專利名稱：電力變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高電壓應(yīng)用的電力變流器，其包括多個串聯(lián)連接的電開關(guān)。本發(fā)明特別涉及包括可熄滅式半導(dǎo)體裝置(extinguishable semiconducting means )的電壓源變流器。本發(fā)明更具體地涉及多個具有 "短路故障模式"的串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件。術(shù)語"短路故障"應(yīng)該理解為在串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件之一發(fā)生故障 的情況下，電路不是斷開而是保持閉合。高電壓應(yīng)用包括電力的分配和傳 輸。通常，用于這些應(yīng)用的范圍是2kV及以上，并且可有利地是5kV及 以上。
背景技術(shù)：
設(shè)計用于高電壓應(yīng)用的電壓源變流器的 一般慣例涉及串聯(lián)連接的開 關(guān)。每個開關(guān)都具有將電路斷開和閉合的功能。對于串聯(lián)連接，閉合操作 是至關(guān)重要的，因為不然的話，整個閥將是一個斷路，因而閥不能工作。 因此，如果開關(guān)遇到了故障，則它必須能夠?qū)崿F(xiàn)短路故障模式。開關(guān)通常 包括可熄滅式半導(dǎo)體元件。然而，大部分這種半導(dǎo)體元件在故障模式中保 持?jǐn)嚅_。因此，變流器包括多個串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件，每個半導(dǎo)體元件 必須包含短路故障模式。這可以通過與半導(dǎo)體元件并聯(lián)的回路或通過將半 導(dǎo)體元件設(shè)計成在故障模式中成為短路來實現(xiàn)。每個半導(dǎo)體元件都包括針對其主端子上的容許直流電壓應(yīng)力的單獨 電壓額定值。因此，為了針對特定總電壓額定值來設(shè)計電壓源變流器，需 要特定數(shù)目的串聯(lián)連接的工作半導(dǎo)體元件。如果這些半導(dǎo)體元件中的一個 遇到故障，則整個變流器跳閘且必須被停止工作。為解決半導(dǎo)體元件故障， 7>^的是在串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件的系列中設(shè)置多個冗余的半導(dǎo)體元件。 因此半導(dǎo)體元件的系列包括了工作所必需的特定數(shù)目的工作半導(dǎo)體元件 和特定數(shù)目的冗余半導(dǎo)體元件。當(dāng)所有這些冗余的半導(dǎo)體元件都擊穿時， 變流器的工作由仍工作的半導(dǎo)體元件來完成。但是當(dāng)工作半導(dǎo)體元件中的 一個成為短路故障模式時，變流器跳閘且必須被停止工作。
因此，如果在工作期間發(fā)生半導(dǎo)體故障，則只要閥中的擊穿位置的數(shù)目小于冗余位置的數(shù)目，變流器就保持工作。賴^據(jù)系統(tǒng)i殳計和變流器的電 壓額定值，可以有若干冗余的位置。如果一個閥中的所有冗余位置都擊穿 了并且另外的位置也擊穿了，則設(shè)備必須跳閘。這意味著設(shè)備將停止工作 到用 一組新的半導(dǎo)體元件將它〗務(wù)復(fù)為止。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種在工作半導(dǎo)體器件之一發(fā)生故障的情 況下還能夠工作的變流器。根據(jù)本發(fā)明，通過獨立權(quán)利要求1中的特征所表征的電力變流器或通 過由獨立權(quán)利要求4中的步驟所表征的方法來實現(xiàn)這個目的。優(yōu)選的實施 例^L描M^^權(quán)利要求中。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)工作半導(dǎo)體元件中的一個已經(jīng)采用短路模式時，變流 器的直流電壓被降低。這發(fā)生在擊穿位置的數(shù)目超過冗余位置的數(shù)目時。 已降低的直流電壓是串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件的系列中的仍工作的半導(dǎo)體元件的各個電壓額定值的總和。通過降低變流器的直流電壓，變流器仍然 可以保持工作。