CN110178309A - Dc功率开关组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种DC功率开关组件(22)，包括多个串联连接的功率开关单元(21)。每个功率开关单元(21，45)包括该单元的第一端子(23)和该单元的第二端子(24)，这些端子具有相同的极性。功率开关子单元(46，47)被电耦合在单元的第一端子与第二端子之间，以控制第一端子与第二端子之间的电流流动。子单元(46，47)包括至少一个半导体器件(Q1，Q2)、限流器(L1，L2)和与限流器并联的一对串联连接的二极管(D1，D11，D2，D21)。串联连接的二极管和限流器连接到半导体器件的一个端子；并且电容器(C1，C2)连接到半导体器件的另一端子。

Description

DC功率开关组件和方法

技术领域

本发明涉及DC功率开关组件，特别是用于海上平台或者船舶。

背景技术

在海上平台或者船舶、钻井平台、飞机、HVDC系统、风力发电网或者类似的DC系统中，很多设备被认为是关键的，并且监管要求规定了在发生故障时的电力可用性。因此，通常的做法是：将船舶或者钻井平台上的设备分隔成多个部分，并且以冗余方式为每个部分提供单独的电力，使得如果一个部分发生故障，则该故障不会转移到其他部分，并且不会丧失所有的运行能力。这种分隔已经通过以下方式来实现，使用多个部分之间的常开的母线联络(bus ties)来运行，并且仅在有限的情况下闭合那些母线联络以使得一侧能够从另一侧接收电力。但是，这样的母线联络仅适用于低压DC系统。对于高压系统，必须使用机械断路器。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种DC功率开关组件，包括多个串联连接的功率开关单元；每个功率开关单元包括：该单元的第一端子，该单元的第二端子，以及被电耦合在第一端子与第二端子之间以控制第一端子与第二端子之间的电流的功率开关子单元；其中第一端子和第二端子具有相同的极性；其中子单元包括：至少一个半导体器件、限流器和与限流器并联的一对串联连接的二极管，至少一个半导体器件在正常操作中导通并且在第一端子和第二端子中的一个端子处出现故障的情况下不再导通，其中串联连接的二极管和限流器被连接到半导体器件的一个端子；其中如果半导体器件不再导通，则串联连接的二极管允许电流继续，直到限流器放完电；并且其中电容器被连接到半导体器件的另一端子，以在半导体器件不再导通时阻断电压。

优选地，功率开关单元包括两个对称的功率开关子单元，每个单元在一侧被连接到功率开关单元的第一端子和第二端子中的一个端子，并且在另一侧被连接到另一子单元。

电容器可以与半导体器件串联连接，但是优选地，电容器被并联连接在半导体器件两端。

优选地，子单元中的一个或者每个还包括与电容器串联的电阻器。

这有助于限制系统振荡。

优选地，子单元中的一个或者每个还包括与电容器串联的阻尼电路。

这有助于限制系统振荡。

优选地，半导体器件包括二极管或者晶体管中的一种。

优选地，半导体器件包括绝缘栅双极晶体管。

优选地，限流器包括电感。

根据本发明的第二方面，一种DC供电系统，包括：第一DC配电母线部分，第二DC配电母线部分，以及根据第一方面的DC功率开关组件，其中该组件的第一端子被电耦合到配电母线的第一DC母线部分，并且第二端子被电耦合到配电母线的第二DC母线部分。

优选地，功率开关组件的一侧的电压大于或者等于1KV。

优选地，功率开关组件的一侧的电压在1KV至15KV的范围内。

根据本发明的第三方面，一种操作根据第一方面或者第二方面的DC功率开关组件的方法包括：在操作期间监测系统电压和电流；如果短路被检测到，则断开功率开关单元，以阻断来自系统的短路侧的电流；监测短路已经被清除的指示，闭合功率开关单元，以允许电流通过功率开关单元；以及继续监测系统的短路的指示。

附图说明

现在将参考附图来描述根据本发明的DC功率开关组件和方法的示例，其中：

图1示出了用于低压柴油电力推进系统的电路的示例；

图2a示出了适用于高压DC应用的、根据本发明的功率开关组件的功率开关单元的第一示例；

图2b示出了适用于高压DC应用的、根据本发明的功率开关组件的功率开关单元的第二示例；

图3示出了用于根据本发明的功率开关组件的示例拓扑；

图4是图3的功率开关组件的电气等效电路；

图5a示出了对于图3的示例的随时间的电流和电压曲线；

图5b示出了对于图3的示例的随时间的电容器C1和C2的电压；

图6是根据本发明的功率开关组件的操作方法的流程图。

具体实施方式

海上船舶、平台或者远程钻井平台上的DC配电系统通常包括：诸如原动机、发电机或者能量存储器之类的电源，以及通过母线联络开关连接的多个DC母线部分。为了满足安全操作的法规要求，母线联络开关必须能够将多个DC母线部分彼此断开，以防止系统一侧的故障传播到另一侧，并且防止关键系统(诸如钻井设备的推进器或者必要部件)可能失去所有电力。

