CN102017384A - 电压源变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电压源变换器，其具有至少一个连接到变换器的直流电压侧的相对极的相臂，并且包括开关单元(7)的串联连接，开关单元(7)具有布置(25)，布置(25)被配置成向半导体组件的栈的相对端施加压力，用于将组件压向彼此，以获得所述栈中的半导体组件之间的电接触，同时保证在各个开关单元出现故障时，变换器的每个开关单元的第一通路(23)的半导体组件进入永久闭合电路状态。每个开关单元的第二通路(27)具有装置(29)，装置(29)被配置成在出现所述故障时保持包括储能电容器(20)的所述第二通路不导通。

Description

电压源变换器
技术领域和背景技术
本发明涉及一种电压源变换器，该电压源变换器具有至少一个连接到该变换器的直流电压侧的相对极的相臂(phase leg)，并且包括开关单元的串联连接，每个所述开关单元在其端子之间具有至少两个电流通路，其中第一电流通路由一个或更多个串联连接的第一半导体组件形成，每个第一半导体组件具有关断型半导体器件以及与该半导体器件并联连接的续流二极管(free-wheeling diode)；并且第二通路包括这样的串联连接：一方面至少一个具有关断型半导体器件和与其并联连接的续流二极管的第二半导体组件，以及另一方面至少一个储能电容器，开关单元的所述串联连接的中点形成被配置成要连接到该变换器的交流电压侧的相输出，每个所述开关单元被配置成通过控制每个开关单元的所述半导体器件来获得两个开关状态，也就是第一开关状态和第二开关状态，在第一开关状态中，所述第一通路处于不导通状态，并且在该开关单元的端子间施加所述至少一个储能电容器两端的电压，在第二开关状态中，所述第一通路闭合，并且在该开关单元的端子间施加零电压，以在所述相输出上获得确定的交流电压。
这种变换器包括任意数量的所述相臂，但通常具有三个这种相臂，用于在其交流电压侧具有三相交流电压。
这种类型的电压源变换器可用于各种情况，其中直流电压将被变换成交流电压，并且相反地交流电压将被变换成直流电压，其中这种使用的示例为，在HVDC工厂设备(高压直流)的站中，其中直流电压通常被变换成三相交流电压或者相反地三相交流电压被变换成直流电压；或者在所谓的背靠背站中，其中交流电压首先被变换成直流电压，然后再被变换成交流电压；以及在SVC(静态无功补偿器)中，其中直流电压侧由自由悬挂的电容器组成。然而，本发明不限于这些应用，其他应用也是可能的，诸如在用于机器、车辆等的不同类型的驱动系统中。
通过例如DE 101 03 031 A1和WO 2007/023064A1已知这种类型的电压源变换器，如其中所公开的通常称为多单元变换器或M2LC。关于这种类型的变换器的功能参考这些公开。变换器的所述开关单元可以具有与所述公开中示出的那些表现不同的其他表现，例如，只要可以控制开关单元在引言中提到的两个状态之间进行转换，那么每个开关单元可以具有多于一个所述储能电容器。
通过US 5 642 275已知另一个这种类型的电压源变换器，这种类型的电压源变换器被用在静态无功补偿器中，其中开关单元具有所谓的全桥形式的不同表现。
本发明主要地但不专门地针对这种被配置成传输大功率的电压源变换器，因此，下文中将主要对传输大功率的情况进行说明，但是不以任何方式将本发明限制于此。当这种电压源变换器用于传输大功率时，这也意味着处理高电压，并且变换器的直流电压侧的电压由开关单元的所述储能电容器两端的电压来确定。这意味着，由于在每个所述开关单元中要串联连接大量的半导体器件，即所述半导体组件，因此将要串联连接相当大数量的这样的开关单元，当所述相臂中的开关单元的数量相当大时，这种类型的电压源变换器特别引起关注。大量的串联连接的这种开关单元意味着可以控制这些开关单元在所述第一开关状态和第二开关状态之间改变，并且通过那样，已经在所述相输出处获得非常近似于正弦电压的交流电压。依靠比在DE 101 03 031 A1的图1中所示类型的已知的电压源变换器中通常所使用的转换频率充分低的转换频率，已经可以获得上述交流电压，DE 101 03 031 A1的图1中所示的电压源变换器具有开关单元，该开关单元具有至少一个关断型的半导体器件和至少一个与该半导体器件反并联连接的续流二极管。这使得可以获得充分低的损耗，并且还可以显著地减少滤波和谐波电流以及无线电干扰的问题，因此使得设备可以花费更少。