直流電壓可以按照由各個半導(dǎo)體元件的特征所限定的步驟或范圍來調(diào)節(jié)。直流電壓是考慮到VSC的電壓額定值時的設(shè)計M。如果所有的冗 余半導(dǎo)體元件加上一個工作半導(dǎo)體元件被損壞，則降低直流電壓以允許其 余部件保持在它們的電壓額定值內(nèi)。這樣做的好處是增加了 VSC的可用 性并且將強(qiáng)制停機(jī)變成推遲停機(jī)或計劃停機(jī)。然而，對系統(tǒng)的影響是減小 了變流器電壓額定值。在針對無功功率的補(bǔ)償器中，根據(jù)VSC工作點， 電容性區(qū)域的性能可降低。在電感性區(qū)域中，甚至在所有冗余半導(dǎo)體元件 加上一個或更多工作半導(dǎo)體元件發(fā)生故障之后，VSC吸收無功功率的能 力也不會減小。在本發(fā)明的第一方面，上述目的是一種通過包括串聯(lián)連接的工作半導(dǎo) 體元件系列的電壓源變流器來實現(xiàn)的，其中在工作半導(dǎo)體元件發(fā)生故障的 情況下，該變流器包括用于計算工作直流電壓的裝置和用于調(diào)節(jié)所述變流 器以在所述變流器上采用該工作直流電壓的裝置，該工作直流電壓包括所 述系列中的每個其余工作半導(dǎo)體元件的直流額定值的總和。在本發(fā)明的又
一實施例中，各個電壓額定值由范圍來限定。在又一實施例中，每個單獨 的半導(dǎo)體元件的電壓額定值在控制單元中限定和存儲。在本發(fā)明的第二方面，上述目的通過一種用于補(bǔ)償工作半導(dǎo)體元件的 故障的方法來實現(xiàn)，該工作半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接于電壓源變流器的系列中，該方法包括檢測工作半導(dǎo)體元件的故障；計算工作直流電壓，該工 作直流電壓包括每個其余工作半導(dǎo)體元件的直流額定值的總和；調(diào)節(jié)該變 流器上的總的直流電壓以設(shè)成上述工作電壓。在這個方面的又一實施例 中，才艮據(jù)其余工作半導(dǎo)體元件的電壓額定值范圍來計算工作直流電壓。


根據(jù)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明 的其他特征和優(yōu)點將變得更加清楚。其中圖l是電力變流器的串聯(lián)連接的開關(guān)系列的主電路，圖2是示出電壓源變流器的可能調(diào)節(jié)的示圖，圖3是示出根據(jù)本發(fā)明調(diào)節(jié)直流電壓的原理的示圖，圖4是根據(jù)根本發(fā)明的典型電壓源變流器的主電路。
具體實施方式
串聯(lián)連接的開關(guān)2、 3、 4、 5的系列1在圖1中示出。每個單獨的開 關(guān)都用開關(guān)符號M示，以便示出開關(guān)始終能夠按照控制電路的需要而成 為閉路或開路的必要性。特別是在串聯(lián)連接時，成為閉路的能力對于變流 器的功能是非常重要的。公知的是利用可熄滅式半導(dǎo)體元件來設(shè)置開關(guān)。 因此，這些半導(dǎo)體元件必須包括短路故障模式。設(shè)計串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件的系列時必須考慮到冗余度。根據(jù)設(shè)計標(biāo) 準(zhǔn)，必須為變流器限定工作能力。根據(jù)長期的經(jīng)驗，公知的是半導(dǎo)體元件 具有某種擊穿能力。因此，變流器閥必須包括一個數(shù)目的串聯(lián)連接的半導(dǎo) 體元件，該數(shù)目等于閥上的總直流電壓除以系列中的單獨半導(dǎo)體元件的內(nèi) 部直流電壓容量。然而，根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)所做的設(shè)計將導(dǎo)致當(dāng)半導(dǎo)體元件中 的一個擊穿時，變流器跳閘并且不能工作。為了解決這個問題，在系列中 加入多個冗余的半導(dǎo)體元件。因此當(dāng)?shù)谝粋€冗余的半導(dǎo)體元件擊穿時，其 余的半導(dǎo)體元件能夠分擔(dān)該變流器上的總直流電壓。當(dāng)所有冗余的半導(dǎo)體 元件都擊穿時，下一個半導(dǎo)體元件的擊穿將4吏變流器停止工作。在圖1中，為了簡化只示出了四個半導(dǎo)體元件。對于實際操作中的電壓源變流器，該系列可以包括3至30個半導(dǎo)體元件。