое изложение существа изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании преобразователя определенного во введении типа, в котором устранены недостатки, упомянутые выше, касающиеся потерь, созданных в вентилях преобразователя, чтобы обеспечить уменьшение общих потерь, созданных в таких вентилях, по сравнению с известными преобразователями.

Эта задача согласно изобретению достигается путем обеспечения преобразователя определенного во введении типа, который характеризуется тем, что каждый вентиль содержит одно первое полупроводниковое устройство запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения первого, высокого, уровня и соединенное с ним параллельно последовательное соединение множества вторых полупроводниковых устройств запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения второго, более низкого, уровня, при этом схема управления сконфигурирована для переключения вентиля в проводящее состояние, начиная с прямосмещенного непроводящего состояния вентиля, путем управления второго полупроводникового устройства, которое будет включено, и затем первым полупроводниковым устройством, которое будет включено с задержкой, достаточной для падения напряжения на вентиле до менее чем 10% напряжения на вентиле в прямосмещенном непроводящем состоянии вентиля, и в конце проводящего состояния, чтобы выключить первое полупроводниковое устройство, достаточно заранее перед выключением вторых полупроводниковых устройств дать возможность обеспечить большинство перекомбинаций носителей заряда в первом полупроводниковом устройстве перед выключением вторых полупроводниковых устройств.

Соответственно, первое полупроводниковое устройство с характеристикой блокировки напряжения высокого уровня будет включено и выключено, когда напряжение на вентиле будет низким, чтобы потери при переключении были определены конфигурацией вторых полупроводниковых устройств, имеющих характеристику блокировки напряжения более низкого уровня, тогда как ток во время проводящего состояния будет протекать через вентиль первого полупроводникового устройства, которое определит потери проводимости вентиля. Это означает, что низкие потери проводимости полупроводниковых устройств с характеристикой блокировки напряжения высокого уровня могут быть объединены с низкими потерями переключения полупроводниковых устройств с характеристикой блокировки напряжения более низкого уровня, чтобы потери вентиля могли быть уменьшены значительно, без потери хороших рабочих характеристик преобразователя.

Согласно варианту осуществления изобретения количество вторых полупроводниковых устройств, соединенных последовательно и параллельно с одним первым полупроводниковым устройством 3, от 3 до 10 или от 4 до 7. Это является подходящим количеством таких вторых полупроводниковых устройств для первого полупроводникового устройства, но указано, что количество первых полупроводниковых устройств может, конечно, быть сравнительно высоким, например 20, когда количество вторых полупроводниковых устройств в вентиле может быть равным приблизительно 100. Отношение первый высокий уровень/второй низкий уровень тогда приблизительно равно количеству вторых полупроводниковых устройств, соединенных параллельно с первым полупроводниковым устройством для полного использования свойств каждого такого полупроводникового устройства, также относительно их затрат.

Согласно другому варианту осуществления изобретения схема управления сконфигурирована для управления вентилями, чтобы обеспечить образец широтно-импульсной модуляции с коэффициентом импульса p 10, от 13 до 40 или от 15 до 25, в котором коэффициент импульса определяется как количество импульсов, следующих из образца широтно-импульсной модуляции во время периода переменного напряжения, полученного управлением на выходе фазы. Изобретение особенно интересно, когда число p импульсов сравнительно высоко, чтобы потери при переключении полупроводниковых устройств с характеристикой блокировки напряжения высокого уровня были значительными относительно потерь проводимости таких полупроводниковых устройств.

Согласно другому варианту осуществления изобретения задержка составляет менее чем 10% от средней продолжительности проводящего состояния вентиля, что означает, что ток может быть преобразован так, чтобы протекать через первое полупроводниковое устройство во время основной части проводящего состояния. Эта задержка будет для определенного преобразователя фиксированной задержкой, которая обычно может составлять примерно мкс.

Согласно другому варианту осуществления изобретения выключение заранее управляется так, чтобы произойти в такое время, чтобы быть достаточным для того, чтобы уменьшить ток, протекающий через первое полупроводниковое устройство, до меньше чем 10% тока, протекающего через него, в проводящем состоянии вентиля, что означает, что вентиль может быть переведен в прямосмещенное непроводящее состояние, когда, по существу, весь ток будет протекать через вторые полупроводниковые устройства, которые тогда будут определять потери, созданные при переключении. Схема управления предпочтительно сконфигурирована для управления вентилем второго полупроводникового устройства, чтобы включить и выключить, когда пилообразное напряжение, используемое для ШИМ, пересекает опорное переменное напряжение, и управления первым полупроводниковым устройством во время определенной задержки или перед управлением вторыми полупроводниковыми устройствами.

