TW201141058A - A DC power source for a high voltage power apparatus - Google Patents

Description

201141058 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於用於連接至高電壓電力系統的高電壓電 力設備之直流電源，此直流電源包含一個或多個電源串（ strings )，其包括以串聯連接的複數個直流電源構件，及 組構成連接及斷接此等電源串之開關。按照高電壓電力系 統應該被瞭解電氣系統在3kV及以上的範圍內，較佳在 l〇kV及以上的範圍內。按照直流電源應該被瞭解以串聯連 接的直流電源構件係爲在3kV及以上的範圍內。使用電力 設備係意謂可控制無效電力（reactive power)及/或有效 電力（active power )的設備。電力設備的範例爲電力補 償器及不斷電電源供應器（UP S )。 【先前技術】 在柔性交流輸電系統（FACTS )內，複數個控制設備 是已知的。一種此類FACTS設備爲靜態補償器（ STATCOM ) 。STATCOM包含電壓源轉換器（VSC )，其 具有連接至高電壓電力系統的交流（AC )側，及連接至諸 如電容器的暫時電力儲存裝置之直流（DC )側。 STATCOM可將無效電力供應至輸電線，或吸收來自輸電 線的無效電力。 與STATCOM (其僅補償無效電力）相反的是，另一 種槪念係爲將直流電源連接至小型STATCOM，因此能實 施有效電力補償。此架構可被使用例如作爲備轉容量（ -5- 201141058 spinning reserve)，及使用於補償電力系統中的變動能階 〇 今曰，直流電源爲高電壓電池。因爲電力設備係連接 至高電壓電力系統的交流電壓，所以複數個電池單元必須 以串聯連接，以匹配電力設備的直流電壓。此外，爲了獲 得想要的有效電力及能量儲存的持續期間，一些包括複數 個電池單元的電源串必須以並聯連接。 再者，在錯誤（諸如短路）的情況中，電力設備必須 被保護。因此，若轉換器、電源串、或此電源串的部分爲 短路，則在各個電源串中，會提供兩個開關，以斷接此電 源串。一個開關能使電源串與轉換器的正直流軌（rail ) 斷接，而另一個開關能使電源串與轉換器的負直流軌斷接 。對於整個轉換器電壓而言，這些開關的各個開關必須被 額定，以能夠保護電力設備。 到目前爲止，機械式直流電路斷路器已被使用作爲用 於電源串的連接及斷接之開關。然而，直流電路斷路器的 可用性受到限制，且這些斷路器的額定値相當低，且小於 高電壓電力系統中之所需的電壓額定値。爲了克服此問題 ，已使用具有一些額外電路的機械式交流電路斷路器，諸 如與交流電路斷路器並聯連接的共振電路。 與機械式斷路器不同的是，固態開關爲不包含移動部 件的電子開關。在市場上，有能使機械式交流電路斷路器 與固態開關交換之期望。然而，大部分的商業上可用固態 開關之問題是當故障時，其變成開路，這意謂若固態開關 -6- 201141058 故障’則包括故障開關的電源串將被斷接。因此直流電源 將使其容量顯著地降低。 【發明內容】 本發明的目的爲以上所提及的問題提供有吸引力的解 決方案。 根據本發明的一個觀點，此目的係藉由如申請專利範 圍第1項所界定的直流電源來予以達成。 根據本發明的直流電源包含： 此直流電源中的一個或多個電源串（strings )，包括 以串聯連接的複數個直流電源單元，及組構成連接及斷接 此等電源串之開關， 固態開關係分佈於各個電源串的此等電源單元之中， 此電源串中的全部開關係配置成使得其同時被接通及 關閉， 各個開關係與第一方向上的第一可控制半導體並聯連 接，且與和第一方向相反的第二方向上之第二可控制半導 體並聯連接，以及 此直流電源包含控制單元，其被組構成若偵測出此開 關中的錯誤，則藉由觸發連接至故障開關的此第一或第二 可控制半導體之順向偏壓，而使此故障開關旁路。 根據本發明的直流電源之優點爲只要冗餘的開關爲可 用的，故障開關已被旁路時之所導致的電流路徑使直流電 源致能，以仍然是在操作中。