CN102640375B - 用于高压的变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于构成变流器（1）的子模块（7），对于高压范围具有第一子单元（5）和第二子单元，所述第一子单元具有第一储能器（18）、与第一储能器（18）并联连接的第一串联电路（11）和第一接头端子（x2），所述第一串联电路由两个功率半导体开关单元（12，13）组成，所述功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的可接通和关断的功率半导体（14，15）并且分别与所述导通方向相反地导电，所述第一接头端子（x2）与在第一串联电路（11）的功率半导体开关单元（12，13）之间的电位点相连；所述第二子单元具有第二储能器（26）、与第二储能器（26）并联连接的第二串联电路（19）和第二接头端子（x1），所述第二串联电路由两个功率半导体开关单元（20，21）组成，所述功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的可接通和关断的功率半导体（22，23）并且分别与所述导通方向相反地导电，所述第二接头端子（x1）与在第二串联电路（19）的功率半导体开关单元（20，21）之间的电位点相连，为了快速、可靠并有效地限制在故障情况下出现的短路电流建议：所述第一子单元（9）和第二子单元（10）经由连接部件（27）互相连接，所述连接部件构造为在所有功率半导体开关单元（12，13，20，21）的至少一个选择的开关状态中在第一接头端子（x2）和第二接头端子（x1）之间的电流流动在两个方向上仅经过第一储能器（18）和/或第二储能器（26）进行。

Description

用于高压的变流器
技术领域
本发明涉及一种用于构成变流器的子模块，包括第一子单元和第二子单元，所述第一子单元具有第一储能器、与第一储能器并联连接的第一串联电路和第一接头端子，所述第一串联电路由两个功率半导体开关单元组成，该功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的可接通和关断的功率半导体并且分别与所述导通方向相反地导电，所述第一接头端子与在第一串联电路的功率半导体开关单元之间的电位点相连，所述第二子单元具有第二储能器、与第二储能器并联的第二串联电路和第二接头端子，所述第二串联电路由两个功率半导体开关单元组成，该功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的可接通和关断的功率半导体并且分别与所述导通方向相反地导电，所述第二接头端子与在第二串联电路的功率半导体开关单元之间的电位点相连。
本发明还涉及一种例如用于高压应用的变流器，具有功率半导体整流器，其分别在交流电压接头和直流电压接头之间延伸并且构成桥式电路，其中每个功率半导体整流器具有双极子模块的串联电路并且每个子模块具有至少一个储能器和至少一个功率半导体电路。
背景技术
这样的子模块和这样的变流器已经从DE 101 03 031 A1中公知。在那里描述的变流器具有在桥式电路中互相连接的功率半导体整流器。这些功率半导体整流器中的每一个具有用于连接交流电网的一相的交流电压接头和可以与直流中间电路的一极相连的直流电压接头。在此每个功率半导体整流器由双极子模块的串联电路组成，所述双极子模块分别具有单极存储电容器以及与存储电容器并联的功率半导体电路。功率半导体电路由同向的可接通和关断的功率半导体开关的串联电路组成，例如IGBT或GTO，续流二极管与其分别反向并联连接。每个子模块的两个接头端子中的一个与存储电容器相连接，并且另一个接头端子与在两个可接通和关断的功率半导体开关之间的电位点相连接。根据两个可控功率半导体开关的开关状态，要么是在存储电容器上降落的电容器电压要么是零电压可以被施加在子模块的两个输出端子上。由于功率半导体整流器内部的子模块的串联电路，提供了施加所谓的直流电压的多级变流器，其中电压级的级别通过各自的电容器电压的级别来规定。多级或多点变流器相对于具有中央电容器电池的两极或三级变流器来说具有如下优点：避免了在变流器的直流电压侧短路时的高的放电电流。此外在多级变流器的情况下相对于两点或三点变流器来说降低了在对谐波进行滤波的情况下的开销。
