CN110999064A - 具有相模块放电器的转换器装置和用于其短路保护的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有转换器相(2)的转换器装置(1)，该转换器相在第一与第二直流电压极(3，4)之间延伸，其中转换器相包括交流电压接头(10)以及在第一直流电压极与交流电压接头之间延伸的第一转换器臂(7)和在交流电压接头与第二直流电压极之间延伸的第二转换器臂(8)，其中第一转换器臂包括双极开关模块(13)的第一串联电路(13a)并且第二转换器臂包括双极开关模块的第二串联电路(13b)，其中开关模块中的每一个包括功率半导体开关和能量存储器。本发明的特征在于与开关模块的两个串联电路并联的放电器支路(16)中的相模块放电器(15)，该相模块放电器被配置为用于对两个串联电路的开关模块进行过电压保护。此外，本发明涉及一种用于对根据本发明的转换器装置进行短路保护的方法。

Description

具有相模块放电器的转换器装置和用于其短路保护的方法
技术领域
本发明涉及一种具有转换器相的转换器装置，该转换器相在第一与第二直流电压极之间延伸，其中，转换器相包括交流电压接头以及在第一直流电压极与交流电压接头之间延伸的第一转换器臂，和在交流电压接头与第二直流电压极之间延伸的第二转换器臂，其中，第一转换器臂包括双极开关模块的第一串联电路并且第二转换器臂包括双极开关模块的第二串联电路，其中，开关模块中的每一个包括功率半导体开关和能量存储器。
背景技术
通常将这种转换器装置称为模块化的多级转换器，并且例如从DE 10 2009 034354 A1中已知。
通常，这类转换器装置在运行中连接在交流侧，即，借助交流电压接头与交流电压网连接。如果转换器装置被多相地、例如三相地构建，则将该转换器装置连接到对应地多相的交流电压网。转换器装置的直流电压极与直流电压线或直流电压网连接。在所谓的对称的单极配置(Monopol-Konfiguration)中，第一直流电压极例如可以位于正电势，而第二直流电压极位于负电势。在所谓的双极配置(Bipol-Konfiguration)中，第一直流电压极例如位于正电势，而第二直流电压极位于地电势。
在多相的交流电压网中，电网故障、例如交流侧的故障，以及特别是非对称的、即单相的故障(例如由于接地接触产生的短路)可以导致转换器装置中的电势偏移。如果转换器装置经由变压器与交流电压网连接，则可能特别是在出现非对称故障的情况下出现电势偏移，该非对称故障在变压器的转换器侧产生。在转换器装置的直流电压侧的单极接地接触也可以导致在此所描述的电增压。由于这种电势偏移，可能导致开关模块的能量存储器的过载。该过载可能导致所涉及的开关模块的损坏或破坏，并且由此导致转换器装置的故障。在一些已知的转换器设备中，目前已利用增加每个转换器臂中的开关模块的数量来克服该问题，然而这不利地增加了转换器设备的成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提出一种开头提到的转换器装置，该转换器装置是尽可能可靠且低成本的。
在这类转换器装置中，该技术问题通过放电器支路中的相模块放电器来解决，该放电器支路与开关模块的两个串联电路并联，该相模块放电器被配置为用于对两个串联电路的开关模块进行过电压保护。
有利地，相模块放电器为两个串联电路的开关模块提供过电压保护，特别是在转换器装置的交流侧上的短路情况下，该短路情况导致电势偏移的电网侧的电流，该电流不再能够利用交流侧的断路器及时清除。这也适用于转换器装置的对称的单极布置中的直流故障。相模块放电器限制了开关模块的电增压，并且由此防止了该开关模块的过载。此外，以该方式，可以有利地省略先前提到的对开关模块的数量的增加。
转换器装置也可以被三相地构建。为此，转换器装置合适地包括三个转换器相，该三个转换器相在第一与第二直流电压极之间彼此并联布置。可以同类型地构造三个转换器相。三相的转换器装置通常可以与对应地三相的交流电压网连接。转换器相中的每一个可以具有自身的相模块放电器。
优选地设置第一臂电感和第二臂电感，该第一臂电感在第一转换器臂中布置在第一直流电压极与开关模块的第一串联电路之间，该第二臂电感在第二转换器臂中布置在第二直流电压极与开关模块的第二串联电路之间。合适地，臂电感是平滑扼流圈，该平滑扼流圈负责对直流侧的电流进行平滑。在此，放电器支路优选地在第一电势点与第二电势点之间延伸，该第一电势点布置在第一臂电感与开关模块的第一串联电路之间，该第二电势点布置在第二臂电感与开关模块的第二串联电路之间。由此，相模块放电器与开关模块的两个串联电路并联地连接。然而，该相模块放电器不桥接臂电感。
