CN105284024A

CN105284024A - 限流器

Info

Publication number: CN105284024A
Application number: CN201480033377.5A
Authority: CN
Inventors: C·C·戴维森
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: EP2790285A1; CN105284024B; US20160048149A1; EP2790285B1; US9791876B2; WO2014166660A1

Abstract

一种限流器(10)，用于选择性地限制DC电网中电流的变化速率。所述限流器(10)包括：第一电气单元，包括电感元件(24)，以及第二电气单元，包括双向开关(26)，所述第一电气单元与所述第二电气单元在第一端子与第二端子(12,14)之间并联连接，所述第一端子和第二端子(12,14)可连接至所述DC电网，其中所述双向开关(26)可切换至第一模式以允许电流在第一电流方向上流过所述第二电气单元并且同时禁止电流在第二电流方向上流过所述第二电气单元，所述第一电流方向和第二电流方向彼此相反，并且所述双向开关(26)可切换至第二模式以允许电流在第二电流方向上流过所述第二电气单元并且同时禁止电流在所述第一电流方向上流过所述第二电气单元，并且其中所述限流器(10)还包括控制器(28)，以控制将所述双向开关(26)切换至上述模式中的每个。

Description

限流器

技术领域

本发明涉及一种限流器。

背景技术

在电力传输网络中，交流(AC)电通常被变换为直流(DC)电，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这种变换免除了对由传输线或电缆造成的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。

AC电力到DC电力的变换还用于需要将运行于不同频率的AC网络进行互连的电力传输网络。在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交界处需要变换器来产生所需的变换。

HVDC变换器容易遭受DC侧故障或其它非正常运行条件，其可能在DC输电线或电缆两端造成具有低阻抗的短路。此类故障可能由于绝缘的损坏或击穿、雷击、导体的移动或导体之间通过其它外物的意外桥接而发生。

在DC输电线或电缆两端存在低阻抗可能有损HVDC变换器。有时，变换器的固有设计意味着它不能在此类条件下限制电流，导致高故障电流发展为超过HVDC变换器的额定电流。这种高故障电流不仅损坏HVDC变换器的部件，还导致HVDC变换器脱网一段时间。这导致增高修理和维修损坏的电气设备硬件的成本，并且增大了依赖电气设备工作的终端用户的不便性。因此，一旦检测到高故障电流就能够中断它很重要。

在变换器控制不能通过任何其它手段限制故障电流的情况下，保护HVDC变换器免受DC侧故障的常规手段是使AC侧断路器跳闸，从而去除将故障通过HVDC变换器供给至DC侧的电流供应。这是因为目前不存在市售的HVDC电路断路器设计。此外，目前几乎所有的HVDC方案是具有连接至DC侧的两个HVDC变换器的点到点方案，其中一个HVDC变换器用作带有功率整流能力的电源并且另一个HVDC变换器用作带有功率倒置能力的电力负载。因此，因为在点到点方案中故障的存在需要中断功率流以允许清除故障，所以使AC侧电路断路器跳闸是可接受的。

如地理上分散的可再生形式的发电所需要的，正在考虑将一种新的HVDC输电网用于长距离移动大量电力，并用具有能够支持现代电交易要求的智能电网智力和特征来增强AC输电网的现有能力。

这种HVDC输电网需要HVDC变换器的多端子互连，从而能够使用并联运行的三个或更多个HVDC变换器在DC侧交换电力。如所需要地，每个HVDC变换器在交换电力的同时，作为源或蓄能库(sink)以维持网络的整个输入-输出的电力平衡。需要将HVDC输电网中的故障与其余的网络快速隔离和分离开，以便使得网络能够尽快恢复正常的电力传输。

在电流达到零电流时实施常规AC电路断路器中的电流中断，以便大幅减小中断任务的难度。由此，在常规的电路断路器中，如果在限定时间段内没有出现零电流用于中断电流，则具有损坏电流中断设备的风险。因此，因为与自然地出现零电流的AC电流不同，DC电流不能自然地达到零电流，所以本质上难以实施DC电流中断。

另外，DC电路断路器通常不仅需要幅值量级比AC电路断路器的操作速度更快的操作速度，还必须能够中断以高速(高达10A/μs)上升的故障电流。因为在DC电路断路器能够加入任何反电动势(electromotiveforce，emf)以促使故障电流再次开始下降之前必须经过有限的操作时间，所以故障电流的上升速率是设计DC电路断路器的关键参数。故障电流的高上升速率导致高峰值故障电流，从而需要DC电路断路器具有更大和更昂贵的开关部件以中断故障电流。

