用于借助直流電壓開關(guān)將直流電網(wǎng)段接入的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于借助具有兩個(gè)接線柱(2，3)的直流電壓開關(guān)(1)來將直流電網(wǎng)段接入的方法，所述直流電壓開關(guān)具有帶有機(jī)械開關(guān)(7)的運(yùn)行電流路徑(4)以及具有旁路該機(jī)械開關(guān)(7)的斷開電流路徑(9)，在所述直流電壓開關(guān)中布置了可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)，其中所述斷開電流路徑(9)具有比運(yùn)行電流路徑(9)的被所述斷開電流路徑旁路的段的電阻更大的電阻，其中，將機(jī)械開關(guān)(7)斷開，并且經(jīng)過斷開電流路徑(9)的電流流動(dòng)被阻斷，然后，第一接線柱(2)與直流電源相連并且第二接線柱(3)與直流電網(wǎng)段相連，最后，通過對(duì)功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)進(jìn)行控制，對(duì)直流電網(wǎng)段受控地施加電壓，隨后將機(jī)械開關(guān)(7)閉合。
【專利說明】用于借助直流電壓開關(guān)將直流電網(wǎng)段接入的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于借助直流電壓開關(guān)將直流電網(wǎng)段接入的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 世界范圍增加的能量需求和同時(shí)期望的二氧化碳排放降低使得所謂的可再生能 源日益具有吸引力。可再生能量源例如是海邊建造的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備或在光照充足的沙漠 地區(qū)的光伏發(fā)電設(shè)備。為了能夠經(jīng)濟(jì)地利用這樣產(chǎn)生的能量，可再生能量源與大陸供電網(wǎng) 的連接越來越重要?；谠摫尘?，越來越多地討論聯(lián)網(wǎng)的直流電網(wǎng)的構(gòu)造和運(yùn)行。然而為 此的前提條件是，在這樣的聯(lián)網(wǎng)的直流電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的短路電流能夠被快速和可靠地?cái)?開。然而為此需要迄今為止在市場(chǎng)上還不可得的直流電壓開關(guān)。從現(xiàn)有技術(shù)中公知對(duì)于這 樣的直流電壓開關(guān)的不同概念。
[0003] 在DE69408811T2中描述了一種直流電壓開關(guān)，其中兩個(gè)機(jī)械開關(guān)串聯(lián)連接。由兩 個(gè)機(jī)械開關(guān)形成的串聯(lián)電路通過放電器以及電容器來保護(hù)以防高的過電壓。可接通可關(guān)斷 功率半導(dǎo)體開關(guān)僅與一個(gè)機(jī)械開關(guān)并聯(lián)。在機(jī)械開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生電弧。在電弧上降落的電 壓觸發(fā)功率半導(dǎo)體開關(guān)，由此并聯(lián)的斷開的機(jī)械開關(guān)被短路。電弧熄滅。經(jīng)過功率半導(dǎo)體 開關(guān)傳導(dǎo)的電流現(xiàn)在可以通過功率半導(dǎo)體的相應(yīng)的控制被斷開。
[0004] 在US5999388中描述了一種直流電壓功率開關(guān)，其可串聯(lián)地集成在直流電壓線路 中。其由可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)的串聯(lián)電路組成，所述可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開 關(guān)分別并聯(lián)連接一個(gè)反向續(xù)流二極管。此外與每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)連接一個(gè)用于限壓 的放電器，例如可變電阻。公知的直流電壓開關(guān)是純電子地實(shí)現(xiàn)的，由此與市場(chǎng)上通常的機(jī) 械開關(guān)相比明顯更快地切換。在幾微秒內(nèi)可以斷開經(jīng)過直流電壓開關(guān)流動(dòng)的短路電流。然 而缺陷是，工作電流也必須經(jīng)過功率半導(dǎo)體開關(guān)傳導(dǎo)。由此產(chǎn)生高的傳輸損耗。
[0005] W02011/141055公開了一種直流電壓開關(guān)，其可以串聯(lián)連接到高壓直流電網(wǎng)的一 個(gè)極中。所述直流電壓開關(guān)由與功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)的機(jī)械開關(guān)組成，所述功率半導(dǎo)體開 關(guān)又并聯(lián)連接一個(gè)反向續(xù)流二極管。由線圈和電容器組成的串聯(lián)電路、也就是LC支路以及 放電器，與由功率半導(dǎo)體開關(guān)和機(jī)械開關(guān)組成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接，所述放電器限制在LC 支路上降落的電壓。功率半導(dǎo)體開關(guān)也并聯(lián)連接放電器。在機(jī)械開關(guān)斷開之后，功率半導(dǎo) 體開關(guān)以LC支路的固有頻率接通和斷開。由此在機(jī)械開關(guān)中產(chǎn)生振蕩并且最后產(chǎn)生電流 過零點(diǎn)，從而可以使產(chǎn)生的電弧熄滅。
