CN102612799A

CN102612799A - 转换电感性负载

Info

Publication number: CN102612799A
Application number: CN2010800446436A
Authority: CN
Inventors: T·坎瑟拉
Original assignee: Alstom Grid Oy
Current assignee: Grid Solutions Oy
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-07-25
Also published as: FI123528B; FI20096017A0; WO2011042596A1; FI20096017A; EP2486644A1; US20120200165A1

Abstract

本发明提供了一种用于转换电感性负载的设备和方法。本发明还提供了一种用于转换电感性负载的控制系统的软件产品。半导体阀用于转换电感性负载。半导体阀包括至少两个半导体级。给半导体阀提供触发信号。在至少两个半导体级的触发信号间具有预定的延时。

Description

转换电感性负载

技术领域

本发明涉及一种转换电感性负载的设备，其中包括用于转换电感性负载的半导体阀以及为半导体阀提供触发信号的装置，该半导体阀包括至少两个半导体级。

本发明还涉及一种转换电感性负载的方法，其中该方法控制半导体阀，该半导体阀包括至少两个半导体级，该方法提供触发信号给半导体阀。

本发明还涉及一种转换电感性负载的控制系统的软件产品，该控制系统包括控制半导体阀的控制单元，该半导体阀包括至少两个半导体级。

背景技术

晶闸管应用在许多高压设备中。由于高压需要用到由一系列晶闸管级联组成的晶闸管阀。通常每个晶闸管级包含一个晶闸管或两个反向并联的晶闸管。晶闸管阀可用于静止无功补偿器(SVC)中，例如用于连接晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)。晶闸管阀也可以用于晶闸管投切串联电容器(TCSC)中，用于补偿长传输线。晶闸管阀还可以用于连接高压直流设备(HVDC)。

当晶闸管阀开启时，不同的电容，例如寄生电容、分布电容或总线结构的电容，会产生瞬时大电流通过晶闸管阀。如果瞬时电流被很大程度放大或电流的上升时间很短，会在晶闸管中形成所谓的热点，这样晶闸管就损坏了。现有的技术中将饱和非线性电流变化率限制电抗器或线性电流变化率限制电抗器与晶闸管阀串联，从而限制电流上升的速率。电抗器必须匹配晶闸管阀的额定电压和额定电流，这就带来了复杂性和高成本的问题。

发明内容

本发明提供一种设备，其特征在于，为半导体阀提供触发信号的装置依次排列为半导体阀提供触发信号，从而在至少两个半导体级的触发信号间产生预定的延时。

另外，本发明提供一种方法，其特征在于，为半导体阀提供触发信号，从而在至少两个半导体级的触发信号间产生预定的延时。

再者，本发明提供一种软件产品，其特征在于，控制单元对该软件产品的执行提供如下操作：为半导体阀提供触发信号，从而在至少两个半导体级的触发信号间产生预定的延时。

本发明提供的技术方案中，半导体阀用于转换电感性负载。半导体阀包括至少两个半导体级。为半导体阀提供触发信号，从而在至少两个半导体级的触发信号间产生预定的延时。由于半导体级不是同时被触发，系统电容的放电电流可以被分为几个部分，从而避免半导体阀中通过大电流脉冲。当最后的半导体级被触发后，半导体阀开启。半导体阀的电压受电感性负载的影响，在每次被触发时都会衰减。最后注入的电流会降低到一个低值。因此不需要采用电流变化率限制电抗器，或者只需要采用大小适中的电流变化率限制电抗器。

在一个实施例中，确定每个半导体级的电容值(包括半导体结电容)，使得每个半导体级的电压应力适中。系统电容通过受控的方式向半导体级电容放电。这样，未被触发的半导体级电压不会过度升高。而且由于半导体阀电压减小缓慢，对外界环境或其它半导体阀的电磁干扰会最小化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为晶闸管控制电抗器的电路原理图；

图2为现有技术中晶闸管级的电压示意图；

图3为现有技术中晶闸管阀的电流示意图；

图4为现有技术中晶闸管阀的电压示意图；

图5为一个实施例中采用延时触发的晶闸管级的电压示意图；

图6为一个实施例中采用延时触发的晶闸管阀的电流示意图；

图7为一个实施例中采用延时触发的晶闸管阀的电压示意图；

图8为HVDC转换器的电路原理图；

图9为HVDC晶闸管阀的电路原理图；

图10为一个实施例中给晶闸管级提供触发信号的电路原理图；以及

图11为另一个实施例中给晶闸管级提供触发信号的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，在A与B相之间为晶闸管控制电抗器。电抗器L本身包括两个部分，其中晶闸管阀V在两个电抗器之间。晶闸管阀V包括几个相互串联的晶闸管级T₁到T₅。每个晶闸管级T₁到T₅包括两个反向并联的晶闸管。

图1中列出了对系统有影响的几个电容。这些电容例如为寄生电容、分布电容以及总线结构的电容。图1中这些电容表示为例如寄生电容C_ST和电抗器电容C_L。通常这些电容大小在几百个pF范围。