发明内容

根据本发明的第一方案，提供一种限流器，用于选择性地限制DC电网中电流的变化速率，所述限流器包括：

第一电气单元，包括电感元件；以及

第二电气单元，包括双向开关，所述第一电气单元与所述第二电气单元在第一端子与第二端子之间并联连接，所述第一端子和第二端子被连接至所述DC电网，

其中所述双向开关能够切换至第一模式以允许电流在第一电流方向上流过所述第二电气单元并且同时禁止电流在第二电流方向上流过所述第二电气单元，所述第一电流方向和第二电流方向彼此相反，并且所述双向开关能够切换至第二模式以允许电流在第二电流方向上流过所述第二电气单元并且同时禁止电流在所述第一电流方向上流过所述第二电气单元，以及

其中所述限流器还包括控制器，以控制将所述双向开关切换至上述模式中的每个。

为了本说明书的目的，第一电流方向是从第一端子到第二端子，同时第二电流方向是从第二端子到第一端子。

在使用中，可以结合DC电路中断装置来使用限流器。可以理解地是，根据本发明的限流器也可以被用作独立装置。

在DC电网的正常运行过程中，DC电网的正常运行电流在DC电网和限流器中流动。在这个阶段，双向开关被切换为阻挡正常运行电流流经第二电气单元。这意味着在DC电网的正常运行过程中，正常运行电流流经第一电气单元的电感元件但是被禁止流经第二电气单元。

在DC电网的正常运行过程中，根据正常运行电流的电流方向，双向开关可以被切换至第一模式或第二模式以阻挡正常运行电流流经第二电气单元。

可选地，在DC电网的正常运行过程中，双向开关还可以适合于使得双向开关阻挡正常运行电流流经第二电气单元。例如，双向开关可以是可切换的以禁止电流在第一电流方向和第二电流方向上流经第二电气单元。

在DC电网中出现故障的过程中，高故障电流在DC电网和限流器中流动，从而导致流经电感元件的电流上升。在这个阶段，双向开关被切换为阻挡故障电流流经第二电气单元。流经电感元件的电流的上升引起磁通量的相应增大，磁通量的变化速率进而产生对抗流过电感元件的电流上升的emf。这使得电感元件减慢DC电网中电流的上升速率，直到DC电路中断装置被断开以加入引起故障电流下降的反emf。与由不具有限流器的DC电路中断装置不得不承受的峰值故障电流相比，电感元件减慢DC电网中电流上升速率的能力导致DC电路中断装置不得不承受的峰值故障电流更低。因此，这降低了DC电路中断装置所需的电流中断能力，并且实现了DC电路中断装置在尺寸、重量和成本方面的节约。

控制器可以被配置为选择性地控制将双向开关切换至第一模式和第二模式中的任意一个，以使得第二电气单元形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流(freewheel)的电流路径。当故障电流开始下降时，根据故障电流的电流方向，双向开关被切换至第一模式和第二模式中的任意一个。如果故障电流在第二电流方向中流动，则双向开关被切换至第一模式以使得第二电气单元形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径。如果故障电流在第一电流方向中流动，则双向开关被切换至第二模式以使得第二电气单元形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径。电流路径的形成意味着电感元件不影响电流的下降速率，并且从而允许故障电流以比不存在电流路径时的电流下降速率更高的速率下降。

因此，根据本发明的限流器能够被配置为减慢DC电网中电流的上升速率，而不减慢DC电网中电流的后续下降速率。

相反地，虽然省略第二电气单元的限流器的示例性变型能够减慢DC电网中电流的上升速率，但是示例性变型不能形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径意味着电感元件影响电流的后续下降速率，从而还减慢DC电网中电流的后续下降速率且从而延长DC电网中故障清除所花费的时间。

因此，根据本发明的限流器的配置实现了能够选择性地限制DC电网中电流变换速率并且减少DC电网中故障清除所花费时间的限流器。

在第二电气单元中包含双向开关使得根据本发明的限流器对于限流器的第一端子与第二端子之间的第一电流方向和第二电流方向，均能够选择性地限制DC电网中电流的变化速率。这使得根据本发明的限流器不仅适用于功率流和故障电流均总是在仅仅一个方向上的任意类型DC电网(例如，径向DC输电线路)，还适用于通过限流器的功率流和故障电流可以在第一电流方向和第二电流方向中任意一个上的任意类型DC电网(例如，网状DC电网)，这是因为后一种类型的DC电网很可能在第一电流方向和第二电流方向上均需要限流和/或中断。这从而使得根据本发明的限流器可用于大范围的DC电力应用。

并且，当根据本发明的限流器与DC电力网一同使用时，限流器的配置允许其安装和使用于DC电力网中任何位置，而不管DC电力网中各种发电设备和负载的位置如何。

在发明的实施例中，第二电气单元还可以包括用于耗散能量的电阻元件。

在使用中，在电感元件中高故障电流的流动导致大量能量被感性储存在电感元件中。在第二电气单元中包含电阻元件允许经由电阻元件将感性储存的能量耗散。电阻元件可以被容易地设计为处理大量能量，从而无需双向开关具有能够耗散感性储存能量的足够高的额定功率。