[0006] 在 J. Heffner 和 B. Jacobssen 的文獻(xiàn) "Proactive Hybrid HVDC Breakers-A Key Innovation for Reliable HVDC Grids"，Symposium "The Electric Power System of the Future-Integrating Super-Grids and Micro-Grids International Symposium", Bologna, Italy, 13. -15. September 2011，第 264 頁及以后中也公開了一種直 流電壓開關(guān)。那里描述的直流電壓開關(guān)具有帶有機(jī)械開關(guān)的運(yùn)行電流路徑以及與運(yùn)行電流 路徑并聯(lián)連接的斷開電流路徑。在斷開電流路徑中布置了功率半導(dǎo)體開關(guān)的串聯(lián)電路，所 述功率半導(dǎo)體開關(guān)分別與一個(gè)續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接。由功率半導(dǎo)體開關(guān)和續(xù)流二極管 組成的開關(guān)單元是反向串聯(lián)地布置的，其中可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)地布置，并且對(duì)于 每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)，設(shè)置一個(gè)具有相反的導(dǎo)通方向的相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)。以這種方 式可以斷開在斷開電流路徑中的兩個(gè)方向上的電流。在運(yùn)行電流路徑中，除了機(jī)械開關(guān)之 外還布置了與機(jī)械開關(guān)串聯(lián)的電子輔助開關(guān)。在正常運(yùn)行時(shí)，電流經(jīng)過運(yùn)行電流路徑并且 由此經(jīng)過電子輔助開關(guān)以及經(jīng)過閉合的機(jī)械開關(guān)流動(dòng)，因?yàn)閿嚅_電流路徑的功率半導(dǎo)體開 關(guān)對(duì)于直流電流是增大的電阻。為了斷開例如短路電流，使電子輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換到其分離位 置。由此運(yùn)行電流路徑中的電阻增大，使得斷開電流路徑中的直流電流換向。快速的機(jī)械 斷路開關(guān)由此可以被無電流地?cái)嚅_。經(jīng)過斷開電流路徑傳導(dǎo)的短路電流可以通過功率半導(dǎo) 體開關(guān)斷開。為了吸收在直流電網(wǎng)中存儲(chǔ)的并且在連接時(shí)要減少的能量，設(shè)置了放電器，其 分別與斷開電流路徑的功率半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)連接。
[0007] 如果借助公知的直流電壓開關(guān)將高的直流電壓接入故障直流電網(wǎng)段，則可能由于 然后出現(xiàn)的極高的接通電流而導(dǎo)致故障直流電網(wǎng)段中的部件的不期望的損壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 由此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種方法，利用該方法在將電網(wǎng)段接入期 間就可以識(shí)別電網(wǎng)段中的故障、例如短路，從而可以盡早地引入應(yīng)對(duì)措施。
[0009] 本發(fā)明通過一種用于借助具有兩個(gè)接線柱的直流電壓開關(guān)來將直流電網(wǎng)段接入 的方法來解決上述技術(shù)問題，所述直流電壓開關(guān)具有帶有機(jī)械開關(guān)的運(yùn)行電流路徑以及具 有旁路所述機(jī)械開關(guān)的斷開電流路徑，在所述直流電壓開關(guān)中布置了至少一個(gè)可接通可關(guān) 斷功率半導(dǎo)體開關(guān)，其中斷開電流路徑具有比運(yùn)行電流路徑的、被所述斷開電流路徑旁路 的段的電阻更大的電阻，其中，將機(jī)械開關(guān)斷開，并且斷開電流路徑中的電流流動(dòng)通過對(duì)功 率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行合適的控制被阻斷，然后第一接線柱與直流電源的一個(gè)極相連，并且第 二接線柱與直流電網(wǎng)段的一個(gè)極相連，最后通過對(duì)功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行控制對(duì)直流電網(wǎng)段 受控地施加電壓，隨后將機(jī)械開關(guān)閉合。
[0010] 按照本發(fā)明，借助直流電壓開關(guān)來受控地將直流電網(wǎng)段接入，該直流電壓開關(guān)具 有帶有可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)的斷開電流路徑，而在運(yùn)行電流路徑中布置了機(jī)械開 關(guān)。
