CN103329386A - 高压dc电源和用于高压电力系统的功率装置 - Google Patents

Abstract

提供一种用于向电子设备提供充电电流至电子设备的高压dc电源，包括并联连接的一个或多个串，每个串被再分为串联连接的多个dc电源单元，并且每个串设有被配置用于连接和断开所述串的至少一个固态开关，以及控制单元，其适于导通和关断至少一个固态开关，并且所述控制单元被配置用于在一旦接收到连接所述串的命令时，就控制所述串的所述至少一个开关以交替地导通和关断，从而实现所述电子设备的软充电。

Description

高压dc电源和用于高压电力系统的功率装置

技术领域

本发明涉及用于向电子设备提供充电电流的高压dc电源。高压dc电源应当理解成在3kV及以上范围之内串联连接的dc电源单元，优选在10kV及以上范围之内。本发明进一步涉及用于高压电力系统的功率装置，所述高压电力系统包括并联连接的高压dc电源。功率装置意味着能够控制无功功率和/或有功功率的装置。功率装置的示例为功率补偿器和不间断电源(UPS)。高压电力系统可以是用于电能传输或分配以及用于工业、医院等的网络。

背景技术

在灵活交流输电系统(FACTS)之内，已知多个控制装置。一种这样的FACTS装置为静态补偿器(STATCOM)。一台STATCOM包括具有连接至高压电力系统的AC侧和连接至诸如电容器的临时电力存储器件的DC侧的电压源转换器(VSC)。STATCOM可以向输电线路提供无功功率或者从输电线路吸收无功功率。

与仅补偿无功功率的STATCOM相反，另一概念为将dc电源连接至STATCOM，并且因此能够实现有功功率补偿。这样的一种功率装置可以被用作诸如旋转备用(spinning reserve)，并且用作补偿电力系统中的波动能量等级。

今天，dc电源为高压电池。由于功率装置连接至高压电力系统的AC电压，数量巨大的电池必须串联连接以匹配功率装置的dc电压。另外，为了获得能量存储的所期望电能数量(有功功率持续时间)，包括多个电池的数个串可以并联连接。

在WO/2009/152849中，介绍了这样的功率装置，其包括电压源转换器和高压dc电源。该功率装置进一步包括分布在串的dc电源单元之间并且被配置用于在发生故障时断开串的固态开关。通过为沿着串的每个dc电源单元提供固态开关，并且同时导通和关断，当串断开时，每个开关仅需要承受在其相对应的dc电源单元之上的电压。

在大范围电力中断之后恢复电力是困难的任务。需要使多个电站重新在线。通常，这是借着来自电网其他部分功率的帮助才得以完成。在没有电网功率时，需要实现所谓的黑启动来自启动电网进入运行。为了提供黑启动，一些电站典型地配备有小型柴油发电机，其能够用来启动更大的发电机，最终能够被用于启动主电站发电机。使用蒸汽涡轮机的发电厂需要多达它们的容量的10％的厂用电，用于锅炉给水泵、锅炉强制鼓风机、以及用于燃料制备。然而，在每个电站提供这样大的备用容量并不经济，因此黑启动必须从其他电站通过输电网进行提供。

包括如上所述的电池能量存储系统的功率装置的优势在于发生大范围电力中断的情况下他们能够提供功率至其所连接的电网，使其可能提供电网的黑启动。在WO/2008/002223中，公开了功率补偿器，其包括电压源转换器、dc链路电容器和能量存储设备，所述能量存储设备进一步包括高压电池、用于将电池从电容器断开的第一和第二主开关。一个开关将串从转换器的正dc轨(positive dc rail)断开，并且另一个开关将串从转换器的负dc轨(negative dc rail)断开。每个开关的额定值必须用于整个转换器电压，以便能够保护功率装置。与主开关并联地布置有第一和第二并联路径，其包括电阻器器件和辅助开关。功率补偿器还包括用于控制开关的控制器件。另外，提出了用于提供已死网络的黑启动的方法。所述方法包括如下方法步骤：

-从能量存储设备为dc链路电容器赋能；

-开始切换电压源转换器；以及

-按照与网络连接的电力生产者和电力消费者的平衡，控制功率补偿器至网络和来自网络的功率流。

然而，将能量存储直接连接至dc链路电容器会导致大的涌入电流，该涌入电流可能会造成电池能量存储系统和/或转换器的机械方面或电气方面的损坏。这也可能会导致触发功率装置的短路检测系统，并且因此触发功率装置的停机命令。在WO/2008/002223中公开并且以上讨论的方法中，该问题通过形成包括电阻器器件的电流路径以便降低dc链路电容器和能量存储设备之间的电流得以解决。然而，该电阻器昂贵，占空间，非可控，并且具有过热的风险。

