TWI508443B - 用於高電壓電力設備之直流電源、直流電源的控制及監督之方法及直流電源的使用方法 - Google Patents

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Description

用於高電壓電力設備之直流電源、直流電源的控制及監督之方法及直流電源的使用方法
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10kV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為在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。電力設備的範例為電力補償器及不斷電電源供應器(UPS)。
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設備為靜態補償器(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，另一種概念係為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為備轉容量(spinning reserve)，及使用於補償電力系統中的變動能階。
今日，直流電源為高電壓電池。因為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，為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、或此電源串的部分為短路，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。
到目前為止，機械式直流電路斷路器已被使用作為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值相當低，且小於高電壓電力系統中之所需的電壓額定值。為了克服此問題，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，固態開關為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。
本發明的目的為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為只要冗餘的開關為可用的，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為更強健的，且更容易維護。此外，因為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值降低百分之50，這是因為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。此固態開關為例如絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)。
根據本發明的實施例，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為絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)。
根據本發明的實施例，直流電源構件為電池單元。藉由使用電池單元作為直流電源構件，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，而在為裝置的串聯連接之應用中是需要的。然而，此類IGBT裝置(儘管故障時為開路)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為開路的IGBT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為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高的電流額定值之可控制半導體，儘管其電壓額定值為低於需求。另一種是，複數個互連的可控制半導體為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值之可控制半導體，儘管其電流額定值為低於需求。
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值之上；以及在偵測出此開關上的電壓為在臨限值之上之後，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。
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19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為電力補償器及不斷電電源供應器(UPS)。高電壓電力系統可為用於電能的輸送或分佈之網路，以及工業、醫院及此類。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。為了能產生及吸收不僅是無效電力(reactive power)，而且是有效電力(active power)，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。直流電源構件可為不同的型式，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、11、13係分佈於直流電源單元8、10、12之中。固態開關的範例為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、10、12。直流電源單元8、10、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、11、13係配置成使得其同時被接通及關閉，其隱含當電源串4a-c被斷接時，各個開關7、9、11、13僅必須承受對應的直流電源8、10、12上之電壓。
各個開關7、9、11、13包含可控制半導體(在此實施例中為具有集極、射極及閘極的電晶體14)，以及整流構件(在此實施例中為二極體15，其係與電晶體14反向並聯連接，每當過量電力為可用時，這使其可以來自高電壓電力系統19的電力對直流電源充電。連接至電晶體14的閘極為閘極控制單元21(未顯示於圖1中)。閘極控制單元21控制通過電晶體14的電流，因此能使此開關接通(連接)或關閉(斷接)。與此開關並聯連接的是第一可控制閘流體(thyristor)16及第二可控制閘流體20。第一可控制閘流體16係以第一方向連接，而第二可控制閘流體20係以與第一方向相反的第二方向連接。若開關7、9、11、13中的錯誤係藉由此閘極控制單元偵測出，則藉由觸發連接至故障開關7、9、11、13的第一閘流體16或第二閘流體20之順向偏壓，而使此故障開關實施旁路。另一種是，此電源串中的許多或所有開關，或甚至整個直流電源共同的控制單元可被使用。
為了能連接及斷接電源串，剩餘開關(尚未故障)的數目必須超過依據直流電源的電壓準位及剩餘開關的斷路能力之某個數量。由於此原因，所以各個電源串較佳包含儘管故障的開關，但是能使直流電源仍然在操作中之一個或多個冗餘開關。
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、10、12的內部，內部發生的短路電流會發生。由於開關9、11、13係沿著電源串4a-c而分佈的專實，所以將降低內部短路的風險，且因為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17之直流電源單元8的負側與正直流軌17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、11、13故障，則開關7也具有作為冗餘開關的功能。
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18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、11、13及並聯連接的閘流體(16，20)係顯示。連接至電晶體14的閘極為閘極控制單元21。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14，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14的電流。
在圖2b中，包含以串聯連接的兩個可控制半導體14之開關7、9、11、13及並聯連接的閘流體(16，20)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值之半導體。
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值之半導體。
1．．．高電壓電力設備
2．．．電壓源轉換器
3．．．直流電源
4a．．．電源串
4b．．．電源串
4c．．．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
10．．．直流電源單元
11．．．固態開關
12．．．直流電源單元
13．．．固態開關
14．．．電晶體
15．．．二極體
16．．．第一可控制閘流體
17．．．正直流軌
18．．．負直流軌
19．．．高電壓電力系統
20．．．第二可控制閘流體
21．．．閘極控制單元
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2a顯示固態開關及並聯連接的閘流體之概圖；
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概圖；以及
圖2c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概圖。
1．．．高電壓電力設備
2．．．電壓源轉換器
3．．．直流電源
4a．．．電源串
4b．．．電源串
4c．．．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
10．．．直流電源單元
11．．．固態開關
12．．．直流電源單元
13．．．固態開關
17．．．正直流軌
18．．．負直流軌
19．．．高電壓電力系統

Claims (7)

  1. 一種用於高電壓電力設備(1)之直流電源(3)，包含：一個或多個電源串(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)為分佈於各個電源串(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、11、13)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(21)，其被組構成若偵測出該開關(7、9、11、13)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、11、13)具有閘極控制單元(21)，其被組構成偵測該開關(7、9、11、13)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、9、11、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. 一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. 一種如申請專利範圍第1至4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、11、13)上的電壓；偵測該等開關(7、9、11、13)的任何開關上之電壓是否在臨限值之上；以及在偵測出該開關(7、9、11、13)上的電壓為在臨限值之上之後，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、11、13)的電源串(4a-c)斷接。
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