JP7277549B2 - 送電グリッド用ハイブリッドスイッチング装置 - Google Patents
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Description
一般的に、特に短絡の場合、このタイプの公知のスイッチング装置は、用いていた電気機械式スイッチングデバイスからソリッドステートデバイスに電流を切り替えるのに比較的長い時間を必要とするために、ソリッドステートスイッチングデバイスだけを用いた装置のように速く介入することはできない。さらに、ハイブリッドスイッチング装置は、多くの場合、大きくなり、産業レベルで製造するには比較的高価になり、特に、比較的長い時間比較的大きい電流に耐えられるように設計された、用いているソリッドステートスイッチングデバイスは大きく比較的高価である。
さらなる目的として、本発明は、現在の技術水準の対応するソリューションに対して、より安価で小型のソリッドステートスイッチングデバイスを用いることができるハイブリッドスイッチング装置を提供することを目的とする。
また、本発明のもう一つの目的は、産業レベルにおいて現在の技術水準のソリューションに対して競争力のあるコストで容易に製造することができるハイブリッドスイッチング装置を提供することである。
本発明に係るハイブリッドスイッチング装置は、対応するグリッド部分と電気的に接続するための第1電気端子および第2電気端子と、複数の電気機械式のスイッチングデバイスを含む第1電気ブランチと、ソリッドステートタイプの1つ以上のスイッチングデバイスを含む第2電気ブランチとを備える。電気機械式の各スイッチングデバイスは、電流を導通するために機械的に結合し電流を遮断するために機械的に切り離される電気接点を有する。ソリッドステートタイプの各スイッチングデバイスは、半導体材料に基づく1つ以上のスイッチングコンポーネントを含む。各ソリッドステートスイッチングデバイスは、前記スイッチングデバイスが電流を流すオン状態と、前記スイッチングデバイスが電流を遮断するオフ状態との間で切り替わるように設けられる。上記の第2電気ブランチは、第1電気端子と第2電気端子との間で第1電気ブランチと電気的に並列に接続されている。
前記スイッチング装置の動作において、第1スイッチングデバイスは、前記スイッチング装置に沿って短絡電流が流れると、閉状態から開状態に切り替わる。前記スイッチング装置の動作において、前記スイッチング装置に過負荷電流または通常電流が流れても、第1スイッチングデバイスは閉状態から開状態に切り替わらない。
前記スイッチング装置の動作において、第2スイッチングデバイスは、前記スイッチング装置に沿って短絡電流が流れた場合に、閉状態から開状態に切り替えるように指令される。しかし、第2スイッチングデバイスは、前記スイッチング装置に過負荷電流または通常の電流が流れた場合にも、閉状態から開状態に切り替えるように指令されてもよい。
前記スイッチング装置の動作において、第4スイッチングデバイスは、第1スイッチングデバイスの開ける操作または第2スイッチングデバイスの開ける操作により第1電気ブランチから第2電気ブランチに電流が切り替えられた後に、オン状態からオフ状態に切り替えるように指令される。
本発明のスイッチング装置は、特に低電圧DC送電グリッドでの使用に適しており、このスイッチング装置が、本発明の範囲をいかなる形でも限定する意図はなく、簡潔にするためだけに、特にこれらの用途に関連して以下に説明される。
本発明のスイッチング装置は、実際には、低電圧AC送電グリッドまたは中電圧AC送電グリッドまたは中電圧DC送電グリッドのような異なるタイプの電気システムでうまく使用することもできる。
本願において、「低電圧」(LV)という用語は、AC1kVよりも低い動作電圧およびDC1.5kVよりも低い動作電圧に関し、一方、「中電圧」(MV)という用語は、AC1kVよりも高く数十kV、例えばAC72kV、までの動作電圧及びDC1.5kVよりも高く数十kV、例えばDC100kV、までの動作電圧に関する。
第1電気ブランチ3は、電気的に直列に接続された電気機械式の一対のスイッチングデバイス31、32を備える。第1電気ブランチ3の各電気機械式のスイッチングデバイス31、32は、機械的に結合し電流を導通させることができる又は機械的に切り離され電流を遮断することができる電気接点を有する。より詳細には、第1電気ブランチ3の各スイッチングデバイス31、32は、1つ以上の固定接点と、1つ以上の可動接点とを有し、この可動接点は、前記固定接点に結合し電流を導通させることができる又は前記固定接点から切り離され電流を遮断することができる。第1電気ブランチ3の各スイッチングデバイス31、32は、その電気接点が相互に結合していて電流を導通させているときには閉状態にあり、一方、その電気接点が互いに切り離されており電流を遮断しているときには開状態にある。
