CN101253664A - 带有分布储能器的变流电路 - Google Patents

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CN101253664A CNA2006800312755A CN200680031275A CN101253664A CN 101253664 A CN101253664 A CN 101253664A CN A2006800312755 A CNA2006800312755 A CN A2006800312755A CN 200680031275 A CN200680031275 A CN 200680031275A CN 101253664 A CN101253664 A CN 101253664A
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Abstract

本发明涉及一种包括至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)具有上部和下部换流阀(T1，...，T6)，所述相位模块(100)的直流端与正极和负极直流母线(P0，N0)导电相连，每个换流阀(T1，...，T6)具有至少两个串联的两极子系统(10)。根据本发明，每个子系统(10)的接线端子(X1，X2)上并联有一个保护零部件(12)。由此而实现的带有分布储能器的变流电路可在故障情况下以冗余方式进行工作。

Description

带有分布储能器的变流电路
技术领域
本发明涉及一种权利要求1前序部分所述的变流电路。
背景技术
DE 101 03 031 A1中公开过这种类型的变流电路，图1显示的是这种变流电路的等效电路图。如该等效电路图所示，这种已知的变流电路具有三个都用100表示的相位模块。这些相位模块100的直流(DC)端分别与正极直流母线P0和负极直流母线N0电相连。这两根直流母线P0和N0之间存在一个直流电压，对此不作详细描述。每个相位模块100均包括一个上部换流阀T1、T3、T5和一个下部换流阀T2、T4、T6。这些换流阀T1-T6中的任何一个都包括一定数量的彼此串联的两极子系统10。这个等效电路图对其中的四个子系统10进行了图示。每个相位模块100中两个换流阀T1和T2、或者T3和T4、或者T5和T6之间的连接点都构成这个相位模块100的交流(AC)端接点L1、L2、L3。由于这个示意图中的变流电路具有三个相位模块100，因而可在这些相位模块的交流端接点L1、L2和L3(又称“负载端子”)上连接三相负载，例如交流电动机。
图2对两极子系统10的已知实施方式的等效电路图进行了详细图示。图3所示的电路布置图是一种就功能而言完全等效的实施方案，同样也是DE101 03 031 A1中所公开的实施方案。这种已知的两极子系统10具有两个可关断半导体开关1和3、两个二极管2和4以及一个单极存储电容器9。两个可关断半导体开关1和3串联，这一串联连接又与存储电容器9并联。每个可关断半导体开关1和3分别与两个二极管2和4中的一个并联，且其连接方式使得二极管与对应的可关断半导体开关1或3反向并联。子系统10的单极存储电容器9或者由一个电容器构成，或者由复数个这种电容器构成的一个总电容为C0的电容器组构成。可关断半导体开关1的发射极与二极管2的正极之间的连接点构成子系统10的接线端子X1。两个可关断半导体开关1和3与两个二极管2和4之间的连接点构成子系统10的第二接线端子X2。
在图3所示的子系统10的实施方式中，这个连接点构成第一接线端子X1。可关断半导体开关1的集电极与二极管2的负极之间的连接点构成子系统10的第二接线端子X2。
在附图所示的子系统10的两种实施方式中，存储电容器9的两个接头都伸到子系统10的外部，并构成两个接线端子X3和X4。如图2和图3所示，可关断半导体开关1和3用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。也可使用MOS场效应晶体管(也称为“MOSFET”)。此外，还可使用栅极可关断晶闸管(又称“GTO晶闸管”)或集成栅极换流晶闸管(I GCT)。
