CN101473709A - 用于冷却的设备和方法 - Google Patents

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CN101473709A CNA2006800550310A CN200680055031A CN101473709A CN 101473709 A CN101473709 A CN 101473709A CN A2006800550310 A CNA2006800550310 A CN A2006800550310A CN 200680055031 A CN200680055031 A CN 200680055031A CN 101473709 A CN101473709 A CN 101473709A
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Abstract

一种用于冷却高压换流器的设备包括主回路(9)，所述主回路(9)具有：泵装置(10)，用于使冷却液经过换流器的功率半导体器件；以及热交换器(11)，用于在冷却液再次经过功率半导体器件之前降低冷却液的温度。附加回路(12)连接到所述主回路。该附加回路具有冷却装备(13)，所述冷却装备(13)包含冷却介质的容量，并且适于将这种介质冷却到基本上比所述冷却液已通过主回路中的热交换器之后的温度更低的温度。控制单元(17)适于当非常需要冷却换流器的所述功率半导体器件时使所述冷却液的至少一部分转移以流过所述附加回路(12)。

Description

用于冷却的设备和方法
本发明的技术领域和现有技术
本发明涉及用于冷却高压换流器的设备，该设备包括适于引导回路中的冷却液的装置，以及用于使冷却液在所述回路中循环的泵装置，所述回路适于引导所述冷却液经过所述换流器的功率半导体器件，以便吸收由此产生的热能，并且引导所述冷却液经过该设备的热交换器，以便在所述冷却液再次经过所述功率半导体器件之前降低所述冷却液的温度，本发明还涉及根据所附方法独立权利要求的前序部分的方法。
所述高压换流器可以是需要冷却其中包含的所述功率半导体器件的任何类型，诸如电力输送系统的换流站中的换流器，诸如用于HVDC(高压直流)的换流器和用于无功功率控制的静态无功伏安补偿器中的换流器。“高压”通常指的是超过5kV的电压，并且常常高达20kV以上。
较多数目的所述功率半导体器件如晶闸管或IGBT等主要是串联连接在这样的换流器中，以便能够一起保持要在换流器的阻塞状态下保持的高压。
这些功率半导体器件必须在考虑适于冷却换流器的所述设备的冷却能力的情况下为了可能的换流器的最极端操作条件而制定尺寸，所述最极端操作条件诸如与通过换流器输送的最高可能的负荷亦即功率相结合的最高可能的环境温度。这样，这种设备的冷却能力就确定了功率半导体器件的尺寸，该功率半导体器件必须能够经受这些极端条件而不被损坏。这样，如果例如环境温度在一年中的几天可能达到+40℃，则必须在考虑所述设备的冷却能力的情况下为功率半导体器件制定尺寸。然后还必须要考虑的是，对最高可能负荷或过载的需要可能在极高环境温度的这些天期间的短期时间内正好发生。
这就意味着，这种换流器的功率半导体器件对于其大多数的操作时间将会是超尺寸的，这对于静态无功伏安补偿器中的高压换流器特别有效，它们常常浮置，或者以有限输出的方式操作，并且仅仅在短时间内以最大输出的方式操作。可能等同于换流器的若干功率半导体器件并高于正常所需的这种超尺寸非常昂贵，但是对于在前言中限定的类型的冷却设备，它仍然必须存在，以便避免在所述极端条件下其操作的跳闸亦即中断。
发明内容
本发明的目的是提供一种在前言中限定的类型的设备，该设备解决了在所述高压换流器的正常操作条件下成为多余的设备的高成本的所述问题。
根据本发明，通过提供这种设备来获得该目的，所述设备还包括布置在所述回路外部的冷却装备，所述冷却装备包含冷却介质的容量，并且适于将这种介质冷却到基本上比所述冷却液在已经过所述回路中的热交换器之后的温度更低的温度，所述冷却介质容量布置在连接到被称为主回路的所述回路的附加回路中，所述设备包括控制单元，其适于当确定需要冷却所述功率半导体器件，但不可能通过可通过仅在所述主回路中循环所述冷却液获得的冷却液的温度来实现时，控制所述冷却液流的至少一部分从所述主回路转移到所述附加回路，以便使所述冷却液在到达功率半导体器件之前向所述介质传热。
