CN104956458A - 用于切换工作电流的方法 - Google Patents

Abstract

为了能够在直流电网中在两个方向上成本低廉地切换工作电流，建议一种用于在联网的直流电网(1)中切换工作电流的方法。在此，控制与直流电网连接的至少一个变流器(2)，使得在具有机械开关(6)的开关支路中引起电流过零点，并且依据所产生的电流过零点操作机械开关(6)。

Description

用于切换工作电流的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在联网的直流电网中切换工作电流的方法。

背景技术

为了实现未来的直流电网，强制地需要使用直流电压功率开关。

在WO 2011/057675 A1中提出了一种转换混合开关方案的直流电压功率开关。因此，其中公开的直流电压功率开关具有与电子辅助开关串联的机械开关。该串联电路被一个能够可靠地断开大功率的功率电子开关单元桥接。为此，将多个功率半导体开关串联连接，其使已知的直流电压功率开关很昂贵并且成本密集。

为了降低成本，已经建议将直流电压功率开关布置为，虽然在两个方向上传导这些电流，但是仅能够在一个方向上切换这些电流。这种单向开关的成本明显比类似的双向开关低。为了断开直流故障电流，单向开关通常就足够了。然而，工作电流在两个电流方向上出现，从而需要双向开关。

从实践中已知，使用机械开关来切换直流电流，其中，与机械开关并联连接的谐振回路在机械开关中产生电流过零点，从而使在机械开关的触点之间出现的电弧熄灭。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种开头提及的类型的方法，使用该方法，能够在两个方向上可靠并且成本低廉地断开工作电流。

本发明通过一种用于在联网的直流电网中切换工作电流的方法来解决上述技术问题，所述直流电网分别与连接到交流电网的变流器在直流电压侧彼此连接，其中，每个变流器被构造用于在与其连接的交流电网和直流电网之间传输电功率，并且其中，所述直流电网具有布置有机械开关的开关支路，其中，控制至少一个变流器，使得在所述开关支路中产生电流过零点，并且依据所产生的电流过零点操作机械开关。

本发明的前提是，为了断开大的直流故障电流，在直流电网中布置单独的直流电压功率开关。其可以被构造为单向开关，从而仅能够断开一个方向上的故障电流。本发明基于如下思想：不一定必须借助并联的谐振回路在机械开关中产生人为产生的电流过零点。相反，在本发明的范围内，借助总归与直流电网连接的变流器产生电流过零点就足够了。实际上，很难想象在连接有不同制造商的变流器的任意规模的联网的直流电网中，能够以例如+/-10A的足够的精度或者更准确地控制任意线路上的工作电流。虽然能够足够准确地对每个单个的电流变流器进行控制，但是由于直流电网的联网结构，多个控制量和不同的干扰量同时作用于该环路中的电流，从而要考虑实际值的恒定波动。因此，根据本发明建议代替在较长的时间段上将开关支路中的电流连续控制为零，而是产生人为的电流过零点。在本发明的范围内，以例如+/-50A的容差调节一个线路的电流就足够了。以这种方式，可以针对电流预先给定迫使产生电流过零点的参考曲线。如果在布置有机械开关的开关支路中产生这种电流过零点，则可以对机械开关进行操作，使得其触点尽可能在电流过零点的时刻断开，从而使电弧熄灭。因为在切换工作或负载电流时，不必遵守时间，因此在本发明的范围内，这种切换过程可以缓慢地进行。

根据与此相关的适宜构造，对机械开关的操作在到达电流过零点之前就已经执行。因此，在机械开关的触点分离时，首先出现电弧，直到其在电流过零点的时刻熄灭。然而，触点在该时刻已经达到彼此这样的距离，使得提供所需的耐压强度，并且能够在机械开关的触点之间不产生新的电弧。

