CN110463040B - 用于控制直流开关的方法、直流开关和直流电压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制直流开关(1)的方法，尤其是故障电流开关或保护开关，其中，直流开关(1)具有第一可切断半导体开关(2a)和第二可切断半导体开关(2b)，其中，第一和第二可切断半导体开关(2a、2b)布置在第一端子(21)与第二端子(22)之间，使得能够将具有第一极性的电流(i)引导经过第一可切断半导体开关(2a)并且能够将具有相对于第一极性相反极性的电流(i)引导经过第二可切断半导体开关(2b)，其中，根据电流测量值切断可切断半导体开关(2a、2b)中的一个。本发明还涉及一种直流开关(1)，其具有第一和第二可切断半导体开关(2a、2b)和用于执行这种方法的本地控制设备(3)。此外，本发明涉及一种直流电压系统(50)，其具有含直流电压的至少一个能量源(5)以及具有直流电压端子的至少一个电负载(6)和至少一个这种直流开关(1)。

Description

用于控制直流开关的方法、直流开关和直流电压系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制直流开关的方法。本发明还涉及一种直流开关和一种直流电压系统。
背景技术
为了能够通断直流电流，需要直流开关。相对于交流电流开关的通断，该直流电流开关的结构明显地更复杂，因为在直流运行中，如其例如在直流电压网络中所存在的那样，电流不过零，在该过零处能够以简单的方式实现电流的熄灭。
因此，如今市场上的直流开关相对昂贵。此外，该直流开关通常不抗短路。此外，由于其工作方式，直流开关是大且重的进而仅在大的耗费下才能够集成到能量供应系统或驱动系统中。
保护开关用于在超过允许的电流或电压值的情况下切断电流回路、导体或各个负载。这例如涉及过载电流和故障电流。故障电流开关是如下开关：当去向电流和回向电流相差一确定的绝对值时，该开关关断。
发明内容
本发明所基于的目的是：改进直流开关以及对其的控制。
该目的通过一种用于控制直流开关来实现，其中，直流开关具有第一可切断半导体开关和第二可切断半导体开关，其中，第一和第二可切断半导体开关布置在第一端子和第二端子之间，使得能够引导具有第一极性的电流经过第一可切断半导体开关并且能够引导具有与第一极性相反极性的电流经过第二可切断半导体开关，其中，根据电流测量值切断可切断半导体开关中的一个。此外，该目的通过一种直流开关，其具有第一可切断半导体开关和第二可切断半导体开关以及用于执行这种方法的本地控制设备，其中，第一可切断半导体开关和第二可切断半导体开关布置在第一端子和第二端子之间，使得能够引导具有第一极性的电流经过第一可切断半导体开关并且能够引导具有与第一极性相反极性的电流经过第二可切断半导体开关，其中，能够借助于本地控制设备根据电流测量值通过切断可切断半导体开关中的一个来切断经过直流开关的电流。此外，该目的通过一种直流电压系统来实现，其具有：具有直流电压的至少一个能量源；具有直流电压端子的至少一个电负载和至少一个这种直流开关。
本发明基于如下的知识，由电子开关、优选晶体管来取代机械的直流开关。因为该电子开关必须切断电流，所以使用可切断的半导体开关。如果电流和/或电压方向反转，例如在恢复时，可切断的半导体通常设有反向并联的二极管，该二极管于是沿反方向引导电流。在该情况下，于是仅当第二可切断半导体开关与第一开关反向串联使用时才将电流与其电通流方向(也称作为极性)无关地切断。在本文中，反向串联表示：第二可切断半导体开关与第一可切断半导体开关串联布置，然而能够沿另外的方向、即沿相反的极性引导电流。该半导体开关也能够借助反向二极管运行，以便对这两个极性实现直流开关的运行。可替选地，也能够在反向并联电路中使用反向截止的IBGT。在此，两个反向截止的IBGT布置成并联电路并且定向为，使得第一可切断半导体开关能够引导具有第一极性的电流并且第二可切断半导体开关能够引导具有反向极性的电流。除了反向截止的IGBT之外，也能够将其他任意的反向截止的可切断半导体开关布置成反向并联电路。
可替选地，在反向串联的布置中，证实为有利的是：将反向并联的二极管集成到晶体管的芯片中。这种开关也称作为反向导通开关。此外可行的是：在MOSFET或JFET的情况下将通道(Kanal)沿两个电流方向运行(反向并联设置)。
借助该电路布置，除了交流电流之外也能够接通直流电流。特别的优点在于，相对于机械开关在开关之内不会形成电弧，该电弧必须被熄灭、即消除。在此，根据本发明的直流开关附加地提供如下可行性，仅沿一个方向中断电流。为此，切断可切断半导体开关中的刚好一个。因此，例如当因其面临过载威胁时，将用于消耗能量的电负载与网络分离。同时，还能够实现能量、例如驱动器的能量的回馈，因为在此反转了电流方向，即改变电流的极性。因此，电负载还能够输出存储的能量，即使借助于直流开关中断能量吸收也如此。这由于存在两个可切断半导体开关而是可行的。
