专利名称：用于高压电力系统的电力设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高压电力系统的电力设备，该电力设备包括电压源变换器和包括 一个或多个串的高压直流电源，所述串包括串联连接的多个直流电源构件以及配置为连接 和断开所述串的开关。高压电力系统应当被理解为在3kV及以上的范围、优选在10千伏及 以上的范围内的电气系统。高压直流电源应当被理解为串联连接以便在3kV及以上的范围 内的直流电源构件。电力设备是指能够控制无功功率和/或有功功率的设备。电力设备的 示例是功率补偿器和不间断电源(UPS)。高压电力系统可以是用于传送或分配电能的网络 以及工业设施、医院之类。
背景技术：
功率补偿器用于控制高压电力系统的无功功率。功率补偿器能够产生以及吸收无 功功率。功率补偿器包括具有直流侧和交流侧的电压源变换器(VSC)。电压源变换器的交 流侧连接到高压电力系统。为了能够控制无功功率，电压源变换器的直流侧配备了直流电 源。当今的直流电源是高压电池。因为电力设备连接到高功率电气系统的交流电压， 所以必须串联连接多个电池电芯来匹配电力设备的直流电压。此外，为了获得期望的有源 功率和能量存储持续时间，必须并联连接大量包括多个电池电芯的串。此外，在比如短路的故障的情况下，必须保护电力设备。因此每个串中提供两个开 关以便在变换器、串、或者串的一部分短路时断开该串。一个开关能够从变换器的正直流轨 断开该串，并且另一个开关能够从变换器的负直流轨断开该串。每个开关必须额定用于整 个变换器电压，以便能够保护电力设备。直到现在，还一直在使用机械直流断路器作为用于连接和断开串的开关。然而，直 流断路器的可用性受到限制，并且这些断路器的额定值相当低而且低于高压电力系统中所 要求的电压额定值。为了克服该问题，已经使用机械交流断路器，其具有一些附加电路，比 如与交流断路器并联连接的谐振电路。这些附加的电路使得机械交流断路器鲁棒性降低、 昂贵并且有空间要求，而且对于电路参数特别敏感。固态开关是一种电子开关，其不同于机械断路器，不包含移动部件。在市场上存在 能够将机械交流断路器更换为固态开关的期望。然而，在市场上，并没有可获得的如下固态 开关，该固态开关具有的电压额定值高到足够替换电力设备中用于断开和连接用于高压电 力系统的电力设备的串的机械交流断路器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电力设备，其使得能够以有利的方式用固态开关替 代机械开关。根据本发明，该目的通过由其特征在于独立权利要求1中的特征的电力设备而实 现。
根据本发明的电力设备，其特征在于，每个串被细分成多个直流电源单元，每个直 流电源单元包括串联连接的多个直流电源构件，并且每个直流电源单元配备有配置为连接 和断开该直流电源单元的一个固态开关，并且该串中的所有固态开关布置为使得它们被同 时接通或断开。直流电源构件表示能够提供直流电的小型实体，比如电池电芯，光伏电池，燃料电 池，或者超级电容器。不同类型的直流电源构件也可以在电力设备中组合。通过将串细分成多个直流电源单元，沿着串分布多个直流电源单元，以及为每个 直流电源单元提供固态开关，可以降低每个固态开关必须断开的电压电平，因此可以使用 市场可获得的固态开关。串的划分方式使得每个直流电源单元上的电压适配于开关的断开 (breaking)能力。根据这一特征，与其中由固态开关替换分别相邻于正和负直流轨放置的 现有技术机械直流断路器的解决方案相比，可以将开关数量降少一半。通过使用固态开关，电力设备具有复杂度低、要求空间更少的开关，其对于电路参 数较不敏感，并且其操作更可靠和鲁棒。串中的所有开关布置为使得它们被同时接通和断开，意味着每个开关在串断开时 只需要承受其对应的直流电源单元上的电压。该实施方式消除了由于串中的某些开关比其 他开关更早断开而引起过电压的风险。根据本发明的电力设备实现的另一优点在于，通过将串细分成多个直流电源单 元，并且为每个直流电源单元配备配置为连接和断开该直流电源单元的固态开关，就可以 在使用现有技术解决方案不可能进行保护的情况下，断开电力设备并对其进行保护使其免 受短路电流。