Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Übertragung elektrischen Stromes, die ein Gleichspannungsnetz für Hochspannungsgleichstrom (HVDC) umfasst und mindestens ein Wechselspannungsnetz, das über eine Station daran angeschlossen ist, wobei die Station dafür eingerichtet ist, Übertragungen elektrischen Stroms zwischen dem Gleichspannungsnetz und dem Wechselspannungsnetz auszuführen und mindestens einen VSC-Umrichter umfasst, der dazu in der Lage ist, Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren und umgekehrt.

Eine derartige Anlage wurde vor Kurzem durch die Arbeit „PWM and control of two and three level high power voltage source converters" von Anders Lindberg, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm 1995, bekannt, in der eine derartige Anlage zur Übertragung elektrischen Stromes durch ein Gleichspannungsnetz für Hochspannungsgleichstrom (HVDC) beschrieben wird. Vor Veröffentlichung der genannten Arbeit beruhten Anlagen zur Übertragung elektrischen Stromes durch ein Gleichspannungsnetz für Hochspannungsgleichstrom auf der Verwendung netzgeführter CSC-(Current Source Converter)-Umrichter in Stromübertragungsstationen. Durch die Entwicklung des IGHT (Insulated Gate Bipolar Transistor = Bipolartransistor mit isoliertem Gate) für Hochspannungsanwendungen und deren Eignung zur Reihenschaltung in den Ventilen von Umsetzern, dadurch dass sie leicht gleichzeitig geöffnet und gesperrt werden können, sind jetzt stattdessen VSC-(Voltage Source Converter)-Umsetzer zur Zwangskommutierung eine Alternative geworden, und da diese Art von Übertragung elektrischen Stromes zwischen einem Gleichspannungsnetz für Hochspannungsgleichstrom da hindurch spannungsstabil ist und Wechselspannungsnetze, die daran angeschlossen sind, mehrere erhebliche Vorteile hinsichtlich der Verwendung netzgeführter CSCs in HVDC bieten, unter denen angeführt werden kann, dass der Verbrauch von Wirkleistung und Blindleistung unabhängig voneinander eingestellt werden können und dass es keine Gefahr von Umschaltungsfehlern im Umsetzer gibt und keine Gefahr der Übertragung von Umschaltungsfehlern zwischen verschiedenen HVDC-Verbindungen, was in netzgeführten CSC auftreten kann. Außerdem besteht eine Möglichkeit, ein Niederwechselspannungsnetz oder ein Netz ohne eigene Erzeugung (ein totes Wechselspannungsnetz) zu versorgen. Es gibt noch weitere Vorteile.

In dieser neuen Art von Anlagen ohne Transformatoren tritt jedoch die Anforderung auf, den Strom im Gleichstromnetz schnell begrenzen zu können und auch den Strom schnell unterbrechen zu können, da das Wechselstromnetz jetzt durch den VSC-Umsetzer direkt mit dem Gleichspannungsnetz verbunden ist, was bedeuten kann, dass plötzlich sehr hohe Ströme direkt ins Gleichspannungsnetz geleitet werden, wenn beispielsweise dort ein Erdschluss auftritt. Es ist häufig keine annehmbare Lösung, mechanische Unterbrecher im Gleichspannungsnetz anzuordnen, da die zur Stromunterbrechung zur Verfügung stehende Zeit für einen derartigen Unterbrecher zu kurz sein kann.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage der Art zu schaffen, die in der Einleitung definiert wurde, in der die oben erwähnten Probleme in zufriedenstellender Weise gelöst wurden.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch Schalten mindestens einer Parallelschaltung mindestens eines Halbleiterbauteils vom Abschalttyp und eines Überspannungsableiters ins Gleichspannungsnetz einer derartigen Anlage erreicht.

