电路断路布置的制作方法

本发明一般涉及功率系统，诸如电功率分配或传输系统，例如高压直流(HVDC)功率传输系统。具体地，本发明涉及例如供在功率系统中使用的电路断路布置。

背景技术：

诸如电功率分配或传输系统的功率系统用于供应、传输和使用电功率。由于越来越需要功率供应或递送和互连功率传输和分配系统，高压直流(HVDC)功率传输正变得越来越重要。

诸如电功率分配或传输系统的功率系统一般包括保护系统，用于保护、监测和控制包括在功率系统中的其它组件的操作和/或功能性。这类保护系统例如可能能够检测电力线、变压器和/或功率系统的其它部件或组件中的短路、过电流和过电压。保护系统可以包括保护设备，诸如用于隔离例如通过打开或跳闸电路断路器而在功率传输和分配线中发生的任何可能的故障的电路断路器。在已经清除故障之后，例如通过在已在其中检测到故障的组件上执行维修和/或维护，可以通过关闭电路断路器来恢复电力流。备选或另外，保护系统可被布置成：在为功率流检测特定路线中的故障时，隔离已经在其中检测故障的路线并为功率流选择备选的路线。电路断路器的操作可响应于故障状况或故障电流的检测。在检测故障状况或故障电流时，机制可操作电路断路器，以便中断流过那里的电流。一旦已经检测到故障，电路断路器内的触点可能分开，以便中断通过那里的电流。弹簧布置、气动布置或利用机械存储的能量的一些其它部件可用于分开触点。机械电流断续器例如可用在电路断路器中。

HVDC电网或DC电网可包括由传输线互连的多个交流(AC)/DC转换器端子，例如，地下电缆和/或架空线。在电网内，端子可连接到多个端子，导致不同类型的拓扑。DC电路断路器可以用于隔离HVDC和DC电网中的故障组件，诸如传输线。

技术实现要素：

在备选方案中或除了采用电路断路器中的机械电流断续器外，可在电路断路器中采用基于半导体设备的固态断续器。固态直流(DC)电路断路器，即能够断开DC电流并且通常包括至少一个功率半导体开关的电路断路器，可通过相对大量的串联连接的功率半导体开关来实现。通过相对大量的串联连接的功率半导体开关的布置，可以实现对于DC电路断路器的足够高的操作电压。在例如可包括一个或多个DC电路断路器的高压直流(HVDC)功率传输系统、HVDC电网或DC电网的正常操作期间，一个或多个DC电路断路器中采用的所有功率半导体开关处于传导模式，传导模式可对应于关闭位置，其中功率半导体开关正在传导电流。这可使功率半导体开关暴露于连续的电流压力，连续的电流压力例如在HVDC应用中可能相对高。对于通过相对大量串联连接的功率半导体开关实现的DC电路断路器，如果功率半导体开关中的任何一个将发生故障，例如由于连续的电流压力，通过DC电路断路器的电流将被中断，并且DC电路断路器中任何故障组件的修复和/或替换因此可能变得必要，以便将DC电路断路器返回操作中。除了或本身可以导致功率半导体开关的故障的其它因素可能是过热、过电压、相对高的电压和/或电流上升和/或切换损失。

鉴于以文，本发明关注的是要实现电路断路器或电路断路布置的操作的相对高可靠性。

本发明进一步关注的是要实现对路断路器或电路断路布置中任何故障组件的修复和/或替换的相对小的需求。

本发明进一步关注的是要实现路断路器或电路断路布置的相对高的冗余。

本发明进一步关注的是要实现路断路器或电路断路布置的相对高的冗余，而在相同时间允许路断路器或电路断路布置的相对小的整体尺寸。

为了解决这些关注和其它关注中的至少一个，提供一种根据独立权利要求的电路断路布置。优选实施例由从属权利要求限定。

根据第一方面，提供有一种电路断路布置，该电路断路布置适于连接到或可连接到布置成运送电流的至少一条传输线中的电流路径。该电路断路布置适于可控地实现至少一条传输线中的电流的流动的不连续。该电路断路布置包括：包括多个功率半导体切换元件的多个串联连接的至少一个电路断路单元。功率半导体切换元件的多个串联连接相对于彼此并联连接。功率半导体切换元件的至少两个串联连接相对于彼此并联连接，使得功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的子集中的每一个个别并联连接到功率半导体切换元件的另一个串联连接中的一个对应的功率半导体切换元件或者对应的功率半导体切换元件。

