Transformador híbrido HVDC.

Un transformador electrónico de potencia (20a) para su uso en la trasmisión de potencia de corriente continua de alta tensión y la compensación de potencia reactiva,

que comprende al menos una columna de transformador (22) que incluye terminales de corriente continua primero y segundo (24a, 24b) para su conexión, en uso, a una red de corriente continua (26), incluyendo la columna de transformador (22), o cada uno de ellas, al menos un primer bloque de transformador (32) y al menos un segundo bloque de transformador (34) conectados entre los terminales de corriente continua primero y segundo (24a, 24b); incluyendo el primer bloque de transformador (32), o cada uno de ellos, una pluralidad de tiristores de línea conmutada (36) y al menos un primer terminal de corriente alterna (28) para su conexión, en uso, con una red de corriente continua (30), incluyendo el segundo bloque de transformador (24), o cada uno de ellos, al menos un transformador auxiliar, siendo el transformador auxiliar, o cada uno de ellos, un transformador de cadena de eslabones, incluyendo el transformador de cadena de eslabones, o cada uno de ellos, una cadena de módulos conectados en serie, incluyendo cada módulo dos pares de elementos de conmutación conectados en paralelo con un dispositivo de almacenamiento de energía en una configuración de puente completo para definir un módulo bipolar de dos cuadrantes que puede proporcionar tensión positiva o negativa y que pueda conducir corriente en una dirección, incluyendo cada par de elementos de conmutación un elemento de conmutación autoconmutado y un diodo conectado en serie, en el que los elementos de conmutación autoconmutados son controlables, en uso, de tal modo que la cadena de módulos conectados en serie, o cada uno de ellos, proporciona una fuente de tensión variable continuamente para modificar una tensión de corriente continua presentada al lado de corriente continua de la columna de transformador (22) y/o modificar una tensión de corriente alterna y una corriente alterna en el lado de corriente alterna del transformador.

Transformador híbrido HVDC

Esta invención se refiere a un transformador electrónico de potencia para su uso en la trasmisión de potencia de corriente continua de alta tensión y en compensación de potencia reactiva.

En redes de transmisión de potencia se convierte típicamente potencia de corriente alterna (AC) en potencia de corriente continua (DC) para su transmisión por medio de tendidos aéreos y/o cables submarinos. Esta conversión elimina la necesidad de compensar los efectos de carga capacitiva de corriente alterna impuestos por el tendido o cable de transmisión, y reduce así el coste por kilómetro de los tendidos y/o cables. La conversión de corriente alterna a corriente continua se convierte así en eficiente en costes cuando se necesita transmitir potencia a larga distancia.

La conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua se utiliza asimismo en redes de transmisión de 15 potencia cuando es necesario interconectar las redes de corriente alterna que funcionan a diferentes frecuencias.

En cualquiera de tales redes de transmisión de potencia, se requieren transformadores en cada interfaz entre potencia de corriente alterna y corriente continua para efectuar la conversión requerida, y dos de tales formas de transformadores son el transformador de línea conmutada (LCC) y el transformador de fuente de tensión (VSC) .

Una forma de transformador conocido se basa en la disposición de grandes tiristores en estructuras de transformador de línea conmutada (LCC) de doce pulsos para conseguir la conversión entre potencia de corriente alterna y corriente continua. Estos transformadores son capaces de un funcionamiento continuo de 3000 a 4000 A y son adecuados para instalaciones industriales capaces de procesar varios gigavatios de potencia eléctrica.

Las centrales eléctricas basadas en estos transformadores convencionales absorben cantidades significativas de potencia reactiva de la red de corriente alterna a la cual están conectadas. Además, la naturaleza de doce pulsos de las estructuras de LCC conduce a elevados niveles de distorsión armónica en la corriente del transformador. Consecuentemente, ambos factores significan que las centrales eléctricas convencionales requieren el uso de grandes inductores y condensadores pasivos para proporcionar la potencia reactiva requerida y filtrar las corrientes de armónicos. Esto conduce a un aumento de tamaño, peso y coste del equipo físico de transformador.

Además, efectos de regulación inherentes que surgen de una impedancia del transformador asociado y de la red de corriente alterna conducen a una reducción en la tensión del lado de corriente continua con un aumento en el flujo de corriente. Esto se ve como una pendiente negativa inherente en las características de tensión de corriente continua frente a corriente de corriente continua a medida que aumenta el flujo de potencia.