在这种类型的电压源变换器中，其中为了处理高电压，可以串联连接若干个开关单元，由于单开关单元或其半导体组件中的故障可以危害整个变换器的操作，因此可靠性可能被降低。WO 2007/023064公开了通过获得冗余来解决该问题的方法。这是通过旁路开关的设置来使有故障的开关单元短路来完成的。然而，这对用于使开关单元短路的装置，即开关的可靠性提出了更高的要求，并且还需要提供所述装置的可靠控制。
发明内容
本发明的目的是提供在引言中定义的类型的解决获得冗余的问题的电压源变换器，该冗余用于以至少在某些方面比已知的解决方案更优选的方式对电压源变换器的开关单元的故障进行处理。
根据本发明，通过提供在引言中定义的类型的电压源变换器来获得该目的，其中所述开关单元的所述第一半导体组件被设置在每个包括至少一个半导体组件的栈中，变换器包括被配置成获得所述栈中的半导体组件之间的电接触，同时保证在相应的开关单元出现故障时，所述第一通路的半导体组件进入永久闭合电路状态的设置，并且每个开关单元的所述第二通路具有被配置成在出现所述故障时保持所述第二通路不导通的装置。
通过使用由美国专利5 705 853已知的所谓的压装技术相互连接每个开关单元的端子之间的所述第一通路中的第一半导体组件，可以保证所述第一通路将进入永久闭合电路状态，并且由此在开关单元出现故障时将自动旁路(by-pass)出现故障的开关单元。此外，在每个开关单元的所述第二通路中设置所述装置保证了在出现所述故障时所述第二通路保持不导通，使得在出现这样的故障时储能电容器将被断开，这对于保护变换器的其他部件是非常重要的。这样，所述装置通过保证在出现所述故障时电容器是“隔离的”来使得压装技术在开关单元的串联连接中能够有好的功能。因此，本发明提出了具有通过非常简单的装置获得的固有的可靠性的开关单元。
根据本发明的一个实施例，所述装置包括被配置成使所述第二通路中的第二半导体组件互相连接的构件，并且该构件被配置成在出现所述故障时中断第二通路并由此将所述第二通路转变成断路状态。这构成了用于获得在出现开关单元的所述故障时使所述第二通路不导通的可靠并且成本效率高的方法。获得这个的有吸引力的方法在本发明的另一个实施例中定义，其中所述构件包括使第二半导体组件互相接合的至少一个导线，并且该导线被配置成在出现所述故障时由通过该导线的过电流烧穿并且使所述半导体组件电断开。这种串联连接的半导体组件的导线接合模块比使用所谓的压装技术的栈的形式的模块花费更少，并且这种使第二半导体组件互相连接的常规方法可以用于在开关单元发生故障的情况下获得储能电容器的可靠的断开。
根据本发明的另一实施例，所述装置包括与所述第二通路中的所述储能电容器串联连接的构件，并且所述构件被配置成在出现所述故障时被通过该构件的第二通路中产生的过电流烧穿。因此该构件是熔丝是有利的。这意味着，可以使所述第二半导体组件堆迭，同时，如果期望的话，使用所述压装技术，用来保持变换器的尺寸尽可能的小，同时仍然保证在出现所述故障时有故障的开关单元的储能电容器被断开。
根据本发明的另一实施例，所述装置包括与所述第二通路中的所述储能电容器串联连接的构件，并且所述构件被配置成在出现所述故障时机械地中断通过其的所述第二通路。本发明也覆盖在所述第二通路中设置机械开关，用来在出现所述故障时使储能电容器隔离的情况。
