CN105075098B - 包括链式变换器和保护电路的电气设备 - Google Patents

Abstract

一种电气设备(10)，包括：第一端子和第二端子(18，20)，用于连接至电路；链式变换器(22)，连接在所述第一端子和第二端子(18，20)之间，所述链式变换器(22)包括多个链节模块(24)，每个链节模块(24)包括至少一个开关元件(26)和至少一个能量储存装置(28)，每个链节模块(24)的所述或每个开关元件(26)和所述或每个能量储存装置(28)结合以选择性地提供电压源；以及保护装置(32)，连接在包括所述链节模块(24)中至少两个的电气单元(34)两端，所述保护装置(32)包括多个串联的半导体器件(36)，其中所述保护装置(32)选择性地提供导电路径以允许在电气设备(10)中流动的至少部分电流旁路所述电气单元(34)。

Description

包括链式变换器和保护电路的电气设备

技术领域

本发明涉及一种电气设备。

背景技术

当操作电路或电网时，流过电路或电网的电流通常保持在电路或电网的预定额定电流范围内。然而，电路或电网中的故障或其它异常操作条件可能导致发展为超过电路或电网的额定电流的高故障电流。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种电气设备，包括：

第一端子和第二端子，用于连接至电路；

链式变换器，连接在所述第一端子与第二端子之间，所述链式变换器包括多个链节模块，每个链节模块包括至少一个开关元件(例如，单个开关元件或两个或多个开关元件)和至少一个能量储存装置，每个链节模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源；以及

保护装置，与包括所述多个链节模块中至少两个链节模块的电气单元并联连接，所述保护装置包括多个串联的半导体器件，其中所述保护装置选择性地提供导电路径以允许在所述电气设备中流动的至少部分电流完全旁路所述电气单元。

可以理解地是，为了本发明的目的，术语“连接在两端”和术语“并联连接”的意义是一样的。类似地，在第二部件“两端”连接第一部件意在指第一部件与第二部件是“并联”连接的。

可以理解地是，在电气单元两端连接(即，并联)保护装置意在指在多个链节模块两端连接(即，并联)多个串联的半导体器件。在电气单元两端连接保护装置指保护装置被配置为允许在保护装置中流动的电流完全地旁路电气单元。换言之，在保护装置的多个串联的半导体器件中流动的电流被禁止流入形成电气单元的一部分的多个链节模块。

还可以理解地是，在根据本发明的电气设备中电气单元两端连接保护装置与半导体器件和链节模块的配置的区别在于，其中每个半导体器件与相应链节模块一一对应地并联连接，(即，每个半导体器件连接在单个链节模块两端)。半导体器件和链节模块的这种一一对应的连接意味着在半导体器件中流动的电流可以仅完全旁路单个链节模块而不是多个链节模块。

根据本发明的电气设备可以是包括至少一个链式变换器以实施其功能的任意类型的电气设备。例如，该电气设备可以是使用至少一个链式变换器用于电压变换功能的电压源变换器，或者可以形成该电压源变换器的一部分。

在电气设备的正常操作过程中，链式变换器是可操作以提供阶梯式可变电压源。保护装置没有直接涉及电气设备的正常操作。正是这样，在使用中，保护装置被配置为对电气设备的正常操作可能具有的任何影响最小化。

在电气设备的故障操作条件情况下，故障电流可以流经电气设备。故障电流的存在不仅会损坏链式变换器的一个或多个部件，还可能导致链式变换器脱网一段时间。这导致对损坏的链式变换器增加的维修和保养成本、以及对于依赖电气设备工作的终端用户的不便。

在电气设备中包括保护装置使得能够形成导电路径，以允许在电气设备中流动的电流的至少一部分旁路电气单元且从而减小流经电气单元的电流的量。这进而减小了损坏电气单元的一个或多个链节模块的过电流的风险。以这种方式，保护装置保护电气单元的链节模块免于被流经电气设备的任何故障电流不利地影响。

