用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备制造技术

为了可靠和低成本地断开直流电网中的故障电流，其中在正常运行时同时产生小的损耗，提出了一种用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备(1)，所述设备具有：两个接线柱(2，3)，用于与所述极串联连接；在所述接线柱(2，3)之间延伸的主电流支路(4)，在所述主电流支路中布置了两个机械开关(6，7)；在所述接线柱(2，3)之间延伸的与主电流支路(4)并联连接的旁路电流支路(5)，在所述旁路电流支路中也布置了两个机械开关(8，9)和/或两个功率半导体(20，21)；中间支路(11)，其将主电流路径(4)的布置在机械开关(6，7)之间的中间支路电势点(10)、与旁路电流支路(5)的布置在机械开关(8，9)之间的中间支路电势点(12)互相连接，并且其具有功率开关单元(13)，所述功率开关单元具有由双极子模块(14)组成的串联电路，所述子模块分别带有至少一个功率半导体开关(22)和用于使在切换时释放的能量减少的部件(24)；和用于将直流电流换向到中间支路(11)中的换向部件(34)，从而总的直流电流经过中间支路(11)传导，其中换向部件(34)具有至少一个可控功率半导体(22，36)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备
本专利技术涉及一种用于在直流电网支路的一个极中切换直流电流的设备。
技术介绍
世界范围增加的能量需求和同时期望的二氧化碳排放降低使得所谓的可再生能源日益具有吸引力。可再生能量源例如是海边建造的风力发电设备或在光照充足的沙漠地区的光伏发电设备。为了能够经济地利用这样产生的能量，可再生能量源与大陆供电网的连接越来越重要。基于该背景，越来越多地讨论联网的直流电网的构造和运行。然而为此的前提条件是，在这样的联网的直流电网中可能出现的短路电流能够被快速和可靠地断开。然而为此需要迄今为止在市场上还不可得的直流电压开关。从现有技术中公知对于这样的直流电压开关的不同概念。在WO2011/057675A1中描述了一种直流电压开关，其具有带有机械开关的运行电流路径和与运行电流路径并联连接的断开支路。在断开支路中布置了功率半导体开关的串联电路，所述功率半导体开关分别与一个续流二极管反向并联。由功率半导体开关和续流二极管组成的开关单元反向串联地布置，其中可断开功率半导体开关串联布置，并且对于每个功率半导体开关设置一个具有相反导通方向的相应的功率半导体开关。以这种方式可以中断在断开支路中的两个方向上的电流。在运行电流路径中除了机械开关之外还布置了与机械开关串联的电子辅助开关。在正常运行中电流经过运行电流路径并且由此经过电子辅助开关以及经过闭合的机械开关流动，因为断开支路的功率半导体开关对于直流电流是提高的电阻。为了中断例如短路电流，将电子辅助开关转换到其分离位置。由此在运行电流路径中的电阻增加，从而在断开支路中的直流电流换向。快速的机械断路开关由此可以被无电流地断开。经过断开支路传导的短路电流可以通过功率半导体开关被中断。为了吸收存储在直流电网中的、在切换时要减少的能量，设置了放电器，其与断开支路的功率半导体开关分别并联。在DE69408811T2中描述了一种直流电压开关，其中两个机械开关串联连接。由两个机械开关形成的串联电路通过放电器以及电容器来保护以防高的过电压。可接通可断开功率半导体开关仅与一个机械开关并联。在机械开关断开时产生电弧。在电弧上降落的电压触发功率半导体开关，由此并联的断开的机械开关被短路。电弧熄灭。经过功率半导体开关传导的电流现在可以通过对功率半导体的相应的控制被中断。在US5999388中描述了一种直流电压功率开关，其可串联地集成在直流电压线路中。其由可接通可断开功率半导体开关的串联电路组成，所述可接通可断开功率半导体开关分别并联连接一个反向续流二极管。此外与每个功率半导体开关并联连接一个用于限压的放电器，例如可变电阻。公知的直流电压开关是纯电子地实现的，由此与市场上通常的机械开关相比明显更快地切换。在几微秒内可以断开经过直流电压开关流动的短路电流。然而缺陷是，工作电流也必须经过功率半导体开关传导。由此产生高的传输损耗。WO2011/141055公开了一种直流电压开关，其可以串联连接到高压直流电网的一个极中。所述直流电压开关由与功率半导体开关串联的机械开关组成，所述功率半导体开关又并联连接一个反向续流二极管。由线圈和电容器组成的串联电路、也就是LC支路以及放电器，与由功率半导体开关和机械开关组成的串联电路并联连接，所述放电器限制在LC支路上降落的电压。功率半导体开关也并联连接放电器。在机械开关断开之后，功率半导体开关以LC支路的固有频率接通和断开。由此在机械开关中产生振荡并且最后产生电流过零点，从而可以使产生的电弧熄灭。