通常，母线联络开关或者断路器功能被提供用于具有机械断路器或者低压DC配电系统(通常最高为1000V DC，诸如图1所示)的AC配电(高压和低压)解决方案。目前，可用于船舶和海上系统的高压静态DC开关的选择很有限。通常用于在10至15kV下操作的高压等效部件也无法获得。在需要两个独立操作的电力系统来满足分类标准的情况下，需要非常快速地断开DC母线联络，以防止故障从一侧传播到另一侧。现有的低压母线联络开关不能在高于1000V的电压下操作，当然也不能在10到15kV或者更高的电压范围内操作。

图1的示例是基于低压DC分配的柴油电力推进系统，并且包括多个柴油发动机1，每个柴油发动机被连接到相应的发电机保护系统P1、P2、P3、P4内的发电机G1、G2、G3、G4。发电机保护系统包括包含有发电机控制装置2的发电机柜K1、K2、K3、K4。每个发电机经由线路3被耦合到DC主配电板(main switchboard)S1、S2，线路3包括二极管4和隔离开关5。发电机G1和G2被耦合到配电板S1。发电机G3和G4被耦合到配电板S2。从配电板S1、S2中的每个到逆变器9的线路8中设置有开关6和保险丝7，该逆变器9在DC主配电板与电机10之间，或者该逆变器9连接到具有电机功能的轴发电机，该轴发电机经由滤波器11和变压器12耦合到AC辅助配电板A1、A2。此外，DC主配电板S1、S2通过DC-DC转换器20供给电池19。AC辅助配电板经由旁路13和隔离开关14耦合。DC主配电板经由母线联络开关15连接，母线联络开关15包括在di/dt电抗器18的每一侧的隔离开关16和晶体管二极管布置17。

通过将母线联络开关15替换为如下所述的功率开关组件22，图1的示例可以适用于高压DC配电。

图2a示出了根据本发明的用于功率开关组件的功率开关单元的第一示例，特别地，该功率开关单元适用于可以被包含在适配的图1的电路中的高压DC系统。图1的母线联络开关15替换为图3的功率开关组件22或者断路器。功率开关组件22包括如图2a或者图2b所示的多个功率开关单元21，这些功率开关单元21如图3所示被连接在一起，以形成图3的功率开关组件22。

功率开关组件基于被电提升而远离地电位的功率单元21来提供高压模块化DC母线联络开关。母线联络开关包括多个功率开关单元模块，这些模块可以根据特定应用所需要的拓扑来容易地添加或者移除。每个功率单元包括第一端子23和第二端子24，在第一端子23与第二端子24之间是子单元电路46，子单元电路46包括半导体器件Q1(通常是二极管或者晶体管)、电容器C1、二极管D11、D1和限流器(通常是电感，电感器L1)。第一端子和第二端子具有相同的极性，即都为正，或者都为负。根据电流的方向，第一端子23和第二端子24可以是输入或者输出。半导体器件在正常操作中导通。在一个实施例中，如图2a所示，在对称线25的另一侧有另一子单元电路46，另一子单元电路46包括半导体器件电路Q2、电容器C2、二极管D21、D2和限流电感(电感器L2)。如果仅需要单向断路器，则根据所期望的断路器操作的方向，仅实施对称线一侧的部件。对于双向断路器，实施对称线两侧的如图2所示的部件。在实施双向断路器的情况下，通常地，子单元形成单个功率开关单元模块的一部分，但是备选地，例如在海上平台或者船舶上，其中存在单独的火灾区域，子单元可以被布置在相邻的火灾区域中，通过两个子单元之间的DC连接而被耦合在一起。

可选地，一个或者每个子单元电路46可以具有电阻器R1、R2。一个或者每个子单元可以具有与电容器串联设置的能量吸收电路26a、26b或者阻尼器，例如二极管电路。电阻器和阻尼器限制系统振荡并且抑制电压尖峰。阻尼器通常包括串联连接的电容器和电阻器，或者串联连接的电感器和电阻器，它们然后与晶体管或者二极管并联连接。每个子单元的二极管D1、D2可以被实现为晶体管中的续流二极管。可选的与电容器C1、C2串联的阻尼电路26a、26b可以作为半导体器件的设计的一部分被植入。

