用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备的制作方法

本发明涉及一种用于在直流电网支路的一个极中切换直流电流的设备。

背景技术：

全球不断增长的能源需求以及同时减少二氧化碳排放的期望使得可再生能源越来越具有吸引力。可再生能源的来源例如是在海边架设的风力发电装置或者在阳光充足的沙漠地区的光伏发电装置。为了能够经济地利用这样产生的能量，可再生能量源与国家供电网络的连接变得越来越重要。在这种背景下，正在越来越多地讨论网状直流电网的建立和运行。然而，其前提条件是可以快速且可靠地断开可能在这种网状直流电网中出现的短路电流。然而，为此需要迄今为止在市场上不能获得的直流电压开关。从现有技术中已知针对这种直流电压开关的不同的概念。

在WO 2011/057675 A1中描述了一种直流电压开关，其包括具有机械开关的运行电流路径以及与运行电流路径并联连接的断开支路。在断开支路中布置了功率半导体开关的串联电路，在这些功率半导体开关上分别反向并联连接续流二极管。由功率半导体开关和续流二极管构成的开关单元反向串联地布置，其中，可断开的功率半导体开关串联地布置，并且为每个功率半导体开关设置具有相反的导通方向的相应的功率半导体开关。以这种方式，可以在断开支路中在两个方向上中断电流。在运行电流路径中，除了机械开关之外，还与机械开关串联地布置电子辅助开关。在正常运行中，电流流经运行电流路径，因此流经电子辅助开关以及流经闭合的机械开关，因为断开支路的功率半导体开关对于直流电流是提高的电阻。例如，为了中断短路电流，将电子辅助开关转变到其分离位置。由此运行电流路径中的电阻增大，使得直流电流换向到断开支路中。快速机械断路开关因此可以在没有电流的情况下断开。经由断开支路传导的短路电流可以由功率半导体开关中断。为了吸收存储在直流电网中并且在切换过程中要消除的能量，设置放电器，其与断开支路的功率半导体开关分别并联连接。

在DE 694 08 811 T2中描述了一种直流电压开关，其中两个机械开关串联连接。由这两个机械开关构成的串联电路由放电器以及电容器针对高的过电压进行保护。仅对机械开关中的一个并联连接可接通且可断开的功率半导体开关。在断开机械开关时形成电弧。在电弧处降落的电压激活功率半导体开关，由此将并联的断开的机械开关短路。电弧熄灭。经由功率半导体开关传导的电流现在可以通过对功率半导体进行相应的控制来中断。

WO 2011/141055公开了一种直流电压开关，其可以串联连接到高压直流网络的一个极中。该直流电压开关由与功率半导体开关串联的机械开关构成，该功率半导体开关又与反向的续流二极管并联连接。由线圈和电容器构成的串联电路、即LC支路以及限制降落在LC支路上的电压的放电器，与由功率半导体开关和机械开关构成的串联电路并联连接。也对功率半导体开关并联连接放电器。在断开机械开关后，功率半导体开关以LC支路的固有频率接通和断开。由此产生振荡，并且最终在机械开关中产生电流过零点，从而可以将形成的电弧熄灭。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种开头提到的类型的设备，利用该设备可以可靠且低成本地断开直流电网中的故障电流，其中，同时在正常运行中形成小的损耗。

本发明通过如下直流电压开关来解决上述技术问题，该直流电压开关具有用于串联地接入直流电压线路的一个极的第一和第二节点以及用于连接到直流电压线路的另一个极的第三节点，所述直流电压开关还包括：

-布置在第一和第二节点之间的机械开关，

-在第一和第二节点之间与机械开关并联地布置的至少一个脉冲电流模块，

其中，脉冲电流模块

-具有三个模块节点，并且第一模块节点与第一节点连接，第二模块节点与第二节点连接，并且第三模块节点与第三节点连接；

-包括四个半导体开关，其作为半导体开关中的每两个半导体开关的两个串联电路构成的桥连接，其中，两个串联电路的半导体开关之间的电势点对应于第一和第二模块节点，并且半导体开关中的每两个半导体开关的两个串联电路的外部端点成对地连接到第四和第五模块节点；

-包括脉冲电流电容器，其与半导体开关中的每两个半导体开关的两个串联电路并联地连接；

-在第五和第三模块节点之间包括可开关的半导体元件。

半导体开关在此分别被构造为至少一个可接通且可断开的功率半导体开关，即IGBT、IGCT、GTO等，在需要的情况下分别具有反向并联的续流二极管。当然，也可以使用同步控制的功率半导体开关的串联电路来代替单个功率半导体开关。串联电路的同步控制的功率半导体开关的行为于是与单个功率半导体开关完全相同。