Согласно другим вариантам осуществления изобретения первые и вторые полупроводниковые устройства представляют собой IGBTs (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и IGCTs (тиристоры с интегрированным управлением) соответственно.

Согласно другому варианту осуществления изобретения первое полупроводниковое устройство имеет первый, высокий, уровень 3 кВ, 5 кВ, 10 кВ или от 5 кВ до 30 кВ. Это является подходящими уровнями для характеристики блокировки напряжения первого полупроводникового устройства, в котором соответствующий уровень будет обычно составлять для вторых полупроводниковых устройств от 1/3 до 1/7 от них.

Согласно другому варианту осуществления изобретения каждый вентиль содержит последовательное соединение множества блоков, имеющих с одной стороны одно первое полупроводниковое устройство и с другой стороны последовательное соединение вторых полупроводниковых устройств, соединенных параллельно с ними, и компоновка управления сконфигурирована для управления всеми первыми полупроводниковыми устройствами вентиля, по существу, одновременно и всеми вторыми полупроводниковыми устройствами вентиля, по существу, одновременно.

Согласно другому варианту осуществления изобретения количество первых полупроводниковых устройств в вентиле выполнено с возможностью их одновременного управления 3, 5, 10, 20, от 20 до 130 или от 40 до 80. Более высокие числа обычно должны использоваться для применения преобразователя согласно изобретению на HVDC-установках, в которых напряжение для управления вполне может составлять около 400 кВ - 800 кВ.

Согласно другому варианту осуществления изобретения схема управления сконфигурирована для управления вентилями так, чтобы генерировать переменное напряжение на выходе фазы, с частотой 40 Гц - 70 Гц, 50 Гц или 60 Гц. Это является подходящими частотами для переменного напряжения, которое будет сгенерировано на выходе фазы преобразователя.

Согласно другому варианту осуществления изобретения у вентиля есть первый выпрямляющий элемент с характеристикой блокировки напряжения третьего, высокого, уровня, соединенного встречно-параллельно с первым полупроводниковым устройством, и множество вторых выпрямляющих элементов с характеристикой блокировки напряжения четвертого, более низкого, уровня, соединенного последовательно и встречно-параллельно с последовательно соединенными вторыми полупроводниковыми устройствами, которые являются подходящими для хорошей работы каждого вентиля и преобразователя, и согласно дополнительному развитию этого варианта осуществления вентиль содержит третье полупроводниковое устройство запирающего типа, соединенное последовательно с первым выпрямляющим элементом и параллельно с первым полупроводниковым устройством, и схема управления конфигурируется, когда вентиль находится в состоянии, при котором ток протекает через его выпрямляющие элементы для управления третьим полупроводниковым устройством для выключения до основной коммутации тока, чтобы протекать через вентиль с другой стороны от средней точки, нежели чем вентиль, имеющий коммутируемый ток во вторых выпрямляющих элементах перед этой основной коммутацией. Это означает, что потери, созданные в вентиле, могут быть уменьшены даже больше, поскольку первые выпрямляющие элементы будут иметь более низкое напряжение в открытом состоянии, чем напряжение в открытом состоянии последовательного соединения вторых выпрямляющих элементов, так чтобы ток протекал через первый выпрямляющий элемент, когда он будет протекать через выпрямляющие элементы такого вентиля, но это означает, что тогда при основной коммутации будут иметь место сравнительно высокие потери, полученные в этом первом выпрямляющем элементе. С помощью коммутируемого тока во вторых выпрямляющих элементах перед основной коммутацией тока, протекающего через вентиль с другой стороны средней точки, потери будут определяться посредством свойств вторых выпрямляющих элементов и таким образом станут значительно ниже.

Согласно другому варианту осуществления изобретения третье полупроводниковое устройство представляет собой транзистор MOS (металл-оксид-полупроводник). Это является преимущественным, поскольку такой транзистор может иметь напряжение в открытом состоянии, которым можно пренебречь при номинальном токе в отличие от прямого падения напряжения первого выпрямляющего элемента с характеристикой блокировки напряжения высокого уровня, так чтобы это третье полупроводниковое устройство только способствовало минимальным потерям в открытом состоянии преобразователя.

Согласно другому варианту осуществления изобретения количество вторых выпрямляющих элементов будет таким же, как количество вторых полупроводниковых устройств, и один второй выпрямляющий элемент соединен встречно-параллельно с каждым полупроводниковым устройством. Выпрямляющие элементы предпочтительно являются выпрямляющими диодами.