本发明的实施例基于布置串联电连接的功率半导体切换元件的两个或三个或更多个“串”，其中“串”并联电连接。根据一个示例，功率半导体切换元件的“串”可形成类似于电互连功率半导体切换元件的电导体的网格等的结构或布置，其中功率半导体切换元件被布置在相邻网格点之间，所述网格可基本上位于共同的平面。通过实现电路断路器，例如DC电路断路器，通过功率半导体切换元件的这类“串”，可增加通过电路断路器的额定电流，由于在正常操作期间，例如在其中没有检测到故障的操作期间，并联的串将通过电路断路器共享电流。在电路断路器中的一个或多个功率半导体切换元件的故障的情况下，电路断路器中的其它功率半导体切换元件，例如包括并联连接到电路断路器中的一个或多个故障功率半导体切换元件的这类功率半导体切换元件，可以能够承受通过电路断路器的电流，而不需要电路断路器中任何故障组件的立即修复和/或替换。从而，可实现电路断路器的相对高的冗余。因此，可根据第一方面对于电路断路布置实现相对高的冗余。

由于单个功率半导体切换元件的额定电压相比功率传输的电压水平可能太小，可使用多个功率半导体切换元件的串联连接，以便将电路断路布置适于期望的或所需的额定电压和/或额定电流。功率半导体切换元件的每个串联连接原则上可包括任何整数数量的功率半导体切换元件，所述数量可至少部分地取决于电路断路布置的期望的或所需的额定电压和/或电流。因此，可通过根据第一方面的电路断路布置中的多个功率半导体切换元件的多个串联连接，实现模块化的结构或布置，该模块化的结构或布置另外可能相对容易地适于用于电路断路布置的期望的或所需的电压和/或电流。

根据本发明的实施例，串联电连接的功率半导体切换元件的多个“串”被包括在电路断路布置中，其中“串”并联电连接。在实现中，串联连接的功率半导体切换元件的并联串可被布置成彼此靠近，例如在一些支撑或衬底上，和/或在彼此上方。在并联串之间的电连接例如可通过灵活的电流汇流条和/或通过其它适当的电连接器来实现。由此，可实现并联串的相对紧凑的布置，和/或对于根据第一方面的电路断路布置的实现可需要相对小的表面面积。换句话说，根据第一方面的电路断路布置可占据相对小的表面面积。

根据示例，每个功率半导体切换元件连接到缓冲器电路和门单元。根据另一个示例，两个或多个并联串可共享共同的缓冲器电路，或者在两个或多个并联串中对应的功率半导体切换元件可共享共同的缓冲器电路。

功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的子集可仅包括串联连接中的功率半导体切换元件的一些，即其中子集是“正确的”子集，或者串联连接中的功率半导体切换元件的整个集。例如，功率半导体切换元件的至少两个串联连接可相对于彼此并联连接，使得功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的正确的子集个别并联连接到功率半导体切换元件的另一个串联连接中对应的功率半导体切换元件。在本申请的上下文中，通过功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的正确的子集，意味着不等于在功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的完整集的在功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的子集。

如前面提到的，功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的子集可包括串联连接中的所有功率半导体切换元件。例如，根据本发明的实施例，功率半导体切换元件中的至少两个串联连接可相对于彼此并联连接，使得功率半导体切换元件的一个串联连接中的每个功率半导体切换元件个别并联连接到功率半导体切换元件的另一个串联连接中对应的功率半导体切换元件。

电路断路布置例如可适于串联连接到至少一条传输线中的电流路径。

根据第二方面，提供有一种功率系统，包括根据第一方面的布置成运送电流的至少一条传输线以及电路断路布置。该电路断路布置连接到至少一条传输线中的电流路径，用于可控地实现至少一条传输线中的电流的流动的不连续。

功率系统例如可包括HVDC功率传输系统和/或DC功率电网。

功率半导体切换元件中的至少一个可相对于切换操作是可控的。功率半导体切换元件中的至少一个可包括可相对于切换操作是可控的至少一个功率半导体开关。例如，功率半导体切换元件中的至少一个可包括功率半导体开关和与功率半导体开关并联连接的二极管。功率半导体开关例如可基于或选自绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和/或门极关断晶闸管(GCT)。这些类型的开关属于相对于切换操作是可控的并且具有选择性的开启和关断能力的功率半导体开关的组。