这就意味着功率半导体器件和与其相关联的设备的所述超尺寸可以显著减少，因为它们不再必须为了与通过在所述主回路中循环冷却液而获得的所述装置的冷却能力相结合的这些极端条件来制定尺寸。这就意味着可以为要被由此输送的一定功率选择跨越换流器的较低电压和从中流过的较高电流，这意味着将需要较低数目的功率半导体器件，并且由此可以为这些功率半导体器件和与其相关联的诸如控制设备之类的设备节省成本。这种类型的设备的另一个优点在于，可以在过载的情况下操作所述高压换流器，亦即，当需要输送比通常更多的功率时，在使用所述附加冷却回路时的短时间内，通过所述高压换流器输送比针对连续操作而设计的功率更多的功率就是这种情况。
根据本发明的实施例，所述附加回路沿所述热交换器下游和所述功率半导体器件上游的所述流的方向连接到所述主回路。
根据本发明的另一个实施例，所述控制单元适于控制所述冷却液流，以便于通常基本上全部通过所述主回路而不转移到所述附加回路，并且在非常需要冷却能力的所述换流器的操作条件下，仅在短时间内控制所述冷却液流临时经过冷却介质容量，所述冷却介质容量适于在这些短时期内将冷却效应传递到冷却液，并且适于在这样的短时期之间的长期时间内通过被所述装备冷却而充满冷却能力。通过使所述附加回路的所述冷却介质容量在长时间内充满冷却能力，并且仅在短时间内利用这种冷却能力，具有所述冷却介质容量的冷却装备可以被赋予从成本的观点考虑使这种附加冷却能力具有吸引力的尺寸。这样，就只有在下述时刻才利用这种附加冷却能力：确实需要短时间过载操作，或者在换流器所属的系统的操作可以被修改以在连续操作期间应付非常高的环境温度之前，在诸如大约半小时或略微更多时间的短时间内，在所述高环境温度下通过换流器输送高功率。
根据本发明的另一个实施例，所述设备包括可由所述控制单元控制的阀门，所述阀门用于控制通过所述冷却介质容量的冷却液的流量。
根据本发明的另一个实施例，所述设备包括适于检测换流器周围的环境温度的装置，并且所述控制单元适于当确定是否以及有多大部分的冷却液流要通过所述冷却介质容量时考虑关于这个温度的信息。根据本发明的另一个实施例，所述设备包括适于测量通过所述换流器输送的功率的装置，并且所述控制单元适于当确定是否以及有多大部分的冷却液流要通过所述冷却介质容量时考虑如此建立的功率值。环境温度值和通过换流器输送的功率值是当决定是否要临时利用所述附加回路的冷却能力时要考虑的重要参数。输送的功率的测量可以是诸如通过测量电压和电流的间接测量。
根据本发明的另一个实施例，所述控制单元适于当所述功率值超过预定水平时确定所述冷却液流的至少一部分要转移通过所述容量。这样，在换流器的过载操作期间，总是可以或多或少地在很大程度上使用所述附加回路的冷却能力，而不管盛行的环境温度。
根据本发明的另一个实施例，所述控制单元适于每次在最多3小时、有利地最多2小时、更加优选地最多1小时并且最优选地最多40分钟的时期的情况下，控制所述冷却液流的至少一部分以转移到所述附加回路。这使得可以保持所述冷却装备和所述冷却介质容量合理地小，并且由此实现在这个环境中具有吸引力的成本。
根据本发明的另一个实施例，所述装备适于当冷却所述介质时产生冰浆。比较少量的这种冰浆可以通过冷却装备在长时间内产生，并且通过以下存储比较大的冷却能力：在所述介质已转化为具有与所述冷却液的温度相同的温度的液体之前，从可能具有大约+50℃温度的所述冷却液中吸收大量热能。
根据本发明的另一个实施例，所述控制单元适于当存在所述冷却需要时，引导所述冷却液通过所述冰浆，这构成了在所述冷却液到达所述功率半导体器件之前降低所述冷却液的温度的有效方式。
根据本发明的另一个实施例，所述泵装置适于泵送呈水的形式的冷却液，这尤其相对于其可用性及低成本是最优选的。
根据本发明的另一个实施例，所述冷却装备适于将所述冷却介质冷却到比已经过热交换器的冷却液的温度低至少20℃、有利地大于30℃并且优选地35℃-50℃的温度。这就意味着高冷却能力可以存储在所述冷却介质容量中，同时保持其尺寸受限制。
根据本发明的另一个实施例，所述冷却介质的容量为100升-2000升，优选地为200升-1000升。
根据本发明的另一个实施例，所述设备适于冷却适于具有5kV以上、20kV以上、100kV-1000kV的电压的换流器。所述设备还可以适于冷却适于引导超过50A或为100A-5kA的电流从中流过的换流器。根据本发明的另一个实施例，所述设备适于冷却这样的换流器，所述换流器有能力在其高负荷操作时，通过其输送500MW以上、优选地1GW以上的功率。通过换流器的高负荷操作输送的功率越高，本发明越能引起注意。
