CN104170236B

CN104170236B - 转换器单元及关联转换器臂和方法

Info

Publication number: CN104170236B
Application number: CN201180076236.8A
Authority: CN
Inventors: F.霍斯尼
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: WO2013068048A1; EP2777146A1; US20140369094A1; CN104170236A; US9160226B2

Abstract

提供一种转换器单元，包括：第一端子和第二端子；能量储存装置，在第一端连接到第二端子；第一开关，在第一端连接到第一端子；第二开关，设置在两个端子之间；以及第三开关，连接在第一开关的第二端与能量储存装置的第二端之间。还提供相应的转换器臂和方法。

Description

转换器单元及关联转换器臂和方法

技术领域

本发明涉及转换器单元（converter cell）以及具有改进故障处理的关联方法。

背景技术

转换器单元用于多种电气应用中。例如，转换器单元能够用于沿DC(直流)与AC(交流)之间的任一方向或者DC-DC的功率转换。

通过使用串联连接的转换器单元，能够取得增加的额定电压，例如以将转换器单元用于高压应用、诸如HVDC(高压DC)应用中。另外，转换器单元能够并联连接，以增加额定电流。

转换器单元中的故障处理是重要的，但是也能够是复杂并且高成本的。需要改进转换器单元的故障处理。

发明内容

按照第一方面，提供一种转换器单元，包括：第一端子和第二端子；能量储存装置，在第一端连接到第二端子；第一开关，在第一端连接到第一端子；第二开关，设置在两个端子之间；以及第三开关，连接在第一开关的第二端与能量储存装置的第二端之间。

使用第三开关，能够控制向/从能量储存装置的能量传递，而与第一和第二开关的状态无关。这与现有技术相比，提供优良故障处理能力。具体来说，这能够更好地保护能量储存装置，这可降低能量储存装置的额定要求，从而降低组件成本。由于常常大量提供这类转换器单元，所以这能够产生显著成本节省。

转换器单元可设置成在第一开关已经出故障、诸如进入开路或短路时断开第三开关。另外，第三开关能够设置成在第一开关的控制已经失效时断开。这能够防止能量储存装置的非期望过充电。

转换器单元可设置成在第二开关已经出故障而进入开路或短路时断开第三开关。

转换器单元可设置成断开第三开关，以防止能量储存装置的充电。

第三开关可包括两个反并联晶闸管，或者第三开关可包括双向晶闸管。晶闸管能够以极大精度来控制，并且对高压所额定的晶闸管通常不如能量储存装置、诸如电容器那么昂贵。

第三开关可包括与机械开关并联的晶闸管。使用机械开关，这当其在正常操作模式闭合时、即当转换器单元中没有发生故障时降低经过第三开关的任何功率损耗。

转换器单元可设置成通过晶闸管的相位角、从而允许电流对能量储存装置供能，来控制能量储存装置的供能。这允许能量储存装置的软充电，这降低或者甚至消除对用于能量储存装置的软充电的任何附加组件的需要。

第一和第二开关各可包括半导体器件和反并联二极管，以及半导体器件可以是绝缘栅双极晶体管IGBT。备选地，半导体器件能够是集成门极换向晶闸管(IGCT)、门极关断晶体管(GTO)或者任何其它适当高功率半导体组件。

能量储存装置可以是电容器。备选地，能量储存装置能够是超级电容器、电感器、电池等。

第二方面是包括按照第一方面的多个转换器单元的转换器臂。转换器单元例如能够用于功率转换应用、诸如DC/DC转换的AC/DC转换中。

第三方面是一种用于控制转换器单元的方法，其中该转换器单元包括：第一端子和第二端子；能量储存装置，在第一端连接到第二端子；第一开关，在第一端连接到第一端子；第二开关，设置在两个端子之间；以及第三开关，连接在第一开关的第二端与能量储存装置的第二端之间。该方法包括在第一开关出故障时断开第三开关的步骤。

该方法还可包括下列步骤：控制第三开关，以限制对能量储存装置的功率传递。

该方法还可包括下列步骤：当第二开关已经出故障而进入短路或者进入开路时，断开第三开关。

一般来说，权利要求中使用的所有术语将要按照它们在技术领域中的普通含意来解释，除非本文中另加明确说明。对“一个元件、设备、组件、部件、步骤等”的所有提法均公开地解释为表示元件、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另加明确说明。本文所公开的任何方法的步骤无需按照所公开的准确顺序来执行，除非另加明确说明。

