用于高压电力系统的开关设备和包括这种开关设备的装置的制作方法

本发明一般涉及高压电力系统。更具体地，本发明涉及用于高压电力系统的开关设备和包括这种开关设备的装置。

背景技术：

已知开关设备用于各种高压应用中。作为示例，开关设备可以用作混合直流(DC)断路器的一部分或作为其主断路器，断路器使用机械开关和电气开关。开关设备也可以被提供在电压源变流器(VSC)的阀中。在这种情况下，VSC可以在交流电(AC)和DC之间进行转换，并且可以在变流器站中提供，该变流器站是DC高压电力系统和AC高压电力系统之间的接口。还可以提供VSC作为AC系统中的无功功率补偿装置，诸如静态VAR补偿器(SVC)。这些仅是可以使用HV开关设备的装置的几个示例。

上述示例中的开关设备需要能够承受高电压。因此，开关设备必须能够避免在低于承受电压时故障。所有这些系统的共同之处在于现在通常通过使用半导体开关元件来实现开关设备，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成栅极换向晶闸管(IGCT)。在高压应用中，开关元件具有相对低的电压阻断能力，通常在几kV的范围内。因此，对于诸如在电网系统中的非常高的电压应用，需要这些元件的串联连接以达到几十kV到几百kV。这要求单独的设备的更高可靠性，但也增加了这种设备的复杂性以及尺寸要求。

众所周知，对于较低的电压范围，可以使用两种不同类型的开关元件的组合来提供其中一个设备的较高耐受电压以及第二个设备的较低开关能力。

已经提出了一些建议以用于在开关设备中提供不同类型的半导体开关元件的组合。如果这些不同类型的开关元件串联连接，则这种开关设备通常被称为“共源共栅设备”。因此，“共源共栅设备”是串联连接的混合设备，并且将在下文中以这种含义使用该表达式。这种方法的主要原因是结合每个元件的某些有利特征以获得更佳的整体性能和权衡关系。

已知的一种这样的组合是SiC结场效应晶体管(JFET)和硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)共源共栅，例如以便替换IGBT。这种组合提供了常关断器件，因为在许多应用中不希望常导通JFET。此外，MOSFET栅极驱动控制在需要用JFET共源共栅代替IGBT的大多数应用中是优选的。

另一示例是与MOSFET串联的栅极关断晶闸管(GTO)或集成栅极换向晶闸管(GCT)，被称为发射极关断晶闸管(ETO)。这已被证明可提供具有电压控制栅极驱动和饱和/短路能力的低导通状态晶闸管结构。值得注意的是，IGCT概念也采用共源共栅结构，其中MOSFET与IGCT栅极串联连接。但是，与ETO相比，MOSFET只能将关断电流换向。

但是这些结合两种类型半导体器件的示例只能达到低于数10kV的耐受电压，因此不适用于通常的HV应用，除非将几个他们再次串联。

许多高压电力系统用于电力传输。在这些系统中，效率很高是很重要的。输送到电力传输系统的电力尽可能多地离开电力传输系统。电力传输系统中的损耗必须很低，尤其是以便减少由它们引起的热。

然而，串联连接的半导体开关元件的问题在于每个这样的元件具有传导损耗。因此，由半导体开关元件构成的开关设备的传导损耗将是半导体开关元件的传导损耗的总和。因此，开关设备的传导损耗可能对高压电力系统的效率具有显著影响。此外，如果将各个设备串联组合，则每个设备的可靠性必须很高。它们也更复杂，例如，因为每个设备均需要使用栅极单元进行开关。最后，这些系统的空间要求相当高。

因此意在获得一种开关设备，其中可以获得传导损耗的降低，尤其是通过使用具有高的电压承受能力和相对较低损耗的单个设备。

提供本发明以解决该问题。“电子管”，即，真空管并且尤其是充气管已经在功率半导体器件广泛应用之前被使用，以在高压应用中提供开关功能。这些电子管基于真空中或者低压下的等离子体中的电子流。它们已经显示能够承受高达135kV的高压。因此，它们有被用作单个设备而不是许多设备的串联连接的潜质。