发明内容

本发明的一个目的在于克服或至少缓解上述大的涌入电流的问题。特别的，本发明的一个目的在于提供改进的高压dc电源，其以更可控，更廉价，并且占用空间更少的方式降低大的涌入电流。

根据本发明的一个方面，该目的通过如权利要求1所限定的高压dc电源来实现。

根据本发明的用于向电子设备提供充电电流的高压dc电源的特征在于控制单元被配置用于在接收到连接串的命令时，控制串的至少一个开关交替地导通和关断，从而实现电子设备的软充电。例如，可以使用脉宽调制(PWM)。

根据本发明的高压dc电源的优势在于，通过控制所述串的至少一个固态开关交替地导通或关断，实现电子设备的软的并且更可控的充电。另外，不需要电阻器器件，这提供了较为廉价和占用空间较少的dc电源。此外，不需要辅助开关，因为同样的电流路径被用于充电电流以及用于工作电流，这是由于事实上至少一个固态开关被用于连接和断开串以及用于控制涌入电流的器件。

dc电源单元意味着多个串联和/或并联连接的并且能够提供dc功率的小dc电源部件，例如电池、光伏电池、燃料电池或超电容器。不同类型的dc电源部件还可以在高压dc电源中组合。

在本发明的一个实施例中，为每个串设有多个被配置用于连接和断开串的固态开关，每个开关被布置用于连接和断开串的dc电源单元中的一个，并且控制单元被配置用于同时控制串的固态开关以交替地导通和关断，从而实现电子设备的软充电。在dc电源的某些电压等级处使用上述的多个固态开关是必要的，因为市场上没有可用的带有这种额定电压的固态开关。更进一步的优势在于多个固态开关意味着可以使用更低的跨每个开关的电压以及相应地更小的和更廉价的具有更低额定电压的开关。

在本发明的一个实施例中，控制单元被配置用于改变开关的导通和关断之间的时间间隔，或者开关的关断和导通之间的时间间隔，以限制充电电流直至达到跨电子设备的预定电压值。有利地，改变开关的导通和关断之间的时间间隔，或者开关的关断和导通之间的时间间隔使得任意控制至电子设备的充电电流的幅度成为可能。

在本发明的一个实施例中，控制单元被配置用于逐渐增大开关的导通和关断之间的时间间隔。例如，当电子设备充电时，充电串(或多串)与电子设备之间的电压差下降时，控制单元能够逐渐增大开关的导通和关断之间的时间间隔，从而有利地加速电子设备的充电过程，而不超过充电电流的有害等级。

在本发明的一个实施例中，控制单元被配置用于逐渐减小开关的关断和导通之间的时间间隔。

在本发明的一个实施例中，控制单元适于根据所述充电电流的测量值确定所述时间间隔。测量所述充电电流使得根据充电电流的电流值自动调整开关的导通和关断之间的时间间隔成为可能，从而优化充电电流的控制。

在本发明的一个实施例中，控制单元被配置用于根据预定开关模式控制所述至少一个开关。预定开关模式的优势在于充电电流不是必须测量的，因而不需要充电电流传感器。

在本发明的一个实施例中，dc电源具有两个或多个并联的串，并且控制单元被配置用于控制具有最高电压的串的至少一个开关以交替地导通和关断，从而实现具有较低电压的其他串中的一个串的软充电。出于不同的原因，跨dc电源单元的串的电压可以关于另一串或多个串不同。例如，情形为：为了更换dc电源单元而将串临时断开，或者串由于串中的一些电池老化而包括具有不同电荷状态(SOC)的电池。在这些情形下，能够控制从具有最高电压等级的串至具有最低电压等级的串的充电电流，就十分有利。

在一个实施例中，每个dc电源单元提供1-10KV的dc电压，优选地在2至5KV之间或者大约3KV。高压dc电源的规格可以是电压在10KV至100KV之间，或甚至高于100KV。