另外，与不存在电阻元件时绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流的衰减时间常数相比，在第二电气单元中包含电阻元件减小了绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流的衰减时间常数。这从而无需双向开关具有高导通电阻以降低衰减时间常数。相反地，从第二电气单元省略电阻元件并且使用具有低导通电阻的双向开关将导致长的衰减时间常数，其可能影响DC电路中断装置进行重复操作的能力。

当与DC电路中断装置结合使用时，电阻元件可以被用于耗散将在DC电路中断装置的能量耗散部件(例如，电涌吸收器)中耗散的能量的一部分。这允许通过设计电阻元件包括通常比DC电路中断装置的能量耗散部件更便宜的一个或多个低成本电阻器(例如，膨胀金属、外部安装的电阻器)来节约成本。

另外，发明者还发现当结合DC电路中断装置使用限流器时，与在不具有限流器或具有省略第二电气单元的限流器的示例性变型的DC电路中断装置中耗散的能量的量相比，在DC电路中断装置和电阻元件中耗散更少量的能量。这是由于峰值故障电流和在达到峰值幅值之后故障电流下降至零所花费时间的减少导致的。

对于限流器的示例性变型，其中

●双向开关被替换为单向开关(其可以包括单向晶闸管或多个串联连接单向晶闸管)或限制电流流至单一电流方向的无源电流逆止元件(其可以包括二极管或多个串联连接二极管)；或者

●双向开关被替换为单向开关或无源电流逆止元件和电阻元件的组合，

将双向开关替换为单向开关或无源电流逆止元件意味着当故障电流在第一电流方向和第二电流方向中的一个而不是另一个上流动时，示例性变型可以形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径。这意味着示例性变型将能够选择性地限制仅仅单个电流方向上DC电网中电流的变化速率。因此，示例性变型仅仅适用于其中功率流和故障电流总是在第一电流方向和第二电流方向中仅仅一个上的任意类型DC电网，从而限制可以使用示例性变型的DC电力应用的范围。

根据本发明的限流器中双向开关的配置可以变化，只要双向开关能够被切换为每个模式即可。

双向开关可以包括双向可控晶闸管和/或双向排气开关(例如，诸如触发火花隙或等离子体开关)。双向排气开关可以包括一对反并联连接单向排气子开关(例如，诸如闸流管)或多对串联连接的反并联连接单向排气子开关。

双向开关可以包括一对反并联连接开关元件或多对串联连接的反并联连接开关元件，每个反并联连接开关元件包括第一开关子元件，每个第一开关子元件包括至少一个第一有源开关装置。在这种实施例中，每个第一有源开关装置可以是具有反向阻流能力的有源开关装置。

双向开关中多对串联连接的反并联连接开关元件的数量可以根据双向开关所需的额定电压变化。

双向开关可以包括一对反串联连接开关元件，每个反串联连接开关元件包括第二开关子元件，每个第二开关子元件包括至少一个第二有源开关子装置。在这种实施例中，每个第二有源开关装置可以是不具有反向阻流能力的有源开关装置。

每个有源开关装置可以是半导体器件，诸如晶闸管、栅极可关断晶闸管、门极换向晶闸管、集成门极换向晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或任何其它强制换向或自换向半导体器件。

在利用一对反串联连接开关元件的实施例中，限流器还可以包括多个无源电流逆止元件，每个无源电流逆止元件包括至少一个无源电流逆止装置，所述多个无源电流逆止元件中的每个与所述第二开关子元件中的相应一个或与所述第二有源开关装置中的相应一个反并联连接。所述或每个无源电流逆止装置可以是能够限制电流仅仅流至一个方向的任何装置，例如，二极管。

每个无源电流逆止元件可以包括多个串联连接无源电流逆止装置。每个无源电流逆止元件中串联连接无源电流逆止装置的数量可以根据双向开关所需的额定电压变化。

每个开关子元件可以包括多个串联连接有源开关装置。每个开关子元件中串联连接有源开关装置的数量可以根据双向开关所需的额定电压变化。

控制器可以被配置为控制双向开关被切换至所述模式中的每个，如下所示。

在DC电网正常运行的过程中，双向开关两端的电压是零，但是由于在DC电网中出现故障的过程中通过限流器的电流变化所以上述电压变化。更具体地，由于DC电网中出现故障的过程中故障电流的上升和随后下降，双向开关初始时经受具有相对于第一电流方向和第二电流方向中的一个为负电压方向的第一电压，随后是具有相对于该电流方向为正电压方向的第二电压。换言之，由于DC电网中出现故障的过程中故障电流的上升和随后下降，双向开关初始时经受具有相对于第一电流方向和第二电流方向中的另一个为正电压方向的第一电压，随后是具有相对于该电流方向为负电压方向的第二电压。