本发明使得可以在直流电源构件的串联连接中断开在串中内部发生的短路电 流，从而避免直流电源构件由于内部短路产生的过热而受到损坏。利用根据本发明的电力 设备，与其中开关布置为断开整个串的现有技术相比，每个开关布置为断开较少数量的直 流电源构件。因此，显著增加了保护电力设备免受短路的可能性，并且仍然在直流电源单元 中发生的内部短路将具有较小的破坏性。固态开关例如是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。根据本发明的一个实施方式，直流电源构件是电池电芯。通过使用电池电芯作为 直流电源构件，可以在高压电力系统中有过多的电力可用的场合下用能量对高压直流电源 进行充电，以便在系统中缺少电力的其他场合使用。根据本发明的一个实施方式，每个开关包括与可控半导体反向并联连接的整流构 件。由此，可以利用来自高压电力系统的过多电力对直流电源构件充电。根据本发明的一个实施方式，开关布置为是双向的。利用双向开关，就可以不仅控 制从直流电源到变换器的电流，还控制相反方向的电流。根据本发明的一个实施方式，每个直流电源单元布置为向所述开关提供电力。通 过向开关馈送来自直流电源单元的电力，不需要布置额外的电路来向开关提供电力。此外， 由于开关和直流电源单元的负极侧具有相同的电势，电流隔离问题较小，从而得到更简单 并更便宜的解决方案。根据本发明的一个实施方式，直流电源单元具有正极侧和负极侧，开关包括具有 集电极、发射极和栅极的晶体管，并且晶体管的发射极与直流电源单元的负极侧连接。通 过改变栅极和发射极之间的电压，可以控制集电极和发射极之间的电阻，因此可以确定在某一电压下流过晶体管的电流。为了接通晶体管，栅极和发射极之间的电压被设置为大约 15V。如果电压降低，流过晶体管的电流将降低并且在大约5V的某个栅极-发射极电压下， 晶体管已完全关断了流过直流电源单元的电流。通过将晶体管的发射极连接到直流电源单 元的负极侧，将直流电源单元的正极侧连接到栅极的附加电路可以非常简单，并且消除了 电流隔离的问题。根据本发明的一个实施方式，每个开关布置为测量可控半导体上的电压，每个串 配备了串控制单元，该串控制单元配置为控制串的开关并且在检测到串的任一半导体上的 电压高于阈值时，指令开关断开串的直流电源单元。串控制单元控制串中的所有开关，并且 确定分别何时接通和断开每个开关。如果开关检测到其对应的可控半导体上的电压高于阈 值，信号被发送到串控制单元，该串控制单元指令串中的所有开关断开串的直流电源单元。 当检测到串的任一半导体上的电压高于阈值时断开串的所有直流电源单元保证了快速断 开故障的串。否则，增加的电流可能损坏同一或其他串中的其他直流电源单元，且具有损坏 整个电力设备的风险。根据本发明的一个实施方式，每个开关布置为测量可控半导体上的电压，每个串 配备了电流测量装置，该电流测量装置布置为测量流过串的电流，所述电力设备包括主控 制器，其配置为从电流测量装置接收电流测量值，以及接收关于直流电源中的哪些半导体 具有高于阈值的电压的信息，以及基于接收的测量电流值和接收的关于直流电源中的哪些 半导体具有高于阈值的电压的信息，定位故障的直流电源单元。主控制器连接到直流电源 中的每个串控制单元并且能够与串控制单元交换信息。如果开关检测到其对应的可控半导 体上的电压高于阈值，信号被发送到串控制单元，该串控制单元指令串中的所有开关断开 串的直流电源单元。信号还包含关于直流电源中的哪些半导体具有高于阈值的电压的信 息。将该信息与电流测量值组合用于定位一个或多个故障直流电源单元。当定位了故障直 流电源单元时，就可以替换该故障单元。由于直流电源单元的数量可能非常大，能够定位故 障直流电源单元是非常有利的。根据本发明的一个实施方式，开关为限流型。由此可以通过测量可控半导体上的 电压而识别流过直流电源单元的短路电流。本发明的另一目的是提供一种控制和监管根据本发明的电力设备的方法。所述方法包括以下步骤测量所述可控半导体上的电压，检测一个串的任一半导体上的电压是否高于阈值，以及在检测到该串的任一半导体上的电压高于阈值时，指令开关断开串的直流电源单兀。该方法使得可以通过测量固态开关的可控半导体上的电压来检测每个直流电源 单元中的故障，并且在检测到故障时断开整个串。根据本发明的一个实施方式，该方法包括以下步骤测量可控半导体上的电压，检测所述串中一个串的任一半导体上的电压是否高于阈值，在检测到该串的任一半导体上的电压高于阈值时，指令开关断开该串的直流电源 单元，