Согласно другому варианту осуществления изобретения преобразователь сконфигурирован так, чтобы иметь сторону постоянного напряжения, соединенную с сетью постоянного напряжения для передачи высоковольтного постоянного тока (HVDC), и сторону переменного напряжения, соединенную с линией фазы переменного напряжения, принадлежащей сети переменного напряжения.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения преобразователь представляет собой часть SVC (регулируемый статический компенсатор реактивной мощности) со стороной постоянного напряжения, сформированной свободно подвешенными конденсаторами, и выходом фазы переменного напряжения, соединенным с сетью переменного напряжения.

Согласно другому варианту осуществления изобретения преобразователь сконфигурирован для постоянного напряжения на двух полюсах, равного от 1 кВ до 1200 кВ, от 10 кВ до 1200 кВ или от 100 кВ до 1200 кВ.

Изобретение также относится к способу управления преобразователем источника напряжения согласно приложенному независимому пункту формулы о способе. Преимущества и выгодные особенности этого способа и вариантов осуществления, определенных в приложенных зависимых пунктах способа, становятся ясными из нижеследующего описания преобразователя согласно настоящему изобретению.

Изобретение также относится к установке передачи электроэнергии согласно дополнительному пункту формулы.

Изобретение дополнительно относится к компьютерной программе и к считываемому компьютером носителю согласно соответствующим дополнительным пунктам формулы изобретения. Легко понять, что способ согласно изобретению, определенному в приложенных дополнительных пунктах формулы изобретения о способе, хорошо подходит для выполнения через инструкции программы из процессора, который может управляться компьютерной программой, обеспеченной рассматриваемыми шагами программы.

Дальнейшие преимущества, так же как выгодные особенности изобретения, станут ясны из следующего описания.

Краткое описание чертежей

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

Фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую общую структуру известного преобразователя VSC;

Фиг. 2 представляет собой схематический вид вентиля преобразователя источника напряжения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3 и Фиг. 4 являются диаграммами напряжений и токов соответственно в зависимости от времени для полупроводниковых устройств запирающего типа на Фиг. 2, во время переключения этого вентиля в прямосмещенное состояние этого вентиля;

Фиг. 5 представляет собой вид, соответствующий Фиг. 2 вентиля в преобразователе, согласно второму варианту осуществления изобретения;

Фиг. 6 и 7 являются диаграммами напряжений и токов соответственно в зависимости от времени для выпрямляющих элементов вентиля согласно Фиг. 5, когда направление тока через этот вентиль лежит через выпрямляющие элементы.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На Фиг. 2 очень схематично показан вентиль в преобразователе источника напряжения согласно изобретению, в котором преобразователь может быть преобразователем двухуровневого типа или любым другим преобразователем источника напряжения известного типа. У этого вентиля есть одно первое полупроводниковое устройство 24 запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения первого, высокого, уровня, в данном случае 6,5 кВ, и соединенное с ним параллельно последовательное соединение пяти вторых полупроводниковых устройств 25-29 запирающего типа с характеристикой блокировки напряжения второго, более низкого, уровня, в данном случае 1,2 кВ. Первое полупроводниковое устройство и вторые полупроводниковые устройства являются в данном случае IGBTs. Выпрямляющий диод 30 с характеристикой блокировки напряжения третьего, высокого, уровня, такого порядка как у IGBT 24, встречно-параллельно соединенный с IGBT 24, и множество вторых выпрямляющих диодов 31-35 с характеристикой блокировки напряжения четвертого, более низкого, уровня, такого порядка как у IGBT 25-29, соединенных последовательно и встречно-параллельно с последовательным соединением вторых IGBT 25-29.

Схема 23 управления сконфигурирована для переключения такого вентиля в проводящее состояние, начиная с прямосмещенного состояния блокировки вентиля, с помощью управления вторыми полупроводниковыми устройствами 25-29 для включения и затем первым полупроводниковым устройством 24 для включения с задержкой, достаточной для того, чтобы напряжение на вентиле упало до меньше чем 10% от напряжения на вентиле в прямосмещенном непроводящем состоянии. Эта схема 23 управления также сконфигурирована для выключения в конце проводящего состояния первого полупроводникового устройства 24, достаточно заранее перед выключением вторых полупроводниковых устройств 25-29 для того, чтобы обеспечить большинство перекомбинаций носителей заряда в первом полупроводниковом устройстве 24 до выключения вторых полупроводниковых устройств 25-29. Это означает, что высокое напряжение IGBT 24 будет включено при низком напряжении на них и выключено перед тем, как напряжение на них повысится до высокого уровня, так чтобы потери при переключении полупроводниковых устройств запирающего типа вентиля определялись потерями при переключении во вторых полупроводниковых устройствах 25-29, тогда как потери проводимости полупроводникового устройства запирающего типа будут прежде всего определяться потерями проводимости высокого напряжения IGBT 24. Для случая, описанного во введении, подразумевается, что общие суммарные потери в блоке 50, показанном на Фиг. 2, составляют 4500 мкВт по сравнению с 9300 мкВт и 15200 мкВт при использовании только 1,2 кВ IGBT и 6,5 кВ IGBT соответственно.

