CN101147307B - 换流器阀 - Google Patents

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Abstract

换流器阀单元，包括多个并联连接的半导体元件(1)、续流二极管(2)和控制单元(6)。

Description

换流器阀
技术领域
本发明涉及电力换流器。本发明特别涉及包括多个串联连接的换流器阀单元的换流器阀。更准确而言，本发明涉及包括多个半导体元件的换流器阀单元。本发明还涉及用于控制这种阀和阀单元的方法。特别地，本发明涉及用于将高压交流电转换成高压直流电的电力换流器的阀单元和用于控制换流器中的电功率流的方法。
应该将半导体元件或半导体这样的表述理解为用于高功率和高电压应用的任何种类的半导体元件。这种半导体特别包括可熄灭型或可关断型半导体。可关断型功率半导体的实例是门极可关断(GTO)晶闸管，以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
背景技术
一种包括具有半导体元件的多个单元的电路经常构成电力换流器的一个整体部分，其中它们被用作为功率电子开关。以串联连接的方式来设置这些开关，其中每个开关能够保持在换流器上所施加的电压的一部分。公知的功率半导体能够维持1至6kV的电压。通过串联连接多个这种开关，换流器可以维持10至500kV范围内的电压。每个开关包括可以串联连接和/或并联连接以获得所需要的性能的多个半导体元件。串联连接将增加电压维持值，串联连接将增加电流容量。
在电压源型换流器(VSC)中，电子功率开关包括关断型半导体。这种换流器经常被用于高压直流(HVDC)应用中，以便将直流电变换成交流电或将交流电变换成直流电。这种换流器还被用于静态无功功率补偿器(SVC)和无功功率补偿(RPC)设施(plants)中，以便平衡电网内的电力传输。
诸如GTO晶闸管和IGBT的半导体适合于高功率应用。后一类型的半导体经常是更可取的，因为它们将良好的功率处理能力与使得它们很适合于串联连接的特性相结合。它们可以被高精确地关断。在这种组合体中，多个IGBT形成电压源型换流器中的阀以便处理高达500kV的电压。
在半导体电路中，可能发生短路情况。在这种情况中，需要能够处理短路的影响。当半导体由于过流或过压被击穿时，该半导体不再能够保持电压。损坏的半导体不能够被控制。它仅能保持小的电压差，并且传导时，将只有低电阻。一种令人不悦的性能是热产生。令电流流过损坏的半导体将产生压降大约为10-20V的电弧，所述电弧将产生大量的功率消耗。这可以发展成组件的熔化或发展成毁坏整个阀的火。
换流器阀包括串联连接的多个半导体阀单元。这些阀单元中的每个设计成处理所述阀的全部电压的确定部分，并且传输阀的总电流。每个阀单元包括多个并联连接的半导体元件。每个并联连接的半导体元件于是设计成传输通过阀单元的总电流的一部分。现在，如果这些半导体元件中的一个失效，那么那个阀单元将不再能够保持电压差。当将整个阀控制成闭合电路时，所述电流的一部分或总电流将通过有故障的半导体，因此导致热产生。
为了避免这种情况，现今所使用的半导体元件包括在严重的击穿已经发生之后呈现闭合电路的特殊特点。通过呈现闭合电路，将不会有热在有故障的半导体中产生。因此，在所描述的情形中，在一个阀单元中的半导体元件还能够传输与当所有的半导体元件有效时传输的电流相同的电流。因此，当阀单元中的半导体中的一个失效时，控制该单元中的其它半导体以呈现稳定的闭合电路。这将导致该单元不再能够保持电压，但是仍然能够传导电流而没有热产生。
然而，从电压方面，失效单元将不承受任何电压，因为至少一个半导体单元总是短路的。这具有的影响是阀上施加的通常由多个开关单元分担的电压现在只能由除了一个以外的相同数目来分割。因为串联连接的单元的数目通常在100至500的范围内，所以电压超载在0.2至10％的范围内。这完全在半导体元件的电压超载容限内。
使用针对这些情形而特别设计的半导体元件的技术起到了非常好的作用。然而，生产这些半导体元件是非常昂贵的。因此，需要在仍然实现相同性能的情况下降低该换流器的成本。
发明内容
本发明的主要目的是提供包括半导体元件、能够应付故障半导体的影响的换流器阀单元。第二目的是提供感测系统以检测有故障的半导体元件。
本发明的第一方面提供了一种换流器阀单元，该换流器阀单元包括半导体元件，每个半导体元件与一续流二极管反并联连接并且由一控制单元控制。本发明的第二方面提供了一种用于控制上述换流器阀单元的方法。
根据本发明，通过感测通过阀单元的半导体的电流来检测阀单元的故障半导体。当检测到故障半导体时，该阀单元的其余半导体被控制为呈现闭合电路。在本发明的一个实施例中，每个阀单元中的每个半导体元件的电流都被感测。在第二实施例中，设置单个传感器在每个阀单元中检测该单元中的任何半导体元件的故障。优选地，阀的每个单元的半导体被设置成两组。优选地，每组包括相等数量的半导体。
在本发明的实施例中，第一组半导体的导线设置成以第一方向通过感测装置。第二组半导体的导线设置成以第二方向通过感测装置。设置第二方向与第一方向相反。当所有半导体起作用时，以第一方向通过该感测装置的电流总和与以第二方向通过该感测装置的电流总和将是相等的。然而，当半导体中的一个失效时，第一方向的电流总和将不同于第二方向的电流总和。因此，可以通过感测两组导线之间的电流平衡来检测失效半导体。
根据本发明，感测系统和控制系统的使用使换流器阀单元能够由共同“闲置”型的多个半导体元件来设计。这样，当感测到有缺陷的半导体时，该阀单元的所有半导体被控制成导通级(stage)。这导致该阀单元短路，而不承受任何电压。在这种情形中，其余的串联连接的阀单元将必须保持阀上的电压。结果，每个仍然起作用的阀单元必须保留整个阀电压的更多部分。
设置感测单元来感测电流。第一类型的传感器是电流路径中的小电阻器，确定在其上电压。第二类型的传感器是能够感测由电流所产生的磁通量改变的器件。一个这样的传感器是诸如铁氧体这样的可磁化材料的环，其包括围绕所述环部分的电线圈以便感测穿过所述环的电流。另一传感器只是由绝缘的导体形成的电线圈，其感测流过线圈的电流。还有另一传感器是罗柯夫斯基(Rogowski)线圈，其是围绕该导体设置的空心的环形线圈。
