用于在直流电网节点的支路中切换直流电流的直流电压开关

摘要

为了实现用于在直流电网节点(1)的支路(2、3、4)中切换直流电流的装置(5、5a、5b、5c)，其具有：在两个接线柱之间延伸的持续电流路径(7)，其中，布置了机械开关(10)；将持续电流路径(7)旁路的切换电流路径(8)，其中，布置了功率开关单元(9)，所述功率开关单元(9)具有可接通可断开功率半导体开关，并且被构造用于在故障情况下中断短路电流；以及纵向电压源(11)，用于在由持续电流路径和切换电流路径形成的网孔中产生反向电压，所述装置(5、5a、5b、5c)在长时间段内也能够经济地控制电网节点上的负载流，建议，所述纵向电压源(11)具有用于连接和断开电力的部件(23)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在直流电网节点的支路中切换直流电流的装置，其 具有：其中布置了机械开关的持续电流路径；将持续电流路径旁路的切换电 流路径，其中布置了功率开关单元，所述功率开关单元具有可接通可断开功 率半导体开关并且被构造用于在故障情况下中断短路电流；以及纵向电压 源，用于在由持续电流路径和切换电流路径形成的网孔中产生反向电压。

背景技术

例如从WO 2011/057675 A1已经知道这样的装置。其中描述了一种直流 电压开关，其具有带有机械开关的持续电流路径以及与持续电流路径并联连 接的断开支路。在断开支路中布置了功率半导体开关的串联电路的形式的功 率开关单元，功率半导体开关分别与一个续流二极管反向并联连接。功率开 关单元的功率半导体开关和续流二极管反向串联地布置，也就是说，可断开 功率半导体开关串联地布置，其中，对于每个功率半导体开关，设置一个相 应的具有相反的导通方向的功率半导体开关。以这种方式，在断开支路中通 过功率开关单元可以中断两个方向上的电流。在运行电流路径或者持续电流 路径中，除了机械开关之外，还布置了与机械开关串联的电子辅助开关。在 正常运行时，电流经过运行电流路径并且由此经过电子辅助开关并且经过闭 合的机械开关流动，因为断开支路的多个功率半导体开关对于直流电流来说 是高阻。为了例如中断短路电流，将也可以称为纵向电压源的电子辅助开关 转换到其分离位置。由此运行电流路径中的电阻增大，从而直流电流换向到 断开支路中。因此机械断路开关能够无电流地断开。经过断开支路传导的短 路电流可以通过功率开关单元被中断。为了吸收存储在直流电网中的、在切 换时要减少的能量，设置了放电器，其与断开支路的功率半导体开关分别并 联连接。

在DE 694 08 811 T2中并且在US 5,999,388中公开了用于在高电压的情 况下切换短路电流的其它直流电压开关。

开头提及的装置具有以下缺点：该装置不能用于负载流(Lastfluss)控 制，因为在纵向电压源上产生的损耗然后在较长的时间段上或者甚至持续地 出现。这从经济或者生态学的观点是不能忍受的。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种开头提及的类型的装置，其 还能够用于经济地在长时间段内控制电网节点上的负载流。

本发明通过纵向电压源具有用于连接和断开电能的部件来解决上述技 术问题。

根据本发明的装置由于该用于接通和断开电力的部件，还能够在长时间 段内用于负载流控制，因为该用于接通和断开电力的部件使得能够将例如由 纵向电压源输出的电力以有意义的方式用于任意目的。相反，如果纵向电压 源需要电力，例如以使其支路中的负载电流减小，则可以由独立的源向该纵 向电压源供应所需的电力。断开的电力可以用于供应位于该直流电网节点附 近的、例如与另一个能量源或者与附加用电设备连接的电网。代替电网，也 可以将用电设备直接与用于连接和断开电力的部件连接。用电设备例如与替 代能量源连接。然而，用电设备同时也可以是能量存储器，例如水力存储器、 机械能存储器、电能或者化学能存储器。于是在需要时用电设备成为能量源。 如已经描述的那样，用电设备也可以是典型的耗能设备，例如工厂、居住区 等。

然而，提供特别优点的是，用于连接和断开电力的部件与至少另一个装 置的用于连接和断开电力的部件耦合，所述至少另一个装置布置在同一直流 电网节点的另一个支路中用于切换直流电流。根据本发明的该有利构造，例 如可以将在一个支路中取出的电力耦合到布置在另一个支路中的具有相同 构造的装置的纵向电压源中。在这种情境下，完全不需要对直流电网节点的 所有支路配备根据本发明的装置。相反，当直流电网节点的至少两个支路具 有根据本发明的装置，并且这两个根据本发明的装置经过用于连接和断开电 力的部件彼此耦合时就足够了。此外，这里又可以想到设置独立的能量源或 者能量存储器，其暂存尽管耦合了两个装置、但是仍然出现的过剩的能量或 者电力，并且在必要时又将其返回到总系统中。也可以向用电设备供应过剩 的电力。为了进行完全的负载流控制，一个直流电网节点处的根据本发明的 装置的数量比所述电网节点的支路的数量少1。也就是说，如果n是直流电 网节点的支路的数量，则根据m＝n-1来计算进行完全负载流控制所需的根 据本发明的装置的数量m。