Ambas publicaciones de Hongbo Jiang et al.: “Harmonic Collection of a Hybrid Converter” y de Oahraman B. et al: “A VSC based series hybrid converter for HVDC transmission” describen el principio general de combinar un transformador de tiristor y un transformador de fuente de tensión en un transformador electrónico de potencia, proporcionando el transformador de tiristor conversión entre potencia de corriente alterna y corriente continua y proporcionando el transformador de fuente de tensión potencia reactiva y controlando las corrientes de armónicos.

Sin embargo, ninguna de estas publicaciones se refiere a la inclusión de estructuras modulares multicelulares en el 45 transformador de fuente de tensión.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un transformador electrónico de potencia para su uso en trasmisión de potencia de corriente continua de alta tensión y compensación de potencia reactiva que comprende al menos una columna de transformador que incluye terminales de corriente continua primero y segundo para su conexión, en uso, a una red de corriente continua, incluyendo la columna de transformador, o cada una de ellas, al menos un primer bloque de transformador y al menos un segundo bloque de transformador conectados entre los terminales de corriente continua primero y segundo; incluyendo el primer bloque de transformador, o cada uno de ellos, una pluralidad de tiristores de línea conmutada y al menos un primer terminal de corriente alterna para su conexión, en uso, a una red de corriente alterna, incluyendo el segundo bloque transformador, o cada uno de ellos, al menos un transformador

auxiliar, siendo el transformador auxiliar, o cada uno de ellos, un transformador de cadena de eslabones, incluyendo el transformador de cadena de eslabones, o cada uno de ellos, una cadena de módulos conectados en serie, incluyendo cada módulo dos pares de elementos de conmutación conectados en paralelo con un dispositivo de almacenamiento de energía en una configuración de puente completo para definir un módulo bipolar de dos cuadrantes que puede proporcionar tensión positiva o negativa y que puede conducir corriente en una dirección, incluyendo cada par de elementos de conmutación un elemento de conmutación autoconmutado y un diodo conectado en serie; en el que los elementos de conmutación autoconmutados son controlables, en uso, de tal modo que la cadena de módulos conectados en serie, o cada uno de ellos, proporciona una fuente de tensión variable de modo continuo para modificar una tensión de corriente continua presentada al lado de corriente continua de la columna de transformador y/o modificar una tensión de corriente alterna y una corriente alterna en el lado de corriente alterna del transformador.

Proporcionar los bloques de transformador primero y segundo da como resultado un transformador electrónico de potencia híbrido que incorpora tiristores de línea conmutada para la conversión entre potencia de corriente alterna y de corriente continua, y elementos de conmutación autoconmutados para proporcionar un rendimiento mejorado para proporcionar potencia reactiva y controlar corrientes de armónicos. Este rendimiento mejorado resulta de la capacidad inherente de encendido y apagado y las características de conmutación rápida de los elementos de conmutación autoconmutados, tales como transistores bipolares de puerta aislada. Esto conduce a una reducción en el tamaño, peso y coste del transformador, ya que deja de ser necesario utilizar grandes filtros de armónicos y condensadores para compensar las corrientes de armónicos y la potencia reactiva extraída por el transformador de línea conmutada.

El transformador auxiliar, o cada uno de ellos, puede ser operado para inyectar una forma de onda de tensión controlada en el lado de corriente alterna y/o en el lado de corriente continua del transformador electrónico de potencia. La forma de onda de tensión inyectada puede ser utilizada para modificar el perfil de la tensión y corriente del lado de corriente alterna y/o de corriente continua para controlar el flujo de potencia real y de potencia reactiva y mejorar así el rendimiento del transformador electrónico de potencia. Por ejemplo, la forma de onda de tensión puede ser inyectada para minimizar la dispersión de tensión del lado de corriente continua asociada normalmente con un aumento de corriente y de flujo de potencia en conversión de potencia basada en tiristores de línea conmutada.

La estructura del transformador de cadena de eslabones permite la acumulación de una tensión combinada, que es superior a la tensión suministrada por un módulo individual, mediante la inserción de múltiples módulos, cada uno de los cuales proporciona una tensión al transformador de cadena de eslabones. Variando el valor de la tensión combinada, el transformador de cadena de eslabones puede ser operado para generar una forma de onda de tensión de amplitud y ángulo de fase variables.

