转换器装置以及其短路保护方法与流程

本发明涉及一种转换器装置，包括：具有双极子模块的第一串联电路的第一相模块支路，子模块分别包括至少一个能量存储器和至少一个功率半导体开关单元，其中，第一相模块支路在第一交流电压接头与第一直流电压极之间延伸；具有双极子模块的第二串联电路的第二相模块支路，其中，第二相模块支路在第一交流电压接头与第二直流电压极之间延伸；具有双极子模块的第三串联电路的第三相模块支路，其中，第三相模块支路在第二交流电压接头与第一直流电压极之间延伸；以及具有双极子模块的第四串联电路的第四相模块支路，其中，第四相模块支路在第二交流电压接头与第二直流电压极之间延伸，其中，每个子模块能够借助与其连接端子并联地布置的桥接单元与电流方向无关地被桥接，并且其中，第一直流电压极与第一直流电压接头连接，并且第二直流电压极与第二直流电压接头连接。

背景技术：

当与电流方向无关地桥接子模块时，在此应当存在与电流方向无关的桥接。

直流电压接头通常设置为，将转换器装置与直流电压线连接。直流电压极与相关的直流电压接头之间的连接相应地可以是可拆分的连接。

这种类型的转换器装置由li等人的文章“protectionofnonpermanentfaultsondcoverheadlinesinmmc-basedhvdcsystems”,ieeetrans.onpowerdelivery,vol.28,no.1,jan2013已知。例如在高压直流电传输中应用这种类型的转换器装置。在此，可以有效地在几百至几千千米的长距离上传输电能。传输大多通过直流电压线进行，其以地下或水下电缆或者架空电线(“overheadlines”)的形式实现。特别是在后一种情况下，诸如闪电击中和树木倒下的环境影响可能在直流电压线中引起经常是短时的短路。在这种直流侧故障的情况下在某些情况下出现极高的短路电流。短路电流可能导致转换器部件损坏，因为该短路电流一般也流过转换器装置的相模块支路。由此得出为了对转换器装置进行短路保护而断开短路电流的必要性。在已知的转换器装置中，一旦借助合适的检测器确定了直流侧的短路，就使子模块中的所有功率半导体开关截止。同时，借助在已知的转换器装置中包括反并联的晶闸管的相关的桥接单元将所有子模块桥接或使其端子短路。为此，为此设置的控制单元控制晶闸管变换为导通状态。通过这种方式可以在交流侧引起连接到转换器装置的交流电网的所有相的一种对称短路。由此实现不再将功率馈入在直流侧与转换器装置连接的直流电压线中。也就是，不再通过功率传输维持直流电压线中的短路电流。然后，由于导线电感而还在直流电压线中流动的短路电流完全衰退。

技术实现要素：

基于已知的转换器装置，本发明要解决的技术问题是，进一步改善转换器装置的短路保护。

上述技术问题在这种类型的转换器装置中通过直流电压开关以及续流路径来解决，该直流电压开关布置在第一直流电压极与第一直流电压接头之间或第二直流电压极与第二直流电压接头之间，该续流路径在两个直流电压接头之间延伸并且包括具有截止和导通方向的半导体元件。

本发明包括两相以及三相和多相的实施。在此，转换器装置例如在三相实施中具有第五和第六相支路，其以已知的转换器装置的方式布置。

当然，根据本发明，第一直流电压极以及第二直流电压极可以分别经由至少一个直流电压开关与相关的直流电压接头相连。

第一直流电压极例如可以作为正母线实现，而第二直流电压极可以作为零线实现。还可以想到，第一直流电压极作为零线实现，而第二直流电压极作为负母线实现。相应地，另外的变形也是可能的，例如，第一直流电压极处于正高压电势，而第二直流电压极处于负高压电势。根据本发明的转换器装置还可以是双极高压直流传输装置的部分。

根据本发明的转换器装置的优点是，直流电压开关可以用于将在子模块桥接之后在直流电压线中流动的短路电流换向到续流路径。通过这种方式，直流侧的短路电流于是有利地不流过转换器装置的相模块支路，由此改善其保护。

优选地，通过组合桥接单元和直流电压开关，不再需要直流电压开关或其反向电压被设计为在直流侧的完全电压下进行开关。而是，直流电压开关仅构造为用于将短路电流换向到续流路径就已足够。例如可以取代320kv的反向电压，现在10kv的反向电压就已足够。由此有利地降低了直流电压开关的功率电子电路开销。此外，转换器装置正常运行时的损耗相对低。

合适地，桥接单元包括桥接支路，其与子模块的两个接头或电极并联地布置，从而可以与电流方向无关地在接头处引起短路。桥接单元可以与控制装置连接，借助该控制装置可以控制桥接单元，也就是特别地，其可以开始桥接子模块。优选地，桥接单元包括反并联连接的晶闸管。为了与电流方向无关地桥接子模块，同时触发晶闸管。通过这种方式提供特别有利且可靠的桥接单元。