测量流过每个串的电流，以及基于接收的测量电流值和直流电源中的哪些半导体具有高于阈值的电压，来定位 故障的直流电源单元。该实施方式使得可以定位一个或多个故障的直流电源单元并因此可 以替换故障的单元。
将参考附图以示例方式更完整地描述本发明，附图中图1示出根据本发明的电力设备的实施方式。图2示出根据本发明的电力设备的控制系统的实施方式。图3示出包括多个直流电源构件的直流电源单元。
具体实施例方式图1示出根据本发明的一个实施方式的用于高压电力系统19的电力设备1。在所 有附图中，相同的附图标记用于相同或者对应的部件。该电力设备包括高压直流电源3，其 在下文中称为直流电源3。为了能够不仅产生和吸收无功功率，还产生和吸收有源功率，将 直流电源3连接到电压源变换器2的直流侧，该电压源变换器2在下文称为变换器2。变换 器的交流侧连接到高压电力系统19。直流电源3包括根据期望的有源功率的量而并联连接的一个或多个串。在图1中 示出的示例中，示出三个串4a、4b、4c。每个串如、4b、如包括串联连接的多个直流电源构件 8、10、12。串联连接中的直流电源构件的数量取决于它们所连接的电压源变换器2的电压 电平以及串^、4b3c中使用的直流电源构件的电压电平。直流电源构件可以是不同类型 的，比如电池电芯、光伏电池，燃料电池以及超级电容器。也可以组合这些不同类型。每个串如、仙、如被细分为多个直流电源单元。在图1中示出的示例中，示出三个 直流电源单元8、10、12，其包括图1中未示出的多个直流电源构件。每个直流电源单元8、
10、12配备有固态开关9、11、13，其在下文被称为开关。开关9、11、13配置为连接和断开对 应的直流电源单元8、10、12。串中的所有开关9、11、13布置为使得它们被同时接通和断开， 这意味着当串如、413、如断开时每个开关9、11、13仅须承受其对应的直流电源单元8、10、12 上的电压。直流电源单元8、10、12的电压适配于开关9、11、13的断开能力。然而，开关9、
11、13趋向于不完全同步地建立电压。某些开关9、11、13趋向于早于其他开关而断开，这对 每个串^、4b、k中早断开的那些开关9、11、13很容易造成过电压出现。该问题例如根据 授予Bijlenga的专利US 5946178，借助于在每个开关9、11、13处的过电压器件而得以解 决，从而限制在单个的开关9、11、13上的过高的电压增长。在对直流电源3或者对变换器2维修或者维护之前以及在故障中，需要从变换器2 断开串4a、4b、4c。然而，可能会发生在直流电源单元8、10、12内的内部发生短路电流。由 于开关9、11、13沿着串如、413、如分布的事实，内部短路的风险将会降低，而仍然在直流电 源单元8、10、12内发生的内部短路电流将引起较低的短路电流，因为串联连接的直流电源 构件的数量将会降低。在最接近正直流轨17的直流电源单元8的负极侧与直流轨17自身之间短路的情 况下，在短路电流的路径中需要开关7以便能够断开直流电源单元8。因此，将额外的开关7连接到直流电源单元8的正极侧，如图1所示。断路器5、6放置在串中与正直流轨17相邻之处，且放置在串中与负直流轨18相 邻之处。对于在对直流电源3或者对变换器2的工作过程中的安全原因而言，断路器5、6 可能是有利的。还可以类似于开关7、9、11、13的分布而沿每个串分配多个较小的断路器。每个开关7、9、11、13包括可控半导体以及整流构件，在该实施方式中，可控半导 体为晶体管14，在该实施方式中整流构件为二极管15，其与晶体管14反向并联连接，这使 得能够当可以获得过多的电力时用来自高压电力系统19的电力对直流电源单元8、10、12 充电。每个直流电源单元8、10、12布置为使得它们向对应的开关9、11、13提供接通和断 开开关所需的电力。