CN102780201B - 用于中断dc电流通路中电流流动的电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明名称为用于中断DC电流通路中电流流动的电路和方法。一种用于DC功率传送的DC电流通路(4)包括可开关元件(1)。电感(2)与可开关元件(1)串联连接。当检测到中断情形时，谐振电路(3)与可开关元件(1)和电感(2)的串联连接进行并联连接以便给谐振电路(3)的电容(32)充电。实现可开关元件(1)的打开状态，并且谐振电路(3)与可开关元件(1)并联连接。借助于此类装置和方法能实现非常有利、快速的中断时间。
Description
技术领域
本发明涉及高压(HV)直流(DC)传送，具体而言，涉及一种用于中断DC电流通路中电流流动的电路和方法。
背景技术
由于各种原因，用于大规模地传送能量的高压直流传送再次受到关注。DC输电网(grid)的再次出现，与如何将功率驱动到DC输电网中的不同思路有密切联系。将来的DC输电网优选可由电压控制电源控制，也以电压源变换器(VSC)著称。在此类输电网中，在发生短路的情况下，故障电流会非常快地上升，结果会加重系统可靠性的负担。
在传统的交流输电网中有短路的情况下，中断的思路可受益于输电网中交流电流的交变特性。当打开交流电流通路中相关联的断路器时，电弧可电连接此类断路器电极，并且可继续允许电弧电流穿过断路器。然而，由于交流驱动电源的性质，在交流电流通路中的此类正在进行的电弧电流也会振荡，并固有地可呈现零电流交叉。对于熄灭电弧和完全阻止电流流动穿过断路器，电流中的零交叉是符合需要的。
然而，在DC输电网中没有此类零电流交叉作为驱动电源的副产物出现，但是当断路器实现成其打开状态时或之后，期望DC电流通路中的电流零通过其他方式产生。在一种途径中，通过将振荡反向电流注入DC电流通路中来造成电流零点。此类振荡反向电流可与电弧电流相抵消并且可最终造成至少一个临时电流零点出现在DC电流通路中，这又可被用来熄灭在断路器的电弧并且使DC电流通路中电流流动停止。引起振荡反向电流的优选方式是与断路器并联设置的谐振电路，在下文中该断路器更一般地表示为可开关元件或开关元件。然而，在将谐振电路与开关元件并联连接的情况下，在振荡反向电流的幅度达到足够补偿穿过开关元件的电弧电流之前需要经过一定的上升时间。此类上升时间可取决于电弧上的电压降和谐振电路中现存的电容。在鉴于短的振荡上升时间优选大电容值时，相关联的电容器成本很高。
在WO2009/149749A1中，公开了用于断开超过2500A的DC电流的装置。该装置包括与中断器并联连接的谐振电路。电涌放电器与谐振电路并联连接。谐振电路具有电容器和电感的串联连接。谐振电路的以μF为单位的电容和以μH为单位的电感之间的关系是＞＝1。
发明内容
因此，本发明的目的是以非常快的方式中断DC电流通路中的电流，以便保护DC电流通路的电路元件。
该目的通过根据权利要求1的特征的电路装置来实现。该目标也可通过根据权利要求7的特征的方法来实现。
根据本发明，如果检测到故障情形，则与DC电流通路的可开关元件串联连接的电感上的电压降被用于给谐振电路中的电容充电。此类充电电感可优选是故障电流限制电感。在此上下文中，要注意到，在本发明的本方面和所有其他方面中的术语“谐振电路”优选理解为包括电感和电容的LC电路，优选串联连接，其中电感可被实施为分开的元件或可被表示为谐振电路的线路的电感。术语“谐振电路”因此不需要表示闭合回路，而可以是如下电路，其在开关成闭合回路的情况下呈现谐振特性。
响应于检测到DC电流通路的中断情形，谐振电路与可开关元件和电感的串联连接进行并联连接，用于从存储在电感中的能量中给谐振电路的电容充电。优选地，在给电容充电期间，可开关元件还没有实现为打开状态。谐振电路可优选借助于第一开关与可开关元件和电感的串联连接进行并联连接。本上下文中的开关可以是要可控地闭合并且在其触点之间提供电连接的装置。此类开关会可控地或不可避免地被重新打开。在一个实施例中，第一开关可以是承受期望电流的传统开关。在另一实施例中，第一开关可以是火花隙，其可通过开启其触点之间的火花隙来被主动地(actively)触发进入闭合状态并且可在火花电流中断之后自动中断。
在一些时间点，而且优选在电容充电到足够电平之后，DC电流通路中可开关元件可实现为打开状态。在此类打开状态中，穿过可开关元件的电流可能没有完全中断，因为旁路开关元件的打开的触点的电弧可持续允许电流在DC电流通路中流动。此类电流也被表示为电弧电流。开关元件的触发或实现为打开状态可优选地断开谐振电路与从其相关于可开关元件和电感的串联连接的并联连接是同步的，或在此类断开连接之后实现。
