专利名称：电力变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高电压应用的电力变流器，其包括多个串联连接的电开关。本发明特别涉及包括可熄灭式半导体装置(extinguishable semiconducting means )的电压源变流器。本发明更具体地涉及多个具有 "短路故障模式"的串联连接的半导体器件。术语"短路故障"应该理解为在串联连接的半导体元件之一发生故障 的情况下，电路不是断开而是保持闭合。高电压应用包括电力的分配和传 输。通常，用于这些应用的范围是2kV及以上，并且可有利地是5kV及 以上。
背景技术：
设计用于高电压应用的电压源变流器的 一般惯例涉及串联连接的开 关。每个开关都具有将电路断开和闭合的功能。对于串联连接，闭合操作 是至关重要的，因为不然的话，整个阀将是一个断路，因而阀不能工作。 因此，如果开关遇到了故障，则它必须能够实现短路故障模式。开关通常 包括可熄灭式半导体元件。然而，大部分这种半导体元件在故障模式中保 持断开。因此，变流器包括多个串联连接的半导体元件，每个半导体元件 必须包含短路故障模式。这可以通过与半导体元件并联的回路或通过将半 导体元件设计成在故障模式中成为短路来实现。每个半导体元件都包括针对其主端子上的容许直流电压应力的单独 电压额定值。因此，为了针对特定总电压额定值来设计电压源变流器，需 要特定数目的串联连接的工作半导体元件。如果这些半导体元件中的一个 遇到故障，则整个变流器跳闸且必须被停止工作。为解决半导体元件故障， 7>^的是在串联连接的半导体元件的系列中设置多个冗余的半导体元件。 因此半导体元件的系列包括了工作所必需的特定数目的工作半导体元件 和特定数目的冗余半导体元件。当所有这些冗余的半导体元件都击穿时， 变流器的工作由仍工作的半导体元件来完成。但是当工作半导体元件中的 一个成为短路故障模式时，变流器跳闸且必须被停止工作。
因此，如果在工作期间发生半导体故障，则只要阀中的击穿位置的数目小于冗余位置的数目，变流器就保持工作。賴^据系统i殳计和变流器的电 压额定值，可以有若干冗余的位置。如果一个阀中的所有冗余位置都击穿 了并且另外的位置也击穿了，则设备必须跳闸。这意味着设备将停止工作 到用 一组新的半导体元件将它〗务复为止。发明内容本发明的主要目的是提供一种在工作半导体器件之一发生故障的情 况下还能够工作的变流器。根据本发明，通过独立权利要求1中的特征所表征的电力变流器或通 过由独立权利要求4中的步骤所表征的方法来实现这个目的。优选的实施 例^L描M^^权利要求中。根据本发明，当工作半导体元件中的一个已经采用短路模式时，变流 器的直流电压被降低。这发生在击穿位置的数目超过冗余位置的数目时。 已降低的直流电压是串联连接的半导体元件的系列中的仍工作的半导体元件的各个电压额定值的总和。通过降低变流器的直流电压，变流器仍然 可以保持工作。直流电压可以按照由各个半导体元件的特征所限定的步骤或范围来调节。直流电压是考虑到VSC的电压额定值时的设计M。如果所有的冗 余半导体元件加上一个工作半导体元件被损坏，则降低直流电压以允许其 余部件保持在它们的电压额定值内。这样做的好处是增加了 VSC的可用 性并且将强制停机变成推迟停机或计划停机。然而，对系统的影响是减小 了变流器电压额定值。在针对无功功率的补偿器中，根据VSC工作点， 电容性区域的性能可降低。在电感性区域中，甚至在所有冗余半导体元件 加上一个或更多工作半导体元件发生故障之后，VSC吸收无功功率的能 力也不会减小。在本发明的第一方面，上述目的是一种通过包括串联连接的工作半导 体元件系列的电压源变流器来实现的，其中在工作半导体元件发生故障的 情况下，该变流器包括用于计算工作直流电压的装置和用于调节所述变流 器以在所述变流器上采用该工作直流电压的装置，该工作直流电压包括所 述系列中的每个其余工作半导体元件的直流额定值的总和。在本发明的又
一实施例中，各个电压额定值由范围来限定。在又一实施例中，每个单独 的半导体元件的电压额定值在控制单元中限定和存储。在本发明的第二方面，上述目的通过一种用于补偿工作半导体元件的 故障的方法来实现，该工作半导体元件串联连接于电压源变流器的系列中，该方法包括检测工作半导体元件的故障；计算工作直流电压，该工 作直流电压包括每个其余工作半导体元件的直流额定值的总和；调节该变 流器上的总的直流电压以设成上述工作电压。在这个方面的又一实施例 中，才艮据其余工作半导体元件的电压额定值范围来计算工作直流电压。
