用于在直流电压网中切换的装置制造方法

用于在直流电压网中切换的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在直流电压网中切换的装置，具有：用于中断在直流电压网的至少一个第一线路中的电流的开关装置，其中开关装置利用第一和第二接头嵌入到直流电压网的第一线路中；和用于能量消耗所施加的端电压的衰减环节，该衰减环节具有经由衰减元件电连接的第一和第二节点，具有从第一节点经由第一受控或不受控的开关元件至第一接头的电连接，以及具有从第一节点经由第二受控或不受控的开关元件至第二接头的电连接。
【专利说明】用于在直流电压网中切换的装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于在直流电压网中切换的装置以及一种用于分离功率直流电 网的方法。

【背景技术】
[0002] 在需要很高的电压和功率的电源中的功率电子系统越来越重要。特别是对于将来 的空间延伸并分支的高压直流电网（英文=Multiterminal-HVDC)需要电路装置，该电路装 置能够实现可靠且快速地控制可能的干扰情况以及在正常运行时的能量损失最小。该要求 特别是在将来的具有高电压和跨国远程传输的DC电网的情况下出现。
[0003] 例如对于延伸的离岸风力发电站（Off-Shore-Windpark)和在远沙漠地区的大的 太阳能发电站的使用在将来需要空间延伸并分支的HVDC电网。特别地，必须能够控制HVDC 电网中的短路并且能够释放电网的有错误和短路的片段。
[0004] 由于基本的物理的问题而不提供用于极高的DC电压的方便的机械开关，其在负 载的条件下能够接通高的故障电流。技术上可实现的断开时间和机械开关的开关过电压是 极其干扰的。相应于现有技术，因此机械开关对于该应用仅能有利地实现为无负载（无电 流）接通的断路器。


【发明内容】

[0005] 本发明要解决的技术问题是，提供一种用于在DC电网中切换的简单构造的装置。 另一个要解决的技术问题在于，提供一种用于分离功率直流电网的改善的方法。
[0006] 上述技术问题通过具有权利要求1的特征的装置来解决。关于方法，该技术问题 通过具有权利要求13的特征的方法来解决。
[0007] 按照本发明的用于在直流电压网中切换的装置具有用于中断在直流电压网的至 少一个第一线路中的电流的开关装置。开关装置在此可以利用第一和第二接头嵌入到直流 电压网的第一线路中。
[0008] 此外，该装置具有用于能量消耗所施加的端电压的衰减环节。衰减环节又具有第 一和第二节点，其经由衰减元件电连接。此外，存在从第一节点经由受控或不受控的第一开 关元件至第一接头的电连接以及从第一节点经由受控或不受控的第二开关元件至第二接 头的电连接。合适地，衰减环节从第二节点向外可以与直流电压网的第二线路和/或地电 位连接。
[0009] 在按照本发明的用于分离直流电网的方法中提供一种开关装置并且利用第一和 第二接头将其嵌入到直流电压网的第一线路中。此外，提供一种衰减元件并且该衰减元件 经由受控或不受控的第一开关元件与第一接头连接并且经由受控或不受控的第二开关元 件与弟一接头连接。
[0010] 按照本发明在第一步骤中通过开关装置产生电流脉冲，从而短时地在开关装置中 引起电流反向。进一步在第二步骤中在电流反向期间断开开关装置，也就是中断在第一线 路中的电流流动。最后在第三步骤中接通在衰减元件与开关装置的处于电流方向上的第一 或第二接头之间的电连接，以便对耗电器侧的线路电感去激励。
[0011] 有利地由此实现了，对于两个可能的电流方向可以应用单独的衰减元件。对于断 开第一线路，衰减元件经由开关元件与开关装置的正确的侧连接，从而在中断原本的电流 之后能够对线路电感去激励。由此不需要以各用于一个电流方向的方式使用两个或更多的 衰减元件。
[0012] 合适地，衰减元件包括一个或多个非线性电阻，特别是变阻器（Varistor)。
[0013] 在本发明的第一有利的构造中，第一和/或第二开关元件包括半导体开关，特别 是晶闸管。使用半导体开关允许控制精确的时间点，在该时间点在分离第一线路的情况下 实现了对于电感性驱动的电流的续流电路（Freilaufkreis)。还可以控制地再次中断续流 电路。
[0014] 在第二有利的构造中，第一和/或第二开关元件包括不受控的取决于电流方向的 开关元件，特别是半导体二极管。在此合适地分别使用二极管的串联电路。二极管在此合 适地从第一节点的角度来看导通，也就是从第一线路的角度来看是禁止的。由此实现了，在 通过开关装置分离第一线路的情况下不需要衰减元件的有源的接通。在正常状态下禁止的 二极管中的一个通过位于顺着电流的线路电感被切换为导通，因为该线路电感进一步推动 电流并且对于一定的时间产生相应的压降。由此在没有控制电路辅助的情况下通可靠地实 现了对于电流的续流电路，这保证了提高的安全性和开关的更简单的构造和运行。