当然，在到现在为止的介绍中，在变流器的控制和开关过程的触发之间需要精确的同步。

在此，为了获得稍微更多的回旋余地，根据本发明的一个适宜的扩展，设置与开关支路中的机械开关串联连接的至少一个功率半导体开关，其在正常工作时持续保持在其导通状态，并且转变到其关断状态，以便断开工作电流。如已经描述的那样，在没有这种功率半导体开关的情况下，在机械开关的断开和电流过零点的时刻之间需要非常好的同步。否则，在非常长的时间内在机械开关的触点元件之间存在电弧，或者电流过零点在机械开关还没有断开的时刻出现。由于该原因，至少一个功率半导体开关是有利的。作为功率半导体开关，考虑具有反向并联的续流二极管的可断开的功率半导体开关，例如IGBT、IGCT或GTO。然而，优选使用晶闸管作为功率半导体开关。晶闸管例如是可使用光触发的晶闸管。为了使晶闸管保持在其导通状态，在导通状态，电流能够流过晶闸管，持续对其进行触发。由于对晶闸管的持久触发，在正常运行中，负载电流流过所述晶闸管和与其串联地布置的机械开关。如果要断开工作或负载电流，则停止触发命令。在电流过零点，晶闸管关断，其中，必须确保晶闸管保持足够大的关断间隔，使得其能够可靠地转变到其关断状态。在关断状态，晶闸管不导电，从而与其串联地布置的机械开关能够无电流地断开。

如果想将这种类型的负载电流或工作电流断开用于两个电流方向，则需要第二功率半导体开关，例如第二晶闸管，其与第一晶闸管反向并联连接。两个晶闸管与机械开关串联地布置。因为承担电压隔离的机械开关与晶闸管串联地布置，因此晶闸管仅需要被设计为用于小的电压。这里，例如几千伏的关断能力就足够了。然而，出于冗余的原因，有利的是，将多个晶闸管盘串联连接。例如将3个晶闸管盘串联连接。根据一个与此相关的适宜的扩展，与晶闸管并联地设置放电器，其限制晶闸管上的最大电压。因此，放电器被设计为在通常的电压下在工作电流断开中，仅流过非常小的电流。

适宜的是，测量传感器采集在开关支路中流动的开关电流，其中，对所述变流器的控制依据所采集的开关电流进行。以这种方式方法，能够有利地匹配变流器的控制和开关命令的输出之间的时间顺序。

根据一个有利扩展，电流过零点通过在至少一个变流器的直流电压接线端上产生的电压跌落产生。根据该有利扩展，优选变流器是电压源变流器( Umrichter)，即所谓的“电压源转换器(VSC，VoltageSource Converter)”，在其直流电压输出端上产生相应地期望的直流电压。如果该输出电压以跳跃的方式改变，则其导致电压跌落，其能够确保所需的电流过零点。然而，在本发明的范围，所述变流器也可以是外部换向变流器。

根据一个与此相关的适宜的扩展，通过至少一个变流器引起第一电压跌落，随后采集在开关支路中流动的开关电流的曲线并且进行评价，其中，最后通过相同的变流器引起第二电压跌落，其大小依据对开关电流的曲线的评价来确定。如果预先给定的第一电压跌落未引起电流过零点，则这可以根据所测量的开关支路中的电流确定。随后，可以产生第二电压跌落的形式的更强的电压跌落。以这种方式方法，可以借助第一电压跌落像在测试中一样测试电压跌落对开关支路的影响。然后，在第一电压跌落的结果的基础上对第二电压跌落进行控制。

根据本发明，能够以相对小的开销在两个方向上切换工作电流。根据本发明，在直流电网中内置具有电弧承受能力的机械开关就足够了。在本发明的范围内，更昂贵的开关方案变得多余。如果机械开关与晶闸管串联连接，则例如可以用光对晶闸管进行触发。省去了对处于高压电势上的晶闸管的昂贵的能量供应。

附图说明

本发明的其它适宜的构造和优点是下面参考示出的附图对本发明的实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记表示起相同功能的构件，并且其中，

图1示意性地示出了联网的直流电网，

图2示出了具有机械开关的根据图1的直流电网的开关支路，

图3示出了根据图2的开关支路中的电流过零点的理想电流曲线，

图4示出了用于在根据图2的开关支路中产生电流过零点的实际电流曲线，以及

图5更详细地示出了机械开关以及断开支路。

具体实施方式

图1示出了直流电网1的实施例。直流电网1将变流器2在直流电压侧彼此相连。在此，直流电网形成电网节点3。在直流电网1中布置有在图中未示出的直流电压功率开关，其能够在一个方向上切换故障电流。为了切换工作电流，仅设置机械开关，其在图1中同样未示出。每个变流器连接到在图中未示出的交流电网。

