專利名稱：用于高壓電力系統的電力設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于高壓電力系統的電力設備，該電力設備包括電壓源變換器和包括 一個或多個串的高壓直流電源，所述串包括串聯連接的多個直流電源構件以及配置為連接 和斷開所述串的開關。高壓電力系統應當被理解為在3kV及以上的范圍、優選在10千伏及 以上的范圍內的電氣系統。高壓直流電源應當被理解為串聯連接以便在3kV及以上的范圍 內的直流電源構件。電力設備是指能夠控制無功功率和/或有功功率的設備。電力設備的 示例是功率補償器和不間斷電源(UPS)。高壓電力系統可以是用于傳送或分配電能的網絡 以及工業設施、醫院之類。
背景技術：
功率補償器用于控制高壓電力系統的無功功率。功率補償器能夠產生以及吸收無 功功率。功率補償器包括具有直流側和交流側的電壓源變換器(VSC)。電壓源變換器的交 流側連接到高壓電力系統。為了能夠控制無功功率，電壓源變換器的直流側配備了直流電 源。當今的直流電源是高壓電池。因為電力設備連接到高功率電氣系統的交流電壓， 所以必須串聯連接多個電池電芯來匹配電力設備的直流電壓。此外，為了獲得期望的有源 功率和能量存儲持續時間，必須并聯連接大量包括多個電池電芯的串。此外，在比如短路的故障的情況下，必須保護電力設備。因此每個串中提供兩個開 關以便在變換器、串、或者串的一部分短路時斷開該串。一個開關能夠從變換器的正直流軌 斷開該串，并且另一個開關能夠從變換器的負直流軌斷開該串。每個開關必須額定用于整 個變換器電壓，以便能夠保護電力設備。直到現在，還一直在使用機械直流斷路器作為用于連接和斷開串的開關。然而，直 流斷路器的可用性受到限制，并且這些斷路器的額定值相當低而且低于高壓電力系統中所 要求的電壓額定值。為了克服該問題，已經使用機械交流斷路器，其具有一些附加電路，比 如與交流斷路器并聯連接的諧振電路。這些附加的電路使得機械交流斷路器魯棒性降低、 昂貴并且有空間要求，而且對于電路參數特別敏感。固態開關是一種電子開關，其不同于機械斷路器，不包含移動部件。在市場上存在 能夠將機械交流斷路器更換為固態開關的期望。然而，在市場上，并沒有可獲得的如下固態 開關，該固態開關具有的電壓額定值高到足夠替換電力設備中用于斷開和連接用于高壓電 力系統的電力設備的串的機械交流斷路器。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種電力設備，其使得能夠以有利的方式用固態開關替 代機械開關。根據本發明，該目的通過由其特征在于獨立權利要求1中的特征的電力設備而實 現。
根據本發明的電力設備，其特征在于，每個串被細分成多個直流電源單元，每個直 流電源單元包括串聯連接的多個直流電源構件，并且每個直流電源單元配備有配置為連接 和斷開該直流電源單元的一個固態開關，并且該串中的所有固態開關布置為使得它們被同 時接通或斷開。直流電源構件表示能夠提供直流電的小型實體，比如電池電芯，光伏電池，燃料電 池，或者超級電容器。不同類型的直流電源構件也可以在電力設備中組合。通過將串細分成多個直流電源單元，沿著串分布多個直流電源單元，以及為每個 直流電源單元提供固態開關，可以降低每個固態開關必須斷開的電壓電平，因此可以使用 市場可獲得的固態開關。串的劃分方式使得每個直流電源單元上的電壓適配于開關的斷開 (breaking)能力。根據這一特征，與其中由固態開關替換分別相鄰于正和負直流軌放置的 現有技術機械直流斷路器的解決方案相比，可以將開關數量降少一半。通過使用固態開關，電力設備具有復雜度低、要求空間更少的開關，其對于電路參 數較不敏感，并且其操作更可靠和魯棒。串中的所有開關布置為使得它們被同時接通和斷開，意味著每個開關在串斷開時 只需要承受其對應的直流電源單元上的電壓。該實施方式消除了由于串中的某些開關比其 他開關更早斷開而引起過電壓的風險。根據本發明的電力設備實現的另一優點在于，通過將串細分成多個直流電源單 元，并且為每個直流電源單元配備配置為連接和斷開該直流電源單元的固態開關，就可以 在使用現有技術解決方案不可能進行保護的情況下，斷開電力設備并對其進行保護使其免 受短路電流。