为了本说明书的目的，关于电压方向的符号规则限定如下。

具有相对于第一电流方向为负电压方向(并且因此具有相对于第二电流方向的正电压方向)的电压试图维持在第一电流方向上流动的电流。

具有相对于第一电流方向为正电压方向(并且因此具有相对于第二电流方向的负电压方向)的电压试图对抗在第一电流方向上流动的电流的上升。

具有相对于第二电流方向为负电压方向(并且因此具有相对于第一电流方向的正电压方向)的电压试图维持在第二电流方向上流动的电流。

具有相对于第二电流方向为正电压方向(并且因此具有相对于第一电流方向的负电压方向)的电压试图对抗在第二电流方向上流动的电流的上升。

在DC电网中出现故障过程中的上述电压模式可以被用于限定简单的和强健的逻辑，用于控制器控制将双向开关切换至第一模式和第二模式中的任意一个，如下所示。

当所述双向开关两端的电压从零电压变化到具有相对于所述第一电流方向和第二电流方向中的一个电流方向为正电压方向的电压时，所述控制器可以被配置为控制所述双向开关的切换以禁止电流在该电流方向上流过所述第二电气单元。

当所述电感元件两端产生的电压从对抗流过所述电感元件的电流的上升变化到维持流过所述电感元件的电流时，所述控制器可以被配置为控制将所述双向开关切换至所述第一模式或第二模式。如下描述以这种方式配置的控制器的示例。

当所述双向开关两端的电压从具有相对于所述第一电流方向为负电压方向的第一电压变化为所述第二电压时，一旦所述双向开关两端的电压变化为具有相对于所述第一电流方向为正电压方向的第二电压，所述控制器可以被配置为控制所述双向开关的切换以切换至所述第一模式。

当所述双向开关两端的电压从具有相对于所述第二电流方向为负电压方向的第一电压变化为所述第二电压时，一旦所述双向开关两端的电压变化为具有相对于所述第二电流方向为正电压方向的第二电压，所述控制器可以被配置为控制所述双向开关的切换以切换至所述第二模式。

以这种方式配置控制器实现可以自主操作的限流器，从而免除了用以控制双向开关切换的远程中心控制系统和用以测量流过限流器的电流极性的电流测量硬件的需要。尤其当在相同的DC电网中利用多个限流器时，这可实现在硬件数量和成本方面的节约。

所述控制器还可以包括控制电路，用于传输控制信号以切换所述双向开关。所述控制电路可以包括被布置为可由第一电压充电的能量储存装置，其中当所述能量储存装置达到预定电荷水平时，所述控制电路被配置为传输控制信号以切换所述双向开关。

在利用控制电路的本发明的实施例中，当所述双向开关两端的电压变化为第二电压时，所述能量储存装置可以被配置为达到所述预定电荷水平。

在限流器中包括控制电路还提高了限流器自主操作的能力。如前所述，限流器自主操作的能力免除了用以控制双向开关切换的远程中心控制系统和用以测量流过限流器的电流极性的电流测量硬件的需要。尤其当在相同的DC电网中利用多个限流器时，这可实现在硬件数量和成本方面的节约。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例来描述本发明的优选实施例，附图中：

图1以示意图形式示出根据本发明的第一实施例的限流器；

图2以曲线图形式示出在图1的限流器操作过程中DC电网中电流的变化；

图3以示意图形式示出图1的限流器的第一示例性变型；

图4a和图4b以曲线图形式示出在DC电网的正常操作过程中和在DC电网中出现故障的过程中相对于第一电流方向和第二电流方向的双向开关两端电压的变化；

图5以示意图形式示出根据本发明的第二实施例的限流器；

图6以示意图形式示出图1的限流器的第二示例性变型；

图7以示意图形式示出图1的限流器的第三示例性变型；以及

图8a至图8e分别以示意图形式示出双向开关的各种配置。

具体实施方式

图1中示出根据本发明的第一实施例的第一限流器10。

第一限流器10包括第一电气单元和第二电气单元。第一电气单元和第二电气单元在第一端子12与第二端子14之间并联连接。

在使用中，第一端子12和第二端子14被连接到包括DC电压源16、电源阻抗18和电力负载20的DC电网。更具体地，在使用中，第一端子12经由电源阻抗18与DC电压源16串联连接，同时第二端子14经由DC电路中断装置22被连接至电力负载20。

第一电气单元包括单个电感器形式的电感元件24。电感元件24在第一端子12与第二端子14之间串联连接。

可以设想，在本发明的其它实施例中，单个电感器可以被替换为多个电感器，以便改变电感元件24的额定电感。

第二电气单元包括双向开关26，其在第一端子12与第二端子14之间串联连接。双向开关26由一对反向并联连接晶闸管构成。

可以设想，在本发明的其它实施例中，该对反向并联连接晶闸管可以被替换为多对串联连接的反并联连接晶闸管，以便增大双向开关26的额定电压。

双向开关26的结构允许配置为以下三种模式中任意一个：

●阻流模式，其中两个晶闸管均断开以禁止电流在第一电流方向和第二电流方向上通过第二电气单元，第一电流方向和第二电流方向彼此相反；

●第一模式，其中第一晶闸管断开且第二晶闸管闭合以允许电流在第一电流方向上通过第二电气单元并且同时禁止电流在第二电流方向上通过第二电气单元；

●第二模式，其中第一晶闸管闭合且第二晶闸管断开以允许电流在第二电流方向上通过第二电气单元并且同时禁止电流在第一电流方向上通过第二电气单元。

如前所述，为了本说明书的目的，第一电流方向是从第一端子12到第二端子14(其被示为图1中的从左到右)，而第二电流的方向是从第二端子14到第一端子12(其被示为图1中的从右到左)。