另外可行的能量回馈提高了系统的环境兼容性并且有助于降低(能量)成本。此外，能够避免例如对于维护来说危险的状态，因为处于电负载中的能量存储器还可以利用该直流开关放电。因此，能量存储器在维护工作开始之前能够完全地或至少几乎完全地放电。
在交流电压网络(单相或多相)中通常借助开关(＝接触器)接通和切断负载。如果需要维修开关(＝负荷开关)，那么该维修开关能够代替该开关使用。为了短路保护，通常在其之前使用短路开关机构(＝功率开关)。在使用根据本发明的直流开关时，能够以简单的方式在不进行改变的情况下将在交流电压网络中的设计转用于直流网络。
在本发明的一个有利的设计方案中，在故障情况下切断可切断半导体开关中的一个。一旦识别故障情况，就关断直流开关。在此，能够仅针对一个电流方向，通过切断刚好一个开关来实现切断。可替选地，切断也能够通过如下方式针对两个电流方向进行：即两个可切断半导体开关都被切断。故障情况例如能够通过超过在运行中允许的值的电流来识别。另一可行性方案在于，替选地或补充地检查电流的升高速度并且在超过确定的值时推断出故障。电流的升高速度对应于电流的时间导数。
在本发明的另一有利的设计方案中，根据电流值的时间导数来切断可切断半导体开关中的一个。在根据电流测量值的时间导数的情况下，能够由于过高的电流升高而识别出故障情况。这样的识别提供的优点是：在达到高的电流值之前就断开直流开关并且避免由用于负载和用于直流开关的高电流引起的负荷。借此能够部分甚至显著更小且成本更便宜地确定可切断半导体开关的大小。
在本发明的另一有利的设计方案中，根据电流的电流测量值的极性来选择待切断的可切断半导体开关。在此，证实为有利的是：在极性方面分析故障电流、即故障情况下的电流。关于极性的信息仅需要1比特，使得该信息能够特别简单地进行传递。
通过所检测的故障电流或电压的符号，开关的本地控制设备能够确定：是否在其负载侧或电网侧出现故障。这可以以简单的方式根据电流极性来实现。根据电流的极性、即根据电流的方向，随后仅关断处于故障方向的开关。这尤其在电网侧的故障的情况下允许由直流开关供应的负载的无中断的继续运行，其中该电网侧的故障能够通过另一负载中的或该能量供应装置中或能量供应装置之一中的故障而形成。电网侧的或负载侧的故障能够根据故障电流的机械、即根据故障情况下的电流的极性来识别。这能够以简单的方式根据电流测量值的符号来识别。
在本发明的另一有利的设计方案中，在第一极性的情况下在第一极限值中进行切断，并且在与第一极性相反的第二极性的情况中在第二极限值中进行切断，其中，第一极限值的绝对值至少比第二极限值大25％。证实为有利的是：将用于电网侧的故障电流的直流开关的断开阈值设计得高于用于负载侧的故障电流的开关的断开阈值。至少25％的偏差使得尤其对高于30％的故障电流的监控，在负载中故障的情况下，优选断开直接处于上游的开关，即在所属的负载处的直流开关，这实现了自然的且期望的选择性(Selektivitaet)。
在本发明的另一个有利的设计方案中，借助于UCE监控装置识别短路并且尤其独立于上级的控制装置地通过本地控制设备来进行切断，该本地控制设备设置用于尤其独立于上级的控制装置来驱控第一可切断半导体开关和第二可切断半导体开关。直流开关与其反向并联的可切断半导体开关一起与已经从逆变器电路中已知的UCE监控装置进行组合，该UCE监控装置在短路电流的情况下能够在几μs的范围内将该断路电流自动地切断，而不必有上级的控制装置存在。在此，UCE监控装置作用于直流开关的可切断半导体开关，在该可切断半导体开关上预设的电平被超过。这尤其在电网侧故障的情况下允许由开关供给的负载的无中断的继续运行，其中，该电网侧的故障可能由另一负载中的或电源中的故障形成。
在本发明的另一有利的设计方案中，相应的可切断半导体开关的负载通过作出i*t值或i2*t值来求出，其中，在超过负荷极限值的情况下切断相应的可切断半导体开关。直流开关的可切断半导体开关分别配设有电流测量装置，该电流测量装置借此能够检测缓慢升高的和/或持续高于测量值的电流，并且根据i*t或i2*t模型、或根据用于确定半导体负载的另一算法来切断可能的过载电流，该过载电流可能是不允许的负载、尤其是半导体和导线的不被允许那么高的热负载。由此能够检测负载的缓慢升高的过载。能够在开关本身的电子装置中或通过本地控制设备进行评估。在第一种情况下，能够设定或参数化断开阈值。在该电流测量装置能够极其快地(优选在数μs之内，尤其小于10μs)识别短路电流的情况下，能够弃用UCE监控装置。