在所有半导体元件都起作用的状态中，来自第一组半导体的、以第一方向流动的电流总和等于来自第二组半导体的、以第二方向流动的电流总和。由第一方向的电流所产生的磁通量将与由第二方向的电流所产生的磁通量相等。因此，第二类型的传感器在这种情形中将感测不到什么。在第一组的一个半导体被损坏因而只能带电阻传导电流，而不能保持电压差的情况下，由第一组所传导的电流将小于由第二组所传导的电流。因此，只通过一个第二类型的传感器即可快速地检测到有故障的半导体。传感器还检测两组中的哪组包含有故障的元件。当该阀被停止时可以使用这个信息以便维修。
在本发明的第一方面中，通过包括多个并联连接的半导体元件的换流器阀单元实现该目的，其中该换流器阀单元包括用于感测半导体电流的电流感测装置和用于当检测到有故障的半导体时将该单元的所有半导体控制成为导通级的控制装置。在这个方面的实施例中，所述半导体元件包括具有以第一方向通过该感测装置的导线的第一组和具有以第二方向通过该感测装置的导线的第二组。在这个方面的又一实施例中，所述第一方向与所述第二方向相反。
在本发明的第二方面，通过用于检测换流器阀单元中的半导体元件的方法来实现所述目的，其中所述元件被设置为第一组和第二组。所述第一组的电流被设置成以第一方向通过感测装置，而且所述第二组的电流被设置成以第二方向通过该感测装置。然后流过该感测装置的电流差用来检测损坏的半导体的存在。
附图说明
结合附图根据下面的详细说明，对于本领域的技术人员，本发明的其它特征和优点将变得更加明显。其中：
图1是示出电力换流器的相支路的简图，
图2是根据本发明的阀单元的半导体的设置，
图3是根据本发明的阀单元的半导体的第二设置，以及
图4是罗柯夫斯基线圈。
具体实施方式
图1示意性地示出可以应用本发明的高压换流器电路的相支路。在连接到三相交流电网络的设施(plant)中通常有三个共用一个DC电容器3的相支路。相支路包括第一和第二阀，其中只有第二阀8在图1中被标识出。每个阀包括多个阀单元9，其中只有一个被标识出。每个阀单元包括功率半导体器件，所述功率半导体器件包括半导体1、与该半导体反并联连接的所谓续流二极管2和用于控制该半导体的控制装置6。在所示实施例，半导体是IGBT。实践中，串联连接的阀单元的数目远多于图1中所指出的数目。
串联连接的阀单元与DC电容器3并联连接。第一阀和第二阀8之间的端子4经过相电抗器5连接到例如交流电压网络的一相(未示出)。
通过来自驱动单元6的信号，IGBT阀中的所有功率半导体器件(每个被示意性地指出)都同时接通，使得当在相端子4处需要正电势时，第一IGBT阀中的功率半导体器件导通，而当在相端子4上需要负电势时，第二IGBT阀中的功率半导体器件导通。
通过根据确定的脉宽调制(PWM)模式来控制功率半导体器件，DC电容器3上的直流电压可以用于在相端子4处产生电压，该电压的基波分量是具有期望幅值、频率和相位的交流电压。这样的控制是通过将控制脉冲从控制设备7发送给不同的驱动单元来进行的。通信是通过经光纤的第二通信束11接收来自阀单元的信息和经第一通信束10发送命令脉冲来实现的。
换流器阀单元的第一实施例示于图2中。在本实施中，四个半导体在第一连接点19和第二连接点之间并联连接。阀单元还包括电流感测装置12。半导体设置为第一组13和第二组14，每个半导体具有发射极E、集电极C和栅极G。第一组中的传导路径15、16设置成以第一方向穿过感测装置12。第二组中的传导路径17、18设置成以第二方向穿过感测装置12。该感测装置包括可检测磁通量的装置。因此，当所有路径中的电流相等时，来自第一组的磁通量等于来自第二组的磁通量，由此感测装置感测到没有由路径中的电流所产生的磁通量。然而，如果半导体中的一个被损坏，因而内部电阻增加，那么由第一组的电流路径和第二组的电流路径所产生的磁通量之间将存在差异。因此，当阀单元的半导体中的一个被损坏时，只借助于一个传感器就可检测损坏的或有故障的半导体的存在。
根据本发明的阀单元的第二实施例示出在图3中，该阀单元包括四个半导体单元，所述半导体单元包括与续流二极管2反并联连接的关断型半导体元件1。每个半导体单元包括在第一连接点19和第二连接点20之间并联连接的电流路径15、16、17和18。为了清楚，只有最左边的半导体单元具有参考号。每个半导体单元通过也被称为门控单元的控制装置6来控制。在这个实施例中，每个半导体的发射极E经由感测单元12连接到第二网格点20，以便与阀中的下一个阀单元串联连接。在所示实施例中，传感器12包括电阻器。在所有半导体起作用的阀单元中，对于该单元中的每个半导体，电阻器下游的电压应该相等或几乎相等。微分器21将下游的电压信号23进行比较，并当在这些电压信号中检测到不平衡时，将接通信号22发送给阀单元中的所有半导体或门控单元。
与没有损坏的半导体相比，损坏的半导体将呈现更大的内部电阻。因而，当导通时，将有更小的电流通过有故障的半导体。因此，通过按照图2或图3所示的方法感测电流，有故障的半导体的出现是可检测的。
当检测到有故障的半导体时，该单元(图1)的控制单元6或阀单元的所有的控制单元12(图3)被命令控制同一阀单元的所有半导体成为闭合电路级。
罗柯夫斯基线圈的传感器示于图4中。罗柯夫斯基线圈测量系统的最重要的特性之一是：它是本征线性的。该线圈不包括可饱和的组件，其输出与电流成比例线性地增加，一直到由击穿电压所确定的工作极限。积分器也是本征线性的，一直到电子器件饱和的点。线性使得罗柯夫斯基线圈很容易被校准，因为传感器能够在任何方便的电流电平处被校准，而且该校准对于所有电流将是精确的，包括非常大的一些电流。而且，由于它们的线性，所以传感器具有非常宽的动态范围和极好的瞬时响应。
虽然本发明的实施例是更可取的，但是本发明的范围不局限于所提出的这些实施例，而是还包括对于本领域技术人员显而易见的实施例。例如，用于检测有故障的半导体的感测单元可以包括任何可行的、对于本领域技术人员公知的检测装置。