Dadurch, dass eine derartige Parallelschaltung ins Gleichspannungsnetz geschaltet ist, kann der Strom im Gleichspannungsnetz sehr schnell begrenzt werden, da ein derartiges Halbleiterbauteil sehr schnell gesperrt werden kann, falls die Notwendigkeit dazu eintritt, indem das Halbleiterbauteil gesperrt wird. Wenn der Überspannungsableiter geeignet dimensioniert ist, d.h. die Spannung, bei der er leitend wird, kann auch der Strom im Gleichspannungsnetz durch Abschalten des Halbleiterbauteils unterbrochen werden. Die von der Parallelschaltung aufgenommene elektrische Energie wird im Wesentlichen vollständig durch den Überspannungsableiter aufgenommen und das Halbleiterbauteil ist gegen Überströme geschützt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anlage der Art, dass der das Gleichspannungsnetz durchfließende Strom zwei mögliche Richtungen annehmen kann und es zwei genannte Halbleiterbauteile in der Parallelschaltung gibt, die mit entgegengesetzten Leitungsrichtungen in Reihe geschaltet sind, und eine gesonderte Gleichrichterdiode antiparallel zu jedem der Halbleiterbauteile geschaltet ist. Durch Schaltung einer derartigen Parallelschaltung von Halbleiterbauteilen, Gleichrichterdioden und Überspannungsableitern im Gleichspannungsnetz kann die oben erwähnte vorteilhafte Strombegrenzungs- und Stromunterbrechungsfunktion sicher auch in dem Fall erreicht werden, in dem es nicht vollkommen klar ist, welches die Stromrichtung im Gleichspannungsnetz zu einem bestimmten Zeitpunkt ist, was in einem sogenannten Maschennetz der Fall sein kann. In einem derartigen Fall findet also eine Steuerung, d.h. Einschalten oder Abschalten, der beiden Halbleiterbauteile gleichzeitig statt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anlage eine Vorrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Halbleiterbauteile der Parallelschaltung zu sperren, wenn der sie durchfließende Strom eine festgelegte Stärke übersteigt. Hierdurch findet mindestens eine Strombegrenzung im Gleichspannungsnetz statt und in Abhängigkeit von der Spannung darüber und der Dimensionierung des Überspannungsableiters wird der Strom unterbrochen.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die genannte Vorrichtung dafür eingerichtet ist, in dem Fall, dass der Strom im Gleichspannungsnetz eine festgelegte Stärke übersteigt, die Halbleiterbauteile der Parallelschaltung mit einer Frequenz abwechselnd zu sperren und zu öffnen, die dazu geeignet ist, den Strom im Gleichspannungsnetz derart zu regeln, dass er eine maximale Stärke nicht übersteigt. Durch ein derartiges abwechselndes Sperren und Öffnen der Halbleiterbauteile kann der Strom im Gleichspannungsnetz auf einen gewünschte Stärke eingestellt werden und dementsprechend der Strom in gewünschter Weise begrenzt werden. Die Stromstärke wird vom Verhältnis der Längen der Sperr- und der Öffnungszeiten der Halbleiterbauelemente der Parallelschaltung abhängen.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, umfasst die Anlage mehrere der genannten Parallelschaltungen, im Gleichspannungsnetz angeschlossen. Durch Anordnen mehrerer derartiger Parallelschaltungen und geeignete Wahl der Anzahl ist es möglich, den Strom im Gleichspannungsnetz durch unterschiedliche Anzahl von Halbleiterbauteilen unterschiedlich stark zu begrenzen und durch Sperren ausreichend vieler davon den Strom zu unterbrechen.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die eine Weiterentwicklung der zuletzt genannten Ausführungsform darstellt, ist die genannte Vorrichtung dafür eingerichtet, in dem Fall, dass der Strom im Gleichspannungsnetz eine vorbestimmte Stärke übersteigt, die Halbleiterbauteile der Parallelschaltung in einem Rhythmus abwechselnd zu öffnen und zu sperren, der in Abhängigkeit von der Stärke des genannten Stromes bestimmt wird, um den Strom im Gleichspannungsnetz derart zu regeln, dass er eine bestimmte zulässige maximale Stärke nicht übersteigt. Der Strom im Gleichspannungsnetz kann hierdurch mit hoher Zuverlässigkeit begrenzt werden, um eine zulässige maximale Stärke nicht zu übersteigen. Durch abwechselndes Sperren und und Öffnen der Halbleiterbauelemente und hierdurch abwechselndes Leiten des Stromes durch die Halbleiterelemente und den Überspannungsableiter, wird gleichzeitig erreicht, dass die große Menge elektrischer Energie, die ins Gleichspannungsnetz übertragen werden kann, beispielsweise bei einem Erdschluss, von den Überspannungsableitern abgeleitet werden kann.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dafür ausgelegt, in dem Fall, dass der Strom im Gleichspannungsnetz eine vorbestimmte Stärke übersteigt, eine ausreichende Anzahl an Halbleiterbauteilen zu sperren, dass die entsprechende Anzahl an Überspannungsableitern in der Lage ist, die vom Gleichspannungsnetz aufzunehmende Spannung aufzunehmen und der Strom im Gleichspannungsnetz unterbrochen wird. Durch Sperren einer ausreichenden Anzahl an Halbleiterbauteilen in dieser Weise in einer Anlage, die über mehrere der genannten Parallelschaltungen, ins Gleichspannungsnetz geschaltet, verfügt, kann eine sehr schnelle Unterbrechung des Stromes im Gleichspannungsnetz erfolgen, falls dies in Fällen bleibender Störungen erforderlich sein sollte.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dafür ausgelegt, das Öffnen und Sperren mit einer Frequenz im kHz-Bereich auszuführen. Um eine geeignete Strombegrenzungswirkung zu erzielen ist es vorteilhaft, dieses abwechselnde Öffnen und Sperren der Halbleiterbauteile mit einer solchen Frequenz auszuführen, die im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegt, wie die Frequenz, mit der die Halbleiterbauteile in den Stromventilen des VSC-Umsetzers gesteuert werden. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung auf den VSC-Umsetzer folgen kann und eine geeignete Strombegrenzung im Gleichspannungsnetz erreichen kann.