Además, la estructura del transformador de cadena de eslabones permite igualmente el uso de elementos de conmutación autoconmutados en combinación con tiristores de línea conmutada que tienen típicamente tensiones nominales mucho más elevadas. Elementos de conmutación autoconmutados, tales como IGBTs tienen típicamente tensiones nominales bajas, lo que significa que transformadores de fuente de tensión convencionales basados en tales elementos de conmutación autoconmutados tienden a tener menor capacidad nominal que transformadores de tiristores de línea conmutada de doce pulsos convencionales. La capacidad del transformador de cadena de eslabones de acumular una tensión combinada significa, sin embargo, que los elementos de conmutación autoconmutados de cada módulo pueden ser asociados con niveles de tensión que sobrepasan la tensión nominal individual... [Seguir leyendo]

1. Un transformador electrónico de potencia (20a) para su uso en la trasmisión de potencia de corriente continua de alta tensión y la compensación de potencia reactiva, que comprende al menos una columna de transformador (22) 5 que incluye terminales de corriente continua primero y segundo (24a, 24b) para su conexión, en uso, a una red de corriente continua (26) , incluyendo la columna de transformador (22) , o cada uno de ellas, al menos un primer bloque de transformador (32) y al menos un segundo bloque de transformador (34) conectados entre los terminales de corriente continua primero y segundo (24a, 24b) ; incluyendo el primer bloque de transformador (32) , o cada uno de ellos, una pluralidad de tiristores de línea conmutada (36) y al menos un primer terminal de corriente alterna (28) para su conexión, en uso, con una red de corriente continua (30) , incluyendo el segundo bloque de transformador (24) , o cada uno de ellos, al menos un transformador auxiliar, siendo el transformador auxiliar, o cada uno de ellos, un transformador de cadena de eslabones, incluyendo el transformador de cadena de eslabones, o cada uno de ellos, una cadena de módulos conectados en serie, incluyendo cada módulo dos pares de elementos de conmutación conectados en paralelo con un dispositivo de almacenamiento de energía en una configuración de puente completo para definir un módulo bipolar de dos cuadrantes que puede proporcionar tensión positiva o negativa y que pueda conducir corriente en una dirección, incluyendo cada par de elementos de conmutación un elemento de conmutación autoconmutado y un diodo conectado en serie, en el que los elementos de conmutación autoconmutados son controlables, en uso, de tal modo que la cadena de módulos conectados en serie, o cada uno de ellos, proporciona una fuente de tensión variable continuamente para modificar una tensión de corriente continua presentada al lado de corriente continua de la columna de transformador (22) y/o modificar una tensión de corriente alterna y una corriente alterna en el lado de corriente alterna del transformador.

2. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el dispositivo de almacenamiento de energía, o cada uno de ellos, incluye un condensador, una célula de combustible, una batería o 25 un generador de corriente alterna auxiliar con un rectificador asociado.

3. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que cada elemento de conmutación autoconmutado incluye un dispositivo semiconductor.

4. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el dispositivo semiconductor es un transistor bipolar de puerta aislada, un tiristor bloqueante, un transistor de efecto campo o un tiristor integrado conmutado por puerta.

5. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el

que el transformador auxiliar, o cada uno de ellos, es operable para generar una tensión que desfase la tensión a través de un tiristor de línea conmutada y minimice así la tensión a través del tiristor de línea conmutada respectivo.

6. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el transformador auxiliar, o cada uno de ellos, es operable para generar una tensión que se oponga al flujo de corriente creado por un fallo, en uso, en las redes de corriente alterna o de corriente continua.

7. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer bloque de transformador, o cada uno de ellos, incluye uno o más conjuntos conectados en paralelo de tiristores de línea conmutada conectados en serie.

8. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 7, en el que un punto intermedio entre los tiristores de línea conmutada conectados en serie del conjunto conectado en paralelo, o de cada uno de ellos, define un primer terminal de corriente alterna para su conexión, en uso, a una fase respectiva de una red de corriente alterna.

9. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que un primer bloque de transformador se conecta en serie con un segundo bloque de transformador en el lado de corriente continua del circuito para definir una red de corriente continua de dos terminales para la transmisión de potencia eléctrica multifásica, incluyendo el primer bloque de transformador una pluralidad de conjuntos conectados

en paralelo de tiristores de línea conmutada conectados en serie, estando conectado el primer terminal de corriente alterna de cada conjunto conectado en paralelo a una fase respectiva de la red de corriente alterna, incluyendo el segundo bloque de transformador una pluralidad de transformadores auxiliares, incluyendo cada transformador auxiliar un segundo terminal de corriente alterna para su conexión, en uso, a una fase respectiva de la red de corriente alterna, en el que el conjunto conectado en paralelo de tiristores de línea conmutada conectados en serie,

o cada uno de ellos, y el transformador auxiliar, o cada uno de ellos, son operables para modificar una tensión de corriente alterna de la fase asociada de la red de corriente alterna.

10. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 9 cuando depende de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que un punto intermedio de cada transformador de cadena de 65 eslabones define un segundo terminal de corriente alterna para su conexión, en uso, a una fase respectiva de la red de corriente alterna.

11. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en el que el transformador electrónico de potencia está conectado, en uso, con la red de corriente alterna por medio de un transformador tal que los primeros terminales de corriente alterna del primer bloque de transformador se conectan, en uso, con bobinados secundarios del transformador, y los segundos terminales de corriente alterna del segundo bloque de transformador se conectan, en uso, con bobinados terciarios del transformador.

12. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la columna de transformador, o cada una de ellas, incluye un primer bloque de transformador conectado en serie 10 entre dos segundos bloques de transformador para definir porciones de columna primera y segunda, incluyendo cada porción de columna al menos un tiristor de línea conmutada conectado en serie con un transformador auxiliar entre uno de los terminales de corriente continua primero y segundo respectivo y los primeros terminales de corriente alterna respectivos, siendo operable cada tiristor de línea conmutada y cada transformador auxiliar de cada porción de columna para conectar y desconectar la porción de columna respectiva al circuito para generar una forma de

onda de tensión en el terminal de corriente alterna respectivo.

13. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la columna de transformador, o cada una de ellas, incluye dos segundos bloques de transformador conectados en serie entre los tiristores de línea conmutada del primer bloque de transformador respectivo para definir porciones de 20 columna primera y segunda, definiendo un punto intermedio entre los bloques de transformador primero y segundo el primer terminal de corriente alterna de la columna de transformador, o de cada una de ellas, incluyendo cada porción de columna al menos un tiristor de línea conmutada conectado en serie con un transformador auxiliar entre uno de los terminales de corriente continua primero y segundo respectivo y los primeros terminales de corriente alterna respectivos, siendo operable cada tiristor de línea conmutada y cada transformador auxiliar de cada porción de

columna para conectar y desconectar la porción de columna respectiva del circuito para generar una forma de onda de tensión en el primer terminal de corriente alterna respectivo.

14. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 12 o la reivindicación 13, que incluye múltiples columnas de transformador, estando conectado el primer terminal de corriente alterna de cada 30 columna de transformador, en uso, a una fase respectiva de una red de corriente alterna multifásica.

15. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 14, que incluye dos columnas de transformador y que incluye además un par de condensadores enlazados de corriente continua conectados en serie entre los terminales de corriente continua primero y segundo de cada columna de transformador y conectados en paralelo con cada columna de transformador, definiendo un punto intermedio entre los condensadores enlazados de corriente continua un tercer terminal de corriente alterna para su conexión, en uso, a una fase de la red de corriente alterna.

16. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos un tiristor está conectado en paralelo con un segundo bloque de transformador, siendo operable el transformador auxiliar del segundo bloque de transformador para proporcionar una tensión de conmutación para conmutar el tiristor de línea conmutada asociado a un estado apagado.

17. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

que incluye además al menos un mecanismo de derivación asociado funcionalmente con un transformador auxiliar, en el que el mecanismo de derivación, o cada uno de ellos, es operable para provocar un cortocircuito a través del mecanismo de derivación y provocar así que la corriente del transformador fluya a través del cortocircuito mientras circunvala el transformador auxiliar respectivo.

18. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 17, en el que el mecanismo de derivación, o cada uno de ellos, es operable para provocar un cortocircuito a través del mecanismo de derivación tras detectar un fallo en las redes de corriente alterna o de corriente continua o en el transformador electrónico de potencia.

19. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 17 o la reivindicación 18, en el que el mecanismo de derivación, o cada uno de ellos, está conectado en paralelo con el transformador auxiliar respectivo.

20. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el

que el mecanismo de derivación, o cada uno de ellos, incluye un conmutador, siendo operable el mecanismo de derivación para activar el conmutador respectivo con el fin de provocar un cortocircuito a través del conmutador activado.

21. Un transformador electrónico de potencia (20a) de acuerdo con la reivindicación 20, en el que el conmutador es 65 un conmutador de derivación mecánico o un conmutador de semiconductor.