图2示出了根据图1的直流电网3的放大的片段。这里，可以看到布置有机械开关单元5的开关支路4。机械开关单元5包括机械开关以及与其串联地布置的作为功率半导体开关的晶闸管。开关支路4在两个直流电网节点3a和3b之间延伸，其分别直接连接到变流器2a或2b。在这点上应当指出，在示出的附图中，直流电网1仅作为单极电网示出。然而，这仅仅是为了清楚起见。在本发明的范围内适宜的是，直流电网具有两个彼此不同地极化的线路，例如一个正极和一个负极。

第一直流电网节点3a上的电压由变流器2a的直流电压侧输出电压决定性地确定，其中，第二直流电网节点3b上的电压由第二变流器2b的电压输出决定性地确定。在正常运行时，相对于地电势降落在第一电网节点3a上的电压U1略大于第二直流电网节点3b上的相应的电压U2。因此，电流I沿在图2中示出的方向从第一直流电网节点3a经由开关单元5向第二直流电网节点3b流动。如果现在通过图中未示出的第一变流器2a的变流器控制器，在变流器2a的直流电压输出端上产生电压跌落，则第一直流电网节点上的电压U1下降。如果该电压跌落足够大，则这产生电流过零点。

图3例如示出了理想的电流过零点。在时刻0，存在在正常运行中常见的工作状况U1和U2，电流沿在图2中示出的方向流动。在10秒之后，通过第一变流器2a造成电压跌落。最终在25秒之后，产生电流过零点，并且产生相反方向上的电流流动。

图4示出了更接近实际的电流曲线，其中假设，仅在短时间段内进行第一变流器2a上的电压跌落，使得随后第一变流器2a又能够以正常运行参数工作。因此，在大约16和24毫秒之后产生两个电流过零点。如果例如在时刻0触发开关单元5的机械开关，则在16毫秒之后，其开关触点之间的电弧熄灭，其中，其达到了彼此如此之大的间隔，使得提供足够大的耐压强度，并且避免电弧的重新触发。

图5示出了开关单元5的优选构造，从中可以看到，开关单元5具有机械开关6以及与其串联连接的作为功率半导体开关的两个晶闸管7和8，其彼此反向并联连接。放电器9与两个晶闸管7、8并联连接。两个晶闸管7和8在正常运行中持续触发，使得工作电流能够经由晶闸管7和8以及机械开关6在两个方向上流动。在图5中示出的情况下，工作电流I从左向右流动，因此经由晶闸管8以及随后经由机械开关6流动。

为了断开工作电流I，产生电流过零点。停止晶闸管8的持续触发。如果经由晶闸管8流动的电流I下降到其保持电流以下，则晶闸管8转变到其关断状态。经由晶闸管8、自然还有经由晶闸管7的电流因此不再能够在示出的方向上流动。机械开关6现在可以无电流地断开。放电器9用于保护晶闸管7和8免受过电压。由于晶闸管7、8和机械开关6的串联布置，可以在机械开关6的操作和通过控制变流器2引起的电压跌落之间的较不准确的同步。

Claims (6)

1.一种用于在联网的直流电网(1)中切换工作电流的方法，所述直流电网分别与连接到交流电网的变流器(2)在直流电压侧彼此连接，其中，每个变流器(2)被构造用于在与其连接的交流电网和直流电网(1)之间传输电功率，并且其中，所述直流电网(1)具有布置有机械开关(6)的开关支路(4)，其中，控制至少一个变流器(2)，使得在所述开关支路(4)中产生电流过零点，并且依据所产生的电流过零点操作所述机械开关(6)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

对所述机械开关(6)的操作在到达电流过零点之前进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

与开关支路(4)中的机械开关(6)串联连接的至少一个功率半导体开关(7、8)在正常工作时持续保持在其导通的导通状态，并且功率半导体开关(7、8)转变到其不导通的截止状态，以便切换工作电流。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

测量传感器采集在开关支路(4)中流动的开关电流，并且对所述变流器(2)的控制依据所采集的开关电流进行。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述电流过零点通过在至少一个变流器(2)的直流电压接线端上产生的电压跌落产生。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

通过至少一个变流器(2)引起第一电压跌落，随后采集在开关支路(4)中流动的开关电流的曲线并且进行评价，最后通过相同的变流器(2)引起第二电压跌落，其大小依据对开关电流的曲线的评价来确定。