为了检测直流电压线中的短路，可以设置检测装置，例如电流测量单元，其在输出侧例如与控制装置连接。

根据本发明的优选的实施方式，续流路径中的半导体元件包括至少一个二极管和/或晶闸管。二极管或晶闸管防止在转换器装置正常运行时在直流电压线的两个直流电压极之间短路。合适地，在短路情况下触发晶闸管，以使得短路电流能够流过续流路径。合适地，续流路径具有与额定电势相反的极性。通过这种方式，根据所选择的二极管的导通方向，在转换器装置正常运行时基本上没有电流流过续流路径。半导体元件还可以通过多个二极管和/或晶闸管的串联电路形成。

优选地，在续流路径中除了半导体元件之外还布置能量吸收器，其中，能量吸收器与半导体元件串联地布置。例如可以是电阻元件的能量吸收器可以设计为，用于导出短路电流的能量，例如通过转换为热。通过这种方式，可以使得直流电压线中的短路电流更快衰减。

能量吸收器还可以包括过压放电器或过压放电器的串联电路。这样的实施具有如下优点，即，对转换器装置提供附加保护。

转换器装置的子模块可以、但不一定必须全部以相同方式构造。

优选地，子模块实施为半桥电路。例如在de10103031b4中描述了这样的半桥电路。由于损耗相对小，这样的子模块在运行时是特别低成本的。合适地，子模块的功率半导体开关是可关断的功率半导体，例如igbt、gto等。

根据本发明的一种实施方式，直流电压开关包括具有功率半导体开关的至少一个功率半导体开关模块。功率半导体开关例如是具有与续流二极管反并联连接的集成栅双极晶体管(igbt，integratedgatebipolartransistor)的所谓的固态开关。直流电压开关可以包括多个这样的功率半导体开关模块的串联电路。合适地，串联电路中的功率半导体开关模块的数量与相应的应用相匹配。功率半导体开关模块在短路情况下例如借助为此构造的控制器断开，从而短路电流可以换向到续流路径上。

优选地，直流电压开关具有由至少一个功率半导体开关模块和至少一个隔离开关组成的串联电路。隔离开关可以是机械开关。在隔离开关中的电流衰退之后，可以借助隔离开关中断直流电压线。在断开隔离开关之后，还可以以简单的方式、例如通过截止桥接单元来中断交流侧的短路电流。

此外，直流电压开关可以包括至少一个过压放电器。至少一个过压放电器例如可以与至少一个功率半导体开关模块或功率半导体开关模块的串联电路并联地布置。过压放电器限制降落在功率半导体开关模块上的电压并且还可以用作能量吸收元件。

如前面已经讨论的，根据本发明的转换器装置的直流电压开关的耐压强度或截止能力不必设计为直流侧的电压额定值、也就是在正常运行中降落在两个直流电压接头之间的电压。优选地，直流电压开关的耐压强度小于电压额定值的40％、优选在5％和20％之间。这降低了电损耗、由此降低了转换器装置的运行成本。

此外本发明还涉及一种用于对根据本发明的转换器装置进行短路保护的方法。

本发明要解决的技术问题在于，提出一种尽可能简单且可靠的方法。

上述技术问题本发明通过如下方法来解决，在该方法中，在直流侧短路时，所有子模块与电流方向无关地被桥接，随后断开直流电压开关，从而直流侧的短路电流被换向到续流路径上。

也就是，在根据本发明的方法中，在直流侧短路的情况下，借助桥接单元在转换器装置中产生交流侧短路，随后借助直流电压开关将短路电流从转换器装置的相模块支路主动换向到续流路径上。

从前面描述的根据本发明的转换器装置的优点中得出根据本发明的方法的优点。

附图说明

下面对照图1至图3对本发明作进一步的说明。

图1以示意图示出了根据本发明的转换器装置的实施例；

图2以示意图示出了图1的转换器装置的双极子模块；

图3示出了图1的转换器装置中的电流的示意性变化。

具体实施方式

图1详细示出了根据本发明的转换器装置1的实施例。转换器装置1包括三个交流电压接头2、3和4，其构造为，将转换器装置1与三相交流电网连接。此外，转换器装置1包括第一直流电压接头5和第二直流电压接头6，用于与直流电压线7连接。相应地在本实施例中，转换器装置1被构造为三相的，其中，本发明当然不限于三相实施。其包括在第一直流电压极51与第一交流电压接头2之间延伸的第一相支路8、在第一交流电压接头2与第二直流电压极61之间延伸的第二相模块支路9、在第一直流电压极51与第二交流电压接头3之间延伸的第三相模块支路10、在第二交流电压接头与第二直流电压极61之间延伸的第四相模块支路11、在第一直流电压极51与第三交流电压接头4之间延伸的第五相模块支路12以及在第三交流电压接头4与第二直流电压极61之间延伸的第六相模块支路13。第一直流电压极51与第一直流电压接头5连接。第二直流电压极61与第二直流电压接头6连接。