当断路器22处于ON状态时，晶体管二极管电路Q1、Q2传导电流。如果在系统的一侧发生短路，则根据短路的方向，电感器L1、L2中的相应电感器限制短路导数(short circuitderivative)、电流变化率、di/dt，并且当断路器断开时，晶体管二极管电路Q1、Q2之一截止。先前通过电感器L1、L2的电流通过续流二极管D1、D11或者D2、D21，直到电感器放电，并且当Q1、Q2截止时，电容器C1、C2之一阻断电压。当晶体管截止时，电阻器R1、R2衰减LC振荡电路，并且当Q1、Q2导通时，电阻器R1、R2也限制电容器放电电流。如果在系统的另一侧发生短路，则互为镜像的部件中的另一个开始操作。可选的电阻器可以被实现为电容器C1、C1中的内部串联电阻或者外部电阻器R1、R2。如图4中更详细地示出的，振荡电路中的电感通常是单元21的数目n的乘积，加上从最近的电压源或者电容器组连接的全部串联单元中的杂散电感。

图2b示出了根据本发明的用于功率开关组件的功率开关单元的第二示例，特别地，该功率开关单元适用于可以被包含在适配的图1的电路中的高压DC系统。图1的母线联络开关15替换为图3的功率开关组件22或者断路器。功率开关组件22包括如图2b所示的多个功率开关单元45，这些功率开关单元45如图3所示被连接在一起，以形成图3的功率开关组件22的。

如图2a的示例，模块化DC母线联络开关基于功率开关单元，该功率开关单元包括第一端子23和第二端子24，在第一端子23和第二端子24之间是电路47，电路47包括半导体器件Q1(通常是二极管或者晶体管)、电容器C1、二极管D11、D1和限流电感(电感器L1)。根据电流的方向，第一端子23和第二端子24可以是输入或者输出。在图2b所示的实施例中，在对称线25的另一侧有另一电路47，另一电路47包括半导体器件电路Q2、电容器C2、二极管D21、D2和限流电感(电感器L2)。如果仅需要单向断路器，则根据所期望的断路器操作的方向，仅实施对称线一侧的部件。对于双向断路器，实施对称线两侧的如图2b所示的部件。

可选地，每个电路47可以具有电阻器R1、R2，并且还可以具有与电容器C1、C2串联设置的阻尼电路26a、26b。电阻器和阻尼电路限制系统振荡。备选地，如图2b的示例所示，可以与电容器并联地设置阻尼电路49a、49b。在一些实施例中，可以设置串联和并联阻尼电路26a、26b、49a、49b两者。这些同样适用于图2a的示例。阻尼器26a、26b、49a、49b或者每个阻尼器26a、26b、49a、49b可以包括：串联连接的电容器和电阻器，或者串联连接的电感器和电阻器，它们可以与晶体管或者二极管并联连接；或者可以包括串联连接的电容器和二极管，其中电阻器与电容器并联。可选的与电容器C1、C2串联或者并联的阻尼器26a、26b、49a、49b可以作为半导体器件的设计的一部分被植入。二极管D1、D2可以被实现为晶体管中的续流二极管。

当断路器22处于ON状态时，晶体管二极管电路Q1、Q2传导电流。如果在系统的一侧发生短路，则根据短路的方向，电感器L1、L2之一限制短路导数、电流变化率、di/dt，并且当断路器断开时，晶体管二极管电路Q1、Q2之一截止。先前通过电感器L1、L2的电流通过续流二极管D1、D11或者D2、D21，并且当Q1、Q2截止时，电容器C1、C2之一阻断电压。当晶体管截止时，电阻器R1、R2衰减LC振荡电路，并且当Q1、Q2导通时，电阻器R1、R2也限制电容器放电电流。如果在系统的另一侧发生短路，则互为镜像的部件中的另一个开始操作。

图2b示例的结构布置与图2a的示例的不同之处在于，在图2b中，连接到电容器的晶体管二极管电路的端子也连接到功率开关单元的端子23、24，而在图2a中，晶体管二极管电路的端子连接到其他子单元中的晶体管二极管电路的等效端子。在图2a中，晶体管二极管电路的端子连接到限流器，并且连接到串联连接的二极管，该串联连接的二极管被连接到单元的端子。如图2a的示例，可选的电阻器可以被实现为电容器C1、C1中的内部串联电阻或者外部电阻器R1、R2。如图4中更详细地示出的，振荡电路中的电感通常是单元21的数目n的乘积，加上从最近的电压源或者电容器组连接的全部串联单元中的杂散电感。