對于在更高區(qū)域中 的高直流電壓工作，該變流器可以包括100-200個串聯(lián)連接的元件。圖l 中的每個半導(dǎo)體元件具有單獨的電壓額定值Vi。整個系列具有總的直流 電壓容量Vt。假如第一半導(dǎo)體元件2是冗余的半導(dǎo)體元件，則總的直流 電壓包括其余半導(dǎo)體元件3、 4、 5的單獨電壓的總和。因而如果半導(dǎo)體元 件中的一個擊穿，從而成為閉路，則其余的半導(dǎo)體元件能夠應(yīng)對總的電壓。 然而，如果其余半導(dǎo)體元件中的一個也擊穿，則總的直流電壓大于其余半 導(dǎo)體元件的總和，使得該變流器跳閘。根據(jù)本發(fā)明，取而代之的是將所述系列上的總的直流電壓調(diào)節(jié)成采用 低于上述總電壓的工作直流電壓。最佳工作直流電壓將是仍工作的元件的 電壓之和。在圖2中示出了調(diào)節(jié)電壓源變流器的工作直流電壓的能力。在 第一工作期，當(dāng)變流器上電時，直流電壓達(dá)到第一直流電壓7。在第二工 作模式，直流電壓被提升到工作直流電壓8以滿足工作需要.根據(jù)本發(fā)明， 當(dāng)一個或更多的工作半導(dǎo)體元件被損壞時，4吏用該提升能力來形成不4吏變 流器跳閘的工作直流電壓。在本發(fā)明的一個實施例中，通過如圖3所示的實例來調(diào)節(jié)工作直流電 壓。圖中的頂部的線示出了故障位置10的數(shù)目。第一曲線8是變流器上 的總的直流電壓。第二曲線9^:每個元件的直流電壓。在圖3中假i殳第一 故障位置是冗余的元件。因此當(dāng)?shù)谝晃恢冒l(fā)生故障時，變流器上的總的直 流電壓^l:相同的，但^1每個半導(dǎo)體元件的直流電壓上升到它的最大電壓。 在這種情況下，變流器繼續(xù)以全功率工作。當(dāng)?shù)诙恢冒l(fā)生故障時，總的 直流電壓降低，從而使每個半導(dǎo)體元件的直流電壓保持在安全水平。當(dāng)?shù)?三位置也發(fā)生故障時，變流器的工作直流電壓進(jìn)一步被降低。這使得仍然 保持每個半導(dǎo)體元件的安全直流電壓。因此通過降低變流器的工作直流電 壓，變流器仍然可以以較低容量保持工作。圖4中示意性地示出本發(fā)明所適用的高電壓變流器電路的相支路 (phase leg)。在連接到三相交變電流網(wǎng)的設(shè)備中，通常有三個相支路， 這三個相支路共用一個直流電容器13。該電路通常包括多個在此以IGBT 的形式串聯(lián)連接的電力半導(dǎo)體器件11，以及與相應(yīng)的這種器件反并聯(lián)連
接的通常所說的續(xù)流二極管(free-wheeling diode) 12。在實際中，串聯(lián) 連接的電力半導(dǎo)體器件的數(shù)目遠(yuǎn)多于圖4中所示的數(shù)目。串聯(lián)連接的電力半導(dǎo)體器件連接到直流電容器13，而電力半導(dǎo)體器 件之間的相端子14連接到交變電壓網(wǎng)的相。在所示的實施例中，到電網(wǎng) 的連接包括相電抗器15。在圖4中與二極管一起設(shè)置在相端子14上方的 電力半導(dǎo)體器件形成一個IGBT閥，而位于相端子14下方的電力半導(dǎo)體 器件形成另一個IGBT閥。通過來自驅(qū)動單元16 (分別示意性地示出)的信號，IGBT閥中的所 有電力半導(dǎo)體器件同時被接通，使得當(dāng)相端子14處需要正電勢時，第一 IGBT閥中的電力半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，而當(dāng)相端子14處需要負(fù)電勢時，第 二IGBT閥中的電力半導(dǎo)體器件導(dǎo)通。通過根據(jù)所確定的脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式來控制電力半導(dǎo)體器 件，直流電容器13上的直流電壓可以用于產(chǎn)生相端子14處的電壓，其基 本分量是具有所需幅值、頻率和相位的交變電壓。通it^控制單元17向 不同的驅(qū)動單元發(fā)送控制脈沖來進(jìn)行這種控制，其中發(fā)送通常通過光纖來 進(jìn)行。在圖4的實例中，有第一光纖9和笫二光纖10。第一光纖被用于 發(fā)送切換命令，而第二光纖被用于接收來自半導(dǎo)體元件的狀態(tài)信息?？刂茊卧?7和驅(qū)動單元16之間的信息交換是經(jīng)由光纖的雙向通信。 