应当理解的是，电气单元中链节模块的数量范围可以从链式变换器的两个链节模块到所有链节模块。

保护装置包括多个串联的半导体器件，使得单个串联的半导体器件的故障不会在连接有保护装置的电气单元两端引起外部短路。这是重要的，因为在形成链节模块的一部分的截止状态自换向半导体器件两端造成外部短路可能导致所述或每个相应能量储存装置经由导电的自换向半导体器件不受控地放电，称为“2型短路”事件。避免2型短路可能是困难的，所以将它们发生的风险最小化是有利的。相比之下，在保护装置中使用单个半导体器件可能具有发生前述2型短路的风险。

另外，如上所述的保护装置的配置提供在优化保护装置以提高效率的设计方面更大的灵活性。例如，尽管要求保护装置的总额定电压与电气单元的总额定电压匹配，但是保护装置的每个串联的半导体器件的额定电压可以独立于电气单元的每个链节模块的单个额定电压进行优化。与此相反，使用单个半导体器件作为连接在单个链节模块两端的保护装置意味着单个半导体器件的额定电压必须与单个链节模块的额定电压匹配，这可能不利地影响保护装置在成本、尺寸和重量方面的效率。

另外，与连接多个半导体器件(每个在多个链节模块的相应一个的两端)所需的结构部件(例如，线夹)的数量相比，如上所述的保护装置的配置减少了连接电气单元两端的保护装置所需的结构部件的数量。这进而导致电气设备在总成本、尺寸和重量方面的节约。

多个串联的半导体器件可以是下述中任意一个：

多个串联的无源半导体器件，例如，二极管；

多个串联的有源半导体器件，例如晶闸管；或者

与至少一个无源半导体器件串联连接的至少一个有源半导体器件。

因为所述或每个无源半导体器件可以被设计为在某些条件满足时自动传导电流，所以在保护装置中使用至少一个无源半导体器件消除或减少对与电源和通信链路相关联的控制器(例如，门驱动电路)的需求。另一方面，在保护装置中使用至少一个有源半导体器件提供对形成导电路径的有源控制，以确保仅在某些条件下(例如，电气设备的故障操作条件)形成导电路径。

由于有源和无源半导体器件的不同特性，与至少一个无源半导体器件串联连接的至少一个有源半导体器件的结合还提供在优化电气设备以提高效率的设计方面的灵活性。例如，当多个串联的半导体器件包括晶闸管和二极管时，晶闸管和二极管不同的正向额定电压和反向额定电压允许保护装置被设计为具有仅晶闸管或二极管不能实现的特定正向额定电压和反向额定电压。

在本发明的实施例中，在使用中，当电气单元的至少一个链节模块被配置为在非旁路模式中提供非零电压时，保护装置可以被切换至反向偏置状态，并且当电气单元的所有链节模块被配置为在旁路模式中提供零电压并且电气单元中电流的方向允许保护装置被切换至正向偏置状态时，保护装置可以被切换至正向偏置状态。

以这种方式的电气设备的配置要求在形成导电路径之前，电气单元的所有链节模块处于旁路模式。由此，为了将保护装置对电气设备的正常操作可能具有的任何影响最小化，电气单元的链节模块的切换可以被控制为将电气设备处于正常操作时保护装置能够形成导电路径的过程时间最小化。这对保护装置的多个串联的半导体器件仅包括无源半导体器件的配置的保护装置特别有利。

在电气设备正常操作过程中保护装置确实形成导电路径的情形下，如上所述的保护装置的配置将当保护装置被随后反向偏置时可能发生的电流超调最小化。

在这种实施例中，电气设备还可以包括开关控制单元，其中开关控制单元控制电气单元的各个链节模块的切换以选择性地将电气单元的至少一个链节模块配置为非旁路模式，以便在电气设备的正常操作过程中保持保护装置处于反向偏置状态。

使用这种开关控制单元防止了在电气设备的正常操作过程中不期望地形成导电路径。

可选地，多个串联的半导体器件可以包括：至少一个无源半导体器件，例如，二极管，并且保护装置可以包括开关元件以选择性地禁止或允许所述或每个无源半导体器件导通。这种开关元件可以与串联的半导体器件不同或者为形成多个串联的半导体器件之一的有源半导体器件的形式。

