Ctl单元保护的制作方法
【专利摘要】提供换流器单元（110；120）。该换流器单元包括电容器（113；123）、串联的第一（111；121）和第二（112；122）开关元件、用于将换流器单元连接到外部电路的第一（114；124）和第二（115；125）连接端子、并联到该电容器的旁路元件（113；123）以及控制单元（117）。该控制单元设为用于响应检测到导致电容器的非受控充电的状况而将旁路元件闭合。这是有利的，因为可以防止换流器单元中包括的开关元件的任何其中之一或控制开关元件的门单元故障导致的单元电容器的非受控充电。由此，降低了电容器过电压故障的风险。再者，提供一种换流器单元的方法。
【专利说明】CTL单元保护
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及高压直流(HVDC)输电和配电系统以及柔性交流输电系统(FACTS)，以及更确切地来说涉及基于串联的换流器单元的电压源换流器(VSC)和静止无功补偿器。
【背景技术】
[0002]在HVDC应用中，频繁地将基于多个串联换流器单元的多电平换流器用于VSC。例如，在链式连接换流器中，例如换流器单元典型地为全桥类型的，而半桥类型换流器单元优选用于级联二电平(CTL)换流器。
[0003]半桥类型的换流器单元包括两个开关元件和储能元件，如电容器。在任何时间，具体取决于开关元件的状态，每个单元可以提供单极非零电压成分或不提供成分，其中一次可以将这些开关元件的仅其中之一导通。
[0004]全桥类型的换流器单元包括四个开关元件和储能元件。具体根据开关元件的状态，可以提供任一极性的双极非零电压成分或不提供成分。
[0005]此类换流器单元中包含的开关元件典型地基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成的门极换流晶闸管(IGCT)以及分别反并联到晶体管或晶闸管的二极管。
[0006]为了提供冗余性，频繁使用基于串联压装式IGBT的换流器单元。由于压装式模块的耐用性，换流器单元在压装中包含的个别装置故障的情况下仍能够工作。
[0007]但是，在非基于串联IGBT的换流器中，需要一种在开关元件之一或控制开关元件的门单元发生故障的情况下换流器单元的保护措施。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种作为上述技术和现有技术的更有效率的备选方案。
[0009]更确切地来说，本发明的目的在于提供一种换流器单元的改进型保护。本发明的又一个目的在于，提供一种在HVDC电压源换流器和FACTS静止无功补偿器中使用的换流器单元的改进型保护。
[0010]本发明的这些和其他目的通过具有独立权利要求1中定义的特征的换流器单元，以及通过独立权利要求11中定义的换流器单元的方法来实现。本发明的实施例由从属权利要求表征。
[0011]根据本发明的第一方面，提供一种换流器单元。该换流器单元包括电容器、开关元件的第一分支以及第一和第二连接端子。开关元件的第一分支并联到电容器。开关元件的第一分支包括第一和第二开关元件。第一和第二开关元件串联。第一和第二连接端子设为用于将换流器单元连接到外部电路。该换流器单元还包括旁路元件和控制装置。该旁路元件并联到电容器。该控制装置设为用于将旁路元件闭合。该旁路元件响应检测到导致电容器的非受控充电的状况而被闭合。
[0012]根据本发明的第二方面，提供一种换流器单元的方法。该换流器单元包括电容器、开关元件的第一分支以及第一和第二连接端子。开关元件的第一分支并联到电容器。开关元件的第一分支包括第一和第二开关元件。第一和第二开关元件串联。第一和第二连接端子设为用于将换流器单元连接到外部电路。该方法包括将旁路元件闭合。该旁路元件响应检测到导致电容器的非受控充电的状况而被闭合。
[0013]本发明利用如下认识:可以通过提供并联到该单元电容器(cell capacitor)，即在换流器单元的直流(DC)侧的旁路元件来防止由于换流器单元中包含的一个或多个开关元件的故障或由于控制开关元件的门单元的故障所导致的单元电容器的非受控充电。该旁路元件设为用于在故障的情况中将单元电容器旁路。该旁路元件可以是足够快速以在达到可能危害装置及其周围器件的完整性的电压电平之前中断电容器的非受控充电的任何类型的辅助开关。本发明的实施例是有利的，因为可以避免电容器上的过电压，从而减缓电容器的过电压故障的风险。
[0014]根据本发明的实施例，控制装置还设为用于监视第一开关元件，并响应检测到第一开关元件处于非可控开路状态而将旁路元件闭合。监视开关元件是有利的，因为能够防止单元电容器的非受控充电。为此，第一开关元件处于非可控开路状态是导致单元电容器的非受控充电的状况。监视开关元件是有利的，因为可以通过激活旁路元件以在早期防止非受控充电。
[0015]根据本发明的实施例，该控制装置还设为用于测量电容器上的电压并响应检测到测量的电压超过预定阈值而将旁路元件闭合。在本实施例中，导致单元电容器非受控充电的状况是电容器上的电压超过预定极限。这是有利的，因为检测到的状况与非受控充电直接相关。
[0016]根据本发明的实施例，第一连接端子设为用于提供至第一开关元件与电容器之间的接点的连接。再者，第二连接端子设为用于提供至第一开关元件与第二开关元件之间的接点的连接。换言之，开关元件和电容器的电路布置以及它们至外部电路(例如，换流器)的连接对应于半桥类型。
[0017]根据本发明的实施例，换流器单元还包括开关元件的第二分支。开关元件的第二分支并联到电容器。开关元件的第二分支包括第三和第四开关元件。第三和第四开关元件串联。控制装置还设为用于监视第一、第二、第三和第四开关元件，并且用于将旁路元件闭合。响应检测到第一开关元件和第四开关元件，或第二开关元件和第三开关元件处于非可控开路状态将旁路元件闭合。这是有利的，因为可以减轻双极换流器单元中的单元电容器的非受控充电的风险。
[0018]根据本发明的实施例，第一连接端子设为用于提供至第一开关元件与第二开关元件之间的接点的连接。再者，第二连接端子设为用于提供至第三开关元件与第四开关元件之间的接点的连接。换流器单元的此实施例的电路布置对应于全桥类型。
[0019]根据本发明的实施例，每个开关元件包括双极晶体管和二极管。该二极管反并联到晶体管。例如，晶体管可以是IGBT。作为备选，可以使用具有关断能力的任何半导体开关装置，如IGCT。优选地，将该开关装置和二极管布置在压装式壳体中。
[0020]根据本发明的实施例，该旁路元件包括机械开关。
[0021]根据本发明的实施例，该旁路元件还包括晶闸管。该晶闸管并联到机械开关。这是有利的，因为可以使用晶闸管快速地将电容器旁路，而机械开关在晶闸管失去其门信号的情况中，例如门单元故障的情况中，特别是如果门单元从单元电容器获得供电的情况下，提供芳路。
[0022]根据本发明的实施例，换流器单元还包括用于减少经由旁路元件的电流的装置。这是有利的，因为限制了旁路开关可能易承受到的电容器的全短路电流。以此方式，减少了旁路元件上的电流应力。如果换流器单元包括电感型钳位装置，则可以将该电感型钳位装置的电抗器用于此目的。
[0023]当研究下文的详细公开、附图和所附权利要求时，将显见到本发明的其他目的、特征和优点。本领域技术人员认识到可以将本发明的不同特征组合以创建下文描述的那些实施例以外的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]参考附图，通过下文对本发明实施例的说明性且非限制性详细描述将更好地理解本发明的上文以及附加的目的，特征和优点，其中:
图1示出根据本发明的实施例的两个半桥换流器单元。
[0025]图2示出根据本发明的实施例的全桥换流器单元。
[0026]图3示出根据本发明的实施例的双单元换流器单元。
[0027]图4示出根据本发明的实施例的包括电感型钳位装置的半桥换流器单元。
[0028]所有附图是示意性的，不一定按比例绘制，并且一般仅示出为了阐明本发明所需的部件，其中其他部件可能被省略或仅予以提出。
【具体实施方式】
[0029]参考图1，描述一种根据本发明实施例的换流器单元。
[0030]换流器单元110包括串联的两个开关元件111和112、并联到开关元件111和112的串联的电容器113、用于将换流器单元110连接到外部电路的连接端子114和115以及旁路元件116。连接端子114提供至第一开关元件111与电容器113之间的接点的连接，以及连接端子115提供至第一开关元件111与第二开关元件112之间的接点的连接。
[0031]换流器单元110的开关元件111和112由控制单元(图1中未示出)，如门单元来控制，其设为用于向开关元件111和112提供门信号以便操作换流器单元110，正如本领域中公知的。为此，换流器单元Iio是半桥类型的，S卩，它设为用于经由连接端子114和115提供单极电压成分。换流器单元110可以是例如CTL换流器的一部分。
[0032]换流器单元110中包括的旁路元件116设为用于在例如由于开关元件111本身故障或门单元故障而使开关元件111保持开路状态的情况下将电容器113旁路。为此目的，为换流器单元110提供控制单元117，控制单元117设为用于监视开关元件111。在检测到非可控，即永久性开路状态的情况下，控制单元117激活旁路元件116，即它闭合旁路。这可以例如通过向机械开关来发送跳闸信号或通过向旁路元件116所基于的晶闸管或晶体管提供门信号来实现。
[0033]进一步参考图1，换流器单元110还可以设为用于在电容器113上的电压超过预定阈值的情况下将单元电容器113旁路。为此目的，控制单元117还设为用于监视电容器113上的电压，以及用于将测量的电压与电压极限比较。在检测到过电压的情况下，控制单元117激活旁路元件116。
[0034]在开关元件111故障或控制开关元件的门单元故障的情况下，可能发生单元电容器113的未受控充电。为此，如果开关元件111处于开路状态，则经由开关元件112中包括的二极管和旁路元件116提供稳定的旁路。典型地，旁路元件116应该在数毫秒内被激活以便防止电容器113的非受控充电。另一方面，在开关元件112处于开路状态的情况下，无需旁路元件116的激活,这是因为开关元件111能够控制单元电压。
[0035]本领域技术人员将认识到本发明的实施例可以单独基于开关元件的监视或电容器电压的监视或基于二者的组合。
[0036]进一步参考图1，图示根据本发明的另一个实施例的半桥类型的第二换流器单元。
[0037]换流器单元120与换流器单元110相似，并且仅由于连接端子124和125的布置而不同于第一换流器单元。更确切地来说，连接端子124提供至第一开关元件121与第二开关元件122之间的接点的连接，以及连接端子125提供至第二开关元件122与电容器123之间的接点的连接。与124和125相比，连接端子114和115的不同布置产生换流器单元110和120分别提供的不同极性的非零电压成分。例如，如果换流器单元110设为用于经由连接端子114和115提供第一极性的非零电压成分，换流器单元120设为用于经由连接端子124和125提供与第一极性相反的第二极性的非零电压成分，并且反之亦然。
[0038]参考图2，描述一种根据本发明的另一实施例的换流器单元。换流器单元200包括四个开关元件201-204、电容器205、连接端子206和207和旁路元件208。开关元件201和202设在第一分支中，以及开关元件203和204设在第二分支中。在每个分支内，开关元件串联，以及这两个分支并联。电容器205和旁路元件208并联到开关元件201-204的两个分支。换流器单元200的电路布置是全桥类型的，即，换流器单元200设为用于经由连接端子206和207提供双极电压成分。电压成分的极性以及它为零还是非零取决于开关元件201-204的状态，正如本领域中公知的，其状态由控制单元(图2未示出)，例如门单元来控制。
[0039]与参考图1描述的换流器单元110和120相似，换流器单元200中包括的旁路元件208设为用于在由于例如开关元件或控制开关元件的门单元故障而导致两个开关元件201和204都保持非可控开路状态或两个开关元件202和203都保持非可控开路状态的情况下将电容器205旁路。为此目的，为换流器单元200提供控制单元209，控制单元209设为用于监视开关元件201-204。在检测到非可控，即永久性开路状态的情况下，控制单元209激活旁路元件208，即它闭合旁路。这可以例如通过向机械开关来发送跳闸信号或通过向旁路元件208所基于的晶闸管或晶体管提供门信号来实现。
[0040]例如，如果电流正从连接端子207经由单元200流到连接端子206，则电流可以流经开关元件201的晶体管和开关元件203的二极管或经由202的二极管和开关元件204的晶体管。因此，如果开关元件201和204两者都保持非可控开路状态，则需要激活旁路元件208，即需要将其闭合，以便经由开关元件202的二极管、旁路元件208和开关元件203的二极管提供电流的旁路。
[0041]对于相反电流方向，S卩，从连接端子206经单元200流到连接端子207的电流，该电流可以流经开关元件203的晶体管和开关元件201的二极管或流经204的二极管和开关元件202的晶体管。因此，如果开关元件201和204两者都保持非可控开路状态，则需要激活旁路元件208，即需要将其闭合，以便经由开关元件204的二极管、旁路元件208和开关元件201的二极管提供电流的旁路。
[0042]换言之，为了换流器单元200可以双极方式工作，开关元件201/204和202/203的每对的至少一个开关元件必须是可控的。
[0043]与参考图1描述的相似，控制单元209还可以设为用于监视电容器205上的电压，以及用于响应检测到电容器205 (图2中未示出)上的过电压激活旁路元件208。
[0044]在图3中，示出根据本发明另一个实施例的换流器单元。
[0045]换流器单元300包括两个半桥类型的子单元，如参考图1论述的换流器单元110和120。第一换流器单元包括开关元件301和302，以及并联到开关元件301和302的电容器304。第二子单元包括开关元件303和304，以及并联到开关元件303和304的电容器305。再者，换流器单元300包括连接端子306和307。连接端子306设为用于提供至第一子单元的第一开关元件301和第二开关元件302之间的接点的连接，以及连接端子307设为用于提供至第二子单元的第一开关元件303和第二开关元件304之间的接点的连接，
为此，换流器单元300的子单元互连，以便能够提供经由连接端子306和307的双极电压成分。更确切地来说，与换流器单元120相似的第一子单元以及与换流器单元110相似的第二子单元分别经由连接端子125和114互连。因此，连接端子306对应于换流器单元120的连接端子124，并且连接端子307对应于换流器单元110的连接端子115。电压成分的极性以及它为零还是非零取决于开关元件301-304的状态，正如本领域中公知的，其状态由控制单元(图3未示出)，例如门单元来控制。
[0046]但是，相比于换流器单元110和120的仅仅串联，换流器单元300包括公共旁路元件308，即，并联到电容器304和305的串联的旁路元件。旁路元件308设为用于在由于例如开关元件本身或控制开关元件的门单元故障而导致开关元件302或303的任何其中之一保持开路状态的情况下进行旁路。为此目的，换流器单元300包括控制单元309，控制单元309设为用于监视开关元件302和303。在检测到非可控，即永久性开路状态的情况下，控制单元309激活旁路元件308。
[0047]还将认识到，可以设想双单元换流器单元的实施例，如参考图3论述的换流器单元300，其包括两个旁路元件，即每个单元电容器一个。在此情况中，换流器单元设有的控制单元可以设为用于检测开关元件302或303的非可控开路状态和用于激活对应旁路元件。作为备选，该控制单元还可以设为用于在开关元件302和303的其中之一故障的情况下激活两个旁路元件。
[0048]与参考图1描述的相似，控制单元309还可以设为用于分别监视电容器304和305上的电压，以及用于响应检测到电容器的其中之一或二个电容器(图3中未示出)上的过电压而激活旁路元件308。
[0049]图4中图示本发明的另一个实施例。
[0050]与前文描述的换流器单元110相似，换流器单元400是半桥类型的，并且包括两个开关元件401和402、单元电容器403、旁路元件404、连接端子405和406和控制单元(图4未示出)。换流器单元400与换流器单元110不同之处在于它还包括并联到开关元件401和402的串联的电感型钳位装置408。电感型钳位装置408包括电抗器409、二极管410、钳位电容器411和电阻器412。单元电容器403也是电感型钳位装置408的电路的一部分。再者，换流器单元400包括控制单元413，控制单元413设为用于监视开关元件401和用于响应检测开关元件401的非可控开路状态而激活旁路元件404。
[0051]在响应控制单元413确定非可控开路状态而激活旁路元件404的情况下，电感型钳位装置408中包括的电抗器409减少从单元电容器403流经旁路元件404的电流，从而减少对旁路元件404的电流应力。
[0052]电感型钳位装置408的又一个优点在于可以将电阻器412用于例如计划的停止或紧急关闭期间的单元电容器403的快速放电。为此目的，电感型钳位装置408可以设有另一个开关。
[0053]与参考图1描述的相似，控制单元413还可以设为用于监视电容器403上的相应电压，以及用于响应检测到过电压(图4中未示出)激活旁路元件404。
[0054]本领域技术人员认识到本发明绝对不局限于上文描述的实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。例如，取代提供上文描述的根据本发明实施例的具有电感型钳位装置的换流器单元，可以设想本发明的实施例包括用于减少经由旁路元件的电流的其他装置，如与旁路元件串联的电抗器。再者，本领域技术人员还将认识到，可以将用于控制旁路元件的单元与用于控制开关元件的门单元组合成一个单元。
[0055]总之，提供一种换流器单元。该换流器单元包括电容器、串联的第一和第二开关元件、用于将换流器单元连接到外部电路的第一和第二连接端子、并联到该电容器的旁路元件以及控制单元。该控制单元设为用于响应检测到导致电容器的非受控充电的状况而将旁路元件闭合。这是有利的，因为可以防止换流器单元中包括的开关元件的任何其中之一或控制开关元件的门单元故障导致的单元电容器的非受控充电。由此，降低了电容器过电压故障的风险。再者，提供一种换流器单元的方法。
【权利要求】
1.一种换流器单元(110 ；120 ；200 ；300 ;400)，其包括:
电容器(113 ；123 ；205 ；304 ；305 ;403)， 并联到所述电容器的开关元件的第一分支，所述第一分支包括串联的第一(111 ;121 ；201 ；301 ;401)和第二(112 ；122 ；202 ；302 ；402)开关元件，以及 第一(114 ；124 ；206 ；306 ；405)和第二(115 ；125 ；207 ；307 ；406)连接端子，所述第一和第二连接端子设为用于将所述换流器单元连接到外部电路，其中所述换流器单元还包括: 并联到所述电容器的旁路元件(116 ；208 ；308 ；404),以及 控制装置(117 ；209 ；309 ;413)，其设为用于: 响应检测到导致所述电容器的非受控充电的状况而将所述旁路元件闭合。
2.如权利要求1所述的换流器单元，其中所述控制装置还设为用于: 监视所述第一开关元件(111 ;121 ；201 ；301 ;401)，以及 响应检测到所述第一开关元件处于非可控开路状态而将所述旁路元件闭合。
3.如权利要求1所述的换流器单元，其中所述控制装置还设为用于: 测量电容器(113 ；123 ；205 ；304 ；305 ;403)上的电压，以及 响应检测到测量的电压 超过预定阈值而将所述旁路元件闭合。
4.如权利要求1所述的换流器单元，其中所述第一连接端子(114；405)设为用于提供至所述第一开关元件(111 ;401)与所述电容器(113 ;403)之间的接点的连接，以及所述第二连接端子(115 ；406)设为用于提供至所述第一(111 ；401)开关元件与所述第二( 112 ；402)开关元件之间的接点的连接。
5.如权利要求2所述的换流器单元(200)，其还包括: 并联到所述电容器的开关元件的第二分支，所述第二分支包括串联的第三(203)和第四(204)开关元件， 以及其中所述控制装置还设为用于: 监视所述第一、所述第二、所述第三和所述第四开关元件，以及响应检测到所述第一开关元件和所述第四开关元件，或者所述第二开关元件和所述第三开关元件处于非可控开路状态将所述旁路元件闭合。
6.如权利要求5所述的换流器单元，其中所述第一连接端子(206)设为用于提供至所述第一开关元件(201)与所述第二开关元件(202)之间的接点的连接，以及所述第二连接端子(207 )设为用于提供至所述第三开关元件(203 )与所述第四开关元件(204)之间的接点的连接。
7.如权利要求1-6中任一项所述的换流器单元，其中每个开关元件(111、112;121、122 ；201-204 ；301-304)包括双极晶体管和反并联到所述晶体管的二极管。
8.如权利要求1所述的换流器单元，其中所述旁路元件(116；208 ；308 ;404)包括机械开关。
9.如权利要求8所述的换流器单元，其中所述旁路元件(116；208 ；308 ;404)还包括并联到所述机械开关的晶闸管。
10.如权利要求1所述的换流 器单元，其还包括: 用于减少经由所述旁路元件的电流的装置(409 )。
11.一种换流器(110 ；120 ；200 ；300 ；400)单元的方法，所述换流器单元包括:
电容器(113 ；123 ；205 ；304 ；305 ;403)， 并联到所述电容器的开关元件的第一分支，所述第一分支包括串联的第一(111 ;121 ；201 ；301 ;401)和第二(112 ；122 ；202 ；302 ；402)开关元件，以及 第一(114 ；124 ；206 ；306 ；405)和第二(115 ；125 ；207 ；307 ；406)连接端子，所述第一和第二连接端子设为用于将所述换流器单元连接到外部电路， 其中所述方法包括: 响应检测到导致所述电容器的非受控充电的状况而将所述旁路元件闭合。
12.如权利要求11所述的方法，还包括: 监视所述第一开关元件(111 ;121 ；201 ；301 ;401)，以及 响应检测到所述第一开关元件处于非可控开路状态而将所述旁路元件闭合。
13.如权利要求11所述的方法，还包括: 检测所述电容器(113 ；123 ；205 ；304 ；305 ;403)上的电压，以及 响应检测到测量的电压超 过预定阈值而将所述旁路元件闭合。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述换流器单元(200)还包括: 并联到所述电容器的开关元件的第二分支，所述第二分支包括串联的第三(203)和第四(204)开关元件， 以及其中所述方法还包括: 监视所述第一、所述第二、所述第三和所述第四开关元件，以及响应检测到所述第一开关元件和所述第四开关元件，或者所述第二开关元件和所述第三开关元件处于非可控开路状 态将所述旁路元件闭合。
【文档编号】H02M7/483GK103891124SQ201180072637
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2011年7月29日 优先权日:2011年7月29日
【发明者】J.赫夫纳, B.贾科布森 申请人:Abb 技术有限公司