CN1354541A - 由直流中间回路连接的变流器组件的变流器系统及操作该系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种变流器系统具有多个独立变流器组件,它们为负载变流器组件或电源系统变流器组件的形式及彼此通过DC电压中间回路连接,它具有两个DC电压母线条及布置在DC电压母线条之间的DC电压中间回路电容器。在这种变流器系统中,为了使故障变流器组件可与共用中间回路隔离,连接在中间回路上的其它组件可不中断地继续工作,及其中隔离装置不会被损坏;DC电压中间回路电容器被分成与变流器组件的数目相对应的多个部分,每个变流器组件与构成局部中间回路的DC电压中间回路电容器部分相连接,及变流器组件与其局部中间回路一起通过至少一个保护开关,尤其半导体开关形式的保护开关连接到DC电压母线条。

Description

由直流中间回路连接的变流器组件 的变流器系统及操作该系统的方法
技术领域
本发明涉及功率电子学领域。它尤其涉及如权利要求1前序部分中所述的变流器系统，及用于操作该系统的方法。
背景技术
当在工业系统中使用具有相同中间回路电压等级的多个电压中间回路变流器时，该系统可有利地形成具有耦合电压中间回路的系统，被称为共用DC母线系统，而不同于使用各基于一个电源系统变流器、一个电压中间回路及一个负载变流器的独立变流器的系统。该共用DC母线系统包括电源系统变流器组件(使用二极管的无源式及使用可控半导体开关的有源式)，一个或多个中间回路组件及负载变流器组件(例如电动机馈电，发电机馈电等)。
该系统的优点譬如在于：功率可被在负载组件之间自由交换，而没有任何必要使用双向电源系统变流器组件；使用共用的辅助装置(用于中间回路的充电装置，过电压限制器，制动控制器等)；及能够使用相对大的、低成本的组件作为电源系统变流器。例如，如果具有5个负载组件，每个向其负载馈给100kW的功率，单个500kW的电源系统变流器组件可对该系统供电。这不仅节省变流器成本，而且也可能节省变压器成本。
但是，这样一种系统也具有其缺点，需要采取适当措施来对付。该系统的一个重要问题是，当其中一个变流器故障时系统的保护。如果所有的组件未采取任何进一步措施地与共用中间回路连接，单个组件中的短路将导致共用中间回路的短路，及由此导致整个系统的故障。此外，在中间电路内的能量高于单个变流器中的能量，这可能导致故障组件中的损坏，该损坏被认为比单个组件中原有的损坏程度大得多。
对于该问题的一个通常的解决方案是将单个变流器组件经过一个保护电路连接到共用中间回路。这限制了导入故障组件中能量的破坏程度及将该组件与系统其它部分隔开，以使得系统其余部分的工作仍可继续。但是，该解决方案具有大的缺点：首先，该保护装置的动作很慢，以致干扰了其它组件的工作。
通常，在此情况下不可能避免工作的短暂中断。其次，该保护装置被损坏及必需更换。这增加了修理时间，产生了附加的修理成本及增加了备件库存成本。
发明描述
因此本发明的目的是，提供一种变流器系统，其中故障变流器组件可选择地与共用中间回路隔离，其中连接在中间回路上的其它组件可不中断地继续工作，及其中隔离装置不会被损坏，及规定了一种用于其操作的方法。
该目的通过权利要求1及9的全部特征来解决。
本发明的实质可描述为两个步骤：
第一步骤：
对每个变流器组件分配了所需DC中间回路的一个合理部分(“分布式中间回路)。在此情况下，分配一般基于两个原则：分配给一个变流器组件的电容器(”局部中间回路“)应至少足够大，以致能承受由该组件导入中间电路的交变电流；分配给一个变流器组件的电容器中存储的能量必须不超过一个值，在该值时如果电容器向故障组件放电将引起不可接受的损坏。
除局部中间回路中的电容器外，在中间回路中无其它的DC电压电容器所具有的电容量与局部设置的电容器的电容量有相同的等级。
第二步骤：
具有局部中间电路的变流器组件通过至少一个保护开关(半导体开关)连接到DC电压母线条上。在该情况下，保护开关这样地布置，以致它们可中断从正DC电压母线条到局部中间回路正极的连接和/或可中断从局部中间回路负极到负DC电压母线条12的连接。