每个晶闸管级T₁到T₅上都跨接有RC缓冲电路。每个RC缓冲电路包括相互串联的缓冲电阻R_S1到R_S5和缓冲电容C_S1到C_S5。

在现有技术中，晶闸管阀V开启时，每个晶闸管级T₁到T₅同时收到触发信号。图2、3和4为晶闸管级T₁到T₅在t₀时刻被触发的情形。晶闸管级的电压从工作值下降到0，同时晶闸管阀的电压也从工作值下降到0。如图3所示，晶闸管阀V导通，并且在t₀时刻，系统电容放电电流通过晶闸管阀，从而产生一个很高的电流峰值。峰值过后，电流受电感性负载影响开始上升。图2、3和4中的电压和电流值仅仅为了描述数量级，而并不是作为一个具体实施例。通常电压的数量级例如在几千V，而电流峰值的数量级例如在100A。

图5、6和7为晶闸管级T₁到T₅的触发信号之间存在ΔT延时时的情形。如图1所示，控制单元在t₁时刻提供触发信号给晶闸管级T₁中的栅极单元GU。晶闸管级T₁的电压U_T1从工作值下降到0。同时，如图7所示，晶闸管阀V的电压下降。晶闸管阀V并没有完全开启，但是电流只通过第一个晶闸管级T₁，随后通过缓冲电路R_S2C_S2到R_S5C_S5和电容C_J2到C_J5，而并未通过晶闸管级T₂到T₅。因此晶闸管阀的电流脉冲很小。通常晶闸管阀的电流脉冲大约是图3中同时触发的电流脉冲的10％。由于触发了晶闸管级T₁，晶闸管阀的电压下降，系统电容部分放电。

经过ΔT延时后，触发信号提供给第二个晶闸管级T₂的栅极单元GU。晶闸管级T₂在t₂时刻被触发。这种情况下晶闸管阀的电流脉冲也很低，电流脉冲通过已开启的晶闸管级T₁以及未开启的晶闸管级的缓冲电路R_S3C_S3到R_S5C_S5和电容C_J3到C_J5。由于RC缓冲电路放电一定时间，晶闸管级T₁仍然开启，放电时间的数量级为100μs。晶闸管阀的电压在t₂时刻也会下降。

其余晶闸管级T₃到T₅经过ΔT延时后依次被触发。当最后的晶闸管级T₅被触发，晶闸管阀完全开启，电流受电感性负载影响开始上升。通常触发时序持续10到50μs。

未被触发的晶闸管级的电压上升到一定值。然而，由于每个晶闸管级都有内部电容，即所谓的结电容，如图1标注的C_J1到C_J5，电压上升并不显著。每次触发时，被触发的晶闸管的结电容的放电电流通过晶闸管本身。外部寄生电容的放电电流部分通过未被触发的晶闸管级的结电容。因此未被触发的晶闸管级的电压并没有显著上升。

通常晶闸管级的结电容值为几个nF。如果晶闸管级的结电容不够大，可以依次在晶闸管级T₁到T₅上跨接辅助快速分级电容。

触发延时例如可以为0.5μs。延时ΔT例如可以为0.2μs到5μs之间变化。如果延时ΔT非常短，系统电容放电很快，通过晶闸管阀的电流峰值会很大，那么该系统就类似于被同时触发的晶闸管级的系统。如果触发延时ΔT很长，未被触发的晶闸管级的电压会有较大上升。这样在未被触发的晶闸管级上会有相当大的电压应力。为了保持晶闸管级开启，总开启时序不应过长。在电压峰值过后，晶闸管的触发角度可以被连续控制。触发角度的变化范围为90°到180°，反应功率控制在100％到0％。如果触发角度过大，缓冲电容C_S的电压很小，从而造成放电缓冲电流很小。因此，延时ΔT必须足够短，从而保证在整个触发或开启时序中第一个晶闸管级T₁以及其它所有被触发的晶闸管级开启。

每个晶闸管级的触发延时ΔT可以相等。也可以有部分晶闸管级的触发延时ΔT不同，或者所有晶闸管级的触发延时ΔT都不同。

经过延时后，每个晶闸管级的触发信号可以传输到下一个晶闸管级中。在一个实施例中，每个晶闸管级包括合适的元件来产生触发信号延时。这样晶闸管级可以依次被逐一触发。也可以同时触发部分晶闸管级。例如，如果晶闸管阀包括20个晶闸管级，第1个和第11个晶闸管级可以被同时触发，然后触发第2个和第12个。也可以先同时触发前3个晶闸管级，然后触发第4、第5和第6个。

也可以用更可靠的触发时序，将触发命令提供给晶闸管阀的两个不同的晶闸管级，每个栅极单元GU将触发命令提供给相邻两个。这样，晶闸管当然只会响应第一个接收到的触发命令。如图1所示的触发系统可以排成直线，也可以排成环形。后面的例子中，栅极单元中需要一些逻辑电路来保证触发命令仅在晶闸管阀关闭时通过。这样可以保证当有一个或多个栅极单元不工作时，晶闸管级能被触发。图10为环形结构双冗余触发的一个实施例。实施例中控制系统包括两条提供触发信号的通路。