在本发明的其它实施例中，保护装置可以包括至少一个控制电路和至少一个有源半导体器件，所述或每个控制电路被连接在有源半导体器件或多个有源半导体器件的相应一个有源半导体器件的控制电极和阳极两端，其中所述或每个控制电路的阻抗可变化以选择性地允许将非零电压施加在相应有源半导体器件的控制电极和阴极两端，以便将该有源半导体器件切换至导通状态。

控制电路可以包括具有非线性电压-电流特性的电阻元件。这种电阻元件可以包括，但不限于，压敏电阻(例如，氧化锌压敏电阻或碳化硅压敏电阻)、稳压二极管、火花隙或击穿二极管。

所述或每个控制电路可以被设计为在某些条件满足时将有源半导体器件自动切换至导通状态，即导电状态。例如，在本发明的实施例中，使用至少一个控制电路，当所述或每个控制电路两端具有匹配或超过预定电压阈值的电压时，所述或每个控制电路的阻抗变化以允许将非零电压施加在相应有源半导体器件的控制电极和阴极两端。这免除了对在有必要切换保护装置的一个或多个串联的半导体器件以形成导电路径时能够感测和确定的单独控制器的需要。

预定电压阈值可以对应于电气设备的故障操作条件，以便确保在电气设备的正常操作过程中不形成导电路径。

另外，预定电压阈值可以是低于对应于电气单元的一个或多个部件故障的安全电压电平，以便将电气单元的一个或多个部件故障的风险最小化。电气单元的部件的故障被定义为不允许电气单元实施其正常功能的部件的状态。这种故障可能是由例如过电流和/或热应力引起的。

在本发明的实施例中，电气设备还可以包括与多个链节模块串联连接的电抗器，其中电气单元包括电抗器的至少一部分。

通过电气单元的初始故障电流引起电抗器两端出现电压降。在电气单元中存在电压降意味着由保护装置形成的导电路径对于故障电流呈现比电气单元更低的阻抗路径。

电抗器可以被设计为优化流过保护装置的电流的比例，以便减小流过电气单元的电流的量。电抗器的这种设计可以包含，例如，保护装置被连接至电抗器的分接头使得电气单元包括电抗器的一部分的本发明实施例，或者电抗器被分割为多个电抗器元件，并且保护装置被连接至多个电抗元件中两个电抗元件之间的接合点，使得所述电气单元包括多个电抗元件中的至少一个的本发明实施例。

在本发明的其它实施例中，电气设备可以包括多个保护装置。在这种实施例中，电气设备可以包括多个保护装置和多个电气单元，其中每个保护装置被连接在多个电气单元的相应一个电气单元的两端，每个电气单元包括多个链节模块中的至少两个链节模块，每个保护装置包括多个串联的半导体器件，其中每个保护装置选择性地提供导电路径以允许在电气设备中流动的电流旁路相应电气单元。

附图说明

现将参考附图，通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，附图中：

图1a以示意图形式示出根据本发明的第一实施例的电气设备；

图1b以示意图形式示出电压源变换器；

图2以示意图形式示出根据本发明的第二实施例的电气设备；

图3以示意图形式示出根据本发明的第三实施例的电气设备；

图4以示意图形式示出根据本发明的第四实施例的电气设备；

图5以示意图形式示出用于控制图4所示的保护装置的晶闸管的开关的控制电路；

图6以示意图形式示出根据本发明的第五实施例的电气设备；

图7以示意图形式示出根据本发明的第六实施例的电气设备；

图8以示意图形式示出根据本发明的第七实施例的电气设备。

具体实施方式

在图1a中示出根据本发明第一实施例的第一电气设备10，并且其形成为图1b所示的电压源变换器的一部分。

电压源变换器包括第一DC端子12和第二DC端子14。变换器臂在第一DC端子12与第二DC端子14之间延伸，并且包括由AC端子16分隔开的第一臂部和第二臂部。第一臂部和第二臂部中的每个包括第一电气设备10，其结构在图1a中示出。