Weitere Vorteile, sowie vorteilhafte Merkmale der Erfindung, werden aus der folgenden Beschreibung und den anderen abhängigen Ansprüchen hervorgehen.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung folgt unten eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die als Beispiele angeführt werden. Es zeigen:

1 ein sehr schematisches Diagramm eines Teils einer Anlage nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

2 ein Diagramm eines Details einer Anlage nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

3 ein gegenüber 1 vereinfachtes Diagramm eines Teils einer Anlage nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

4 einen Graphen, der den Strom im Gleichspannungsnetz in der Anlage nach 3 in Abhängigkeit von der Anzahl gesperrter Halbleiterbauteile, d.h. in Reihe geschalteter Überspannungsableiter, im Gleichspannungsnetz.

Der Aufbau einer Anlage zur Übertragung elektrischen Stromes nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist sehr schematisch und stark vereinfacht in 1 dargestellt, in der hauptsächlich nur die verschiedenen Bauteile, die direkt etwas mit der erfindungsgemäßen Funktion zu tun haben, in der Zeichnung dargestellt wurden, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die Anlage umfasst ein Gleichspannungsnetz 1 für Hochspannungsgleichstrom (HVDC = High Voltage Direct Current), das über zwei stromführende Leitungen 2, 3 verfügt und ein Wechselspannungsnetz 5, das über eine Station 4 an das Gleichspannungsnetz angeschlossen ist, wobei das genannte Wechselspannungsnetz im vorliegenden Fall über drei Phasen 6, 7, 8 verfügt. Die Station ist dafür ausgelegt, elektrischen Strom zwischen dem Gleichspannungsnetz 1 und dem Wechselspannungsnetz 5 zu übertragen, wobei der Strom vom Wechselspannungsnetz ins Gleichspannungsnetz übertragen werden kann oder vom Gleichspannungsnetz ins Wechselspannungsnetz. Das Wechselspannungsnetz kann also über Stromerzeuger verfügen oder nur an Verbraucher angeschlossen sein. Die Station umfasst mindestens einen VSC-Umsetzer 9, der in der Lage ist, Gleichspannung in Wechselspannung umzusetzen und umgekehrt. Es ist jedoch vollkommen möglich, dass die Station mehrere derartige Umsetzer umfasst. Der VSC-Umsetzer umfasst in herkömmlicher Weise einen Phasenverzögerungszweig für jede Phase mit zwei sogenannten Stromventilen 10, 11, die aus Zweigen von Unterbrechern 12 vom An- und Abschalttyp bestehen, vorzugsweise in Form von IGBTs, die in Reihe geschaltet sind, und Dioden 13, die antiparallel dazu geschaltet sind. Eine große Anzahl an IGBTs kann dann in einem einzelnen Ventil in Reihe geschaltet sein, derart dass sie gleichzeitig geöffnet und gesperrt werden, um als ein einziger Unterbrecher zu arbeiten, wodurch die Spannung über dem Ventil auf die verschiedenen Unterbrecher verteilt wird, die in Reihe geschaltet sind. Die Betätigung der Unterbrecher erfolgt in herkömmlicher Weise durch Pulsbreitenmodulation (PWM).