本發明使得可以在直流電源構件的串聯連接中斷開在串中內部發生的短路電 流，從而避免直流電源構件由于內部短路產生的過熱而受到損壞。利用根據本發明的電力 設備，與其中開關布置為斷開整個串的現有技術相比，每個開關布置為斷開較少數量的直 流電源構件。因此，顯著增加了保護電力設備免受短路的可能性，并且仍然在直流電源單元 中發生的內部短路將具有較小的破壞性。固態開關例如是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。根據本發明的一個實施方式，直流電源構件是電池電芯。通過使用電池電芯作為 直流電源構件，可以在高壓電力系統中有過多的電力可用的場合下用能量對高壓直流電源 進行充電，以便在系統中缺少電力的其他場合使用。根據本發明的一個實施方式，每個開關包括與可控半導體反向并聯連接的整流構 件。由此，可以利用來自高壓電力系統的過多電力對直流電源構件充電。根據本發明的一個實施方式，開關布置為是雙向的。利用雙向開關，就可以不僅控 制從直流電源到變換器的電流，還控制相反方向的電流。根據本發明的一個實施方式，每個直流電源單元布置為向所述開關提供電力。通 過向開關饋送來自直流電源單元的電力，不需要布置額外的電路來向開關提供電力。此外， 由于開關和直流電源單元的負極側具有相同的電勢，電流隔離問題較小，從而得到更簡單 并更便宜的解決方案。根據本發明的一個實施方式，直流電源單元具有正極側和負極側，開關包括具有 集電極、發射極和柵極的晶體管，并且晶體管的發射極與直流電源單元的負極側連接。通 過改變柵極和發射極之間的電壓，可以控制集電極和發射極之間的電阻，因此可以確定在某一電壓下流過晶體管的電流。為了接通晶體管，柵極和發射極之間的電壓被設置為大約 15V。如果電壓降低，流過晶體管的電流將降低并且在大約5V的某個柵極-發射極電壓下， 晶體管已完全關斷了流過直流電源單元的電流。通過將晶體管的發射極連接到直流電源單 元的負極側，將直流電源單元的正極側連接到柵極的附加電路可以非常簡單，并且消除了 電流隔離的問題。根據本發明的一個實施方式，每個開關布置為測量可控半導體上的電壓，每個串 配備了串控制單元，該串控制單元配置為控制串的開關并且在檢測到串的任一半導體上的 電壓高于閾值時，指令開關斷開串的直流電源單元。串控制單元控制串中的所有開關，并且 確定分別何時接通和斷開每個開關。如果開關檢測到其對應的可控半導體上的電壓高于閾 值，信號被發送到串控制單元，該串控制單元指令串中的所有開關斷開串的直流電源單元。 當檢測到串的任一半導體上的電壓高于閾值時斷開串的所有直流電源單元保證了快速斷 開故障的串。否則，增加的電流可能損壞同一或其他串中的其他直流電源單元，且具有損壞 整個電力設備的風險。根據本發明的一個實施方式，每個開關布置為測量可控半導體上的電壓，每個串 配備了電流測量裝置，該電流測量裝置布置為測量流過串的電流，所述電力設備包括主控 制器，其配置為從電流測量裝置接收電流測量值，以及接收關于直流電源中的哪些半導體 具有高于閾值的電壓的信息，以及基于接收的測量電流值和接收的關于直流電源中的哪些 半導體具有高于閾值的電壓的信息，定位故障的直流電源單元。主控制器連接到直流電源 中的每個串控制單元并且能夠與串控制單元交換信息。如果開關檢測到其對應的可控半導 體上的電壓高于閾值，信號被發送到串控制單元，該串控制單元指令串中的所有開關斷開 串的直流電源單元。信號還包含關于直流電源中的哪些半導體具有高于閾值的電壓的信 息。將該信息與電流測量值組合用于定位一個或多個故障直流電源單元。當定位了故障直 流電源單元時，就可以替換該故障單元。由于直流電源單元的數量可能非常大，能夠定位故 障直流電源單元是非常有利的。根據本發明的一個實施方式，開關為限流型。由此可以通過測量可控半導體上的 電壓而識別流過直流電源單元的短路電流。本發明的另一目的是提供一種控制和監管根據本發明的電力設備的方法。所述方法包括以下步驟測量所述可控半導體上的電壓，檢測一個串的任一半導體上的電壓是否高于閾值，以及在檢測到該串的任一半導體上的電壓高于閾值時，指令開關斷開串的直流電源單兀。該方法使得可以通過測量固態開關的可控半導體上的電壓來檢測每個直流電源 單元中的故障，并且在檢測到故障時斷開整個串。根據本發明的一個實施方式，該方法包括以下步驟測量可控半導體上的電壓，檢測所述串中一個串的任一半導體上的電壓是否高于閾值，在檢測到該串的任一半導體上的電壓高于閾值時，指令開關斷開該串的直流電源 單元，