根据下面结合附图的详细说明，对于本领域的技术人员来说，本发明 的其他特征和优点将变得更加清楚。其中图l是电力变流器的串联连接的开关系列的主电路，图2是示出电压源变流器的可能调节的示图，图3是示出根据本发明调节直流电压的原理的示图，图4是根据根本发明的典型电压源变流器的主电路。
具体实施方式
串联连接的开关2、 3、 4、 5的系列1在图1中示出。每个单独的开 关都用开关符号M示，以便示出开关始终能够按照控制电路的需要而成 为闭路或开路的必要性。特别是在串联连接时，成为闭路的能力对于变流 器的功能是非常重要的。公知的是利用可熄灭式半导体元件来设置开关。 因此，这些半导体元件必须包括短路故障模式。设计串联连接的半导体元件的系列时必须考虑到冗余度。根据设计标 准，必须为变流器限定工作能力。根据长期的经验，公知的是半导体元件 具有某种击穿能力。因此，变流器阀必须包括一个数目的串联连接的半导 体元件，该数目等于阀上的总直流电压除以系列中的单独半导体元件的内 部直流电压容量。然而，根据这种标准所做的设计将导致当半导体元件中 的一个击穿时，变流器跳闸并且不能工作。为了解决这个问题，在系列中 加入多个冗余的半导体元件。因此当第一个冗余的半导体元件击穿时，其 余的半导体元件能够分担该变流器上的总直流电压。当所有冗余的半导体 元件都击穿时，下一个半导体元件的击穿将4吏变流器停止工作。在图1中，为了简化只示出了四个半导体元件。对于实际操作中的电压源变流器，该系列可以包括3至30个半导体元件。对于在更高区域中 的高直流电压工作，该变流器可以包括100-200个串联连接的元件。图l 中的每个半导体元件具有单独的电压额定值Vi。整个系列具有总的直流 电压容量Vt。假如第一半导体元件2是冗余的半导体元件，则总的直流 电压包括其余半导体元件3、 4、 5的单独电压的总和。因而如果半导体元 件中的一个击穿，从而成为闭路，则其余的半导体元件能够应对总的电压。 然而，如果其余半导体元件中的一个也击穿，则总的直流电压大于其余半 导体元件的总和，使得该变流器跳闸。根据本发明，取而代之的是将所述系列上的总的直流电压调节成采用 低于上述总电压的工作直流电压。最佳工作直流电压将是仍工作的元件的 电压之和。在图2中示出了调节电压源变流器的工作直流电压的能力。在 第一工作期，当变流器上电时，直流电压达到第一直流电压7。在第二工 作模式，直流电压被提升到工作直流电压8以满足工作需要.根据本发明， 当一个或更多的工作半导体元件被损坏时，4吏用该提升能力来形成不4吏变 流器跳闸的工作直流电压。在本发明的一个实施例中，通过如图3所示的实例来调节工作直流电 压。图中的顶部的线示出了故障位置10的数目。第一曲线8是变流器上 的总的直流电压。第二曲线9^:每个元件的直流电压。在图3中假i殳第一 故障位置是冗余的元件。因此当第一位置发生故障时，变流器上的总的直 流电压^l:相同的，但^1每个半导体元件的直流电压上升到它的最大电压。 在这种情况下，变流器继续以全功率工作。当第二位置发生故障时，总的 直流电压降低，从而使每个半导体元件的直流电压保持在安全水平。当第 三位置也发生故障时，变流器的工作直流电压进一步被降低。这使得仍然 保持每个半导体元件的安全直流电压。因此通过降低变流器的工作直流电 压，变流器仍然可以以较低容量保持工作。图4中示意性地示出本发明所适用的高电压变流器电路的相支路 (phase leg)。在连接到三相交变电流网的设备中，通常有三个相支路， 这三个相支路共用一个直流电容器13。该电路通常包括多个在此以IGBT 的形式串联连接的电力半导体器件11，以及与相应的这种器件反并联连