根据本发明第一优选改进方式，至少一个变流器组件是仅从AC电压端子将功率转移到DC电压中间回路的变流器组件，及用于该变流器组件的保护开关是半导体二极管。这允许电路的复杂性相应地降低。
根据本发明第二优选改进方式，至少一个变流器组件是从DC电压中间回路将功率转移到AC电压端子的变流器组件，及该变流器组件中的保护开关是可控功率半导体开关。
如果至少一个变流器组件是多点式变流器组件，相关的局部中间回路具有电容器的串联电路，它们的连接点形成相应的中间点。原则上，多点式变流器组件也仅需要通过正的及负的DC电压母线条连接到系统上，因为中间节点形成在局部上。与具有集中设置的电容器单元的系统相比，这大大地减小了DC电压母线条的复杂性。此外，由此可以在系统中同时地操作具有不同点数的变流器组件(例如三点式变流器及四点式变流器)。
如果多个变流器组件是多点式变流器组件的形式，但为了更易于稳定中间点而设有相应的中间点母线条，用于与局部中间回路中的中间点相连接。尤其是，如果母线条(DC电压母线条及中间点母线条)的数目为n，则保护开关被布置在局部中间回路及母线条中间的至少(n-1)个节点中。例如在具有多个三点式变流器的系统中，这将产生三个母线条，因此对每个组件必需使用两个保护开关。
在故障情况下，DC电压母线条及故障变流器组件之间连接的快速中断将可以使系统其余部分继续工作成为可能。这时变流器组件与局部中间回路及保护开关一起经过附加隔离装置连接到母线条，这些隔离装置允许变流器组件及母线条之间的DC隔离，及当发生故障时，该故障的变流器组件将系统的DC隔离，然后该故障的变流器组件将被修理，及然后再被连接到系统上。
其它的实施例被描述在从属权利要求中。
附图说明
在下文中将结合附图参照示范的实施例来详细地描述本发明，附图为：
图1表示本发明的具有各个两点式变流器组件的第一示范实施例的电路图；
图2表示本发明的具有四个三点式变流器组件及一个四点式变流器组件的第二示范实施例的电路图，其中的中间点未连接；
图3表示本发明的具有五个三点式变流器组件的第三示范实施例的电路图，其中组件的中间点借助一个中间点母线条彼此相连接；及
图4表示本发明的第四示范实施例的电路图，其中在如图1所示的结构上加入了附加隔离装置，用于组件与中间回路的DC隔离。
优选实施方式
图1表示本发明的第一示范实施例的电路图。变流器系统10具有总共5个变流器组件13，...，17，作为例子，其直流电压端子连接在两个共用DC电压母线条11及12上。变流器组件13例如为一个用于其额定驱动功率为3MW的异步电机18的负载变流器组件或驱动变流器组件。类似地，变流器组件14例如为一个用于其额定驱动功率为2MW的异步电机19的负载变流器组件或驱动变流器组件。变流器组件15例如为一个用于其额定驱动功率为5MW的同步电机20的负载变流器组件或驱动变流器组件。变流器组件16是一个具有额定功率为5MW的有源电源系统变流器组件。变流器组件17是一个同样具有额定功率为5MW的无源电源系统变流器组件(整流器)。这两个电源系统变流器组件16，17的AC电压端子分别通过一个三相电源系统变压器21或22与一个三相电源系统23或24相连接。这两个电源系统变流器组件16及17的总额定功率10MW通过DC电压中间回路来分配，该DC电压中间回路借助负载变流器13，...，15之间的DC电压母线条11，12构成，它的总额定功率为3+2+5＝10MW。该系统的构型仅表示一个例子，其中除电源系统变流器组件17外，所有的变流器组件均具有连接成桥式电路的可控功率半导体元件。当然在本发明的范围内，具有不同数目、类型及额定功率的电源系统变流器组件及负载变流器的其它构型也是可能的。
现在，分配给每个变流器组件13，...，17的各个电容器元件(在图1中用电容器符号C1，...，C5表示)将取代一个集中DC电压中间回路电容器被连接在变流器组件至DC电压母线条11，12之间及形成一个负载中间回路。总的电容被分成电容器元件通常基于两个原则：分配给一个变流器组件的电容器(通常为多个)应至少足够大，以致能承受由该组件导入中间电路的交变电流；分配给一个变流器组件的电容器中存储的能量必须不超过一个值，在该值时如果电容器向故障组件放电将引起不可接受的损坏。
