ES2950675T3

ES2950675T3 - Montaje y método de conmutación de energía CC

Info

Publication number: ES2950675T3
Application number: ES18702090T
Authority: ES
Inventors: Espen Haugan
Original assignee: Siemens Energy AS
Current assignee: Siemens Energy AS
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: DK3568915T3; CN110178309B; CY1126096T1; WO2018130557A1; US20190363707A1; KR102467807B1; US10651838B2; EP3568915B1; FI3568915T3; PL3568915T3; EP3568915A1; CN110178309A; KR20190103197A

Abstract

Un conjunto de conmutación de energía CC (22) comprende una pluralidad de unidades de conmutación de energía conectadas en serie (21). Cada unidad de conmutación de energía (21, 45) comprende un primer terminal (23) de la unidad y un segundo terminal (24) de la unidad, teniendo los terminales la misma polaridad. Una subunidad de conmutación de potencia (46, 47) está acoplada eléctricamente entre el primer terminal y el segundo terminal de la unidad para controlar el flujo de corriente entre el primer terminal y el segundo terminal. La subunidad (46, 47) comprende al menos un dispositivo semiconductor (Q1, Q2), un limitador de corriente (L1, L2) y un par de diodos conectados en serie (D1, D11, D2, D21) en paralelo con la corriente. limitador. Los diodos conectados en serie y el limitador de corriente están conectados a un terminal del dispositivo semiconductor; y un condensador (C1, C2) está conectado al otro terminal del dispositivo semiconductor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Montaje y método de conmutación de energía CC

La presente invención se refiere a un montaje de conmutación de energía CC, en particular para una plataforma o embarcación en alta mar.

En plataformas o embarcaciones en alta mar, plataformas de perforación, aeronaves, sistemas HVDC, redes de energía eólica o sistemas CC similares, se considera que gran parte del equipo es crítico y los requisitos reglamentarios especifican la disponibilidad de energía en caso de una falla. En consecuencia, ha sido una práctica normal separar el equipo en el embarcación, o plataforma, en secciones y proporcionar energía por separado a cada sección, con redundancia, de modo que si se produce una falla en una sección, no se transfiere a la otra y no se pierde toda la capacidad operativa. Esta separación se ha logrado operando con enlaces de bus entre las secciones normalmente abiertas y solo en circunstancias limitadas cerrando esos enlaces de bus para permitir que un lado reciba energía del otro. Sin embargo, estas conexiones de bus solo están disponibles para sistemas Cc de bajo voltaje. Para sistemas de alto voltaje, se deben usar disyuntores mecánicos.

US4594650 describe un dispositivo inversor que usa elementos de control de corriente semiconductores en el que un circuito limitador de corriente y un circuito de absorción de picos de voltaje se conectan en serie con cada elemento.

WO2012038101 describe un montaje de conmutación de energía que comprende dos pares de transistores de diodo en paralelo conectados en serie entre dos terminales y un sistema de suministro de energía CC de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 independiente.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, un sistema de suministro de energía CC que comprende primera y segunda secciones de bus de distribución de energía CC y un conjunto de conmutación de energía CC en donde una primera terminal del montaje se acopla eléctricamente a la primera sección de bus CC del bus de distribución de energía y la segunda terminal se acopla eléctricamente a la segunda sección de bus CC del bus de distribución de energía; caracterizado por que el montaje de conmutación de energía CC comprende una pluralidad de unidades de conmutación de energía conectadas en serie; cada unidad de conmutación de energía que comprende una primera terminal de la unidad y una segunda terminal de la unidad y una subunidad de conmutación de energía acoplada eléctricamente entre la primera terminal y la segunda terminal para controlar el flujo de corriente entre la primera terminal y la segunda terminal; en donde la primera terminal y la segunda terminal tienen la misma polaridad; en donde la subunidad comprende al menos un dispositivo semiconductor, que conduce en operación normal y ya no conduce en caso de que surja una falla en una de la primera y segunda terminales, un limitador de corriente y un par de diodos conectados en serie en paralelo con el limitador de corriente, en donde los diodos conectados en serie y el limitador de corriente se conectan a una terminal del dispositivo semiconductor; en donde los diodos conectados en serie permiten que el flujo de corriente continúe hasta que el limitador de corriente se haya descargado, si el dispositivo semiconductor ya no conduce; y en donde un condensador de bloqueo de voltaje se conecta al otro terminal del dispositivo semiconductor para bloquear el voltaje cuando los dispositivos semiconductores ya no conducen.