优选地，相模块放电器具有大于100kV的保护电平。在此，保护电平是(在额定放电器电流时)限制在相模块放电器的端子上的电压。由此，即使在高压应用、诸如高压直流输电系统
Figure BDA0002378595620000021
中，相模块放电器也可以提供对应的保护。
优选地，相模块放电器被无壳体地构建。以该方式，可以确保相模块放电器的足够的热稳定性和固定的能量吸收能力。例如可以以悬挂实施的方式提供相模块放电器。
根据本发明的一种实施方式，开关模块的功率半导体开关和能量存储器在半桥电路中彼此连接。在半桥电路中，开关模块包括彼此串联连接的两个功率半导体开关。例如以电容器形式的能量存储器与功率半导体开关并联地布置。开关模块的两个端子与功率半导体开关或与能量存储器连接，使得可以在端子上产生开关模块电压，该开关模块电压与能量存储器上下降的电压或零电压相对应。合适地，续流二极管与功率半导体开关中的每一个反并联连接。
在转换器装置的这种设计方案中，故障可以导致短路电流不受控制地流经开关模块的续流二极管，这可以导致转换器装置的开关模块的能量存储器过载。在这种情况下，通过相模块放电器限制转换器相上的电压，该相模块放电器特别有效地为开关模块或该开关模块的能量存储器提供了保护。
优选地，转换器装置包括交流侧的断路器。借助相模块放电器与交流侧的断路器的共同作用，还特别地可以在转换器装置的交流侧清除带有电势偏移的单相故障。
根据本发明的一种实施方式，在转换器臂中的每一个中设置Tdc放电器，该Tdc放电器连接在转换器臂与接地之间。Tdc放电器适用于限制相对于接地的阻断电压，该阻断电压在故障情况下在阻断转换器装置的功率半导体开关期间产生。以该方式，避免了或完全避免了由于阻断电压而导致的相对于接地的绝缘距离的附加负载。
此外，转换器装置可以包括Tac放电器，该Tac放电器布置在转换器装置的交流电压接头处。
此外，本发明涉及一种用于对具有转换器相的转换器装置进行短路保护的方法，该转换器相在第一与第二直流电压极之间延伸，其中，转换器相包括交流电压接头以及在第一直流电压极与交流电压接头之间延伸的第一转换器臂和在交流电压接头与第二直流电压极之间延伸的第二转换器臂，其中，第一转换器臂包括双极开关模块的第一串联电路并且第二转换器臂包括双极开关模块的第二串联电路，其中，开关模块中的每一个包括功率半导体开关和能量存储器。
在此，本发明要解决的技术问题是，提供一种在故障情况下可靠地提供对转换器装置的过载保护的方法。
在这类方法中，该技术问题通过如下来解决：
-检测交流侧或直流侧的故障；
-阻断开关模块的功率半导体开关；
-将故障电流换向到与开关模块的两个串联电路并联的放电器支路中的相模块放电器；以及随后
-断开布置在转换器相的交流侧的断路器。
借助根据本发明的方法，即使在故障中的电势偏移的情况下，也为转换器装置的开关模块提供了过载保护。另外的优点由先前结合根据本发明的转换器装置所描述的优点给出。
在根据本发明的方法的上下文中，当然也可以单独地或组合地使用根据本发明的转换器装置的所有先前所描述的特征。
附图说明
下文中根据图1至图3进一步阐述本发明。
图1以示意图示出了根据本发明的转换器装置的实施例；
图2以示意图示出了根据本发明的转换器装置的另外的实施例；
图3以示意图示出了用于根据本发明的转换器装置的开关模块的示例。
具体实施方式
图1中示出了三相的转换器装置1。转换器装置1包括第一转换器相2，该第一转换器相在第一直流电压极3与第二直流电压极4之间延伸。在所示的实施例中，转换器装置1是双极设备的一部分，使得第一直流电压极3在转换器装置的运行中处于正高压电势，其中第二直流电压极4位于地电势，这在图1中借助接地17示出。此外，转换器装置包括第二转换器相5和第三转换器相6，该第二转换器相和第三转换器相分别在两个直流电压极3、4之间与第一转换器相2平行地延伸。在图1中所示的实施例中，三个转换器相2、5和6被同类型地构造。因此，为了避免重复，仅详细描述第一转换器相3的结构。第一转换器相2具有第一转换器臂7和第二转换器臂8。在两个转换器臂7、8的连接点9处布置有交流电压接头10。借助交流电压接头10，转换器装置1经由变压器11与交流电压网12连接。由于转换器装置1是三相的，因此交流电压接头10包括三个接头10、10a、10b，用于分别与交流电压网12的一相连接。