[0011] 與這樣的公知的直流電壓開關(guān)的構(gòu)造相比，這使得可以在將電網(wǎng)段接入之前將機(jī) 械開關(guān)轉(zhuǎn)換到其分離位置而避免硬接入，也就是通過閉合機(jī)械開關(guān)的接入。按照本發(fā)明，接 入時(shí)的電流經(jīng)過斷開電流路徑并且由此經(jīng)過可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)傳導(dǎo)?，F(xiàn)在可以 對(duì)可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行控制，使得電流或電壓逐漸地、例如斜坡形地升高。如 果在待接入的直流電網(wǎng)段中布置的保護(hù)設(shè)備確定出現(xiàn)了短路電流，則電網(wǎng)段的接入可以被 盡早地中斷，從而可以避免接入時(shí)的損害，例如在直流電壓開關(guān)中或在待接入的直流電網(wǎng) 段本身中的損害。為此保護(hù)設(shè)備合適地直接或間接與直流電壓開關(guān)的控制或調(diào)節(jié)單元進(jìn)行 通信。
[0012] 機(jī)械開關(guān)的構(gòu)造在本發(fā)明的范圍內(nèi)原則上是任意的。然而重要的是，機(jī)械開關(guān)可 以吸收要求的電壓。此外機(jī)械開關(guān)應(yīng)當(dāng)盡可能快地，例如可以在從故障報(bào)告起5ms的時(shí)間 窗之內(nèi)斷開。按照本發(fā)明，直流電壓開關(guān)串聯(lián)連接在直流電網(wǎng)的一個(gè)極中，其中直流電壓開 關(guān)的第一接線柱與直流電源的一個(gè)極相連，并且直流電壓開關(guān)的另一個(gè)接線柱與直流電網(wǎng) 段的一個(gè)極相連。在直流電壓開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)其接線柱具有大約相同的電勢(shì)。在直流電網(wǎng) 段中接地短路時(shí)在機(jī)械開關(guān)上降落的電壓由此相當(dāng)于一個(gè)極相對(duì)于地電勢(shì)的電壓。
[0013] 斷開電流路徑的構(gòu)造，特別地是功率半導(dǎo)體開關(guān)的接線和布置的構(gòu)造在本發(fā)明的 范圍內(nèi)原則上是任意的。于是功率半導(dǎo)體開關(guān)例如可以形成由可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體 開關(guān)構(gòu)成的串聯(lián)電路，其中每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)與一個(gè)反向續(xù)流二極管并聯(lián)連接。在此合 適的是，每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)與用于能量吸收的放電器并聯(lián)連接。功率半導(dǎo)體開關(guān)可以反 向串聯(lián)地布置，其中幾個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通方向與其他串聯(lián)布置的功率半導(dǎo)體開關(guān)的 導(dǎo)通方向相反。以這種方式形成功率半導(dǎo)體開關(guān)的兩個(gè)組，其中一組負(fù)責(zé)斷開一個(gè)方向上 的電流并且另一組負(fù)責(zé)斷開相反方向上的電流。這樣的反向串聯(lián)的布置例如在開頭提到的 Heffner和Jacobssen的文獻(xiàn)中描述。
[0014] 但是與此不同地，斷開電流路徑也可以具有帶有儲(chǔ)能器、例如電容器的子模塊。后 面還要詳細(xì)討論斷開電流路徑的這種構(gòu)造。
[0015] 合適地，在連接直流電源之后并且在受控地將直流電網(wǎng)段接入之前，斷開電流路 徑借助合適地具有歐姆電阻的充電支路與地電勢(shì)相連。按照本發(fā)明的該有利的擴(kuò)展，電 流于是經(jīng)過斷開電流路徑的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)流向地，所述電流由歐姆電阻的布置確 定。此外在功率半導(dǎo)體開關(guān)上產(chǎn)生電壓降。該電壓降實(shí)現(xiàn)例如對(duì)功率半導(dǎo)體開關(guān)的電子器 件的能量供應(yīng)。
[0016] 此外，如果在斷開電流路徑中設(shè)置了具有本身的分開的儲(chǔ)能器、例如電容器等的 子模塊，則可以在啟動(dòng)直流電壓開關(guān)之前和在受控地將直流電網(wǎng)段接入之前首先對(duì)這些電 容器充電。充電電流經(jīng)過所述充電支路流向地。有利地，充電支路可經(jīng)過開關(guān)與斷開電流 路徑相連。開關(guān)例如是電子開關(guān)。然而優(yōu)選采用低成本的機(jī)械開關(guān)，然而其使用基于歐姆 電阻才可能。