在打开可开关元件时，或，优选地在可开关元件的此类打开之后，可将谐振电路与可开关元件并联连接，并且优选地只与开关元件并联连接，即不与电感并联连接。因此，“只”应特别指谐振电路与开关元件而不是电感相连接；“只”不需要排除除了目前的电感以外的元件。为了这样做，优选提供另一开关，例如以火花隙的形式。可以假设，当另一开关被触发闭合并将谐振电路并联连接到可开关元件时，先前用于将谐振电路与可开关元件和电感的串联连接进行并联连接的开关可处于重新打开的状态，以便电感不会短路。在将谐振电路与可开关元件相连接时，已充电电容可以被放电并且可引起其幅值足以用于补偿电弧电流并且用于产生至少一个临时电流零点的振荡反向电流。
一般而言，在该申请通篇中，先前的开关或第一开关和另一开关或第二开关应是分开的装置。而且，一般而言，第一开关和第二开关应设置在不同的位置。特别是，第一开关应位于包括谐振电路和可开关元件和电感的串联连接的第一电路，并且第一开关应能够闭合和打开所述第一电路。并且特别是，第二开关应位于包括谐振电路和可开关元件但不包括电感的第二电路，并且第二开关应能够闭合和打开所述第二电路。
结果，可以是故障电流限制(FCL)电感的电感被用于给谐振电路中的电容预充电。当在DC电流通路中或在连接的DC输电网中检测到故障电流时，给电容充电到相对高的电压电平，另一方面这需要仅在谐振电路中设置相对小的电容值。这样，电容仅承受大充电电压非常短的时间，例如几毫秒。不需要附加装置来给电容充电。不需要给电容持久地充电。不需要预充电电容。并且，由于不需要给电容持久地充电，所以不需要持久地监视电容的充电水平的部件。当DC电流通路中的标称电流或额定电流或工作电流转变为故障电流时，无源谐振电流被应用或切换到DC电流通路。在此类实施例中，能实现快速中断时间，例如，在自故障事件的起点开始或从检测到故障事件开始等于或小于10毫秒(ms)的范围内。
从而，在本发明的第一方面，提供一种电路装置，用于中断DC电流通路中的电流流动。该电路装置包括与可开关元件串联连接的电感，该可开关元件设置在DC电流通路中，电路装置还包括谐振电路，适配成借助于第一开关可与电感和可开关元件的串联连接进行并联连接，该谐振电路还适配成借助于另一开关或第二开关可与可开关元件而不是电感并联连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，用于中断DC电流通路中的电流流动。对于包括可开关元件的DC电流通路检测中断情形。电感串联连接到可开关元件。响应于检测到中断情形，谐振电路与可开关元件和电感的串联连接进行并联连接来给谐振电路的电容充电。实现可开关元件的打开状态，并且谐振电路与可开关元件进行并联连接而不与电感并联连接。
在从属权利要求中或权利要求组合中以及下面的说明书中列出了有利的实施例。
描述的实施例类似地涉及电路装置和方法。可从这些实施例的不同组合中产生协同效果，但可能没有对它们进行详细描述。
另外，应注意的是，涉及方法的本发明所有实施例可按照所描述的步骤顺序或按照任何其他顺序执行。本发明的公开内容和范围应包括步骤的任何顺序，而与权利要求中列出的顺序无关。
附图说明
根据下面对本发明的详细描述，将更好地理解本发明的实施例，并且除了上面阐述的目标以外的其他目标变得清楚。此类描述参照附图，其中附图如下所示：
图1根据本发明的一实施例的电路装置的方块电路图，
图2图表，该图表示出了当发生短路期间采用根据本发明的一实施例应用的、中断DC电流通路中电流流动的方法的情况下，在DC电流通路中随时间变化的样本电流特性，
图3图表，该图表示出当传统方法应用于中断标称或额定或工作电流时DC电流通路中随时间变化的样本电流特性，和
图4流程图，该流程图示出根据本发明的一实施例的用于中断DC电流通路中电流流动的方法。
具体实施方式
图1的方块电路图示出了根据本发明的一实施例的、包括DC电流通路4的电路装置。DC电流通路4可直接连接到或间接地经由DC输电网5连接到具有例如320kV的标称供电电压或额定供电电压或工作供电电压的电压源变换器。DC电流通路4可优选实施为用于传送电流的传送通路，该电流也称为标称电流或额定电流或工作电流。工作电流优选为1.5kA以及更大，特别是在1.5kA和2.5kA之间。在目前实施例中，DC电流通路4表示DC输电网5的部段，该DC电流通路4包括可开关元件1，并且该部段可特别地可连接到谐振电路3。DC输电网5可包括用于DC电流的传送通路(并且因此DC电流通路4可包括用于DC电流的传送通路)，并优选可以是传送线路。功能性术语“用于DC电流”意思应是在常规工作模式下传送DC电流。然而，在故障处理模式下具有交变极性的电流可在DC输电网5和DC电流通路4中被传送(如果需要或如果它可发生)。