在使用中，第一DC端子12和第二DC端子14分别被连接至DC网络的正端子和负端子，并且AC端子16被连接至AC网络。

每个臂部的第一电气设备10包括第一端子18和第二端子20。在第一臂部中的第一电气设备的第一端子18和第二端子20被分别连接至第一DC端子12和AC端子16。在第二臂部中的第一电气设备的第一端子18和第二端子20被分别连接至AC端子16和第二DC端子14。

每个第一电气设备10包括连接在第一端子18与第二端子20之间的链式变换器22。链式变换器22包括多个链节模块24。每个链节模块24包括与以电容器28形式的能量储存装置并联连接的一对开关元件26。该对开关元件26和电容器28以半桥结构来连接以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。

每个开关元件26由以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成。每个开关元件26还包括与其并联连接的反并联二极管30。可以设想，每个开关元件26可以是不同的开关装置，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其它自换向半导体器件。

通过改变开关元件26的状态，每个-2象限单极模块的电容器28被选择性地旁路或插入链式变换器22。这选择性地引导电流通过电容器28或致使电流旁路电容器28，使得每个2-象限单极模块提供零电压或正电压。

当每个2-象限单极模块中的一对开关元件26被配置为在2-象限单极模块中形成短路时，每个2-象限单极模块中的电容器28被旁路。这使得链式变换器22中的电流经过该短路且旁路电容器28，所以2-象限单极模块提供零电压，即2-象限单极模块被配置为旁路模式。

当每个2-象限单极模块中的一对开关元件26被配置为允许链式变换器22中的电流流入和流出电容器28时，每个2-象限单极模块的电容器28被插入链式变换器22。然后电容器28对其储存的能量进行充电或放电，以便提供非零电压，即2-象限单极模块被配置为非旁路模式。

通过将每个提供自身电压的多个模块的电容器28插入每个链式变换器22，能够在每个链式变换器22两端建立组合电压，该组合电压高于从每个单个模块可得到的电压。以这种方式切换每个模块的开关元件26使得每个链式变换器22提供阶梯式可变电压源，这允许使用阶梯式接近方式来在每个链式变换器22两端产生电压波形。以这种方式操作每个链式变换器22可以被用于AC端子16处产生AC电压波形，以便使得电压源变换器能够在AC网络与DC网络之间转换电力。

每个第一电气设备10还包括保护装置32。保护装置32被连接在电气单元34两端，其中电气单元34包括相应链式变换器22的所有链节模块24。

每个保护装置32包括多个串联二极管36。在使用中，当电气单元34的至少一个链节模块24被配置为非旁路模式时，串联二极管36被布置为使得保护装置32被切换至反向偏置状态，并且当电气单元34的所有链节模块24被配置为旁路模式时，串联二极管36被布置为使得保护装置32被切换至正向偏置状态。以这种方式，保护装置32选择性地提供导电路径，该导电路径为第一电气设备10中流动的任何电流形成替代路线。

在电气单元34两端连接保护装置32指的是保护装置32被配置为允许在保护装置32中流动的电流完全地旁路电气单元34。换言之，在保护装置32的多个串联二极管36中流动的电流被禁止流入形成电气单元34的一部分的多个链节模块24。

参照图1a和图1b，每个第一电气设备10的操作描述如下。

在第一电气设备10的正常操作过程中，每个链节模块24被配置为非旁路或旁路模式以使得链式变换器22能够提供阶梯式可变电压源，以便在AC端子16处产生AC电压波形并且从而使得电压源变换器能够在AC网络与DC网络之间转换电力。保护装置32不直接涉及第一电气设备10的正常操作。

如上所述，当电气单元34的至少一个链节模块24被配置为非旁路模式时，保护装置32被切换至反向偏置状态。处于反向偏置状态的保护装置32对第一电气设备10的正常操作具有最小化的影响。

