專利名稱：換流器閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力換流器。本發(fā)明特別涉及包括多個串聯(lián)連接的換流器 閥單元的換流器閥。更準(zhǔn)確而言，本發(fā)明涉及包括多個半導(dǎo)體元件的換流 器閥單元。本發(fā)明還涉及用于控制這種閥和閥單元的方法。特別地，本發(fā) 明涉及用于將高壓交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電的電力換流器的岡單元和用 于控制換流器中的電功率流的方法。應(yīng)該將半導(dǎo)體元件或半導(dǎo)體這樣的表述理解為用于高功率和高電壓 應(yīng)用的任何種類的半導(dǎo)體元件。這種半導(dǎo)體特別包括可熄滅型或可關(guān)斷型半導(dǎo)體?？申P(guān)斷型功率半導(dǎo)體的實例是門極可關(guān)斷(GT0)晶閘管，以及絕 ,雙極型晶體管(IGBT )。
背景技術(shù)：
一種包括具有半導(dǎo)體元件的多個單元的電路經(jīng)常構(gòu)成電力換流器的 一個整體部分，其中它們被用作為功率電子開關(guān)。以串聯(lián)連接的方式來設(shè) 置這些開關(guān)，其中每個開關(guān)能夠保持在換流器上所施加的電壓的一部分。 公知的功率半導(dǎo)體能夠維持1至6kV的電壓。通過串聯(lián)連接多個這種開關(guān)， 換流器可以維持10至500kV范圍內(nèi)的電壓。每個開關(guān)包括可以串聯(lián)連接 和/或并聯(lián)連接以獲得所需要的性能的多個半導(dǎo)體元件。串聯(lián)連接將增加 電壓維持值，串聯(lián)連接將增加電流容量。在電壓源型換流器(VSC)中，電子功率開關(guān)包括關(guān)斷型半導(dǎo)體。這 種換流器經(jīng)常被用于高壓直流(HVDC )應(yīng)用中，以便將直流電變換成交流 電或?qū)⒔涣麟娮儞Q成直流電。這種換流器還被用于靜態(tài)無功功率補償器 (SVC)和無功功率補償(RPC)設(shè)施(plants)中，以^f更平衡電網(wǎng)內(nèi)的電 力傳輸。諸如GT0晶閘管和IGBT的半導(dǎo)體適合于高功率應(yīng)用。后一類型的半 導(dǎo)體經(jīng)常是更可取的，因為它們將良好的功率處理能力與使得它們^Jt合 于串聯(lián)連接的特性相結(jié)合。它們可以被高精確地關(guān)斷。在這種組合體中，
多個IGBT形成電壓源型換流器中的閥以便處理高達500kV的電壓。在半導(dǎo)體電路中，可能發(fā)生短路情況。在這種情況中，需要能夠處理 短路的影響。當(dāng)半導(dǎo)體由于過流或it^被擊穿時，該半導(dǎo)體不再能夠保持 電壓。損壞的半導(dǎo)體不能夠被控制。它僅能保持小的電壓差，并且傳導(dǎo)時， 將只有低電阻。 一種令人不悅的性能是熱產(chǎn)生。令電流流過損壞的半導(dǎo)體 將產(chǎn)生壓降大約為10-20V的電弧，所述電弧將產(chǎn)生大量的功率消耗。這 可以M成組件的熔化或U成毀壞整個閥的火。換流器岡包括串聯(lián)連接的多個半導(dǎo)體閥單元。這些閥單元中的每個設(shè) 計成處理所述閥的全部電壓的確定部分，并且傳輸閥的總電流。每個岡單 元包括多個并聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件。每個并聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件于是設(shè)計 成傳輸通過閥單元的總電流的一部分?，F(xiàn)在，如果這些半導(dǎo)體元件中的一 個失效，那么那個閥單元將不再能夠保持電壓差。當(dāng)將整個閥控制成閉合 電路時，所述電流的一部分或總電流將通過有故障的半導(dǎo)體，因此導(dǎo)致熱 產(chǎn)生。為了避免這種情況，現(xiàn)今所使用的半導(dǎo)體元件包括在嚴(yán)重的擊穿已經(jīng) 發(fā)生之后呈現(xiàn)閉合電路的特殊特點。通過呈現(xiàn)閉合電路，將不會有熱在有 故障的半導(dǎo)體中產(chǎn)生。