根据本发明，变流器组件13，...，17与其局部中间回路(电容器C1，...，C5)经过至少一个半导体开关(保护半导体开关)类型的一个保护开关S1，...，S5连接到DC电压母线条11，12。在此情况下，每个保护开关(半导体开关)S1，...，S5被这样地布置，以致它们可中断从正DC电压母线条11到局部中间回路正极的连接-如图1中所示-和/或可中断从局部中间回路负极到负DC电压母线条12的连接。
如果变流器组件是一种能量仅从该组件的AC电压端子转移到DC电压中间回路(整流器)的组件-如图1中所示无源电源系统变流器组件17(装有二极管)的情况-保护开关(半导体开关S5)可为二极管。如果在变流器组件上能量从DC电压中间回路转移到AC电压端子上-如图1中有源变流器组件13，...，16的情况-保护开关(半导体开关)必需为有源开关(例如IGBT，GTO，IGCT(集成控制极换流晶闸管)等。在有源半导体开关的情况下，在相关的变流器组件中应装有故障检测装置，它快速有效地识别故障，以便在DC电压母线11，12及局部中间回路之间的电流变为大于可由保护半导体开关关断的最大允许电流以前通过驱动装置25关断有源半导体开关。对于具有保护开关S1的变流器组件13，该驱动装置以例子的方式在图1中表示出来。为简明起见，对于其它(有源)保护开关S2，...，S4的驱动装置均被省略。当然，(无源)保护开关S5不需要驱动装置，因为它是二极管。
如果，如图2所示，在变流器系统26中使用具有多点变流器的变流器组件13’，...17’，局部中间电路包括电容器C1，C1’；...；C5，C5’，它们在功能上串联连接及在该变流器组件中使用其中间节点27(这就是说，这些点不形成正的或负的中间电路连接)。传统的变流器(图1)也被称为两点式变流器，及在功能上不具有中间点。广泛使用的三点式变流器(图2中13’，14’，16’及17’)在功能上具有一个中间点，这就是说有两个串联的电容器。四点式变流器(图2中的15”)具有两个中间节点，及相应地具有三个电容器(C3，C3’，及C”)，它们在功能上串联连接。n点式变流器通常具有(n-2)个中间节点，及相应地，具有功能上串联的(n-1)个电容器。
原则上，多点式变流器组件也仅需要通过正的及负的DC电压母线条11及12连接到系统上，如图2中例子所示的情况，因为中间节点形成在局部上。与具有集中设置的电容器单元的系统相比，这大大地减小了DC电压母线条11，12的复杂性。此外，由此可以在系统中同时地操作具有不同点数的变流器组件(例如三点式变流器14’及四点式变流器15”)。
如果，如图3中所示，为了更简单地稳定中间点27，通过附加的中间点母线条29的连接仍然是理想的，保护开关或保护半导体开关S1，S1’；...S5，S5’，必需以适当方式插入到母线条n个连接的至少(n-1)个连接中。在具有多个三点式变流器13，，...，17，的系统(图3)中，例如在后一情况下，将具有三个母线条11，12及29，及由此必需对于每个变流器组件13’...，17’使用两个保护半导体开关S1，S1’；...；S5，S5’。
在故障情况下借助保护开关使DC电压母线条11，12及故障变流器组件之间连接的快速中断，将使系统其余部分继续工作成为可能。如果，如图4所示，例如机械开关形式的隔离装置T1，T1’；...；T5，T5’在每个情况下被插在变流器组件与DC电压母线条的连接点之间，它们允许在出现故障后变流器组件与系统的DC隔离，接着可以修理故障组件，及任何再将其连接到系统上。

Claims (10)

1.一种变流器系统(10，26，28)，具有多个独立变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)，它们为负载变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”)或电源系统变流器组件(16，17)的形式及彼此通过DC电压中间回路(11，12，29；C1，...，C5；C1’，...，C5’；C3”)连接，它具有两个DC电压母线条(11，12)及布置在DC电压母线条(11，12)之间的DC电压中间回路电容器(C1，...，C5；C1’，...，C5’；C3”)，其特征在于：DC电压中间回路电容器(C1，...，C5；C1’，...