根据DE 101 03 031 A1所述，可将图1所示变流电路的任何一个相位模块100中的子系统10控制在操作状态I和II。当子系统10处于操作状态I时，可关断半导体开关1导通，可关断半导体开关3断开。在此情况下，子系统10的接线端子X1和X2上的端电压UX21等于零。当子系统10处于操作状态II时，可关断半导体开关1断开，可关断半导体开关3导通。在此情况下，端电压UX21等于存储电容器9上的电容器电压UC。
图4显示的是DE 102 17 889 A1中所公开的、适用于子系统10的另一种实施方式的等效电路图。子系统10的这种实施方式的形式为一电压变换器的全桥电路，只是这个全桥电路在此用作单个的二端网络。这个桥接电路由包括可关断半导体开关1、3、5和7，这些可关断半导体开关分别与一个二极管2、4、6和8反向并联。这个桥接电路的直流端接点上连接有一个存储电容器9，存储电容器9可充电至电压UC。为此须将可关断半导体开关1、3、5和7断开。通过对可关断半导体开关1、3、5和7进行通断操作可实现多种操作状态，无论电流方向如何，借助于这些操作状态可使子系统10的接线端子X1和X2上的端电压UX21变成正值、负值或等于零。这种实施方式比图2或图3所示的实施方式多了一种操作状态III，当子系统10处于这种操作状态时，子系统10的端电压UX21等于存储电容器9上电容器电压UC的负值。采用这种实施方式时，存储电容器9的接头也伸到子系统10的外部，并表示为X3和X4。
为能使图1所示的变流器以冗余方式工作，必须确保子系统10在发生故障的情况下，其接线端子X1和X2保持持续短路的状态。也就是说，故障子系统10的端电压UR21为零。
当子系统10中的其中一个可关断半导体开关1、3、5或7或者相应的控制电路发生故障时，这个子系统10将无法正常工作。也就是说，无法将子系统10转换到操作状态I、II或III。如果将子系统10的接线端子X1和X2短路，就无法再向这个子系统10输送能量。通过这一措施可在变流器的进一步工作过程中可靠地排除发生后续损害(例如过热和火灾)的可能性。故障子系统10的接线端子X1和X2之间的这种短路式导电连接必须至少能够可靠地承载故障子系统10所在的相位模块100中的换流阀T1、...、T6的工作电流，且不发生过热。
US 5,986,909 A中公开了一种变流电路，在这种变流电路中，每个相位模块都具有至少两个串联的子系统。这种已知的变流电路将变频器用作子系统，这些变频器在其线路侧具有一个非受控六端二极管电桥，在其负载侧具有一个两相自换相脉冲变流器。这两个变流器的直流端通过直流链路彼此电相连。这些子系统的线路侧分别与电源变压器的次级绕组相连。相位模块的子系统在其负载侧彼此串联。在这种已知的变流电路中，发生故障的子系统被短路，其中，每个子系统负载侧接点的旁路开关用的是一个电磁开关、一个弹簧触点、复数个反向并联晶闸管或两个反向串联的可关断半导体开关。机械式短路器的机械结构由于其机械设计的原因必须经常维护。电气短路器需要配备控制装置和电位较高的电源，其中，控制装置的控制侧与变流器控制器之间必须存在可以传输信号的连接。
DE 103 23 220 A1中也公开了一种变流电路，这种变流电路的相位模块也具有至少两个串联的子系统。这种已知变流电路的每个子系统的形式都是电压变换器的全桥电路，只是这个全桥电路在此用作单个的二端网络。这个桥接电路由四个与二极管反向并联的可关断半导体开关构成。桥接电路的直流端接点上连接有一个存储电容器。为了能将发生故障的子系统短路，每个子系统都具有一个与存储电容器并联的保护零部件。反回振荡二极管或短路晶闸管用作保护零部件。如果使用短路晶闸管(以低电感方式连接在存储电容器上)，就还需配备传感器电路和触发电路。
当子系统的可关断半导体开关发生故障时，会产生一个较高的短路电流，这个短路电流会引起电弧，甚至还会使半导体模块发生爆炸。存储电容器被这个短路电流放电。在与存储电容器并联的反回振荡二极管的作用下，短路电流从故障半导体模块换向到这个反回振荡二极管，反回振荡二极管被设计为：当子系统发生故障时，反回振荡二极管就短路。采用短路晶闸管时，借助传感器电路对直流端短路进行识别，传感器电路启动促使触发电路，从而使短路晶闸管受到触发，当短路电流换向到短路晶闸管上时短路。这种保护电路设计的缺点在于必须改变子系统的结构。此外还需布置可在短短几毫秒内触发短路晶闸管的传感器电路和触发电路。除此之外，短路晶闸管必须以低电感方式连接在存储电容器上。
发明内容
因此，本发明的目的是对已知的带有分布储能器的变流电路进行改进，从而达到消除上述缺点。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的特征而达成。