在本发明的另一有利的设计方案中，作出电流测量值和另一电流测量值之间的差，其中，在如下部位处检测另一电流测量值，在该部位处设定有属于电流测量值的回向电流，其中，在超过差的绝对值的情况下切断可切断半导体开关中的至少一个。在连接到电负载的一个分支中能够设置有用于两个直流轨道的开关，该开关能够共同地或分开地断开，其中，该电负载通过直流开关来保障安全。在该装置中能够求出两个轨道中的电流差。在此例如能够为了诊断的目的而将差通知上级的控制装置。因此能够以简单的方式实现故障电流保护，而无需其他的元件、即例如FI保护开关。
在本发明的另一有利的设计方案中，以频率选择的方式、尤其对于低于1kHz的频率作差。证实为有利的是：当差超过例如300mA的预设的阈值时，本地控制设备关断这两个可切断半导体开关。差的测量能够在频率范围中进行限制，例如限制于低于1kHz的频率，以防止直流开关的错误响应。
在本发明的另一有利的设计方案中，直流开关具有用于识别电流的极性的比较器。借助比较器能够以简单的方式确定，电流具有正的还是负的极性。即能够借助于比较器通过如下方式识别电流方向：即检查电流是否具有大于或小于零的值。比较器能够是尤其适合于在安全相关的应用中使用的可靠部件。相对于对电流极性的软件支持的分析，可明显更简单地提供和确保对可靠的性能的证明。
在本发明的另一个有利的设计方案中，在第一端子和可切断半导体开关中的一个设置有保护元件、尤其负荷开关和/或保险装置。如果一次性地、例如由于直流开关处的、尤其可切断电子半导体开关处的不允许高的电压峰值使其无法及时切断或在切断时失效并且尽管如此应可靠地切断短路电流，那么在直流开关上游连接也称作为保护元件的保险元件。保护元件在简单的实施方案中能够为保险装置，如熔断保险装置或跳闸保险装置。保险装置的响应能够通过直流开关的本地控制设备来评估并且通知上级的控制装置。
附加地或替选地，负荷开关能够作为维修开关装入，该维修开关确保：能够在关断姿态中在电负载处执行维修工作。如果操作维修开关，尽管电子开关还被接通，仍然能够通过检测和评估电压和电流信号的高频份额来识别在负荷开关中和电负载中存在有电弧，并且随后借助直流开关的可切断半导体开关来进行切断。为此能够使用与也用于识别故障电流的极性相同的电流测量设备。因此，该方法是特别便宜的，因为不存在对于电流测量的另外的硬件需求。
上级的控制装置例如能够经由总线接通和关断直流开关。同样，能够通知电子开关的状态(接通，关断，触发等)此外，检测和评估电压大小和/或电流大小：在各个串联的开关处检测电压和/或电流大小时能够确定，在哪出现过载或短路并且随后选择性地进行切断。在此，以有利的方式仅沿出现故障的方向切断。
在本发明的另一个有利的设计方案中，本地控制设备具有到上级的控制装置的接口，其中，借助于上级的控制装置能够接通和切断可切断半导体开关。在此，能够经由总线将直流开关的至少一个电压值或电流以优选无电势的方式转递给上级的控制装置。该电压测量开启如下可行性，即能够确保选择性，以可靠地识别和表征故障并且确定故障地点。在此，在最简单的情况下，该所传输的信息仅具有1比特(│U│>Umax)或2比特(U<-Umax或U>Umax)。替选地或补充地，选择性仅能够通过在开关的电子装置中设定电流/时间特征曲线来产生。
附图说明
下面根据附图中示出的实施例详细描述和阐述本发明。附图示出：
图1示出连接有电负载和能量源的直流开关，和
图2示出能量供应系统。
具体实施方式
图1示出直流开关1，该直流开关与能量源5和电负载6连接。能量源5能够为发电机、光伏设备、能量供应网络或也为能量存储器，即例如电池。直流开关1用于：将电负载6与能量源5分离并且切断电流i。电流测量设备4用于测量电流i，该电流测量设备能够布置在直流开关1之内或布置在直流开关1之外。在直流开关1的第一端子21和第二单子22之间布置有反向串联的可切断半导体开关2a、2b。这表示：经过第一半导体开关2a的电通流流过与第二半导体开关2b反向并联的二极管。在相反极性的情况下，即在电通流方向反转的情况下，电流流过第二半导体开关2b和流过与第一半导体开关2a反向并联的二极管。两个半导体开关2a、2b的反向并联电路在此未被示出。在该情况下能够弃用二极管，但半导体开关则必须是能反向截止的。
本地控制设备3用于驱控半导体开关2a、2b，该本地控制设备与半导体开关2a、2b的控制端子连接。在此，将控制逻辑装置或调节逻辑装置使用电流测量设备4的信号作为输入变量。连接到上级的控制装置8的接口11用于与在此未示出的上级的控制装置8连接。
能够将保险装置9作为另外的保护元件集成到负载支路中，该保险装置在高电流负荷的情况下与直流开关1无关地、尤其与本地控制设备3无关地确保电负载6的保护。