根据本发明的第二方面，该目的通过用于高压电力系统的功率装置实现，所述功率装置包括具有并联连接的dc链路电容器的电压源转换器，和根据上述实施例中任一个的高压dc电源。高压dc电源的控制单元被配置用于才接收到连接一个或多个串的命令时，控制串的至少一个开关以交替地导通和关断，从而实现dc链路电容器或它的其他串中的一个串的软充电。

根据本发明的第三方面，该目的通过根据上述实施例中任一个的高压dc电源的应用而实现，用于为功率装置中的dc链路电容器充电。

另一可替换方式在于根据上述实施例中任一个的高压dc电源的应用，用于为带有电池能量存储的STATCOM充电。

另一进一步可替换方式在于高压dc电源的应用，用于均衡所述并联串的电压。

附图说明

将参考附图，通过示例更全面地描述本发明，附图中：

图1示出根据现有技术的高压dc电源。

图2示出根据本发明的高压dc电源的实施例的示意图。

图3a-c示出开关模式的三个示例，将串的至少一个开关交替地导通和关断，并且图3d示出跨电子设备的电压相应的增加的示例。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的高压dc电源3。所述高压dc电源3以下表示为dc电源。同样的附图标记在整个附图中用于相同或相应的部件。

dc电源3包括并联连接的一个或多个串，取决于所期望的有功功率的数量。在图1所示的示例中，示出三个串4a-c。每个串4a-c被再分成为串联连接的多个dc电源单元8-10。dc电源单元8-10依次包括串联和/或并联连接的多个电池(图1中未示出)。每个dc电源单元8-10设有固态开关11-13，以下表示为开关。每个串进一步包括额外的开关7，以能够完全断开dc电源。开关7、11-13被配置用于在诸如短路的故障情形下，连接和断开对应的dc电源单元8-10。串内的所有开关7、11-13被布置为使得它们同时导通和关断，意味着当串4a-c断开时，每个开关7、11-13仅必须承受跨dc电源的总电压中与它们相对应的部分。dc电源单元8-10的电压适合于开关7、11-13的断开容量。

每个开关7、11-13包括诸如晶体管16的可控半导体、和与晶体管16反并联连接的诸如二极管17的整流部件。出于安全理由，例如在dc电源工作期间，断开器5、6被置于串内。

图2图示根据本发明的高压dc电源1的示例。高压dc电源1，以下表示为dc电源1，包括一个或多个并联连接的串4a-c，每个串被再分为串联连接的多个dc电源单元8-11。图2中仅示出一个串。串联连接的dc电源单元8-11的数量取决于所期望的dc电源1的电压等级。每个串4a-c设有至少一个被配置用于连接和断开串的固态开关12-15。在图2中，示出四个开关12-15和四个dc电源单元8-11。然而，只要开关或多个开关的断开容量足以断开串，就可能减少每个串中的开关数量。dc电源1进一步包括用于导通和关断开关的控制单元。控制单元包括一个或多个串控制单元20，每个串控制单元用于dc电源1中的每个串4a-c。由于图2仅示出一个串，因此只有一个串控制单元被示出。串控制单元控制与其相对应的串的导通和关断。

串控制单元20被配置用于在从主控制器(图2未示出)接收到连接命令23时连接串4a-c，并且从而开启充电电流。串控制单元20包括诸如中央处理单元的适当的处理器件，以及其他。根据本发明，串控制单元20进一步包括软启动模块21，其配置用于同时控制串的开关12-15以交替地导通和关断，从而实现与串并联连接的电子设备19的软充电。串控制单元20被配置用于在接收到连接命令23时执行软启动模块21。电子设备19包括例如功率装置中的dc链路电容器或者dc电源1的另一个串。在后者的情形下，高压dc电源1可以被用于均衡并联串之间的电压差。

在本发明的第一实施例中，串控制单元包括用于存储预定义开关模式的存储装置22。当串控制单元20接收用于连接串的命令时，软启动模块21将会从存储装置22中提取预定义开关模式，并且同时控制串的开关以根据预定义开关模式交替地导通或关断。软启动模块21被配置用于基于开关模式产生控制信号24，并且串控制单元被配置用于向串中的每个开关发送控制信号24。开关模式定义导通开关和关断之间以及关断开关和导通之间的时间间隔，并且在dc电源的设计阶段基于诸如回路电感、dc电源的电压等级等电路参数来确定。一旦开关已经被导通，通过串的充电电流将会开始增加。根据预定义的开关模式，开关稍后被关断以便电流在开关被再次导通之前下降至第二阈值之下。根据预定义的开关模式重复这个过程，直至达到跨电子设备的预定电压值。