因此，在所描述的情形中，在一個閥單元中的半導(dǎo) 體元件還能夠傳輸與當(dāng)所有的半導(dǎo)體元件有效時傳輸?shù)碾奮M目同的電流。 因此，當(dāng)閥單元中的半導(dǎo)體中的一個失效時，控制該單元中的其它半導(dǎo)體 以呈現(xiàn)穩(wěn)定的閉合電路。這將導(dǎo)致該單元不再能夠保持電壓，但是仍然能 夠傳導(dǎo)電流而沒有熱產(chǎn)生。然而，從電壓方面，失效單元將不承受任何電壓，因為至少一個半導(dǎo) 體單元總是短路的。這具有的影響是閥上施加的通常由多個開關(guān)單元分擔(dān) 的電壓現(xiàn)在只能由除了 一個以外的相同數(shù)目來分割。因為串聯(lián)連接的單元 的數(shù)目通常在100至500的范圍內(nèi)，所以電壓超栽在0. 2至10%的范圍內(nèi)。 這完全在半導(dǎo)體元件的電壓超載容限內(nèi)。使用針對這些情形而特別設(shè)計的半導(dǎo)體元件的技術(shù)起到了非常好的 作用。然而，生產(chǎn)這些半導(dǎo)體元件是非常昂貴的。因此，需要在仍然實現(xiàn) 相同性能的情況下降低該換流器的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供包括半導(dǎo)體元件、能夠應(yīng)付故障半導(dǎo)體的影 響的換流器閥單元。第二目的是提供感測系統(tǒng)以檢測有故障的半導(dǎo)體元 件。根據(jù)本發(fā)明，通過由獨立權(quán)利要求1中的特征來表征的控制設(shè)備或通過由獨立權(quán)利要求7中的步驟來表征的方法來實現(xiàn)這個目的。優(yōu)選的實施 例描述于從屬權(quán)利要求中。根據(jù)本發(fā)明，通過感測通過閥單元的半導(dǎo)體的電流來檢測閥單元的故 障半導(dǎo)體。當(dāng)檢測到故障半導(dǎo)體時，該閥單元的其余半導(dǎo)體被控制為呈現(xiàn) 閉合電路。在本發(fā)明的一個實施例中，每個閥單元中的每個半導(dǎo)體元件的 電流都被感測。在第二實施例中，設(shè)置單個傳感器在每個閥單元中檢測該 單元中的任何半導(dǎo)體元件的故障。優(yōu)選地，閥的每個單元的半導(dǎo)體^i殳置 成兩組。優(yōu)選地，每組包括相等數(shù)量的半導(dǎo)體。在本發(fā)明的實施例中，第一組半導(dǎo)體的導(dǎo)線設(shè)置成以第一方向通過感 測裝置。笫二組半導(dǎo)體的導(dǎo)線設(shè)置成以第二方向通過感測裝置。設(shè)置第二 方向與第一方向相反。當(dāng)所有半導(dǎo)體起作用時，以第一方向通過該感測裝置的電流總和與以第二方向通過該感測裝置的電流總和將是相等的。然 而，當(dāng)半導(dǎo)體中的一個失效時，第一方向的電流總和將不同于第二方向的 電流總和。因此，可以通過感測兩組導(dǎo)線之間的電流平衡i(b險測失效半導(dǎo) 體。根據(jù)本發(fā)明，感測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的使用使換流器閥單元能夠由共同 "閑置"型的多個半導(dǎo)體元件來設(shè)計。這樣，當(dāng)感測到有缺陷的半導(dǎo)體時， 該閥單元的所有半導(dǎo)體被控制成導(dǎo)通級(stage )。這導(dǎo)致該閥單元短路， 而不承受任何電壓。在這種情形中，其余的串聯(lián)連接的閥單元將必須保持 閥上的電壓。結(jié)果，每個仍然起作用的閥單元必須保留整個閥電壓的更多 部分。設(shè)置感測單元來感測電流。第一類型的傳感器是電流漆艮中的小電阻 器，確定在其上電壓。第二類型的傳感器是能夠感測由電流所產(chǎn)生的磁通 量改變的器件。 一個這樣的傳感器是諸如鐵氧體這樣的可磁化材料的環(huán)， 其包括圍繞所述環(huán)部分的電線圏以<更感測穿過所迷環(huán)的電流。另 一傳感器 只是由絕緣的導(dǎo)體形成的電線圏，其感測流過線圏的電流。還有另一傳感 器是羅柯夫斯基(Rogowski)線圏，其是圍繞該導(dǎo)體設(shè)置的空心的環(huán)形線 圏。