Preferiblemente, la unidad de conmutación de energía comprende dos subunidades de conmutación de energía simétricas, cada subunidad que se conecta en un lado a uno de la primera y segunda terminales de unidad de conmutación de energía y en el otro lado a la otra subunidad.

El condensador se puede conectar en serie con el dispositivo semiconductor, pero preferiblemente, el diodo (D1, D2) está en serie con el dispositivo semiconductor (Q1, Q2) y el condensador se conecta en paralelo a través del diodo (D1, D2) y el dispositivo semiconductor.

Preferiblemente, una o cada una de las subunidades comprende además un resistor en serie con el condensador.

Esto ayuda a limitar las oscilaciones del sistema.

Preferiblemente, una o cada una de las subunidades comprende además un circuito amortiguador en serie con el condensador.

Esto ayuda a limitar las oscilaciones del sistema.

Preferiblemente, el dispositivo semiconductor comprende un transistor.

Preferentemente, el dispositivo semiconductor comprende un transistor bipolar de compuerta aislada.

Preferentemente, el limitador de corriente comprende una inductancia.

Preferiblemente, el voltaje en un lado del montaje de conmutación de energía es mayor o igual a 1 kV.

Preferiblemente, el voltaje en un lado del montaje de conmutación de energía está dentro del intervalo de 1 kV a 15 kV.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, un método para operar un montaje de conmutación de energía CC de un sistema de acuerdo con el primer aspecto se caracteriza por monitorear el voltaje y la corriente del sistema durante la operación; si se detecta un cortocircuito, abrir las unidades de conmutación de energía para bloquear la corriente desde el lado de cortocircuito del sistema; monitorear para una indicación de que se ha eliminado el cortocircuito,

La figura 1 ilustra un ejemplo de circuitería para un sistema de propulsión eléctrica diésel de bajo voltaje;

La figura 2a ilustra un primer ejemplo de una unidad de conmutación de energía de un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la invención, adecuado para aplicaciones CC de alto voltaje;

La figura 2b ilustra un segundo ejemplo de una unidad de conmutación de energía de un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la invención, adecuado para aplicaciones CC de alto voltaje;

La figura 3 muestra una topología de ejemplo para un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la invención; La figura 4 es un circuito eléctrico equivalente para el montaje de conmutación de energía de la figura 3;

La figura 5a ilustra las curvas de corriente y voltaje contra el tiempo, para el ejemplo de la figura 3;

La figura 5b ilustra el voltaje en el condensador C1 y C2 contra el tiempo, para el ejemplo de la figura 3;

La figura 6 es un diagrama de flujo de un método de operación de un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la invención.

Los sistemas de distribución de energía CC en embarcaciones o plataformas en alta mar, o plataformas de perforación remotas, comprenden típicamente una fuente de energía tal como un motor primario, un generador o un almacén de energía, junto con secciones de bus CC que se unen por un interruptor de enlace de bus. Para cumplir con los requisitos reglamentarios para una operación segura, el interruptor de enlace de bus debe poder desconectar las secciones de bus CC entre sí para evitar que una falla en un lado del sistema se propague al otro lado y potencialmente pierda toda la energía a sistemas críticos, tal como propulsores o partes esenciales del equipo de perforación.

Típicamente, se proporciona una función de interruptor o disyuntor de enlace de bus para soluciones de distribución CA (alto y bajo voltaje) con disyuntores mecánicos o sistemas de distribución CC de bajo voltaje, típicamente de hasta 1000 V CC, tal como el que se muestra en la figura 1. Actualmente, hay opciones limitadas disponibles para interruptores CC estáticos de alto voltaje para su uso en sistemas marinos y en alta mar. Los equivalentes de alto voltaje, típicamente para operación a 10 a 15 kV no están disponibles. Cuando se requieren dos sistemas de energía de operación independiente para cumplir con las normas de clasificación, existe una necesidad de una desconexión muy rápida de las conexiones de enlace de bus CC para evitar que las fallas se propaguen de un lado a otro. Los interruptores de enlace de bus de bajo voltaje existentes no pueden operar a voltajes superiores a 1000 V y ciertamente no para voltaje en la región de 10 a 15 kV o superior.