电路断路布置可包括可彼此串联连接的多个电路断路单元。

可为至少一个电路断路单元或为每个电路断路单元提供非线性电阻器。非线性电阻器例如可与电路断路单元并联连接。

电路断路布置可包括至少一个所谓的缓冲器电路。缓冲器电路可实现或便于在根据本发明的实施例的电路断路布置中的功率半导体切换元件的接通和断开期间限制电压和/或电流上升和/或过电压。

例如，该电路断路布置可包括连接到功率半导体切换元件中的至少一个的至少一个缓冲器电路。

根据一个示例，至少一个缓冲器电路可连接到功率半导体切换元件的子集的每个功率半导体切换元件，并且连接到功率半导体切换元件的其它串联连接中对应的功率半导体切换元件。

根据另一个示例，至少一个缓冲器电路可连接到功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件中的每一个，并且连接到功率半导体切换元件的其它串联连接中对应的功率半导体切换元件。

根据示例，提供有一种例如电感器的限流反应器，其例如可被布置以便与传输线和/或电路断路布置串联连接。根据另一个示例，备选或另外，可布置剩余电流断开电路断路器单元，以便与传输线和/或电路断路布置串联连接。备选地或任选地，诸如限流反应器、门单元和/或剩余电流断开电路断路器单元的至少一个附加组件可被包括在电路断路布置中。

下面通过例示的实施例来描述本发明的进一步的目的和优点。

注意，本发明涉及权利要求中阐述的特征的所有可能的组合。当研究所附权利要求和下面的描述时，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，可以组合本发明的不同特征以创建除了下面所述的那些实施例之外的实施例。

附图说明

下面将参照附图描述该发明的例示的实施例。

图1是根据本发明的实施例的功率系统的示意性框图。

图2-4是根据本发明的不同实施例的电路断路布置的示意性框图。

在附图中，相似的附图数字在整个视图中表示相同或类似的元件。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出本发明的例示的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应当被解释为限于本文所阐述的实施例；而是，通过示例的方式提供这些实施例，使得本公开将向本领域技术人员传达本发明的范围。此外，相似的数字在全文中指代相同或类似的元件或组件。

现在参考图1，示出根据本发明的实施例的功率系统200的示意性框图。根据本发明的实施例，功率系统200包括电路断路布置100，例如，诸如在下文中参照图2-4中的任一个所述。电路断路布置100适于连接到布置成运送电流的传输线101，用于可控地实现传输线101中的电流的流动的不连续。在图1中示出布置成在端子102和103之间运送电流的传输线101的一部分。将理解，传输线101是功率系统200的部件或部分，功率系统200例如可包括或由诸如高压直流(HVDC)功率传输系统或者HVDC电网或直流(DC)电网的功率传输系统构成。然而在图1中未示出可包括在功率系统200中的任何其它组件。传输线101例如可能是功率传输线，诸如DC电缆、架空线(OHL)或者DC电缆和OHL的组合。电路断路布置100可包括将在下面进一步描述的至少一个缓冲器电路108。

现在参照图2，示出根据本发明的实施例的电路断路布置100(的部分)的示意性框图。电路断路布置100适于连接到传输线101，其布置成运送用于可控地实现传输线101中的电流的流动的不连续的电流。在图2中示出布置成运送端子102和103之间的电流的传输线101的一部分。电路断路布置100包括电路断路单元105，电路断路单元105包括多个功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N和8-1，8-2，8-3，…，8-N的分别的两个串联连接6-1，6-2。根据图2中图示的实施例，功率半导体切换元件的每个串联连接6-1，6-2包括N个功率半导体切换元件。N原则上可能是等于或大于二的任何整数，例如三、四、五、六、十、十五、二十、五十、一百或甚至更大。

N可能至少部分地取决于期望的或所需的电路断路布置100的额定电压和/或电流。由于单个功率半导体切换元件的额定电压相比功率传输的电压电平可能太小，多个功率半导体切换元件的串联连接可以用来实现所需的额定电压和/或额定电流。例如对于其中电压约为100kV或几百kV的高压应用，在功率半导体切换元件的串联连接中可能布置一百或者甚至几百个功率半导体切换元件。

