帶有分布儲能器的變流電路的製作方法

2023-07-03 08:42:56

專利名稱：帶有分布儲能器的變流電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種權利要求1前序部分所述的變流電路。
技術背景DE 101 03 031 Al中公開過這種類型的變流電路，圖l顯示的是這種變 流電路的等效電路圖。如該等效電路圖所示，這種已知的變流電路具有三個 都用IOO表示的相位模塊。這些相位模塊100的直流(DC)端分別與正極直 流母線P。和負極直流母線N。電相連。這兩根直流母線P。和N。之間存在一個 直流電壓，對此不作詳細描述。每個相位模塊100均包括一個上部換流閥Tl、 T3、 T5和一個下部換流閥T2、 T4、 T6。這些換流閥Tl-T6中的任何一個都 包括一定數量的彼此串聯的兩極子系統10。這個等效電路圖對其中的四個子 系統10進行了圖示。每個相位模塊100中兩個換流閥T1和T2、或者T3和 T4、或者T5和T6之間的連接點都構成這個相位模塊100的交流(AC)端接 點L1、 L2、 L3。由於這個示意圖中的變流電路具有三個相位模塊100，因而 可在這些相位模塊的交流端接點Ll、 L2和L3 (又稱"負載端子")上連接三 相負載，例如交流電動片幾。圖2對兩極子系統10的已知實施方式的等效電路圖進行了詳細圖示。 圖3所示的電路布置圖是一種就功能而言完全等效的實施方案，同樣也是DE 101 03 031 Al中所公開的實施方案。這種已知的兩極子系統IO具有兩個可 關斷半導體開關1和3、兩個二極體2和4以及一個單極存儲電容器9。兩 個可關斷半導體開關1和3串聯，這一串聯連接又與存儲電容器9並聯。每個可關斷半導體開關1和3分別與兩個二極體2和4中的一個並聯，且其連 接方式使得二極體與對應的可關斷半導體開關1或3反向並聯。子系統10 的單極存儲電容器9或者由一個電容器構成，或者由複數個這種電容器構成 的一個總電容為C。的電容器組構成。可關斷半導體開關1的發射極與二極體 2的正極之間的連接點構成子系統10的接線端子XI。兩個可關斷半導體開 關1和3與兩個二極體2和4之間的連接點構成子系統10的第二接線端子 X2。在圖3所示的子系統10的實施方式中，這個連接點構成第一接線端子 XI。可關斷半導體開關1的集電極與二極體2的負極之間的連接點構成子系 統10的第二接線端子X2。在附圖所示的子系統10的兩種實施方式中，存儲電容器9的兩個接頭 都伸到子系統10的外部，並構成兩個接線端子X3和X4。如圖2和圖3所示， 可關斷半導體開關1和3用的是絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。也可使用M0S 場效應電晶體(也稱為"MOSFET")。此外，還可使用柵極可關斷晶閘管(又 稱"GT0晶閘管")或集成柵極換流晶閘管(IGCT)。根據DE 101 03 031 Al所述，可將圖1所示變流電3各的任何一個相位 模塊100中的子系統IO控制在操作狀態I和II。當子系統10處於操作狀態 I時，可關斷半導體開關l導通，可關斷半導體開關3斷開。在此情況下， 子系統10的接線端子XI和X2上的端電壓Um等於零。當子系統10處於操 作狀態n時，可關斷半導體開關l斷開，可關斷半導體開關3導通。在此情 況下，端電壓U^等於存儲電容器9上的電容器電壓Uc。圖4顯示的是DE 102 17 889 Al中所/^開的、適用於子系統10的另一 種實施方式的等效電路圖。子系統10的這種實施方式的形式為一電壓變換 器的全橋電路，只是這個全橋電路在此用作單個的二端網絡。這個橋接電路 由包括可關斷半導體開關1、 3、 5和7,這些可關斷半導體開關分別與一個 二極體2、 4、 6和8反向並聯。這個橋接電路的直流端接點上連接有一個存儲電容器9，存儲電容器9可充電至電壓U。。為此須將可關斷半導體開關1、 3、 5和7斷開。通過對可關斷半導體開關1、 3、 5和7進行通斷操作可實現 多種操作狀態，無論電流方向如何，藉助於這些操作狀態可使子系統10的 接線端子XI和X2上的端電壓Um變成正值、負值或等於零。這種實施方式 比圖2或圖3所示的實施方式多了一種操作狀態III,當子系統10處於這種 操作狀態時，子系統10的端電壓Um等於存儲電容器9上電容器電壓仏的負 值。