在所有半導(dǎo)體元件都起作用的狀態(tài)中，來自第一組半導(dǎo)體的、以第一 方向流動的電流總和等于來自第二組半導(dǎo)體的、以笫二方向流動的電流總 和。由第一方向的電流所產(chǎn)生的磁通量將與由第二方向的電流所產(chǎn)生的磁 通量相等。因此，第二類型的傳感器在這種情形中將感測不到什么。在第 一組的 一個半導(dǎo)體被損壞因而只能帶電阻傳導(dǎo)電流，而不能保持電壓差的 情況下，由第一組所傳導(dǎo)的電流將小于由第二組所傳導(dǎo)的電流。因此，只 通過一個第二類型的傳感器即可快速地檢測到有故障的半導(dǎo)體。傳感器還 檢測兩組中的哪組包含有故障的元件。當(dāng)該閥被停止時可以使用這個信息 以便維修。在本發(fā)明的第一方面中，通過包括多個并聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件的換流 器閥單元實現(xiàn)該目的，其中該換流器閥單元包括用于感測半導(dǎo)體電流的電 流感測裝置和用于當(dāng)檢測到有故障的半導(dǎo)體時將該單元的所有半導(dǎo)體控 制成為導(dǎo)通級的控制裝置。在這個方面的實施例中，所述半導(dǎo)體元件包括 具有以第一方向通過該感測裝置的導(dǎo)線的第一組和具有以第二方向通過該感測裝置的導(dǎo)線的第二組。在這個方面的又一實施例中，所述第一方向 與所述第二方向相反。在本發(fā)明的第二方面，通過用于檢測換流器閥單元中的半導(dǎo)體元件的 方法來實現(xiàn)所述目的，其中所述元件被《殳置為第一組和第二組。所述第一 組的電流被設(shè)置成以第 一方向通過感測裝置，而且所述第二組的電流被設(shè) 置成以第二方向通過該感測裝置。然后流過該感測裝置的電流差用來險測損壞的半導(dǎo)體的存在。


結(jié)合附圖根據(jù)下面的詳細說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得更加明顯。其中圖l是示出電力換流器的相支路的簡圖，圖2是根據(jù)本發(fā)明的閥單元的半導(dǎo)體的設(shè)置，圖3是根據(jù)本發(fā)明的閥單元的半導(dǎo)體的第二設(shè)置，以及圖4是羅柯夫斯基線圏。
具體實施方式
圖1示意性地示出可以應(yīng)用本發(fā)明的高壓換流器電路的相支路。在連接到三相交流電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施(plant)中通常有三個共用一個DC電容器3 的相支路。相支路包括第一和第二閥，其中只有第二閥8在圖1中被標(biāo)識 出。每個閥包括多個岡單元9，其中只有一個被標(biāo)識出。每個閥單元包括 功率半導(dǎo)體器件，所述功率半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體l、與該半導(dǎo)體反并聯(lián) 連接的所謂續(xù)流二極管2和用于控制該半導(dǎo)體的控制裝置6。在所示實施 例，半導(dǎo)體是IGBT。實踐中，串聯(lián)連接的閥單元的數(shù)目遠多于圖1中所 指出的數(shù)目。串聯(lián)連接的閥單元與DC電容器3并聯(lián)連接。第一岡和第二閥8之間 的端子4經(jīng)it^目電抗器5連接到例如交流電壓網(wǎng)絡(luò)的一相(未示出)。通過來自驅(qū)動單元6的信號，IGBT閥中的所有功率半導(dǎo)體器件(每 個被示意性地指出)都同時接通，使得當(dāng)在相端子4處需要正電勢時，第 一 IGBT閥中的功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，而當(dāng)在相端子4上需要負電勢時， 第二 IGBT閥中的功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通。通過根據(jù)確定的脈寬調(diào)制(P麗)模式來控制功率半導(dǎo)體器件，DC電 容器3上的直流電壓可以用于在相端子4處產(chǎn)生電壓，該電壓的基波分量 是具有期望幅值、頻率和相位的交流電壓。這樣的控制是通過將控制脈沖 從控制設(shè)備7發(fā)送給不同的驅(qū)動單元來進行的。