Были выполнены моделирования напряжений и токов в вентиле, показанные на Фиг. 2, и их результат показан на Фиг. 3 и Фиг. 4. Фиг. 3 показывает напряжение на высоковольтном IGBT 24 (пунктирная линия) и на низковольтных IGBT 25-29 (сплошная линия), в зависимости от времени t, и Фиг. 4 показывает ток, протекающий через высоковольтный IGBT 24 (пунктирная линия), и ток, протекающий через низковольтные IGBT 25-29 (сплошная линия) в зависимости от времени. Низковольтные IGBT 25-29 включены во время t₀ и высоковольтный IGBT 24 - во время t ₁, когда напряжение на них низкое. Высоковольтный IGBT, имеющий более низкое напряжение в открытом состоянии, тогда будет пропускать ток, протекающий через вентиль до момента времени t₂, в котором выключен IGBT 24, и ток коммутирован низковольтными IGBT 25-29, которые выключаются во время t ₃.

На Фиг. 5 схематично показан вентиль преобразователя согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором используются те же номера ссылок, как и на Фиг. 2, для обозначения соответствующих элементов. Этот вариант осуществления отличается от предыдущего тем, что третье полупроводниковое устройство 40 запирающего типа соединено последовательно с выпрямляющим элементом 30 и параллельно с первым полупроводниковым устройством 24. Это третье полупроводниковое устройство в данном случае является MOS-транзистором, имеющим низкое напряжение в открытом состоянии, равное приблизительно 0,1 В, которое должно сравниваться с прямым падением напряжения диода 30, которое является приблизительно 3,5 В.

Кроме того, количество вторых полупроводниковых устройств и вторых выпрямляющих диодов соответствует в данном случае шести, что обозначено числовыми ссылками 36 и 37.

Схема 23 управления сконфигурирована так, чтобы в то время, когда вентиль находится в состоянии, в котором ток протекает через его выпрямляющие диоды, он будет протекать через первый выпрямляющий диод 30 для управления MOS-транзистором 40, чтобы выключить его перед основной коммутацией тока, протекающего через вентиль (его IGBT) с другой стороны средней точки, чем вентиль, для того чтобы иметь ток, коммутируемый вторыми выпрямляющими диодами 31-36 перед такой основной коммутацией. Напряжение, необходимое для коммутации тока, для протекания через диоды 31-36 вместо диода 30 будет приблизительно 20 В. Основная коммутация будет тогда происходить при протекании тока через низковольтные диоды 31-36, а не через высоковольтный диод 30, существенно уменьшая потери, созданные при коммутации.

Результаты моделирований, выполненных для вентиля согласно Фиг. 5, показаны на Фиг. 6 и Фиг. 7, где Фиг. 6 показывает напряжение на высоковольтном диоде 30 (пунктирная линия), и напряжение на низковольтном диоде 31-36 (сплошная линия) в зависимости от времени t, тогда как Фиг. 7 показывает ток, проходящий через высоковольтный диод 30 (пунктирная линия), и ток, проходящий через низковольтные диоды 31-36 (сплошная линия), в зависимости от времени t. Показано, как включается MOS-транзистор 40 во время t₀ и ток тогда протекает через диоды 31-36, после чего выполняется основное переключение в t₁.

Изобретение ни в коем случае не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше, но множество возможностей для его модификации будут очевидны для специалиста, не отступая от основной идеи изобретения, определенной в приложенных пунктах формулы изобретения.

Токовый вентиль преобразователя согласно изобретению может, конечно, быть составлен из нескольких блоков 50, 60, показанных на Фиг. 2 или Фиг. 5, соединенных последовательно, и все их первые полупроводниковые устройства тогда предназначены для одновременного управления, а также все вторые полупроводниковые устройства предназначены для одновременного управления.