[0015] 在另一种有利的构造中，第一和第二开关元件包括机械开关。此外，衰减元件包括 在第一和第二节点之间的另外的半导体开关。在此优选地，例如可以实现衰减元件与第一 线路的视觉上可验证的分离。如在第一构造中那样，在此也可以控制精确的时间点，在该时 间点在分离第一线路的情况下实现了对于电感推动的电流的续流电路。又可以控制地再次 中断续流电路。
[0016] 按照本发明的另一种构造和扩展，第一和第二开关元件是机械的或功率电子的转 换开关的部分。换言之，开关元件不是作为独立可控的开关，而是作为转换开关实现。按照 本发明的另一种构造，在此转换开关包括多于两个开关位置。在此合适地，电输出端中的一 个与接地或直流电网的第二线路连接。所有另外的电输出端合适地与多个开关装置的一侧 或另一侧连接。
[0017] 在另一种有利的构造中，转换开关被构造为多个并联的二极管。由此又实现了，转 换开关不需要控制装置，而是只要通过所连接的开关装置中的一个进行分离，就自动地开 辟续流电路。
[0018] 合适地，开关装置包括两个反向串联连接的混合开关，其分别具有不受控的取决 于电流方向的开关和可控的开关的并联电路。两个反向串联连接的混合开关在此如开头已 经描述的那样可以利用第一和第二接头嵌入到直流电压网的第一线路中。不受控的取决于 电流方向的开关优选地是半导体二极管，而可控的开关优选是真空开关管。
[0019] 此外，开关装置优选包括电流脉冲发生器，其被构造为用于响应于控制命令地产 生电流脉冲，从而可以短时地反转在混合开关中的一个中的电流方向。
[0020] 电流脉冲发生器在此合适地包括：至少一个电容性能量存储器和电感，其可以通 过可控的开关短时地彼此电连接；以及用于从直流电压网的电压向电容性能量存储器充电 和用于限制过电压的电路路径，该电路路径至少包含该能量存储器和/或串联电阻和截止 二极管。
[0021] 有利的是，用于限制过电压的附加的元件，特别是诸如变阻器的非线性电阻，与电 流脉冲发生器并联连接或集成在该电流脉冲发生器中。
[0022] 在此，一个优点是如下事实：在所描述的装置中不需要具有故障关键的、非耐冲击 电流的接触线路的半导体，诸如在IGBT晶体管中的键合线（Bonddmhte )。因为仅使用半 导体二极管和晶闸管，所以可以使用具有耐冲击电流的压力接触部的部件。
[0023] 特别地，所有按照本发明的子系统的任意的串联连接可能性能够实现独立于预定 的DC电网的电压而自由选择所使用的部件的额定电压。一个方面是与此相关的经济原因 和该部件在市面上很常见。但是由该特征得到的技术上更重要的自由度是可实现的DC开 关的开关速度的优化。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 本发明的其它合适实施方式和优点，是下面借助附图描述本发明的实施例的主 题，其中相同的附图标记指示相同作用的部件。附图中：
[0025] 图1示出了按照现有技术的来自于空间延伸的分支的直流电压网的片段，
[0026] 图2,图3和图6示出了原理的DC开关装置，
[0027] 图4和图5示出了 DC开关装置的运行状态，
[0028] 图7示出了分支的直流电压网的节点，
[0029] 图8示出了用于节点的替换的转换开关。

【具体实施方式】
[0030] 图1示意性示出了按照现有技术的来自于空间延伸的分支的直流电压网的片段 10。变压器11产生在线路21上的高的直流电压。线路21在所示的片段中具有DC开关 12,在该DC开关的一侧是第一节点17并且在其另一侧是节点18。DC开关12被构造为，借 助短的电流脉冲允许DC断路器短时无电流，由此可以断开线路21。
[0031] 在断开线路21之后线路电感15、16继续驱使电流流动并且必须确保能量的消耗。 在按照图1的结构中为此设置两个分开的衰减环节13、14。第一衰减环节13在第一节点 17处连接到DC开关12的第一侧上，而第二衰减环节14在第二节点18处连接到DC开关 12的第二侧上。根据之前的电流流动方向，电流在断开之后按照第一箭头19流过第一衰减 环节13或按照第二箭头20流过第二衰减环节14。也就是对于两个可能的电流方向需要两 个单独的衰减环节13、14。这两个衰减环节必要时是位置上分开的。
