专利名称：具有变流器的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，-具有变流器，该变流器通过短路保护装置与直流电压电路相连，-所述装置至少部分地设置在直流电压电路中并且被构造为用于抑制在直流电压 电路中的通过变流器流过的短路电流，并且-具有一个或多个可控功率半导体，-其中与至少一个可控功率半导体并联设置保护元件。
背景技术：
这样的装置在DE69837414T2中已经公知。那里描述了一种具有自换向变流器(所 谓的电压源变流器)的装置，该变流器连接在交流电网和直流电网之间并且用于在直流电 网和交流电网之间传输电功率。为此，变流器将直流电压转换为交流电压或者反之。该装 置还包括短路保护装置，后者被设置在直流电网中并且具有多个串联连接的可控功率半导 体，其中，分别与每个可控功率半导体并联设置一个过压防护放电器。为了使得在直流电网中出现的短路不会毁坏变流器的组件，短路保护装置将直流 电压电路中的电流限制到一个可接受的高度。为此，将可控功率半导体的至少一个转换到 其截止状态。于是在截止的功率半导体上快速得到一个电压上升。作为保护元件，与截止 的功率半导体并联设置一个过压防护放电器，该过压防护放电器从一个电压阈值起低阻抗 地起作用。通过将短路电流通过该然后变为低阻的过压防护放电器传导，在直流电路中得 到保护变流器的电流限制。因为短路电流的大小是不可预见的，所以在该现有技术的范围内要控制的功率半 导体的数量和必要时还有其控制频率要与各种情况匹配。用于控制该装置的相对的调节开 销隐藏着如下的危险不能足够快地充分限制突然出现的短路电流。这会导致变流器组件 的损坏。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头提到种类的装置，其可靠地 防止在直流电网中出现的短路的负面影响。本发明通过如下解决上述技术问题保护元件是储能器。按照本发明，保护元件用于安全中断短路电流，方法是，保护元件是储能器。与此 相反，按照现有技术，保护元件用于限制短路电流，方法是，保护元件是过压防护放电器。这 点使得按照本发明的短路保护装置安全和快速地中断短路电流，而不会存在损坏短路保护 装置的截止的功率半导体中的一个的危险。与此相反，按照现有技术，借助公知的短路保护 装置逐级地限制短路电流，从而在电流限制期间具有损坏变流器组件的危险。这样选择按照本发明的短路保护装置的一个或者多个必要时串联的可控功率半 导体的数量，使得在出现短路电压的情况下在同时截止的功率半导体上的任何一个上都不会降落超过该功率半导体的耐压的电压。换言之，短路保护装置的一个或多个可控功率半 导体被构造为截止最大出现的短路电压。与可控功率半导体的至少一个并联的储能器用 于，在控制功率半导体时的小的时间上的差和由此在断开功率半导体中的小的差，不会导 致在组件上降落的电压的对于功率半导体来说是有害的错误分布。具有变流器的装置例如是高压直流传输设备(HGtT设备)的部件。这样的HGtT 设备能够将以交流电压形式提供的电能通过在变流器中将交流电压变换为直流电压，通过 直流电网的长的距离上传输，其中，电能在到达地通过另一个变流器被变换回交流电压。在 此，两个变流器具有相同的结构并且每个变流器按照本发明能够通过至少一个短路保护装 置针对在直流电网中出现的短路进行保护。但是，具有变流器的装置还可以是轨道车辆的 电气传动装置的一部分。按照本发明的装置当然不限于所提到的实施例。如已经解释的那样，变流器用于将交流电压转换为直流电压以及反过来。这样的 变流器的结构是公知的。例如可以是按照两点或三点技术具有直流电压中间电路的所谓的 自换向变流器或者是具有直流电压中间电路和多级拓扑结构的自换向变流器(所谓的模 块化多级电压源变流器)。这样的变流器的结构是公知的并且包括子模块的串联电路，子模 块包括一个或多个可控功率半导体以及分别与之反并联设置的续流二极管。在直流电网中 出现短路的情况下形成一个由交流电网驱动的电流，通过变流器中的续流二极管到引起短 路的错误位置。在此，遭受短路电流的续流二极管被损坏。为了避免这点，按照本发明在直 流中间电路中设置了中断短路电流的短路保护装置。而借助常规的机械连接的断路器不可 能比较快地中断短路电流。优选地，储能器是电容器。在此，这样设计与可控功率半导体并联的电容器，使得功率半导体的截止不会导 致在功率半导体上降落的电压跳变性上升，并且由此在功率半导体的截止之间的小的时间 上的差，不会导致电压在串联电路上的对于该功率半导体来说是有害的错误分布。优选地还是，与每个可控功率半导体分别反并联地连接一个二极管。此外，该所谓的续流二极管还用于针对在可控功率半导体截止时的过电压进行保 护。这些过电压通过在待断开的短路电流电路中的电感产生。通过续流二极管避免了这样 的电压峰值。优选地还是，相对地设置至少两个在串联电路中相继的可控功率半导体，并且由 一个共同的电容器跨接。按照该实施例，短路保护装置与短路电流的电流方向无关地中断短路电流。这使 得可以在如下设备中采用按照本发明的装置在该设备中电流在直流中间电路中可以在两 个方向流动。优选地还是，变流器包括功率半导体阀，该功率半导体阀分别具有子模块的串联 电路并且短路保护装置包括子模块的串联电路，其中，短路保护装置的子模块和变流器的 子模块被相同地构造。标准组件的使用降低了按照本发明的装置的购置成本。按照本发明的优选实施方式，子模块具有两个串联的同向布置的可控功率半导 体，其由一个共同的电容器跨接。按照本发明的另一个优选构造，该装置具有用于采集短路电流的检测装置，以及用于控制短路保护装置的至少一个功率半导体的控制装置，其中，该检测装置通过通信线 与该控制装置相连。按照本发明的另一种优选的构造，可控功率半导体是具有绝缘门电极的双极晶体 管(IGBT)。优选地还可以的是，可控功率半导体是晶闸管。