根据本发明，提供一种装置，其能够经过其用于连接和断开电能的部件 与同样具有用于连接和断开电能的部件的其它装置耦合。根据本发明的装置 被设置为在高压直流电网中使用，其中，能够经过低压母线耦合多个装置。 这使电力交换的开销显著减少。在本发明的范围内，在两种情况下使用根据 本发明的装置的纵向电压源。这样，当例如要中断短路电流时，一方面其用 作换向电压。首先，在特定时间段内检测到大的电流增大和/或过高的电流。 随后，向持续电流路径中的机械开关的触发单元发送触发信号。同时，接通 切换路径中的功率半导体单元的功率半导体开关。最后，产生反向电压，其 在由持续电流路径和切换电流路径形成的网孔中产生与持续电流路径中的 要切换的短路电流反向的回路电流。纵向电压源例如主动产生反向电压。与 此不同，如在开头提及的文献中那样，纵向电压源作为电子辅助开关来实现。 例如具有反并联的续流二极管的IGBT或者IGCT适合作为电子辅助开关。 当然，也可以使用反向串联地布置的多个串联连接的电子辅助开关。辅助开 关的断开可以等同于施加克服持续电流路径中的电流流动的反向电压。借助 纵向电压源，使电流换向到断开支路中，从而机械开关无电流地断开。短路 电流的实际中断在功率开关单元中进行。然而，这例如从WO 2011/057675 A1 已知，从而可以省略对这一点更详细的说明。

根据本发明，纵向电压源与配置用于交流电流的低压母线连接。在此， 低压意为与几百千伏的支路的运行电压相比的几千伏的电压。

根据本发明的优选构造，将纵向电压源布置在持续电流路径中。在这种 情况下，为了产生反向电压所需的能量，可以直接从串联连接了根据本发明 的装置的支路取出，例如用于对电容器充电或者用于操作功率电子器件。

原则上，在本发明的范围内，纵向电压源可以任意地构造。然而，在纵 向电压源具有配备了能量存储器和功率半导体电路的至少一个子模块时，将 看到特别的优点，其中，每个子模块具有用于连接和断开电力的部件。如果 设置了多个这种类型的子模块，则将这些子模块彼此串联连接。在用于能量 传输和能量分配的所谓的模块化多电平变换器中也使用这样的子模块。

有利的是，每个子模块具有半桥电路。这样的半桥电路配备了由两个功 率半导体开关的串联电路构成的功率半导体电路，其中，所述串联电路与能 量存储器、例如单极存储电容器并联连接。所述串联电路的两个功率半导体 开关之间的电势点与第一接线柱连接，其中，所述能量存储器的一个极与子 模块的第二接线柱连接。

在需要时，功率半导体开关与反向续流二极管并联连接。例如考虑IGBT 或者IGCT作为功率半导体开关。由于该半桥电路，可以在每个子模块的接 线柱上产生降落在能量存储器上的能量存储器电压U_C或者零电压。因此， 根据该有利扩展方案，纵向电压源可以仅在一个方向上主动产生反向电压。 这样，于是当要施加的反向电压的方向已知时，半桥电路特别 适合。

然而，为了能够在两个方向上建立电压，具有全桥电路的子模块是有利 的。这些子模块也串联连接，从而纵向电压源由子模块的串联电路构成。具 有全桥电路的子模块分别配备了两个由两个功率半导体开关构成的串联电 路，其中，第一串联电路的两个串联连接的功率半导体开关之间的电势点与 第一接线柱的连接，并且第二串联电路的两个功率半导体开关之间的电势点 与第二接线柱连接。两个串联电路与能量存储器并联连接。因此，全桥电路 总共具有四个功率半导体开关。这些功率半导体开关中的每一个在需要时又 与续流二极管反并联连接。由于这种电路布置，可以在每个子模块的接线柱 上产生降落在能量存储器上的能量存储器电压U_C、零电压或者反向能量存 储器电压-U_C。因此，使用这样的全桥子模块的串联电路可以在两个反向上 建立反向电压，其中，最大反向电压取决于子模块的数量。通过在对功率半 导体开关进行控制时使用脉冲宽度调制，可以使反向电压在一定程度上连续 地在最大正向能量存储器电压和最大反向能量存储器电压之间变化。