图2示出直流电压系统50，该直流电压系统具有多个能量源5和电负载6。为了避免重复参考图1的和在那引入的附图标记的描述。该部件经由汇流排7彼此连接。在此，汇流排7包括去向导线和回向导线，该去向导线用于去到电负载6的电流(去向导线)和又返回到能量源5的电流(回向导线)。各个能量源5以及电负载6分别经由一个或(在此未示出的)多个直流开关1与汇流排7可分开地连接。在直流电压系统之内的部件之间的能量传递借助于直流电压在汇流排7上进行。在此，在两个导体之间施加直流电压。
在下方的电负载处，应详细阐述故障电流保护的可行性，使得更精确地描述直流开关1的一些主要部件。为了建立故障电流保护，在相应的负载路径中存在另一电流测量设备41。在汇流排7的两个导体中的一个中设置有电流测量设备4并且在另一导体中设置有相应的另一电流测量设备41。因此，能够测量去向电负载6的去向电流和来自电负载6的回向电流。对于这些电流不相同、即差不等于零的情况而言，能够断言，存在故障电流并且直流开关借助两个可切断半导体开关2a、2b中的至少一个断开其连接。为此，另一电流测量设备41能够将测量信号传输给直流开关1。在此未示出的本地控制设备3例如通过利用电流测量设备4的信号作差来评估该测量信号并且在需要时通过如下方式采取保护动作：即该控制设备经由驱控可切断半导体开关2a、2b中的至少一个将该半导体开关置于截止状态。
同样可行的是：通过上级的控制装置8执行故障电流保护。在该情况下除了电流测量设备4的信号之外也将另一电流测量设备41的信号传输给上级的控制装置8，其中，该电流测量设备例如经由相应的接口11实现。此外，上级的控制装置8能够从各个直流开关1的信号中监控各个部件(能量源5和电负载6)的运行状态并且在需要时驱控单独的或多个直流电压开关1。同样可行的是：从该信号中求出关于直流系统50中的各个部件的状态的信息。
综上，本发明涉及一种用于控制直流开关的方法，其中，直流开关具有第一可切断半导体开关和第二可切断半导体开关，其中，第一和第二可切断半导体开关布置在第一端子和第二端子之间，使得能够引导具有第一极性的电流经过第一可切断半导体开关并且能够引导具有相对于第一极性相反极性的电流经过第二可切断半导体开关，其中，根据电流测量值切断可切断半导体开关中的一个。本发明还涉及一种直流开关，其具有第一和第二可切断半导体开关和用于执行这种方法的本地控制设备。此外，本发明涉及一种直流电压系统，其具有含直流电压的至少一个能量源以及具有直流电压端子的至少一个电负载和至少一个这种直流开关。

Claims (27)

1.一种用于控制直流开关（1）的方法，其中，所述直流开关（1）具有第一可切断半导体开关（2a）和第二可切断半导体开关（2b），其中，所述第一可切断半导体开关和所述第二可切断半导体开关布置在第一端子（21）与第二端子（22）之间，使得能够引导具有第一极性的电流经过所述第一可切断半导体开关（2a）并且能够引导具有与所述第一极性相反的极性的电流经过所述第二可切断半导体开关（2b），其中，根据电流测量值切断可切断半导体开关中的一个，其特征在于，仅切断可切断半导体开关中的一个，其中，根据电流的电流测量值的极性来选择待切断的可切断半导体开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制直流开关是故障电流开关或保护开关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可切断半导体开关（2a）和所述第二可切断半导体开关（2b）反向串联地布置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一可切断半导体开关（2a）和所述第二可切断半导体开关（2b）布置在反向并联电路中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一可切断半导体开关构成为反向截止的IGBT，所述第二可切断半导体开关构成为反向截止的IGBT。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在故障情况下切断可切断半导体开关中的一个。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，根据所述电流测量值的时间导数来切断所述可切断半导体开关中的一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一极性的情况下在第一极限值时进行切断，并且在与所述第一极性相反的第二极性的情况下在第二极限值时进行切断，其中，所述第一极限值在数值上至少比所述第二极限值大25%。