存在使用不同物理机制的这种电子管的大量设计以提供不同的功能。它们可以配备高电流以及导通和关断功能。特别是已经研发低压充气管以用于电力应用。

技术实现要素：

本发明解决了获得具有低传导损耗的开关设备，以及仅使用两个设备来提供高的电压承受能力的可能性的问题。

根据本发明的第一方面，该目标通过一种用于高压电力系统的开关设备实现，该开关设备包括：

第一半导体开关元件，能够关断，并且具有第一栅极、和第一和第二电流传导端子，以及

第二开关元件，能够导通，并且包括具有第二栅极、和第一和第二电极的电子管，

其中第一开关元件和第二开关元件彼此串联连接，使得第二开关元件的所述第一电极电连接到第一开关元件的所述第二电流传导端子，其中第一电流传导端子和第二电极被提供以用于连接到电力系统，并且开关元件可联合操作以用于断开或形成第二电极和第一电流传导端子之间的电流路径

根据本发明的第二方面，该目标通过包括根据第一方面的开关设备的高压电力系统中的装置来实现。

可联合操作的开关元件可能需要它们可顺序操作，以便获得形成或断开电流路径的共同目标。

本发明具有许多优点。开关设备具有低传导损耗。此外，开关设备中的开关元件的数量较少，从而降低了成本、尺寸要求并且允许高可靠性。

附图说明

下面将参考附图描述本发明，其中

图1示意性地示出了连接到两个AC系统的DC电力传输系统，其中DC系统包括两个电压源变流器和混合DC断路器，并且AC系统中的一个包括无功功率补偿装置，

图2示意性地示出了根据本发明的开关设备的第一变型，

图3示意性地示出了根据本发明的开关设备的第二变型，

图4示意性地示出了根据本发明的开关设备的第三变型，

图5示意性地示出了根据本发明的开关设备的第四变型，

图6示意性地示出了其中使用开关设备的第一类型的电压源变流器，

图7示出了包括多个单元的第二类型的电压源变流器，

图8示出了其中通过开关设备实现单元开关的单元，以及

图9示意性地示出了混合DC断路器，其包括使用至少一个开关设备实现的主断路器。

具体实施方式

本在下文中，将给出本发明优选实施例的详细描述。

图1示出了包括第一变流器站10和第二变流器站12的简化的直流(DC)电力传输系统。两个变流器站10和12通过DC链接18互连，DC链接18包括使用机械开关和电气开关两者的混合HVDC断路器22。第一变流器站10包括经由第一变压器T1连接到交流(AC)电力传输系统的第一变流器14，并且第二变流器站12包括经由第二变压器T2连接到第二AC电力传输系统的第二变流器16。没有详细示出任何的AC电力传输系统。然而，在第一AC电力传输系统中提供了无功功率补偿装置20，该无功功率补偿装置可以是所谓的静态VAR补偿器(SVC)。DC系统和AC系统都是高压电力系统的示例，并且在这种情况下也是高压电力传输系统的示例。

变流器14和变流器16两者都可以是电压源变流器(VSC)，并且可以是两电平变流器，或包括多个单元的多电平变流器，即采用用于形成多个电压水平的多个单元的电压源变流器。在该示例中的转换还在DC和三相AC之间进行。因此，两个变流器都具有三个桥臂，每个相一个桥臂。在稍后给出的示例中，将仅示出和描述一个桥臂。然而，众所周知，所有的桥臂都具有相同的实现。还应当认识到，存在其他类型的电压源变流器，例如中性点钳位三电平变流器和各种n电平变流器。

变流器14和变流器16、无功功率补偿装置20和混合DC断路器22都是使用开关设备的高压电力系统中的装置的示例。应当认识到，这些仅是高压电力系统中的配置的几个示例，例如可以使用开关设备的电力传输系统。

如前所述，提供开关设备的传统方式是通过串联连接大量的半导体开关元件，即通过使用半导体器件(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成栅极换向晶闸管(IGCT))实现的开关元件。

同样如前所述，使用串联的一些这样的元件会增加所得的开关设备的传导损耗，这在许多情况下对使用该开关设备的高压电力系统的效率具有负面影响。

它还可能增加开关设备发生故障的可能性以及开关设备的成本和尺寸。

通过引入新的开关设备解决了上述问题。

该新型开关设备是“共源共栅装置”，其包括两个不同的开关元件的串联连接，一个半导体开关元件和一个基于电子管的开关元件(诸如具有很高的电压阻断能力的充气管或真空管)。