合适的是，通过用于连接和断开电力的部件可以产生低压范围内的交流 电压。交流电压具有可以简单地、例如通过感应并且以低成本地耦合到其它 产生交流电压的用于连接和断开电力的部件的优点。

根据与此相关的合适的扩展方案，用于连接和断开电力的部件具有至少 一个与能量存储器并联连接的、由两个可接通可断开功率半导体开关构成的 串联电路和线圈。所述线圈以其接线柱中的一个与所述串联电路的功率半导 体开关之间的电势点连接。根据与此相关的扩展方案，除了线圈之外，还使 用至少一个电容器。也可以使用两个进行硬开关的全桥形式的串联电路，其 中，两个串联电路的两个功率半导体开关之间的电势点与线圈的不同的接线 柱连接。

合适的是，所述线圈与布置在直流电网节点的另一个支路中的另一个根 据本发明的装置的纵向电压源的线圈感应耦合。该感应耦合例如经过单个的 变压器进行。这些单个的变压器具有与低压母线连接的次级绕组。也可以将 所有线圈布置在一个共同的变压器上。

本发明同样涉及一种具有支路的电网电压节点，其中，在至少两个支路 中布置了根据本发明的装置。合适的是，至少两个根据本发明的装置的用于 连接和断开电力的部件经过低压母线彼此耦合。例如所述低压母线被配置用 于交流电压。

附图说明

本发明的其它合适的构造和优点是下面参考示出的附图对本发明的 实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记表示具有相同作用的部件， 并且其中：

图1示出了具有一系列支路的直流电网节点，在这些支路中分别示 意性地示出了根据本发明的装置的实施例，

图2示意性地示出了根据本发明的装置的实施例，

图3示出了根据图2的装置的纵向电压源的实施例，

图4示出了包括用于连接和断开电力的部件的纵向电压源的子模块，

图5示出了具有三个支路的根据本发明的直流电网节点的另一个实 施例，其中，分别布置了根据本发明的装置的实施例，

图6至11分别示意性地示出了用于连接和断开电力的部件的实施 例，以及

图12至14示出了用于耦合通过用于连接和断开电力的部件可产生 的交流电压的变压器的实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的直流电网节点1的实施例，其具有一系列支路 2、3、4，在这些支路中分别布置了根据本发明的装置5的实施例。每个装 置5具有在图中未示出的用于连接和断开电力的部件，其中，用于连接和断 开电力的部件经过低压母线6彼此连接。以这种方式，使得能够在装置5a、 5b、5c之间进行电力交换。

图2更详细地示出了根据本发明的装置5的实施例。装置5具有持续电 流路径7以及布置了功率开关单元9的断开电流路径8。功率开关单元9被 构造用于中断由多达500kV的高压驱动的大的短路电流。这样的功率开关 单元对于本领域技术人员来说是公知的，从而对于这一点不详细描述其构 造。例如其具有分别与续流二极管反向并联连接的IGBT、IGCT、GTO等功 率半导体开关的串联电路。在此，功率半导体开关以及由此与其对应的续流 二极管并非全部沿相同的电流方向取向。相反，功率半导体开关的反向串联 布置使得能够在两个方向上切换电流。与功率半导体开关并联连接的放电器 用于减少在进行切换时释放的能量。

在持续电流路径7中布置了快速机械开关10，其在正常运行时闭合。此 外，示意性地示出了纵向电压源11和用于耦合装置5a、5b、5c的低压母线 6。如已经说明的那样，纵向电压源在由持续电流路径7和断开路径8构成 的网孔中主动产生反向电压。所述反向电压在网孔中保证与持续电流路径中 的工作直流电流相反的回路电流。由此可以限制或者完全抑制在持续电流路 径中产生的电流。

图3示出了这里由子模块12的串联电路构成的纵向电压源11的实施例。 子模块12分别具有第一接线柱13以及第二接线柱14。在此，接线柱13和 14布置在持续电流路径7中，在那里它们在正常运行时传导直流电流。此外， 每个子模块具有第一交流电压接线柱15以及第二交流电压接线柱16。两个 交流电压接线柱15和16分别与低压母线6连接。在此，例如可以使用电感、 变压器等，稍后还要更详细对其进行描述。