DC电流通路4包括可开关元件1，例如，以断路器的形式，其与电感2串联连接。在目前的示例中，电感2设置在DC输电网5中，但仍然与DC电流通路4的可开关元件1串联连接。可开关元件1设置为在出故障(例如短路)的情况下，用于中断DC电流通路4中的电流流动，以便保护电路元件、负载等等。断路器可以是基于真空的断路器、基于气体的断路器、其组合或任何其他合适的断路器。提供电感2，用于分别限制DC电流通路4中的电流和DC输电网5中的电流，并且特别用于限制故障电流上升的斜率。在DC电流通路4中或DC输电网5中发生短路的情况下，DC电流通路4中的电流可从工作电流电平增大到更高的故障电流电平。可将电感2的大小定为优选大于80mH且小于120mH的值。然而，电感2可仅仅延长故障电流的上升时间而不是其幅值。由于此类原因，可能希望DC电流通路4中的故障电流被断路器1中断。
电路装置的谐振电路3包括与另一个电感31串联设置的电容32。另一个电感31可以是分开的电路元件或可以是表示谐振电路3的布线的电感。例如，另一个电感31的值可在0.5mH和2mH之间。此外，可能需要将谐振电路3自身的欧姆电阻考虑进来，并且谐振电路3自身的欧姆电阻的值可例如在10μOhm和100μOhm之间。电涌放电器6可与电容32并联连接。
谐振电路3能够借助于第一开关34与电感2和可开关元件1的串联连接进行并联连接。第一开关34可以是能够可控地在接通状态和关断状态之间开关以及在关断状态和接通状态之间开关的开关，或可以是能够可控地从关断状态开关到接通状态并自主地返回到关断状态的开关，例如火花隙可以如此。在DC电流通路4的工作条件下，第一开关34通常处于打开状态，而可开关元件1处于闭合状态。结果，工作电流在DC电流通路4中流动。在此状态下，谐振电路3被第一开关34的打开状态中断，以便谐振电路3中无电流流动。例如，借助于测量DC输电网5中的电流或DC电流通路4中的电流，或借助于测量电感2上的电压降，DC输电网5或DC电流通路4的失灵可被检测到。优选地，借助于电流和/或电压测量值超过阈值(其可以是故障模式的指示器)，可检测到短路的DC输电网5。在此类事件中，可触发第一开关34闭合。在一个实施例中，可在此类第一开关34中引起火花隙。确定第一开关34自身或第一开关34的触发控制的大小，以便第一开关34保持闭合的时间足够使电容32充电到引起DC电流通路4中电流零点所需的电平，将在后面会对此进行解释。例如，在第一开关34是火花隙的情况下，缩放火花隙以便火花隙允许足够时间的连接来给电容32充分充电。
另一个开关33(被称为第二开关33，用于将谐振电路3只与可开关元件1连接而在此类闭合回路中不包括电感2)在上述检测故障事件和给电容32充电的步骤期间保持在打开状态。在电容32被充电之后，第一开关34可被再次打开并且电容32保持已充电。
换而言之，在故障事件的情况下，DC电流通路中的电流以上升速率从工作电流电平上升到故障电流电平，该上升速率是根据di/dt＝U/L由工作电压U和电感值L限定的。由于处于80mH和120mH之间的大电感值L，所以几乎所有电压降都将在电感2上。相同的电压降是在第一开关34的打开的触点之间。借助于在此类故障情形下闭合第一开关34，电容32将被非常快速地充电。给电容32充电的示范时段可大约是1ms。电容32的值可位于1μF和15μF之间，并且优选地小于20μF。
在第一开关34的重新打开的同时或之后，可开关元件1实现为打开。可开关元件1的打开可与用于闭合第二开关33的闭合信号同时发生。一旦第二开关33被激活且闭合，LC谐振电路3就并联连接到可开关元件1而不是充电的电感2。虽然可开关元件1处于打开状态，但由于所涉及高电压可出现电弧。此类电弧可允许电流在DC电流通路4中流动。
通过闭合第二开关33，谐振电路3形成电弧上的闭合回路。通过将回路闭合，表示为反向电流的振荡电流由谐振电路3产生，特别是通过使电容32放电来产生。此类引起的振荡电流与DC电流通路4中的电弧电流相叠加并在DC电流通路4中的总电流中至少暂时地实现至少一个电流零点值。此类电流零点值又是通过可开关元件1的熄灭部件完全断开穿过可开关元件1的电流的条件。
因为在故障的情况下电感2上的电压降用于给电容32充电(由于电感2的大小该电压降是大幅电压降)，所以以高电压给电容32预充电，这又需要仅相对低的电容值，例如10μF。此类电容值可足以感应振荡的反向电流，其幅值用于暂时补偿DC电流通路4中的故障电流。这又可减少电路装置的成本。
图4示出了表示根据本发明的一实施例的、用于中断DC电流通路中电流的方法的流程图。在下文中，术语“步骤”意思是“方法要素”，并且不要求或暗示步骤或方法要素的顺序或排序将根据步骤或方法要素的编号被执行。在步骤S1，监视DC电流通路或DC输电网是否有例如短路的故障事件，例如，通过监视相关联的电流。在步骤S2，确定此类电流是否超过可用作故障事件指示器的阈值。在电流未达到或超过阈值(N)的情况下，DC电流通路或DC输电网分别继续被监视。在步骤S3中，在电流超过阈值(Y)的情况下，第一开关连接谐振电路，该谐振电路包括至少一个电容，其与可开关元件(例如断路器)和故障电流限制电感的串联连接进行并联连接。下面的计时器T指示了第一开关可在闭合状态保持特定时间T，该时间被认为足以用由电感上的电压降得到的高电压给谐振电路的电容充电。在时间T之后，在步骤S4中，在火花隙的情况下，可通过主动控制方式或通过第一开关触点的自主打开来断开该连接。
