用于高压功率设备的直流电源制造技术

本发明专利技术涉及用于高压功率设备(1)的直流电源(3)，直流电源(3)包括一个或多个串(4a-4c)，其包括串联连接的多个直流电源单元，和开关(7，9，11，13)，被配置成连接和断开所述串(4a-4c)。开关是被分布在每个串(4a-4c)的电源单元之中的固态开关，在串(4a-4c)中的所有的固态开关被设置成使得它们同时接通和关断。每个开关在第一方向上与第一可控半导体(16)并联连接，并且在与第一方向相反的第二方向上与第二可控半导体(20)并联连接，以及直流电源(3)包括控制单元(21)，被配置成在检测到开关中有故障的情形下通过触发被连接到故障的开关的第一(16)或第二(20)可控半导体的正向偏压来旁路故障的开关。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于被连接到高压电カ系统的高压功率设备的直流电源，直流电源包括ー个串或多个串，该串包括多个串联连接的直流电源构件，和被配置成连接和断开该串的开关。所谓的高压电カ系统应当被理解为在3kV和更高的范围内的电系统，优选地，在IOkV和更高的范围。所谓的直流电源应当被理解为在3kV和更高的范围内串联连接的直流电源构件。功率设备是指能够控制无功功率和/或有功功率的设备。功率设备的示例是功率补偿器和不间断电源(UPS)。
技术介绍
在灵活的交流传输系统(FACTS)中，多个控制设备是已知的。一个这样的FACTS设备是静态补偿器(STATC0M)。STATC0M包括电压源变换器(VSC)，该VSC具有被连接到高压电カ系统的AC侧和被连接到诸如电容器那样的临时电功率贮存装置的DC侧。STATC0M可以把无功功率供应到传输线或吸收来自传输线的无功功率。与仅仅补偿无功功率的STATC0M不同，另ー个概念是把直流电源连接到紧凑的STATC0M，因此能够进行有功功率补偿。该结构例如可被用作为运转备用(spinningreserve),和用于补偿电カ系统中的能量水平波动。今天，直流电源是高压电池。由于功率设备被连接到高压电カ系统的交流电压，多个电池単元必须串联连接，以便匹配功率设备的直流电压。而且，为了得到期望的有功功率和能量贮存的持续时间，包括多个电池単元的数个串必须并联连接。而且，假如有诸如短路那样的故障，功率设备必须被保护。因此，在每个串中提供两个开关，以便假如变换器、串、或串的一部分短路时断开该串。一个开关能够断开串与变换器的正的直流母线的连接，另ー个开关能够断开串与变换器的负的直流母线的连接。每个开关额定值必须能够承受整个变换器电压，以能够保护功率设备。至今为止，机械直流断路器被用作为用于串的连接和断开的开关。然而，直流断路器的可用性是有限的，而且这些断路器的额定值相当低，它小于在高压电カ系统中所需要的电压额定值。为了克服这个问题，使用了带有某些附加电路的机械交流断路器，诸如与交流断路器并联连接的谐振电路。固态开关是电子开关，不像机械断路器，它不包含活动部件。在市场上希望能够用固态开关来替换机械交流断路器。然而，大多数在市面上可获得的固态开关的问题是，它们在故障时变为开路，这意味着如果固态开关有故障，则包括故障的开关的串将被断开。因此，直流电源的容量将大大地减小。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供对于以上提出的问题的有吸引力的解决方案。按照本专利技术的ー个方面，这个目的是通过如在权利要求中限定的直流电源而达到的。按照本专利技术的直流电源的特征在于-直流电源中的ー个或多个串包括多个串联连接的直流电源单元，和被配置成连接和断开串的固态开关，-固态开关被分布在每个串的电源单元之中，-在串中的所有的开关被设置成使得它们同时被接通和关断，-每个开关在第一方向上与第一可控半导体并联连接，并且在与第一方向相反的第二方向上与第二可控半导体并联连接，以及-直流电源包括控制单元，被配置成在检测到开关中的故障的情形下通过触发被连接到故障的开关的第一或第二可控半导体的正向偏压来旁路故障的开关。按照本专利技术的直流电源的优点是，当故障的开关被旁路时最終得到的电流路径使得直流电源能够保持运行，只要冗余的开关是可用的。另ー个优点是，直流电源是更鲁棒和更容易维护的。而且，由于固态开关被分布在串中，有可能减小开关的总的电压额定值50%，因为假如使用机械直流断路器则断路器必须具有等于直流电源的全部电压的断开能力，以便能够使得直流电源分别与正的和负的直流母线断开。所谓直流电源构件是指能够提供直流功率的小的实体，诸如电池单元、光电池、燃料电池、飞轮或超级电容器。不同类型的直流电源构件也可以被组合在直流电源中。在串中的所有的开关被设置成使得它们同时接通和关断，暗示当串被断开时每个开关只必须承担跨直流电源的电压的对应部分。这个实施例消除由于某些开关比起串中的其它开关更早关断而造成过压的风险。按照本专利技术的实施例，每个固态开关包括可控半导体。