如图2中所图示，功率半导体切换元件的串联连接6-1，6-2相对于彼此并联连接。根据图2中描绘的示例，功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N和8-1，8-2，8-3，…，8-N的“串”分别形成类似于电导体的网格等的结构或布置，电导体将功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N，8-1，8-2，8-3，…，8-N电互连，其中功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N，8-1，8-2，8-3，…，8-N布置在相邻网格点之间。在图2中由参考数字10-1，10-2，10-3和10-4指示网格点中的一些。根据图2中图示的实施例，在功率半导体切换元件的串联连接6-1中的每个功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N个别并联连接到功率半导体切换元件的串联连接6-2中对应的功率半导体切换元件8-1，8-2，8-3，…，8-N。

将注意，图2图示本发明的例示的非限制性实施例。例如，图2中图示的网格状结构或布置根据示例。通常，功率半导体切换元件中的至少两个串联连接可相对于彼此并联连接，使得功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的子集中的每一个个别并联连接到功率半导体切换元件的另一个串联连接中对应的功率半导体切换元件。

进一步参照图2，分别通过功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N和8-1，8-2，8-3，…，8-N的这种“串”(即串联连接6-1，6-2)，通过电路断路布置100的额定电流可能相对高。这可能至少部分地由于：在电路断路布置100的正常操作期间，例如在其中没有检测到故障并且电流穿过电路断路布置100的电路断路布置100的操作期间，并联的串联连接6-1，6-2将共享通过电路断路布置100的电流。

在功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N，8-1，8-2，8-3，…，8-N中的一个或多个的故障的情况下，其中的至少一些可并联连接到一个或多个故障的功率半导体切换元件的其它非故障的功率半导体切换元件可以能够承受通过电路断路布置100的电流，而不需要立即修复和/或替换电路断路布置100中的任何故障的组件。例如，参照图2，在其中没有检测到故障并且电流穿过电路断路布置100的电路断路布置100的操作期间，并联的串联连接6-1，6-2共享通过电路断路布置100的电流。例如功率半导体切换元件7-2的故障则可能出现。然而，可能仍然不中断通过电路断路布置100的电流，由于电流可以经由从网格点10-1到网格点10-2的路线从网格点10-1通过到网格点10-4，并且经由功率半导体切换元件8-2从网格点10-2到网格点10-3，并且然后从网格点10-3到网格点10-4，而不是经由功率半导体切换元件7-2从网格点10-1通过到网格点10-4。相同或类似的原理可应用于其中电路断路布置100的一个或多个其它功率半导体切换元件故障的场景。

现在参照图3，示出根据本发明的实施例的电路断路布置100(的部分)的示意性框图。图3中描绘的电路断路布置100类似于图2中描绘的电路断路布置。相比图2中描绘的电路断路布置100，图3中描绘的电路断路布置100分别包括多个功率半导体切换元件7-1，7-2，7-3，…，7-N；8-1，8-2，8-3，…，8-N；以及9-1，9-2，9-3，…，9-N的三个串联连接6-1，6-2，6-3，功率半导体切换元件的每个串联连接6-1，6-2，6-3包括N个功率半导体切换元件。

根据图2和图3，功率半导体切换元件的串联连接的数量分别是二和三，其中串联连接相对于彼此并联连接。然而，一通常，可根据本发明的不同实施例的电路断路布置原则上包括任何数量的功率半导体切换元件的串联连接，例如四、五、六、十、十二、十五或二十或更多，其中串联连接相对于彼此并联连接。

现在参照图4，示出根据本发明的实施例的电路断路布置100(的部分)的示意性框图。电路断路布置100包括多个电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N。电路断路装置100适于连接到布置成运送电流的传输线101，用于可控地实现传输线101中的电流的流动的不连续。在图4中，示出布置成运送端子102和103之间的电流的传输线101的一部分。

电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的每一个包括多个功率半导体切换元件的多个串联连接(图4中未示出，参见图2或图3)，其中功率半导体切换元件的多个串联连接相对于彼此并联连接。功率半导体切换元件中的至少两个串联连接可相对于彼此并联连接，使得功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件的子集中的每一个个别并联连接到在功率半导体切换元件的另一个串联连接中对应的功率半导体切换元件。例如，可与前述中参照图2或图3所述的电路断路单元105类似或相同地布置电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的每一个。