多点变流器优选地还适合于构造空间上伸展分支的直流电网，其特别在所谓的离岸风电场（Off-Shore-Windpark）中并且结合在沙漠地带的太阳能发电网是必须的。
但是在这些范围中应用变流器的一个重要条件是可靠控制在直流电网中的短路。对于能够在负载情况下接通高的错误电流的极高的直流电压，便宜的机械开关由于基本的物理问题而不可用。技术上可实现的关断时间和机械开关的开关过电压也是干扰的。
EP 0 867 998 B1描述了高压直流传输系统的直流电压中间电路中电子功率半导体开关的使用。但是在数百千伏的直流电压情况下采用功率半导体开关附带有如下缺陷：高压使得需要大量的串联连接的功率半导体。由此在这些组件上也具有高的导通损耗。此外必须与功率半导体并联地提供过压限制器，由此附加地提高了开销。过压限制器通常不具有理想的限制特征曲线，从而串联连接的功率半导体的数量还需构造为比额定电压实际上所需的更高。通过这个过高的尺寸，导通损耗还要进一步上升。
WO 2008/067786 A1描述了具有子模块的串联电路的多级变流器，其中每个子模块除了电容器之外与功率半导体电路并联地具有晶闸管。晶闸管与功率半导体电路的续流二极管并联，该续流二极管在故障情况下引导整个短路电流。在短路情况下触发并联的晶闸管，从而卸载续流二极管。
除了上面提到的在电能传输和电能分配领域中的应用之外，施加直流电压的多点变流器当然还突出地适合于在传动技术领域中的应用。
开头提到的多点或多级变流器具有如下缺陷：经过变流器的短路电流在没有附加措施的情况下在两个方向上不能得到限制，从而变流器的半导体和外部组件在短路电路中被损坏或毁坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提出一种子模块和开头提到的类型的变流器，利用其可以有效限制在故障情况下出现的短路电流并且能够可靠避免设备损坏。此外可以使得直流电网的出故障的片段尽可能快速地断电并且以这种方式与其余的直流电网隔离。
最后在变流器的直流电压侧的短路情况下，应当尽可能小地影响其交流电压侧的电流并且避免交流电压侧的机械开关的触发。
从开头提到的子模块出发，本发明通过如下解决上述技术问题：第一子单元和第二子单元经由连接部件互相连接，它们这样构造，使得在所有功率半导体开关单元的至少一个选择的开关状态中在第一接头端子和第二接头端子之间的电流流动在两个方向上仅通过第一储能器和/或第二储能器进行。
从开头提到的变流器出发，本发明通过如下解决上述技术问题：子模块是按照本发明的子模块。
按照本发明分别具有储能器、例如电容器，和由两个功率半导体开关单元构成的串联电路的两个子单元经由连接部件互相连接。连接部件与现有技术不同被这样构造，使得在合适地控制功率半导体开关单元的情况下在按照本发明的子模块的两个接头端子之间的电流流动必须总是经由至少一个储能器进行。分别涉及的储能器独立于端子电流的极性总是形成反向电压，所述反向电压使得电流流动快速下降。选择的开关状态按照本发明取决于连接部件及其组件的拓扑结构。
按照本发明，在没有外部的附加的开关的情况下可以控制高的短路电流。与现有技术相反，在本发明的范围内确保能够通过变流器本身在两个方向上快速、可靠并有效地避免高的短路电流。与变流器相连的附加的开关（例如在直流电压电路中）或者与子模块的功率半导体并联连接的半导体开关在本发明的范围中变得多余。在故障情况下几乎仅按照本发明的子模块接收变得自由的能量，从而该能量被完全吸收。能量接收产生反向电压作为结果并且可以按照定义的和期望的方式被规定大小，从而避免不利的高电压。此外按照本发明为了重新开启变流器无需控制地对储能器充电。而是按照本发明的变流器可以在任何时候又恢复其额定运行。
合适地，连接部件具有开关单元。该开关单元在所选择的状态中例如位于其中断位置。但是按照本发明还可以与此不同地，开关单元在所选择的开关状态中位于其导通位置。开关单元的构造在本发明的该扩展的范围内原则上是任意的。因此例如可以是机械开关单元、合适的半导体开关、或者是与变流器的其余功率半导体开关单元相同的功率半导体开关单元。后面还要更详细讨论功率半导体开关单元的构造。