本发明还涉及根据所附方法独立权利要求的用于冷却高压换流器的方法。从对根据本发明的设备的以上讨论中，在从属方法权利要求中限定的这种方法和该方法的实施例的优点以及有益特征是明显的。
本发明还涉及静态无功伏安补偿器、用于将AC系统连接到HVDC传输线的换流站、用于在背靠背应用中将AC系统连接到另一个AC系统的换流站、HVDC(高压直流)传输系统以及具有下述换流站的高压AC系统，所述换流站具有至少一个换流器，所述至少一个换流器具有根据本发明的用于对其进行冷却的设备。
本发明还涉及用于冷却HVDC传输系统的换流站中的换流器的根据本发明的设备的用途、用于冷却高压AC传输系统的背靠背换流站中的换流器的根据本发明的设备的用途以及用于冷却静态无功伏安补偿器中的换流器的根据本发明的设备的用途。
从以下描述以及其它从属权利要求中，进一步的优点和有益特征将会显现。
附图说明
下面是参考附图对作为例子引用的本发明的实施例的具体说明。
在附图中：
图1是示出了用于冷却换流站中的高压换流器的传统设备的非常示意性的视图，其中换流器用于将直流电压转换成交流电压，反之亦然；
图2是根据图1的设备的简化电路图；以及
图3是对应于图2的根据本发明的实施例的设备的电路图。
具体实施方式
图1图示了用于冷却用以将直流电压转换成交流电压并且反之亦然的高压换流器1的传统设备，其可以是电力传输系统中的换流站的一部分。该换流器具有三个列2-4，各由四个换流阀例如5组成，每一列串联连接在换流器的直流电压侧的两极6、7之间，且变压器8连接在换流器的AC侧的所述换流阀之间。以这种方式形成所谓的12脉冲桥配置。每个换流阀5具有若干功率半导体器件如晶闸管，它们串联连接，以便由此能够一起保持要在换流阀的阻塞状态下保持的高压。功率半导体器件可以以对本领域技术人员而言众所周知的方式进行线换向或强制换向。
提供设备用于冷却当引导电流从中流过时散发大量热的所述功率半导体器件。这种设备包括回路9，用于借助于泵10引导冷却液经过换流阀的功率半导体器件以对其进行冷却。可以指出的是，附图被大大地简化，并且每一单个的功率半导体器件实际上可以与冷却块相接触，所述回路通过该冷却块以便对功率半导体器件进行冷却。回路还设置有热交换器11，其适于在从所述功率半导体器件过来的冷却液被再次传送到功率半导体器件以便对其进行冷却之前降低该冷却液的温度。
图2是概述图1的冷却设备的示意图，并且具有功率半导体器件的换流器在此用方框1指示。
图3是根据本发明的实施例的冷却设备的示意图，除了在下文中被称为主回路的所述回路9之外，该冷却设备还具有附加回路12，该附加回路12沿冷却液流的热交换器11下游和功率半导体器件亦即换流器1上游的方向连接到主回路。这个附加回路12包括冷却装备13，该冷却装备13包含冷却介质的容量，并且适于将这种介质冷却到基本上比冷却液在已经过热交换器11之后的温度更低的温度。冷却装备在这种情况下适于产生大约500升容量的冰浆。
该设备进一步包括阀门14-16和控制单元17，该控制单元17适于控制这些阀门，以便控制从热交换器11到换流器1的冷却液流仅通过主回路9，或者部分地或全部地转移通过附加回路12。
该设备还包括：装置18，其适于测量换流器周围的环境温度；以及装置19，其适于测量通过换流器输送的功率并将与此有关的信息发送给控制单元17。
控制单元17适于在换流器1的正常连续操作期间保持阀门14关闭，并且引导所有从热交换器11到换流器1的冷却液流通过主回路9，然后冷却装备冷却所述冷却介质以形成所述冰浆。
当提供不可以通过引导冷却液仅通过所述主回路来提供的冷却能力的需要出现时，诸如当希望以过载的方式临时操作换流器或者与通过换流器输送的功率相结合的环境温度异常高时，控制单元适于通过相应地控制阀门14-16将冷却液的至少一部分转移到所述附加回路12，以便使得所述冷却液的至少一部分经过所述冰浆并被冷却到然后其它的较低温度。这样一来，到达换流器1的诸如水之类的冷却液的温度就可以通过在诸如30分钟这样的受限制的时期内经过所述附加回路12而例如从+50℃下降到+40℃，这就意味着换流器1、特别是其功率半导体器件不必被制定尺寸以便能够在这个受限制的时期内应对盛行的极端条件。在这个时间已过去并且换流器1所属的系统的操作模式已改变之后，控制单元17控制冷却液以再次仅经过主回路9，并且冷却装备13会通过再次产生所述冰浆来使其冷却介质充满冷却能力，以便下一次所述极端条件发生时使用。