图2示出了新的开关设备24的第一变型。开关设备24包括第一半导体开关元件26，第一半导体开关元件26至少能够关断并且可能还能够导通，并且具有第一栅极G1、以及第一电流传导端子CCT1和第二电流传导端子CCT2。

开关设备24还包括第二开关元件28，第二开关元件28至少能够导通并且可能还能够关断，并且包括具有第二栅极G2、以及第一电极E1和第二电极E2的电子管，其中栅极G2可以被配置成控制电极E1和E2之间的电流，有利地是单向电流。第一电极E1是阴极，而第二电极E2是阳极。

如在图2中可以看出，第一开关元件26和第二开关元件28彼此串联连接，使得第二开关元件28的第一电极E1电连接到第一开关元件26的第二电流传导端子CCT2。这里，第二电极E2和第一电流传导端子CCT1是开关设备24的连接端子，这意味着提供它们以用于连接到高压电力系统的其他部分。如果开关设备24是装置(诸如变流器14、SVC20或DC断路器22)的一部分，则端子CCT1和E2可以连接到变流器14、SVC20或DC断路器22的其他部分。

第二开关元件28可以是充气管。作为替代，它也可以是真空管。第一开关元件26可以是基于晶闸管的开关元件，例如集成栅极换向晶闸管(GTO、IGCT)。作为替代，它也可以是晶体管，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或结型场效应晶体管JFET。在IGCT的情况下，第一电流传导端子CCT1可以是阴极，而第二电流传导端子CCT2可以是阳极。在IGBT的情况下，第一电流传导端子CCT1可以是发射极，而第二电流导体端子CCT2可以是集电极。

开关设备24可以是作为第二开关元件的非常高压的气体真空管元件或硬真空管元件与作为第一开关元件的相对较低电压的半导体元件串联。作为第二开关元件，基于不同的构思，存在许多选择，诸如硬真空管(像三极管、四极管等)、充气管(诸如Thyratrons、交叉场等离子体放电开关)，或诸如Crossatron和空心电极元件(诸如Hollowtron或伪火花开关)的特定元件，仅举几例。这些元件具有广泛的电压和电流额定值以及不同的功能。然而，它们与功率半导体器件的主要区别在于它们的针对单个装置的非常高的电压承受能力(可以在10kV-135kV之间)，因此使得它们适用于诸如HVDC的非常高压的系统。与用于实现相同的额定电压的等效的串联连接的电力元件配置相比，对于这种高压装置，这些元件中的一些也具有非常有吸引力的损耗表现。根据元件类型，它们还提供了仅导通功能，诸如Thyratron，或者提供了导通和关断功能，诸如Crossatron和Hollowtron。

可能只有第二开关元件能够导通。另一方面，第一开关元件至少需要关断控制。这意味着，如果第二开关元件具有能够导通的栅极，那么第一开关元件26可能不具有导通的能力，而仅是关断型的开关元件，例如JFET。

此外，第一开关元件26具有第一电压承受能力，而第二开关元件28具有第二电压承受能力，并且第二开关元件28的电压承受能力可以显著地高于第一开关元件26的电压承受能力。例如，它可以是第一开关元件的电压承受能力的十倍。替代地，它可以至少高20倍或至少高25倍。

这种组合可以是例如能够承受4500V的IGCT串联连接到能够承受高达135kV的Crossatron或Thyratron。可以看出，这将导致第二电压承受比第一电压承受高80/3倍。

在图2中还可以看出，第二电极E2具有比第一电流传导端子CCT1更高的电势，这通过具有正电势(+)的第二电极和具有负电势(-)的第一电流传导端子示出。这意味着技术电流或传统电流是从第二电极E2到第一电流传导端子CCT1。电子流将在相反的方向。

此外，开关元件可联合操作以用于在第二电极E2和第一电流传导端子CCT1之间断开或形成电流路径。在图2所示的示例中，采用作为开关设备24的一部分的栅极控制单元30来获得该联合操作。因此，联合操作是协同操作。联合操作也可以是顺序操作。然而，应当认识到，这种联合操作不一定通过这种栅极控制单元30获得，而是可以作为包括开关设备24的装置的控制的一部分来提供。例如，如果开关设备24作为VSC(诸如第一变流器14)的一部分来提供，则栅极控制功能可以被提供作为VSC的开关设备的整体控制的一部分(例如，用于形成AC波形的部分中)。