[0032] 图2示出了按照本发明的第一 DC开关装置100的第一示例，其仍处于空间延伸的 分支的直流电压网中。与图1中一样在此在线路21中设置DC开关12。但是替代单独的衰 减环节13、14在第一 DC开关装置100中仅设置第一衰减环节101。第一衰减环节101包 括变阻器102和与之串联的晶闸管103。随后，第一衰减环节101分支为第一和第二机械 开关104、105。第一机械开关104在晶闸管103旁边与第一节点17连接，而第二机械开关 105在晶闸管103旁边与第二节点18连接。
[0033] 在DC电网的正常运行状态下机械开关104、105是断开的。但是如果要进行去激 励，则闭合机械开关104U05中的一个并且然后触发晶闸管103,从而能够使电流流过第一 衰减环节101。图4示出了在电流从第一节点17向第二节点18流动的情况下对于去激励 的开关状态。在此，第二机械开关105闭合，而第一机械开关104断开。在此已经触发了晶 闸管103,从而能够实现通过箭头表示的电流流动。图5又示出了在电流从第二节点18向 第一节点17流动的情况下对于去激励的开关状态。在此，第一机械开关104闭合，而第二 机械开关105断开。在此同样已经触发了晶闸管103,从而能够实现通过箭头表示的电流流 动。
[0034] 在图3中示出了无需机械开关104、105就已足够的替换的实施例。在此再次重复 图2的大部分元件，但是替代第一衰减环节101设置第二衰减环节111。第二衰减环节111 除了变阻器102之外还包括第一和第二晶闸管112、113,其中第一晶闸管112与第一节点 17连接并且第二晶闸管113与第二节点18连接。
[0035] 在第二衰减环节111的情况下在正常状态下晶闸管112、113不触发。但是如果要 进行去激励，则相应于在断开之前存在的电流方向触发两个晶闸管112U13中的一个并且 由此又允许用于去激励的电流流动。
[0036] 在图6中示出了第三实施例。在此使用第三衰减环节120。第三衰减环节120替 代第二衰减环节111的晶闸管112U13包括二极管121、122,这些二极管从线路21的角度 来看为截止。其由此阻止了在任意时间经过第三衰减环节的短路，但是在需要去激励的情 况下允许来自于变阻器102的方向的电流流动。具有优势地，在第三衰减环节120中根本 不需要有源的电路。在断开之后通过线路电感15、16产生的电压自动供给通过二极管121、 122的线路。
[0037] 图7示出了对于本发明的第四实施例。图7示出了 DC电网的节点200。节点200 包括第一 AC/DC变压器201，该第一 AC/DC变压器的DC输出端引导至母线205。三个输出 端与母线相连接，这些输出端分别经由第一 DC开关214. .. 216引导至各一个第二DC开关。 另外的AC/DC变压器202. . . 204与第二DC开关连接，这些另外的AC/DC变压器的输出端分 别引导至另外的未在图7中示出的AC电网。换言之，从第一变压器201的角度来看，三个 DC支路并联连接。
[0038] 节点200现在特别地具有可切换的衰减环节210。可切换的衰减环节210具有与接 地连接的变阻器217和与之串联连接的晶闸管218。布置还与之串联连接的转换开关219。 转换开关219又被构造为，其可以建立与三个并联的DC支路中的一个的连接以分别形成DC 线路211、212、213。此外，存在与母线连接的抽头和直接连接到接地的另一个抽头。
[0039] 可连接的衰减环节210由此为DC开关214、215、216的去激励过程提供衰减元件 217并且不必多次实施。将以变阻器217形式的衰减元件与各个输出端或与母线205连接， 以便允许去激励。在此，通过与母线205的可能的连接同样又能够实现对于两个可能的电 流方向的去激励。
[0040] 对于可切换的衰减环节210的替换的实施可能性作为图8中第二可切换的衰减环 节220示出。第二可切换的衰减环节220与按照图7的可切换的衰减环节210 -样地连 接到节点200。同样具有变阻器217。但是在第二可切换的衰减环节220中取消了晶闸管 218, 并且转换通过一系列从变阻器217的角度来看并联连接的二极管221来替代转换开关 219。 二极管221合适地从变阻器217的角度来看为导通，从DC电网的角度来看是禁止的。 取消二极管与接地的连接。与在按照图6的第三实施例中一样地，现在对于去激励不再需 要有源的电路，因为由线路电感建立的电压自动地将二极管221置于导通状态下。
【权利要求】