本发明的其他优点和构造是结合附图对本发明的实施例的描述的内容，其中相同 作用的组件具有相同的附图标记，并且其中图1示意性示出了按照两点技术在自换向变流器(VSC)中的短路电流路径，图2示意性示出了具有所谓的多级拓扑结构的自换向变流器(VSC)中的短路电流 路径，图3示意性示出了按照本发明的装置的第一实施例，图4示意性示出了按照本发明的短路保护装置的第二实施例的局部，图5示意性示出了按照本发明的短路保护装置的第三实施例的局部，图6示意性示出了按照本发明的短路保护装置的第四实施例的局部。
具体实施例方式图1示出了按照两点技术的自换向变流器3(VSC)，其被构造为用于在交流电网 1和直流电网2之间的功率传输。为此，具有三相的交流电网1分别利用一个交流电压接 头fe、5b、5c连接到变流器3的三个相模块支路^、4b、k的一个上。三个相模块支路4a、 4b、4c的每一个都具有用于连接到直流电网2的两个直流电压接头6al、6a2、6b 1、6b2、6c 1、 6c2。相模块支路^、4b、k具有子模块8的串联电路，在图1中每个阀支路分别示出其中 的两个。然而，子模块的数量在本发明的范围内是任意的并且还可以大于100个。每个子 模块8通过可控功率半导体9和反向的续流二极管10的并联电路实现。与三个相模块支 路^、4b、k并联连接变流器3的中间电路电容器7。在直流电压电路中通过位置12表示的短路的情况下，除了别的之外还形成一个 由交流电网2馈入的沿着短路电流路径13的短路电流。该短路电流路径13例如从多个可 能的短路电流路径中选出。位于短路电流路径13上的续流二极管14、15、16、17以及中间 电路电容器7由于沿着短路电流路径13的高的电流在短时间之后就被毁坏或损坏。图2示出了在自换向变流器18 (VSC)中的短路电流路径，其中，变流器18与图1不 同，是按照所谓的多级拓扑结构构造的。相模块支路19a、19b、19c仍分别通过交流电压接 *^i、5b、5C连接到交流电网1的一相并且通过两个直流电压接头6al、6a2、6bl、6b2、6cl、 6c2连接到直流电网2。然而，关于图1的变流器3，相模块支路19a、19b、19c的串联连接的 子模块20具有不同的结构。特别地，按照图1的中央电容器的电容在图2中示出的实施例 中被分布到多个子模块上。因此，子模块的每个都具有一个本身的电容器。此外，每个电容 器21都与一个由同向布置的可控功率半导体22组成的串联电路并联连接，与可控功率半 导体分别反并联设置一个续流二极管23、25。在直流电网2中出现短路12的情况下沿着短路电流路径M仍形成一个由交流电网2馈入的短路电流。该短路电流路径M例如也是从多个可能的短路电流路径中选出。位 于短路电流路径对上的续流二极管23、26、27、28由于沿着短路电流路径M的高的电流而 在短时间内被毁坏或损坏。图3示出了按照本发明的具有变流器四的装置的第一实施例，该变流器利用交流 电压接头fe、5b、5c连接到交流电网1并且利用直流电压接头6al、6a2、6bl、6l32、6cl、6c2 连接到直流电压电路2。变流器四是具有多级拓扑结构的自换向变流器(VSC)并且包括双 极子模块的串联电路，这些子模块分别具有例如以电容器形式的对应的储能器。储能器与 功率半导体电路并联，利用该功率半导体电路可以在子模块的接头上产生在储能器上降落 的电压或者零电压。然而，在本发明的范围内变流器的拓扑结构原则上是任意的，从而也可 以是两级、三级或五级的VSC。在图3中在直流电压中间电路的极之间示出了电容器，如其 典型地仅在两级的VSC中出现的那样。这应当表示原则上任意的变流器拓扑结构。在直流 电压电路2中设置了短路保护装置30，其具有在直流电压电路2中设置的子模块31的串联 电路，子模块31包括至少一个可控功率半导体和与之并联连接的电容器。子模块31的可 控功率半导体通过控制线32与控制装置33相连。除了子模块31，在直流电网2中还设置 检测装置34，其通过通信线35与控制装置33相连。在直流电压电路2中出现短路的情况下，检测装置34检测短路电流并且向控制装 置33发送检测信号，控制装置33据此将子模块31的功率半导体置于截止电流的状态。短 路保护装置30由此使得保护变流器四的组件地中断在直流电压电路2中的短路电流。图4示出了按照本发明的第二实施例的子模块的结构。示出了短路保护装置的多 个串联连接的子模块38中的两个。