本発明の他の実施形態によれば、トムソンコイル作動装置は、第1電気ブランチ3に沿って配置され、第1スイッチングデバイス31の電気接点と直列に電気的に接続される。
好ましくは、第2スイッチングデバイス32は、対応する入力制御信号を受けて第2スイッチングデバイスの電気接点を作動させる電気機械式の第2アクチュエータを含む。
好ましくは、第1スイッチングデバイス31が閉状態から開状態に切り替わるとすぐに、特に第1電気ブランチ3に沿って(例えば、公称値の10~20倍の値を有する)短絡電流が流れるときに、第2スイッチングデバイス32は閉状態から開状態に切り替わるように指令される。しかし、第1スイッチングデバイス31とは異なり、第1電気ブランチ3に沿って流れる電流が上記の短絡値よりも低い値をとる場合であっても、第2スイッチングデバイス32は閉状態から開状態に切り替わる(開ける操作)ように指令されてもよい。
適切な入力制御信号を受信することに応答して、第2電気ブランチ4の各ソリッドステートスイッチングデバイス41、42は、電流を伝導するオン状態と、電流を遮断するオフ状態との間で可逆的に切り替えることができる。ソリッドステートスイッチングデバイスは、オン状態からオフ状態に切り替わるとオフになり、オフ状態からオン状態に切り替わるとオンになる。
一般的に、第3スイッチングデバイス41は、第2電気ブランチ4に沿って流れる電流の挙動に応じて動作し、また、第1電気ブランチ3のスイッチングデバイス31、32の挙動に応じて動作する。
以下の説明からより明らかになるように、このソリューションにより、過負荷電流または短絡電流が流れる動作状態を効率的に管理することができる。
好ましくは、再点弧の可能性を回避するために、第1スイッチングデバイス31の電気接点間のギャップの絶縁耐力を回復するために要求される最小時間(このような最小時間は、しばしば「ギャップクリア時間」と呼ばれる)に応じて上記の第1の時間間隔が計算される。
-電気ブランチ4に沿って流れる電流が、所定の閾値電流値を超える。
-第3スイッチングデバイス41の温度が所定の閾値温度値を超える。
-第3スイッチングデバイス41にかかる電圧が所定の閾値を超えている。
-第3スイッチングデバイス41で消費される電力が所定のしきい値を超える。
また、このソリューションはいくつかの顕著な利点をもたらす。例えば、第1スイッチングデバイス31および第2スイッチングデバイス32が開状態である状態で電気保護装置1が送電線に再接続され、既存の故障の存在により第2電気ブランチ4に沿って短絡電流が流れると、第2の時間間隔(実際には、上述の物理量を示す検出信号を適切に処理することにより故障の存在を検出するのに必要な時間)が経過するとすぐに第3スイッチングデバイス41がオフにされるので、過熱被害が防止される。
好都合には、上記の第3の時間間隔は、その基準が明らかに第2スイッチングデバイス32を参照している場合でも、上記の第1の時間間隔と同様の基準に基づいて算出される。一般に、上記第3の時間間隔は、必要に応じて、上記第1の時間間隔とは異なってもよく、または同等であってもよい。
好ましくは、それが何らかの理由でオン状態にある場合、第4スイッチングデバイス42は、第1スイッチングデバイス31または第2スイッチングデバイス32が開ける操作を実行するとすぐに、またはその前に、第3スイッチングデバイス41と同時にオン状態に切り替えるように指令される。このようにして、第1電気ブランチ3に沿って流れる電流を、第2電気ブランチ4へ切り替えることが可能になる。
好ましくは、(第1電気ブランチ3からの切り替えが完了した後において)第2電気ブランチ4に沿って短絡電流が流れ、そのような短絡を発生させる故障がどのようにしても解消されない場合、(第2電子回路49によりバイパスされている)第4スイッチングデバイス42をオフにして、第2電子回路49に沿って電流を強制的に流し、当該電流を制限する。
好都合には、何らかの理由で第2スイッチングデバイス32の開ける操作が実行され、正常な電流(すなわち、公称値以下の値を有する)が第1電気ブランチ3から第2電気ブランチ4に切り替えられた後にも、第4スイッチングデバイス42はオフにするように指令されてもよい。
本発明のこの実施形態によれば、スイッチング装置1は、通常、端子11と端子12の間に電流が流れることを許可する(閉状態)。しかし、必要に応じて、当該スイッチング装置は、送電線に沿って流れる幅広い電流について電気的に絶縁(開状態)することができる。以下に、図1の実施形態に係るスイッチング装置の動作を詳細に説明する。
通常の動作(すなわち、公称値程度またはそれ以下の電流が流れている場合)では、スイッチングデバイス31及び32は閉状態であり、第3スイッチングデバイス41はオン状態でもオフ状態でもよい。第3スイッチングデバイス41がオン状態であっても、第1電気ブランチ3がより低い等価抵抗を示すため、電流は自然に第1電気ブランチ3に沿って優勢に流れる。断路器150は閉状態である。