如图11所示，也可以为每个晶闸管级提供不同延时的触发。这个方法的优点在于不同晶闸管的消耗可以循环，从而平摊热消耗。这样，晶闸管的热负载可以被平均分摊。这个实施例中，每个延时ΔT₁到ΔT₆长度都不同。也可以设置为部分延时长度相同。

控制单元可以包括一种软件产品，其在控制单元上执行以提供所需的触发时序。软件产品可以通过存储介质加载到控制单元上，例如存储卡、内存、硬盘、网络服务器或类似的存储介质，在控制单元处理器或类似装置中执行软件产品以完成本说明书中所述的用于控制晶闸管阀的操作。

如图1所示，A与B相之间为晶闸管控制电抗器。也可以在其它相之间设置类似设备。实际中晶闸管阀V通常包括多于5个晶闸管级T₁到T₅。实际中图2到7所示的曲线更加光滑。这只是为了更好的描述本发明的原理。

本发明提供的设备适用于晶闸管控制电感性负载的设备。也可以用于连接高压直流HVDC设备。图8和9为HVDC设备的一个实施例。

图8为HVDC转换器的电路原理图。HVDC转换器包括六个晶闸管阀V₁到V₆桥接。晶闸管阀根据标准触发时序编号V₁-V₂-V₃-V₄-V₅-V₆。

转换器与换流变压器TF相连，由于绕阻和套管，换流变压器TF存在较大的寄生电容C_ST(通常在1nF数量级)。换流变压器TF存在漏电抗，从而形成转换器的电感性负载，通常称为整流电感X_C。

当晶闸管阀开启时，由于转换变压器TF和套管，寄生电容C_ST的放电电流部分进入晶闸管阀。对于有接地端的晶闸管阀V₂、V₄、V₆，这个过程更明显也更容易理解。

通过采用本发明所述的触发延时，可以避免或减小上述问题。图9为单个HVDC晶闸管阀的电路原理图。在这个实施例中，每个晶闸管级T₁到T₆仅包括一个晶闸管，而不是一对反向并联的晶闸管。图9还显示了RC缓冲电路R_S1C_S1到R_S6C_S6以及DC分极电阻R_G1到R_G6。参考标号C_J1到C_J6为结电容，或者如果快速分极电容适用于本设备，C_J1到C_J6为结电容和快速分极电容的结合。

电感性负载包括两个相，相当于开启晶闸管、关闭晶闸管和换流变压器形成的回路的整流电感，在图9中标记为2·X_C。两个相关相之间的瞬时混线电压U_LL等于U(线-线峰值)·sinα，其中α为触发角度。通常α在整流器模式下为15°左右，在反相器模式下为150°到160°。

当采用上述延时触发的方法，可以不采用电流变化率限制电抗器或者至少减小所用的电流变化率限制电抗器的大小和重量。

参考图1到11，除了说明书中涉及的晶闸管，半导体级可以包括其它元件。例如双向晶闸管、栅极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其它可以达到相同效果的元件。半导体级可以包括单个、两个或多个元件。如果半导体级包括两个或更多元件，根据需要，这些元件可以并联和/或反向并联。

在一些实施例中，所述特性可以单独使用，而不考虑其它特性。如果需要，也可以结合起来，形成各种组合。

对于熟悉本领域的技术人员，随着技术的发展，发明构思可以用各种方法实施。本发明及其实施例不局限于说明书中描述的特定例子，可以在权利要求的范围内变动。

Claims

1.一种转换电感性负载的设备，包括转换电感性负载的半导体阀以及向半导体阀提供触发信号的装置，该半导体阀包括至少两个半导体级，其特征在于，向半导体阀提供触发信号的装置用于向半导体阀提供触发信号，使得在至少两个半导体级的触发信号间具有预定的延时。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，延时范围为0.2μs到5μs。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该设备包括跨接每个半导体级的辅助电容，用于防止未触发半导体级的电压应力。

4.根据上述任何一项权利要求所述的设备，其特征在于，半导体级包括至少一个晶闸管。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，半导体级包括至少两个晶闸管。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，半导体级中至少两个晶闸管反向并联。

7.一种转换电感性负载的方法，包括控制半导体阀以及向半导体阀提供触发信号，该半导体阀包括至少两个半导体级，其特征在于，向半导体阀提供触发信号，使得在至少两个半导体级的触发信号间具有预定的延时。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果由于延时触发，未触发的半导体级电压过度上升，则确定每个半导体级的电容值，并设置跨接每个半导体级的辅助电容。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，延时范围为0.2μs到5μs。

10.一种转换电感性负载控制系统的软件产品，该控制系统包括控制晶闸管阀的控制单元，该晶闸管阀包括至少两个半导体级，其特征在于，在该控制单元上执行软件产品将提供如下操作：向半导体阀提供触发信号的操作，使得在至少两个半导体级的触发信号间具有预定的延时。