在AC端子16处产生AC电压波形过程中的某些时刻，电气单元34的所有链节模块24被配置为旁路模式。如上所述，当电气单元34的所有链节模块24被配置为旁路模式并且电气单元34中电流的方向允许保护装置32被切换至正向偏置状态时，保护装置32被切换至正向偏置状态。然而，基于链式变换器22在电压源变换中通常使用的AC电压波形的形状(例如，正弦曲线形)使得电气单元34的所有链节模块24被配置为旁路模式在每个周期中仅发生相对短的时间段。正是这样，正向偏置状态中的保护装置32对第一电气设备10的正常操作的影响被最小化。

在电压源变换器的故障操作条件情况下，故障电流流经变换器臂并且因此流经第一电气设备10。为了保护链式变换器22，电气单元34的所有链节模块24被配置为旁路模式。

同时，在旁路模式中电气单元34的所有链节模块24的配置将保护装置32切换至正向偏置状态，并且从而形成导电路径。这允许在变换器臂中流动的电流的至少一部分旁路电气单元34并且从而减少流经电气单元34的电流的量。这进而减小了损坏电气单元34的一个或多个链节模块24的过电流的风险。以这种方式，保护装置32保护每个电气单元34的链节模块24免于被流经第一电气设备10的故障电流不利地影响。

根据本发明的保护装置32的配置(即，在保护装置32中使用多个串联二极管36，并且在包含多个链节模块24的电气单元34两端连接保护装置32)是有利的，原因如下。

在电压源变换器正常操作过程中每个保护装置32形成导电路径的情况下，如上所述保护装置32的配置使得当电气单元34的一个或多个链节模块24被随后重新配置为非旁路模式从而反向偏置保护装置32时可能发生的任何电流超调最小化。特别地，保护装置32的串联二极管36的反向偏置导致峰值反向电流，其将作为较早时刻导通的IGBT承受的正向电流超调。这个电流超调仅发生在电气单元34的多个链节模块24中的第一个链节模块被重新配置为非旁路模式时，而不发生电气单元34的其余链节模块24被重新配置为非旁路模式时。这意味着保护装置32经历的阶梯电压将是相对低的。这与由保护装置32和电气单元34形成的环路的相对大的电感一同，导致保护装置32的串联二极管36反向偏置过程中相对低的电流变化率以及因此相对低的峰值反向电流，以及因此相对低的电流超调。

在保护装置32中使用多个串联二极管36意味着保护装置32的单个串联二极管36的故障不会引起连接有保护装置的电气单元34两端的外部短路。这进而将电气单元34中发生2型短路的风险最小化，相比较而言，在保护装置32中仅使用单个二极管将增大发生上述2型短路的风险。

此外，保护装置32的每个串联二极管36的额定电压可以独立于电气单元34的每个链节模块24的IGBT和反并联二极管30的各个额定电压进行最优化。这允许串联二极管36的数量与链节模块24的数量不同，而不是相等(如果需要这种配置来形成更有效的第一电气设备10)。与此相反，使用单个二极管作为连接在单个链节模块24两端的保护装置32意味着单个半导体器件的额定电压必须与单个链节模块24的额定电压匹配，这可能不利地影响保护装置32在成本、尺寸和重量方面的效率。

此外，与连接多个二极管(每个二极管在多个链节模块24的相应一个的两端)所需的线夹的数量相比，如上所述的保护装置32的配置减少在电气单元34两端连接保护装置32所需的线夹的数量。这进而导致第一电气设备10在总成本、尺寸和重量方面的节约。

应当理解的是，电气单元34中链节模块24的数量范围可以从链式变换器22的两个链节模块24到所有链节模块24。

在本发明的其它实施例中(未示出)，可以设想，一个或多个开关元件26可以是不同的开关装置，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其它自换向半导体器件。在每个示例中，开关装置与反并联二极管30并联连接。

可以设想，在本发明的其它实施例中(未示出)，每个链节模块24中的电容器28可以由不同的能量储存装置(诸如燃料电池、电池或能够储存和释放其电能来提供电压的任何其它能量储存装置)代替。

还可以设想，在本发明的其它实施例中(未示出)，每个链节模块可以具有包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置的不同布置，所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源。例如，每个链节模块可以采用WO 2011/124260A1中描述的任何模块的形式。