採用這種實施方式時，存儲電容器9的接頭也伸到子系統10的外部， 並表示為X3和X4。為能使圖1所示的變流器以冗餘方式工作，必須確保子系統10在發生 故障的情況下，其接線端子X1和X2保持持續短路的狀態。也就是說，故障 子系統10的端電壓l^為零。當子系統10中的其中一個可關斷半導體開關1、 3、 5或7或者相應的 控制電路發生故障時，這個子系統10將無法正常工作。也就是說，無法將 子系統10轉換到操作狀態I 、 II或m。如果將子系統10的接線端子XI和 X2短路，就無法再向這個子系統IO輸送能量。通過這一措施可在變流器的 進一步工作過程中可靠地排除發生後續損害(例如過熱和火災)的可能性。 故障子系統10的接線端子XI和X2之間的這種短路式導電連接必須至少能夠可靠地承載故障子系統10所在的相位模塊100中的換流閥Tl.....T6的工作電流，且不發生過熱。US 5, 986， 909 A中公開了一種變流電路，在這種變流電路中，每個相位 模塊都具有至少兩個串聯的子系統。這種已知的變流電路將變頻器用作子系 統，這些變頻器在其線路側具有一個非受控六端二極體電橋，在其負載側具 有一個兩相自換相脈沖變流器。這兩個變流器的直流端通過直流鏈路彼此電 相連。這些子系統的線路側分別與電源變壓器的次級繞組相連。相位衝莫塊的 子系統在其負載側彼此串聯。在這種已知的變流電路中，發生故障的子系統 被短路，其中，每個子系統負載側接點的旁路開關用的是一個電磁開關、一個彈簧觸點、複數個反向並聯晶閘管或兩個反向串聯的可關斷半導體開關。 機械式短路器的機械結構由於其機械設計的原因必須經常維護。電氣短路器 需要配備控制裝置和電位較高的電源，其中，控制裝置的控制側與變流器控 制器之間必須存在可以傳輸信號的連接。DE 103 23 220 Al中也公開了一種變流電路，這種變流電路的相位模塊 也具有至少兩個串聯的子系統。這種已知變流電路的每個子系統的形式都是 電壓變換器的全橋電路，只是這個全橋電路在此用作單個的二端網絡。這個 橋接電路由四個與二極體反向並聯的可關斷半導體開關構成。橋接電路的直 流端接點上連接有一個存儲電容器。為了能將發生故障的子系統短路，每個 子系統都具有一個與存儲電容器並聯的保護零部件。反回振蕩二極體或短路 晶閘管用作保護零部件。如果使用短路晶閘管(以低電感方式連接在存儲電 容器上)，就還需配備傳感器電路和觸發電路。當子系統的可關斷半導體開關發生故障時，會產生一個較高的短路電 流，這個短路電流會引起電弧，甚至還會使半導體模塊發生爆炸。存儲電容 器被這個短路電流放電。在與存儲電容器並聯的反回振蕩二極體的作用下， 短路電流從故障半導體模塊換向到這個反回振蕩二極體，反回振蕩二極體被 設計為當子系統發生故障時，反回振蕩二極體就短路。採用短路晶閘管時， 藉助傳感器電路對直流端短路進行識別，傳感器電路啟動促使觸發電路，從 而使短路晶閘管受到觸發，當短路電流換向到短路晶閘管上時短路。這種保 護電路設計的缺點在於必須改變子系統的結構。此外還需布置可在短短幾毫 秒內觸發短路晶閘管的傳感器電路和觸發電路。除此之外，短路晶閘管必須 以低電感方式連接在存儲電容器上。發明內容因此，本發明的目的是對已知的帶有分布儲能器的變流電路進行改進， 從而達到消除上述缺點。根據本發明，這個目的通過權利要求1所述的特徵而達成。通過在每個子系統的接線端子上並聯一個保護零部件，可使這個子系統 在故障情況下發生短路。由於保護零部件是連接在子系統的接線端子上，因 此，子系統的結構保持不變。通過這種方式可為尚不具有保護零部件的子系 統加裝保護零部件。保護零部件被設計為可在吸收規定量的過電壓能量後轉 入一個類似短路的狀態。也就是說，當相應的子系統發生故障時，這些保護 零部件會短路，從而使這個子系統短路。為能使故障子系統的保護零部件短路，須先測定變流電路相位模塊中發 生故障的子系統。發生故障的子系統一旦得到定位，就選擇性地驅動一個或 多個未發生故障的子系統，將規定量的過電壓能量輸送到故障子系統。為了 達到這個目的，可將故障子系統所在的變流電路相位一莫塊中的至少一個子系 統轉換到操作狀態I，並使其在預定的時間段內處於這個操作狀態。此外， 分別將變流電路中未發生故障的相位模塊的至少 一 個子系統轉換到操作狀 態II ,並使其在預定的時間段內處於這個操作狀態。作為將故障相位模塊中的一個子系統額外地轉換到操作狀態I 、將無故 障相位模塊中的一個子系統額外地轉換到操作狀態II這種方案的替代方案， 也可以將無故障相位模塊的所有子系統都轉換到操作狀態II ，將故障相位模 塊中所有未發生故障的子系統轉換到操作狀態I 。藉此可在故障子系統上施 加一個最大的可調過電壓，從而使一個可使保護零部件短路的電流流過這個 輸入端保護零部件。為了將流過保護零部件的這個電流的峰值限制在正常可關斷半導體開 關所允許的值上，需要適當地調整開關周期。被額外地轉換到操作狀態I和 II的子系統的數量可用來遞增地調整施加到故障子系統上的過電壓。