如果直流电压开关准备就绪，则例如可以中断短路电流。在正常运行中，直流电流几乎没有损耗地流经机械开关。在故障情况下，断开机械开关，并且接通脉冲电流模块的位于对角线上的两个半导体开关。由于断开机械开关的触点，如果没有设置其它措施，则产生电弧。但是半导体开关的接通在理想情况下完全抑制电弧的形成。通过断开开关，为在脉冲电流电容器中存储的电荷建立电流路径，由此在机械开关中出现电流过零点，由此避免或者熄灭电弧。有利地，可以通过直流电压开关在两个方向上中断电流。

直流电网的感应存储的能量在直流电压开关的第一侧经由如下电流路径导出，该电流路径经由未接通的半导体开关中的一个和脉冲电流电容器引导到第三节点，即直流电网的另一个极。

有利的是，直流电压开关在第三和第一节点之间具有续流二极管并且在第三和第二节点之间具有另外的续流二极管。由此，有利地允许直流电网的感应存储的能量减少。

为了适应直流电网的运行电压和运行电流，直流电压开关可以包括多个脉冲电流模块。在此，这些脉冲电流模块以其第一和第二模块节点串联连接。该串联本身于是布置在第一和第二节点之间。脉冲电流模块的数量取决于相应的要求。在任何情况下，脉冲电流模块都必须能够吸收所施加的电压并且还能够可靠且足够快速地断开大的短路电流。

有利地，直流电压开关包括与脉冲电流电容器串联的用于限制充电电流的电阻。作为脉冲电流模块中的可开关的半导体元件，优选使用晶闸管。

有利地，直流电压开关包括控制设备，其被设计为，为了断开直流电压线路，断开机械开关，并且为了产生与直流电压导线中的电流方向相反的电流脉冲，接通四个半导体开关中的两个半导体开关。

在一个实施方式中，存储在直流电网中并且在断开时释放的能量通过有利的用于减小开关能量的装置来减小。其例如是非线性电阻，例如放电器、可变电阻等。如果降落在其上的电压超过阈值电压，则这些部件的行为像欧姆电阻一样，其中，其将在进行开关时释放的能量转换为热能并释放到外部大气中。

有利地，机械开关被设计为快速开关并且被配置为在1ms至10ms内断开。这种快速开关具有在进行开关时必须移动的小的开关质量。此外，还需要快速响应的驱动器，例如电动驱动器。

根据本发明的另一个变形，有利的是，根据本发明的设备同样模块化地使用，因此作为串联电路中的双极或两极部件来使用。

最后应当指出，可接通且可断开的功率半导体开关在此始终结合相应的反向并联的续流二极管或者作为可反向导通的功率半导体公开。然而，这主要是由于可断开的功率半导体、例如IGBT、IGCT、GTO等通常总是与反向并联的续流二极管一起在市场上销售。这种反向续流二极管用于保护功率半导体开关，功率半导体开关相对于与其导通方向相反的电压极其敏感。然而，所述续流二极管不是在这里示出的所有情况下都是强制需要的。这些情况对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此在个别情况下不单独指出。然而，由于功能上的原因可以省去与功率半导体开关反向并联地布置的续流二极管的本发明的实现，应当一起包含在保护范围内。

附图说明

本发明的其它有利的实施方式和优点是下面参考附图的图示对实施例的描述的主题，其中，相同的附图标记表示相同地起作用的部件，以及其中，

图1示出了根据本发明的直流电压开关的第一实施例，

图2和图3示出了在断开时具有不同的电流路径的根据图1的实施例，

图4示出了根据本发明的设备的另外的实施例，

图5示出了脉冲电流模块。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的直流电压开关10的实施例，直流电压开关10可以以第一和第二节点101，102串联地连接到直流电网1的一个极、即一个线路中。该直流电压开关用于中断直流电网的该极中的电流。

直流电压开关10在第一和第二节点101，102之间具有第一电流支路，其不包括半导体元件，而仅包括机械开关11。由此，在此仅出现非常小的电气损耗，并且在连续运行中，电流流动基本上在第一电流支路中进行。可选地，在第一电流支路中设置能量吸收器，例如可变电阻(Varistor)12。可变电阻12与机械开关并联连接。

与此并联连接地，即同样在第一和第二节点101，102之间存在第二电流支路。第二电流支路在正常运行状态下不允许电流流动或者仅允许微小的电流流动。第二电流支路包括脉冲电流模块20。此外，脉冲电流模块20还与直流电压开关10的第三节点103连接，第三节点103与直流电网1的另一个极连接。从第三节点103出发，两个续流二极管13，14引导到第一和第二节点101，102。可选地，可以分别与续流二极管13，14串联地设置另一个能量吸收器131，141。