El ejemplo de la figura 1 es un sistema de propulsión eléctrica diésel basado en distribución CC de bajo voltaje y comprende una pluralidad de motores diésel 1, cada uno conectado a un generador G1, G2, G3, G4 dentro de los respectivos sistemas de protección del generador P1, P2, P3, P4. Los sistemas de protección del generador incluyen un cubículo de generador K1, K₂, K3, K4 que incorpora el control de generador 2. Cada generador se acopla al panel de conmutación principal CC S1, S2 a través de la línea 3 que incluye un diodo 4 y un interruptor de aislamiento 5. Los generadores G1 y G2 se conectan al panel de conmutación S1. Los generadores G3 y g 4 se conectan al panel de conmutación S2. Desde cada uno de los cuadros de distribución S1, S2, los interruptores 6 y los fusibles 7 se proporcionan en las líneas 8 a los inversores 9 entre el panel de conmutación principal CC y los motores 10, o a un generador de árbol con función de motor, que se acopla al panel de conmutación auxiliar CA A1, A2 a través del filtro 11 y el transformador 12. Además, el panel de conmutación principal CC S1, S2 suministra una batería 19 a través de un convertidor CC a CC 20. El panel de conmutación auxiliar CA se acopla a través de la derivación 13 y los interruptores de aislamiento 14. El panel de conmutación principal de CC se conecta a través del conmutador de enlace de bus 15 que comprende un conmutador de aislamiento 16 y una disposición de diodos de transistor 17 a cada lado de un reactor di/dt 18.

El ejemplo de la figura 1 se puede adaptar para distribución CC de alto voltaje reemplazando el interruptor de enlace de bus 15 con un montaje de conmutación de energía 22 como se describe más adelante.

La figura 2a ilustra un primer ejemplo de una unidad de conmutación de energía para un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la presente invención, en particular uno que es adecuado para su uso en sistemas CC de alto voltaje que se pueden incorporar en la circuitería adaptada de la figura 1. El interruptor de enlace de bus 15 de la figura 1 se reemplaza mediante un montaje de conmutación de energía 22, o disyuntor de circuito, de la figura 3. El montaje de conmutación de energía 22 comprende una pluralidad de unidades de conmutación de energía 21 como se ilustra en la figura 2a, o la figura 2b conectadas entre sí como se ilustra en la figura 3 para formar el montaje de conmutación de energía 22 de la figura 3.

El montaje de conmutación de energía proporciona un interruptor de enlace de bus CC modular de alto voltaje basado en unidades de energía 21 que se elevan eléctricamente lejos del potencial de tierra. El interruptor de enlace de bus comprende una pluralidad de módulos de unidad de conmutación de energía, que se pueden añadir o quitar fácilmente de acuerdo con la topología requerida para una aplicación particular. Cada unidad de energía comprende una primera terminal 23 y una segunda terminal 24, entre las cuales hay un circuito de subunidad 46 que comprende un dispositivo semiconductor Q1, típicamente un diodo o transistor, un condensador C1, diodos D11, D1 y un limitador de corriente, típicamente una inductancia, inductor L1. El primer y segundo terminales están en la misma polaridad, es decir, ambos positivos o ambos negativos. La primera y segunda terminal 23, 24 pueden ser entradas o salidas de acuerdo con la dirección del flujo actual. El dispositivo semiconductor conduce en operación normal. En una realización, como se muestra en la figura 2a, hay otro circuito de subunidad 46 en el otro lado de la línea de simetría 25 que comprende un circuito de dispositivo semiconductor Q2, condensador C2, diodos D21, D2 y una inductancia limitadora de corriente, inductor L2. Si solo se requiere un disyuntor unidireccional, entonces solo se implementan los componentes en un lado de la línea de simetría, de acuerdo con la dirección deseada en la que debe operar el disyuntor. Para un disyuntor bidireccional, se implementan los componentes como se muestra en la figura 2 en ambos lados de la línea de simetría. Cuando se implementa un disyuntor de dos vías, típicamente, las subunidades forman parte de un solo módulo de unidad de conmutación de energía, pero alternativamente, por ejemplo, en una plataforma o embarcación en alta mar, donde hay zonas de fuego separadas, las subunidades se pueden disponer para estar en zonas de fuego adyacentes, acopladas entre sí por una conexión CC entre las dos subunidades.