下面藉助附圖和附圖所示的本發明的保護零部件的多個實施例對本發明作進一步"^兌明，其中圖1為已知的帶有分布儲能器的變流電路的等效電路圖；圖2為已知子系統的第一實施方式的等效電路圖；圖3為已知子系統的第二實施方式的等效電路圖；圖4為已知子系統的第三實施方式的等效電路圖；圖5至圖IO詳細地圖示了本發明的保護零部件的不同實施方式。
具體實施方式
圖5顯示的是用於圖2或圖3所示的子系統10的第一保護零部件12。 設置有一個用作保護零部件12的二極體14。也可設置多個串聯的二極體來 代替這一個二極體14。這個保護零部件12通過其接線端子16和18連接在 圖2或圖3所示的子系統10的接線端子X1和X2 (特別是端子Xla和X2a) 上。圖6顯示的是本發明的保護零部件12的第二實施方式。此處將一個晶 閘管20作為保護零部件12,晶閘管20具有一個所謂的有源箝位電路22。 這個有源箝位電路22包括至少一個齊納二極體24,齊納二極體24的負^L側 與晶閘管20的正極端子26相連，正極側通過柵電阻28與晶閘管20的柵極 端子30相連。齊納二極體24在其正極側還通過電阻32與晶閘管20的負極 端子34電連接。當晶閘管20正極26上的電壓超過齊納二極體24的齊納值 時，齊納二極體24就開始導電，並將晶閘管20導通。在此情況下流過晶閘 管2 0的電流可使晶閘管2 0安全地短路。晶閘管2 0被設計為使得這個電流 安全地導致短^^。圖7所示的保護零部件12的實施方式很大程度上與圖6所示的實施方 式相同。二者間的區別在於，圖7所示的實施方式還包括一個與晶閘管20 的正極-負極通路並聯的RC電路36。這個RC電路36具有一個電容器38和 一個電阻器40,電容器38與電阻器40串聯。藉助這個RC電路36,可對相關子系統10的可關斷半導體開關1和3的通斷過程的轉換沿進行緩衝。這樣可避免保護零部件12被子系統10的轉換沿驅動。圖8詳細地顯示了保護零部件12的另一種實施方式。這個保護零部件 12包括兩個反向串聯的二極體14和42。採用這種建構方式的保護零部件12 可以接收正電壓和負電壓。也就是說，在子系統未發生故障的情況下，子系 統的輸入端不會發生短路。因此，保護零部件12在子系統未發生故障的情 況下必須具有肯定能安全地接收子系統上的端電壓Um。由於在圖4所示的 子系統10的實施方式中，子系統10的端電壓UX21 (與圖2或圖3所示的子 系統10的端電壓UX21不同)也可以為負電壓，因而需要設置一個可在兩個方 向上接收電壓的保護零部件U。也可以分別用複數個二極體來代替二極體 14和/或42。圖9所示的保護零部件12的實施方式很大程度上與圖6所示的實施方 式相同。二者間的區別在於，在齊納二極體24的正極側與柵電阻28之間連 接有至少一個去耦二極體44。為此，這種去耦二極體44的負極側與柵電阻 28導電相連，正極側與齊納二極體24的正極導電相連。在這種附加的去耦 二極體44的作用下，保護零部件12可在兩個方向上接收電壓。因此，這個 保護零部件12可以通過其接線端子16和18與圖4所示的子系統10的接線 端子XI和X2 (特別是端子Xla和X2a )並耳關。圖10所示的保護零部件12的實施方式與圖9所示的實施方式相對應， 額外地設置有一個與晶閘管20的正極-負極通路並聯的RC電路36。下面藉助圖1所示的等效電路圖對本發明的控制方法進行詳細說明在圖l所示的等效電路圖中，換流閥T2的一個子系統IO發生了故障。 這一點用陰影線表示。在圖1所示的這個三相變流電路的相位模塊100中還 插入了附加的阻抗Z,這些阻抗代表存在於半個電橋中的電感(雜散電感) 和歐姆電阻的總和值。除這些寄生阻抗外，還可在相位模塊100中布置分立 的零部件。通過電壓檢測並將檢測到的電壓與預定公差帶進行比較來測定子系統IO有否發生故障。