第一限流器10还包括控制器28，以控制将双向开关26切换至第一模式、第二模式和第三模式中的每个。

如下参照图2描述第一限流器10的操作，其以曲线图形式示出在第一限流器10的操作过程中DC电网中电流的变化。

在DC电网的正常运行过程中，DC电网的正常运行电流30经由第一限流器10从DC电压源16流向电力负载20。正常运行电流30在第一电流方向上流过第一限流器10。在这个阶段，双向开关26被切换至阻流模式。这意味着在DC电网的正常运行过程中，正常运行电流30流过第一电气单元的电感元件24，而被禁止流经第二电气单元。

故障或DC电网中其它非正常运行条件在32处出现可能产生高故障电流。在图1中，故障34被看作从DC电路中断装置22与电力负载20之间的点到地的短路。DC电压源16驱动故障电流经由第一限流器10继续从DC电压源16流向电力负载20(即，故障电流在第一电流方向上流经第一限流器10)，从而导致流经电感元件24的电流的上升。在这个阶段，双向开关26保持在阻流模式以阻挡故障电流流经第二电气单元。

流经电感元件24的电流的上升引起磁通量的相应增大，其变化速率进而产生对抗流过电感元件24的电流上升的emf。这使得电感元件24减慢DC电网中电流的上升速率，直到DC电路中断装置22被断开以加入引起故障电流下降的反emf。与不存在第一限流器10时DC电路中断装置22不得不承受的峰值电流38相比，电感元件24减慢DC电网中电流上升速率的能力减小了DC电路中断装置22不得不承受的峰值故障电流36，如图2所示。这从而减小了DC电路中断装置22所需的电流中断能力并且这实现了DC电路中断装置22在尺寸、重量和成本方面的节约。

当故障电流在40处开始下降时，控制器28控制将双向开关26切换至第二模式。这导致第二电气单元形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径。电流路径的形成意味着电感元件24不影响电流下降的速率，从而允许故障电流以比不存在电流路径时的速率44更高的速率42下降。

如果在使用中DC电网的配置改变，使得在相对于DC电网的相反方向上连接第一限流器10(即，第二端子14经由电源阻抗18与DC电压源16串联连接，并且第一端子12经由DC电路中断装置22被连接至电力负载20)，故障电流在第二电流方向而不是第一电流方向上流动。因此，当故障电流在40处开始下降时，控制器28控制将双向开关26切换至第一模式，以使得第二电气单元形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径。类似地，电流路径的形成意味着电感元件24不影响电流下降的速率并且从而允许故障电流以比不存在电流路径时的速率44更高的速率下降。

因此，第一限流器10能够被配置为减慢DC电网中电流上升的速率而不减慢DC电网中电流的后续下降速率。

图3以示意图形式示出第一限流器10的第一示例性变型200，其中第一示例性变型200省略第二电气单元。虽然第一示例性变型200能够减慢DC电网中电流的上升速率，但是第一示例性变型200不能形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径，这意味着电感元件24影响电流的下降速率，从而还减慢DC电网中电流的后续下降速率并且从而延长DC电网中故障清除所花费的时间，如图2所示。

因此，根据本发明的第一限流器10的配置导致第一限流器10能够选择性地限制DC电网中电流的变化速率并且减小DC电网中故障清除所花费的时间。

在第二电气单元中包括双向开关26使得对于第一限流器10的第一端子12与第二端子14之间的第一电流方向和第二电流方向，第一限流器10均能够选择性地限制DC电网中电流的变化速率。这使得第一限流器10不仅适用于功率流和故障电流均总是在仅仅一个方向上的任意类型DC电网，还适用于功率流和通过第一限流器10的故障电流可以是第一电流方向和第二电流方向中任意一个的任意类型DC电网，这是因为后一种类型的DC电网很可能在第一电流方向和第二电流方向上均需要限流和/或中断。从而这使得第一限流器10可用于大范围的DC电力应用。

并且，当根据本发明的第一限流器10与DC电力网一同使用时，第一限流器10的配置允许其安装和使用于DC电力网中任意位置，而不管DC电力网中各种发电设备和负载的位置如何。