根据本发明的另一实施例，所述布置包括被配置成向每个所述栈施加弹簧负载压力的装置，当释放所述装置的构件中存储的势能时，将栈的两端推向彼此。所述构件可以是当被压缩时存储势能的任何类型的构件，并且根据本发明的另一实施例，所述构件是作用于每个所述栈的至少一端的弹簧，其中所述弹簧可以是机械弹簧以及其他类型的弹簧，诸如气压弹簧。这意味着与尺寸的不规则性无关，可以以高可靠性来获得所述栈中的半导体组件之间的电接触，诸如在所述栈中的半导体组件的并联连接的情况下。也没有这样的风险：相邻半导体组件的互相连接将会被在出现所述故障时产生的过电流破坏，使得故障半导体组件永久地导通，并且因此旁路开关单元。
根据本发明的另一实施例，每个所述开关单元具有在所述栈中彼此紧随的N个所述第一半导体组件，其中N是整数，并且N≥2或者N≥4。
根据本发明的另一实施例，所述相臂的开关单元的数量为：≥4、≥12、≥30或≥50。如上面已经提到的，当所述相臂的开关单元的数量相当大，产生大量可能量级的在所述相输出上递送的电压脉冲时，这种类型的变换器是特别引起关注的。
根据本发明的另一实施例，开关单元组件的所述半导体器件是IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成门板换向晶闸管)或GTO(门极关断晶闸管)。虽然也可以想到其它关断型的半导体器件，然而这些是用于这样的变换器适合的半导体器件。
根据本发明的另一实施例，所述变换器被配置成使得所述直流电压侧连接到用于发送高压直流(HVDC)的直流电压网络，并且使得交流电压侧连接到属于交流电压网络的交流电压相线。这是由于这种类型的变换器特别引起关注的应用需要大量的半导体组件。
根据本发明的另一实施例，变换器是SVC(静态无功补偿器)的部分，由开关单元的所述储能电容器形成直流电压侧，并且交流电压相输出连接到交流电压网络。在这种类型的变换器的所谓全桥开关单元中出现故障时，该开关单元被转变为M2LC类型的半桥单元，然后重要的是：所述第一通路进入永久闭合电路状态，并且在开关单元中出现另外的故障时，所述第二通路保持不导通，同时断开开关单元的储能电容器，这是通过根据本发明的该实施例的变换器来保证的。
根据本发明的另一实施例，变换器被配置成使得所述两极之间的直流电压为1kV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。所述直流电压越高本发明越引起关注。
本发明也涉及根据为此所附的权利要求的用于传输电力的工厂设备。这样的工厂设备的站可以被给予有吸引力的尺寸和相对于低花费的高可靠性。
将通过以下描述来呈现本发明的更多的优势以及有利的特征。
附图说明
参照附图，以下是对本发明引用作为例子的实施例的描述。
在附图中：
图1是根据本发明的类型的电压源变换器的非常简化的图；
图2和图3图解了两种不同的已知开关单元，该开关单元可以是根据本发明的电压源变换器的部分；
图4是非常示意性地图解根据本发明的电压源变换器的简化的图；
图5是非常示意性地图解如根据本发明的第一实施例的变换器中设计的图3所示类型的开关单元的简化的图；
图6是根据本发明的第二实施例的变换器中的开关单元的对应于图5的图；
图7是根据本发明的第三实施例的变换器中的开关单元的对应于图5的图；
图8非常示意性地图解在静态无功补偿器中使用的根据本发明的变换器；
图9示意性地图解图8所示的变换器的开关单元；以及
图10图解在图9所示的开关单元中发生故障时，该开关单元发生什么。
具体实施方式
图1非常示意性地图解本发明所涉及的类型的电压源变换器1的一般构造。该变换器具有连接到变换器的直流电压侧(诸如用于传输高压直流电的直流电压网络)的相对的极5、6的三个相臂2-4。每个相臂包括用方框表示的开关单元7的串联连接，本示例中数目为16个，并且该串联连接被划分成两个相等的部分，上阀分支8和下阀分支9，由形成相输出的中点10-12分离该两个相等的部分，该相输出被配置成连接到变换器的交流电压侧。相输出10-12可以通过变压器连接到三相交流电压网络、负载等。为了改善所述交流电压侧上交流电压的波形，还在所述交流电压侧设置滤波装置。