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，借助于UCE监控装置识别短路，并且通过本地控制设备（3）独立于上级的控制装置（8）地来切断短路电流，所述本地控制设备设置用于驱控所述第一可切断半导体开关和所述第二可切断半导体开关。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，借助于UCE监控装置识别短路，并且通过本地控制设备（3）独立于上级的控制装置（8）地来切断短路电流，所述本地控制设备设置用于驱控所述第一可切断半导体开关和所述第二可切断半导体开关。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，相应的可切断半导体开关的负载通过作出i*t值或i2*t值来求出，其中，在超过负载极限值的情况下切断相应的可切断半导体开关。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，相应的可切断半导体开关的负载通过作出i*t值或i2*t值来求出，其中，在超过负载极限值的情况下切断相应的可切断半导体开关。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在所述电流测量值和另一电流测量值之间作差，其中，在一个设定有与所述电流测量值相关联的回向电流的部位处检测所述另一电流测量值，其中，在超过所述差的绝对值的情况下切断可切断半导体开关中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述电流测量值和另一电流测量值之间作差，其中，在一个设定有与所述电流测量值相关联的回向电流的部位处检测所述另一电流测量值，其中，在超过所述差的绝对值的情况下切断可切断半导体开关中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，以频率选择的方式作差。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，选择低于1kHz的频率作差。
17. 一种直流开关（1），包括：
-第一可切断半导体开关和第二可切断半导体开关
-用于执行根据权利要求1至16中任一项所述的方法的本地控制设备（3），
其中，所述第一可切断半导体开关和所述第二可切断半导体开关布置在第一端子（21）与第二端子（22）之间，使得能够引导具有第一极性的电流经过所述第一可切断半导体开关（2a）并且能够引导具有相对于所述第一极性相反的极性的电流经过所述第二可切断半导体开关（2b），其中，所述本地控制设备（3）设计用于，根据电流测量值通过切断可切断半导体开关中的一个来切断经过所述直流开关（1）的电流，还根据电流的电流测量值的极性来选择待切断的可切断半导体开关。
18.根据权利要求17所述的直流开关（1），其中，所述直流开关具有用于识别电流的极性的比较器。
19.根据权利要求17或18所述的直流开关（1），其中，所述第一可切断半导体开关和所述第二可切断半导体开关各自具有UCE监控装置。
20.根据权利要求17或18所述的直流开关（1），其中，在所述第一端子（21）与可切断半导体开关中的一个之间布置有保护元件。
21.根据权利要求19所述的直流开关（1），其中，在所述第一端子（21）与可切断半导体开关中的一个之间布置有保护元件。
22.根据权利要求21所述的直流开关（1），其中，所述保护元件是负荷开关和/或保险装置（9）。
23.根据权利要求17或18所述的直流开关（1），其中，所述直流开关（1）具有电流测量设备（4）和/或电压测量设备（42）。
24.根据权利要求22所述的直流开关（1），其中，所述直流开关（1）具有电流测量设备（4）和/或电压测量设备（42）。
25.根据权利要求17或18所述的直流开关（1），其中，所述本地控制设备（3）具有连接至上级的控制装置（8）的接口（11），其中，借助于所述上级的控制装置（8）能够接通和切断可切断半导体开关。
26.根据权利要求24所述的直流开关（1），其中，所述本地控制设备（3）具有连接至上级的控制装置（8）的接口（11），其中，借助于所述上级的控制装置（8）能够接通和切断可切断半导体开关。
27.一种直流电压系统（50），包括：
-至少一个具有直流电压的能量源（5）；
-至少一个具有直流电压端子的电负载（6）；
-至少一个根据权利要求17至26中任一项所述的直流开关（1）。
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