合适地，连接部件具有至少一个电位隔离二极管，其构造为用于保持在第一子单元和第二子单元之间的电压差。按照该有利扩展，可以提高可实现的电压级的数量。例如可以在子模块的接头端子上产生在第一储能器上和在第二储能器上降落的电压的和。此外本发明的该构造还存在如下可能性：根据功率半导体开关单元的开关状态，在接头端子上仅产生一个，也就是或者是在第一储能器上，或者是在第二储能器上降落的电压。以这种方式可以在调节技术上如按照现有技术的两个子模块那样处理第一和第二子单元。迄今为止建立的调节方法由此还可以应用于按照本发明的子模块。
此外优选的是，连接部件具有至少一个阻尼电阻。一个或多个阻尼电阻在此支持储能器，在故障情况下接收能量。为此，阻尼电阻与连接部件的其余的组件这样接线，使得在所选择的开关状态中电流流动独立于端子电流的极性而至少部分地还经过阻尼电阻流动。
按照本发明的优选构造，连接部件具有发射极连接支路，其将第一串联电路的第一功率半导体开关单元的发射极与第二串联电路的第一功率半导体开关单元的发射极相连并且在其中布置电位隔离二极管，集电极连接支路，其将第一串联电路的第二功率半导体开关单元的集电极与第二串联电路的第二功率半导体开关单元的集电极相连并且在其中布置电位隔离二极管，和开关支路，在该开关支路中布置开关单元并且其将发射极连接支路的电位隔离二极管的阴极与集电极连接支路的电位隔离二极管的阳极相连。功率半导体开关单元的发射极也称为源或阴极。
按照与此相关的合适扩展，在发射极连接支路和在集电极连接支路中分别布置阻尼电阻。如上所述，开关支路的开关单元原则上可以任意选择。重要的是，开关单元可以在电流被中断的中断位置和导通的导通位置之间来回连接。例如作为开关单元可以采用机械功率开关、低成本的半导体开关或与子模块的其余的功率半导体开关单元相同的功率半导体开关单元。其他可控功率半导体在本发明的范围内也可以作为开关单元被采用。
如上所述，如果所有功率半导体开关单元和开关单元位于其中断位置，则按照该合适的扩展实现了选择的开关状态。端子电流此时在任何情况下流过至少一个储能器或阻尼电阻。
开关单元在任何情况下这样选择，使得在子模块额定运行时在其上形成的损耗功率尽可能小。
如果子模块的所有功率半导体开关单元相同构造，换句话说，如果所有半导体开关相同，则它们具有统一的截止电压和结构。这一点在高电压的情况下是具有优势的，因为对于极高的电压和功率来说，只有少数半导体开关是适合的。子模块的统一的装备使得可以分别采用最合适的和最有效率的半导体。
合适地，每个功率半导体开关单元具有可接通和关断的功率半导体，续流二极管与其反并联连接。这些可关断的功率半导体例如是市场上可得的IGBT或GTO等。这些功率半导体通常与反并联连接的续流二极管一起被采用。然而，按照本发明还可以采用反向导通的功率半导体。单独的续流二极管于是变得不必要了。
合适地，每个储能器被构造为电容器并且特别是构造为单极存储电容器。
附图说明
本发明的其它优点和实施方式是在参考附图的情况下的下面描述的实施例的内容，其中，相同的组件使用相同的附图标记，并且其中
图1示意性示出了按照本发明的变流器的实施例，并且
图2更详细示出了按照本发明的子模块的实施例。
具体实施方式
图1以示意图示出按照本发明的变流器1的实施例。可以看出，变流器1具有在桥式电路中互相连接的功率半导体整流器2。每个功率半导体整流器2在交流电压接头L1、L2、L3和直流电压接头31、32、33以及41、42、43之间延伸。直流电压接头31、32、33可以经由正极接头5与图中未示出的直流电网的正极并且经由负极接头6与负极相连。
交流电压接头L1、L2、L3分别与变压器的次级绕组相连，其初级绕组连接到同样图中未示出的交流电网。对于交流电网的每一相，设置交流电压接头L1、L2、L3。在示出的实施例中交流电网是三相的。由此变流器1也具有三个交流电压接头L1、L2、L3。在交流电压接头L1、L2、L3和变压器之间设置合适的机械功率开关，用于在故障情况下将交流电压网与变流器1隔离。功率开关在图1中同样未示出。
变流器1在示出的实施例中是高压直流传输设备的部件并且用于连接交流电网，以便在这些高的电功率之间传输。但在此要提到，变流器还可以是用于电网稳定或确保期望的电压质量的所谓的FACT设备的部件。此外按照图1和图2在传动技术中也可以使用变流器。