栅极控制单元30被提供以用于形成或断开在第二电极E2和第一电流传导端子CCT1之间的电流传导路径。

栅极控制单元30可以被配置成通过使用栅极控制序列来形成电流路径，该栅极控制序列包括：首先将栅极控制信号施加到第一栅极G1以将第一开关元件26导通，然后将栅极控制信号施加到第二栅极以将第二开关元件28导通。因此，第二栅极G2可以在第一开关元件26导通之后接收栅极控制信号。顺序也可以相反。

因此，半导体开关元件26和栅极管元件28最初可以以给定的顺序导通，这不是关键的，只要功率半导体器件26首先导通，并且管28仍然阻断电压即可。因此，使电子管导通是关键，而半导体器件的导通可以是可选的。

用作第二开关元件的大多数类型电子管的一个限制是，它们通常只能关断适度的(moderate)电流，因为它们在该过程中依赖于低等离子体密度。与此相反，半导体元件可以将相当高的电流关断。

为了解决这个问题，栅极控制单元30在断开电流路径时可以首先将栅极控制信号施加到第一栅极G1以关断第一开关元件26，从而将电流路径中的电流从第一常规电流电平降低到第二较低的关断电流电平，以便使第二开关元件28在这个第二电流电平下关断以断开电流路径。

取决于第二开关元件28的类型，栅极控制单元30还可以向第二栅极G2施加栅极控制信号，以在电流路径中的电流处于第二电流电平时将第二开关元件28断开，以断开所述电流路径。

在上面给出的IGCT和Crossatron或Thyratron的示例中，在关断期间，IGCT首先关断，以在关断充气管28(在Crossatron的情况下)之前将电流减小到非常低的水平。如果第二开关元件28是Thyratron，则可能不需要栅极控制信号，因为Thyratron可以由于低电流流动而自行关断。

可以看出，第一开关元件26的使用还允许为第二开关元件28提供关断能力，第二开关元件28通常不提供它关断能力，或者替代地，强烈地增强它们对更高的标称电流的关断能力。此外，第一开关元件26提高了组合装置的可靠性。

与电子管的10V上至1kV的通常的正向电压(强烈地取决于所选择的电子管设计)相比，通过半导体的附加的电压降始终只是一个小因素。

原则上，共源共栅器件中的两个开关元件的配置可以是任意的。因此作为替代可能的是，第二开关元件28的第一电极E1连接到负电势(-)，第二电极E2电连接到第一开关元件26的第一电流传导端子CCT1，第一开关元件26的第二电流传导端子CCT2连接到正电势(+)。示出该实现但没有控制单元的本发明的第二变型在图3中示意性地示出。由此，将存在从第二电流传导端子CCT2到第一电极E1的电流。然而，可能优选的是，使电子管首先处于技术电流流动方向、然后是半导体器件，恰如在图2中所示。因此，开关设备24可以被设计成用于连接到高压电力系统，使得通过它的电流传导方向是从第二电极E2到第一电流传导端子CCT1。这是由于电子管的不对称设计，其中导通(和关断)是由于相对于阴极的电压。通常，电子管在栅极和阳极之间具有高耐受电压，并且在栅极和阴极之间需要低电压，用于它们的控制。在这种配置中，需要相对于图2中的“-”电压来控制栅极G1和栅极G2两者。与交换的两个装置相比，G2将相对于“-”电压受控，但G1相对于中间电压水平受控。在打开状态期间，G1和G2之间的电压将是高电压的量级。

另外，一些充气管元件通常需要通过使用额外的电源将大部分电流换向到栅极。在图2中所示的配置中，允许半导体元件来限制该换向电流，因为它是电流路径的一部分。在交换半导体器件和充气管的位置的替代配置中，情况并非如此，这降低了设计的有用性。

如上所述，开关设备24可以在各种装置中(诸如在VSC中)使用。在这种装置中，通常使用反并联电流调节元件，例如二极管。因此，开关设备24可以包括反并联二极管。其中一个示例在图4中示出，图4示出了来自图2中的第一开关元件26和第二开关元件28。然而，此外，这里还存在反并联二极管D，其阴极连接到第二电极E2，并且其阳极连接到第一电流传导端子CCT1。请记住，在这种情况下，二极管可以基于半导体或电子管原理。在该变型中，省略了栅极控制单元。然而，这里也可能包含一个栅极控制单元。