第一转换器臂7包括双极开关模块13的第一串联电路13a。在此，在图1的图示中，为了清楚起见，仅图形地示出一个开关模块13，该开关模块同时表示串联电路13a。然而，每个转换器臂中的开关模块13的数量原则上是任意的，并且可以与相应的应用匹配。与开关模块13的第一串联电路串联地布置以平滑扼流圈形式的第一臂电感14a。与此类似地，第二转换器臂8包括开关模块13的第二串联电路13b和第二臂电感14b。
此外，转换器装置1包括相模块放电器15。相模块放电器15布置在放电器支路16中。放电器支路16在第一电势点18与第二电势点19之间延伸，该第一电势点布置在第一臂电感14a与开关模块13的第一串联电路13a之间，该第二电势点布置在第二臂电感14b与第二串联电路13b之间。由此，相模块放电器15与两个串联电路13a和13b并联地布置。
此外，转换器臂7、8分别具有Tdc放电器20，用于限制在截止了开关模块13的功率半导体时产生的阻断电压。在转换器相1、5、6的交流侧布置有交流电压断路器(AC断路器)21。
下面，根据图2中的另外的实施例，阐述了在故障情况下的相模块放电器的工作原理。
图2示出了转换器装置30。图2中图形地示出了第一转换器相31和第二转换器相32。第一转换器相31包括第一转换器臂33、第二转换器臂34以及第一交流电压接头35。第二转换器相32包括第三转换器臂36、第四转换器臂37以及第二交流电压接头38。
具有由二极管40和电容器41构成的串联电路和续流二极管42的第一并联电路39a代表开关模块的第一串联电路(与图1中的串联电路13b相对应)，其中，转换器装置30的开关模块被构建为半桥电路，使得在截止了开关模块的功率半导体之后，续流二极管(在图3中以附图标记103、105标识)构建流过开关模块的电流路径。其余的转换器臂34、36和37中的串联电路对应地由并联电路39a、c-d表示。
此外，每个转换器臂33、34、36、37分别包括臂电感43。
第一转换器相31在第一直流电压极44与第二直流电压极45之间延伸。转换器装置30采取对称的单极配置，使得第一直流电压极44在运行中位于负高压电势，这在图2中借助电容器46与放电器47的并联电路示意性地示出。同时，第二直流电压极45位于正高压电势，这在图2中借助另外的电容器48与放电器49的并联电路示意性地示出。在两个直流电压极之间下降直流电压UD。在第一与第二交流电压接头35、38之间下降电压Upp(相-相)。
根据图2，现在应当阐述交流侧的非对称的故障的示例，在该示例中第二交流电压接头38与接地短接，这在图2中借助短路符号50示出(例如，由于所连接的交流电压网中的接地接触)。通常，转换器装置30经由电网变压器与交流电压网连接。在该配置下，在此考虑相对于电网变压器的转换器侧故障的情况。
图2中，在电流支路中示出的箭头指示在这种短路情况下的电流方向。由于短路，在第一直流电压极44处的电势点与第一交流电压接头处的电势点52之间产生电压差ΔU，其中ΔU＝Upp+UD/2。该电压差可以导致电容器41过载，如上所述，该电容器代表开关模块的能量存储器。然而，通过相模块放电器53避免该过载，该相模块放电器限制了电容器41上的电压。在第二转换器臂34中，在图2中所示的情况下，电流流经开关模块的续流二极管(由一个续流二极管54表示)。另外的相模块放电器55满足用于第二转换器相32的对应的功能。
因此，在转换器装置的交流侧上的非对称的短路情况下，过程如下：首先，开关模块的功率半导体被截止。随后，将短路电流至少部分地换向到相模块放电器。随后，断开交流断路器。
图3详细地示出了以半桥电路101形式的开关模块，该开关模块可以在转换器装置1中或在转换器装置30中用作开关模块13。半桥电路101具有两个接头X1和X2。接头X1例如可以将半桥电路101与另外的半桥电路的接头X2连接，从而形成子模块的串联电路。
半桥电路101包括以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的第一半导体开关102，续流二极管103与该第一半导体开关反并联连接。此外，半桥电路101包括以IGBT形式的第二半导体开关104，续流二极管105与该第二半导体开关反并联连接。两个半导体开关102和104的导通方向是同向的。第一接头X1布置在两个半导体开关102与104之间的电势点113上。第二接头X2与第二半导体开关104的发射极连接。
