【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及高压旁路器件、其在电压源变换器(voltage source converter)中的应用、以及用于高压旁路器件的操作方法。
技术介绍
1、高压(hv)装置，如运行在超过1kv或更高电压的电压变换器，通常包括多个开关器件，如功率半导体开关器件，它们选择性地连接或断开两个不同的电压电势。例如，所谓的模块化多单元变换器(modular multi-cell converters,mmc)包括多个开关单元，以从给定的输入电压生成所需的输出电压。例如，这种变换器在高压直流(hvdc)输电系统中是有用的。由于此类装置是关键基础设施的一部分，因此它们应该可靠运行，即使在变换器的单个组件发生故障的情况下也是如此。
2、众所周知的是，使用机械旁路开关(bypass switch,bps)或断路器来旁路发生故障的开关组件。然而，提供额外的机电组件增加了整体装置的复杂性和显著成本。替代地，可以采用特定的半导体保护器件。然而，由于高压装置涉及较大的电压和电流，基于半导体的保护器件通常需要主动冷却，这也增加了高压装置的复杂性和显著成本。如果冗余地提供这些组件，例如为了满足可靠性要求，则增加的复杂性和成本会翻倍。
技术实现思路
1、本公开提供了用于确保高压装置的可靠运行的替代器件、系统、和方法。
2、根据第一方面，公开了一种高压旁路器件。该器件包括空腔、布置在空腔中的触发元件、填充有导电可流动材料的储液器、以及使空腔和储液器隔开的闸门(shutter)。触发元件连接到高压旁
3、根据第一方面的器件可以旁路高压装置的另一器件或部分。与已知的旁路器件相反，所公开的旁路器件不需要任何形式的主动控制或强制冷却。因此，即使在现有装置中，这种器件也相对容易构造和集成。
4、在至少一个实施例中，触发元件包括连接到第一端子的第一电极和连接到第二端子的第二电极，第一电极和第二电极延伸到空腔中并在其中形成火花间隙(spark gap)。火花间隙相对容易形成，并在过电压状况下产生火花，这可以用来几乎立即释放闸门。此外，在旁路器件被触发后，形成火花间隙的电极可以形成导电路径的部分。
5、在至少一个实施例中，触发元件包括连接在第一端子和第二端子之间的压敏电阻。压敏电阻具有众所周知的电气特性。其中，它们可以在定义好的阈值电压(称为钳位电压)以上进入导电状态。由于导电状态下的欧姆损耗，压敏电阻产生热量，可用于释放闸门。
6、在至少一个实施例中，导电可流动材料包括液体、粉末、和/或粒状材料中的至少一种。例如，在重力或其他外力的影响下，这些材料可以自由地从储液器流到空腔。
7、在至少一个实施例中，导电可流动材料包括金属或金属合金中的至少一种，特别是镓(ga)、镓铟锡合金(galinstan)、汞(hg)、铝(al)、或铜(cu)。金属材料具有非常高的导电性，因此适用于承载高压装置中通常出现的高电流。
8、在至少一个实施例中，触发元件被配置为在过电压状况下产生热量，并且闸门包括热敏材料，特别是聚合物材料，其被熔化、蒸发、或燃烧中的一种至少部分地破坏。这种材料可以被设计为在空腔内出现火花或其他预定义的热事件的情况下可靠地激活闸门机构。
9、根据不同的实施例，闸门包括使空腔和储液器隔开的热敏膜或者耦接到使空腔和储液器隔开的弹簧加载的热敏触发器。任何一种解决方案都提供了一种简单的机械闸门机构，可以由过电压状况下产生的热量激活。
10、在至少一个实施例中，储液器在器件的安装位置被布置在空腔上方，使得当触发元件被触发时，导电可流动材料在重力作用下被释放，从而闸门打开。由重力运行的机理特别可靠，不依赖于任何外部能源或控制。
11、根据至少一个实施例，触发元件包括连接到第一端子的第一电极和连接到第二端子的第二电极，第一电极和第二电极形成火花间隙。第一电极被布置在空腔的底部并向上突出，第二电极被布置在靠近闸门的空腔的顶部并向下突出。替代地或另外，第一电极被布置在空腔的第一壁并朝向空腔的相对的第二壁突出，第二电极被布置在空腔的第二壁并朝向空腔的第一壁突出，其中，第一和第二电极之间的直接路径靠近闸门。这些布置确保了火花的能量将可靠地触发闸门机构。
12、根据至少一个实施例，触发元件包括连接在第一端子和第二端子之间的压敏电阻。压敏电阻被布置在闸门下方的空腔的中心部分。替代地或另外，压敏电阻被布置为与闸门直接热接触。这些布置确保压敏电阻产生的热量将可靠地触发闸门机构。
13、根据至少一个实施例，在触发元件被触发之前，空腔被真空或保护气体中的一种填充。这在某些运行环境中可能是有利的，在这些环境中应避免电极的意外放电或化学腐蚀。
14、在至少一个实施例中，导电可流动材料被配置为在触发元件被触发后在第一和第二端子之间形成永久电气路径。这可以通过不同的方式实现，例如，通过用导电液体淹没空腔，或者通过使延伸到空腔中或限定空腔的第一和第二电极与粒状导电介质接触。永久电气通路的形成使高压装置能够在相对较长的时间内保持运行，例如，直到另一组件中的故障被识别并解决。
15、根据第二方面，提供了一种电压源变换器(vsc)，特别是模块化多单元变换器(mmc)。该变换器包括被配置为切换高电压的至少一个开关单元以及至少一个根据第一方面所述的高电压旁路器件，该高压旁路器件被配置为在发生故障的情况下旁路至少一个开关单元。
16、在开关单元证明出现故障的情况下，根据第二方面的变换器保持部分或完全运行。在这种情况下，开关单元可以通过高压旁路器件被旁路，从而为电流旁路该单元提供路径。
17、在至少一个实施例中，开关单元包括至少一个功率半导体开关器件，特别是igbt，并且高压旁路器件与至少一个功率半导体开关器件并联连接。通过这种方式，可以旁路开关单元的核心开关组件。