还可以设想，在本发明的其它实施例中，第一电气设备10可以形成不同类型的电压源变换器的一部分、单独地形成电压源变换器、或形成具有不同功能的另一类型的电气设备。

图2示出根据本发明的第二实施例的第二电气设备110。图2中示出的第二电气设备110在结构和操作上与图1a所示的第一电气设备10类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第二电气设备110与第一电气设备10的不同之处在于：第二电气设备110还包括开关控制单元38，所述开关控制单元38控制电气单元34的链节模块24的切换以选择性地配置电气单元34的至少一个链节模块24为非旁路模式，以便在第二电气设备110的正常操作过程中保持保护装置32为反向偏置状态。

使用开关控制单元38防止在第二电气设备110的正常操作过程中不期望地形成导电路径，并且从而克服形成对第二电气设备110的正常操作具有影响的导电路径的问题。

另外，使用开关控制单元38，通过在电气设备的正常操作过程中防止电流流入保护装置，无需用于冷却保护装置32的串联二极管36，从而提供成本节约。

图3示出根据本发明的第三实施例的第三电气设备210。图3中示出的第三电气设备210在结构和操作上与图1a所示的第一电气设备10类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第三电气设备210与第一电气设备10的不同之处在于：在第三电气设备210的保护装置32中，由多个串联晶闸管40来代替多个串联二极管36。

在保护装置32中使用多个串联晶闸管40提供对导电路径的形成的有源控制，以确保仅仅在第三电气设备210的故障操作条件下形成导电路径。防止在第三电气设备210的正常操作过程中不期望地形成导电路径的优势与防止在第二电气设备110的正常操作过程中不期望地形成导电路径的上述优势一样。

图4示出根据本发明的第四实施例的第四电气设备310。图4中示出的第四电气设备310在结构和操作上与图2所示的第二电气设备110类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第四电气设备310与第二电气设备110的不同之处在于：在第四电气设备310的保护装置32中，多个串联二极管36中的一个由晶闸管40代替。

在使用中，晶闸管400是可控的以选择性地允许电流流经保护装置32。以这种方式，晶闸管40可以被控制来选择性地防止在第四电气设备310的正常操作过程中不期望地形成导电路径或者允许在第四电气设备310的故障操作条件形成导电路径。

保护装置32需要至少等于电气单元34的所有链节模块24的电容器28电压总和的高反向额定电压。另一方面，因为在第四电气设备310的故障操作条件过程中，保护装置32承受的最高正向额定电压等于电气单元34的反并联二极管30的导通状态电压的总和，所以保护装置32需要相对低的正向额定电压，其可以比所需的反向额定电压小两个数量级。

因为二极管的导通电压小于与之相当尺寸和额定电压的晶闸管40的导通电压，所以在保护装置32中结合与多个串联二极管36串联连接的晶闸管40允许降低保护装置32的总导通电压，同时保持主要由多个串联二极管36提供的高的总反向电压容量。

因此，第四电气设备310的每个保护装置32的配置在优化第四电气设备310以提高其效率的设计方面提供进一步灵活性。

保护装置32中晶闸管40和二极管的数量(单个或多个)可以取决于保护装置32所需的额定电压而变化。

图5以示意图形式示出用于控制图4所示的保护装置32的晶闸管40的开关的控制电路42。

控制电路42被连接在晶闸管40的控制电极44和阳极46两端。控制电路42包括与限流电阻器50串联连接的稳压二极管48。可以设想，在本发明的其它实施例中，稳压二极管48可以由在装置两端出现预定电压(例如击穿二极管)时传导电流的任何装置代替。

在使用中，稳压二极管48的非线性电压特性为控制电路42提供可变的阻抗以选择性地允许非零电压施加在晶闸管40的控制电极44和阴极52两端，以便当稳压二极管48两端具有匹配或超过其保护电压的电压时将晶闸管40切换至导通状态。