測量流過每個串的電流，以及基于接收的測量電流值和直流電源中的哪些半導體具有高于閾值的電壓，來定位 故障的直流電源單元。該實施方式使得可以定位一個或多個故障的直流電源單元并因此可 以替換故障的單元。


將參考附圖以示例方式更完整地描述本發明，附圖中圖1示出根據本發明的電力設備的實施方式。圖2示出根據本發明的電力設備的控制系統的實施方式。圖3示出包括多個直流電源構件的直流電源單元。
具體實施例方式圖1示出根據本發明的一個實施方式的用于高壓電力系統19的電力設備1。在所 有附圖中，相同的附圖標記用于相同或者對應的部件。該電力設備包括高壓直流電源3，其 在下文中稱為直流電源3。為了能夠不僅產生和吸收無功功率，還產生和吸收有源功率，將 直流電源3連接到電壓源變換器2的直流側，該電壓源變換器2在下文稱為變換器2。變換 器的交流側連接到高壓電力系統19。直流電源3包括根據期望的有源功率的量而并聯連接的一個或多個串。在圖1中 示出的示例中，示出三個串4a、4b、4c。每個串如、4b、如包括串聯連接的多個直流電源構件 8、10、12。串聯連接中的直流電源構件的數量取決于它們所連接的電壓源變換器2的電壓 電平以及串^、4b3c中使用的直流電源構件的電壓電平。直流電源構件可以是不同類型 的，比如電池電芯、光伏電池，燃料電池以及超級電容器。也可以組合這些不同類型。每個串如、仙、如被細分為多個直流電源單元。在圖1中示出的示例中，示出三個 直流電源單元8、10、12，其包括圖1中未示出的多個直流電源構件。每個直流電源單元8、
10、12配備有固態開關9、11、13，其在下文被稱為開關。開關9、11、13配置為連接和斷開對 應的直流電源單元8、10、12。串中的所有開關9、11、13布置為使得它們被同時接通和斷開， 這意味著當串如、413、如斷開時每個開關9、11、13僅須承受其對應的直流電源單元8、10、12 上的電壓。直流電源單元8、10、12的電壓適配于開關9、11、13的斷開能力。然而，開關9、
11、13趨向于不完全同步地建立電壓。某些開關9、11、13趨向于早于其他開關而斷開，這對 每個串^、4b、k中早斷開的那些開關9、11、13很容易造成過電壓出現。該問題例如根據 授予Bijlenga的專利US 5946178，借助于在每個開關9、11、13處的過電壓器件而得以解 決，從而限制在單個的開關9、11、13上的過高的電壓增長。在對直流電源3或者對變換器2維修或者維護之前以及在故障中，需要從變換器2 斷開串4a、4b、4c。然而，可能會發生在直流電源單元8、10、12內的內部發生短路電流。由 于開關9、11、13沿著串如、413、如分布的事實，內部短路的風險將會降低，而仍然在直流電 源單元8、10、12內發生的內部短路電流將引起較低的短路電流，因為串聯連接的直流電源 構件的數量將會降低。在最接近正直流軌17的直流電源單元8的負極側與直流軌17自身之間短路的情 況下，在短路電流的路徑中需要開關7以便能夠斷開直流電源單元8。因此，將額外的開關7連接到直流電源單元8的正極側，如圖1所示。斷路器5、6放置在串中與正直流軌17相鄰之處，且放置在串中與負直流軌18相 鄰之處。對于在對直流電源3或者對變換器2的工作過程中的安全原因而言，斷路器5、6 可能是有利的。還可以類似于開關7、9、11、13的分布而沿每個串分配多個較小的斷路器。每個開關7、9、11、13包括可控半導體以及整流構件，在該實施方式中，可控半導 體為晶體管14，在該實施方式中整流構件為二極管15，其與晶體管14反向并聯連接，這使 得能夠當可以獲得過多的電力時用來自高壓電力系統19的電力對直流電源單元8、10、12 充電。每個直流電源單元8、10、12布置為使得它們向對應的開關9、11、13提供接通和斷 開開關所需的電力。