在步骤S5(其可在步骤S4之后或可与步骤S4同时发生)，操作可开关元件进入打开状态。结果，电弧电流在DC电流通路中流动。在步骤S6(其可在步骤S5之后或可与步骤S5同时发生)，闭合第二开关来将谐振电路仅与可开关元件相连接，也就是不与电感2连接。第二开关33现在是闭合的，同时第一开关34再次处于重新打开状态。这感应DC电流通路中的振荡反向电流。在步骤S7，监视反向电流是否已经具有或还没有足以完全补偿电弧电流的幅值，即DC电流通路中的总电流是否还没呈现零交叉。如果不是这种情况(N)，系统继续在步骤S7监视。如果是这种情况(Y)，通过已知的方式熄灭可开关元件1上的电弧。
在图2中，示范图描绘了在故障情形下DC电流通路中的电流特性，其中应用了上述电路装置和上述方法。在时间t1之前，DC电流通路中的电流等于工作电流，例如，～2kA。在时间t1，DC电流通路中出现故障并导致电流上升。在时间T2，检测到此类故障电流，并且谐振电路3与电感2和可开关元件1的串联连接进行并联连接来给谐振电路3中的电容32充电。在时间t3，正在给电容32充电，并且电容32可与DC电流通路4断开连接。可开关元件1被激活到打开状态。电弧将被产生并且谐振电路3将连接到可开关元件1以便使电容32放电以及接着构建与电弧电流叠加的振荡反向电流。假设所有这些发生在时间t3。结果，DC电流通路4中的总电流呈现电流零交叉，甚至在时间t4振荡反向电流的第一个正弦波内。在此类时间点或任何具有电流零点的随后时间点，可通过已知方式来熄灭电弧。
与之相反，图3示出在传统电路装置中DC电流通路中的电流特性的图表以供比较。在此类传统的无源电路装置中，通过将谐振电路应用到DC电流通路且谐振电路中的电容不被预先充电，～2kA的工作电流被中断。在此类情形下，产生需要相当长的时间来增加幅值的振荡。在该传统无源电路中可在t4＝18ms时达到电流零点交叉。相反，通过应用用于中断故障电流的本发明方法，有利地可在t4＝3.25ms时已达到电流零点交叉，如图2所示。
根据本发明的一实施例，对于高达2.5kA的工作电流，故障可被定义在与标称工作电流至少10％的偏差，并且此类故障电流可被上文公开的电路装置和/或方法非常快速地中断。
所有随附权利要求作为整体并包含所有其权利要求的从属关系，在字面上通过引用合并入说明书。
Claims (21)
1.一种用于中断DC电流通路(4)中电流流动的电路装置，所述电路装置包括：
第一电感(2)，其与设置在所述DC电流通路(4)中的可开关元件(1)串联连接，
谐振电路(3)，其适配成借助于第一开关(34)与所述第一电感(2)和所述可开关元件(1)的所述串联连接进行并联连接，
所述谐振电路(3)进一步适配成借助于第二开关(33)与所述可开关元件(1)而不是所述第一电感(2)并联连接，
其中所述DC电流通路（4）是DC输电网（5）的部段。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其中所述谐振电路(3)包括串联连接的电容(32)和第二电感(31)，并且当所述第一开关(34)闭合时所述第一电感(2)用于给所述电容(32)充电。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其中所述第一电感(2)是故障电流限制电感(2)，和/或其中所述可开关元件(1)包括其电弧电压－过电流特性中具有负斜率的断路器。
4.根据权利要求1或2所述的电路装置，其中所述第一开关(34)和所述第二开关(33)是分开的装置，和/或所述第一开关(34)和所述第二开关(33)设置在不同位置，和/或所述第一开关(34)和所述第二开关(33)中的至少一个包括火花隙。
5.根据权利要求1或2所述的电路装置，其中所述第一电感(2)的电感值在80mH和120mH之间。
6.根据权利要求2所述的电路装置，其中所述电容(32)的电容值小于20μF。
7.用于中断DC电流通路(4)中电流流动的方法，所述方法包括：
对于包括可开关元件(1)的所述DC电流通路(4)检测中断情形，
将谐振电路(3)与第一电感(2)和所述可开关元件(1)的串联连接进行并联连接，以便给所述谐振电路(3)的电容(32)充电，
实现所述可开关元件(1)的打开状态，和
将所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)而不与所述第一电感(2)并联连接。