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种开头提到的设备，利用所述设备可以可靠并成本低地断开在直流电网中的故障电流，其中在正常运行中同时产生小的损耗。本专利技术通过一种用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备来解决上述技术问题，所述设备具有：两个接线柱，用于与所述极串联连接；在接线柱之间延伸的主电流支路，在所述主电流支路中布置了两个机械开关；在接线柱之间延伸的与主电流支路并联连接的旁路电流支路，在所述旁路电流支路中也布置了两个机械开关和/或两个功率半导体；中间支路，其将主电流路径的在机械开关之间布置的中间支路电势点、与旁路电流支路的在机械开关之间或功率半导体之间布置的中间支路电势点互相连接，并且其具有功率开关单元，所述功率开关单元具有由双极子模块组成的串联电路，所述子模块分别带有至少一个功率半导体开关和用于使在切换时释放的能量减少的部件；用于将直流电流换向到中间支路中的换向部件，从而总的直流电流经过中间支路传导，其中换向部件具有至少一个可控功率半导体。按照本专利技术提供所谓的H电路，其具有两个互相平行延伸的支路，即主电流支路以及旁路电流支路。两个平行的支路分别在两个接线柱之间延伸，其中每个所述支路具有两个机械开关。在主电流支路的机械开关之间的电势点与在旁路电流支路的两个机械开关之间或者功率半导体开关之间的电势点经过中间支路相连。在中间支路中布置了功率开关单元，其在其方面包括由双极子模块组成的串联电路。每个子模块具有至少一个可接通可断开功率半导体开关，也就是IGBT、IGCT、TGO等，功率半导体开关根据需要分别具有反向并联续流二极管。然而取而代之也可以采用具有反向导通能力的功率半导体开关。子模块的数量取决于各自的要求。在每种情况下，功率开关单元的子模块必须能够吸收施加的电压，并且还能够安全和足够快速地断开高的短路电流。存储在直流电网中并且在断开时释放的能量通过用于使切换能量减少的合适部件来减少。在此例如是非线性电阻，例如放电器、变阻器等。如果在其上降落的电压超过阈值电压，则该组件如欧姆电阻般表现，其中其将在切换时释放的能量转换为热能并且输出到外接环境中。合适的是，将用于使切换能量减少的部件集成到子模块中。与此不同地，非线性电阻分别与一个或更多个子模块并联连接。此外在本专利技术的范围内，子模块还可以具有储能器。在本专利技术的范围内，待切换的直流电流在正常运行时可以经过主电流支路单独传导。替换地，直流电流在正常运行时既经过主电流支路也经过旁路电流支路传导。在每种情况下H电路允许直流电流换向到中间支路中，使得其独立于直流电流的方向，总是仅在一个方向上经过中间支路传导。功率开关单元的功率半导体由此原则上必须构造为仅用于切换在一个方向上的电流。然而在可能的电网波动时可能必须考虑中间支路中的反向电流。此外，按照本专利技术还设置了换向部件，其具有至少一个可控功率半导体。在本专利技术的范围内，换向部件使得能够进行待切换的直流电流至少从主电流支路的一个片段到中间支路中的主动换向。为此借助控制信号控制换向部件的功率半导体，使得在主电流支路的和可能在旁路电流支路的所述片段中的电阻提高或产生经过所述片段传导的回路电流，其与待切换的直流电流叠加为大约零。换向部件在直流电流换向到中间支路中时支持机械开关。有利地，设置充电支路，其一方面与地电势或与直流电网的极相反极性的相反极相连，并且另一方面与中间支路相连或可以相连，其中充电支路具有欧姆电阻。充电支路既用于启动运行，又用于正常运行中设备的运行。如果充电支路例如连接到旁路电流支路的中间支路电势点，则主电流支路经过中间支路和充电支路与地电势或者与直流电网的相反极相连。由此在功率开关单元上施加例如功率开关单元的功率半导体开关的电子器件的运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备(1)，具有‑两个接线柱(2，3)，用于与所述极串联连接，‑在所述接线柱(2，3)之间延伸的主电流支路(4)，在所述主电流支路中布置了两个机械开关(6，7)，‑在所述接线柱(2，3)之间延伸的与主电流支路(4)并联连接的旁路电流支路(5)，在所述旁路电流支路中也布置了两个机械开关(8，9)和/或两个功率半导体(20，21)，‑中间支路(11)，其将主电流路径(4)的布置在机械开关(6，7)之间的中间支路电势点(10)、与旁路电流支路(5)的布置在机械开关(8，9)之间或功率半导体(20，21)之间的中间支路电势点(12)互相连接，并且其具有功率开关单元(13)，所述功率开关单元具有由双极子模块(14)组成的串联电路，所述子模块分别带有至少一个功率半导体开关(22)和用于使在切换时释放的能量减少的部件(24)，和‑用于将直流电流换向到中间