Opcionalmente, uno, o cada circuito de subunidad 46 puede tener un resistor R1, R2. Una o cada subunidad puede tener un circuito de absorción de energía 26a, 26b, o amortiguador, por ejemplo, un circuito de diodo, provisto en serie con los condensadores. El resistor y el amortiguador limitan las oscilaciones del sistema y suprimen los picos de voltaje. El amortiguador típicamente comprende un condensador y resistor conectados en serie, o inductancia y resistor conectados en serie, que luego se conectan en paralelo con un transistor o diodo. Los diodos D1, D2 de cada subunidad se pueden implementar como diodos flyback en un transistor. El circuito amortiguador opcional 26a, 26b en serie con los condensadores C1, C2 se puede implementar como parte del diseño del dispositivo semiconductor.

Los circuitos de diodo de transistor Q1, Q2 conducen corriente cuando el disyuntor de circuito 22 está en el estado ENCENDIDO. Si se produce un cortocircuito en un lado del sistema, entonces de acuerdo con la dirección del cortocircuito, el inductor L1, L2 apropiado del inductor L1, L2 limita la derivada de cortocircuito, la velocidad de cambio de corriente, di/dt y cuando se abre el disyuntor, uno de los circuitos de diodo de transistor Q1, Q2 se apaga. La corriente que pasa previamente a través del inductor L1, L2 pasa a través de los diodos flyback D1, D11 o D2, D21 hasta que el inductor se ha descargado y uno de los condensadores C1, C2 bloquea el voltaje cuando Q1, Q2 se apagan. Los resistores R1, R2 amortiguan el circuito de oscilación LC cuando los transistores están apagados y también limita la corriente de descarga del condensador cuando Q1, Q2 se encienden. Si el cortocircuito ocurre en el otro lado del sistema, entonces el otro de cada uno de los componentes de espejo entra en operación. Los resistores opcionales se pueden implementar como resistencia en serie interna en los condensadores C1, C1 o resistores externos R1, R2. La inductancia en el circuito de oscilación es típicamente el producto del número, n, de unidades 21, más la inductancia parásita en la serie completa de unidades conectadas desde la fuente de voltaje más cercana o banco de condensadores, como se ilustra con más detalle en la figura 4.

La figura 2b ilustra un segundo ejemplo de una unidad de conmutación de energía para un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la presente invención, en particular uno que es adecuado para su uso en sistemas CC de alto voltaje que se pueden incorporar en la circuitería adaptada de la figura 1. El interruptor de enlace de bus 15 de la figura 1 se reemplaza mediante un montaje de conmutación de energía 22, o disyuntor de circuito, de la figura 3. El montaje de conmutación de energía 22 comprende una pluralidad de unidades de conmutación de energía 45 como se ilustra en la figura 2b conectadas entre sí como se ilustra en la figura 3 para formar el montaje de conmutación de energía 22 de la figura 3.

Como en el ejemplo de la figura 2a, la conmutación de enlace de bus CC modular se basa en unidades de conmutación de energía que comprenden una primera terminal 23 y una segunda terminal 24 entre las cuales hay un circuito 47 que comprende un dispositivo semiconductor Q1, típicamente un diodo o transistor, un condensador C1, diodos D11, D1 y una inductancia limitadora de corriente, inductor L1. La primera y segunda terminal 23, 24 pueden ser entradas o salidas de acuerdo con la dirección del flujo actual. En la realización mostrada en la figura 2b, hay otro circuito 47 en el otro lado de la línea de simetría 25 que comprende un circuito de dispositivo semiconductor Q2, condensador C2, diodos D21, D2 y una inductancia limitadora de corriente, inductor L2. Si solo se requiere un disyuntor unidireccional, entonces solo se implementan los componentes en un lado de la línea de simetría, de acuerdo con la dirección deseada en la que debe operar el disyuntor. Para un disyuntor bidireccional, se implementan los componentes como se muestra en la figura 2b en ambos lados de la línea de simetría.