本发明无论如何不限于上面描述的实施例，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的基本思想的情况下，对其进行修改的许多可能性对于本领域技术人员而言都将会是明显的。
例如可以具有这样的设备，所述设备具有经过多于一个的换流器的一个所述主回路，或者具有这样的根据本发明的设备，所述设备具有仅用于换流器的一部分的所述主回路，诸如用于其每一列的所述主回路。
“冷却介质的容量”要在广泛的意义上理解，并且冷却介质不必是可以转化成冰浆的某种东西，所述冷却介质的容量可以是任何类型的容量，其可以在较长时间内被充满以存储高冷却能力，并且在比较短时期的时间内传递这种冷却能力。这样一来，所述冷却介质容量甚至可以部分地或全部地为固体，其在所述长时期的时间内被冷却到低温，并且在所述短时期的时间内通过使所述冷却液由此经过而从所述冷却液吸收热。

Claims (27)

1.一种用于冷却高压换流器的设备，包括：
适于引导回路(9)中的冷却液的装置；以及
泵装置(10)，用于使所述冷却液在所述回路中循环，
所述回路适于引导所述冷却液经过所述换流器(1)的功率半导体器件，以便吸收由此产生的热能，并且引导所述冷却液经过所述设备的热交换器(11)，以便在所述冷却液再次经过所述功率半导体器件之前降低所述冷却液的温度，其特征在于，
所述设备包括布置在所述回路外部的冷却装备(13)，所述冷却装备(13)包含冷却介质的容量，并且适于将这种介质冷却到基本上比所述冷却液在已经过所述回路中的热交换器之后的温度低的温度，
所述冷却介质容量布置在连接到称为主回路(9)的所述回路的附加回路(12)中，以及
所述设备包括控制单元(17)，所述控制单元(17)适于当确定需要冷却所述功率半导体器件，但不可能通过可通过仅在所述主回路中循环所述冷却液获得的冷却液的温度来实现时，控制所述冷却液流的至少一部分从所述主回路转移到所述附加回路，以便使所述冷却液在到达功率半导体器件之前向所述介质传热。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述附加回路(12)沿所述热交换器(11)下游和所述功率半导体器件上游的所述流的方向连接到所述主回路(9)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，
所述控制单元(17)适于控制所述冷却液流，以便于通常基本上全部通过所述主回路(9)而不转移到所述附加回路(12)，并且在非常需要冷却能力的所述换流器的操作条件下，仅在短时间内控制所述冷却液流临时经过冷却介质容量，所述冷却介质容量适于在这些短时期内将冷却效应传递到所述冷却液，并且适于在这样的短时期之间的长时间内通过被所述装备(13)冷却而充满冷却能力。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述设备包括可由所述控制单元(17)控制的阀门(14-16)，所述阀门(14-16)用于控制通过所述冷却介质容量的冷却液的流量。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述设备包括适于测量换流器周围的环境温度的装置(18)，以及
所述控制单元(17)适于当确定是否以及有多大部分的冷却液流要通过所述冷却介质容量时考虑关于该温度的信息。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述设备包括适于测量通过所述换流器输送的功率的装置(19)，以及
所述控制单元(17)适于当确定是否以及有多大部分的冷却液流要通过所述冷却介质容量时考虑如此建立的功率值。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，
所述控制单元(17)适于当所述功率值超过预定水平时确定所述冷却液流的至少一部分要转移通过所述容量。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述控制单元(17)适于每次在最多3小时、有利地最多2小时、更加优选地最多1小时并且最优选地最多40分钟的时期的情况下，控制所述冷却液流的至少一部分以转移到所述附加回路(12)。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述装备(13)适于当冷却所述介质时产生冰浆。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，