通过在每个子系统的接线端子上并联一个保护零部件，可使这个子系统在故障情况下发生短路。由于保护零部件是连接在子系统的接线端子上，因此，子系统的结构保持不变。通过这种方式可为尚不具有保护零部件的子系统加装保护零部件。保护零部件被设计为可在吸收规定量的过电压能量后转入一个类似短路的状态。也就是说，当相应的子系统发生故障时，这些保护零部件会短路，从而使这个子系统短路。
为能使故障子系统的保护零部件短路，须先测定变流电路相位模块中发生故障的子系统。发生故障的子系统一旦得到定位，就选择性地驱动一个或多个未发生故障的子系统，将规定量的过电压能量输送到故障子系统。为了达到这个目的，可将故障子系统所在的变流电路相位模块中的至少一个子系统转换到操作状态I，并使其在预定的时间段内处于这个操作状态。此外，分别将变流电路中未发生故障的相位模块的至少一个子系统转换到操作状态II，并使其在预定的时间段内处于这个操作状态。
作为将故障相位模块中的一个子系统额外地转换到操作状态I、将无故障相位模块中的一个子系统额外地转换到操作状态II这种方案的替代方案，也可以将无故障相位模块的所有子系统都转换到操作状态II，将故障相位模块中所有未发生故障的子系统转换到操作状态I。借此可在故障子系统上施加一个最大的可调过电压，从而使一个可使保护零部件短路的电流流过这个输入端保护零部件。
为了将流过保护零部件的这个电流的峰值限制在正常可关断半导体开关所允许的值上，需要适当地调整开关周期。被额外地转换到操作状态I和II的子系统的数量可用来递增地调整施加到故障子系统上的过电压。
附图说明
下面借助附图和附图所示的本发明的保护零部件的多个实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为已知的带有分布储能器的变流电路的等效电路图；
图2为已知子系统的第一实施方式的等效电路图；
图3为已知子系统的第二实施方式的等效电路图；
图4为已知子系统的第三实施方式的等效电路图；
图5至图10详细地图示了本发明的保护零部件的不同实施方式。
具体实施方式
图5显示的是用于图2或图3所示的子系统10的第一保护零部件12。设置有一个用作保护零部件12的二极管14。也可设置多个串联的二极管来代替这一个二极管14。这个保护零部件12通过其接线端子16和18连接在图2或图3所示的子系统10的接线端子X1和X2(特别是端子X1a和X2a)上。
图6显示的是本发明的保护零部件12的第二实施方式。此处将一个晶闸管20作为保护零部件12，晶闸管20具有一个所谓的有源箝位电路22。这个有源箝位电路22包括至少一个齐纳二极管24，齐纳二极管24的负极侧与晶闸管20的正极端子26相连，正极侧通过栅电阻28与晶闸管20的栅极端子30相连。齐纳二极管24在其正极侧还通过电阻32与晶闸管20的负极端子34电连接。当晶闸管20正极26上的电压超过齐纳二极管24的齐纳值时，齐纳二极管24就开始导电，并将晶闸管20导通。在此情况下流过晶闸管20的电流可使晶闸管20安全地短路。晶闸管20被设计为使得这个电流安全地导致短路。
图7所示的保护零部件12的实施方式很大程度上与图6所示的实施方式相同。二者间的区别在于，图7所示的实施方式还包括一个与晶闸管20的正极-负极通路并联的RC电路36。这个RC电路36具有一个电容器38和一个电阻器40，电容器38与电阻器40串联。借助这个RC电路36，可对相关子系统10的可关断半导体开关1和3的通断过程的转换沿进行缓冲。这样可避免保护零部件12被子系统10的转换沿驱动。
图8详细地显示了保护零部件12的另一种实施方式。这个保护零部件12包括两个反向串联的二极管14和42。采用这种建构方式的保护零部件12可以接收正电压和负电压。也就是说，在子系统未发生故障的情况下，子系统的输入端不会发生短路。因此，保护零部件12在子系统未发生故障的情况下必须具有肯定能安全地接收子系统上的端电压UX21。由于在图4所示的子系统10的实施方式中，子系统10的端电压UX21(与图2或图3所示的子系统10的端电压UX21不同)也可以为负电压，因而需要设置一个可在两个方向上接收电压的保护零部件12。也可以分别用复数个二极管来代替二极管14和/或42。