[0017] 合適地，在受控地將直流電網(wǎng)段接入之前，斷開電流路徑借助合適地具有歐姆電 阻的充電支路與直流電源的相反極相連。按照該有利擴(kuò)展，斷開電流路徑不是如在前面的 實(shí)施例中那樣與地電勢(shì)相連，而是與直流電源的相反極相連。"直流電源的相反極"的概念 被理解為直流電網(wǎng)的如下的極，該極與直流電壓開關(guān)的接線柱與之相連的那個(gè)極的極性相 反。如果例如直流電壓開關(guān)串聯(lián)連接在雙極直流電網(wǎng)的正極中，則按照本發(fā)明的該合適的 擴(kuò)展，斷開電流路徑與負(fù)極相連。該相連例如借助機(jī)械開關(guān)進(jìn)行。如果接線柱與正極相連并 且斷開電流路徑經(jīng)過充電支路與負(fù)極相連，則在可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)上降落一個(gè)電壓， 該電壓驅(qū)動(dòng)充電電流。如果在斷開電流路徑中布置了儲(chǔ)能器，則可以對(duì)儲(chǔ)能器充電。重要 的是，在將直流電網(wǎng)段接入之前斷開電流路徑在如下意義上是能夠運(yùn)行的，即可以經(jīng)過能 夠工作的功率半導(dǎo)體開關(guān)利用必要時(shí)被充電的儲(chǔ)能器或電容器受控地將直流電網(wǎng)段接入。
[0018] 按照本發(fā)明的此處優(yōu)選的構(gòu)造，在斷開電流路徑中布置由雙極子模塊形成的串聯(lián) 電路，所述子模塊分別具有儲(chǔ)能器和與儲(chǔ)能器并聯(lián)的功率半導(dǎo)體電路，其與子模塊的兩個(gè) 唯一的子模塊接線柱這樣連接，使得在對(duì)功率半導(dǎo)體電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的控 制的情況下，可以產(chǎn)生在儲(chǔ)能器上降落的電壓或者在子模塊接線柱上的零電壓。斷開電流 路徑的這樣的模塊化構(gòu)造在變流器技術(shù)中是公知的。具有這樣的拓?fù)涞淖兞髌鞅环Q為"模 塊化多級(jí)變流器"("modulare Multilevel-Umrichter(MMC) ")?；谧幽K的串聯(lián)電路，可 以在斷開電流路徑中逐級(jí)地產(chǎn)生電壓，其中級(jí)的高度通過在儲(chǔ)能器上降落的電壓來確定。
[0019] 子模塊可以構(gòu)造為半橋電路或全橋電路。在半橋電路中，由兩個(gè)分別具有反向并 聯(lián)續(xù)流二極管的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)組成的串聯(lián)電路，與子模塊的各自的儲(chǔ)能器 并聯(lián)連接，其中第一子模塊接線柱與在功率半導(dǎo)體開關(guān)之間的電勢(shì)點(diǎn)相連，并且第二子模 塊接線柱與儲(chǔ)能器的一個(gè)極相連。儲(chǔ)能器合適地是電容器。替代功率半導(dǎo)體開關(guān)和續(xù)流二 極管的并聯(lián)電路，也可以采用反向?qū)ǖ墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)。也可以替代兩個(gè)單個(gè)的功率半 導(dǎo)體開關(guān)，在串聯(lián)電路中采用功率半導(dǎo)體開關(guān)的兩個(gè)串聯(lián)電路。串聯(lián)電路的功率半導(dǎo)體于 是被同步地控制。被同時(shí)或同步控制的功率半導(dǎo)體開關(guān)的串聯(lián)電路于是如一個(gè)單個(gè)的功率 半導(dǎo)體開關(guān)一樣工作。當(dāng)然然后可以將更大的電壓接入。這一點(diǎn)原則上對(duì)于在以下描述的 全橋電路也成立。
[0020] 在全橋電路中，設(shè)置了兩個(gè)串聯(lián)電路，其分別由兩個(gè)具有反向并聯(lián)續(xù)流二極管的 可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)組成。兩個(gè)串聯(lián)電路也與儲(chǔ)能器并聯(lián)連接，然而其中第一子 模塊接線柱與在第一串聯(lián)電路的兩個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)之間的電勢(shì)點(diǎn)相連，并且第二子模塊 接線柱與在第二串聯(lián)電路的兩個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)之間的電勢(shì)點(diǎn)相連。在全橋電路中，不僅 可以產(chǎn)生在儲(chǔ)能器上降落的電壓或在子模塊接線柱上的零電壓，而且還可以產(chǎn)生反向儲(chǔ)能 器電壓。此外經(jīng)過全橋流動(dòng)的電流可以在兩個(gè)方向上被斷開。
[0021] 在半橋電路中以及在全橋電路中都重要的是，子模塊具有可變電阻或放電器。放 電器或可變電阻例如分別與儲(chǔ)能器并聯(lián)連接。然而此外還可以在子模塊中使用歐姆電阻。 放電器吸收在接入時(shí)待減少的、在直流電網(wǎng)中存儲(chǔ)的能量。
[0022] 在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以在斷開電流路徑中既構(gòu)造全橋電路也構(gòu)造半橋電路。此 外斷開電流路徑還可以具有其他不同地構(gòu)造的子模塊。在斷開路徑中還可以設(shè)置換向部 件，其用于在運(yùn)行電流路徑中感應(yīng)或施加反向電壓。這樣的換向部件例如是串聯(lián)布置的半 橋電路或串聯(lián)布置的全橋電路。換向部件不需要可變電阻或放電器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 本發(fā)明的其他合適的構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)是以下參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的描述的內(nèi) 容，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同地作用的部件，并且其中：
[0024] 圖1示出了用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的可能的直流電壓開關(guān)，
[0025] 圖2示出了用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的另一個(gè)示例性直流電壓開關(guān)，
[0026] 圖3、4和5示出了用于按照?qǐng)D2的直流電壓開關(guān)的子模塊的可能的構(gòu)造，
[0027] 圖6示出了用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的另一個(gè)示例性直流電壓開關(guān)，
[0028] 圖7示出了按照?qǐng)D6的直流電壓開關(guān)的變形，
[0029] 圖8至11示出了利用按照?qǐng)D6的直流電壓開關(guān)執(zhí)行的按照本發(fā)明的方法的實(shí)施 例，以及
[0030] 圖12至15示出了利用按照?qǐng)D7的直流電壓開關(guān)執(zhí)行的按照本發(fā)明的方法的另一 個(gè)實(shí)施例。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 圖1示出了第一直流電壓開關(guān)1的例子，利用所述第一直流電壓開關(guān)可以執(zhí)行按 照本發(fā)明的方法。直流電壓開關(guān)1具有第一接線柱2以及第二接線柱3,運(yùn)行電流路徑4在 其之間延伸。在運(yùn)行電流路徑4中布置了用于限制電流流動(dòng)的電感器5、機(jī)械開關(guān)6、相對(duì) 快速的機(jī)械開關(guān)7以及電子換向開關(guān)8。電子換向開關(guān)8具有由可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體 開關(guān)10組成的串聯(lián)電路。在此每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)10反向并聯(lián)連接一個(gè)續(xù)流二極管11。
[0032] 直流電壓開關(guān)1還具有斷開電流路徑9,其旁路機(jī)械開關(guān)7和電子換向開關(guān)8,并 且在其中也布置了可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)10。每個(gè)可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān) 10又反向并聯(lián)連接一個(gè)續(xù)流二極管11。可以看出，前兩個(gè)可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)、 例如IGBT、IGCT等具有相同的導(dǎo)通方向。這對(duì)于所屬的續(xù)流二極管11相應(yīng)地成立。然而 后面跟隨的功率半導(dǎo)體開關(guān)10與此相反地取向。由此如果電流從接線柱2流向接線柱3， 則該電流只能由前兩個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)10斷開。然而反向電流，也就是從接線柱3流向接 線柱2的電流，只能由第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)10斷開。換言之，功率半導(dǎo)體開關(guān)10反 向串聯(lián)地布置。它們形成兩個(gè)組，其中一個(gè)組的功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通方向相同地取向，但 一個(gè)組的功率半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通方向與另一組的功率半導(dǎo)體開關(guān)10的導(dǎo)通方向相反地取 向。以這種方式可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上的直流電流的電路。
[0033] 為了能夠在電流斷開時(shí)通過功率半導(dǎo)體開關(guān)10吸收在直流電網(wǎng)中存儲(chǔ)的能量， 功率半導(dǎo)體開關(guān)10與放電器12并聯(lián)連接。在圖1中示出的實(shí)施例中，斷開電流路徑9是 模塊化地構(gòu)造的并且形成串聯(lián)連接的雙極模塊13。在圖1中由于概覽原因僅可以看出兩個(gè) 模塊13。但是其數(shù)量取決于各自的電壓的高度。
[0034] 在按照本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，首先將待接入的電網(wǎng)段與接線柱3相連。在此 快速機(jī)械開關(guān)7是斷開的，并且事先準(zhǔn)備就緒的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)10位于其分 離位置。然后閉合開關(guān)6。通過對(duì)可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行合適的控制，例如通 過進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出側(cè)的在接線柱3上并且由此在連接的直流電網(wǎng)段中提供的電壓緩慢 地、例如斜坡形地增加。如果在接線柱3上提供的直流電壓大約相應(yīng)于輸入側(cè)的在接線柱 2上存在的直流電壓，則閉合機(jī)械開關(guān)7。然后可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)轉(zhuǎn)換到其導(dǎo)通 狀態(tài)。直流電壓開關(guān)1現(xiàn)在準(zhǔn)備就緒。將直流電網(wǎng)段接入。直流電壓開關(guān)串聯(lián)地布置在直 流電網(wǎng)的一個(gè)極中。
[0035] 圖2示出了另一個(gè)直流電壓開關(guān)1。在圖2中示出的直流電壓開關(guān)也具有運(yùn)行電 流路徑4以及斷開電流路徑9,其中在運(yùn)行電流路徑4中布置了機(jī)械開關(guān)7,其被斷開電流 路徑9旁路。在斷開電流路徑9中串聯(lián)布置了功率開關(guān)單元14以及換向部件15。此外設(shè) 置了充電支路16,其具有機(jī)械開關(guān)17以及歐姆電阻18,并且其在開關(guān)17閉合的情況下將 斷開電流路徑9與地電勢(shì)相連。
[0036] 功率開關(guān)單元14以及換向部件15分別具有由雙極子模塊19組成的串聯(lián)電路。功 率開關(guān)單元14中的子模塊19的數(shù)量取決于待連接的電壓。換向部件中的子模塊19的數(shù) 量確定了最大可產(chǎn)生反向電壓。
[0037] 圖3、4和5示出了按照?qǐng)D2的直流電壓開關(guān)的可能的子模塊19的例子。在最簡(jiǎn) 單的情況下，子模塊19是與續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)。每 個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)10并聯(lián)連接一個(gè)放電器12。然而對(duì)于換向部件15不考慮按照?qǐng)D3的 子模塊19,因?yàn)槠洳荒墚a(chǎn)生反向電壓。然而分別具有電容器形式的儲(chǔ)能器20的子模塊19 適合于此。在按照?qǐng)D4的子模塊中，電容器或儲(chǔ)能器20與由兩個(gè)具有反向并聯(lián)續(xù)流二極管 11的功率半導(dǎo)體開關(guān)10組成的串聯(lián)電路21并聯(lián)連接。第一子模塊接線柱22與在串聯(lián)電 路21的功率半導(dǎo)體開關(guān)10之間的電勢(shì)點(diǎn)相連。相反，另一個(gè)子模塊接線柱23位于單極電 容器20的一個(gè)極。根據(jù)對(duì)可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)10的控制，由此可以在接線柱22 和23之間產(chǎn)生在電容器20上降落的電容器電壓或者零電壓。為了在單個(gè)子模塊發(fā)生故障 時(shí)不必?fù)?dān)心整個(gè)直流電壓開關(guān)1發(fā)生故障，可以將每個(gè)子模塊19通過一個(gè)快速的機(jī)械或電 子開關(guān)24旁路。此外在接線柱22和23之間的二極管25用于引導(dǎo)高的短路電流。如果子 模塊19是功率開關(guān)單元14的一部分，則合適的是，電容器20與放電器并聯(lián)連接。這樣的 放電器12對(duì)于換向部件15的子模塊19是不需要的。其僅用于產(chǎn)生運(yùn)行電流路徑4中的 反向電壓，并且因此用于產(chǎn)生機(jī)械開關(guān)7中的電流過零點(diǎn)。
[0038] 按照?qǐng)D4的半橋可以斷開在僅一個(gè)方向上的電流流動(dòng)。從在圖4中示出的第二子 模塊接線柱23到第一子模塊接線柱22的電流流動(dòng)，經(jīng)過布置在這些接線柱之間的不受控 的續(xù)流二極管11傳導(dǎo)。因此不能對(duì)該電流進(jìn)行控制。
[0039] 然而對(duì)兩個(gè)電流方向的影響可以利用按照?qǐng)D5的全橋電路來實(shí)現(xiàn)。在圖5中示出 了子模塊19,其示出了全橋電路。電容器20與兩個(gè)串聯(lián)電路21a、21b并聯(lián)連接。每個(gè)串聯(lián) 電路21a、21b具有兩個(gè)帶有反向續(xù)流二極管的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)10。子模塊接 線柱22、23分別與功率半導(dǎo)體開關(guān)10之間的電勢(shì)點(diǎn)相連。
[0040] 為了接入直流電網(wǎng)1，首先將直流電壓開關(guān)1的接線柱3與待接入的直流電網(wǎng)段相 連。運(yùn)行電流路徑4中的開關(guān)7是斷開的。然后通過將開關(guān)17閉合并且斷開電流路徑9 由此經(jīng)過歐姆電阻18與地電勢(shì)相連，直流電壓開關(guān)1經(jīng)過充電支路16準(zhǔn)備就緒。在按照 圖4或5的子模塊19的情況下，可以在向與直流電源的一個(gè)極相連的接線柱2施加直流電 壓之后，對(duì)子模塊19的電容器20充電。從在可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)10上降落的電壓饋電 的功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制電子器件現(xiàn)在也準(zhǔn)備就緒。
[0041] 如果功率開關(guān)單元14準(zhǔn)備就緒，則可以斷開充電支路16的開關(guān)17,并且通過對(duì) 功率開關(guān)單元14的功率半導(dǎo)體開關(guān)10進(jìn)行合適的控制，受控地將與接線柱3相連的直流 電網(wǎng)段接入，其中電壓斜坡形地上升。然而當(dāng)換向部件15的子模塊19構(gòu)成按照?qǐng)D4的半 橋電路時(shí)，這一點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)。在全橋電路的情況下，必須旁路所述全橋電路，或者使子模 塊19事先準(zhǔn)備就緒，以便然后將功率半導(dǎo)體開關(guān)10轉(zhuǎn)換到其導(dǎo)通位置。為此將充電支路 例如與換向部件15和接線柱3之間的電勢(shì)點(diǎn)相連。為此可以采用合適的開關(guān)。與此不同， 在該位置設(shè)置第二充電支路。
[0042] 圖6示出了用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的另一個(gè)直流電壓開關(guān)1。直流電壓開關(guān) 1也具有第一接線柱2以及第二接線柱3。運(yùn)行電流路徑4在接線柱2和3之間延伸，在所 述運(yùn)行電流路徑中串聯(lián)布置了兩個(gè)機(jī)械開關(guān)26和27。此外可以看到斷開電流路徑9,利用 該斷開電流路徑可以旁路機(jī)械開關(guān)26。在斷開電流路徑9中布置了功率開關(guān)單元14,其由 按照?qǐng)D3、4或5的子模塊19的串聯(lián)電路組成。此外在斷開電流路徑9中設(shè)置了第三機(jī)械 開關(guān)29。功率開關(guān)單元14和第三機(jī)械開關(guān)29之間的電勢(shì)點(diǎn)可以與充電支路16并且由此 與地電勢(shì)相連。經(jīng)過第四機(jī)械開關(guān)28可以斷開接線柱2和連接的充電支路16之間的電流 路徑，從而從接線柱2至地的電流僅可以經(jīng)過功率開關(guān)單元14流動(dòng)，并且對(duì)必要時(shí)布置在 那里的儲(chǔ)能器20充電。
[0043] 為了限流，也設(shè)置兩個(gè)線圈等形式的電感器5。在斷開電流路徑9中現(xiàn)在也可以布 置未圖形示出的換向部件，其對(duì)于直流電壓開關(guān)1的后面的運(yùn)行是必不可少的。
[0044] 圖7示出了直流電壓開關(guān)1的與圖6稍有不同的實(shí)施例，其中機(jī)械開關(guān)28和29緊 鄰接線柱2及3布置。第四機(jī)械開關(guān)28現(xiàn)在處于運(yùn)行電流路徑4中，對(duì)于第三開關(guān)29相 應(yīng)地成立。在電流不經(jīng)過功率開關(guān)單元14流動(dòng)的情況下，二極管30和31阻止從接線柱2 或3直接流向連接的充電支路16的電流流動(dòng)。由此可以借助充電支路16對(duì)功率開關(guān)單元 14的儲(chǔ)能器充電。
[0045] 現(xiàn)在根據(jù)圖8、9、10和11針對(duì)按照?qǐng)D6的開關(guān)示例性地示出按照本發(fā)明的方法。 首先所有機(jī)械開關(guān)26、27、28和29處于其斷開位置。接線柱2與直流電源、例如直流電網(wǎng) 的正極相連，并且接線柱3與待接入的直流電網(wǎng)段相連。在初始狀態(tài)下待接入的直流電網(wǎng) 大約處于地電勢(shì)。為簡(jiǎn)單起見假定，功率開關(guān)單元14由按照?qǐng)D5的子模塊的串聯(lián)電路、也 就是由全橋組成。為了對(duì)電容器20充電，將機(jī)械開關(guān)17、充電部分16以及運(yùn)行電流路徑4 中的機(jī)械開關(guān)27閉合。由此充電電流經(jīng)過功率開關(guān)單元14流動(dòng)，其大小由充電支路16的 電阻18確定。在功率半導(dǎo)體開關(guān)10上還降落一個(gè)電壓，借助該電壓向可接通可關(guān)斷功率 半導(dǎo)體開關(guān)10的電子器件供應(yīng)所需的能量。
[0046] 在圖9中示出了電容器20的充電，其中圖形地示出了充電電流I的電流路徑。
[0047] 如果電容器20充好電并且電子器件準(zhǔn)備就緒，則將充電支路16的開關(guān)17斷開并 且將第三機(jī)械開關(guān)29閉合，從而可以進(jìn)行連接在接線柱3上的直流電網(wǎng)段的受控接入。在 此針對(duì)性地控制功率開關(guān)單元14的功率半導(dǎo)體開關(guān)10,從而實(shí)現(xiàn)電壓的緩慢升高。如果在 接線柱3上降落的直流電壓大約相當(dāng)于在接線柱2上施加的電壓，則運(yùn)行電流路徑4中的 第一開關(guān)26閉合。電流由此經(jīng)過運(yùn)行電流路徑4傳導(dǎo)。
[0048] 圖12至15借助按照?qǐng)D7的直流電壓開關(guān)1示出了按照本發(fā)明的方法的實(shí)施例。 首先為了對(duì)儲(chǔ)能器20充電使功率半導(dǎo)體開關(guān)14閉合，并且為了使可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo) 體開關(guān)的電子器件工作將開關(guān)17、27以及28閉合。在圖13中示出了用于對(duì)儲(chǔ)能器20充 電的充電電流流動(dòng)I。
[0049] 然后將充電支路16的開關(guān)17斷開，并且將接線柱3上的開關(guān)29閉合。在該開關(guān) 位置現(xiàn)在可以進(jìn)行連接到接線柱3上的直流電網(wǎng)段的受控充電。為此針對(duì)性地并且受控地 控制功率開關(guān)單元14的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)10。通過閉合開關(guān)17,在正常運(yùn)行 狀態(tài)中也可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器20的充電。嵌入的二極管30、31強(qiáng)迫充電電流經(jīng)過功率開關(guān)單 元14流向地。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于借助具有兩個(gè)接線柱（2,3)的直流電壓開關(guān)（1)來將直流電網(wǎng)段接入的方 法，所述直流電壓開關(guān)具有帶有機(jī)械開關(guān)（7)的運(yùn)行電流路徑（4)以及具有旁路該機(jī)械開 關(guān)（7)的斷開電流路徑（9)，在所述直流電壓開關(guān)中布置了可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān) (10)，其中所述斷開電流路徑（9)具有比所述運(yùn)行電流路徑（9)的、被所述斷開電流路徑旁 路的段的電阻更大的電阻，其中， -將所述機(jī)械開關(guān)（7)斷開，并且經(jīng)過所述斷開電流路徑（9)的電流流動(dòng)被阻斷， -然后，將第一接線柱（2)與直流電源的一個(gè)極相連，并且將第二接線柱（3)與直流電 網(wǎng)段的一個(gè)極相連， -最后，通過對(duì)功率半導(dǎo)體開關(guān)（10)進(jìn)行控制對(duì)直流電網(wǎng)段受控地施加電壓，并且 -隨后將所述機(jī)械開關(guān)（7)閉合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，在連接直流電源的一個(gè)極之后并且在受控地將所述直流電網(wǎng)段接入之 前，所述斷開電流路徑（9)借助具有歐姆電阻（18)的充電支路（16)與地電勢(shì)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，在受控地將所述直流電網(wǎng)段接入之前，所述斷開電流路徑（9)借助具有 歐姆電阻（18)的充電支路（16)與直流電源的相反極相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，在第一接線柱（2)與直流電源的一個(gè)極相連之前，所述斷開電流路徑（9) 與直流電源的相反極相連。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于，在所述斷開電流路徑（9)中布置了由雙極子模塊（19)形成的串聯(lián)電路， 所述子模塊分別具有儲(chǔ)能器（20)和與儲(chǔ)能器（20)并聯(lián)的功率半導(dǎo)體電路（21)，其與子模 塊（19)的子模塊接線柱（22, 23)這樣連接，使得在對(duì)功率半導(dǎo)體電路（21)的功率半導(dǎo)體 開關(guān)（10)進(jìn)行相應(yīng)的控制的情況下，能夠產(chǎn)生在儲(chǔ)能器（20)上降落的電壓或者產(chǎn)生在子 模塊接線柱（22, 23)上的零電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法， 其特征在于，所述子模塊（9)至少部分地構(gòu)成半橋電路，其中由兩個(gè)具有反向并聯(lián)續(xù) 流二極管（11)的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)（10)組成的串聯(lián)電路（21)與各自的儲(chǔ)能 器（20)并聯(lián)連接，其中第一子模塊接線柱（22)與在功率半導(dǎo)體開關(guān)（10)之間的電勢(shì)點(diǎn)相 連，并且第二子模塊接線柱（23)與儲(chǔ)能器（20)的一個(gè)極相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法， 其特征在于，所述子模塊（19)至少部分地構(gòu)成全橋電路，其中分別由兩個(gè)具有反向并 聯(lián)續(xù)流二極管（11)的可接通可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)（10)組成的兩個(gè)串聯(lián)電路（21a，21b) 與各自的儲(chǔ)能器（20)并聯(lián)連接，并且第一子模塊接線柱（22)與在第一串聯(lián)電路（21a)的 功率半導(dǎo)體開關(guān)（10)之間的電勢(shì)點(diǎn)相連，并且第二子模塊接線柱（23)與在第二串聯(lián)電路 (21b)的功率半導(dǎo)體開關(guān)（10)之間的電勢(shì)點(diǎn)相連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于，所述子模塊（19)并聯(lián)連接可變電阻或放電器（12)。
【文檔編號(hào)】H01H33/59GK104160464SQ201280071253
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月9日
【發(fā)明者】D.厄爾金, A.舍恩 申請(qǐng)人:西門子公司