在第二实施例中，开关模式不是基于预定义开关模式，而是基于充电电流的测量。串控制单元将会从图2未示出的电流测量设备接收串内的充电电流的测量值。当充电电流已达到第一阈值，开关被关断以便电流在开关再次导通之前下降至第二阈值之下。这个过程将重复直至达到跨电子设备的预定电压值。那时充电电流将不能达到第一阈值之上，并且串将会保持连接。

图3a-c示出开关模式的三个示意性示例，将串中的开关交替地导通或关断。开关模式可以被预定义，还可以如上所述是充电电流的测量值的结果。图3a-c所示图中的x轴为在电子设备软充电的过程中，串中的开关被同时导通和关断的时刻。虚线30示出在已经向串控制单元发送连接命令之后开关第一次被导通的时刻。图中的y轴示出串中的导通或断开的开关的当前开关状态。当以及达到跨电子设备的预定义电压值时，开关将在dc电源的工作期间保持导通状态。在图3a的图中示出开关模式，其中开关的导通和关断之间(开关状态ON)的时间间隔，以及开关关断和导通之间(开关状态OFF)之间的时间间隔，在整个充电过程中保持不变。

充电电流多么快的增加取决于跨串的电压值和跨电子设备的电压值之间的差和回路电感。在该充电过程开始，差处于其最高等级，并且相应地，充电电流将会比充电过程的末尾处快得多地达到预定阈值。结果是，为了增加充电过程的速度，开关处于导通状态的时间间隔必须增加，并且该目的通过图3b和3c中所示的开关模式实现。在图3b所示的开关模式中，导通和关断之间的时间间隔在充电过程中保持不变，但是开关更频繁地导通，即开关频率增加了。在图3c所示的开关模式中，频率保持不变，但是导通和关断之间的时间间隔增加了。

在图3d中，示出使用图3c中所述的开关模式的跨电子设备19的电压值，已经实现了电压增加直至达到预定义电压值。

Claims (12)

1.一种用于向电子设备提供充电电流的高压dc电源，包括：

-并联连接的一个或多个串，每个串被再分为串联连接的多个dc电源单元，并且每个串设有至少一个固态开关，所述固态开关被配置用于连接和断开所述串，以及

-控制单元，适于导通和关断所述至少一个固态开关，

其特征在于所述控制单元被配置用于在接收到连接所述串的命令时，控制所述串的所述至少一个开关以交替地导通和关断，从而实现所述电子设备的软充电。

2.根据权利要求1所述的高压dc电源，其中每个串设有多个被配置用于连接和断开所述串的固态开关，每个开关被布置用于连接和断开所述串的所述dc电源单元中的一个dc电源单元，并且所述控制单元被配置用于同时控制所述串的所述固态开关以交替地导通和关断，从而实现所述电子设备的软充电。

3.根据权利要求1或2所述的高压dc电源，其中所述控制单元被配置用于改变所述开关的所述导通和所述关断之间的时间间隔或所述开关的所述关断和所述导通之间的时间间隔，以限制所述充电电流直至达到跨所述电子设备的预定电压值。

4.根据权利要求3所述的高压dc电源，其中所述控制单元被配置用于逐渐增大所述开关的所述导通和所述关断之间的所述时间间隔。

5.根据权利要求3所述的高压dc电源，其中所述控制单元被配置用于逐渐减小所述开关的所述关断和所述导通之间的所述时间间隔。

6.根据权利要求3所述的高压dc电源，其中所述控制单元适于基于所述充电电流的测量值确定所述时间间隔。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的高压dc电源，其中所述控制单元被配置用于根据预定义开关模式控制所述至少一个开关。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的高压dc电源，其中所述dc电源具有两个或多个并联的串，并且所述控制单元被配置用于控制具有最高电压的所述串的所述至少一个开关以交替地导通和关断，从而实现具有较低电压的其他串中的一个串的软充电。

9.一种用于高压电力系统的功率装置，所述功率装置包括具有并联连接的dc链路电容器的电压源转换器和根据权利要求1至8中任一项所述的高压dc电源。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的高压dc电源的应用，用于为功率装置中的dc链路电容器充电。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的高压dc电源的应用，用于为带有电池能量存储的STATCOM充电。

12.根据权利要求8所述的高压dc电源的应用，用于均衡所述并联的串的电压。

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