Claims (4)

1.一种换流器阀单元，包括多个并联连接的半导体元件(1)，每个所述半导体元件(1)与一续流二极管(2)反并联连接并且由一控制单元(6)控制，其特征在于：所述多个并联连接的半导体元件(1)包括半导体元件的第一组(13)和第二组(14)半导体元件，所述换流器阀单元进一步包括能够感测由所述第一组(13)和第二组(14)半导体元件的电流的差异产生的磁通量的改变的电流感测装置(12)，其中所述第一组(13)半导体元件的电流路径(15、16)以第一方向通过所述电流感测装置(12)，以及所述第二组(14)半导体元件的电流路径(17、18)以第二方向通过所述电流感测装置(12)，其中所述第一方向与所述第二方向相反，并且当检测所述第一组和第二组半导体元件的所述电流存在差异时，所述控制单元(6)提供信号，用于控制所述阀单元的所有半导体元件呈现闭合电路级。
2.根据权利要求1所述的换流器阀单元，其中所述半导体元件包括IGBT。
3.一种用于控制包括多个半导体元件(1)、续流二极管(2)和控制单元(6)的换流器阀单元的方法，每个所述半导体元件(1)与一所述续流二极管(2)反并联连接并且由一所述控制单元(6)控制，其特征在于：将所述半导体元件设置为第一组(13)和第二组(14)，感测通过所述第一组半导体元件的电流，感测通过所述第二组半导体元件的电流，将来自所述第一组的电流与来自所述第二组的电流进行比较，当比较产生差值时，由所述控制单元(6)提供信号，用于控制所述阀单元的所有半导体元件呈现闭合电路级。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述感测包括测量由来自所述第一组的电流与来自所述第二组的电流的差异产生的磁通量的变化。
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