每個直流電源單元8、10、12具有正極側和負極側。在圖1中公開的實施方式中， 每個開關包括具有集電極、發射極、和柵極的晶體管14。直流電源單元和開關串聯布置。每個直流電源單元布置在兩個相鄰的開關之間， 并且晶體管14的發射極連接到直流電源單元8、10、12之一的負極側，而晶體管14的集電 極連接到另一直流電源單元的正極側。通過改變柵極和發射極之間的電壓，可以控制集電 極和發射極之間的阻抗，從而可以確定在某一電壓下通過晶體管14的電流。為了接通晶體 管14，柵極和發射極之間的電壓設置為大約15V。如果電壓降低，流過晶體管14的電流將 降低，并且在大約5V的某個柵極-發射極電壓，晶體管14已完全關斷了流過直流電源單元 的電流。通過將晶體管14的發射極連接到直流電源單元的負極側，將直流電源單元的正極 側連接到柵極的附加電路可以非常簡單并且消除了電流隔離問題。開關7、9、11、13可以布置為是雙向的。利用雙向開關不僅可以控制從直流電源3 流向變換器2的電流，而且還可以控制相反方向的電流。變換器2和直流電源3的連接僅 在它們的電壓電平類似時是可行的。如果變換器2的電壓電平比直流電壓源3更高，沖擊 電流將流過直流電源單元8、10、12。結果，直流電源單元8、10、12受到熱應力，這意味著壽 命降低。因而，利用雙向開關，可以控制直流電源單元的充電。圖2示出本發明的一個實施方式，其中每個開關9、11、13布置為測量在其可控半 導體上的電壓。在圖2中示出的示例中，僅顯示了一個串4a。每個串^、4b、k配備有串控 制單元20a、20b、20c，其配置為經由優選為纖維光纜的連接裝置控制其對應的串^、4b、k 的開關，并分別指令開關何時接通和斷開。在圖2的示例中，串控制單元20a配置為控制串 4a的開關9、11、13。串控制單元20b配置為控制串4b的開關而串控制單元20c配置為控 制串4c的開關。串控制單元配置為生成同時接通和斷開串的開關的信號23、25、27。串中的每個開關包括柵極單元觀『觀(3，配置為檢測何時可控半導體上的電壓高 于閾值，以及生成包括關于電壓何時高于閾值的信息的信號22、24、沈。信號22、24J6經 由連接裝置而被發送到串控制單元20a以告知串控制單元20a已經檢測到了過高的電流， 可能是短路故障，串控制單元20a將會立即指令串如中的所有開關9、11、13斷開其對應的 直流電源單元8、10、12。該解決方案將確保故障串如的快速斷開。如果沒有快速斷開，增 加的電流可能會損壞同一串或者其他串中的其他直流電源單元8、10、12，且具有損壞整個 電力設備的風險。由于開關9、11、13與其對應的直流電源單元8、10、12串聯連接，相同的 電流將經過開關和直流電源單元。因此，如果開關9、11、13是限流型的，流經直流電源單元8、10、12的過高的電流將引起開關9、11、13上增加的電壓。該增加的電壓將使得柵極單元 ^a-28c能夠生成給串控制單元20a的信號22、24、沈，該信號將導致直流電源單元8、10、12 的斷開。串可以還配備電流測量裝置，其布置為測量流經串的電流。在其中僅示出一個串 如的圖2中所示出的示例中，串如配備了電流測量裝置M，其布置為測量流經串如的電 流。電力設備可以還包括主控制器21，配置為從電力設備中的串控制單元接收電流測量值。 主控制器21經由優選為纖維光纜的連接裝置連接到直流電源3中的每個串控制單元20a、 20b、20c，并且能夠與串控制單元20a、20b、20c交換信息。主控制器和串控制單元包括適當 的處理裝置，比如中央處理單元，且包括用于儲存測量值的存儲器裝置。串控制單元從對應 的電流測量裝置接收電流測量值。在圖2中，主控制器21經由串控制單元20a從電流測量 裝置M接收串如中的電流測量值。此外，主控制器21經由串控制單元20a、20b、20c接收 關于直流電源3中的哪個可控半導體具有高于閾值的電壓的信息。主控制器M配置為基 于來自電流測量裝置的電流測量值以及關于哪個開關具有高于閾值的電壓的信息，確定哪 個直流電源單元發生了故障。因此，可以定位故障的直流電源單元。在圖3中，示出上述直流電源單元的更詳細示例說明。在圖3中示出的示例中，直 流電源單元8示出為包括串聯連接的多個直流電源構件30a-30e。每個直流電源單元8、 10、12上的電壓適配于開關9、11、13的斷開能力。因此，直流電源構件的數量通常比該示 例中示出的數量高得多，該示例中為了清楚的原因僅有5個直流電源構件30a-30e串聯連 接。在典型應用中，直流電源單元8、10、12將包括五百到三千(500-3000)個直流電源構件 30a-30eo通常，在每個串^、4b、k中分配三到五個直流電源單元8、10、12。