图9所示的保护零部件12的实施方式很大程度上与图6所示的实施方式相同。二者间的区别在于，在齐纳二极管24的正极侧与栅电阻28之间连接有至少一个去耦二极管44。为此，这种去耦二极管44的负极侧与栅电阻28导电相连，正极侧与齐纳二极管24的正极导电相连。在这种附加的去耦二极管44的作用下，保护零部件12可在两个方向上接收电压。因此，这个保护零部件12可以通过其接线端子16和18与图4所示的子系统10的接线端子X1和X2(特别是端子X1a和X2a)并联。
图10所示的保护零部件12的实施方式与图9所示的实施方式相对应，额外地设置有一个与晶闸管20的正极-负极通路并联的RC电路36。
下面借助图1所示的等效电路图对本发明的控制方法进行详细说明：
在图1所示的等效电路图中，换流阀T2的一个子系统10发生了故障。这一点用阴影线表示。在图1所示的这个三相变流电路的相位模块100中还插入了附加的阻抗Z，这些阻抗代表存在于半个电桥中的电感(杂散电感)和欧姆电阻的总和值。除这些寄生阻抗外，还可在相位模块100中布置分立的零部件。
通过电压检测并将检测到的电压与预定公差带进行比较来测定子系统10有否发生故障。此外，其他方面的故障也会导致子系统发生故障：例如电子设备发生故障、或者通讯受到干扰。这些方面的故障(通过控制装置加以识别)必然也会导致子系统发生短路。当换流阀T2的画有阴影线的子系统10发生故障时，可用来产生规定过电压能量从而使换流阀T2的画有阴影线的子系统10的保护零部件12短路的最大能量是，包括换流阀T3和T4的相位模块100和包括换流阀T5和T6的相位模块100这两个相位模块的所有子系统10中包含的能量。为了达到这个目的，可将这两个未发生故障的相位模块100的所有子系统10都转换到操作状态II，而将发生故障的相位模块100中所有未发生故障的子系统10都转换到操作状态I。当处于操作状态II时，子系统10上的端电压UX21等于存储电容器9上的电容器电压UC。当处于操作状态I时，子系统10上的端电压UX21等于零。对子系统10进行过这种控制后，会产生图1中用箭头标注的电流iK1、iK2和iK3。为了将这些电流iK1、iK2和iK3的峰值限制在子系统10的无故障可关断半导体开关1、3、5和7所允许的值，这些操作状态II和I中每个的时间段必须是适当调节的。可以在了解阻抗Z的情况下预先确定这一时间段。通过对子系统10进行这种形式的控制，故障子系统10上会产生一个过电压，其能量会被相应的保护零部件12所吸收。这个保护零部件12由此而进入短路状态，即保护零部件12短路。
由于可供使用的最大能量比较充分，因而可对上文所述的控制方法进行改进。根据改进的控制方法，相对于正常工作状态而言，在故障的相位模块100(即在图1所示的等效电路图中包括两个换流阀T1和T2的相位模块100)中，只将一个子系统10额外地转换到操作状态I，并且在无故障相位模块100中，只将各自中的一个子系统10转换到操作状态II。在此情况下，故障子系统10上所产生的电压足以使相应的保护零部件12短路。
每个相位模块100中所用子系统10及其相应的数量必须满足下列条件，即：通过使用未发生故障的相位模块100，既能建立如图1中电流iK2和iK3所示的电流方向，也能建立电流iK1的相反电流方向。
通过对多相变流电路的相位模块100的子系统10进行这种形式的控制，可以相对于正常工作状态而言，只在所述时间段内对直流母线P0和N0上的直流电压和负载端子L1、L2和L3上的交流电压产生很小的影响。
如上文所述，无故障可关断半导体开关所允许的总电流脉冲值的高度可以预先计算出来。如果存在可用的支路电流测量值检测装置，也可对电流脉冲进行测量。在此情况下，也可用可调的可变时间段进行工作，从而实现预定的最大电流。
也可以对与所述时间段相关的上述操作状态进行重复多次的控制，其中，这些被控操作状态的数量和这些重复控制的时间间隔被选择使得故障子系统10的在极限情况下经过彻底放电的存储电容器9可以得到尽可能快的充电。

Claims (18)

1.一种具有至少一个相位模块(100)的变流电路，所述相位模块(100)包括上部和下部换流阀(T1，...，T6)，这些相位模块(100)的直流端与正极和负极直流母线(P0，N0)导电相连，并且每个换流阀(T1，...，T6)包括至少两个导电串联的两极子系统(10)，
其特征在于，
每个子系统(10)的接线端子(X1，X2)上导电并联有一个保护零部件(12)。
2.根据权利要求1所述的变流电路，其特征在于，