1. 一种用于在直流电压网中切换的装置，具有：用于中断在直流电压网的至少一个第 一线路（21，211，212,213)中的电流的开关装置（12)，其中所述开关装置（12)能够利用第 一和第二接头（17,18)嵌入到直流电压网的第一线路（21，211，212, 213)中；和用于能量消 耗所施加的端电压的衰减环节（101，111，120, 210, 220)，所述衰减环节具有 -第一和第二节点，其经由衰减元件（102, 217)电连接， -从第一节点经由受控或不受控的第一开关元件（104,112,121，221)至第一接头（17) 的电连接， -从第一节点经由受控或不受控的第二开关元件（105,113,122, 221)至第二接头（18) 的电连接。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一和/或第二开关元件（104,112,121， 221，105,113,122,219)具有不受控的、取决于电流方向的开关元件（121，122,221)，特别 是半导体二极管（121，122, 221)。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一和/或第二开关元件（104,112， 121，221，105，113，122,219)具有半导体开关（112，113)，特别是晶闸管（112，113)。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一和第二开关元件（104，112，121，221， 105，113，122,219)包括机械开关（104，105,219)，并且其中，所述衰减环节（101，210)包括 在第一和第二节点之间的另外的半导体开关（13, 218)。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述衰减元件（102,217)包括一个 或多个变阻器元件（102, 217)。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一和第二开关元件（104， 112,121，221，105,113,122)是机械的或功率电子的转换开关（219, 221)的部分。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述开关装置（12)具有两个反向串 联连接的混合开关，该混合开关分别具有不受控的取决于电流方向的开关和可控的开关的 并联电路。
8. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述开关装置（12)具有电流脉冲发生器，该电流 脉冲发生器被构造为用于响应于控制命令地产生电流脉冲，从而能够短时地反转在混合开 关中的一个中的电流方向。
9. 根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述不受控的取决于电流方向的开关是半导 体二极管。
10. 根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其中，所述可控的开关是真空开关管。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电流脉冲发生器包括至少一个 电容性能量存储器和电感，其能够通过可控的开关短时地彼此电连接，以及用于从直流电 压网的电压向电容性能量存储器充电和用于限制过电压的电路路径，该电路路径至少包含 该能量存储器和/或串联电阻和截止二极管。
12. 根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，用于限制过电压的附加的元件，特 别是诸如变阻器的非线性电阻，与所述电流脉冲发生器并联连接或集成在所述电流脉冲发 生器中。
13. -种用于分离直流电网的方法，其中 _提供开关装置（12)并且利用第一和第二接头将其嵌入到直流电压网的第一线路 (21，211，212,213)中， -提供衰减环节（101，111，120,210,220)并且所述衰减环节（101，111，120,210,220) 经由受控或不受控的第一开关元件（104,112,121，221)与第一接头连接并且经由受控或 不受控的第二开关元件（105,113,122, 221)与第二接头连接， -通过所述开关装置（12)产生电流脉冲，从而短时地引起电流反向， _在电流反向期间断开所述开关装置（12)， -建立在所述衰减环节（101，111，120, 210, 220)与开关装置（12)的处于电流方向上的 接头之间的电连接，以便对耗电器侧的线路电感（15,16)去激励。
【文档编号】H01H33/59GK104380421SQ201380029775
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月15日 优先权日:2012年6月13日
【发明者】E.加克斯奥拉, A.舍恩 申请人:西门子公司