控制器28还可以被配置为控制将双向开关26从阻流模式切换至第一模式和第二模式中的每个，如下所示。

图4a和图4b以曲线图形式示出在DC电网的正常运行过程中和在DC电网中出现故障的过程中相对于第一电流方向和第二电流方向的双向开关26两端电压的变化。

在DC电网的正常运行过程中，双向开关26两端的电压是零，但是在DC电网中在32处出现故障的过程中，由于通过第一限流器10故障电流的变化，双向开关26两端的电压变化。更具体地，由于DC电网中在32处出现故障的过程中故障电流的上升和后续下降，双向开关26初始时经受具有相对于第一电流方向和第二电流方向之一为负电压方向的第一电压46，当故障电流在40处开始下降时，随后是具有相对于该电流方向为正电压方向的第二电压48，如图4a所示。换言之，由于DC电网中出现故障过程中故障电流的上升和后续下降，双向开关26初始时经受具有相对于第一电流方向和第二电流方向中的另一个为正电压方向的第一电压46，当故障电流在40处开始下降时，随后是具有相对于该电流方向为负电压方向的第二电压48，如图4b所示。

关于电压方向的符号规则如本说明书中之前所限定的。

在DC电网中出现故障过程中的上述电压模式可以被用于限定简单的和强健的逻辑，用于控制器28控制将双向开关26从阻流模式切换至第一模式和第二模式中的每个，如下所示。

当双向开关26两端的电压从零电压变化到相对于第一电流方向和第二电流方向之一具有正电压方向的电压时，控制器28控制双向开关26的切换以禁止电流在该电流方向上流过第二电气单元。

当电感元件24两端的电压从对抗流过电感元件24的电流的上升变化到维持流过电感元件24的电流时，控制器28控制将双向开关26从阻流模式切换至第一模式或第二模式。如下描述控制器29控制双向开关26的切换以从阻流模式切换至第一模式或第二模式的示例。

当双向开关26两端的电压从相对于第一电流方向为负电压方向的第一电压变化为第二电压时，一旦双向开关26两端的电压变化为具有相对于第一电流方向为正电压方向的第二电压，控制器28控制双向开关26的切换以从阻流模式切换至第一模式。

当双向开关26两端的电压从相对于第二电流方向为负电压方向的第一电压变化为第二电压时，一旦双向开关26两端的电压变化为具有相对于第二电流方向为正电压方向的第二电压，控制器28控制双向开关26的切换以从阻流模式切换至第二模式。

如下描述将上述逻辑应用至第一限流器10的上述操作。

如前所述，在DC电网的正常运行过程中，双向开关26被切换至阻流模式。

在DC电网中在32处出现故障导致故障电流在第一电流方向上流动的过程中，双向开关26两端的电压从零变化至具有相对于第二电流方向为负电压方向且相对于第一电流方向为正电压方向的第一电压。应用前述逻辑，控制器28控制双向开关26的切换以禁止电流在第一电流方向上流过第二电气单元。因此，双向开关26被保持在阻流模式。

一旦DC电路中断装置22被断开且故障电流在40处开始下降时，双向开关26两端的电压从第一电压变化至具有相对于第二电流方向为正电压方向且相对于第一电流方向为负电压方向的第二电压。应用前述逻辑，当双向开关26两端的电压变化至第二电压时，控制器28控制双向开关26的切换以从阻流模式切换至第二模式。因此，双向开关26被切换至第二模式以使得第二电气单元形成电流路径。

类似地，在DC电网中在32处出现故障导致故障电流在第二电流方向上流动的过程中，双向开关26两端的电压从零变化至具有相对于第一电流方向为负电压方向且相对于第二电流方向为正电压方向的第一电压。应用前述逻辑，控制器28控制双向开关26的切换以禁止电流在第二电流方向上流过第二电气单元。因此，双向开关26被保持在阻流模式。

一旦DC电路中断装置22断开且故障电流在40处开始下降时，双向开关26两端的电压从第一电压变化至具有相对于第一电流方向为正电压方向且相对于第二电流方向为负电压方向的第二电压。应用前述逻辑，当双向开关26两端的电压变化至第二电压时，控制器28控制双向开关26的切换以从阻流模式切换至第一模式。因此，双向开关26被切换至第一模式以使得第二电气单元形成电流路径。

以这种方式配置控制器28实现了可以自主操作的第一限流器10，从而免除了用以控制双向开关26切换的远程中心控制系统和用以测量流过第一限流器10的电流极性的电流测量硬件的需要。尤其当在相同的DC电网中利用多个第一限流器10时，这可实现在硬件数量和成本方面的节约。

可以设想，在本发明的其它实施例中，所述控制器还可以包括控制电路，用于传输控制信号以切换所述双向开关。所述控制电路可以包括被布置为可由所述第一电压充电的能量储存装置，其中当所述能量储存装置达到预定电荷水平时，所述控制电路被配置为传输所述控制信号以切换所述双向开关。当所述双向开关两端的电压变化为所述第二电压时，所述能量储存装置可以被配置为达到所述预定电荷水平。