每个两极子系统(10)包括两个可关断半导体开关(1，3)、两个二极管(2，4)以及一个单极存储电容器(9)，所述两个可关断半导体开关(1，3)导电串联，这一串联连接与所述单极存储电容器(9)导电并联，每个可关断半导体开关(1，3)与一个二极管(2，4)反向并联。
3.根据权利要求2所述的变流电路，其特征在于，
每个子系统(10)的接线端子(X1，X2)与导电串联的所述半导体开关(1，3)中的下部可关断半导体开关(1)的两个接头导电相连。
4.根据权利要求2所述的变流电路，其特征在于，
每个子系统(10)的接线端子(X1，X2)与导电串联的所述可关断半导体开关(1，3)中的上部可关断半导体开关(1)的两个接头导电相连。
5.根据权利要求1所述的变流电路，其特征在于，
所述两极子系统(10)包括一个存储电容器(9)以及具有反向并联的二极管(2，4，6，8)的四个可关断半导体开关(1，3，5，7)，这些可关断半导体开关(1，3，5，7)构成一个桥接电路，所述桥接电路的直流端接点上连接所述存储电容器(9)，所述桥接电路的交流端接点构成所述子系统(10)的接线端子(X1，X2)。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一个二极管(14)被用作所述保护零部件(12)。
7.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一个晶闸管(20)被用作所述保护零部件(12)，所述晶闸管(20)的正极(26)通过有源箝位电路(22)与所述晶闸管(20)的栅极(30)相连。
8.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
两个反向串联的二极管(14，42)被用作所述保护零部件(12)。
9.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一个晶闸管(20)被用作所述保护零部件(12)，所述晶闸管(20)的正极(26)通过复数个齐纳二极管(24)和复数个去耦二极管(44)与所述晶闸管(20)的栅极(30)相连。
10.根据权利要求7或9所述的变流电路，其特征在于，
所述晶闸管(20)的栅极(30)配有一个栅电阻(28)。
11.根据权利要求7或9所述的变流电路，其特征在于，
所述晶闸管(20)的正极-负极通路上导电并联有一个RC电路(36)。
12.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一种绝缘栅双极晶体管被用作所述可关断半导体开关(1，3，5，7)。
13.根据权利要求1至12中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一种MOS场效应晶体管被用作所述可关断半导体开关(1，3，5，7)。
14.根据权利要求1至12中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一种栅极可关断晶闸管被用作所述可关断半导体开关(1，3，5，7)。
15.根据权利要求1至12中任一项权利要求所述的变流电路，其特征在于，
一种集成栅极换流晶闸管被用作所述可关断半导体开关(1，3，5，7)。
16.一种控制方法，用于根据权利要求1所述的变流电路，该方法包括下列步骤：
a)测定相位模块(100)中发生故障的子系统(10)，
b)如果相位模块(100)中的子系统(10)发生故障，将该发生故障的相位模块(100)中的至少一个子系统(10)额外地转换到操作状态I达预定的时间段，而在每个未发生故障的相位模块(100)中，将至少一个子系统(10)转换到操作状态II达预定的时间段。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，
多次重复所述方法步骤b)，并在这些重复之间遵循预定的时间间隔。
18.根据权利要求16或17所述的控制方法，其特征在于，
测定每个子系统(10)的存储电容器(9)上的电压(UC)，并将这些测定的电压(UC)与预定的公差带相比较，一旦一个子系统(10)的所述电压(UC)处于所述预定公差带之外，该子系统(10)就被确定为发生故障。
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