通常地，多个单元21、45如图3中串联连接在一起，并且然后连接到DC主配电板的两侧S1、S2之间的供电系统中。图3的布置表示，功率单元21、45仅以一个极性(即，处于正极)连接在DC母线的两侧之间。这使得结构不那么复杂并且更容易构建。如果低电感电容器组在功率开关组件22的外部连接到DC母线，则不需要在DC母线的每一侧的负极之间连接功率单元，而是作为附加的预防措施，可选地，可以在侧1和侧2中的任一侧或者两侧上跨极连接电容器组48。可以与电容148串联地添加参照图2所描述的类型的可选的电阻器(未示出)或者阻尼电路(未示出)。

可以使用任何数目的串联连接的单元，如U1、U2、......、Un所示，其中Un可以是无限单元号。机械开关27设置在正极和负极的侧1和侧2处，并且这些开关在功率开关组件22的两侧之间提供电流隔离以阻止杂散电流从一侧传输到另一侧。这些单元基本上是独立的，无需外部电感来保护它们免受电流尖峰的影响，从而消除了组件内的潜在的短路源。

图4示出了图3的功率开关组件的电气等效组件，用于根据本发明的功率开关组件，该功率开关组件包括如图2a所示的功率开关单元21，但功率开关单元同样可以是图2b示例的功率开关单元，因为图5a和5b中的建模结果适用于单元21、45的任一示例。在负极上，在侧1和侧2处存在杂散电感40，并且在机械开关27之间存在杂散电感41。在正极上，在侧1和侧2处存在杂散电感42，并且在机械开关27与每个功率单元21之间存在杂散电感43，并且在两个功率单元之间也存在杂散电感44。来自侧1的输入28和来自侧2的输入29被视为大电容器或者电压源。如果在DC供电系统的侧1或者侧2发生故障，诸如在该示例中的侧2所示的短路30，则系统的另一侧(在这个示例中为侧1)的稳定电压没有中断。

在图5a和5b中示出了来自功率开关组件22的模拟的电流和电压的示例，该功率开关组件22具有串联连接的两个功率单元21和在侧1的2000V DC电压源。在图5a中，曲线31表示侧2(具有故障或者失效的一侧)的电流随时间的变化，并且曲线32表示侧2的DC电压随时间的变化。图5b示出了功率单元本身的电压。曲线33表示功率单元21中的电容器C1两端的DC电压，并且曲线34表示功率单元中的电容器C2两端的DC电压。因为单元21是串联的，所以对于所有单元21来说，电压累积是相同的。

最初，由于晶体管或者二极管泄漏阻抗，断路器断开并且电压31在侧2为高。侧2的电流32最初为零，并且在功率单元U1的电容器两端没有DC电压33、34。在0.1ms时，连接2MW的负载，断路器仍然断开，但在侧1，功率单元21中的电容器开始充电，因为有两个单元串联，每个电容器被充电到全电压源的1/2，即1000V。DC电压31降至零，并且然后侧2的电压31和电流32开始上升。在大约0.15ms处，电压31和电流32开始变小并且在0.6ms时降至零。在0.1ms到0.6ms之间，电容器C2两端的电压34上升到接近1KV，但CI两端的电压33保持为零。

在0.6ms时，示出了断路器闭合的影响。由单元电感和电容器串联电阻器控制，电容器组中的电压34降至零。C1两端的电压33保持为零，而侧2的电压31和电流32最初均上升，然后趋于平稳。在0.80ms时，示出了侧2的短路的影响，其中理想的断路器立即闭合，将侧2的电压31降至零并且引起侧2的电流32的尖峰。之后很快地，如在0.82ms时所示，断路器断开，控制系统检测到短路，并且控制系统断开晶体管。电容器C2两端的电压34达到峰值，然后开始向1KV减小，而电压33遵循类似的模式开始上升到低于500V的值。同时，侧2的电流32降至零以下，并且电压31保持为零。