，C5’；C3”)被分成与变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)的数目相对应的多个部分；每个变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)与构成局部中间回路的DC电压中间回路电容器(C1，...，C5；C1’，...，C5’；C3”)部分相连接；及变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)与其局部中间回路一起通过至少一个保护开关(S1，...，S5；S1’，...，S5’)，尤其半导体开关形式的保护开关连接到DC电压母线条(11，12)。
2.根据权利要求1的变流器系统，其特征在于：至少一个变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)是仅从AC电压端子将功率转移到DC电压中间回路(11，12，29；C1，...，C5；C1’，...，C5’；C3”)的变流器组件(17，17’)，及用于该变流器组件(17，17’)的保护开关(S5)是半导体二极管。
3.根据权利要求1及2中一项的变流器系统，其特征在于：至少一个变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)是从DC电压中间回路(11，12，29；C1，...，C5；C1’，...，C5’；C3”)将功率转移到AC电压端子的变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16)，及该变流器组件(17，17’)中的保护开关(S1，...S4)是可控功率半导体开关。
4.根据权利要求3的变流器系统，其特征在于：保护开关(S1，...S4)由驱动装置(25)驱动，后者在操作上与相关变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16)连接。
5.根据权利要求1至4中一项的变流器系统，其特征在于：至少一个变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)是多点式变流器组件(13’，...，17’；15”)，及相关的局部中间回路具有电容器(C1，C1’；...；C5，C5’)的串联电路，它们的连接点形成相应的中间点(27)。
6.根据权利要求5的变流器系统，其特征在于：多个变流器组件是多点式变流器组件(13’，...，17’；15”)的形式，及设有相应的中间点母线条(29)，用于与局部中间回路中的中间点(27)相连接。
7.根据权利要求6的变流器系统，其特征在于：如果母线条(DC电压母线条11，12及中间点母线条29)的数目为n，则保护开关(S1，S1’；...；S5，S5’)被布置在局部中间回路及母线条中间的至少(n-1)个节点中。
8.根据权利要求1至7中一项的变流器系统，其特征在于：变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)与局部中间回路及保护开关(S1，S1’；...；S5，S5’)一起经过附加隔离装置(T1，...T5；T1’，...T5’)连接到母线条(11，12；29)，这些隔离装置(T1，...T5；T1’，...T5’)允许变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)及母线条(11，12；29)之间的DC隔离。
9.用于操作根据权利要求8的变流器系统的方法，其特征在于：当在一个变流器组件(13，...，15；13’，...，15’，15”，16，17)中发生故障及相关的一个或多个保护开关打开时，该故障的变流器组件将通过相关的隔离装置与系统DC隔离。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于：一旦系统被DC隔离，
该故障的变流器组件将被修理，及然后再被连接到系统上。
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