Die Anlage umfasst eine Parallelschaltung aus einem Halbleiterbauteil 14 vom Abschalttyp, das jeder Art sein kann, die über die Möglichkeit verfügt, den durchfließenden Strom zu unterbrechen, wie etwa ein IGBT, GTO, MOSFET etc., und einem Überspannungsableiter 15, ins Gleichspannungsnetz geschaltet. Eine Gleichrichterdiode 16 ist ebenfalls zum Halbleiterbauteil 14 antiparallel geschaltet. Im Fall einer Anlage dieser Art mit zwei stromführenden Leitungen im Gleichspannungsnetz verfügt die zweite stromführende Leitung ebenfalls über eine derartige Parallelschaltung, auch wenn dies in 1 nicht dargestellt ist. Der Überspannungsableiter 15 ist herkömmlicher Art, etwa ein Zinkoxid-Nebenschlussdämpfungswiderstand, und leitet normalerweise einen sehr geringen Strom, wenn jedoch die anliegende Spannung eine gewisse Stärke überschreitet, lässt er einen erheblich höheren Strom durch. Die Anlage umfasst auch eine Vorrichtung 17, die dafür eingerichtet ist, das Halbleiterbauelement 14 zu sperren, wenn der es durchfließende Strom eine bestimmte Stärke überschreitet. Präziser gesagt, wird das Halbleiterbauteil 14 im Normalbetrieb geöffnet sein, wenn jedoch in der Anlage irgendeine Störung auftritt, etwa ein Erdschluss im Gleichspannungsnetz, und der Spannungsabfall über dem Gleichspannungsnetz groß ist mit einer Gefahr großer Ströme darin, beginnt die Vorrichtung 17, die Halbleiterbauteile 14 mit einer vergleichsweise hohen Frequenz (in der Größenordnung von einigen kHz) abwechselnd zu öffnen und zu sperren, so dass der Strom 1 im Gleichspannungsnetz zwischen dem Halbleiterbauteil 14 und dem Überspannungsableiter 15 umgepolt wird und hierdurch eine Strombegrenzungswirkung erreicht wird. Die Stärke des sich ergebenden Stromes wird vom Verhältnis zwischen den Längen der Sperrzeiten zu den Öffnungszeiten des Halbleiterbauteils 14 abhängen. Abhängig von den vorhandenen Spannungen und der Dimensionierung des Überspannungsableiters 15 könnte es möglich gemacht werden, dass die Vorrichtung 17 den Strom 1 im Gleichspannungsnetz unterbricht, indem sie das Halbleiterbauteil 14 in einen permanenten Sperrzustand versetzt.