權利要求
1.一種用于高壓電力系統(19)的電力設備(1)，該電力設備包括電壓源變換器(2)和 包括一個或多個串Ga、4b、4c)的高壓直流電源(3)，所述一個或多個串Ga、4b、4c)包括串 聯連接的多個直流電源構件O0a-20e)以及配置為連接和斷開所述串的開關(9、11、13)， 其特征在于，所述開關為固態開關，每個串被細分成多個直流電源單元(8、10、12)，每個直 流電源單元包括串聯連接的多個直流電源構件，并且每個直流電源單元配備有配置為連接 和斷開該直流電源單元的所述固態開關其中之一，并且該串中的所有固態開關布置為使得 它們被同時接通或斷開。
2.根據權利要求1的電力設備，其特征在于，所述直流電源構件是電池電芯。
3.根據任一前述權利要求的電力設備，其特征在于，每個開關包括可控半導體。
4.根據權利要求3的電力設備，其特征在于，每個開關包括與所述可控半導體反向并 聯連接的整流構件(15)。
5.根據任一前述權利要求的電力設備，其特征在于，所述開關布置為是雙向的。
6.根據任一前述權利要求的電力設備，其特征在于，每個直流電源單元布置為向所述 開關提供電力。
7.根據任一前述權利要求的電力設備，其特征在于，所述直流電源單元具有正極側和 負極側，所述開關包括晶體管(14)，并且該晶體管的發射極連接至所述直流電源單元的負 極側。
8.根據權利要求3的電力設備，其特征在于每個開關布置為測量所述可控半導體上的電壓，每個串配備有串控制單元O0a、20b、20c)，其配置為控制該串的所述開關，并且在檢測 到該串的任一半導體上的電壓高于閾值時，指令開關斷開該串的直流電源單元。
9.根據權利要求3的電力設備，其特征在于每個開關布置為測量所述可控半導體上的電壓，每個串配備有電流測量裝置(M)，其布置為測量通過該串的電流，所述電力設備包括主控制器(21)，其配置為從電流測量裝置接收電流測量值，以及接 收關于直流電源中的哪些半導體具有高于閾值的電壓的信息，以及基于接收的測量電流值 和所述接收的關于直流電源中的哪些半導體具有高于閾值的電壓的信息，來定位故障的直 流電源單元。
10.根據任一前述權利要求的電力設備，其特征在于，所述開關為限流型。
11.一種用于控制和監管根據權利要求3的電力設備的方法，其特征在于，所述方法包括測量所述可控半導體上的電壓，檢測所述串中一個串的任一半導體上的電壓是否高于閾值，以及在檢測到該串的任一半導體上的電壓高于閾值的情況下，指令所述開關斷開該串的直 流電源單元。
12.根據權利要求11的方法，其中該方法還包括測量通過每個串的電流，以及基于接收的測量電流值和所述直流電源中的哪些半導體具有高于閾值的電壓，來定位 故障的直流電源單元。
全文摘要
本發明涉及一種用于高壓電力系統(19)的電力設備(1)，該電力設備包括電壓源變換器(2)和包括一個或多個串(4a、4b、4c)的高壓直流電源(3)，所述一個或多個串(4a、4b、4c)包括串聯連接的多個直流電源構件(20a-20e)以及配置為連接和斷開所述串的開關(9)、(11、13)，其中所述開關為固態開關，每個串被細分成多個直流電源單元(8、10、12)，每個直流電源單元包括串聯連接的多個直流電源構件，并且每個直流電源單元配備有配置為連接和斷開該直流電源單元的所述固態開關其中之一，并且所述串中的所有固態開關布置為使得它們被同時接通或斷開。
文檔編號H02M1/32GK102067421SQ200880129875
公開日2011年5月18日 申請日期2008年6月17日 優先權日2008年6月17日
發明者B·尼格倫, F·霍西尼, G·德梅特拉德斯, J·R·斯文森 申請人:Abb研究有限公司