脉冲电流模块20本身包括第一至第五模块节点201...205。在此，第一模块节点201与第一节点101连接，第二模块节点202与第二节点102连接，并且第三模块节点203与第三节点103连接。

脉冲电流模块20包括第一至第四半导体开关21...24、脉冲电流电容器25和晶闸管27。可选地，设置能量吸收器26和/或充电电阻28。脉冲电流电容器例如具有10mF的电容。

第一模块节点201是同向串联连接的第一和第三半导体开关21，23之间的电势点。第二模块节点202是同样同向串联连接的第二和第四半导体开关22，24之间的电势点。第一和第二半导体开关21，22的远离第一和第二模块节点201，202的接头与第四模块节点204连接在一起。第三和第四半导体开关23，24的远离第一和第二模块节点201，202的接头与第五模块节点205连接在一起。

在第五模块节点205和第三模块节点203之间布置晶闸管27，其中，晶闸管27从第三模块节点203的角度来看截止地布置。脉冲电流电容器25布置在第四和第五模块节点204，205之间。可选的充电电阻28与脉冲电流电容器25串联地布置。能量吸收器26布置在第四和第五模块节点204，205之间，即与脉冲电流电容器25并联地布置。

在连续运行中，直流电流流经机械开关11。脉冲电流电容器25通过接通晶闸管27来充电。如果现在检测到短路或者其它情况需要断开电流，则在图1中未示出的直流电压开关10的控制器进行切换。

在第一步骤中，断开机械开关11并且接通四个半导体开关21...24中的位于对角线上的两个半导体开关。如果在连续运行中电流从第一节点101侧流向第二节点102侧，则接通第二和第三半导体开关22，23，在另一个电流方向的情况下，接通第一和第四半导体开关21，24。下面假设电流方向从第一节点101侧到第二节点102侧。

通过接通相应的两个半导体开关21...24产生电流回路，经由该电流回路，脉冲电流电容器25可以在经由第二节点102、机械开关11和第一节点101的通道上放电。由此产生电流脉冲，该脉冲电流与连续运行中的电流或者短路电流相反，因此产生电流过零点。在该电流过零点，机械开关11中可能存在的电弧熄灭。由此断开该通道，以断开半导体开关21...24中的电流。在图2中标出了该电流回路。

故障电流或运行电流在该点流过第一和第四半导体开关21，24的二极管。控制器现在保证机械开关11完全断开。之后，有利地为电流产生另一个路径。

为了产生针对故障电流的续流路径，随后接通晶闸管27。由此，对于从第一节点101到第二节点102的方向上的电流流动的情况，产生在图3中示出的电流路径。第四半导体开关24的二极管的阳极通过接通晶闸管27而接地，由此该二极管不再导通。然后，针对远离负载运行的电流的续流路径从第一节点101经由第一半导体开关21(但是其本身断开)的二极管、经由脉冲电流电容器25和晶闸管27引导到第三节点103，即引导到直流电网1的另一个极。针对在负载侧运行的电流的续流路径经由续流二极管14从第三节点103引导到第二节点102。

现在对脉冲电流电容器25充电，直到感应存储的能量远离负载地耗尽，并且晶闸管随后在没有另外的电流流动的情况下断开为止。

图4示出了使用多个脉冲电流模块20的第二直流电压开关40。相对于图1的第一实施例未改变的直流电压开关40的部分或直流电网1的周围的部分，在图4中用与在图1中相同的附图标记表示。

现在，与根据图1的实施例不同，在第一实施例中经由脉冲电流模块20引导的第二电流路径中，布置两个脉冲电流模块41，42。在脉冲电流模块41，42中，连接向外就像在根据图1的脉冲电流模块20中一样进行，即经由第一、第二和第三模块节点201、202、203进行。

仅仅为了清楚起见，图4中的脉冲电流模块41，42不包括相应地相关的晶闸管411，421，而在图1中，脉冲电流模块20包括晶闸管27。虽然如此，图4中的脉冲电流模块41，42中的每一个利用相应地自己的晶闸管411，421连接到第三节点，即不进行切换的直流电网1的极。

图4的脉冲电流模块41，42中的每一个的结构在图5中简化地示出并且基本上对应于图1的脉冲电流模块20。第一脉冲电流模块41的第一模块节点201与第一节点101连接，并且第一脉冲电流模块41的第二模块节点202与第二脉冲电流模块42的第一模块节点201连接。第二脉冲电流模块42的第二模块节点202与第二节点102连接。

通过脉冲电流模块41，42的这种串联连接或者并联连接，可以利用可断开的电流或者要断开的电压来调整直流电压开关的负荷能力，其中，在开关和电容器的范围内可以进一步使用标准部件。例如，通过串联连接多个脉冲电流模块41，42，直流电压开关可以针对70kV或者进一步更高的值的运行电压设计。