第一相模块支路8包括双极子模块14的第一串联电路以及与双极子模块14的串联电路串联地布置的平滑电抗器15。相应地，相模块支路9、10、11、12、13分别包括子模块14的串联电路和与之串联连接的平滑电抗器15。在图1中示出的转换器装置1的实施例中，相模块支路8至13中的每个具有三个子模块14。然而，每个相模块支路中的子模块14的数量一般与转换器装置1的相应的应用相匹配并且可以是任意数量。

在图1中示出的实施例中，转换器装置1的所有子模块14类似地构造。相模块支路8至13与交流电压接头2至4和直流电压接头5、6一起相应地构成所谓的模块化多级转换器(mmc)。这样的转换器例如从de10103031b4中已知。借助合适的控制器(图1中未示出)，可以在相模块支路8至13中产生预定电压，从而在相模块支路8至13的直流侧降落电压udc。

此外，转换器装置1包括直流电压开关16，其布置在电势点51与第一直流电压接头5之间，该电势点51处于第一相模块支路8与第三相模块支路10之间。直流电压开关16具有功率半导体开关模块17的串联电路，其中，每个功率半导体开关模块17具有igbt18以及与之反并联连接的续流二极管19。在与功率半导体开关模块17的并联电路中布置过压放电器20。还与功率半导体开关模块17串联地布置隔离开关21，其在所示出的实施例中是机械开关。

转换器装置1还包括续流路径22。续流路径22与相模块支路8至13并联地布置并且在两个直流电压接头5、6之间延伸。续流路径22还具有半导体元件23，其作为半导体二极管实现。此外，续流路径22具有能量吸收器24，其与半导体元件23串联地布置。

尤其可以保护这样的转换器装置1免于在直流侧短路的情况下损坏。短路在图1中通过锯齿箭头25表示。

在随后的附图中还要详细介绍转换器装置1的工作方式及其保护功能，其中，用idc1表示流过直流电压开关16的电流，用idc2表示直流电压线7中的电流，并且用icd表示续流路径22中的电流。

图1的转换器装置1的子模块14作为半桥电路实现。

图2示出了图1的转换器装置1的子模块14中的一个的原理结构。子模块14包括第一连接端子26和第二连接端子27。此外，子模块14包括两个串联连接的功率半导体开关单元28。两个功率半导体开关单元28中的每一个包括功率半导体开关29，其在图2中所示的实施例中是igbt，以及与之反并联连接的续流二极管30。与功率半导体开关单元28的串联电路并联地布置能量存储器31，其在子模块14的当前实施例中是功率电容器。图2中用uc表示的电压降落在功率电容器31上。

子模块14的第二连接端子27与功率电容器31的一个极连接，子模块14的第一连接端子26与两个功率半导体开关单元28之间的电势点32连接。

子模块14还包括桥接单元33，其与接头26、27连接，使得其可以桥接子模块14或将两个连接端子26、27短路。桥接单元33具有两个反并联连接的晶闸管34和35，其可以对子模块40提供与电流方向无关的桥接。为了桥接子模块14，借助未示出的控制单元进行控制来同时触发两个晶闸管。

图3在曲线图36中示出了图1的转换器装置的实施例的三个电流idc1、idc2和id的时间变化的示意图。在曲线图36的横坐标t上描绘运行时间，并且在纵坐标i上描绘了给定时间的电流值。在图1中通过相应的箭头表示在正常运行时三个电流idc1、idc2、id的电流方向。

在曲线图36中作为虚线tl表征的时间点出现故障、例如在直流电压线7中出现短路。从该时间点起，电流idc1和idc2增大。直至作为虚线t2表征的时间点，电流idc1和idc2的值一致。可以看到，由于二极管23的极性与在正常运行时存在的额定电势相反，因此续流路径在正常运行时基本上是无电流的。

在用t2表示的时间点，借助合适的故障识别装置检测到故障。接着，对相模块支路8至13中的所有桥接单元33进行控制，其将与其相关的子模块14桥接，也就是，在每个子模块14中触发晶闸管34和35。通过这种方式，在交流侧与交流电压接头2、3、4连接的交流电网的相被短路。换言之，将交流电网与直流侧分离，从而短路电流不再能够从交流电网馈入，也就是不再供电。从该时间点起，电流idc1和idc2的值减小。

在用虚线t3表征的时间点，对功率半导体开关模块17的功率半导体开关18进行控制，使其断开。由于功率半导体开关17的反向电压，借助也可以作为过压放电器的串联电路实现的过压放电器20，电流被换向到续流路径22上。从该时间点起，电流idc1的值极快速地减小至零。

一旦idc1减小到零或接近零，这在图3中在通过用t4表征的虚线表示的时间点实现，就可以断开机械隔离开关21。直流电压线7中的剩余短路电流id(其值由此相应于电流idc2的值)从该时间点起完全流过续流路径22。id与直流电压线7的rl常数对应地衰减。电流id的衰减通过能量吸收器24附加地加速。