电压源换流器模块和换流器制造技术

本实用新型专利技术涉及电压源换流器模块和换流器。该电压源换流器模块(1)，包括电荷存储器(14)和与该电荷存储器相连的、具有集电极(8k)、栅极(8g)和发射极(8e)的半导体开关(8)，其中半导体开关(8)的集电极‑发射极线路接入到在换流器模块(1)的第一和第二交流电流接头(2,4)之间的电流路径(16)，其中能够经由旁路开关(20)连接交流电流接头(2,4)，在故障情况下应当最小化损坏并且允许多级换流器继续运行，而不必为此使用极其快速的旁路开关。为此，半导体开关(8)的集电极(8k)和栅极(8g)通过电路装置(22)连接，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电压源换流器模块和换流器
本技术涉及一种电压源换流器模块，包括电荷存储器和与该电荷存储器相连的、具有集电极、栅极和发射极的半导体开关，其中半导体开关的集电极-发射极线路接入在换流器模块的第一和第二交流电流接头之间的电流路径，其中可以经由旁路开关连接交流电流接头。
技术介绍
具有提到的类型的换流器模块的换流器目前被应用于高压直流电传输其尤其用于借助直流，远距离地、通常为大约750km以上的距离，进行能量传输。为此，对于适用于高电压的复杂换流器需要相对高的技术复杂度，因为发电站中的电能几乎总是由同步发电机产生为50Hz或60Hz频率的三相交流电。但是，尽管技术复杂且有附加的转换器损耗，从特定距离起具有与利用三相交流电进行传输相比总体上更小的传输损耗。为此公知的是，使用包括多个串联连接的电压源换流器模块(英文：Voltage-SourceConverter，缩写VSC)的换流器(所谓的多级换流器)。VSC模块被理解为这样的模块：其包括以电池方式的电荷存储器，其中可以通过利用控制电压对同样包含在模块中的半导体开关的相应的控制来改变模块的接头处的电压值。利用一系列这样的VSC模块，可以产生阶梯的电压走向，其阶梯高度相应于VSC模块中的一个的额定电压，其最终形成在交流侧和直流侧之间的连接。替代迄今常用的线路换向换流器(英文：Line-commutatedConverter，缩写LCC)使用VSC模块提供了各种各样的优点，参见G.Gemmell,J.Dorn,DRetzmann,D.Soerangr,“ProspectsofMultilevelVSCTechnologiesforPowerTransmission”,inIEEETransmissionandDistributionConferenceandExposition,Chicago,US,April2008。但是，已经证明有问题的是，在VSC模块中使用的大电荷存储器在故障情况下(例如半导体开关的开关故障)难以控制，因为在此在没有附加的安全措施的情况下能量不受控制且突然地被释放。在故障情况下，电路的电气部件大多不能接受或控制能量。由此这大多导致电路、特别是电荷存储器在故障情况下(例如通过爆炸)被完全破坏。此外，在破坏时还会导致进一步间接损坏其它运行部件。为此，原因可能是电弧、极大的电磁力或多的杂质。由此在相应地由于故障状态而出现过电压的情况下构建的运行部件必须存在本安故障限制，以避免所描述的最坏影响。此外在所描述的多级换流器中还要求，控制能够通过构建的的冗余补偿的、部件的故障情况或失效情况，使得总是确保整个设备的继续运行。为此，第一，为了使损坏保持尽可能小并且转换器周围也不会不必要地被污物污染，半导体开关具有爆炸保护，使得在开关失效时并且由于然后在VSC模块极上释放的极大能量，该半导体开关可以在该外罩中爆炸。由于爆炸单元，由此不引起相邻模块的间接损坏。第二，通常设置旁路开关，其在故障情况下桥接各自的VSC模块。这是必须的，因为否则极高且快速的电压变化也许会导致电荷存储器损坏或毁坏。这是要绝对避免的。因为由于极高的运行电流，在几毫秒内在目前的多级换流器中所使用的能量存储器就会过载，所以所使用的旁路开关必须极快速地作出反应，以抑制或极强地限制所描述的故障场景。为了实现具有高载流能力(例如>1000A)的机械旁路开关中所需的闭合时间，例如需要用烟火发射药驱动的机械短路器，如其在DE102008059670B3中描述的。在此，闭合延迟时间仅取决于运动的电流触点的惯性和电子器件运行时间(几微秒)。可能的弹簧驱动器、磁继电器驱动器或其它机械驱动器都太慢，因此对于该应用情况被排除。但是显然在此缺陷是使用提到的烟火发射药的危险。
技术实现思路
因此，本技术要解决的技术问题是，提供一种本文开始部分所述类型的电压源换流器模块，其在故障情况下最小化损坏并且允许多级换流器继续运行，而不必为此使用极其快速的旁路开关。根据本技术，上述问题通过由构造为在高于预定的电压阈值时导通的电路装置连接半导体开关的集电极和栅极来解决。在此本技术以如下考虑为基础，即，在故障情况下在VSC模块处形成损坏时首先避免电荷存储器的损坏或毁坏，而半导体开关的损坏或毁坏引起少得多的损失并且不太复杂地消除。因此，实际的半导体开关可以用于防止连接的电荷存储器中的可能的过电压。至少在VSC模块的交流电流接头之间布置的半导体开关非激活地经由电路装置连接，该电路装置处于半导体开关的各自的集电极和栅极之间，并且该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。