Opcionalmente, cada circuito 47 puede tener un resistor R1, R2 y también puede tener un circuito amortiguador 26a, 26b provisto en serie con los condensadores C1, C2. El resistor y el circuito amortiguador limitan las oscilaciones del sistema. Como alternativa, se puede proporcionar un circuito amortiguador 49a, 49b en paralelo con los condensadores, como se ilustra en el ejemplo de la figura 2b. En algunas realizaciones, se pueden proporcionar circuitos amortiguador tanto en serie como en paralelo 26a, 26b, 49a, 49b. Estos son igualmente aplicables al ejemplo de la figura 2a. El amortiguador 26a, 26b, 49a, 49b, o cada uno de ellos, puede comprender un condensador y resistor conectados en serie, o un inductor y resistor conectados en serie, que pueden conectarse en paralelo con un transistor o diodo; o un condensador y diodo conectados en serie, con un resistor en paralelo con el condensador. El amortiguador opcional 26a, 26b, 49a, 49b en serie o en paralelo, con los condensadores C1, C2 se puede implementar como parte del diseño del dispositivo semiconductor. Los diodos D1, D2 se pueden implementar como diodos flyback en un transistor.

Los circuitos de diodo de transistor Q1, Q2 conducen corriente cuando el disyuntor de circuito 22 está en el estado ENCENDIDO. Si se produce un cortocircuito en un lado del sistema, entonces de acuerdo con la dirección del cortocircuito, uno del inductor L1, L2 limita la derivada de cortocircuito, la velocidad de cambio de corriente, di/dt y cuando se abre el disyuntor, uno de los circuitos de diodo de transistor Q1, Q2 se apaga. La corriente que pasa previamente a través del inductor L1, L2 pasa a través de los diodos flyback D1, D11 o D2, D21 y uno de los condensadores C1, C2 bloquea el voltaje cuando Q1, Q2 se apagan. Los resistores R1, R2 amortiguan el circuito de oscilación LC cuando los transistores están apagados y también limita la corriente de descarga del condensador cuando Q1, Q2 se encienden. Si el cortocircuito ocurre en el otro lado del sistema, entonces el otro de cada uno de los componentes de espejo entra en operación.

La disposición estructural del ejemplo de la figura 2b difiere del ejemplo de la figura 2a en que en la figura 2b la terminal del circuito de diodo de transistor que se conecta al condensador también se conecta a la terminal 23, 24 de la unidad de conmutación de energía, mientras que en la figura 2a esa terminal del circuito de diodo de transistor se conecta a la terminal equivalente del circuito de diodo de transistor en otra subunidad. En la figura 2a, fue la terminal del circuito de diodo de transistor la que se conectó al limitador de corriente y los diodos conectados en serie los que se conectaron a la terminal de la unidad. Como en el ejemplo de la figura 2a, los resistores opcionales se pueden implementar como resistencia en serie interna en los condensadores C1, C1 o resistores externos R1, R2. La inductancia en el circuito de oscilación es típicamente el producto del número, n, de unidades 21, más la inductancia parásita en la serie completa de unidades conectadas desde la fuente de voltaje más cercana o banco de condensadores, como se ilustra con más detalle en la figura 4.

Típicamente, una pluralidad de unidades 21, 45 se conectan juntas en serie como en la figura 3 y luego se conectan al sistema de suministro de energía entre los dos lados S1, S2 del panel de conmutación principal CC. La disposición de la figura 3 significa que las unidades de energía 21, 45 solo se conectan entre los dos lados del bus CC en una polaridad, es decir, en la positiva. Esto hace que la construcción sea menos compleja y más fácil de construir. Si un banco de condensadores de baja inductancia se conecta a la barra colectora CC fuera del montaje de conmutación de energía 22, entonces no existe la necesidad de conectar unidades de energía entre los polos negativos de cada lado del bus CC, pero como precaución adicional, opcionalmente, los bancos de condensadores 48 se pueden conectar a través de los polos en cualquiera o ambos del lado 1 y el lado 2. Un resistor opcional (no mostrada), o circuito amortiguador (no mostrado) del tipo descrito con respecto a la figura 2 se puede añadir en serie con la capacitancia 148.