图1中还可以看出，每个功率半导体整流器2具有由子模块7组成的串联电路以及扼流圈8。在此每个子模块7具有两个接头端子x1以及x2。
图2更详细示出了按照本发明的子模块7的实施例。在此要指出，所有在图1中示意性示出的子模块7相同地构造。图2由此根据一个子模块7代表地示出了变流器1的所有子模块7的结构。
按照图2的子模块7具有第一子单元9和第二子单元10，它们由虚线框住并且相同构造。这样第一子单元9具有由功率半导体开关单元12和13构成的第一串联电路11，所述功率半导体开关单元在示出的实施例中分别具有IGBT 14以及15作为可接通和关断的功率半导体并且分别具有续流二极管16和17，所述续流二极管分别与对应的IGBT14、15反并联连接。IGBT 14、15具有相同的导通方向，也就是同向地取向。在功率半导体开关单元12和13之间的电位点与第一接头端子x2相连。串联电路11与作为第一储能器的第一电容器18并联连接，在该电容器上降落电压UC1。
第二子单元10包括由第一功率半导体开关单元20和第二功率半导体开关单元21构成的第二串联电路19，所述功率半导体开关单元分别具有IGBT 22以及23作为可接通和关断的功率半导体。IGBT 22、23在串连电路19中具有相同的导通方向，从而功率半导体开关单元20和21同向地取向。第二串联电路19的每个IGBT 22以及23与续流二极管24以及25反并联连接。第二串联电路19与第二电容器26并联连接，在该电容器上降落电压UC2。在功率半导体开关单元20和21之间的电位点与第二接头端子x1相连。
子单元9和10经由连接部件27互相关联。连接部件2具有发射极连接支路28以及集电极连接支路29。发射极连接支路28将第一串联电路11的IGBT 15的发射极与第二串联电路19的IGBT 23的发射极相连。相反，集电极连接支路29将第一串联电路11的IGBT 14的集电极与第二串联电路19的IGBT 22的集电极相连。在发射极连接支路28中布置了电位隔离二极管30以及限制电阻31。集电极连接支路29同样具有电位隔离二极管32以及具有限制电阻33。发射极连接支路28与集电极连接支路29经由开关支路34相连，在该开关支路中布置了开关单元35。在示出的实施例中开关单元实现为功率半导体开关单元35并且包括IGBT 36以及与之反并联连接的续流二极管37。在此，开关支路34将电位隔离二极管30的阴极侧与电位隔离二极管32的阳极侧相连，其中在所述阳极和开关支路34之间布置的限制电阻33可以被忽略。
在以下解释子模块7的电路的工作方式。首先指出，所有的功率半导体（也就是续流二极管16、17、24和25以及可接通和关断的功率半导体开关14、15、22和23）所需的截止电压取决于两个单极存储电容器18和26的最大电压，其在选择的实施例在是相同的。以这种方式避免了提到的功率半导体的截止电压的不利的过大尺寸。
总共可以区分多个关于端电压Ux互不相同的开关状态。
在示例性选出的开关状态1中，在接头端子x2和x1上降落的端电压Ux不取决于端电流的方向而等于零。在该开关状态中IGBT 15、22和36位于其导通状态，在该状态中电流在导通方向上可以流过各自的IGBT。其余的IGBT，也就是IGBT 14和23，相反地位于其截止状态，从而电流经过该IGBT中断。在图2中在第一接头端子x2上通过箭头表示的正的电流方向ix(ix正)上，功率半导体15、37和22流过电流。在负的电流方向ix(ix负)上功率半导体24、36和17流过电流。
在下表中总结了优选使用的开关状态。
WC1和WC2列应当解释，存储电容器18和26是接收还是输出能量，其中+1表示接收并且-1表示输出能量。
从表中可以看出，在开关状态2、3和4中在接头端子x2和x1上总是产生正的电压。这一点不取决于端电流的方向而成立。因此例如在接头端子上可以降落电容器电压UC1或电容器电压UC2或电容器电压的和UC1+UC2。
在开关状态5中所有可控功率半导体，也就是IGBT 14、15、22、23和36，在其中断位置，从而电流经过IGBT中断。在该开关状态中，端电压Ux不取决于端电流ix的极性而总是形成反向电压，从而子模块7总是接收能量。在负的电流方向，ix负，通过存储电容器26和18的并联电路以及通过在阻尼电阻30和32上的电压降产生负的反向电压。如果电容器电压UC1和UC2不是精确一致，则它们自动对称。在开关状态5中以很好近似成立