在此，电压阈值匹配于相应的触发过电压，也就是其以相应待设计的程度高于运行电压并且将半导体开关切换到激活区域。在此有意容忍了半导体由于在激活区域中持续运行几微秒而被热损坏或电路装置由于长时间通电而被热损坏。引起的横向触发器首先防止电荷存储器过载。因为现在将在正常运行时接通的半导体用作为过电压限制，所以解决了能量存储器快速本安放电的问题。因为大多数目前使用的半导体没有示出所谓的行为不合格特性(Conduct-on-Fail-Verhalten)并且这些半导体在实践中总是在短路时被大量能量和极端的功率密度完全损坏，所以总是通过附加的旁路开关实现长时间的旁路特性。但是该旁路开关可以比迄今的情况更慢、由此技术上更简单地实施。在优选的实施中，电压源换流器构造为半桥模块。这样的模块通常仅包括两个半导体开关，其中在VSC模块的两个交流电流接头之间仅布置唯一一个半导体开关。利用上面描述的电路装置构造该半导体开关足以达到描述的功能性。术语半导体开关在此也被理解为多个开关的功能单元，所述多个开关例如为了提高其性能而并联连接，但始终被共同开断、也就是控制。在此，所描述的电路装置必须依据功能单元的精确构造被布置为，使得功能单元在过电压时被激活。为此例如可以在多个共同控制的功率开关的并联电路作为功能半导体开关单元的情况下，仅一个功率开关断开就已足够。如果功率开关的栅极在功能单元中连接，则总是通过电路装置断开所有功率开关。在替换的优选的实施中，电压源换流器构造为全桥模块或箝位双子模块。箝位双子模块例如由DE102009057288A1而被本领域技术人员所公知。在这样的模块中，在两个交流电流接头之间通常存在两个可能的电流路径，其分别具有多个分别带有集电极、栅极和发射极的半导体开关。在该情况下对于至少一个该电流路径，在其集电极-发射极-线路接入电流路径中的每个半导体开关中，通过相应的电路装置连接各自的半导体开关的集电极和栅极，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。由此确保了，经由至少一个电流路径确保通过半导体桥接。在电压源换流器模块的另外的优选的实施中，在模块的每个半导体开关中，通过相应的电路装置连接各自的半导体开关的集电极和栅极，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。换言之：所有半导体开关具有相同的电路。由此在无论是哪个半导体开关的正常的栅极控制故障时都能快速桥接。合适地，各个电路装置包括抑制二极管或抑制二极管链。其恰好具有对于在此描述的应用所需的特征，也就是只要超过特定的电压阈值，其就导通。通过按照串联连接的链的布置，电路装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电压源换流器模块(1)，包括电荷存储器(14)和与该电荷存储器相连的、具有集电极(8k)、栅极(8g)和发射极(8e)的半导体开关(8)，其中半导体开关(8)的集电极‑发射极线路接入到在换流器模块(1)的第一和第二交流电流接头(2,4)之间的电流路径(16)，其中能够经由旁路开关(20)连接交流电流接头(2,4)，其特征在于，半导体开关(8)的集电极(8k)和栅极(8g)通过电路装置(22)连接，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电压源换流器模块(1)，包括电荷存储器(14)和与该电荷存储器相连的、具有集电极(8k)、栅极(8g)和发射极(8e)的半导体开关(8)，其中半导体开关(8)的集电极-发射极线路接入到在换流器模块(1)的第一和第二交流电流接头(2,4)之间的电流路径(16)，其中能够经由旁路开关(20)连接交流电流接头(2,4)，其特征在于，半导体开关(8)的集电极(8k)和栅极(8g)通过电路装置(22)连接，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。2.根据权利要求1所述的电压源换流器模块(1)，其特征在于，其构造为半桥模块。3.根据权利要求1所述的电压源换流器模块(1)，其特征在于，其构造为全桥模块或箝位双子模块并且其具有多个半导体开关(6,8,32,34)，所述半导体开关分别具有集电极(6k,8k,32k,34k)、栅极(6g,8g,32g,34g)和发射极(6e,8e,32e,34e)，其中在其集电极-发射极-线路接入电流路径中的每个半导体开关(6,8,32,34)中，通过电路装置(22,28,40,42)连接各自的半导体开关(6,8,32,34)的集电极(6k,8k,32k,34k)和栅极(6g,8g,32g,34g)，该电路装置构造为，使得其在高于预定的电压阈值时导通。4.根据权利要求1所述的电压源换流器模块(1)，其特征在于，在每个半导体开关(6,8,32,34)中，通过电路装置(22,28,40,42)连接各自的半导体开关(6,8,32,34)的集电极(6k,8k,32...

【专利技术属性】
技术研发人员：J多恩，H甘巴赫，D施密特，F施雷默，M维思，M瓦勒，A曾克纳，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：新型
国别省市：德国,DE