第1スイッチングデバイス31および第2スイッチングデバイス32は、通常、閉状態である。通常の電流または過負荷電流が存在する場合、第1スイッチングデバイス31は介入しない(従って閉状態のままである)のに対し、第2スイッチングデバイス32は開ける操作を実行するように指令される。まだオン状態になっていない場合は、第3スイッチングデバイス41がオンになるように指令される。第2スイッチングデバイス32の電気接点が切り離されるとすぐに、電流が第2電気ブランチ4に沿って流れ始める。第1電気ブランチ3から第2電気ブランチ4へ電流が完全に切り替わることにより、第2スイッチングデバイス32の電気接点間のアーク現象が消滅する。
好都合には、断路器150は開ける操作を行うように指令され、それによって、スイッチング装置を含むグリッド部分をガルバニック絶縁とすることができる。スイッチング装置1は、何らかの理由で通常の電流を遮断するように要求された場合にも、実質的に同じように動作する。
第1スイッチングデバイス31および第2スイッチングデバイス32は、通常、閉状態にある。短絡電流が存在する場合、第1スイッチングデバイス31は、入力制御信号や外部電力供給を受け取ることなく、直ちに開ける操作(高速スイッチング)を実行する。まだオン状態でなければ、第3スイッチングデバイス41はオンになるように指令される。また、第2スイッチングデバイス32は、開ける操作を実行するように指令される。しかし、第1スイッチングデバイス31の介入は、第2スイッチングデバイス32の介入よりもかなり前に起こる。
第1スイッチングデバイス31の電気接点の切り離しにより、短絡電流が第2電気ブランチ4に切り替えられる。第1電気ブランチ3から第2電気ブランチ4に電流が完全に切り替えられることで、第1スイッチングデバイス31の電気接点間のアーク現象が消滅する。
第1スイッチングデバイス31は電流が流れていないので閉状態となっており、第2スイッチングデバイス32は開状態となっており、第3スイッチングデバイス41はオフ状態となっている。
断路器150は、閉める操作を実行するように指令されている。そのため、スイッチング装置を含むグリッド部分は、もはや(スイッチング装置を含まない)他のグリッド部分からガルバニック絶縁となっていない。
第3スイッチングデバイス41は、オンになるように指令される。電流は、第2半導体ブランチ4に沿って流れる。この電流が第2の時間間隔(短絡が存在するかどうかを確認するのに必要な時間)の間、正常な範囲内に留まっている場合、第2スイッチングデバイス32は、閉める操作を実行するように指令される。
第2スイッチングデバイス32が閉める操作を完了するとすぐに(第1スイッチングデバイス31は既に閉状態にある)、電流は自然に第1電気ブランチ3に切り替えられ、スイッチング装置1は通常の状態で動作を開始する。
第1スイッチングデバイス31は電流が流れていないため閉状態となっており、第2スイッチングデバイス32は開状態となっており、第3スイッチングデバイス41はオフ状態になっている。
断路器150は、閉める操作を行うように指令される。スイッチング装置を含むグリッド部分と他のグリッド部分(スイッチング装置を含まない)とのガルバニック絶縁はもはや確保されない。
第3スイッチングデバイス41は、オンになるように指令される。短絡電流が第2半導体ブランチ4に沿って流れ始める。
上記の第2の時間間隔内に制御ユニット90によって故障が検出されると、第3スイッチングデバイス41は再びオフになるように指令される。第2スイッチングデバイス32は、閉じる操作を実行するように指令されず、開状態のままである。電流は、消滅するまで、第1電子回路48に沿って強制的に流れる。
続いて、断路器150は開ける操作を実行するように指令され、それによってスイッチング装置を含むグリッド部分がガルバニック絶縁となる。
さらに、スイッチング装置1と直列に電気的に接続された断路器150によって形成されたスイッチンググループ110が、2つの異なる状態に従って動作することができることも証明されている、2つの異なる状態は、スイッチング装置1と断路器150の両方が閉状態にある閉状態と、スイッチング装置1と断路器150の両方が開状態にある開状態である。
以下、図2の実施形態におけるスイッチング装置の動作についてより詳細に説明する。
通常の動作(すなわち、公称値程度またはそれ以下の電流が存在する場合)では、スイッチングデバイス31及びスイッチングデバイス32は閉状態にあり、一方、第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42は、必要に応じてオンまたはオフにすることができる。また、断路器150も閉状態である。何らかの理由で第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42がオンになったとしても、第1電気ブランチ3の方が等価抵抗が低いため、電流の大部分は自然と第1電気ブランチ3に沿って流れる。