在第四电气设备310的正常操作过程中，保护装置32两端的电压将负于或略正于电气单元34中反并联二极管30的导通电压的总和。另一方面，第四电气设备310的故障操作条件导致电气单元34中反并联二极管30的导通电压的总和增加到高于正常操作过程中的正常值。

因此，稳压二极管48的保护电压被设定为对应于高于第四电气设备310正常操作过程中反并联二极管30的导通电压的总和的电压电平，使得控制电路42仅允许非零电压施加在晶闸管40的控制电极44和阴极52两端，以便在第四电气设备310的故障操作条件过程中将晶闸管40切换至导通状态。这从而防止在第四电气设备310的正常操作过程中形成导电路径。

另外，稳压二极管48的保护电压还被设定为对应于低于安全电压电平的电压电平，该安全电压电平对应于相应电气单元34的一个或多个反并联二极管30的故障。电气单元34的反并联二极管30的故障被定义为不允许电气单元34实施其正常功能的反并联二极管30的状态。这种故障可能是由例如过电流和/或热应力引起的。以这种方式，在形成导电路径之前，将电气单元34的一个或多个反并联二极管30的故障的风险最小化。

因此，使用控制电路42允许在需要的时候自动形成导电路径，无需使用具有关联电源和通信链路的单独门驱动电路，同时保持保护装置32防止在第四电气设备310正常操作过程中不期望地形成导电路径的能力。

可以设想，在本发明的其它实施例中，图5中示出的控制电路42可以被用来控制图3中示出的第三电气设备的每个晶闸管40的开关。

图6示出根据本发明的第五实施例的第四电气设备410。图6中示出的第五电气设备410在结构和操作上与图1a所示的第一电气设备10类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第五电气设备410与第一电气设备10的不同之处在于：第五电气设备410还包括与多个链节模块24串联连接的电抗器54。

电气单元34包括电抗器54，使得保护装置32被连接在串联的电抗器54和链式变换器22两端。

在电气设备的故障操作条件过程中，通过电气单元34的故障电流的初始上升率引起电抗器54两端出现电压降。在电气单元34中存在电压降意味着由保护装置32形成的导电路径对故障电流具有比由电气单元34更低的阻抗路径。以这种方式，可以减小流经电气单元34的故障电流的比例。

图7示出根据本发明的第六实施例的第六电气设备510。图7中示出的第六电气设备510在结构和操作上与图6所示的第五电气设备410类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第六电气设备510与第五电气设备410的不同之处在于：在第六电气设备510中，电气单元34仅仅包括电抗器54的一部分。

在所示实施例中，第六电气设备510被配置为使得电抗器54被分为一对电抗器元件56、58，并且保护装置32被连接到所述一对电抗器元件56、58之间的接合点60，使得电气单元34包括电抗器元件中的一个电抗器元件58。以这种方式，保护装置32被连接在串联的电抗器元件58和链式变换器22两端。

可替代地，第六电气设备510可以被配置为使得保护装置32被连接至电抗器54的分接头，使得电气单元34包括电抗器54的一部分。以这种方式，保护装置32被连接在串联的电抗器元件54的一部分和链式变换器22两端。

以这种方式配置的第六电气设备510允许较容易地设计电抗器54，使得可用形成电气单元34的一部分的电抗值的数量来优化流过保护装置32的电流的比例，以此减小流过电气单元34的电流的量。

图8示出根据本发明的第七实施例的第七电气设备610。图8中示出的第七电气设备610在结构和操作上与图1a所示的第一电气设备10类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第七电气设备610与第一电气设备10的不同之处在于：在第七电气设备610包括多个保护装置32和多个电气单元34。

在所示实施例中，第七电气设备610包括第一电气单元34和第二电气单元34。每个保护装置32被连接在电气单元34的相应一个的两端。

第一电气单元34包括链式变换器22的多个链节模块24，而第二电气单元34包括链式变换器22的另外多个链节模块24。与每个上述实施例的保护装置32一样，第七电气设备610的每个保护装置32选择性地提供导电路径以允许在第七电气设备610中的流动的任意电流旁路相应电气单元34。