接的通常所说的续流二极管(free-wheeling diode) 12。在实际中，串联 连接的电力半导体器件的数目远多于图4中所示的数目。串联连接的电力半导体器件连接到直流电容器13，而电力半导体器 件之间的相端子14连接到交变电压网的相。在所示的实施例中，到电网 的连接包括相电抗器15。在图4中与二极管一起设置在相端子14上方的 电力半导体器件形成一个IGBT阀，而位于相端子14下方的电力半导体 器件形成另一个IGBT阀。通过来自驱动单元16 (分别示意性地示出)的信号，IGBT阀中的所 有电力半导体器件同时被接通，使得当相端子14处需要正电势时，第一 IGBT阀中的电力半导体器件导通，而当相端子14处需要负电势时，第 二IGBT阀中的电力半导体器件导通。通过根据所确定的脉冲宽度调制(PWM)模式来控制电力半导体器 件，直流电容器13上的直流电压可以用于产生相端子14处的电压，其基 本分量是具有所需幅值、频率和相位的交变电压。通it^控制单元17向 不同的驱动单元发送控制脉冲来进行这种控制，其中发送通常通过光纤来 进行。在图4的实例中，有第一光纤9和笫二光纤10。第一光纤被用于 发送切换命令，而第二光纤被用于接收来自半导体元件的状态信息。控制单元17和驱动单元16之间的信息交换是经由光纤的双向通信。 切换命令从控制单元17发送到驱动单元16。切换事件的指示信号可以从 驱动单元16发送回控制单元17。控制单元处于低电压电势，并与处于高 电压电势的驱动单元16电性分离。切换事件的指示信号产生于驱动控制 单元。控制单元包括计算机装置和存储器装置，用于计算和控制到驱动单 元的信号。虽然所提出的实施例是有利的，但是本发明的范围不局限于这些实施例，而是还包括对本领域技术人员明显的实施例。例如，每个半导体元件的安全直流电平可以在控制系统中限定和存储。在又一实施例中，可以为 每个半导体元件限定安全直流电压电平范围。
权利要求
1.一种电压源变流器，包括串联连接的工作半导体元件(2-5)的系列(1)，其特征在于所述变流器包括在工作半导体元件发生故障的情况下用于计算工作直流电压(8)的装置(17)，以及用于调节所述变流器以在所述变流器上采用所述工作直流电压的装置，所述工作直流电压(8)包括所述系列中的每个其余工作半导体元件的电压额定值(vi)的总和。
2. 根据权利要求l所述的电压源变流器，其中每个其余工作半导体 元件的所述电压额定值(Vi)是用直流电压电平范围来限定的。
3. 根据权利要求1或2所述的电压源变流器，其中所述电压额定值 包括每个单独的半导体元件的电压范围。
4. 一种用于补偿串联连接的工作半导体元件的故障的方法，所述工 作半导体元件串联连接于电压源变流器的系列中，其特征在于包括检测 所述工作半导体元件的故障；计算工作直流电压，所述工作直流电压包括 每个其余工作半导体元件的电压额定值的总和；调节所述变流器上的总的 直流电压以i史成所述工作电压。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中根据各个半导体元件电压额定 值的范围来计算所述工作直流电压。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中所述调节操作包括从第一 直流电压电平阶梯式地调节到第二直流电压电平。
7. 根据权利要求4或5所述的方法，其中所述调节操作包括从第一 直流电压电平平滑地调节到第二直流电压电平。
8. —种可存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，包括处理器 用来执行权利要求4至7所述方法的指令。
9. 根据权利要求8所述的计算;^序产品，所述计算积4呈序产品至 少部分地通过诸如因特网的网络来提供。
10. —种计算机可读介质，其特征在于它包括根据权利要求8所述的 计算^f呈序产 品。
全文摘要
一种电压源变流器，包括串联连接的工作半导体元件(2-5)的系列(1)。该变流器还包括在工作半导体元件发生故障的情况下用于计算工作直流电压(8)的装置(17)，以及用于调节变流器以在变流器上采用该工作直流电压的装置，该工作直流电压(8)包括系列中的每个其余工作半导体元件的直流额定值(v<sub>i</sub>)的总和。
文档编号H02M7/537GK101156308SQ200680010897
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年4月1日
发明者托马斯·拉松, 让-菲利普·哈斯勒, 阿克·彼得松, 马尔西奥·德·奥利韦拉 申请人:Abb技术有限公司