第1スイッチングデバイス31および第2スイッチングデバイス32は、通常、閉状態となっている。
過負荷電流が存在する場合、第1スイッチングデバイス31は介入しない(それによって閉状態のままである)、一方、第2スイッチングデバイス32は開ける操作を行うように指令される。第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42が、まだオン状態でなければ、オンになるように指令される。第2スイッチングデバイス32の電気接点が切り離されるとすぐに、電流が第2電気ブランチ4に沿って流れ始める。第1電気ブランチ3から第2電気ブランチ4への電流の完全な切り替えにより、第2スイッチングデバイス32の電気接点間のアーク現象が消滅する。
(第2スイッチングデバイス32が再点弧を回避するのに十分な絶縁耐力を有するように)電流が第1電気ブランチ3から第2電気ブランチ4に切り替えられた瞬間から第3の時間間隔が経過した後、第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42はオフになるように指令される。過負荷電流は、消滅するまで第1電子回路48および第2電子回路49に沿って強制的に流れる。
第3スイッチングデバイス41は、過負荷電流が第2電気ブランチ4に切り替えられた瞬間から上記第3の時間間隔が経過した後に、オフにするように指令される。
好都合には、電流の遮断後、断路器150は開ける操作を行うように指令され、それにより、スイッチング装置を含むグリッド部分をガルバニック絶縁することができる。
スイッチング装置は、何らかの理由で通常の電流を遮断するよう要求された場合も、同様の動作を行う。
第1スイッチングデバイス31および第2スイッチングデバイス32は、通常、閉状態になっている。短絡電流が存在する場合、第1スイッチングデバイス31は、入力制御信号や外部電力供給を受け取ることなく、直ちに開ける操作を実行する(高速スイッチング)。第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42は、すでに伝導状態でなければ、オンになるように指令される。
その後、断路器150は、開ける操作を実行するように指令され、それにより、スイッチング装置を含むグリッド部分にガルバニック絶縁を提供する。
第1スイッチングデバイス31は既に閉状態にあり、第2スイッチングデバイス32は開状態にあり、第3スイッチングデバイス41及び第4スイッチングデバイス42はオフ状態にあるものとする。
断路器150は、閉める操作を実行するように指令される。スイッチング装置を含むグリッド部分と(スイッチング装置を含まない)他のグリッド部分とのガルバニック絶縁はもはや確保されない。
第3スイッチングデバイス41は、オンになるように指令される。別の方法としては、第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42の両方がオンになるように指令される。電流は、第2半導体ブランチ4に沿って流れる。第3スイッチングデバイス41のみがオンになると、電流は第2電子回路49および第3スイッチングデバイス41に沿って流れる。第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42の両方がオンになると、電流はこれらのスイッチングデバイスの両方に沿って流れる。(短絡が存在するかどうかを確認するために必要な)第2の所定時間間隔内に短絡が検出されない場合、第2スイッチングデバイス32は、閉じる操作を実行するように指令される。
第2スイッチングデバイス32が閉める操作を完了するとすぐに(第1スイッチングデバイス31は既に閉状態にある)、スイッチング装置1は通常の状態で動作を開始し、電流は自然に第1電気ブランチ3に切り替わる。
第1スイッチングデバイス31は既に閉状態にあり、第2スイッチングデバイス32は開状態にあり、第3スイッチングデバイス41及び第4スイッチングデバイス42はオフ状態にあるものとする。
断路器150は、閉める操作を実行するように指令される。スイッチング装置を含むグリッド部分と(スイッチング装置を含まない)他のグリッド部分とのガルバニック絶縁はもはや確保されない。
第3スイッチングデバイス41は、第4スイッチングデバイス42がオフ状態に維持されている間にオンになるように指令され、第4スイッチングデバイス42は第3スイッチングデバイス41よりも遅れてオンになる。別の方法としては、第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42の両方が同時にオンになるように指令される。 短絡電流は、最初に第2半導体ブランチ4に沿って流れる。