此外，其他方面的故障也會導致子系統發生故障例如電 子設備發生故障、或者通訊受到幹擾。這些方面的故障(通過控制裝置加以 識別)必然也會導致子系統發生短路。當換流閥T2的畫有陰影線的子系統 IO發生故障時，可用來產生規定過電壓能量從而使換流閥T2的畫有陰影線 的子系統10的保護零部件12短^^的最大能量是，包括換流閥T3和T4的相 位模塊100和包括換流閥T5和T6的相位模塊100這兩個相位模塊的所有子 系統10中包含的能量。為了達到這個目的，可將這兩個未發生故障的相位 模塊100的所有子系統10都轉換到操作狀態II,而將發生故障的相位模塊 100中所有未發生故障的子系統10都轉換到操作狀態I 。當處於操作狀態II 時，子系統10上的端電壓Uxn等於存儲電容器9上的電容器電壓Uc。當處於 操作狀態I時，子系統10上的端電壓Um等於零。對子系統10進行過這種 控制後，會產生圖1中用箭頭標註的電流iK1、 in和"3。為了將這些電流"、 L和L的峰值限制在子系統10的無故障可關斷半導體開關1、 3、 5和7所 允許的值，這些操作狀態II和I中每個的時間段必須是適當調節的。可以在 了解阻抗Z的情況下預先確定這一時間段。通過對子系統10進行這種形式 的控制，故障子系統10上會產生一個過電壓，其能量會被相應的保護零部 件12所吸收。這個保護零部件12由此而進入短路狀態，即保護零部件12 短路。由於可供使用的最大能量比較充分，因而可對上文所述的控制方法進行 改進。根據改進的控制方法，相對於正常工作狀態而言，在故障的相位模塊 IOO(即在圖1所示的等效電路圖中包括兩個換流閥Tl和T2的相位模塊100 ) 中，只將一個子系統10額外地轉換到操作狀態I ,並且在無故障相位模塊 100中，只將各自中的一個子系統IO轉換到操作狀態II。在此情況下，故障 子系統10上所產生的電壓足以使相應的保護零部件12短路。每個相位模塊100中所用子系統10及其相應的數量必須滿足下列條件，即通過使用未發生故障的相位模塊100,既能建立如圖1中電流iu和iK3 所示的電流方向，也能建立電流iu的相反電流方向。通過對多相變流電路的相位模塊100的子系統IO進行這種形式的控制， 可以相對於正常工作狀態而言，只在所述時間段內對直流母線P。和N。上的直 流電壓和負載端子Ll、 L2和L3上的交流電壓產生很小的影響。如上文所述，無故障可關斷半導體開關所允許的總電流脈衝值的高度可 以預先計算出來。如果存在可用的支路電流測量值;險測裝置，也可對電流脈 衝進行測量。在此情況下，也可用可調的可變時間段進行工作，從而實現預 定的最大電流。也可以對與所述時間段相關的上述操作狀態進行重複多次的控制，其 中，這些被控操作狀態的數量和這些重複控制的時間間隔被選擇使得故障子 系統10的在極限情況下經過徹底放電的存儲電容器9可以得到儘可能快的 充電。
權利要求
1.一種具有至少一個相位模塊(100)的變流電路，所述相位模塊(100)包括上部和下部換流閥(T1，...，T6)，這些相位模塊(100)的直流端與正極和負極直流母線(P0，N0)導電相連，並且每個換流閥(T1，...，T6)包括至少兩個導電串聯的兩極子系統(10)，其特徵在於，每個子系統(10)的接線端子(X1，X2)上導電並聯有一個保護零部件(12)。
2. 根據權利要求1所述的變流電路，其特徵在於， 每個兩極子系統(10)包括兩個可關斷半導體開關(1， 3)、兩個二極體(2, 4)以及一個單極存儲電容器(9),所述兩個可關斷半導體開關(1, 3)導電串聯，這一串聯連接與所述單極存儲電容器(9)導電並聯，每個可 關斷半導體開關(1, 3)與一個二極體(2， 4)反向並聯。
3. 根據權利要求2所述的變流電路，其特徵在於，每個子系統(10)的接線端子(XI, X2)與導電串聯的所述半導體開關 (1, 3)中的下部可關斷半導體開關(1)的兩個接頭導電相連。
4. 根據權利要求2所述的變流電路，其特徵在於，每個子系統(10)的接線端子(XI, X2)與導電串聯的所述可關斷半導 體開關(1， 3)中的上部可關斷半導體開關(1)的兩個接頭導電相連。'
5. 根據權利要求1所述的變流電路，其特徵在於， 所述兩極子系統(10)包括一個存儲電容器(9)以及具有反向並聯的二極體(2， 4, 6， 8)的四個可關斷半導體開關(1， 3， 5， 7),這些可關 斷半導體開關(l， 3, 5， 7)構成一個橋接電路，所述橋接電路的直流端接 點上連接所述存儲電容器(9),所述橋接電路的交流端接點構成所述子系統 (10)的接線端子(Xl， X2)。