8.根据权利要求7所述的方法，包括为了检测中断情形，监视如下中的至少一个：包括所述DC电流通路(4)的DC输电网(8)中的电流和所述第一电感(2)上的电压降。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在将所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)和所述第一电感(2)的串联连接进行并联连接之前，所述电容(32)处于未充电状态。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中在所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)和所述第一电感(2)的串联连接进行并联连接期间，所述可开关元件(1)保持在闭合状态。
11.根据权利要求7或8所述的方法，其中借助于激活第一开关(34)使所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)和所述第一电感(2)的所述串联连接进行并联连接，并且其中所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)而不与所述第一电感(2)并联连接。
12.根据权利要求11的方法，其中借助于激活第二开关(33)使所述谐振电路(3)只与所述可开关元件(1)并联连接。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一开关(34)和所述第二开关(33)是分开的装置，和/或所述第一开关(34)和所述第二开关(33)设置在不同位置，和/或所述第一开关(34)和所述第二开关(33)中的至少一个包括火花隙。
14.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述第一电感(2)是故障电流限制电感(2)，和/或其中所述可开关元件(1)包括电弧电压－过电流特性中具有负斜率的断路器。
15.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在实现所述可开关元件(1)的打开状态的同时或之后，所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)而不是所述第一电感(2)并联连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述谐振电路(3)只与所述可开关元件(1)并联连接。
17.根据权利要求7或8所述的方法，其中在将所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)而不是所述第一电感(2)并联连接之前，所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)和所述第一电感(2)的所述串联连接断开连接。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在将所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)而不是所述第一电感(2)并联连接之前，通过打开第一开关(34)使所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)和所述第一电感(2)的所述串联连接断开连接。
19.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述谐振电路(3)与所述可开关元件(1)而不是所述第一电感(2)并联连接，同时所述可开关元件(1)处于其打开状态，以通过使所述电容(32)放电来实现所述DC电流通路(4)中的反向电流，并且所述反向电流与所述DC电流通路(4)中流经旁路所述打开状态可开关元件(1)的电弧的电弧电流相叠加。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述反向电流是振荡的反向电流，其幅度足以暂时补偿所述电弧电流并在所述DC电流通路(4)中实现暂时的电流零点。
21.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法在权利要求1-6中任一项所述的电路装置中实施。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP11165773.0 | 2011-05-12 | ||
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