子模块38具有可控功率半导体39和与之并联的电容 器36和续流二极管37，其中续流二极管37与功率半导体39反并联连接。通过同时控制功率半导体39，在一个方向上截止了流过子模块38的电流。电容 器36在此的作用是，使得在控制功率半导体39时的小的时间上的差和由此在断开功率半 导体39时的小的时间上的差，不会导致在串联电路上降落的电压的对于功率半导体39来 说是有害的错误分布。图5按照第三实施例示出了在图4中示出的子模块的另一个实施方式44。子模 块44相应于具有多级拓扑结构的自换向变流器构造并且包括相同截止方向的两个可控功 率半导体45a、^b的串联电路。功率半导体45a、^b分别反并联一个续流二极管41a、41b。 与串联电路并联设置电容器40。双极子模块44的每一个从接线端子42出发与相邻的子模 块44的接线端子43相连，其中接线端子43与相邻的子模块44的功率半导体45a、^b之 间的电势点电相连。所示出的子模块44的串联电路使得可以在与续流二极管41a、41b反向的电流方 向上截止电流。图6按照第四实施例示出了在图4中示出的子模块的另一个实施方式47。与图5 的子模块44不同，子模块47具有相反的截止方向的功率半导体48a、48b。子模块从接线端 子42出发与相邻的子模块47的接线端子46相连。子模块47的串联电路使得可以在两个电流方向上截止电流。附图标记列表1交流电网
6
2直流电网3变流器4a、4b3c相模块支路5aJb、5c交流电压接头6al、6a2、6bl、6b2、6cl、6c2 直流电压接头7中间电路电容器8子模块9可控功率半导体10续流二极管12 短路13短路电流路径14、15、16、17 续流二极管18变流器19a、19b、19c 相模块支路20子模块21电容器22可控功率半导体23续流二极管M短路电流路径25、洸、27、沘续流二极管29变流器30短路保护装置31子模块32控制线33控制装置34检测装置35通信线
36电容器37续流二极管38子模块39可控功率半导体40电容器41a、41b 续流二极管42接线端子43接线端子44子模块4^1、4恥可控功率半导体46接线端子47子模块
48a、48b可控功率半导体
权利要求
1.一种装置，-具有变流器，该变流器通过短路保护装置与直流电压电路相连， -所述装置至少部分地设置在直流电压电路中并且被构造为用于抑制在直流电压电路 中的通过变流器流过的短路电流，以及 -具有一个或多个可控功率半导体， -其中，与至少一个可控功率半导体并联设置保护元件， 其特征在于，-所述保护元件是储能器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于， -所述储能器是电容器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，-与每个可控功率半导体分别反并联地连接一个二极管。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，-相对地设置至少两个在串联电路中相继的可控功率半导体并且由一个共同的电容器 跨接。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述变流器包括功率半导体阀，这些功率半导体阀分别具有子模块的串联电路并且短 路保护装置包括子模块的串联电路，其中，短路保护装置的子模块和变流器的子模块被相 同地构造。
6.根据权利要求5中任一项所述的装置，其特征在于，所述子模块具有两个串联的同向布置的可控功率半导体，其由一个共同的电容器跨接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于， -具有用于采集短路电流的检测装置，和-用于控制短路保护装置的至少一个功率半导体的控制装置， -其中，所述检测装置通过通信线与所述控制装置相连。
8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于， 所述可控功率半导体是具有绝缘门电极的双极晶体管(IGBT)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于， 所述可控功率半导体是晶闸管。
全文摘要
本发明涉及一种装置，具有变流器(29)，该变流器通过短路保护装置(30)与直流电压电路(2)相连，所述装置至少部分地设置在直流电压电路(2)中并且被构造为用于抑制在直流电压电路(2)中的通过变流器(29)流过的短路电流，并且具有一个或多个可控功率半导体，其中与至少一个可控功率半导体并联设置保护元件。该装置以特别可靠的方式防止在直流电网中出现的短路电流的负面影响。为此，所述保护元件是储能器。
文档编号H02H9/04GK102138264SQ200880130906
公开日2011年7月27日 申请日期2008年9月5日 优先权日2008年9月5日
发明者乔尔格·兰, 乔尔格·多恩, 卡劳斯·沃夫林格, 卡斯滕·威特斯托克, 夸克-布·图, 弗朗兹·卡尔西克-梅尔, 英戈·尤勒, 迈克·多马希克 申请人:西门子公司