在0.95ms时，短路被清除并且断路器断开，使电流32和电压31返回到零，并且使电容器两端的电压33、34变得平坦。在1.20ms时，断路器闭合，负载仍然连接并且单元中的电容器放电至零，而侧2上的电流32和电压31上升并且保持稳定。在1.4ms时，断路器断开，电压34上升并且单元中的电容器充电。电压31和电流32向零减小。在所示的示例中，电压从1.4ms时爬升到1KV，但是电流被限制在6000A以下的值，因此部件(特别是晶体管和二极管)不会因发生故障而过载。电流在没有损坏的情况下升高的程度取决于功率开关单元中的电压和部件额定值。半导体器件的电压阻挡效应也有利于在高电压下保护部件。

图6是示出根据本发明的DC功率开关组件的操作方法的示例的流程图。负载可以被连接50到电路，并且功率开关组件22的母线联络开关被设置为闭合51，以用于正常操作。在正常操作中，子单元内的晶体管二极管电路导通。系统控制器(未示出)在操作期间监测52系统电压和电流。在检测53到功率开关组件22的一侧的短路时，控制器使断路器断开54，并且根据方向断开55相应子单元46内的晶体管二极管电路，使得子单元中的半导体器件Q1、Q2不再导通，以阻断电流或者电压。如果半导体器件不再导通，则子单元的串联连接的二极管D1、D11或者D2、D21允许电流继续，直到子单元的电流限制器L1、L2已经放电并且连接到半导体器件的另一端子的电容器C1、C2阻断电压。在消除56并且清除了短路原因之后，系统可以再次闭合57断路器，以闭合相关子单元的晶体管二极管电路以再次允许电流或者电压并且恢复58正常操作，系统控制器继续监测52电流和电压以确定是否发生另一短路。

本发明的电路提供静态DC电路断路器，该断路器可以用于基于通常可用部件的任何DC电压电平，并且特别地可以用于高电压电平，即1000V以上，在1kV至10kV的范围内，在1kV至15KV的范围内，甚至远高于15KV。尽管已经给出了两个串联连接的功率开关单元的示例，但是对于任何所需要的电压，考虑到每个单元的额定操作电压，选择串联的功率开关单元的数目，以通过在所有单元上基本相等地分配总电压要求来构成功率开关组件。目前优选的电压约为10KV至15KV，但模块化的方法可以通过添加更多的单元来实现在100KV下的操作。

Claims (12)

1.一种DC功率开关组件，包括：

多个串联连接的功率开关单元；每个功率开关单元包括所述单元的一个第一端子、所述单元的一个第二端子、以及一个功率开关子单元，所述功率开关子单元被电耦合在所述第一端子与所述第二端子之间，以控制所述第一端子与所述第二端子之间的电流；

其中所述第一端子和所述第二端子具有相同的极性；

其中所述子单元包括至少一个半导体器件、一个限流器和与所述限流器并联的一对串联连接的二极管，所述至少一个半导体器件在正常操作中导通并且在所述第一端子和所述第二端子中的一个端子处出现故障的情况下不再导通，其中所述串联连接的二极管和所述限流器被连接到所述半导体器件的一个端子；

其中如果所述半导体器件不再导通，则所述串联连接的二极管允许电流继续，直到所述限流器放完电；以及

其中一个电容器被连接到所述半导体器件的另一端子，以在所述半导体器件不再导通时阻断电压。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述功率开关单元包括两个对称的功率开关子单元，每个单元在一侧被连接到功率开关单元的所述第一端子和所述第二端子中的一个端子，并且在另一侧被连接到另一子单元。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其中所述电容器被并联连接在所述半导体器件两端。

4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述子单元中的一个子单元或者每个子单元还包括与所述电容器串联的一个电阻器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述子单元中的一个子单元或者每个子单元还包括与所述电容器串联的一个阻尼电路。

6.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述半导体器件包括二极管或者晶体管中的一种。

7.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述半导体器件包括一个绝缘栅双极晶体管。

8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中所述限流器包括一个电感。

9.一种DC供电系统，包括第一DC配电母线部分、第二DC配电母线部分、以及根据前述权利要求中任一项所述的一个DC功率开关组件，其中所述组件的一个第一端子被电耦合到配电母线的第一DC母线部分，并且所述第二端子被电耦合到配电母线的第二DC母线部分。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述功率开关组件的一侧的电压大于或者等于1KV。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述功率开关组件的一侧的电压在1KV至15KV的范围内。

12.一种操作根据权利要求1至8中任一项所述的DC功率开关组件的方法，所述方法包括：

在操作期间监测系统电压和电流；

如果短路被检测到，则断开所述功率开关单元，以阻断来自所述系统的短路侧的电流；

监测所述短路已经被清除的指示，闭合所述功率开关单元，以允许电流通过所述功率开关单元；以及

继续监测所述系统的短路的指示。