Eine Alternative zur in 1 dargestellten Parallelschaltung ist in 2 dargestellt, die sich von der nach 1 durch das Vorhandensein zweier Halbleiterbauteile 14' unterscheidet, die mit entgegengesetzt gerichteten Leitungsrichtungen in Reihe geschaltet sind, und eine getrennte Gleichrichterdiode 16' ist antiparallel zu jedem Halbleiterbauteil geschaltet. Die Absicht dabei ist, dass die Halbleiterbauteile 14' gleichzeitig gesperrt und geöffnet werden, was erlaubt, die Funktion der in Verbindung mit 1 beschriebenen Parallelschaltung unabhängig von der Richtung des Stroms im Gleichspannungsnetz 1 zu erhalten. Eine Parallelschaltung dieser Art wird eingesetzt, wenn der Strom im Gleichspannungsnetz zwei mögliche Richtungen einnehmen kann, d.h. wenn nicht sicher bekannt ist, welche Stromrichtung überwiegt, was in sogenannten Maschennetzen der Fall ist.

Eine Anlage nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in 3 dargestellt, in der sie gegenüber 1 geringfügig vereinfacht ist. Der wirkliche Unterschied zwischen dieser Anlage und der nach 1 besteht darin, dass die Anlage von 3 über mehrere Parallelschaltungen aus Halbleiterbauteilen 14, Überspannungsableitungen 15 und Gleichrichterdioden 16 ins Gleichspannungsnetz geschaltet verfügt. Der Gesamtwiderstand des Systems wurde hier ebenfalls durch einen Widerstand 18 dargestellt. Das Gleichspannungsnetz in dieser Anlage verfügt nur über einen stromführende Leitung 2. Die Spannung U_d des Gleichspannungsnetzes liegt über dem Kondensator 19 an. Wenn ein Störfall eintritt, wie ein schematisch angegebener Erdschluss, wird die Spannung über dem Gleichspannungsnetz zwischen der Station und dem Erdschluss sehr hoch sein und wenn die Halbleiterbauteile 14 geöffnet sind, im Prinzip durch den Widerstand des Systems festgelegt, der durch den Widerstand 18 dargestellt ist. Durch abwechselndes Sperren und Öffnen der verschiedenen Halbleiterbauteile mit hoher Frequenz durch die Vorrichtung 17 (nicht dargestellt) in der oben beschriebenen Weise in einem festgelegten Rhythmus, der von der Höhe der Spannung und damit des Überstromes abhängt, kann der Strom im Gleichspannungsnetz auf eine annehmbare Höhe begrenzt werden. Durch gleichzeitiges Sperren einer ausreichenden Anzahl von Halbleiterbauteilen kann der Strom im Gleichspannungsnetz auch vollständig unterbrochen werden.

In 4 ist dargestellt, wie sich der Strom 1 im Gleichspannungsnetz mit der Anzahl in Reihe geschalteter Überspannungsableiter, d.h. der Anzahl gleichzeitig gesperrter Halbleiterbauteile, ändert. Wenn keine Halbleiterbauteile gesperrt sind, ist der Strom gleich Spannung U_d/R, wobei R der Betrag des Widerstandes 18 ist. So wäre im in 4 dargestellten Fall ein gleichzeitiges Sperren von sieben Halbleiterbauteilen erforderlich, um den Strom im Gleichspannungsnetz vollständig zu unterbrechen.

Die genannten Parallelschaltungen der erfindungsgemäßen Anlagen werden vorzugsweise derart gesteuert, dass sie den Strom während bestimmter vorübergehender Störfälle begrenzen, wenn diese Störfälle jedoch anhalten, den Strom unterbrechen. Diese Parallelschaltungen werden meistens in Verbindung mit den Stationen zur Kontrolle durch die Kontrolleinrichtungen angeordnet, die auch die Steuerung der Umsetzer der Station vornehmen, es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, sie außen im eigentlichen Gleichspannungsnetz anzuordnen, insbesondere in sogenannten Maschennetzen.

Die Erfindung ist natürlich in keiner Weise auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, aber viele Möglichkeiten von Abänderungen davon lägen dem Fachmann nahe, ohne von der Grundidee der Erfindung abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Die Art der in 2 dargestellten Parallelschaltung kann beispielsweise in einer Anlage der Art angewandt werden, wie sie in 3 zum Gebrauch insbesondere in sogenannten Maschennetzen dargestellt ist.