以功率电容器106形式的能量存储器与两个半导体开关102、104并联地布置。通过适当地控制半导体开关102、104，在通过箭头107示出的运行电流方向上，可以接通或桥接电容器106，使得在接头X1、X2上下降在电容器106上下降的电压Uc或零电压。

Claims (9)

1.一种具有转换器相(2)的转换器装置(1)，所述转换器相在第一与第二直流电压极(3，4)之间延伸，其中，所述转换器相(2)包括交流电压接头(10)以及第一转换器臂(7)和第二转换器臂(8)，所述第一转换器臂在第一直流电压极(3)与交流电压接头(10)之间延伸，所述第二转换器臂在交流电压接头(10)与第二直流电压极(4)之间延伸的，其中，所述第一转换器臂(7)包括双极开关模块(13)的第一串联电路(13a)并且所述第二转换器臂(8)包括双极开关模块(13)的第二串联电路(13b)，其中，所述开关模块(13)中的每一个包括功率半导体开关和能量存储器，
其特征在于
与所述开关模块(13)的两个串联电路(13a，b)并联的放电器支路(16)中的相模块放电器(15)，所述相模块放电器被配置为用于对两个串联电路(13a，b)的开关模块(13)进行过电压保护。
2.根据权利要求1所述的转换器装置(1)，其中，设置第一臂电感(14a)，所述第一臂电感在第一转换器臂(7)中布置在第一直流电压极(3)与开关模块(13)的第一串联电路(13a)之间，并且还设置第二臂电感(14b)，所述第二臂电感在第二转换器臂(8)中布置在第二直流电压极(4)与开关模块(13)的第二串联电路(13b)之间。
3.根据权利要求2所述的转换器装置(1)，其中，所述放电器支路(16)在第一电势点(18)与第二电势点(19)之间延伸，所述第一电势点布置在第一臂电感(14a)与开关模块(13)的第一串联电路(13a)之间，所述第二电势点布置在第二臂电感(14b)与开关模块(13)的第二串联电路(13b)之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的转换器装置(1)，其中，所述相模块放电器(15)具有大于100kV的保护电平。
5.根据上述权利要求中任一项所述的转换器装置(1)，其中，所述相模块放电器(15)被无壳体地构建。
6.根据上述权利要求中任一项所述的转换器装置(1)，其中，所述开关模块(13)的功率半导体开关(102，104)和能量存储器(106)在半桥电路中彼此连接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的转换器装置(1)，其中，所述转换器装置(1)包括交流侧的断路器(21)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的转换器装置(1)，其中，在转换器臂(7，8)中的每一个中设置Tdc放电器(20)，所述Tdc放电器连接在转换器臂(7，8)与接地之间。
9.一种用于对转换器装置(1)进行短路保护的方法，所述转换器装置具有转换器相(2)，所述转换器相在第一与第二直流电压极(3，4)之间延伸，其中，所述转换器相(2)包括交流电压接头(10)以及第一转换器臂(7)和第二转换器臂(8)，所述第一转换器臂在第一直流电压极(3)与交流电压接头(10)之间延伸，所述第二转换器臂在交流电压接头(10)与第二直流电压极(4)之间延伸，其中，所述第一转换器臂(7)包括双极开关模块(13)的第一串联电路(13a)并且第二转换器臂(8)包括双极开关模块(13)的第二串联电路(13b)，其中，所述开关模块(13)中的每一个包括功率半导体开关和能量存储器，以及所述转换器装置具有与开关模块(13)的两个串联电路(13a，b)并联的放电器支路(16)中的相模块放电器(15)，在所述方法中：
-检测交流侧或直流侧的故障；
-阻断开关模块(13)的功率半导体开关；
-将故障电流换向到相模块放电器(15)；以及随后
-断开布置在转换器相的交流侧的断路器(21)。
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