控制装置13被设置成用于控制开关单元7，并且通过该控制装置，变换器将直流电压变换成交流电压以及相反地将交流电压变换成直流电压。
电压源变换器具有如下类型的开关单元7，一方面具有至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件以及与其并联连接的续流二极管；另一方面具有至少一个储能电容器，图2和图3示出了这种开关单元的两个例子。开关单元的端子14、15适合于连接到形成相臂的开关单元的串联连接中的相邻的开关单元。在这种情况下，半导体器件16、17是与二极管18、19并联连接的IGBT。虽然每个组件仅示出一个半导体器件和一个二极管，但是这些可以分别代表用于分担流经该组件的电流而并联连接的大量半导体器件和二极管。储能电容器20与二极管和半导体器件的相应的串联连接并联连接。一个端子14连接到两个半导体器件之间的中点以及两个二极管之间的中点。另一个端子15连接到储能电容器20，在图2的实施例中，端子15连接到储能电容器20的一侧，而在根据图3的实施例中，端子15连接到其另一侧。要指出的是，为了能够处理要处理的电压，图2和图3中所示的每个半导体器件和每个二极管可以是多于一个的串联连接，并且然后可以同时控制这样串联连接的半导体器件，以充当一个单个的半导体器件。
可以控制图2和图3所示的开关单元以获得a)第一开关状态和b)第二开关状态之一，其中对于a)，电容器20两端的电压被施加到端子14、15之间，而对于b)，零电压被施加到端子14、15之间。为了获得图2中的第一状态，半导体器件16被接通且半导体器件17被关断，而在根据图3的实施例中，半导体器件17被接通且半导体器件16被关断。通过改变该半导体器件的状态将开关单元切换到第二状态，使得在根据图2的实施例中，半导体器件16被关断且17被接通，而在图3中，半导体器件17被关断且16被接通。
图4稍微更加详细地示出了如何通过图3所示的类型的开关单元来形成根据图1的变换器的相臂，图3中，为了简化该图，总共省去了10个开关单元。控制装置13适合于通过控制开关单元的半导体器件来控制该开关单元，使得开关元件将递送零电压或电容器两端之间的电压以添加到所述串联连接中其他开关元件的电压。这里还示出了变压器21和滤波装置22。示出了每个阀分支是如何通过相反应器50、51连接到相输出10，并且对于相输出10、11和12，在图1中应当也有这样的相反应器，但是为了简化该图示，已经被省去了。
图5是非常示意性地图解根据本发明的第一实施例的电压源变换器的图3所示类型的每个开关单元7的设计。每个开关单元具有由以平板示意性地指示的、串联连接的多个第一半导体组件24形成的第一电流通路23，并且每个第一半导体组件24具有如图3所示的关断型的半导体器件和与该关断型半导体器件并联连接的续流二极管。布置25被配置成向第一半导体组件的这种栈30的相对端施加压力，用于将组件压向彼此，以获得所述栈中的半导体组件之间的电接触。为此，该布置具有以弹簧26的形式存储势能的构件，弹簧26作用在每个所述栈的至少一端，用于在释放存储在弹簧中的势能时将栈的两端推向彼此。所述第一半导体组件的这种所谓的压装(press pack)设置导致其互连能够承受非常高的电流。
开关单元还包括第二通路27，第二通路27包括这样的串联连接：一方面至少一个具有关断型的半导体器件和与其并联连接的续流二极管的第二半导体组件28，以及另一方面至少一个储能电容器20。
在开关单元中出现故障时，重要的是：将开关单元短路，并且储能电容器20不会通过第二通路27放电。在出现故障时，由第一半导体组件24组成的开关模块和由第二半导体组件28组成的开关模块被打开。来自电容器20的放电电流因此将破坏第一半导体组件24，使其进入旁路开关单元7的永久闭合电路状态。因此同样重要的是：保持第二通路27不导通，用于将电容器20从该变换器的其余部分断开。这可以用不同的方式来达到。例如，可以将可阻断在故障情况下出现的电压的IGCT或GTO用作第二半导体组件中的半导体器件，使得在出现所述故障时不需要为了断开电容器而将第二通路转变成断路状态。