18、根据至少一个实施例，开关单元还包括与至少一个功率半导体开关器件和高压旁路器件并联连接的至少一个机械旁路开关。这种变换器将机械旁路开关器件的优点与根据第一方面的高压旁路器件的额外安全性相结合。例如，机械旁路开关器件可以被外部控制信号和/或多次激活或停用，或者可以具有其他优点。在机械旁路开关无法闭合的情况下，高压旁路器件可以无需外部控制而被激活。此外，它满足了提供冗余旁路组件的要求，从而避免了与单个安全组件的故障相关联的风险。
19、在至少一个实施例中，至少一个开关单元的额定电压超过1kv，优选地超过3kv，和/或额定电流超过100a，优选地超过1000a。
20、在至少一个实施例中，至少一个高压旁路器件由超过开关单元的额定电压两倍或以上的过电压触发。
21、在至少一个实施例中，至少一个高压旁路器件具有小于10ms的激活时间，用于在过电压状本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高压旁路器件(10)，包括：
2.根据权利要求1所述的器件(10)，其中，所述触发元件包括以下中的至少一者：
3.根据权利要求1或2所述的器件(10)，其中，所述导电可流动材料(18)包括以下中的至少一种：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的器件(10)，其中，所述触发元件被配置为在过电压状况下产生热量(52)，并且所述闸门(19)包括热敏材料，特别是聚合物材料，所述热敏材料被熔化、蒸发、或燃烧中的一种至少部分地破坏。
5.根据权利要求4所述的器件(10)，其中，所述闸门(19)包括以下两者之一：使所述空腔(13)和所述储液器(17)隔开的热敏膜、或者与使所述空腔(13)和所述储液器(17)隔开的弹簧加载的分隔物耦接的热敏触发器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件(10)，其中，所述储液器(17)在所述器件(10)的安装位置被布置在所述空腔(13)上方，使得当所述触发元件被触发时，所述导电可流动材料(18)通过重力被释放。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件(10)，
8.
9.根据权利要求1至8中任一项所述的器件(10)，其中，所述导电可流动材料(18)被配置为在所述触发元件被触发之后，在所述第一端子(11)和所述第二端子(12)之间形成永久电气路径，特别是通过以下方式之一：用导电液体淹没所述空腔(13)；或者通过使延伸到所述空腔(13)中或限定所述空腔(13)的第一电极(14)和第二电极(15)与粒状导电介质接触。
10.一种电压源变换器VSC，特别是模块化多单元变换器MMC，包括：
11.根据权利要求10所述的VSC，其中，所述开关单元(30)包括至少一个功率半导体开关器件，特别是IGBT(33a)，并且所述高压旁路器件(10)与所述至少一个功率半导体开关器件并联连接。
12.根据权利要求10或11所述的VSC，其中，所述开关单元(30)还包括与所述至少一个功率半导体开关器件和所述高压旁路器件(10)并联连接的至少一个机械旁路开关(37)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的VSC，其中，所述至少一个开关单元(30)的额定电压超过1kV，优选地超过3kV，和/或额定电流超过100A，优选地超过1000A。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的VSC，其中：
15.一种用于高压旁路器件(10)的操作方法，包括：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种高压旁路器件(10)，包括：
2.根据权利要求1所述的器件(10)，其中，所述触发元件包括以下中的至少一者：
3.根据权利要求1或2所述的器件(10)，其中，所述导电可流动材料(18)包括以下中的至少一种：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的器件(10)，其中，所述触发元件被配置为在过电压状况下产生热量(52)，并且所述闸门(19)包括热敏材料，特别是聚合物材料，所述热敏材料被熔化、蒸发、或燃烧中的一种至少部分地破坏。
5.根据权利要求4所述的器件(10)，其中，所述闸门(19)包括以下两者之一：使所述空腔(13)和所述储液器(17)隔开的热敏膜、或者与使所述空腔(13)和所述储液器(17)隔开的弹簧加载的分隔物耦接的热敏触发器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的器件(10)，其中，所述储液器(17)在所述器件(10)的安装位置被布置在所述空腔(13)上方，使得当所述触发元件被触发时，所述导电可流动材料(18)通过重力被释放。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件(10)，
8.根据权利要求1至7中任一项所述的器件(10)，其中，在所述触发元件被触发之前，所述空腔(13)被真空或保护气体中的一种填充。
9.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：L·东泽尔，马茨·安德森，
申请(专利权)人：日立能源有限公司，
类型：发明
国别省市：
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