另一個優點是直流電源爲更 201141058 強健的，且更容易維護》此外，因爲固態開關係分佈於電 源串中，所以可使這些開關的總電壓額定値降低百分之5 0 ，這是因爲若使用機械式直流電路斷路器，則兩個斷路器 必須具有等於跨接此直流電源的全部電壓之斷路能力，以 能夠使此直流電源分別與正及負的直流軌斷接。 使用直流電源構件係意謂可提供直流電力的小實體， 諸如電池單元、光伏特電池（photovoltaic cell )、燃料電 池、飛輪或超級電容器。不同型式的直流電源構件也可被 結合於直流電源中。 此電源串中的全部開關係配置成使得其同時被接通及 關閉，其隱含當此電源串被斷接時，各個開關僅必須承受 跨接此直流電源的電壓之對應的部分。此實施例消除由於 某些開關比此電源串中的其他開關較早關閉而導致過電壓 的風險。 根據本發明的實施例，各個固態開關包含可控制半導 體。此固態開關爲例如絕緣閘極雙載子電晶體（IGBT )。 根據本發明的Η施例，各個開關具有閘極控制單元， 其被組構成偵測此開關中的錯誤，且在偵測出此開關中的 錯誤之後，立即藉由觸發連接至此開關的此第一或第二可 控制半導體之順向偏壓，而使此開關旁路。 根據本發明的實施例，此第一及第二可控制半導體的 至少一個包含閘流體（thyristor )。另一種是，此第一及 第二可控制半導體的至少一個爲絕緣閘極雙載子電晶體（ IGBT)。

-8- 201141058 根據本發明的實施例，直流電源構件爲電池單元。藉 由使用電池單元作爲直流電源構件，在高電壓電力系統中 有過量電力可用時的情況，可以能量對高電壓直流電源充 電’以在此系統中有電力不足時的其他情況被使用。 當串聯連接時（例如諸如上述的電源串包含複數個固 態開關），故障的固態開關變成穩定的短路，而不是開路 是想要的特性。藉由此特性，剩餘的系統可持續操作，即 使一個或多個開關已故障，但是只要提供一個或多個冗餘 開關。當故障時，大部分的商業上可用半導體開關（諸如 ABB HiPakTM IGBT模組）變成開路。因此，此類經濟裝置 迄今以不適用於系統，而在爲裝置的串聯連接之應用中是 需要的。然而，此類IGBT裝置（儘管故障時爲開路）廣泛 地被使用於牽引（traction)及工業的應用中，因此費用 遠低於諸如StakPakTM IGBT緊壓包裝（press-packs)的短 路故障模式裝置。按照短路故障模式裝置係意謂具有於故 障（短路）狀態中導通的固有能力之裝置。另外，在某些 產品中’多種功能及智能已被整合於這些模組中，例如， 過電流保護、熱保護、電流截斷等。 本發明的優點是其能將以上所提及之故障時爲開路的 IG B T裝置之有助益的特性’與相關於變成穩定短路的固態 開關之那些有助益的特性結合。 根據本發明的實施例，各個開關包含複數個互連的可 控制半導體。複數個互連的可控制半導體之一例爲以串聯 連接的複數個可控制半導體。此特性使其可使用具有足夠 -9- 201141058 高的電流額定値之可控制半導體，儘管其電壓額定値爲低 於需求。另一種是，複數個互連的可控制半導體爲以並聯 連接的複數個可控制半導體。此特性使其可使用具有足夠 高的電壓額定値之可控制半導體，儘管其電流額定値爲低 於需求。 根據本發明的另一個觀點，此目的係藉由如申請專利 範圍第6項所界定的方法來予以達成。 此種方法包含下列步驟： 量測各個開關上的電壓； 偵測此等開關的任何開關上之電壓是否在臨限値之上 :以及 在偵測出此開關上的電壓爲在臨限値之上之後，立即 藉由觸發第一或第二可控制半導體之順向偏壓，而使此開 關實施旁路。 根據本發明的另一個實施例，此方法另包含步驟： 當此觸發的可控制半導體截止時，使包括此開關的電 源串斷接。 【實施方式】 根據本發明的直流電源之範例係繪示於圖1中。圖1顯 示根據本發明的實施例之用於連接至高電壓電力系統1 9的 高電壓電力設備1之直流電源3。高電壓電力設備的範例爲 電力補償器及不斷電電源供應器（UPS )。高電壓電力系 統可爲用於電能的輸送或分佈之網路，以及工業、醫院及 -10- 201141058 此類。遍及圖式的相同參考標號被使用於相同或對應的部 件。電力設備1包含高電壓直流電源3及電壓源轉換器2。 爲了能產生及吸收不僅是無效電力（reactive power)，而 且是有效電力（active P〇wer )，直流電源3係連接至電壓 源轉換器2的直流側。此轉換器的交流側係連接至高電壓 電力系統19。 