固态开关例如是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。按照本专利技术的实施例，每个开关配备有栅极控制単元，该栅极控制单元被配置成检测开关中的故障和在检测到开关中的故障后通过触发被连接到开关的第一或第二可控半导体的正向偏压来旁路开关。按照本专利技术的实施例，至少ー个第一和第二可控半导体包括晶闸管。替换地，至少ー个第一和第二可控半导体是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。按照本专利技术的实施例，直流电源构件是电池単元。通过使用电池单元作为直流电源构件，有可能在高压电カ系统中存在可用的过多功率的场合下用能量来为高电压直流电源充电，而在系统中功率不足时的另外的场合下，使用高电压直流电源。当串联连接，例如，诸如上述的串，包括多个固态开关时，期望的特征是故障的固态开关变为稳定的短路，而不是开路。通过这个特征，剰余的系统可以继续运行，即使ー个或多个开关有故障，只要提供了一个或多个冗余的开关。大多数市面上可获得的半导体开关，诸如ABB HiPak IGBT模块，当故障时变为开路。因此，这样的经济的器件至今一直不适用于系统和需要器件串联连接的应用。无论如何，这样的IGBT器件，尽管当故障时是开路，仍旧广泛使用于牵引和エ业应用，结果，花费明显低于短路故障模式器件，诸如StakPak IGBT Press-Packs。所谓的短路故障模式器件是指在故障(短路)状态下具有固有的导通能力的器件。而且，在某些产品中，过多的功能性和智能被集成在模块中，例如过流保护、热保护、电流截断等等。本专利技术的优点是它组合上面提到的、当IGBT器件有故障时IGBT器件成为开路的有利的特性与涉及到变为稳定的短路的固态开关的那些有利的特性的能力。按照本专利技术的实施例，每个开关包括多个互联的可控半导体。多个互联的可控半导体的一个示例是多个串联连接的可控半导体。这个特征使得有可能使用即使在它的电压额定值低于必备的电压时也具有足够高的电流额定值的可控半导体。替换地，多个互联的可控半导体是多个并联连接的可控半导体。这个特征使得有可能使用即使在它的电流额定值低于必备的电流时也具有足够高的电压额定值的可控半导体。按照本专利技术的另一方面，这个目的是通过如在权利要求中限定的方法而达到的。这样的方法包括以下步骤 -测量每个开关上的电压，-检测在任何的开关上的电压是否大于阈值，以及-在检测到在所述开关上的电压超过阈值后，通过触发第一或第二可控半导体的正向偏压来执行开关的旁路。按照本专利技术的另ー个实施例，方法还包括以下步骤-当触发的可控半导体被关断时，断开包括开关的串。附图说明參考附图，通过示例更全面地描述本专利技术，其中图I示出按照本专利技术的直流电源的实施例，图2a示出固态开关和并联连接的晶闸管的示意图，图2b示出包括串联连接的两个可控半导体的固态开关和并联连接的晶闸管的示意图，图2c示出包括并联连接的两个可控半导体的固态开关和并联连接的晶闸管的示意图。优选实施例说明按照本专利技术的直流电源的示例被示意在图I中。图I示出按照本专利技术的实施例的、用于被连接到高压电カ系统19的高压功率设备I的直流电源3。高压功率设备的示例是功率补偿器和不间断电源(UPS)。高压电カ系统可以是用于电能传输或输配以及エ业、医院等的网络。在图上相同的标号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于高压功率设备(I)的直流电源(3)，所述直流电源(3)包括 -ー个或多个串(4a-4c)，其包括串联连接的多个直流电源单元，和开关(7，9，11，13)，被配置成连接和断开所述串，其特征在于 -所述开关(7，9，11，13)是被分布在每个串(4a-4c)的电源单元之中的固态开关， -在所述串中的所有的固态开关(7，9，11，13)被设置成使得它们同时接通和关断， -每个开关(7，9，11，13)在第一方向上与第一可控半导体(16)并联连接，且在与所述第一方向相反的第二方向上与第二可控半导体(20)并联连接，以及 -所述直流电源(3)包括控制单元(21)，被配置成在检测到所述开关(7，9，11，13)中有故障的情形下通过触发被连接到故障的开关(7，9，11，13)的第一可控半导体(16)或第ニ可控半导体(20)的正向偏压来旁路所述故障的开关(7，9，11，13)。2.按照权利要求I的直流电源，其特征在于，每个开关(7，9，11，13)配备有栅极控制单元(21)，被配置成检测所述开关(7，9，11，13)中的故障和在检测到所述开关(7，9，11，13)中的故障后通过触发被连接到所述开关(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·帕帕斯特吉奥，W·赫曼森，G·德梅特里亚德斯，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：