在图5中示出包括反并联单向电流传导元件的开关设备的另一示例。图5还示出了来自图2中的第一开关元件26和第二开关元件28。然而，此外，这里在装置24中存在包括反并联密封的电子管31的单向电流传导元件，反并联密封的电子管31包括第三栅极G3、以及第三电极E3和第四电极E4，其中栅极G3被配置成控制电极E3和E4之间的电流，即单向电流。第三电极E3可以是阳极，而第四电极E4可以是阴极。第三电极E3连接到第一电流传导端子CCT1，且第四电极E4连接到第二电极E2。此外，这里当然也可以添加栅极控制单元，因此栅极控制单元还可以控制第三栅极G3例如始终导通。

如上所述，开关设备24可以用于多种类型的装置中。图6示出了第一变流器的桥臂，第一变流器被实现成具有两个变流器阀CV1和CV2的两电平变流器14A，其中第一变流器阀CV1连接在第一变压器T1和DC链接18的负DC电压-VDC之间，并且第二变流器阀CV2连接在第一变压器T1和DC链接18的正DC电压+VDC之间。还有一个DC链接电容器C跨两个阀CV1和CV2连接。在该装置中，每个阀可以通过例如在图2和图3中所示的开关设备来实现。如果提供第二阀CV2，则第二电极将连接到正DC电压+VDC，而第一电流传导端子将连接到第一变压器T1。如果将要使用图2或图3的开关设备，则可能必须添加如在图4和图5中所示的反并联单向电流传导元件。替代地，可以直接使用图4和图5的开关设备。

在图7中示出可以使用开关设备24的装置的另一示例。在这种情况下，第一变流器是使用半桥单元的模块化多电平变流器14B，其中图7示出了第一桥臂，其包括分别经由对应的桥臂电抗器LA和桥臂电抗器LB接合(join)到桥臂中点的上桥臂和下桥臂，其中桥臂中点接合到第一变压器(未示出)。如在图7中所示，每个桥臂由多个单元32组成，每个单元32被实现为与单元电容器并联的两个开关的串联连接。在图7中还示出，这种开关通常被实现为具有反并联二极管的IGBT。

如在图8中所示，单元32'的每个开关可以由开关设备24代替，例如图4或图5的开关设备。由此，串联连接的两个开关设备24与单元电容器C单元并联连接。在这种情况下，上开关设备的第二电极将连接到单元电容器C单元的上端，而第一电流传导端子将连接到下开关设备，且更具体地连接到下开关设备的第二电极，其第二电流传导端子将连接到单元电容器C单元的下端。

如果代替地使用图2或图3的开关设备，则对应的单向电流传导元件当然必须与如在图4和图5中所示的每个开关设备24并联连接。

SVC也可以被实现为VSC，例如通过模块化的多电平VSC，其中三个桥臂以三角形(delta)配置连接。在这种情况下，每个桥臂可以通过一个或多个开关设备实现。

最后，在图9中示出了混合HVDC断路器22。它包括主断路器35和一个负载换向开关38，主断路器35与例如通过一个机械开关实现的超高速断开器(disconnector)36串联连接。这里还存在与主断路器35并联的第一电涌放电器(arrestor)SA1、以及与负载换向开关38并联的第二电涌放电器SA2。

在这种情况下，主断路器35可以通过一个或多个串联的开关设备实现。负载换向开关也可以采用开关设备。

在AC系统具有通常通过串联连接的半导体开关元件实现的AC电路断路器的情况下，则这种半导体开关元件也可以由开关元件代替。

因此已经示出了一种新的开关设备，其可以用在高压电力系统中的许多不同装置中，诸如高压电力传输系统。新的开关器件具有许多优点，包括低传导损耗、可以通过有限数量的元件实现并具有高可靠性。

栅极控制单元可以以分立元件的形式实现，诸如逻辑电路的组合。还可以使用诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的可编程电路。又一替代方案是具有伴随程序存储器的处理器的形式，该程序存储器包括在处理器上运行时执行所需控制功能的计算机程序代码。

从前面的讨论可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。因此应当认识到，本发明仅受所附权利要求的限制。