[發明專利]用于高壓功率設備的直流電源

有效

• 申請號: 200980162840.5
• 申請日: 2009-12-10
• 公開（公告）號: CN102656764A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: K·帕帕斯特吉奧;W·赫曼森;G·德梅特里亞德斯
• 申請（專利權）人: ABB研究有限公司
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18;H02J3/36;H02J7/34;H02J15/00;H02M1/32
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華

技術領域

本發明涉及用于被連接到高壓電力系統的高壓功率設備的直流電源，直流電源包括一個串或多個串，該串包括多個串聯連接的直流電源構件，和被配置成連接和斷開該串的開關。所謂的高壓電力系統應當被理解為在3kV和更高的范圍內的電系統，優選地，在10kV和更高的范圍。所謂的直流電源應當被理解為在3kV和更高的范圍內串聯連接的直流電源構件。功率設備是指能夠控制無功功率和/或有功功率的設備。功率設備的示例是功率補償器和不間斷電源(UPS)。

背景技術

在靈活的交流傳輸系統(FACTS)中，多個控制設備是已知的。一個這樣的FACTS設備是靜態補償器(STATCOM)。STATCOM包括電壓源變換器(VSC)，該VSC具有被連接到高壓電力系統的AC側和被連接到諸如電容器那樣的臨時電功率貯存裝置的DC側。STATCOM可以把無功功率供應到傳輸線或吸收來自傳輸線的無功功率。

與僅僅補償無功功率的STATCOM不同，另一個概念是把直流電源連接到緊湊的STATCOM，因此能夠進行有功功率補償。該結構例如可被用作為運轉備用(spinning?reserve)，和用于補償電力系統中的能量水平波動。

今天，直流電源是高壓電池。由于功率設備被連接到高壓電力系統的交流電壓，多個電池單元必須串聯連接，以便匹配功率設備的直流電壓。而且，為了得到期望的有功功率和能量貯存的持續時間，包括多個電池單元的數個串必須并聯連接。

而且，假如有諸如短路那樣的故障，功率設備必須被保護。因此，在每個串中提供兩個開關，以便假如變換器、串、或串的一部分短路時斷開該串。一個開關能夠斷開串與變換器的正的直流母線的連接，另一個開關能夠斷開串與變換器的負的直流母線的連接。每個開關額定值必須能夠承受整個變換器電壓，以能夠保護功率設備。

至今為止，機械直流斷路器被用作為用于串的連接和斷開的開關。然而，直流斷路器的可用性是有限的，而且這些斷路器的額定值相當低，它小于在高壓電力系統中所需要的電壓額定值。為了克服這個問題，使用了帶有某些附加電路的機械交流斷路器，諸如與交流斷路器并聯連接的諧振電路。

固態開關是電子開關，不像機械斷路器，它不包含活動部件。在市場上希望能夠用固態開關來替換機械交流斷路器。然而，大多數在市面上可獲得的固態開關的問題是，它們在故障時變為開路，這意味著如果固態開關有故障，則包括故障的開關的串將被斷開。因此，直流電源的容量將大大地減小。

發明內容

本發明的目的是提供對于以上提出的問題的有吸引力的解決方案。

按照本發明的一個方面，這個目的是通過如在權利要求中限定的直流電源而達到的。

按照本發明的直流電源的特征在于：

-直流電源中的一個或多個串包括多個串聯連接的直流電源單元，和被配置成連接和斷開串的固態開關，

-固態開關被分布在每個串的電源單元之中，

-在串中的所有的開關被設置成使得它們同時被接通和關斷，

-每個開關在第一方向上與第一可控半導體并聯連接，并且在與第一方向相反的第二方向上與第二可控半導體并聯連接，以及

-直流電源包括控制單元，被配置成在檢測到開關中的故障的情形下通過觸發被連接到故障的開關的第一或第二可控半導體的正向偏壓來旁路故障的開關。

按照本發明的直流電源的優點是，當故障的開關被旁路時最終得到的電流路徑使得直流電源能夠保持運行，只要冗余的開關是可用的。另一個優點是，直流電源是更魯棒和更容易維護的。而且，由于固態開關被分布在串中，有可能減小開關的總的電壓額定值50％，因為假如使用機械直流斷路器則斷路器必須具有等于直流電源的全部電壓的斷開能力，以便能夠使得直流電源分別與正的和負的直流母線斷開。

所謂直流電源構件是指能夠提供直流功率的小的實體，諸如電池單元、光電池、燃料電池、飛輪或超級電容器。不同類型的直流電源構件也可以被組合在直流電源中。

在串中的所有的開關被設置成使得它們同時接通和關斷，暗示當串被斷開時每個開關只必須承擔跨直流電源的電壓的對應部分。這個實施例消除由于某些開關比起串中的其它開關更早關斷而造成過壓的風險。

按照本發明的實施例，每個固態開關包括可控半導體。固態開關例如是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

按照本發明的實施例，每個開關配備有柵極控制單元，該柵極控制單元被配置成檢測開關中的故障和在檢測到開關中的故障后通過觸發被連接到開關的第一或第二可控半導體的正向偏壓來旁路開關。