根据图4中图示的实施例，电路断路布置100包括N个电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N。将理解，通常，N原则上可能是等于或大于一的任何整数，例如二、三、四、五、六、十、十五、二十、五十、一百或甚至更大。

根据图4中图示的实施例，非线性电阻器11可与电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的每一个并联连接。

进一步参照图4，在正常操作期间，即当没有检测到例如在传输线101中发生的故障电流或故障状况时，电流穿过电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N，由于在正常操作期间，电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N处于传导状态，例如通过打开电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的功率半导体切换元件，并且因此处于传导状态。

在检测故障电流或故障状况时，可以为电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的至少一个生成并且向其传输打开信号。这类打开信号的生成和传输例如可通过一些保护系统实现，一些保护系统用于保护、监测和控制包括在功率系统中的其它组件的操作和/或功能性。这种保护系统例如在检测故障电流或故障状况的情况下可以有线和/或无线的方式向电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的至少一个传输打开信号。响应于为电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的至少一个生成的打开信号，电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N中的至少一个可以被打开，即关断，以便处于非传导状态或基本上非传导状态，例如通过关断电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N的至少一个中的功率半导体切换元件，并且因此处于非传导状态或基本上非传导状态。然后电流可换流到对应于至少一个电路断路单元105-1，105-2，105-3，…，105-N的一个或多个非线性电阻器11。由此可以减少电流水平并且可以限制电压。

参照本文所述的实施例中的任何一个，功率半导体切换元件中的至少一个可包括至少一个功率半导体开关，并且例如可基于或选自IGBT、MOSFET、IGCT和/或GCT。这些类型的开关属于相对于切换操作是可控的或具有选择性的开启和关断能力的功率半导体开关的组。

现在再次参考图1，并且参照图1-4中图示的实施例中的任何一个，电路断路布置100可包括至少一个缓冲器电路108。缓冲器电路108可实现或便于在根据本发明的实施例的电路断路布置100中的功率半导体切换元件的接通和断开期间限制电压和/或电流上升和/或过电压。电路断路布置100可包括至少一个缓冲器电路108，至少一个缓冲器电路108连接到电路断路布置100中的功率半导体切换元件中的至少一个。根据另一个示例，至少一个缓冲器电路108可连接到功率半导体切换元件的子集的每个功率半导体切换元件，并且连接到在功率半导体切换元件的其它串联连接中对应的功率半导体切换元件。根据又一个示例，至少一个缓冲器电路108可连接到在功率半导体切换元件的一个串联连接中的功率半导体切换元件中的每一个，并且连接到功率半导体切换元件的其它串联连接中对应的功率半导体切换元件。

参照本文所述的实施例中的任何一个，电路断路布置100可包括附图中所示的那些之外附加的组件。

进一步参照本文所述的实施例中的任何一个，根据示例，在端子103和电路断路布置100之间和/或在端子102和电路断路布置100之间可提供例如电感器的限流反应器(图中未示出)，其例如可被布置以便与传输线101串联连接。根据另一个示例，备选或另外，在端子103和电路断路布置100之间和/或在端子102和电路断路布置100之间可布置剩余电流断开电路断路器单元(图中未示出)，以便与传输线101串联连接。备选地或任选地，例如限流反应器和/或剩余电流断开电路断路器单元可被包括在电路断路布置100中。

总之，本发明的实施例公开了一种电路断路布置，该电路断路布置适于连接或可连接到布置成运送电流的至少一条传输线中的电流路径，用于可控地实现至少一条传输线中的电流的流动的不连续。该电路断路布置包括多个功率半导体切换元件的多个串联连接。功率半导体切换元件的多个串联连接相对于彼此并联连接。

虽然已经在附图和前述的描述中详细图示和描述了本发明，但这种图示和描述将被认为是说明性的或例示的而不是限制性的；该发明不限于公开的实施例。从图、公开和所附权利要求的研究中，公开的实施例的其它变型可以在实践所要求保护的发明中由本领域技术人员理解和实现。在相互不同的从属权利要求中阐述某些措施的仅有事实并不指示这些措施的组合不可以有利地使用。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制范围。