对于链节模块24的物理布局意味着使用多个保护装置32而不是单个保护装置32来保护第七电气设备610会更有效的配置，在第七电气设备610中使用多个保护装置32是有利的。

Claims (14)

1.一种电气设备，包括：

第一端子和第二端子，用于连接至电路；

链式变换器，连接在所述第一端子与所述第二端子之间，所述链式变换器包括多个链节模块，每个链节模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个链节模块的所述开关元件或每个开关元件和所述能量储存装置或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源；以及

保护装置，连接在包括所述多个链节模块中至少两个链节模块的电气单元两端，所述保护装置包括多个串联的半导体器件，其中所述保护装置选择性地提供导电路径以允许在所述电气设备中流动的至少部分电流旁路所述电气单元。

2.根据权利要求1所述的电气设备，其中所述多个串联的半导体器件是下述中任意一个：

多个串联的无源半导体器件；

多个串联的有源半导体器件；或者

与至少一个无源半导体器件串联连接的至少一个有源半导体器件。

3.根据权利要求1所述的电气设备，其中在使用中，当所述电气单元的至少一个链节模块被配置为在非旁路模式中提供非零电压时，所述保护装置被切换至反向偏置状态，并且当所述电气单元的所有链节模块被配置为在旁路模式中提供零电压并且所述电气单元中电流的方向允许所述保护装置被切换至正向偏置状态时，所述保护装置被切换至正向偏置状态。

4.根据权利要求3所述的电气设备，还包括开关控制单元，其中所述开关控制单元控制所述电气单元的各个链节模块的切换以选择性地将所述电气单元的至少一个链节模块配置为非旁路模式，以便在所述电气设备的正常操作过程中保持所述保护装置处于反向偏置状态。

5.根据权利要求1-4之一所述的电气设备，其中所述多个串联的半导体器件包括至少一个无源半导体器件，并且所述保护装置包括开关元件以选择性地禁止或允许所述无源半导体器件或每个无源半导体器件导通。

6.根据权利要求1-4之一所述的电气设备，其中所述保护装置包括至少一个控制电路和至少一个有源半导体器件，所述控制电路或每个控制电路被连接在有源半导体器件或多个有源半导体器件的相应一个有源半导体器件的控制电极和阳极两端，其中所述控制电路或每个控制电路的阻抗是可变的以选择性地允许将非零电压施加在相应有源半导体器件的控制电极和阴极两端，以便将该有源半导体器件切换至导通状态。

7.根据权利要求6所述的电气设备，其中所述控制电路包括具有非线性电压-电流特性的电阻元件。

8.根据权利要求6所述的电气设备，其中当所述控制电路或每个控制电路两端具有匹配或超过预定电压阈值的电压时，所述控制电路或每个控制电路的阻抗变化以允许非零电压施加在相应有源半导体器件的控制电极和阴极两端。

9.根据权利要求8所述的电气设备，其中所述预定电压阈值对应于所述电气设备的故障操作条件。

10.根据权利要求8或9所述的电气设备，其中所述预定电压阈值是低于对应于所述电气单元的一个或多个部件的故障的安全电压电平。

11.根据权利要求1-4之一所述的电气设备，还包括与所述多个链节模块串联连接的电抗器，其中所述电气单元包括所述电抗器的至少一部分。

12.根据权利要求11所述的电气设备，其中所述保护装置被连接至所述电抗器的分接头，使得所述电气单元包括所述电抗器的一部分。

13.根据权利要求11所述的电气设备，其中所述电抗器被分割为多个电抗器元件，并且所述保护装置被连接至所述多个电抗器元件中两个电抗器元件之间的接合点，使得所述电气单元包括所述多个电抗器元件中的至少一个。

14.根据权利要求1-4之一所述的电气设备，包括多个保护装置和多个电气单元，其中每个保护装置被连接在所述多个电气单元的相应一个电气单元的两端，每个电气单元包括多个链节模块中的至少两个链节模块，每个保护装置包括多个串联的半导体器件，其中每个保护装置选择性地提供导电路径以允许在所述电气设备中流动的电流旁路相应电气单元。