每个直流电源单元8、10、12具有正极侧和负极侧。在图1中公开的实施方式中， 每个开关包括具有集电极、发射极、和栅极的晶体管14。直流电源单元和开关串联布置。每个直流电源单元布置在两个相邻的开关之间， 并且晶体管14的发射极连接到直流电源单元8、10、12之一的负极侧，而晶体管14的集电 极连接到另一直流电源单元的正极侧。通过改变栅极和发射极之间的电压，可以控制集电 极和发射极之间的阻抗，从而可以确定在某一电压下通过晶体管14的电流。为了接通晶体 管14，栅极和发射极之间的电压设置为大约15V。如果电压降低，流过晶体管14的电流将 降低，并且在大约5V的某个栅极-发射极电压，晶体管14已完全关断了流过直流电源单元 的电流。通过将晶体管14的发射极连接到直流电源单元的负极侧，将直流电源单元的正极 侧连接到栅极的附加电路可以非常简单并且消除了电流隔离问题。开关7、9、11、13可以布置为是双向的。利用双向开关不仅可以控制从直流电源3 流向变换器2的电流，而且还可以控制相反方向的电流。变换器2和直流电源3的连接仅 在它们的电压电平类似时是可行的。如果变换器2的电压电平比直流电压源3更高，冲击 电流将流过直流电源单元8、10、12。结果，直流电源单元8、10、12受到热应力，这意味着寿 命降低。因而，利用双向开关，可以控制直流电源单元的充电。图2示出本发明的一个实施方式，其中每个开关9、11、13布置为测量在其可控半 导体上的电压。在图2中示出的示例中，仅显示了一个串4a。每个串^、4b、k配备有串控 制单元20a、20b、20c，其配置为经由优选为纤维光缆的连接装置控制其对应的串^、4b、k 的开关，并分别指令开关何时接通和断开。在图2的示例中，串控制单元20a配置为控制串 4a的开关9、11、13。串控制单元20b配置为控制串4b的开关而串控制单元20c配置为控 制串4c的开关。串控制单元配置为生成同时接通和断开串的开关的信号23、25、27。串中的每个开关包括栅极单元观『观(3，配置为检测何时可控半导体上的电压高 于阈值，以及生成包括关于电压何时高于阈值的信息的信号22、24、沈。信号22、24J6经 由连接装置而被发送到串控制单元20a以告知串控制单元20a已经检测到了过高的电流， 可能是短路故障，串控制单元20a将会立即指令串如中的所有开关9、11、13断开其对应的 直流电源单元8、10、12。该解决方案将确保故障串如的快速断开。如果没有快速断开，增 加的电流可能会损坏同一串或者其他串中的其他直流电源单元8、10、12，且具有损坏整个 电力设备的风险。由于开关9、11、13与其对应的直流电源单元8、10、12串联连接，相同的 电流将经过开关和直流电源单元。因此，如果开关9、11、13是限流型的，流经直流电源单元8、10、12的过高的电流将引起开关9、11、13上增加的电压。该增加的电压将使得栅极单元 ^a-28c能够生成给串控制单元20a的信号22、24、沈，该信号将导致直流电源单元8、10、12 的断开。串可以还配备电流测量装置，其布置为测量流经串的电流。在其中仅示出一个串 如的图2中所示出的示例中，串如配备了电流测量装置M，其布置为测量流经串如的电 流。电力设备可以还包括主控制器21，配置为从电力设备中的串控制单元接收电流测量值。 主控制器21经由优选为纤维光缆的连接装置连接到直流电源3中的每个串控制单元20a、 20b、20c，并且能够与串控制单元20a、20b、20c交换信息。主控制器和串控制单元包括适当 的处理装置，比如中央处理单元，且包括用于储存测量值的存储器装置。串控制单元从对应 的电流测量装置接收电流测量值。在图2中，主控制器21经由串控制单元20a从电流测量 装置M接收串如中的电流测量值。此外，主控制器21经由串控制单元20a、20b、20c接收 关于直流电源3中的哪个可控半导体具有高于阈值的电压的信息。主控制器M配置为基 于来自电流测量装置的电流测量值以及关于哪个开关具有高于阈值的电压的信息，确定哪 个直流电源单元发生了故障。因此，可以定位故障的直流电源单元。在图3中，示出上述直流电源单元的更详细示例说明。在图3中示出的示例中，直 流电源单元8示出为包括串联连接的多个直流电源构件30a-30e。每个直流电源单元8、 10、12上的电压适配于开关9、11、13的断开能力。因此，直流电源构件的数量通常比该示 例中示出的数量高得多，该示例中为了清楚的原因仅有5个直流电源构件30a-30e串联连 接。在典型应用中，直流电源单元8、10、12将包括五百到三千(500-3000)个直流电源构件 30a-30eo通常，在每个串^、4b、k中分配三到五个直流电源单元8、10、12。