附图说明

现在作为示例、参照附图来描述本发明，附图包括：

图1是示出常规转换器单元的示意图；

图2A是示出按照第一实施例的转换器单元的示意图；

图2B是示出按照第二实施例的转换器单元的示意图；

图3A-B是示出图2A的转换器单元的一实施例的示意图，其中第一开关已经出故障而进入短路；

图4是示出图2A的转换器单元的一实施例的示意图，其中第一开关已经出故障而进入开路；

图5是示出图2A-B和图3A-C的第一和第二开关的一实施例的示意图；

图6是示出包括按照图2A-B的多个转换器单元的转换器臂的示意图；

图7是示出按照图2A-B中的任一个的转换器单元的操作的流程图；

图8是示出图2A-B的第三开关的控制连同到第一开关和第二开关的控制信号的示意图表；

图9A是示出图2A-B、图3A-B、图4的第三开关的第一实施例的示意图；以及

图9B是示出图2A-B的第三开关的第二实施例的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的某些实施例。但是，本发明可通过许多不同形式来实施，而不应被理解为局限于本文所提出的实施例；相反，这些实施例作为示例来提供，以使得本公开将是透彻和全面的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。在整个描述中，相似的标号表示相似的元件。

图1是示出常规转换器单元1的示意图。转换器单元1具有作为第一端子4a和第二端子4b的两个端子。此外，转换器单元1包括第一开关2a、第二开关2b以及在这里采取电容器形式的能量储存装置3。在第一操作模式，第一开关2a闭合、即处于导通状态，而第二开关断开、即处于断开状态。在这种状况中，能量储存装置实质上连接在第一端子4a与第二端子4b之间。取决于负载电流方向，这能够引起能量储存装置充电或放电。在第二操作模式，第一开关2a断开，而第二开关闭合。这是旁路模式，实质上绕过转换器单元1。

图2A是示出按照第一实施例的转换器单元10的示意图。在这里，第三开关8设置在第一开关2a与能量储存装置之间。能量储存装置能够是电容器、超级电容器、电感器、电池等。

图2B是示出按照第二实施例的转换器单元10’的示意图。结构是图2A的实施例的镜像。

图3A是示出第一开关已经出故障而进入短路的状况的示意图。在这个示例中，能量储存装置3释放其能量。第三开关8示为包括两个反并联晶闸管9a-b。备选地，第三开关8能够包括双向晶闸管或者两个反并联半导体开关元件，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、门极关断晶闸管(GTO)或者任何其它适当高功率半导体组件。能够使用如图8所示的触发脉冲来使第一晶闸管9a朝能量储存装置3导通。相反，能够使用其自己的触发脉冲集合来使第二晶闸管9b从能量储存装置导通。在这个示例中，使第二晶闸管9b导通以使能量储存装置3放电是安全的。

图3B是示出第一开关已经出故障而进入短路的状况的示意图。在这种状况中，第一晶闸管9a断开，从而防止能量储存装置3被充电和过充电。第二开关2b闭合，由此实现转换器单元的旁路。这样，保护能量储存装置3免于未控制充电(其能够损坏该组件)。

图4是示出第一开关2a已经出故障而进入开路的状况的示意图。在这种状况中，第二晶闸管9a断开，从而防止能量储存装置3被充电或过充电，因为如果存在反并联二极管，则电流仍然能够经过第一开关2a。第二开关2b闭合，由此实现转换器单元的旁路。这样，保护能量储存装置3免于未控制充电(其能够损坏该组件)。

图5是示出开关2、即图2A-B和图3A-C的第一和第二开关2a-b的一实施例的示意图。开关2包括开关元件15以及与开关元件15反并联设置的二极管16。开关元件15能够是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、门极关断晶闸管(GTO)或者任何其它适当高功率半导体组件。

图6是示出包括按照图2A-B、图3A-C和图4的多个转换器单元的转换器臂30的示意图。转换器单元10a-z串联连接在DC+与DC-之间。单元的数量能够按照要求来选择，并且能够是包括一、二、三或更多的任何数量。

在这里，现在接着描述各种故障条件以及如何使用图3A所示的结构来处理它们。当故障在第一开关2a或第二开关2b中发生时，直接动作能够是阻断第二晶闸管9b，并且关断单元的第一和第二开关2a-b。第一晶闸管9a将保持导通，直到执行故障的全面诊断。故障处理操作中的下一个步骤取决于故障的类型，如上所述：

情况1：第一开关2a进入短路

如果负载电流方向是离开第一端子4a，则能量储存装置3继续经由第二晶闸管9b和短接的第一开关2a放电。没有采取(或者能够采取)进一步动作，直到电流改变方向。在这个期间，能量储存装置3可能变成完全放电。在这种情况下，第二开关2b中的反并联二极管能够接管负载电流。

当负载电流改变方向并且开始对能量储存装置3进行充电时，阻断第一晶闸管9a，并且第二开关2b软接通，以使负载电流换向并且关断第一晶闸管9a。第二开关2b然后持续保持导通，以提供单元的持久旁路。

如果负载电流方向是进入第一端子4a，则能量储存装置3继续经由第一晶闸管9a和第一开关2a充电。一旦检验到这个故障条件，则立即阻断第一晶闸管9a，并且第二开关2b软接通，以使负载电流换向并且关断第一晶闸管9a。第二开关2b然后持续保持导通，以提供单元的持久旁路。

情况2：第二开关2b进入短路

与负载电流方向无关，这种故障情况引起单元的旁路。一旦识别这个故障，则也立即阻断第一晶闸管9a，以防止能量储存装置的无意过充电。

因此，在第二开关2b的刀片转变期间，晶闸管对确保能量储存装置3没有被充电，并且由于晶闸管9a-b与能量储存装置3相比更高的额定值，存在实现对新短路的刀片的转变的充足电压。

情况3：第一开关2a持久关断

这例如能够在控制第一开关2a的门控单元（gate unit）出故障时发生。

如果负载电流方向是离开第一端子4a，则负载电流自动换向到第二开关2b中的任何反并联二极管。一旦检验到这个故障条件，则立即阻断第一晶闸管9a，并且第二开关2b软接通并且持续保持导通，以提供单元的持久旁路。

如果负载电流方向是进入第一端子4a，则能量储存装置3继续经由第一晶闸管9a和第一开关2a的任何反并联二极管充电。一旦检验到这个故障条件，则立即阻断第一晶闸管9a，并且第二开关2b软接通，以使负载电流换向并且关断第一晶闸管9a。第二开关2b然后持续保持导通，以提供单元的持久旁路。

情况4：第二开关2b持久关断(例如GU故障)

这例如能够在控制第二开关2b的门控单元出故障时发生。

一旦检验到这个故障条件，则也立即阻断第一晶闸管9a。这将最终引起第二开关2b的强制短路故障条件。在第二开关2b的刀片转变期间，晶闸管对确保能量储存装置3没有被充电，并且由于晶闸管9a-b的更高额定值，存在实现对新短路的刀片的转变的充足电压。

第一晶闸管9a还能够用来通过在供能期间使用相位角控制来平滑地对系统供能，而没有高涌流。这消除对涌流电阻器和附加设备的需要。

上述实施例提供无需IGBT的串联连接的简单单元设计，并且降低对控制门控单元的要求。该解决方案还促进功率和电压的任何范围的模块性。

图7是示出按照图2A-B中的任一个的转换器单元的操作的流程图。

在初始有条件故障步骤40中，确定故障是否已经发生。故障能够是短路、开路或控制故障，以致于用于第一开关和/或第二开关的任一个的门控单元的故障。如果故障已经发生，则该过程继续进行到断开第1、第2和向内的第3开关步骤42。否则，该方法结束。

在断开第1、第2和向内的第3开关步骤42中，第一和第二开关以及向内的第三开关(例如第一晶闸管9a)全部断开。

在有条件第2开关GU良好（GU ok）步骤，确定第二开关的门控单元是否良好。如果情况是这样，则该过程继续进行到有条件VC增加步骤46。否则，该过程继续进行到断开向外的第三开关步骤48。

在有条件VC增加步骤46中，确定指示能量储存装置3上的电压VC是否增加。如果情况是这样，则该过程继续进行到断开向外的第三开关步骤48。否则，该过程继续进行到有条件第2开关两端的电压步骤47。

在有条件第2开关两端的电压步骤47中，确定是否存在第二开关两端的电压。如果情况是这样，则该过程返回到有条件VC增加步骤46。否则，该过程继续进行到断开向外的第3开关步骤48。

在断开向外的第3开关步骤48中，第三开关的向外的部分、例如第二晶闸管9b断开。

图8是示出正常操作模式中、即没有故障发生时随时间推移对图2A-B的第三开关的控制连同到第一开关和第二开关的控制信号的示意图表。该图表包含信号模式59a-b、52-b。最上面第一信号模式59a表示第一晶闸管9a的晶闸管触发信号。随后的第二信号模式59b表示第二晶闸管9b的晶闸管触发信号。第三信号模式52a表示第一开关2a的控制信号，以及最下面的第四信号模式52b表示第二开关2b的控制信号。

如能够看到，晶闸管反复地被提供有触发信号，因为每次电流发生变化时，要求新触发信号以使其导通。可选地，第二晶闸管能够在第一开关的信号52a为低电平时、即第一开关断开时的期间60保持截止。在这个时间期间，没理由使第二晶闸管导通。

在第三开关包括与机械开关并联的晶闸管9a的情况下，该过程是不同的。在这种情况下，机械开关在正常操作期间持续保持闭合，而第一晶闸管9a保持截止。在故障期间，当开关断开时，能够触发第一晶闸管9a以控制电流。