所述控制单元(17)适于当存在所述冷却需要时，引导所述冷却液通过所述冰浆。
11.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述泵装置(10)适于泵送呈水的形式的冷却液。
12.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述冷却装备(13)适于将所述冷却介质冷却到比已经过热交换器(11)的冷却液的温度低至少20℃、有利地大于30℃并且优选地35℃-50℃的温度。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述冷却介质的容量为100升-2000升，优选地为200升-1000升。
14.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述设备适于冷却适于具有5kV以上、20kV以上、100kV-1000kV的电压的换流器。
15.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述设备适于冷却适于引导超过50A或为100A-5kA的电流从中流过的换流器。
16.根据前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于，
所述设备适于冷却这样的换流器，所述换流器有能力在其高负荷操作时，通过其输送500MW以上、优选地1GW以上的功率。
17.一种用于冷却高压换流器的方法，包括以下步骤：
泵送回路(9)中的冷却液，使其经过所述换流器的功率半导体器件，以便吸收由此产生的热能，并且经过热交换器(11)，以便在所述冷却液再次经过所述功率半导体器件之前降低所述冷却液的温度，其特征在于，
将所述冷却液流的至少一部分从称为主回路(9)的所述回路转移到附加回路(12)，所述附加回路(12)包含被冷却到基本上比所述冷却液在已经过所述主回路中的热交换器(11)之后的温度更低的温度的冷却介质的容量，以便当确定需要冷却所述功率半导体器件，但不可能通过可通过仅在所述主回路中循环所述冷却液获得的冷却液的温度来实现时，使所述冷却液在到达功率半导体器件之前向所述介质传热。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
将所述流从所述主回路(9)转移到所述附加回路(12)中发生在所述热交换器(11)下游和所述功率半导体器件上游的所述流的方向上。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，
所述冷却液流通常被控制成基本上全部通过所述主回路(9)而不转移到所述附加回路(12)，并且被控制成在非常需要冷却能力的所述换流器的操作条件下，仅在短时间内临时经过冷却介质容量，所述冷却介质容量适于在这些短时期内将冷却效应传递给冷却液，并且适于在这样的短时期之间的长时间内通过被冷却而充满冷却能力。
20.一种设置有换流器的静态无功伏安补偿器(SVC)，所述换流器具有根据权利要求1-16中任何一项所述的用于对其进行冷却的设备。
21.一种用于将AC系统连接到HVDC传输线的换流站，其设置有至少一个换流器，所述至少一个换流器具有根据权利要求1-16中任何一项所述的用于对其进行冷却的设备。
22.一种用于在背靠背应用中将AC系统连接到另一个AC系统的换流站，其设置有至少一个换流器，所述至少一个换流器具有根据权利要求1-16中任何一项所述的用于对其进行冷却的设备。
23.一种具有换流站的HVDC(高压直流)传输系统，所述换流站具有至少一个换流器，所述至少一个换流器具有根据权利要求1-16中任何一项所述的用于对其进行冷却的设备。
24.一种背靠背应用中的具有换流站的高压AC传输系统，所述换流站具有至少一个换流器，所述至少一个换流器具有根据权利要求1-16中任何一项所述的用于对其进行冷却的设备。
25.一种根据权利要求1-16中任何一项所述的设备用于冷却HVDC传输系统的换流站中的换流器的用途。
26.一种根据权利要求1-16中任何一项所述的设备用于冷却高压AC传输系统的背靠背换流站中的换流器的用途。
27.一种根据权利要求1-16中任何一项所述的设备用于冷却静态无功伏安补偿器中的换流器的用途。
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