权利要求
1.一种用于高压电力系统(19)的电力设备(1)，该电力设备包括电压源变换器(2)和 包括一个或多个串Ga、4b、4c)的高压直流电源(3)，所述一个或多个串Ga、4b、4c)包括串 联连接的多个直流电源构件O0a-20e)以及配置为连接和断开所述串的开关(9、11、13)， 其特征在于，所述开关为固态开关，每个串被细分成多个直流电源单元(8、10、12)，每个直 流电源单元包括串联连接的多个直流电源构件，并且每个直流电源单元配备有配置为连接 和断开该直流电源单元的所述固态开关其中之一，并且该串中的所有固态开关布置为使得 它们被同时接通或断开。
2.根据权利要求1的电力设备，其特征在于，所述直流电源构件是电池电芯。
3.根据任一前述权利要求的电力设备，其特征在于，每个开关包括可控半导体。
4.根据权利要求3的电力设备，其特征在于，每个开关包括与所述可控半导体反向并 联连接的整流构件(15)。
5.根据任一前述权利要求的电力设备，其特征在于，所述开关布置为是双向的。
6.根据任一前述权利要求的电力设备，其特征在于，每个直流电源单元布置为向所述 开关提供电力。
7.根据任一前述权利要求的电力设备，其特征在于，所述直流电源单元具有正极侧和 负极侧，所述开关包括晶体管(14)，并且该晶体管的发射极连接至所述直流电源单元的负 极侧。
8.根据权利要求3的电力设备，其特征在于每个开关布置为测量所述可控半导体上的电压，每个串配备有串控制单元O0a、20b、20c)，其配置为控制该串的所述开关，并且在检测 到该串的任一半导体上的电压高于阈值时，指令开关断开该串的直流电源单元。
9.根据权利要求3的电力设备，其特征在于每个开关布置为测量所述可控半导体上的电压，每个串配备有电流测量装置(M)，其布置为测量通过该串的电流，所述电力设备包括主控制器(21)，其配置为从电流测量装置接收电流测量值，以及接 收关于直流电源中的哪些半导体具有高于阈值的电压的信息，以及基于接收的测量电流值 和所述接收的关于直流电源中的哪些半导体具有高于阈值的电压的信息，来定位故障的直 流电源单元。
10.根据任一前述权利要求的电力设备，其特征在于，所述开关为限流型。
11.一种用于控制和监管根据权利要求3的电力设备的方法，其特征在于，所述方法包括测量所述可控半导体上的电压，检测所述串中一个串的任一半导体上的电压是否高于阈值，以及在检测到该串的任一半导体上的电压高于阈值的情况下，指令所述开关断开该串的直 流电源单元。
12.根据权利要求11的方法，其中该方法还包括测量通过每个串的电流，以及基于接收的测量电流值和所述直流电源中的哪些半导体具有高于阈值的电压，来定位 故障的直流电源单元。
全文摘要
本发明涉及一种用于高压电力系统(19)的电力设备(1)，该电力设备包括电压源变换器(2)和包括一个或多个串(4a、4b、4c)的高压直流电源(3)，所述一个或多个串(4a、4b、4c)包括串联连接的多个直流电源构件(20a-20e)以及配置为连接和断开所述串的开关(9)、(11、13)，其中所述开关为固态开关，每个串被细分成多个直流电源单元(8、10、12)，每个直流电源单元包括串联连接的多个直流电源构件，并且每个直流电源单元配备有配置为连接和断开该直流电源单元的所述固态开关其中之一，并且所述串中的所有固态开关布置为使得它们被同时接通或断开。
文档编号H02M1/32GK102067421SQ200880129875
公开日2011年5月18日 申请日期2008年6月17日 优先权日2008年6月17日
发明者B·尼格伦, F·霍西尼, G·德梅特拉德斯, J·R·斯文森 申请人:Abb研究有限公司