在图5所示的实施例中，也可以通过常规导线使第二通路中的第二半导体组件28互相连接，该导线被配置成在出现故障时被通过该导线的第二通路中产生的过电流烧穿。
图6所示的实施例中的开关单元与根据图5的开关单元的不同在于构件29的设置，构件29与所述第二通路27中的所述储能电容器串联连接，并且被配置成在出现所述故障时被通过其的所述第二通路中产生的过电流烧穿。在这种情况下，该构件是将半导体组件连接到该开关单元的一个端子14的导线。
图7图解了根据本发明的另一实施例的开关单元，其中烧穿的所述构件由熔丝29’形成。在图6和7所示的两个实施例中，由于分别通过构件29和29’的设置仍然保证了电容器20的断开，因此甚至可以使用所谓的压装技来互联第二通路中的半导体组件28。图7中的构件29’也可以代表被配置成在出现所述故障时打开的机械开关。
图8图解了在用于无功功率补偿的静态无功补偿器中使用的根据本发明的电压源变换器的一般构造。该变换器的直流电压侧由开关单元7”的所述储能电容器形成，并且该变换器的开关单元7”是如美国专利5 642275中公开的、带有具有关断型半导体器件以及与其并联连接的续流二极管的半导体组件的所谓全桥。
参照图9和10，现在假设在该开关单元7”中出现故障。这意味着模块A和B之一将是永久导通的，而另一个将被关断。假设A是进入永久导通状态的模块，而模块B将被关断，然后这将产生根据图10的电路，其对应于根据图5-7的开关单元。然后根据本发明，将根据压装技术来制造模块C，并且模块D具有与针对根据图5-7中的任何一个的开关单元中的第二半导体组件28所描述的相同的特征。这意味着在该开关单元中出现另外的故障时，通过破坏该模块C，第一通路23将进入永久闭合电路状态，并且第二通路27将转换到不导通状态，诸如断开电容器20的永久断路状态。
本发明当然不以任何方式局限于以上描述的实施例，而是在不脱离如所附权利要求书中定义的本发明的基本思想的情况下，对其进行修改的很多可能性对于本领域的技术人员来说将是明显的。
要指出，在每个所述栈中仅有一个半导体组件的情况在本发明的范围内，并且该组件的仅一个半导体器件需要根据所述压装设置来进行设置。这样如US 5 705 853中所公开的，每个半导体器件和二极管具有单独的压力接触是可能的。具有带晶片元件的圆盘型器件也是可能的，其中外部压力(例如在受压的栈中)实现电接触。图5-7中的非常示意性的图解意在覆盖使用压装技术的这些可选方案。

Claims (15)

1.一种电压源变换器，其具有至少一个连接到所述变换器的直流电压侧的相对极(5、6)的相臂(2-4)，并且包括开关单元(7、7’、7”)的串联连接，每个所述开关单元在其端子(14、15)之间具有至少两个电流通路(23、27)，其中，第一电流通路(23)由一个或更多个串联连接的第一半导体组件(24)形成，并且每个所述第一半导体组件(24)具有关断型半导体器件(16、17)以及与所述关断型半导体器件(16、17)并联连接的续流二极管(18、19)，并且第二通路(27)包括一方面至少一个具有关断型的半导体器件和与其并联连接的续流二极管的第二半导体组件(28)，以及另一方面至少一个储能电容器(20)的串联连接，开关单元的所述串联连接的中点形成被配置成连接到所述变换器的交流电压侧的相输出(10-12)，每个所述开关单元被配置成通过控制每个开关单元的所述半导体器件来获得两个开关状态，即第一开关状态和第二开关状态，在所述第一开关状态中，所述第一通路(23)处于不导通状态，并且在所述开关单元的所述端子(14、15)间施加所述至少一个储能电容器(20)两端的电压，在所述第二开关状态中，所述第一通路(23)闭合，并且在所述开关单元的所述端子(14、15)间施加零电压，以在所述相输出上获得确定的交流电压，所述变换器的特征在于，所述开关单元(7、7’、7”)的所述第一半导体组件(24)被设置在栈中，每个所述栈包括至少一个半导体组件，所述变换器包括布置(25)，所述布置(25)被配置成通过所述栈中的半导体组件(24)获得电接触，同时保证在相应开关单元出现故障的情况下所述第一通路(23)的所述半导体组件进入永久闭合电路状态，并且每个开关单元(7、7’、7”)的所述第二通路(27)具有被配置成在出现所述故障时保持所述第二通路不导通的装置(29、29’)。