图9A是示出图2A-B、图3A-B、图4的第三开关的第一实施例的示意图。第三开关8在这里包括两个反并联晶闸管9a-b，并且如以上参照图3A-B所述来起作用。

图9B是示出图2A-B的第三开关的第二实施例的示意图。在这里，第三开关8包括机械开关70和可选的第一晶闸管9a。如下面将说明，第一晶闸管能够用来防止电弧在机械开关70断开时发生。机械开关70能够是例如使用线圈对开关状态进行磁控的任何适当可控机械开关。机械开关70能够是双稳的，以防止状态之间的无意切换。使用机械开关的优点是正常操作中与使用晶闸管时相比降低的功率损耗。一旦已经确立故障性质并且已经清除故障，则可确定机械开关70能够再次闭合。

能量储存装置在这里被考虑为连接于第三开关8的右侧，以及第三开关8的左侧被考虑为连接到第一开关2a并且由此连接到第一端子4a。这样，流向右边的电流对能量储存装置进行充电，同时流向左边的电流对能量储存装置进行放电。机械开关70在正常操作中闭合，但是如果故障在转换器单元中发生，则能够断开。当故障发生并且电流流向左边时，机械开关70保持闭合，直到电流改变方向并且流向右边而进入能量储存装置。当电流流向右边时，则触发第一晶闸管9a导通，由此机械开关70能够在电弧的低风险或者甚至没有风险的情况下断开。当故障发生并且方向流向右边时，立即触发第一晶闸管9a导通，由此机械开关70能够在电弧的低风险或者甚至没有风险的情况下断开。一旦机械开关70断开，则能够将晶闸管控制到断开、断路状态。如果不存在机械开关70中流动的电流、诸如如果负载电流在第二开关中流动，或者当第二开关已经出故障而进入短路并且负载电流在短路中流动时，则机械开关70也能够断开。

以上主要参照几个实施例描述了本发明。但是，如本领域的技术人员易于理解，除了以上所公开之外的其它实施例在如所附权利要求所限定的本发明的范围之内同样是可能的。

Claims

1.一种转换器单元(10，10’)，包括：

第一端子(4a)和第二端子(4b)；

能量储存装置(3)，在第一端(13a)连接到所述第二端子(4b)；

第一开关(2a)，在第一端(12a)连接到所述第一端子(4a)；

第二开关(2b)，设置在所述两个端子之间；以及

第三开关(8)，连接在所述第一开关(2a)的第二端(12b)与所述能量储存装置(3)的第二端(13b)之间，

其特征在于，所述转换器单元设置成在所述第二开关已经出故障而进入开路或短路时断开所述第三开关。

2.如权利要求1所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述转换器单元设置成在所述第一开关已经出故障时断开所述第三开关。

3.如权利要求2所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述转换器单元设置成在所述第一开关已经出故障而进入开路或短路时断开所述第三开关。

4.如权利要求2所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述转换器单元设置成断开所述第三开关，以防止所述能量储存装置(3)的充电。

5.如以上权利要求中的任一项所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述第三开关包括两个反并联晶闸管(9a-b)。

6.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述第三开关包括双向晶闸管。

7.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述第三开关包括与机械开关(9b)并联的晶闸管(9a)。

8.如权利要求5所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述转换器单元设置成通过控制所述晶闸管(9a)的相位角、从而允许电流对所述能量储存装置(3)供能，来控制所述能量储存装置的供能。

9.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述第一和第二开关各包括半导体器件(15)和反并联二极管(16)。

10.如权利要求9所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述半导体器件(15)是绝缘栅双极晶体管IGBT。

11.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元(10，10’)，其中，所述能量储存装置(3)是电容器。

12.一种转换器臂(30)，包括多个权利要求1至11中的任一项所述的转换器单元。

13.一种用于控制转换器单元(10，10’)的方法，所述转换器单元(10，10’)包括第一端子(4a)和第二端子(4b)、在第一端(13a)连接到所述第二端子(4b)的能量储存装置(3)、在第一端(12a)连接到所述第一端子(4a)的第一开关(2a)、设置在所述两个端子之间的第二开关(2b)以及连接在所述第一开关(2a)的第二端(12b)与所述能量储存装置(3)的第二端(13b)之间的第三开关(8)，所述方法的特征在于下列步骤：

当所述第二开关已经出故障而进入短路或者进入开路时，断开所述第三开关。

14.如权利要求13所述的方法，还包括下列步骤：

当所述第一开关(2a)出故障时，断开所述第三开关。

15.如权利要求14所述的方法，还包括下列步骤：

控制所述第三开关，以限制对所述能量储存装置的功率传递。