6. 根據權利要求1至4中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於，一個二極體(14 )被用作所述保護零部件(12 )。
7. 根據權利要求1至4中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於，一個晶閘管(20)被用作所述保護零部件(12),所述晶閘管(20)的 正極U6)通過有源箝位電路(")與所述晶閘管(20)的柵極(.30)相連。
8. 根據權利要求1至5中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於，兩個反向串聯的二極體(14， 42)被用作所述保護零部件(12)。
9. 根據權利要求1至5中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在 於，.一個晶閘管(20)被用作所述保護零部件(12)，所述晶閘管(20)的 正極(26 )通過複數個齊納二極體(24 )和複數個去耦二極體(44 )與所述 晶閘管U0)的柵極(30)相連。
10. 根據權利要求7或9所述的變流電路，其特徵在於， 所述晶閘管(20)的柵極(30)配有一個柵電阻(28)。
11. 根據權利要求7或9所述的變流電路，其特徵在於，所述晶閘管(20 )的正極-負極通路上導電並聯有一個RC電路(36 )。
12. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵在於， 一種絕緣柵雙極電晶體被用作所述可關斷半導體開關(1, 3, 5， 7)。
13. 根據權利要求1至12中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵 在於，一種MOS場效應電晶體被用作所述可關斷半導體開關(1, 3, 5, 7)。
14. 根據權利要求1至12中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵 在於，一種柵極可關斷晶閘管被用作所述可關斷半導體開關(1， 3， 5, 7)。
15. 根據權利要求1至12中任一項權利要求所述的變流電路，其特徵 在於，一種集成柵極換流晶閘管被用作所述可關斷半導體開關(1， 3, 5， 7)。
16. —種控制方法，用於根據權利要求1所述的變流電路，該方法包括 下列步驟a) 測定相位模塊(100)中發生故障的子系統(10)，b) 如果相位模塊(100)中的子系統(10)發生故障，將該發生故障的 相位模塊(100)中的至少一個子系統(10)額外地轉換到操作狀態I達預 定的時間段，而在每個未發生故障的相位模塊(100)中，將至少一個子系 統(10 )轉換到操作狀態II達預定的時間段。
17. 根據權利要求16所述的控制方法，其特徵在於， 多次重複所述方法步驟b),並在這些重複之間遵循預定的時間間隔。
18. 根據權利要求16或17所述的控制方法，其特徵在於， 測定每個子系統(10)的存儲電容器(9)上的電壓(IU，並將這些測定的電壓(UJ與預定的公差帶相比較， 一旦一個子系統(10)的所述電壓 (Uc)處於所述預定公差帶之外，該子系統(10)就被確定為發生故障。
全文摘要
本發明涉及一種包括至少一個相位模塊(100)的變流電路，所述相位模塊(100)具有上部和下部換流閥(T1，...，T6)，所述相位模塊(100)的直流端與正極和負極直流母線(P0，N0)導電相連，每個換流閥(T1，...，T6)具有至少兩個串聯的兩極子系統(10)。根據本發明，每個子系統(10)的接線端子(X1，X2)上並聯有一個保護零部件(12)。由此而實現的帶有分布儲能器的變流電路可在故障情況下以冗餘方式進行工作。
文檔編號H02H9/04GK101253664SQ200680031275
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月31日 優先權日2005年8月26日
發明者雷納·薩默, 馬克·希勒 申請人:西門子公司