U x = - ( U C 1 + U C 2 ) 2 - U R
其中UR相应于在阻尼电阻32和30上的电压降。
在正的电流方向的情况下产生正的反向电压。
Ux=+（UC1+UC2）
同样在此电流流过可以仅在存储电容器18以及25充电的条件下进行。在此有利的是，出现的电流流过两个电容器，因为在这些电容器上然后出现比当仅一个电容器必须接收能量时更小的过压。
从上面举出的表中此外还可以获悉，利用子模块7及其两个子单元9和10可以在输出端子上产生与按照现有技术（DE 101 03 031 A1）在两个串联连接的子模块情况下相同的输出电压。子单元9、10几乎分别相应于按照现有技术的子模块。换言之，图2的按照本发明的子模块可以以按照现有技术的两个子模块相同的方式被控制。由此还可以应用所有公知的调节方法。但是在严格意义上存在如下的约束条件：在按照现有技术串联连接的子模块中的数量总是必须得到偶数。但是在高压应用中串联连接的子模块的数量如此之大以至于该约束条件是不重要的。
电路状态5在故障情况下可应用完全的电流消失。如果所有子模块7被转换到该开关状态，则变流器1的支路电流和还有交流电压侧和直流电压侧的得到的电流由于所有串联的子模块7的反向电压之和而非常快速地减少为零。该电流减少的速度从上面提到的反向电压和在电流回路中概括地存在的电感而得到。在示出的实施例中其典型地位于几个毫秒的数量级。
直到电流减少开始的延迟时间基本上取决于开关单元35的响应时间。如果对于开关单元35采用按照图2的功率半导体开关单元，则该延迟时间可忽略。延迟时间然后基本上归因于可用来识别故障情况的不同的测量传感器和电流互感器的惯性。该测量值采集的该惯性目前典型地位于几十微秒的范围。
按照本发明的子模块的和按照本发明的变流器1的优点可以总结如下：一方面直到在故障情况下出现的短路电流完全消失的时间段非常短。由此根本不必首先触发在变流器1的交流电压侧设置的开关。交流电压侧以及直流电压侧的电流都仅无关紧要地超过额定电流。子模块的功率半导体不必如在现有技术中那样利用晶闸管或其他跨接的元件来保护。电流断路的可靠性是非常高的，因为通过在变流器1的功率半导体整流器中串联连接的子模块的大的数量确保了冗余。关于可靠性还要提到，变流器1与其所有组件一起始终处于运行中并且在测量技术上被连续监视。这样的功能可靠性在用于在故障情况下电流消失的类似的装置（所述装置仅在这样的故障情况下被激活）中没有给出。
本发明的另一个主要优点在于，在额定运行时在任何时候都可以“返回接通”，从而在错误的不必要的触发或探测的下，对设备运行的负面作用最小化。
借助按照本发明的变流器1还可以，在分支的直流电网中也可以将直流电流快速带到零。以这种方式在直流电路中可以进行无电流的隔离，例如利用真空开关管或反并联的晶闸管。在分支的直流电网中当然还必须的是，与直流电网相连的其余的变流器消除电流，也就是快速转换到子模块7的开关状态5。直流电网的出故障的电网段由此可以简单并低成本地通过公知的机械开关无电流地从剩余的直流电网隔离。出故障的电网段此时可以为了消电离作用或故障定位而“暂停”并且稍后由其配备的变流器启动。在非常短的时间内剩余的变流器又可以使得整个直流电网处于运行。

Claims (13)

1.一种用于构成变流器(1)的子模块(7)，包括：
第一子单元(9)，所述第一子单元具有
-第一储能器(18)，
-与第一储能器(18)并联连接的第一串联电路(11)，所述第一串联电路由两个功率半导体开关单元(12，13)组成，所述功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的能接通和关断的功率半导体(14，15)并且分别与所述导通方向相反地导电，和
-第一接头端子(x2)，所述第一接头端子(x2)与在第一串联电路(11)的功率半导体开关单元(12，13)之间的电位点相连，以及
第二子单元，所述第二子单元具有
-第二储能器(26)，
-与第二储能器(26)并联连接的第二串联电路(19)，所述第二串联电路由两个功率半导体开关单元(20，21)组成，所述功率半导体开关单元分别具有导通方向相同的能接通和关断的功率半导体(22，23)并且所述功率半导体开关单元分别与所述导通方向相反地导电，和