在第一限流器10中包括控制电路还提高了第一限流器10自主操作的能力。如前所述，第一限流器10自主操作的能力免除了用以控制双向开关26切换的远程中心控制系统和用以测量流过第一限流器10的电流极性的电流测量硬件的需要，从而尤其当在相同的DC电网中利用多个第一限流器10时，可实现在硬件数量和成本方面的节约。

图5示出根据本发明的第二实施例的第二限流器110。图5的第二限流器110在结构和运行上与图1的第一限流器10类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。第二限流器110与第一限流器10的不同之处在于第二限流器110的第二电气单元还包括单个电阻器形式的电阻元件50。

可以设想，在本发明的其它实施例中，单个电阻器可以被替换为多个串联连接和/或并联连接的电阻器，以便改变电阻元件50的额定电阻。

在DC电网中出现故障的过程中，电感元件24中高故障电流的流动导致大量能量被感性储存在电感元件24中。在第二电气单元24中包括电阻元件50允许经由电阻元件50来耗散感性储存的能量。电阻元件50可以被容易地设计为处理大量能量，从而无需双向开关26具有能够耗散感性储存能量的足够高的额定功率。

与不存在电阻元件50时绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流的衰减时间常数相比，在第二电气单元中包含电阻元件50减少了绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流的衰减时间常数(L/R)(其中，L是电感元件24的额定电感，R是电阻元件50的额定电阻)。这从而无需双向开关26具有高导通电阻以降低衰减时间常数。相反地，从第二电气单元省略电阻元件50且使用具有低导通电阻的双向开关26将导致长的衰减时间常数，这可能影响DC电路中断装置22进行重复操作的能力。

电阻元件50可以被用于耗散将在DC电路中断装置22的能量耗散部件(例如，电涌吸收器)中耗散的能量的一部分。这允许通过将电阻元件50设计为包括通常比DC电路中断装置22的能量耗散部件更便宜的一个或多个低成本电阻器(例如，膨胀金属、外部安装的电阻器)来节约成本。

另外，发明者还发现与在不具有第二限流器110或具有省略第二电气单元的第二限流器110的示例性变型的DC电路中断装置22中所耗散能量的量相比，在DC电路中断装置22和电阻元件50中耗散更少量的能量。这是由于峰值故障电流和在达到峰值幅值之后故障电流下降至零所花费时间的减小导致的。

图6以示意图形式示出第一限流器10的第二示例性变型300，其中双向开关26被替换为限制电流流向单个电流方向的无源电流逆止元件54。

图7以示意图形式示出第一限流器10的第三示例性变型400，其中双向开关26被替换为串联连接的无源电流逆止元件54和电阻元件50。

在图7和图8中，无源电流逆止元件54是二极管。可以设想，无源电流逆止元件54可以被替换为多个串联连接的无源电流逆止元件或单向开关。单向开关可以包括单向晶闸管或多个串联连接的单向晶闸管。

对于第二示例性变型300和第三示例性变型400，用无源电流逆止元件54替换双向开关26意味着当故障电流在第一电流方向和第二电流方向中的一个而不是另一个上流动时，第二示例性变型300和第三示例性变型400中的每个可以形成允许电流绕着由第一电气单元和第二电气单元形成的环路续流的电流路径。这意味着第二示例性变型300和第三示例性变型400中的每个将能够选择性地限制仅仅在单个电流方向上DC电网中电流的变化速率。因此，第二示例性变型300和第三示例性变型400中的每个仅仅能够适用于其中功率流和故障电流总是仅在第一电流方向和第二电流方向中之一上的任意类型DC电网，从而限制第二示例性变型300和第三示例性变型400中的每个可以使用的DC电力应用的范围。

可以设想，在本发明的其它实施例中，第一限流器10和第二限流器110中双向开关26的配置可以变化，只要双向开关26能够被切换至上述模式中的每个即可。

如下描述双向开关的各种配置的示例。

双向开关可以包括双向可控晶闸管(如图8a所示)和/或双向排气开关(例如，诸如触发火花隙或等离子体开关)。双向排气开关可以包括一对反并联连接单向排气子开关(例如，诸如闸流管)或多对串联连接的反并联连接单向排气子开关。

双向开关可以包括一对反并联连接开关元件(如图8b和图8c所示)或多对串联连接的反并联连接开关元件，每个反并联连接开关元件包括第一开关子元件，每个第一开关子元件包括至少一个第一有源开关装置。每个第一有源开关装置可以是具有反向阻流能力的有源开关装置。

双向开关可以包括一对反串联连接开关元件，每个反串联连接开关元件包括第二开关子元件，每个第二开关子元件包括至少一个第二有源开关子装置。每个第二有源开关装置可以是不具有反向阻流能力的有源开关装置。

每个有源开关装置可以是半导体器件，诸如栅极可关断晶闸管、门极换向晶闸管、集成门极换向晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或任何其它强制换向或自换向半导体器件。