第3スイッチングデバイス41および第4スイッチングデバイス42の両方が同時にオンになると、電流はこれらのスイッチングデバイスの両方に沿って流れる。第1の所定時間間隔の後、第3スイッチングデバイス41はオフになるように指令される、一方、第4スイッチングデバイス42はオフになってもよく、オン状態に維持されてもよい。電流は、消滅するまで第1電子回路48に沿って強制的に流れる。第2スイッチングデバイス32は、閉める操作を実行するように命令されておらず、開状態のままである。
続いて、断路器150は、開ける操作を実行するように指令され、それによって、スイッチング装置を含むグリッド部分がガルバニック絶縁となる。
さらに、スイッチング装置1と断路器150とが電気的に直列接続されて形成されたスイッチンググループ110が、異なる状態に応じて動作することができることも明らかになった、この異なる状態とは、スイッチング装置1が閉状態で断路器150が閉状態である閉状態と、スイッチング装置1が開状態で断路器150が開状態である開状態と、スイッチング装置1が電流制限モードで断路器150が閉状態である電流制限モードとである。
好ましくは、制御ユニット90は、断路器150の動作も制御することができる。制御ユニット90は、スイッチング装置の適切な位置に配置された1つまたは複数のセンサ93から検知信号Sを受信するように設けられ、第1電気ブランチ3および第2電気ブランチ4に沿った電流および/または他の物理量の挙動を監視する。
オペレータが手動で実行すべき動作を要求した場合、または外部からの動作要求がスイッチング装置に送信された場合、制御ユニット90は、制御信号を提供しスイッチングデバイス32、スイッチングデバイス41、および場合によっては断路器150、スイッチングデバイス42を動作させてもよい。
本発明のこの実施形態の動作は、図1の実施形態について上述したものと同じである。
本発明のこの実施形態の動作は、図2の実施形態について上述したものと同じである。
本発明のこれらの実施形態の動作は、図1または図2の実施形態について上述したものと同じである。
好ましくは、図3~5に図示された実施形態では、各ブリッジ回路45、46、47は、Graetzブリッジの構成に従って配置された複数のダイオードを含む。
本発明のこの実施形態の動作は、図1の実施形態について上述したものと同様である。
本発明のこの実施形態の動作は、図1の実施形態について上述したものと同様である。
本発明のこの実施形態の動作は、図2の実施形態について上述したものと同様である。
本発明のこの実施形態の動作は、図2の実施形態について上述したものと同様である。
電気故障が発生した場合、DC送電グリッドの多くのコンポーネントは、それらに沿って逆方向の電流が流れる可能性があるため、生じえる短絡電流に寄与する場合がある。最悪の場合、DCバスにおいて電気故障が発生した場合、多くのコンポーネントが直接電気故障を引き起こす可能性がある。
スイッチンググループが閉状態のときには、各スイッチンググループ110が電流を流すことで、対応するバッテリーユニットとDCバスとが電気的に接続される。
スイッチンググループが開状態のときには、各スイッチンググループ110が電流を遮断することで、対応するバッテリーユニットがDCバスから電気的に切り離される。
スイッチンググループが電流制限モードであるときは、各スイッチンググループ110が電流制限機能を提供することで、対応するバッテリーユニットとDCバスとの間を流れる電流が制限される。
サーキットブレーカー160の代わりに、図2の実施形態に係る本発明の(双方向の電流を導通させることができる)スイッチング装置を含む追加のスイッチンググループが使用される場合、当該スイッチンググループは上述のように動作する、つまり、閉状態にある場合には電力変換器をDCバスに電気的に接続し、開状態にある場合には電力変換器をDCバスから電気的に切り離し、または電流制限モードにある場合には電力変換器とDCバスとの間を流れる電流を制限する。
図9は、通常時の送電グリッド100Aの動作を模式的に示したものである。この状態では、サーキットブレーカー160が閉状態であり、各スイッチンググループ110が閉状態である(通常動作)。サーキットブレーカー160の代わりに追加のスイッチンググループが使用された場合、そのスイッチンググループは閉状態である。
電流IN1、IN2、IN3は上記のバッテリーユニットに沿って流れ、電流INCは電力変換器に沿って流れる。電流INCは、実質的に電流IN1、IN2、IN3の総和である。バッテリーユニットと電力変換器の間を流れる電流IN1、IN2、IN3、INCは、いずれも当該バッテリーユニットについて予測される公称電流を超えない値をとり、同じ方向を向いている、この方向は基本的にはバッテリーユニットの動作モード(充電または放電)に依存する。
図10は,バッテリーユニットに短絡が発生した場合の状況を模式的に示している。電気故障が発生したバッテリーユニットには、短絡電流IS1が流れる。この電気故障は、他のバッテリーユニットから流れる短絡電流IS2、IS3と、電力変換器を介して流れる短絡電流ISCに影響を与える。電力変換器を流れる短絡電流ISCは、電力変換器が放電モードになっているときの対応する電流INCとは逆向きになっている。
その後、短絡電流ISC、IS1、IS2、IS3が電力グリッド100内を流れ続けるため、電気故障が発生したバッテリーユニットに最も近いスイッチンググループ110は、開状態に切り替わる。実際には、電気故障が発生したバッテリーユニットに最も近いスイッチンググループ110にはより大きな大きさの短絡電流が発生するため、このスイッチンググループは、他のスイッチンググループに比べてより短い時間、電流制限モードに留まることになる。
最後に、スイッチンググループ110を開状態で動作させることによって電気故障が解消されたので、電気故障が発生していないバッテリーユニットに動作的に関連付けられたスイッチンググループ110は、閉状態に切り替わり、通常の状態で再び動作することができる(図13)。
バッテリーユニットが充電モードで動作している場合、送電グリッドの動作は実質的に同じである。
図14は,DCバス101Aで短絡が発生したときの状況を模式的に示している。
短絡電流ISC、IS1、IS2、IS3がバッテリーユニットや電力変換器に沿って流れ、電気故障を増大させる。また、この場合、電力変換器が放電モードであるため、電力変換器を流れる短絡電流ISCは、対応する電流INCに対して方向が逆になる。また、電気故障がDCバスに発生するため、バッテリーユニットに沿って流れる短絡電流IS1、IS2、IS3は同一方向となり、この方向は電力変換器を流れる短絡電流ISCとは逆方向となる。
以上の結果、直流送電グリッド100全体がシャットダウンする(図16)。
バッテリーユニットが充電モードで動作している場合も、送電グリッドの動作は実質的に同じである。
したがって、さらなる態様において、本発明は、前記送電グリッドの異なるグリッド部分を電気的に接続または切断するための複数の(上述のように構成される)スイッチンググループ110を含む送電グリッドを動作させるための方法に関することが明らかである。
前記電気故障に最も近いスイッチンググループ110を動作させることにより、前記電気故障が前記所定の期間内に電気的に絶縁されない場合、本発明の方法は、前記送電グリッドのすべてのスイッチンググループ110を開状態に切り替えるステップを備える。
この場合、本発明による方法は、電池エネルギー貯蔵システムに電気故障(即ち、短絡)が発生した場合に、スイッチンググループ110を電流制限モードで切り替えるステップを備える。
DCバス101Aが追加のスイッチンググループ(スイッチンググループ110と同様のもの)を介して上記電力変換器に電気的に接続されているか、または上記電力変換器から電気的に切り離されている場合、本発明の方法は、当該追加のスイッチンググループを電流制限モードで切り替えるステップをさらに備える。
本発明に係る方法は、電気故障に最も近いスイッチンググループ110を開状態に切り替え、電池エネルギー貯蔵システムの残りのスイッチンググループ110を電流制限モードに維持するステップを備える。
DCバス101Aが、(例えば電気機械式の)サーキットブレーカー160を介して上記電力変換器に電気的に接続されているか、または上記電力変換器から電気的に切り離されている場合、本発明の方法は、サーキットブレーカー160を閉状態に維持するステップをさらに備える。
DCバス101Aが追加のスイッチンググループ(スイッチンググループ110と同様のもの)を介して上記電力変換器に電気的に接続されているか、または上記電力変換器から電気的に切り離されている場合、本発明の方法は、当該追加のスイッチンググループを閉状態に切り替えるステップをさらに備える。
DCバス101Aが、(例えば電気機械式の)サーキットブレーカー160、または追加のスイッチンググループ(スイッチンググループ110と同様のもの)によって、上記電力変換器に電気的に接続されるか、または上記電力変換器から電気的に切り離されている場合、本発明に係る方法は、サーキットブレーカー160または当該追加のスイッチンググループを開状態に切り替えるステップをさらに備える。
本発明の方法は、まず、送電グリッドの様々な部分に沿って流れる故障電流を制限する。
特定のスイッチンググループ110(短絡に最も近いもの)を開状態で動作させることにより電気故障を所定の期間内に解消することができる場合、本発明の方法は、送電グリッドのうち、電気故障に関与していない部分を通常の導通モードに戻すことを提供する。
前記特定のスイッチンググループ110を開状態で動作させても、前記所定の期間内に電気故障を解消できない場合、本発明の方法は、送電グリッドをシャットダウンすることを提供する。
本発明のスイッチング装置は、請求項に記載の発明の概念の範囲内にある多くの変形が可能である。スイッチング装置1は、独立した装置として、または、(例えば、機械式サーキットブレーカー(MCCB)の各電極のための)アドオンモジュールとして、工業的に実現することができる。
本発明によるスイッチング装置は、最先端の同様の既知のソリューションに関して、顕著な利点を提供する。
本発明によるスイッチング装置は、送電線に電気故障が発生したときに、可能性のある短絡電流を遮断するための迅速な介入を実行することができる。
上記の機能により、所定の公称電流に対してより小さなサイズのソリッドステートデバイスを使用することができる。これにより、明らかにスイッチング装置のサイズとコストを大幅に削減することができる。
本発明によるスイッチング装置は、特に電流制限機能が実行される場合、搭載されたソリッドステートスイッチングデバイスの改善された動作条件を利用することにより、改善された選択機能を実行することができる。
さらに、送電グリッドの異なるブランチに沿って回路保護介入を管理および調整するための効率的な戦略を実施することができる。
本発明によるスイッチング装置は、比較的容易で安価に、工業生産することができ現場への設置することができる。
Claims (19)
- 送電グリッドのためのスイッチング装置であって、
前記スイッチング装置は、対応するグリッド部分と電気的に接続するための第1電気端子および第2電気端子と、電気機械式の複数のスイッチングデバイスを含む第1電気ブランチと、ソリッドステートタイプの1つ以上のスイッチングデバイスを含む第2電気ブランチとを備え、
電気機械式の各スイッチングデバイスは、電流を導通するために機械的に結合することができ電流を遮断するために機械的に切り離すことができる電気接点を有し、
ソリッドステートタイプの各スイッチングデバイスは、半導体材料に基づく1つ以上のスイッチングコンポーネントを含み、かつ、前記スイッチングデバイスが電流を流すオン状態と、前記スイッチングデバイスが電流を遮断するオフ状態との間で切り替わるように設けられ、
第2電気ブランチは、第1電気端子と第2電気端子との間で第1電気ブランチと並列に電気的に接続され、
第1電気ブランチは、電気機械式の第1スイッチングデバイスと、第1スイッチングデバイスと電気的に直列に接続された電気機械式の第2スイッチングデバイスとを備え、
電気機械式の第1スイッチングデバイスは、第1スイッチングデバイスが電流を流す閉状態と、第1スイッチングデバイスが電流を遮断する開状態とを切り替えることができ、
第1スイッチングデバイスの閉状態から開状態への移行は、前記スイッチング装置に沿って流れる電流によって発生する電気力学的な力を引き出すことにより起こり、第1スイッチングデバイスは外部からの制御信号や外部からの電力供給を受けることなく、閉状態から開状態に切り替えることができる自動式スイッチングデバイスであり、
前記外部からの制御信号は第1スイッチングデバイスの外部からの制御信号であり、前記外部からの電力供給は第1スイッチングデバイスの外部からの電力供給であり、
第1スイッチングデバイスは、前記スイッチング装置に沿って流れる電流が対応する所定のしきい値を超えたとき、または前記スイッチング装置に沿って流れる電流の変化率が対応する所定のしきい値を超えたとき、またはこれら2つの条件の組み合わせにより、閉状態から開状態へと切り替わり、
第2スイッチングデバイスは、第2スイッチングデバイスが電流を流す閉状態と、第2スイッチングデバイスが電流を遮断する開状態との間で切り替え可能であり、
第2スイッチングデバイスは、対応する入力制御信号を受信すると、閉状態と開状態との間で切り替えられることを特徴とするスイッチング装置。 - 第1スイッチングデバイスは、第1アクチュエータを含み、
第1アクチュエータは、前記スイッチング装置に沿った電流の流れによって発生する電気力学的な力を利用して第1スイッチングデバイスの電気接点を作動させ、第1スイッチングデバイスを閉状態から開状態に切り替えることができるように設けられた請求項1に記載のスイッチング装置。 - 第1アクチュエータは、第1スイッチングデバイスの電気接点に動作可能に繋がったトムソンコイル作動装置を含む請求項2に記載のスイッチング装置。
- 第2電気ブランチは、第2電気ブランチに沿って流れる電流を遮断するように設けられた電流遮断回路を備え、
前記電流遮断回路は、ソリッドステートタイプの第3スイッチングデバイスと、第3スイッチングデバイスに電気的に並列に接続された第1電子回路とを含む請求項1~3のいずれか1つに記載のスイッチング装置。 - 第2電気ブランチは、第2電気ブランチに沿って流れる電流を制限するように設けられた電流制限回路を備え、
前記電流制限回路は、前記電流遮断回路と電気的に直列に接続され、かつ、ソリッドステートタイプの第4スイッチングデバイスと、第4スイッチングデバイスと電気的に並列に接続された第2電子回路とを含む請求項4に記載のスイッチング装置。 - 第3スイッチングデバイスは、第2電気ブランチに沿って流れる双方向電流の制御を可能にするために、逆並列の構成または逆直列の構成に従って配置された、半導体材料に基づく一対のスイッチングコンポーネントを備える請求項4又は5に記載のスイッチング装置。
- 第2電気ブランチは、第2電気ブランチに沿って流れる双方向の電流の制御を可能にするために、前記電流遮断回路に動作的に関連する第1ダイオードブリッジを備える請求項4又は5に記載のスイッチング装置。
- 第4スイッチングデバイスが、第2電気ブランチに沿って流れる双方向の電流の制御を可能にするために、逆並列の構成または逆直列の構成に従って配置された、半導体材料に基づく一対のスイッチングコンポーネントを備える請求項5に記載のスイッチング装置。
- 第2電気ブランチは、第2電気ブランチに沿って流れる双方向の電流の制御を可能にするために、前記電流制限回路に動作的に関連する第2ダイオードブリッジを備える請求項5に記載のスイッチング装置。
- 第2電気ブランチは、第2電気ブランチに沿って流れる双方向の電流の制御を可能にするために、前記電流制限回路および前記電流遮断回路に動作的に関連する第3ダイオードブリッジ回路を備える請求項5に記載のスイッチング装置。
- 第1スイッチングデバイスは、前記スイッチング装置に沿って短絡電流が流れると、閉状態から開状態に切り替わるように設けられている請求項1~10のいずれか1つに記載のスイッチング装置。
- 第1スイッチングデバイスは、過負荷電流または通常電流が前記スイッチング装置に沿って流れる場合に、閉状態から開状態に切り替わらないように設けられている請求項1~11のいずれか1つに記載のスイッチング装置。
- 第3スイッチングデバイスは、第1スイッチングデバイスの開ける操作により第1電気ブランチから第2電気ブランチに短絡電流が切り替えられた瞬間から時間間隔が経過した後に、オン状態からオフ状態に切り替えるように指令される請求項4又は5に記載のスイッチング装置。
- 第3スイッチングデバイスは、第2スイッチングデバイスの開ける操作により、第1電気ブランチから第2電気ブランチに過負荷電流または通常電流が切り替えられた瞬間から時間間隔が経過した後に、オン状態からオフ状態に切り替えるように設けられている請求項4又は5に記載のスイッチング装置。
- 第4スイッチングデバイスは、第1スイッチングデバイスの開ける操作または第2スイッチングデバイスの開ける操作により第1電気ブランチから第2電気ブランチに電流が切り替えられた後、オン状態からオフ状態に切り替わるように指令される請求項5に記載のスイッチング装置。
- 請求項1~15のいずれか1つに記載のスイッチング装置を少なくとも備える送電グリッド。
- 請求項1~15のいずれか1つに記載のスイッチング装置と、前記スイッチング装置に電気的に直列に接続された断路器とを備えるスイッチンググループ。
- 送電グリッドの保護方法であって、
前記送電グリッドは、前記送電グリッドの異なる複数のグリッド部分を電気的に接続または電気的に切り離すための複数のスイッチンググループを含み、
各スイッチンググループは、双方向の電流を制御可能な請求項5に記載のスイッチング装置と、前記スイッチング装置と電気的に直列に接続された断路器とを備え、
前記スイッチング装置は、前記スイッチング装置が電流を流す閉状態と、前記スイッチング装置が電流を遮断する開状態と、前記スイッチング装置が第1電気ブランチから第2電気ブランチに切り替えられた電流を制限する電流制限モードとを切り替え可能であり、
前記断路器は、前記断路器が電流を流す閉状態と、前記断路器が電流を遮断する開状態とを切り替え可能であり、
各スイッチンググループは、前記スイッチング装置が閉状態であり前記断路器が閉状態である閉状態と、前記スイッチング装置が開状態であり前記断路器が開状態である開状態と、前記スイッチング装置が電流制限モードであり前記断路器が閉状態である電流制限モードとを切り替え可能であり、
前記送電グリッドの保護方法は、
前記送電グリッドに電気故障が発生した場合、前記スイッチンググループを電流制限モードに切り替えるステップと、
前記電気故障に最も近いスイッチンググループを開状態に切り替え、前記送電グリッドの残りのスイッチンググループを電流制限モードに維持するステップと、
前記電気故障に最も近いスイッチンググループが開状態であるときに、前記電気故障が予め定められた期間内に電気的に絶縁される場合には、前記電気故障に最も近いスイッチンググループを開状態に維持し、前記送電グリッドの残りのスイッチンググループを閉状態に戻し、前記電気故障に最も近いスイッチンググループが開状態にあるときに、前記電気故障が前記所定の期間内に電気的に絶縁されない場合には、前記送電グリッドのすべてのスイッチンググループを開状態に切り替えるステップとを含む保護方法。 - 前記送電グリッドは、複数のバッテリーユニットを含む電池エネルギー貯蔵システムと、前記バッテリーユニットを電力変換器に電気的に接続するためのDCバスと、前記バッテリーユニットを前記DCバスに電気的に接続または電気的に切断するための複数の前記スイッチンググループとを備える請求項18に記載の方法。
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