直流電源3包含以並聯連接的一個或多個電源串（ strings ) 4a-c，電源串的數目依據有效電力之想要的數量 "在圖1中所繪示的範例中，顯示三個電源串4a-c。各個 電源串4a-c包含複數個直流電源單元8、10、12。直流電 源單元8、10、12依序包含複數個串聯連接的直流電源構 件（未顯示於圖1中）。各個電源串4a-c中的直流電源構 件之總數依據其係連接至電壓源轉換器2的電壓準位，及 電源串4a-c中所使用的直流電源構件之電壓準位。直流電 源構件可爲不同的型式，諸如電池單元、光伏特電池（ photovoltaic cell)、燃料電池及超級電容器。這些不同的 型式也可被組合。 在各個電源串4a-c中，複數個固態開關7、9、1 1、13 係分佈於直流電源單元8 ' 1 0、1 2之中。固態開關的範例 爲IGBTs、GTOs、IGCTs及MOSFETs。各個直流電源單元8 、10、12具有固態開關9、11、13，其被組構成連接及斷 接對應的直流電源單元8、1 〇、1 2。直流電源單元8、1 〇、 12的電壓適合處於開關9、11、13的斷路能力之下。此電 源串中的所有開關7、9、1 1、1 3係配置成使得其同時被接 -11 - 201141058 通及關閉，其_含當電源串4 a-c被斷接時， 、1 1、1 3僅必須承受對應的直流電源8、1 0 〇 各個開關7、9、1 1、1 3包含可控制半導 例中爲具有集極、射極及閘極的電晶體1 4 ) 件（在此實施例中爲二極體1 5，其係與電晶 連接，每當過量電力爲可用時’這使其可以 力系統19的電力對直流電源充電。連接至電 爲閘極控制單元2 1 (未顯示於圖1中）。閘 控制通過電晶體1 4的電流，因此能使此開關 或關閉（斷接）。與此開關並聯連接的是第 體（thyristor) 16及第二可控制閘流體20。 流體1 6係以第一方向連接’而第二可控制閘 第一方向相反的第二方向連接。若開關7、9 錯誤係藉由此閘極控制單元偵測出，則藉由 障開關7、9、1 1、1 3的第一閘流體1 6或第二 向偏壓，而使此故障開關實施旁路。另一種 中的許多或所有開關’或甚至整個直流電源 元可被使用。 爲了能連接及斷接電源串，剩餘開關（ 數目必須超過依據直流電源的電壓準位及剩 能力之某個數量。由於此原因，所以各個電 儘管故障的開關，但是能使直流電源仍然在 或多個冗餘開關。 各個開關7、9 、12上之電壓 體（在此實施 ，以及整流構 體14反向並聯 來自高電壓電 晶體14的閘極 極控制單元2 1 接通（連接） 一可控制閘流 第一可控制閘 流體20係以與 、1 1、1 3中的 觸發連接至故 閘流體20之順 是，此電源串 共同的控制單 尙未故障）的 餘開關的斷路 源串較佳包含 操作中之一個 -12- 201141058 在直流電源3上或轉換器2上的服務及保持之前，以及 在錯誤期間必須使電源串4a-c與轉換器2斷接。然而，在 直流電源單元8、1 〇、1 2的內部，內部發生的短路電流會 發生。由於開關9、1 1、I3係沿著電源串4a-c而分佈的事 實，所以將降低內部短路的風險，且因爲串流連接的直流 電源構件之數目將降低，所以仍然發生於直流電源單元8 、10、12內的內部短路將產生較低的短路電流。 在最靠近正直流軌1 7之直流電源單元8的負側與正直 流軌1 7本身之間的短路之情況中，開關7必須在短路電流 的路徑中，以能使直流電源單元8斷接。因此，額外的開 關7已被連接至直流電源單元8的正側，如圖1中所顯示。 若此電源串中的另一個開關9、1 1、13故障，則開關7也具 有作爲冗餘開關的功能。 斷接器5，6係設置於緊鄰正直流軌17的電源串中，及 緊鄰負直流軌1 8的電源串中。在直流電源3上或轉換器2上 的保持運作期間，由於安全的原因，所以斷接器5，6會是 有助益的。與開關7、9、11、13的分佈類似的是，將也可 使複數個較小的斷接器沿著各個電源串分佈。 在圖2a中，固態開關7、9、1 1、13及並聯連接的閘流 體（1 6，20 )係顯示。連接至電晶體1 4的閘極爲閘極控制 單元2 1。此閘極控制單元藉由使閘極與射極之間的電壓變 化來控制電晶體1 4，藉此控制集極與射極之間的電阻，因 此，可判定處於某個電壓之通過電晶體1 4的電流。 