图4更详细地示出了子模块12的实施例，其中，在图4中示出的子模 块具有全桥电路。换句话说，该子模块12具有由两个功率半导体开关单元 18构成的第一串联电路。每个功率半导体开关单元18由作为功率半导体开 关的IGBT 19以及由与其反并联连接的续流二极管20构成。此外，可以看 到第二串联电路19，其同样由两个功率半导体开关单元18形成。第一串联 电路17和第二串联电路21分别与作为存储电容器构造的能量存储器22并 联连接。第一串联电路17的功率半导体开关单元18之间的电势点与第一接 线柱13连接，并且第二串联电路21的功率半导体开关单元18之间的电势 点与子模块12的第二接线柱14连接。此外，设置了用于连接和断开电力的 部件23，其具有由两个功率半导体开关单元18构成的串联电路24，其中， 串联电路24的功率半导体开关单元18之间的电势点与第一交流电压接线柱 15连接。第二交流电压接线柱16经过电容器25连接到能量存储器22的极。 此外，用于连接和断开电力的部件23具有电感26，电感26与低压母线6 的电感27耦合。由于没有接地，电感或者线圈26必须不被构造为用于500kV 范围内的高压。由于其连接到能量存储器的极中的一个，也就是说连接到中 间回路，因此在中间连接了电容器的情况下，通过其可产生的交流电压位于 低压范围内。

图5示出了具有三个支路2、3、4的根据本发明的直流电网节点1的另 一个实施例，在这些支路中分别布置了根据本发明的装置5a、5b或5c的实 施例。如已经结合图1至4的描述所说明的那样，每个装置5a、5b或5c分 别具有布置在切换电流路径8中的功率开关单元9。在持续电流路径7中又 布置了机械隔离开关(Freischalter)10和由子模块12的串联电路构成的纵 向电压源11，其中，每个子模块配备了用于连接和断开电力的部件。这些用 于连接和断开电力的部件经过低压母线彼此耦合。

图6又示出了具有全桥的子模块12，已经结合图4对其进行了描述。然 而，在图6中示出了没有用于连接和断开电力的部件的子模块12。替代地， 示出了用于与用于连接和断开电力的部件23连接的直流电压侧连接点P和 N。

在图7、8、9、10和11中，示出了用于连接和断开电力的部件23的不 同的构造。图7示出了用于连接和断开电力的部件23的第一实施例，已经 结合图4对其进行了描述。图8示出了用于连接和断开电力的部件23的另 一个实施例，其与根据图7的示例相对应地作为半桥构造，并且具有由两个 功率半导体开关单元18构成的串联电路24，其中，串联电路24与由两个电 容器C_DC构成的串联电路并联连接。两个电容器之间的电势点与线圈26的 第一接线柱连接，其中，线圈26的另一个接线柱与串联电路24的功率半导 体开关单元18之间的电势点连接。像在图7中示出的用于连接和断开电力 的部件的构造一样，根据图8的实施例是硬开关半桥。然而，与图7相比， 中间回路由作为分压器的电容器C_DC实现。

图9示出了用于连接和断开电力的部件23的另一个实施例，其除了由 两个功率半导体开关单元构成的第一串联电路之外，还具有由两个功率半导 体开关单元18构成的第二串联电路29。第一串联电路24的功率半导体开关 单元18之间的电势点经过第一交流电压接线柱15与线圈26的第一接线柱 连接，而第二串联电路29的功率半导体开关单元18之间的电势点经过第二 交流电压接线柱16与线圈26的另一个接线柱连接。可以将根据图9的电路 称为硬开关全桥。

根据图10的实施例最大程度地对应于根据图9的实施例，然而其中， 在第一交流电压接线柱15、也就是交流电压侧布置了电容器C_r。相应地， 这是谐振开关全桥。

图11最大程度地对应于根据图7的实施例，然而其中，在线圈26的交 流电压侧布置电容器作为谐振电容器。由此可以将根据图11的用于连接和 断开电力的部件23称为谐振开关全桥。

对于实施例7至11，可以总结为用于连接和断开电力的部件既可以作为 进行硬开关、也可以作为进行谐振开关的半桥或全桥来实现。谐振电路具有 可实现更高的时钟频率并且由此用于将不同的根据本发明的装置的电感进 行耦合的变压器的尺寸更小的优点。

在图12、13和14中示出了这样的变压器30的可能的实现方式。在根 据图12的实施例中，设置了多个单个的变压器30。每个单个的变压器30 的初级绕组由用于连接和断开电力的部件23的线圈26形成。其经过变压器 30的铁芯31与次级绕组32耦合。所有次级绕组经过母线6彼此连接。

图14示出了具有三个变压器30的实施例。变压器30的次级绕组又经 过母线6彼此连接。然而，次级绕组分别与用于连接和断开电力的部件23 的多个电感或线圈26耦合。相对于实施例12和14，根据图13的变压器30 没有次级绕组和母线6。相反，用于连接和断开电力的部件的电感仅经过变 压器的铁芯31彼此耦合。在这种情况下，交换的电力相加为零。