切換命令從控制單元17發(fā)送到驅(qū)動單元16。切換事件的指示信號可以從 驅(qū)動單元16發(fā)送回控制單元17?？刂茊卧幱诘碗妷弘妱?，并與處于高 電壓電勢的驅(qū)動單元16電性分離。切換事件的指示信號產(chǎn)生于驅(qū)動控制 單元?？刂茊卧ㄓ嬎銠C(jī)裝置和存儲器裝置，用于計算和控制到驅(qū)動單 元的信號。雖然所提出的實施例是有利的，但是本發(fā)明的范圍不局限于這些實施例，而是還包括對本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的實施例。例如，每個半導(dǎo)體元件的安全直流電平可以在控制系統(tǒng)中限定和存儲。在又一實施例中，可以為 每個半導(dǎo)體元件限定安全直流電壓電平范圍。
權(quán)利要求
1.一種電壓源變流器，包括串聯(lián)連接的工作半導(dǎo)體元件(2-5)的系列(1)，其特征在于所述變流器包括在工作半導(dǎo)體元件發(fā)生故障的情況下用于計算工作直流電壓(8)的裝置(17)，以及用于調(diào)節(jié)所述變流器以在所述變流器上采用所述工作直流電壓的裝置，所述工作直流電壓(8)包括所述系列中的每個其余工作半導(dǎo)體元件的電壓額定值(vi)的總和。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電壓源變流器，其中每個其余工作半導(dǎo)體 元件的所述電壓額定值(Vi)是用直流電壓電平范圍來限定的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電壓源變流器，其中所述電壓額定值 包括每個單獨的半導(dǎo)體元件的電壓范圍。
4. 一種用于補(bǔ)償串聯(lián)連接的工作半導(dǎo)體元件的故障的方法，所述工 作半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接于電壓源變流器的系列中，其特征在于包括檢測 所述工作半導(dǎo)體元件的故障；計算工作直流電壓，所述工作直流電壓包括 每個其余工作半導(dǎo)體元件的電壓額定值的總和；調(diào)節(jié)所述變流器上的總的 直流電壓以i史成所述工作電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中根據(jù)各個半導(dǎo)體元件電壓額定 值的范圍來計算所述工作直流電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)操作包括從第一 直流電壓電平階梯式地調(diào)節(jié)到第二直流電壓電平。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)操作包括從第一 直流電壓電平平滑地調(diào)節(jié)到第二直流電壓電平。
8. —種可存儲在計算機(jī)可用介質(zhì)上的計算機(jī)程序產(chǎn)品，包括處理器 用來執(zhí)行權(quán)利要求4至7所述方法的指令。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的計算;^序產(chǎn)品，所述計算積4呈序產(chǎn)品至 少部分地通過諸如因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)來提供。
10. —種計算機(jī)可讀介質(zhì)，其特征在于它包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的 計算^f呈序產(chǎn) 品。
全文摘要
一種電壓源變流器，包括串聯(lián)連接的工作半導(dǎo)體元件(2-5)的系列(1)。該變流器還包括在工作半導(dǎo)體元件發(fā)生故障的情況下用于計算工作直流電壓(8)的裝置(17)，以及用于調(diào)節(jié)變流器以在變流器上采用該工作直流電壓的裝置，該工作直流電壓(8)包括系列中的每個其余工作半導(dǎo)體元件的直流額定值(v_i)的總和。
文檔編號H02M7/537GK101156308SQ200680010897
公開日2008年4月2日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者托馬斯·拉松, 讓-菲利普·哈斯勒, 阿克·彼得松, 馬爾西奧·德·奧利韋拉 申請人:Abb技術(shù)有限公司