在圖2b中，包含以串聯連接的兩個可控制半導體14之 -13- 201141058 開關7、9、1 1、1 3及並聯連接的閘流體（1 6，20 )係顯示 。然而可串聯連接三個或更多個此類半導體14。使用串聯 連接使其可使用具有比其他可行更低的電壓額定値之半導 體。 在圖2c中，包含以並聯連接的兩個可控制半導體14之 開關7、9、11、13及並聯連接的閘流體（16，20)係顯示 。然而可並聯連接三個或更多個此類半導體14。使用並聯 連接使其可使用具有比其他可行更低的電流額定値之半導 體。 【圖式簡單說明】 本發明將藉由參考附圖的範例來予以更充分地說明， 其中： 圖1顯示根據本發明的直流電源之實施例； 圖2 a顯示固態開關及並聯連接的閘流體之槪圖； 圖2b顯示包含串聯連接的兩個可控制半導體之固態開 關及並聯連接的閘流體之槪圖；以及 圖2 c顯示包含並聯連接的兩個可控制半導體之固態開 關及並聯連接的閘流體之槪圖。 【主要元件符號說明】 1 :尚電壓電力設備 2 :電壓源轉換器 3 :直流電源

-14- 201141058 4 a :電源串 4b :電源串 4 c :電源串 5 :斷接器 6 :斷接器 7 :固態開關 8 :直流電源單元 9 :固態開關 1 〇 :直流電源單元 1 1 :固態開關 1 2 :直流電源單元 1 3 :固態開關 1 4 :電晶體 15 :二極體 1 6 :第一可控制閘流體 1 7 :正直流軌 1 8 :負直流軌 1 9 :高電壓電力系統 20 :第二可控制閘流體 2 1 :閘極控制單元 -15

Claims (1)

1. 201141058 七、申請專利範圍： 1. 一種用於高電壓電力設備（1)之直流電源（3)， 包含： —個或多個電源串（4a-c )，包括以串聯連接的複數 個直流電源單元，及組構成連接及斷接該等電源串之開關 (7、 9、 11、 13)，其中 該等開關（7、9、11、13)爲分佈於各個電源串（ 4a-c)的該等電源單元之中的固態開關， 該電源串中的全部固態開關（7、9、1 1、1 3 )係配置 成使得其同時被接通及關閉， 各個開關（7、9、11、13)係與第一方向上的第一可 控制半導體（16)並聯連接，且與和該第一方向相反的第 二方向上之第二可控制半導體（20)並聯連接，以及 該直流電源（3 )包含控制單元（2 1 )，其被組構成 若偵測出該開關（7、9、1 1、1 3 )中的錯誤，則藉由觸發 連接至故障開關（7、9、11、13)的該第一可控制半導體 (16)或該第二可控制半導體（20)之順向偏壓，而使該 故障開關（7、9、11、13)旁路。 2. 如申請專利範圍第1項之直流電源，其中各個開關 (7、9、1 1、1 3 )具有閘極控制單元（2 1 )，其被組構成 偵測該開關（7、9、1 1、1 3 )中的錯誤，且在偵測出該開 關（7、9、11、13)中的錯誤之後，立即藉由觸發連接至 該開關（7、9、11、13)的該第一可控制半導體（16)或 該第二可控制半導體（20 )之順向偏壓，而使該開關（7 -16- 201141058 、9、1 1、13 )旁路。 3 ·如申請專利範圍第1及2項中的任一項之直流電源， 其中該等直流電源單元包含串聯連接的電池單元。 4.如申請專利範圍第1項之直流電源，其中各個開關 包含複數個互連的可控制半導體（14)。 5·—種如申請專利範圍第1至4項中的任一項之直流電 源的使用方法，其中該直流電源（3 )係使用來將有效電 力供應至高電壓電力系統（19)，或吸收來自該高電壓電 力系統（19)的有效電力。 6 · —種如申請專利範圍第1至5項中的任一項之直流電 源（3)的控制及監督之方法，其中該方法包含： 量測各個開關（7、9、1 1、1 3 )上的電壓； 偵測該等開關（7、9、1 1、1 3 )的任何開關上之電壓 是否在臨限値之上；以及 在偵測出該開關（7、9、1 1、1 3 ) 上的電壓爲在臨 限値之上之後，立即藉由觸發該第一可控制半導體（16) 或該第二可控制半導體（20)之順向偏壓，而使該開關（ 7、9、11、13)實施旁路。 7.如申請專利範圍第6項之方法，其中該方法另包含 當該觸發的可控制半導體（16，20 )截止時，使包括 該開關（7、9、1 1、13 )的電源串（4a_c)斷接。 -17-