2.根据权利要求1的变换器，其特征在于，所述装置包括被配置成相互连接所述第二通路(27)中的第二半导体组件(28)的构件，并且所述构件被配置成在出现所述故障时中断所述第二通路并由此使所述第二通路转变成断路状态。
3.根据权利要求2的变换器，其特征在于，所述构件包括将第二半导体组件(28)互相接合的至少一个导线，并且所述导线被配置成在出现所述故障时通过经由该导线的过电流熔断并且电断开所述第二半导体组件。
4.根据权利要求1的变换器，其特征在于，所述装置包括与所述第二通路(27)中的所述储能电容器(20)串联连接的构件(29、29’)，并且所述构件(29、29’)被配置成在出现所述故障时被通过所述构件(29、29’)的所述第二通路中产生的过电流烧穿。
5.根据权利要求4的变换器，其特征在于，所述构件是熔丝(29’)。
6.根据权利要求1的变换器，其特征在于，所述装置包括与所述第二通路(27)中的所述储能电容器(20)串联连接的构件(29’)，并且所述构件(29’)被配置成在出现所述故障时机械地中断通过所述构件(29’)的所述第二通路。
7.根据上述权利要求中的任一权利要求的变换器，其特征在于，所述布置(25)包括被配置成向每个所述栈施加弹簧负载压力的装置，当释放存储在所述装置的构件(26)中的势能时，将所述栈的两端推向彼此。
8.根据权利要求7的变换器，其特征在于，存储势能的所述构件(26)是作用于每个所述栈的至少一端的弹簧。
9.根据上述权利要求中的任一权利要求的变换器，其特征在于，每个所述开关单元(7、7’、7”)具有在所述栈中彼此紧随的N个所述第一半导体组件，其中N是整数，并且N≥2或者N≥4。
10.根据上述权利要求中的任一权利要求的变换器，其特征在于，所述相臂(2-4)的所述开关单元(7、7’、7”)的数目≥4、≥12、≥30或者≥50。
11.根据上述权利要求中的任一权利要求的变换器，其特征在于，所述开关单元组件的所述半导体器件(16、17)是IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成门极换向晶闸管)或者GTO(门极关断晶闸管)。
12.根据上述权利要求中的任一权利要求的变换器，其特征在于，所述变换器被配置成使得所述直流电压侧连接到用于传输高压直流(HVDC)的直流电压网络(5、6)，并且使得所述交流电压侧连接到属于交流电压网络的交流电压相线。
13.根据权利要求1-11的任一权利要求的变换器，其特征在于，所述变换器是SVC(静态无功补偿器)的部分，由所述开关单元的所述储能电容器(20)形成直流电压侧，并且所述交流电压相输出(10-12)连接到交流电压网络。
14.根据上述权利要求中的任一权利要求的变换器，其特征在于，所述变换器被配置成使得所述两极(5、6)之间的直流电压为1kV-1200kV、10kV-1200kV或者100kV-1200kV。
15.一种用于传输电力的工厂设备，包括直流电压网络以及通过站连接到所述直流电压网络的至少一个交流电压网络，所述站适合于进行所述直流电压网络和所述交流电压网络之间的电力传输，并且包括至少一个适合于将直流电压变换成交流电压以及相反地将交流电压变换成直流电压的电压源变换器，其特征在于，所述工厂设备的所述站包括根据权利要求1-14的任一权利要求的电压源变换器。
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