Se puede usar cualquier número de unidades conectadas en serie como se indica como -U1, U2...Un, donde Un puede ser un número de unidad infinito. Los interruptores mecánicos 27 se proporcionan en el lado 1 y el lado 2 de los polos positivo y negativo y estos interruptores proporcionan separación galvánica entre los dos lados del montaje de conmutación de energía 22 para bloquear que las corrientes parásitas se transmiten de un lado al otro. Estas unidades son en gran parte autónomas, evitando la necesidad de inductancia externa para protegerlas de los picos de corriente y eliminando así una fuente potencial de cortocircuitos dentro del montaje.

La figura 4 ilustra un equivalente eléctrico del montaje de conmutación de energía de la figura 3, para un montaje de conmutación de energía de acuerdo con la invención que comprende unidades de conmutación de energía 21, como se ilustra en la figura 2a, pero las unidades de conmutación de energía pueden ser igualmente las del ejemplo de la figura 2b, ya que los resultados modelados en las figuras 5a y 5b se aplican para cualquiera de los ejemplos de las unidades 21, 45. En el polo negativo, hay inductancia parásita 40 en el lado 1 y el lado 2, así como inductancia parásita 41 entre los interruptores mecánicos 27. En el polo positivo, hay inductancia parásita 42 en el lado 1 y el lado 2, así como inductancia parásita 43 entre los interruptores mecánicos 27 y cada una de las unidades de energía 21 y también inductancia parásita 44 entre las dos unidades de energía. La entrada 28 del lado 1 y la entrada 29 del lado 2 se tratan como un gran condensador o fuente de voltaje. En el caso de una falla en el lado 1 o el lado 2 del sistema de fuente de alimentación CC, tal como un cortocircuito 30, que se muestra en este ejemplo en el lado 2, no hay interrupción al voltaje estable en el otro lado del sistema, en este ejemplo, el lado 1.

Un ejemplo de corriente y voltaje de una simulación de un montaje de conmutación de energía 22 que tiene dos unidades de energía 21 conectadas en serie y una fuente de voltaje de 2000 V CC en el lado 1 se muestra en las figuras 5a y 5b. En la figura 5a, la curva 31 representa la variación de la corriente en el lado 2, con el tiempo, el lado con la falla, o fallo y la curva 32 representa la variación del voltaje CC en el lado 2, con el tiempo. La figura 5b muestra el voltaje en la propia unidad de energía. La curva 33 representa el voltaje CC a través del condensador C1 en la unidad de energía 21 y la curva 34 representa el voltaje CC a través del condensador C2 en la unidad de energía. El voltaje acumulado es el mismo para todas las unidades 21, ya que están en serie.

Inicialmente, el disyuntor de circuito se abre y el voltaje 31 es alto en el lado 2 debido a la impedancia de fuga de transistor 0 diodo. La corriente 32 en el lado 2 es inicialmente cero y no hay voltaje CC 33, 34 a través de los condensadores de la unidad de energía U1. En el tiempo 0,1 ms, se conecta una carga de 2 MW, el disyuntor todavía está abierto, pero en el lado 1 los condensadores en la unidad de energía 21 comienzan a cargarse a © de la fuente de voltaje completo cada uno, es decir, 1000 V, ya que hay dos unidades en serie. El voltaje CC 31 cae a cero y luego tanto el voltaje 31 como la corriente 32 en el lado 2 comienzan a incrementar. A aproximadamente 0,15ms, el voltaje 31 y la corriente 32 comienzan a disminuir y caen a cero en 0,6 ms. Entre 0,1 ms y 0,6 ms, el voltaje 34 a través del condensador C2 se eleva a cerca de 1 kV, pero el voltaje 33 a través de C1 permanece en cero.