支路(11)中的换向部件(34)，以便总的直流电流经过中间支路(11)传导，其中换向部件(34)具有至少一个可控功率半导体(22，36)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在直流电网的一个极中切换直流电流的设备(1)，具有-两个接线柱(2，3)，用于与所述极串联连接，-在所述接线柱(2，3)之间延伸的主电流支路(4)，在所述主电流支路中布置了两个机械开关(6，7)，-在所述接线柱(2，3)之间延伸的与主电流支路(4)并联连接的旁路电流支路(5)，在所述旁路电流支路中也布置了两个机械开关(8，9)和/或两个功率半导体(20，21)，-中间支路(11)，其将主电流支路(4)的布置在机械开关(6，7)之间的中间支路电势点(10)、与旁路电流支路(5)的布置在机械开关(8，9)之间或功率半导体(20，21)之间的中间支路电势点(12)互相连接，并且其具有功率开关单元(13)，所述功率开关单元具有由双极子模块(14)组成的串联电路，所述双极子模块分别带有至少一个功率半导体开关(22)并且带有用于使在切换时释放的能量减少的部件(24)，和-用于将直流电流换向到中间支路(11)中的换向部件(34)，以便总的直流电流经过中间支路(11)传导，其中换向部件(34)具有至少一个换向半导体开关，其中，换向半导体开关是可控功率半导体。2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，设置了充电支路(15)，其一方面与地电势或与直流电网的所述极相反极性的相反极相连，并且另一方面与所述中间支路(11)相连或能够相连，其中，所述充电支路(15)具有欧姆电阻(16)。3.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，所述充电支路(15)与旁路电流支路(5)的中间支路电势点(12)相连或能够相连。4.根据权利要求2或3所述的设备(1)，其特征在于，所述充电支路(15)具有与欧姆电阻(16)串联的机械开关(17)，其被构造为用于将该充电支路(15)与所述中间支路(11)相连。5.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述功率开关单元(13)的子模块(14)至少部分地分别具有一个功率半导体开关(22)和与功率半导体开关(22)反向并联连接的续流二极管(23)，其中，功率半导体开关(22)是可接通可断开功率半导体开关。6.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述功率开关单元(13)被构造为用于在仅一个方向上断开电流。7.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述功率开关单元(13)的子模块(14)至少部分地分别具有储能器(25)和与该储能器(25)并联连接的由两个可接通可断开功率半导体开关(22)组成的串联电路(26)，所述可接通可断开功率半导体开关分别具有反向并联的续流二极管(23)，其中，一个子模块接线柱(27)与在可接通可断开功率半导体开关(22)之间的电势点相连，并且另一个子模块接线柱(28)与所述储能器(25)的一个极相连。8.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述功率开关单元(13)的子模块(14)至少部分地具有储能器(25)和与该储能器(25)并联连接的第一串联电路(26)和第二串联电路(31)，所述第一串联电路和所述第二串联电路分别具有两个带有反向并联的续流二极管的可接通可断开功率半导体开关，其中，一个子模块接线柱(27)与在第一串联电路(26)的两个可接通可断开功率半导体开关(22)之间的电势点相连，并且另一个子模块接线柱(28)与在第二串联电路(31)的两个可接通可断开功率半导体开关(22)之间的电势点相连。9.根据权利要求7或8所述的设备(1)，其特征在于，用于使在切换时释放的能量减少的所述部件是变阻器和/或放电器(24)。10.根据权利要求9所述的设备(1)，其特征在于，所述变阻器和/或放电器至少部分地与储能器(25)并联连接。11.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述功率开关单元(13)的子模块(14)至少部分地被构造为制动调节器模块并且具有储能器(25)，所述储能器与第一串联电路(26)和第二串联电路(31)并联连接，所述第一串联电路由带有反向并联...

【专利技术属性】
技术研发人员：D埃尔金，H甘巴赫，HJ克纳克，A菲利普，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE