用于在直流電壓網(wǎng)中切換的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在直流電壓網(wǎng)中切換的裝置，具有：用于中斷在直流電壓網(wǎng)的至少一個第一線路中的電流的開關(guān)裝置，其中開關(guān)裝置利用第一和第二接頭嵌入到直流電壓網(wǎng)的第一線路中；和用于能量消耗所施加的端電壓的衰減環(huán)節(jié)，該衰減環(huán)節(jié)具有經(jīng)由衰減元件電連接的第一和第二節(jié)點，具有從第一節(jié)點經(jīng)由第一受控或不受控的開關(guān)元件至第一接頭的電連接，以及具有從第一節(jié)點經(jīng)由第二受控或不受控的開關(guān)元件至第二接頭的電連接。
【專利說明】用于在直流電壓網(wǎng)中切換的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在直流電壓網(wǎng)中切換的裝置以及一種用于分離功率直流電 網(wǎng)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在需要很高的電壓和功率的電源中的功率電子系統(tǒng)越來越重要。特別是對于將來 的空間延伸并分支的高壓直流電網(wǎng)（英文=Multiterminal-HVDC)需要電路裝置，該電路裝 置能夠?qū)崿F(xiàn)可靠且快速地控制可能的干擾情況以及在正常運行時的能量損失最小。該要求 特別是在將來的具有高電壓和跨國遠程傳輸?shù)腄C電網(wǎng)的情況下出現(xiàn)。
[0003] 例如對于延伸的離岸風(fēng)力發(fā)電站（Off-Shore-Windpark)和在遠沙漠地區(qū)的大的 太陽能發(fā)電站的使用在將來需要空間延伸并分支的HVDC電網(wǎng)。特別地，必須能夠控制HVDC 電網(wǎng)中的短路并且能夠釋放電網(wǎng)的有錯誤和短路的片段。
[0004] 由于基本的物理的問題而不提供用于極高的DC電壓的方便的機械開關(guān)，其在負 載的條件下能夠接通高的故障電流。技術(shù)上可實現(xiàn)的斷開時間和機械開關(guān)的開關(guān)過電壓是 極其干擾的。相應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)，因此機械開關(guān)對于該應(yīng)用僅能有利地實現(xiàn)為無負載（無電 流）接通的斷路器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于在DC電網(wǎng)中切換的簡單構(gòu)造的裝置。 另一個要解決的技術(shù)問題在于，提供一種用于分離功率直流電網(wǎng)的改善的方法。
[0006] 上述技術(shù)問題通過具有權(quán)利要求1的特征的裝置來解決。關(guān)于方法，該技術(shù)問題 通過具有權(quán)利要求13的特征的方法來解決。
[0007] 按照本發(fā)明的用于在直流電壓網(wǎng)中切換的裝置具有用于中斷在直流電壓網(wǎng)的至 少一個第一線路中的電流的開關(guān)裝置。開關(guān)裝置在此可以利用第一和第二接頭嵌入到直流 電壓網(wǎng)的第一線路中。
[0008] 此外，該裝置具有用于能量消耗所施加的端電壓的衰減環(huán)節(jié)。衰減環(huán)節(jié)又具有第 一和第二節(jié)點，其經(jīng)由衰減元件電連接。此外，存在從第一節(jié)點經(jīng)由受控或不受控的第一開 關(guān)元件至第一接頭的電連接以及從第一節(jié)點經(jīng)由受控或不受控的第二開關(guān)元件至第二接 頭的電連接。合適地，衰減環(huán)節(jié)從第二節(jié)點向外可以與直流電壓網(wǎng)的第二線路和/或地電 位連接。
[0009] 在按照本發(fā)明的用于分離直流電網(wǎng)的方法中提供一種開關(guān)裝置并且利用第一和 第二接頭將其嵌入到直流電壓網(wǎng)的第一線路中。此外，提供一種衰減元件并且該衰減元件 經(jīng)由受控或不受控的第一開關(guān)元件與第一接頭連接并且經(jīng)由受控或不受控的第二開關(guān)元 件與弟一接頭連接。
[0010] 按照本發(fā)明在第一步驟中通過開關(guān)裝置產(chǎn)生電流脈沖，從而短時地在開關(guān)裝置中 引起電流反向。進一步在第二步驟中在電流反向期間斷開開關(guān)裝置，也就是中斷在第一線 路中的電流流動。最后在第三步驟中接通在衰減元件與開關(guān)裝置的處于電流方向上的第一 或第二接頭之間的電連接，以便對耗電器側(cè)的線路電感去激勵。
[0011] 有利地由此實現(xiàn)了，對于兩個可能的電流方向可以應(yīng)用單獨的衰減元件。對于斷 開第一線路，衰減元件經(jīng)由開關(guān)元件與開關(guān)裝置的正確的側(cè)連接，從而在中斷原本的電流 之后能夠?qū)€路電感去激勵。由此不需要以各用于一個電流方向的方式使用兩個或更多的 衰減元件。
[0012] 合適地，衰減元件包括一個或多個非線性電阻，特別是變阻器（Varistor)。
[0013] 在本發(fā)明的第一有利的構(gòu)造中，第一和/或第二開關(guān)元件包括半導(dǎo)體開關(guān)，特別 是晶閘管。使用半導(dǎo)體開關(guān)允許控制精確的時間點，在該時間點在分離第一線路的情況下 實現(xiàn)了對于電感性驅(qū)動的電流的續(xù)流電路（Freilaufkreis)。還可以控制地再次中斷續(xù)流 電路。
[0014] 在第二有利的構(gòu)造中，第一和/或第二開關(guān)元件包括不受控的取決于電流方向的 開關(guān)元件，特別是半導(dǎo)體二極管。在此合適地分別使用二極管的串聯(lián)電路。二極管在此合 適地從第一節(jié)點的角度來看導(dǎo)通，也就是從第一線路的角度來看是禁止的。由此實現(xiàn)了，在 通過開關(guān)裝置分離第一線路的情況下不需要衰減元件的有源的接通。在正常狀態(tài)下禁止的 二極管中的一個通過位于順著電流的線路電感被切換為導(dǎo)通，因為該線路電感進一步推動 電流并且對于一定的時間產(chǎn)生相應(yīng)的壓降。由此在沒有控制電路輔助的情況下通可靠地實 現(xiàn)了對于電流的續(xù)流電路，這保證了提高的安全性和開關(guān)的更簡單的構(gòu)造和運行。
[0015] 在另一種有利的構(gòu)造中，第一和第二開關(guān)元件包括機械開關(guān)。此外，衰減元件包括 在第一和第二節(jié)點之間的另外的半導(dǎo)體開關(guān)。在此優(yōu)選地，例如可以實現(xiàn)衰減元件與第一 線路的視覺上可驗證的分離。如在第一構(gòu)造中那樣，在此也可以控制精確的時間點，在該時 間點在分離第一線路的情況下實現(xiàn)了對于電感推動的電流的續(xù)流電路。又可以控制地再次 中斷續(xù)流電路。
[0016] 按照本發(fā)明的另一種構(gòu)造和擴展，第一和第二開關(guān)元件是機械的或功率電子的轉(zhuǎn) 換開關(guān)的部分。換言之，開關(guān)元件不是作為獨立可控的開關(guān)，而是作為轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)。按照 本發(fā)明的另一種構(gòu)造，在此轉(zhuǎn)換開關(guān)包括多于兩個開關(guān)位置。在此合適地，電輸出端中的一 個與接地或直流電網(wǎng)的第二線路連接。所有另外的電輸出端合適地與多個開關(guān)裝置的一側(cè) 或另一側(cè)連接。
[0017] 在另一種有利的構(gòu)造中，轉(zhuǎn)換開關(guān)被構(gòu)造為多個并聯(lián)的二極管。由此又實現(xiàn)了，轉(zhuǎn) 換開關(guān)不需要控制裝置，而是只要通過所連接的開關(guān)裝置中的一個進行分離，就自動地開 辟續(xù)流電路。
[0018] 合適地，開關(guān)裝置包括兩個反向串聯(lián)連接的混合開關(guān)，其分別具有不受控的取決 于電流方向的開關(guān)和可控的開關(guān)的并聯(lián)電路。兩個反向串聯(lián)連接的混合開關(guān)在此如開頭已 經(jīng)描述的那樣可以利用第一和第二接頭嵌入到直流電壓網(wǎng)的第一線路中。不受控的取決于 電流方向的開關(guān)優(yōu)選地是半導(dǎo)體二極管，而可控的開關(guān)優(yōu)選是真空開關(guān)管。
[0019] 此外，開關(guān)裝置優(yōu)選包括電流脈沖發(fā)生器，其被構(gòu)造為用于響應(yīng)于控制命令地產(chǎn) 生電流脈沖，從而可以短時地反轉(zhuǎn)在混合開關(guān)中的一個中的電流方向。
[0020] 電流脈沖發(fā)生器在此合適地包括：至少一個電容性能量存儲器和電感，其可以通 過可控的開關(guān)短時地彼此電連接；以及用于從直流電壓網(wǎng)的電壓向電容性能量存儲器充電 和用于限制過電壓的電路路徑，該電路路徑至少包含該能量存儲器和/或串聯(lián)電阻和截止 二極管。
[0021] 有利的是，用于限制過電壓的附加的元件，特別是諸如變阻器的非線性電阻，與電 流脈沖發(fā)生器并聯(lián)連接或集成在該電流脈沖發(fā)生器中。
[0022] 在此，一個優(yōu)點是如下事實：在所描述的裝置中不需要具有故障關(guān)鍵的、非耐沖擊 電流的接觸線路的半導(dǎo)體，諸如在IGBT晶體管中的鍵合線（Bonddmhte )。因為僅使用半 導(dǎo)體二極管和晶閘管，所以可以使用具有耐沖擊電流的壓力接觸部的部件。
[0023] 特別地，所有按照本發(fā)明的子系統(tǒng)的任意的串聯(lián)連接可能性能夠?qū)崿F(xiàn)獨立于預(yù)定 的DC電網(wǎng)的電壓而自由選擇所使用的部件的額定電壓。一個方面是與此相關(guān)的經(jīng)濟原因 和該部件在市面上很常見。但是由該特征得到的技術(shù)上更重要的自由度是可實現(xiàn)的DC開 關(guān)的開關(guān)速度的優(yōu)化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 本發(fā)明的其它合適實施方式和優(yōu)點，是下面借助附圖描述本發(fā)明的實施例的主 題，其中相同的附圖標記指示相同作用的部件。附圖中：
[0025] 圖1示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的來自于空間延伸的分支的直流電壓網(wǎng)的片段，
[0026] 圖2,圖3和圖6示出了原理的DC開關(guān)裝置，
[0027] 圖4和圖5示出了 DC開關(guān)裝置的運行狀態(tài)，
[0028] 圖7示出了分支的直流電壓網(wǎng)的節(jié)點，
[0029] 圖8示出了用于節(jié)點的替換的轉(zhuǎn)換開關(guān)。

【具體實施方式】
[0030] 圖1示意性示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的來自于空間延伸的分支的直流電壓網(wǎng)的片段 10。變壓器11產(chǎn)生在線路21上的高的直流電壓。線路21在所示的片段中具有DC開關(guān) 12,在該DC開關(guān)的一側(cè)是第一節(jié)點17并且在其另一側(cè)是節(jié)點18。DC開關(guān)12被構(gòu)造為，借 助短的電流脈沖允許DC斷路器短時無電流，由此可以斷開線路21。
[0031] 在斷開線路21之后線路電感15、16繼續(xù)驅(qū)使電流流動并且必須確保能量的消耗。 在按照圖1的結(jié)構(gòu)中為此設(shè)置兩個分開的衰減環(huán)節(jié)13、14。第一衰減環(huán)節(jié)13在第一節(jié)點 17處連接到DC開關(guān)12的第一側(cè)上，而第二衰減環(huán)節(jié)14在第二節(jié)點18處連接到DC開關(guān) 12的第二側(cè)上。根據(jù)之前的電流流動方向，電流在斷開之后按照第一箭頭19流過第一衰減 環(huán)節(jié)13或按照第二箭頭20流過第二衰減環(huán)節(jié)14。也就是對于兩個可能的電流方向需要兩 個單獨的衰減環(huán)節(jié)13、14。這兩個衰減環(huán)節(jié)必要時是位置上分開的。
[0032] 圖2示出了按照本發(fā)明的第一 DC開關(guān)裝置100的第一示例，其仍處于空間延伸的 分支的直流電壓網(wǎng)中。與圖1中一樣在此在線路21中設(shè)置DC開關(guān)12。但是替代單獨的衰 減環(huán)節(jié)13、14在第一 DC開關(guān)裝置100中僅設(shè)置第一衰減環(huán)節(jié)101。第一衰減環(huán)節(jié)101包 括變阻器102和與之串聯(lián)的晶閘管103。隨后，第一衰減環(huán)節(jié)101分支為第一和第二機械 開關(guān)104、105。第一機械開關(guān)104在晶閘管103旁邊與第一節(jié)點17連接，而第二機械開關(guān) 105在晶閘管103旁邊與第二節(jié)點18連接。
[0033] 在DC電網(wǎng)的正常運行狀態(tài)下機械開關(guān)104、105是斷開的。但是如果要進行去激 勵，則閉合機械開關(guān)104U05中的一個并且然后觸發(fā)晶閘管103,從而能夠使電流流過第一 衰減環(huán)節(jié)101。圖4示出了在電流從第一節(jié)點17向第二節(jié)點18流動的情況下對于去激勵 的開關(guān)狀態(tài)。在此，第二機械開關(guān)105閉合，而第一機械開關(guān)104斷開。在此已經(jīng)觸發(fā)了晶 閘管103,從而能夠?qū)崿F(xiàn)通過箭頭表示的電流流動。圖5又示出了在電流從第二節(jié)點18向 第一節(jié)點17流動的情況下對于去激勵的開關(guān)狀態(tài)。在此，第一機械開關(guān)104閉合，而第二 機械開關(guān)105斷開。在此同樣已經(jīng)觸發(fā)了晶閘管103,從而能夠?qū)崿F(xiàn)通過箭頭表示的電流流 動。
[0034] 在圖3中示出了無需機械開關(guān)104、105就已足夠的替換的實施例。在此再次重復(fù) 圖2的大部分元件，但是替代第一衰減環(huán)節(jié)101設(shè)置第二衰減環(huán)節(jié)111。第二衰減環(huán)節(jié)111 除了變阻器102之外還包括第一和第二晶閘管112、113,其中第一晶閘管112與第一節(jié)點 17連接并且第二晶閘管113與第二節(jié)點18連接。
[0035] 在第二衰減環(huán)節(jié)111的情況下在正常狀態(tài)下晶閘管112、113不觸發(fā)。但是如果要 進行去激勵，則相應(yīng)于在斷開之前存在的電流方向觸發(fā)兩個晶閘管112U13中的一個并且 由此又允許用于去激勵的電流流動。
[0036] 在圖6中示出了第三實施例。在此使用第三衰減環(huán)節(jié)120。第三衰減環(huán)節(jié)120替 代第二衰減環(huán)節(jié)111的晶閘管112U13包括二極管121、122,這些二極管從線路21的角度 來看為截止。其由此阻止了在任意時間經(jīng)過第三衰減環(huán)節(jié)的短路，但是在需要去激勵的情 況下允許來自于變阻器102的方向的電流流動。具有優(yōu)勢地，在第三衰減環(huán)節(jié)120中根本 不需要有源的電路。在斷開之后通過線路電感15、16產(chǎn)生的電壓自動供給通過二極管121、 122的線路。
[0037] 圖7示出了對于本發(fā)明的第四實施例。圖7示出了 DC電網(wǎng)的節(jié)點200。節(jié)點200 包括第一 AC/DC變壓器201，該第一 AC/DC變壓器的DC輸出端引導(dǎo)至母線205。三個輸出 端與母線相連接，這些輸出端分別經(jīng)由第一 DC開關(guān)214. .. 216引導(dǎo)至各一個第二DC開關(guān)。 另外的AC/DC變壓器202. . . 204與第二DC開關(guān)連接，這些另外的AC/DC變壓器的輸出端分 別引導(dǎo)至另外的未在圖7中示出的AC電網(wǎng)。換言之，從第一變壓器201的角度來看，三個 DC支路并聯(lián)連接。
[0038] 節(jié)點200現(xiàn)在特別地具有可切換的衰減環(huán)節(jié)210?？汕袚Q的衰減環(huán)節(jié)210具有與接 地連接的變阻器217和與之串聯(lián)連接的晶閘管218。布置還與之串聯(lián)連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)219。 轉(zhuǎn)換開關(guān)219又被構(gòu)造為，其可以建立與三個并聯(lián)的DC支路中的一個的連接以分別形成DC 線路211、212、213。此外，存在與母線連接的抽頭和直接連接到接地的另一個抽頭。
[0039] 可連接的衰減環(huán)節(jié)210由此為DC開關(guān)214、215、216的去激勵過程提供衰減元件 217并且不必多次實施。將以變阻器217形式的衰減元件與各個輸出端或與母線205連接， 以便允許去激勵。在此，通過與母線205的可能的連接同樣又能夠?qū)崿F(xiàn)對于兩個可能的電 流方向的去激勵。
[0040] 對于可切換的衰減環(huán)節(jié)210的替換的實施可能性作為圖8中第二可切換的衰減環(huán) 節(jié)220示出。第二可切換的衰減環(huán)節(jié)220與按照圖7的可切換的衰減環(huán)節(jié)210 -樣地連 接到節(jié)點200。同樣具有變阻器217。但是在第二可切換的衰減環(huán)節(jié)220中取消了晶閘管 218, 并且轉(zhuǎn)換通過一系列從變阻器217的角度來看并聯(lián)連接的二極管221來替代轉(zhuǎn)換開關(guān) 219。 二極管221合適地從變阻器217的角度來看為導(dǎo)通，從DC電網(wǎng)的角度來看是禁止的。 取消二極管與接地的連接。與在按照圖6的第三實施例中一樣地，現(xiàn)在對于去激勵不再需 要有源的電路，因為由線路電感建立的電壓自動地將二極管221置于導(dǎo)通狀態(tài)下。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在直流電壓網(wǎng)中切換的裝置，具有：用于中斷在直流電壓網(wǎng)的至少一個第 一線路（21，211，212,213)中的電流的開關(guān)裝置（12)，其中所述開關(guān)裝置（12)能夠利用第 一和第二接頭（17,18)嵌入到直流電壓網(wǎng)的第一線路（21，211，212, 213)中；和用于能量消 耗所施加的端電壓的衰減環(huán)節(jié)（101，111，120, 210, 220)，所述衰減環(huán)節(jié)具有 -第一和第二節(jié)點，其經(jīng)由衰減元件（102, 217)電連接， -從第一節(jié)點經(jīng)由受控或不受控的第一開關(guān)元件（104,112,121，221)至第一接頭（17) 的電連接， -從第一節(jié)點經(jīng)由受控或不受控的第二開關(guān)元件（105,113,122, 221)至第二接頭（18) 的電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一和/或第二開關(guān)元件（104,112,121， 221，105,113,122,219)具有不受控的、取決于電流方向的開關(guān)元件（121，122,221)，特別 是半導(dǎo)體二極管（121，122, 221)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述第一和/或第二開關(guān)元件（104,112， 121，221，105，113，122,219)具有半導(dǎo)體開關(guān)（112，113)，特別是晶閘管（112，113)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二開關(guān)元件（104，112，121，221， 105，113，122,219)包括機械開關(guān)（104，105,219)，并且其中，所述衰減環(huán)節(jié)（101，210)包括 在第一和第二節(jié)點之間的另外的半導(dǎo)體開關(guān)（13, 218)。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述衰減元件（102,217)包括一個 或多個變阻器元件（102, 217)。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一和第二開關(guān)元件（104， 112,121，221，105,113,122)是機械的或功率電子的轉(zhuǎn)換開關(guān)（219, 221)的部分。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述開關(guān)裝置（12)具有兩個反向串 聯(lián)連接的混合開關(guān)，該混合開關(guān)分別具有不受控的取決于電流方向的開關(guān)和可控的開關(guān)的 并聯(lián)電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述開關(guān)裝置（12)具有電流脈沖發(fā)生器，該電流 脈沖發(fā)生器被構(gòu)造為用于響應(yīng)于控制命令地產(chǎn)生電流脈沖，從而能夠短時地反轉(zhuǎn)在混合開 關(guān)中的一個中的電流方向。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其中，所述不受控的取決于電流方向的開關(guān)是半導(dǎo) 體二極管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的裝置，其中，所述可控的開關(guān)是真空開關(guān)管。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述電流脈沖發(fā)生器包括至少一個 電容性能量存儲器和電感，其能夠通過可控的開關(guān)短時地彼此電連接，以及用于從直流電 壓網(wǎng)的電壓向電容性能量存儲器充電和用于限制過電壓的電路路徑，該電路路徑至少包含 該能量存儲器和/或串聯(lián)電阻和截止二極管。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，用于限制過電壓的附加的元件，特 別是諸如變阻器的非線性電阻，與所述電流脈沖發(fā)生器并聯(lián)連接或集成在所述電流脈沖發(fā) 生器中。
13. -種用于分離直流電網(wǎng)的方法，其中 _提供開關(guān)裝置（12)并且利用第一和第二接頭將其嵌入到直流電壓網(wǎng)的第一線路 (21，211，212,213)中， -提供衰減環(huán)節(jié)（101，111，120,210,220)并且所述衰減環(huán)節(jié)（101，111，120,210,220) 經(jīng)由受控或不受控的第一開關(guān)元件（104,112,121，221)與第一接頭連接并且經(jīng)由受控或 不受控的第二開關(guān)元件（105,113,122, 221)與第二接頭連接， -通過所述開關(guān)裝置（12)產(chǎn)生電流脈沖，從而短時地引起電流反向， _在電流反向期間斷開所述開關(guān)裝置（12)， -建立在所述衰減環(huán)節(jié)（101，111，120, 210, 220)與開關(guān)裝置（12)的處于電流方向上的 接頭之間的電連接，以便對耗電器側(cè)的線路電感（15,16)去激勵。
【文檔編號】H01H33/59GK104380421SQ201380029775
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月13日
【發(fā)明者】E.加克斯奧拉, A.舍恩 申請人:西門子公司