En el tiempo 0,6 ms, se ilustra el efecto del cierre del disyuntor circuito. El voltaje 34 en los bancos de condensadores cae a cero, controlada por la inductancia de la unidad y resistor en serie con el condensador. El voltaje 33 a través de C1 permanece en cero, mientras que el voltaje 31 y la corriente 32 en el lado 2 incrementan inicialmente, luego se nivelan. En el tiempo 0,80 ms se ilustra el efecto de un cortocircuito en el lado 2, en el que un disyuntor ideal se cierra inmediatamente, cayendo el voltaje 31 en el lado 2 a cero y causando un pico en la corriente 32 en el lado 2. Muy poco después, mostrado como en el tiempo 0,82 ms, el disyuntor se abre, el sistema de control detecta el cortocircuito y el sistema de control abre los transistores. El voltaje 34 a través del condensador C2 alcanza su punto máximo, luego comienza a disminuir hacia 1 kV, mientras que el voltaje 33 comienza a elevarse a un valor por debajo de 500 V, siguiendo un patrón similar. Al mismo tiempo, la corriente 32 en el lado 2 cae por debajo de cero y el voltaje 31 permanece en cero.

En el tiempo 0,95 ms, el cortocircuito se despeja y el disyuntor se abre, devolviendo la corriente 32 y el voltaje 31 a cero y nivelando los voltajes 33, 34 a través de los condensadores. En el tiempo 1,20 ms, el disyuntor se cierra, la carga todavía está conectada y los condensadores en las unidades se descargan a cero, mientras que la corriente 32 y el voltaje 31 en el lado 2 se elevan y nivelan. En el tiempo 1,4 ms, el disyuntor se abre, el voltaje 34 sube y los condensadores en las unidades se cargan. El voltaje 31 y la corriente 32 se reducen a cero. En el ejemplo mostrado, el voltaje sube a 1 kV desde el tiempo 1,4 ms, pero la corriente se limita a un valor por debajo de 6000A, por lo que los componentes, en particular los transistores y diodos, no están sobrecargados por una falla que se produce. La medida en que la corriente se puede elevar sin daño depende del voltaje y la capacidad nominal de los componentes en las unidades de conmutación de energía. El efecto de bloqueo de voltaje de los dispositivos semiconductores también es beneficioso para proteger los componentes a altos voltajes.

La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra un ejemplo de un método de operación de un montaje de conmutación de energía CC de acuerdo con la invención. Se puede conectar una carga 50 al circuito y los interruptores de enlace de bus del montaje de conmutación de energía 22 se establecen para cerrarse 51, para la operación normal. En operación normal, la circuitería de diodo de transistor conduce dentro de la subunidad. Un controlador de sistema (no mostrado) monitorea 52 el voltaje y la corriente del sistema durante la operación. Tras la detección 53 de un cortocircuito en un lado del montaje de conmutación de energía 22, el controlador hace que los disyuntores se abran 54 y abre 55 la circuitería de diodo de transistor dentro de la subunidad apropiada 46 de acuerdo con la dirección, de modo que el dispositivo semiconductor Q1, Q2 en la subunidad ya no conduce, para bloquear la corriente o el voltaje. Si el dispositivo semiconductor ya no conduce, los diodos conectados en serie D1, D11 o D2, D21 de la subunidad permiten que el flujo de corriente continúe hasta que el limitador de corriente L1, L2 de la subunidad se haya descargado y un condensador C1, C2 conectado a la otra terminal del dispositivo semiconductor bloquee el voltaje. Después de que se ha eliminado 56 y despejado la causa del cortocircuito, el sistema puede cerrar 57 el disyuntor nuevamente, cerrando el circuito de diodo de transistor de la subunidad relevante para permitir corriente o voltaje nuevamente y se reanuda 58 la operación normal, con el controlador del sistema que continúa monitoreando 52 la corriente y voltaje para determinar si se produce otro cortocircuito.