-第二接头端子(x1)，所述第二接头端子(x1)与在第二串联电路(19)的功率半导体开关单元(20，21)之间的电位点相连，
其特征在于，
所述第一子单元(9)和第二子单元(10)经由连接部件(27)互相连接，其被构造为：在所有功率半导体开关单元(12，13，20，21)的至少一个选择的开关状态中在第一接头端子(x2)和第二接头端子(x1)之间的电流流动，仅经过第一储能器(18)和/或第二储能器(26)，并且
所述连接部件(27)具有：发射极连接支路(28)，其将第一串联电路(11)的第一功率半导体开关单元(13)的发射极与第二串联电路(19)的第一功率半导体开关单元(21)的发射极相连并且在其中布置电位隔离二极管(30)；集电极连接支路(29)，其将第一串联电路(11)的第二功率半导体开关单元(12)的集电极与第二串联电路(19)的第二功率半导体开关单元(20)的集电极相连并且在其中布置电位隔离二极管(32)；以及开关支路(34)，在该开关支路中布置开关单元(35)并且其将发射极连接支路(28)的电位隔离二极管(30)的阴极与集电极连接支路(29)的电位隔离二极管(32)的阳极相连。
2.根据权利要求1所述的子模块(7)，其特征在于，所述连接部件(27)具有开关单元(35)。
3.根据权利要求2所述的子模块(7)，其特征在于，所述开关单元(35)是机械开关单元或功率半导体开关单元。
4.根据权利要求2所述的子模块(7)，其特征在于，所述开关单元(35)是半导体开关。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的子模块(7)，其特征在于，所述连接部件(27)具有至少一个电位隔离二极管(30，32)，其被构造为用于保持在第一子单元(9)和第二子单元(10)之间的电压差。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的子模块(7)，其特征在于，所述连接部件(27)具有至少一个阻尼电阻(31，33)。
7.根据权利要求1所述的子模块(7)，其特征在于，在发射极连接支路(28)中和在集电极连接支路(29)中布置阻尼电阻(31，33)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的子模块(7)，其特征在于，在所选择的开关状态中所有功率半导体开关单元(12，13，20，21，35)处于其中断位置。
9.根据权利要求8所述的子模块(7)，其特征在于，所述连接部件(27)具有至少一个开关单元(35)，所述开关单元在所选择的开关状态中在处于中断位置。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的子模块(7)，其特征在于，所述功率半导体开关单元(12，13，20，21，35)是反向导通的能接通和关断的功率半导体开关。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的子模块(7)，其特征在于，每个功率半导体开关单元(12，13，20，21，35)分别具有能接通和关断的功率半导体(14，15，22，23，26)，续流二极管(16，17，24，25，37)与其反并联连接。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的子模块(7)，其特征在于，每个储能器是单极存储电容器(18，26)。
13.一种特别是用于高压应用的变流器(1)，具有功率半导体整流器(2)，其分别在交流电压接头(L1，L2，L3)和直流电压接头(31，32，33，41，42，43)之间延伸并且构成桥式电路，其中，每个功率半导体整流器(2)具有子模块(7)的串联电路并且每个子模块(7)具有至少一个储能器(18，26)和至少一个功率半导体电路(11，19)，其特征在于，所述子模块是按照上述权利要求中任一项所述的子模块(7)。
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