当双向开关包括一对反串联连接开关元件时，限流器还可以包括多个无源电流逆止元件，每个无源电流逆止元件包括至少一个无源电流逆止装置，所述多个无源电流逆止元件中的每个与所述第二开关子元件中的相应一个或与所述第二有源开关装置中的相应一个反并联连接(如图8a和图8e所示)。所述或每个无源电流逆止装置可以是能够限制电流仅仅流至一个方向的任何装置，例如，二极管。

Claims

1.一种限流器，用于选择性地限制DC电网中电流的变化速率，所述限流器包括：

第一电气单元，包括电感元件；以及

第二电气单元，包括双向开关，所述第一电气单元与所述第二电气单元在第一端子与第二端子之间并联连接，所述第一端子和所述第二端子被连接至所述DC电网，

其中所述双向开关能够切换至第一模式以允许电流在第一电流方向上流过所述第二电气单元并且同时禁止电流在第二电流方向上流过所述第二电气单元，所述第一电流方向和所述第二电流方向彼此相反，并且所述双向开关能够切换至第二模式以允许电流在所述第二电流方向上流过所述第二电气单元并且同时禁止电流在所述第一电流方向上流过所述第二电气单元，以及

2.根据权利要求1所述的限流器，其中所述控制器被配置为选择性地控制将所述双向开关切换至所述第一模式和所述第二模式中的任意一个以使得所述第二电气单元形成允许电流绕着由所述第一电气单元和所述第二电气单元形成的环路续流的电流路径。

3.根据权利要求1或2所述的限流器，其中所述双向开关能够切换至阻流模式，以禁止电流在所述第一电流方向和所述第二电流方向上流过所述第二电气单元。

4.根据任一项前述权利要求所述的限流器，其中所述第二电气单元还包括用于耗散能量的电阻元件。

5.根据任一项前述权利要求所述的限流器，其中所述双向开关包括双向可控晶闸管和/或双向排气开关。

6.根据任一项前述权利要求所述的限流器，其中所述双向开关包括一对反并联连接开关元件或多对串联连接的反并联连接开关元件，每个反并联连接开关元件包括第一开关子元件，每个第一开关子元件包括至少一个第一有源开关装置。

7.根据权利要求6所述的限流器，其中每个第一开关装置是具有反向阻流能力的有源开关装置。

8.根据任一项前述权利要求所述的限流器，其中所述双向开关包括一对反串联连接开关元件，每个反串联连接开关元件包括第二开关子元件，每个第二开关子元件包括至少一个第二有源开关子装置。

9.根据权利要求8所述的限流器，其中每个第二有源开关装置是不具有反向阻流能力的有源开关装置。

10.根据权利要求8或9所述的限流器，还包括多个无源电流逆止元件，每个无源电流逆止元件包括至少一个无源电流逆止装置，所述多个无源电流逆止元件中的每个与所述第二开关子元件中的相应一个或与所述第二有源开关装置中的相应一个反并联连接。

11.根据权利要求10所述的限流器，其中每个无源电流逆止元件包括多个串联连接无源电流逆止装置。

12.根据权利要求6至11中任一项所述的限流器，其中每个开关子元件包括多个串联连接有源开关装置。

13.根据任一项权利要求所述的限流器，其中当所述双向开关两端的电压从零电压变化到相对于所述第一电流方向和所述第二电流方向中的一个电流方向具有正电压方向的电压时，所述控制器被配置为控制所述双向开关的切换以禁止电流在该电流方向上流过所述第二电气单元。

14.根据任一项权利要求所述的限流器，其中当所述电感元件两端产生的电压从对抗流过所述电感元件的电流的上升变化到维持流过所述电感元件的电流时，所述控制器被配置为控制将所述双向开关切换至所述第一模式或所述第二模式。

15.根据任一项权利要求所述的限流器，其中当所述双向开关两端的电压从具有相对于所述第一电流方向为负电压方向的第一电压变化为第二电压时，一旦所述双向开关两端的电压变化为具有相对于所述第一电流方向为正电压方向的第二电压，所述控制器被配置为控制所述双向开关的切换以切换至所述第一模式。

16.根据任一项权利要求所述的限流器，其中当所述双向开关两端的电压从具有相对于所述第二电流方向为负电压方向的第一电压变化为第二电压时，一旦所述双向开关两端的电压变化为具有相对于所述第二电流方向为正电压方向的第二电压，所述控制器被配置为控制所述双向开关的切换以切换至所述第二模式。

17.根据权利要求15或16所述的限流器，其中所述控制器还包括控制电路，用于传输控制信号以切换所述双向开关，所述控制电路包括被布置为能够由第一电压充电的能量储存装置，其中当所述能量储存装置达到预定电荷水平时，所述控制电路被配置为传输控制信号以切换所述双向开关。

18.根据权利要求17所述的限流器，其中当所述双向开关两端的电压变化为第二电压时，所述能量储存装置被配置为达到所述预定电荷水平。