La circuitería de la presente invención proporciona un disyuntor de circuito CC estático que se puede usar para cualquier nivel de voltaje CC basado en componentes generalmente disponibles y, en particular, se puede usar a altos niveles de voltaje, es decir, por encima de 1000 V, en el intervalo de 1 kV a 10 kV, en el intervalo de 1 kV a 15 kV, o incluso muy por encima de 15 kV. Aunque se han dado ejemplos para dos unidades de conmutación de energía conectadas en serie, para cualquier voltaje requerido, se elige un número de unidades de conmutación de energía en serie para conformar el montaje de conmutación de energía dividiendo el requisito de voltaje total sustancialmente por igual a través de todas las unidades, teniendo en cuenta el voltaje al que se diseña cada unidad para operar. Los voltajes actualmente preferidos son alrededor de 10kV a 15kV, pero el enfoque modular permite que la operación a 100kV se logre al añadir unidades adicionales.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de suministro de energía CC que comprende primera y segunda secciones de bus de distribución de energía CC (S1, S2) y un montaje de conmutación de energía Cc (22), donde una primera terminal del montaje se acopla eléctricamente a la primera sección de bus CC (S1) del bus de distribución de energía y la segunda terminal se acopla eléctricamente a la segunda sección de bus CC (S2) del bus de distribución de energía; donde

el montaje de conmutación de energía CC (22) comprende una pluralidad de unidades de conmutación de energía conectadas en serie (21); cada unidad de conmutación de energía que comprende una primera terminal (23) de la unidad y una segunda terminal (24) de la unidad y una subunidad de conmutación de energía (47) acoplada eléctricamente entre la primera terminal y la segunda terminal para controlar el flujo de corriente entre la primera terminal y la segunda terminal; donde la primera terminal (23) y la segunda terminal (24) tienen la misma polaridad; donde la subunidad (47) comprende al menos un dispositivo semiconductor (Q1, Q2), que conduce en operación normal y ya no conduce en caso de que surja una falla en una de la primera y segunda terminales,

caracterizado por que cada unidad de conmutación de energía comprende además un limitador de corriente (L1, L2) y un par de diodos conectados en serie (D1, D11; D2, D21) en paralelo con el limitador de corriente, donde los diodos conectados en serie y el limitador de corriente se conectan a una terminal del dispositivo semiconductor (Q1, Q2); donde los diodos conectados en serie permiten que el flujo de corriente continúe hasta que el limitador de corriente (L1, L2) se haya descargado, si el dispositivo semiconductor ya no conduce; y donde un condensador de bloqueo de voltaje (C1, C2) se conecta a la otra terminal del dispositivo semiconductor (Q1, Q2) para bloquear el voltaje cuando los dispositivos semiconductores ya no conducen.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, donde el montaje comprende dos subunidades de conmutación de energía simétricas (47), cada subunidad que se conecta en un lado a uno de la primera y segunda terminales de unidad de conmutación de energía (23, 24) y en el otro lado a la otra subunidad (47).

3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde el diodo (D1, D2) está en serie con el dispositivo semiconductor (Q1, Q2) y el condensador (C1, C2) se conecta en paralelo a través del diodo (D1, D2) y el dispositivo semiconductor (Q1, Q2).

4. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde una o cada una de las subunidades (47) comprende además un resistor (R1, R2) en serie con el condensador (C1, C2).

5. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde una o cada una de las subunidades (47) comprende además un circuito amortiguador (26a, 26b) en serie con el condensador (C1, C2).

6. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el dispositivo semiconductor (Q1, Q2) comprende un transistor.

7. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el dispositivo semiconductor (Q1, Q2) comprende un transistor bipolar de compuerta aislada.

8. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el limitador de corriente (L1, L2) comprende una inductancia.

9. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el voltaje en un lado del montaje de conmutación de energía (22) es mayor o igual a 1 kV.

10. Un sistema de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, donde el voltaje en un lado del montaje de conmutación de energía (22) está dentro del intervalo de 1 kV a 15 kV.

11. Un método para operar un montaje de conmutación de energía CC (22) de un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8; el método que comprende monitorear el voltaje y la corriente del sistema durante la operación; si se detecta un cortocircuito, abrir las unidades de conmutación de energía (21) para bloquear la corriente desde el lado de cortocircuito del sistema; monitorear para una indicación de que se ha despejado el cortocircuito, cerrar las unidades de conmutación de energía (21) para permitir que la corriente pase a través de las unidades de conmutación de energía; y continuar monitoreando el sistema para indicaciones de un cortocircuito.