通信是通過經(jīng)光纖的第二 通信束11接收來自閥單元的信息和經(jīng)第一通信束IO發(fā)送命令脈沖來實現(xiàn) 的。換流器閥單元的第一實施例示于圖2中。在本實施中，四個半導(dǎo)體在 第一連接點19和第二連接點之間并聯(lián)連接。閥單元還包括電流感測裝置 12。半導(dǎo)體i殳置為第一組13和第二組14，每個半導(dǎo)體具有發(fā)射極E、集 電極C和柵極G。第一組中的傳導(dǎo)路徑15、 16設(shè)置成以第一方向穿過感 測裝置12。第二組中的傳導(dǎo)路徑17、 18設(shè)置成以第二方向穿過感測裝置 12。該感測裝置包括可檢測磁通量的裝置。因此，當(dāng)所有路徑中的電ii^目 等時，來自第一組的磁通量等于來自第二組的磁通量，由此感測裝置感測 到?jīng)]有由路徑中的電流所產(chǎn)生的磁通量。然而，如果半導(dǎo)體中的一個被損 壞，因而內(nèi)部電阻增加，那么由第一組的電流路徑和第二組的電流路徑所 產(chǎn)生的磁通量之間將存在差異。因此，當(dāng)閥單元的半導(dǎo)體中的一個^L損壞 時，只借助于一個傳感器就可檢測損壞的或有故障的半導(dǎo)體的存在。 根據(jù)本發(fā)明的閥單元的第二實施例示出在圖3中，該閥單元包括四個 半導(dǎo)體單元，所述半導(dǎo)體單元包括與續(xù)流二極管2反并聯(lián)連接的關(guān)斷型半 導(dǎo)體元件1。每個半導(dǎo)體單元包括在第一連接點19和第二連接點20之間 并聯(lián)連接的電流路徑15、 16、 17和18。為了清楚，只有最左邊的半導(dǎo)體 單元具有參考號。每個半導(dǎo)體單元通過也被稱為門控單元的控制裝置6 來控制。在這個實施例中，每個半導(dǎo)體的發(fā)射極E經(jīng)由感測單元12連接 到第二網(wǎng)格點20，以便與閥中的下一個閥單元串聯(lián)連接。在所示實施例 中，傳感器12包括電阻器。在所有半導(dǎo)體起作用的閥單元中，對于該單 元中的每個半導(dǎo)體，電阻器下游的電壓應(yīng)該相等或幾乎相等。微分器21 將下游的電壓信號23進行比較，并當(dāng)在這些電壓信號中檢測到不平衡時， 將接通信號22發(fā)送給閥單元中的所有半導(dǎo)體或門控單元。與沒有損壞的半導(dǎo)體相比，損壞的半導(dǎo)體將呈現(xiàn)更大的內(nèi)部電阻。因 而，當(dāng)導(dǎo)通時，將有更小的電流通過有故障的半導(dǎo)體。因此，通過按照圖 2或圖3所示的方法感測電流，有故障的半導(dǎo)體的出現(xiàn)是可檢測的。當(dāng)檢測到有故障的半導(dǎo)體時，該單元(圖1)的控制單元6或閥單元 的所有的控制單元12 (圖3)被命令控制同一閥單元的所有半導(dǎo)體成為閉 合電路級。羅柯夫斯基線圏的傳感器示于圖4中。羅柯夫斯基線圏測量系統(tǒng)的最 重要的特性之一是它是本征線性的。該線圏不包括可飽和的組件，其輸 出與電流成比例線性地增加， 一直到由擊穿電壓所確定的工作極限。積分 器也是本征線性的， 一直到電子器件飽和的點。線性使得羅柯夫斯基線圏 很容易被校準(zhǔn)，因為傳感器能夠在任何方便的電流電平處被校準(zhǔn)，而且該 校準(zhǔn)對于所有電流將是精確的，包括非常大的一些電流。而且，由于它們 的線性，所以傳感器具有非常寬的動態(tài)范圍和極好的瞬時響應(yīng)。雖然本發(fā)明的實施例是更可取的，但是本發(fā)明的范圍不局限于所提出 的這些實施例，而是還包括對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的實施例。例如， 用于檢測有故障的半導(dǎo)體的感測單元可以包括任何可行的、對于本領(lǐng)域技 術(shù)人員4^P的檢測裝置。
權(quán)利要求
1. 一種換流器閥單元，其包括多個并聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件(1)、續(xù)流二極管(2)和控制單元(6)，其特征在于所述換流器閥單元進一步包 括用于感測所述半導(dǎo)體的電流的電流感測裝置(12),并且i爻置所述控制 單元(6)使得當(dāng)檢測到有故障的半導(dǎo)體時，控制所述閥單元的所有半導(dǎo) 體呈現(xiàn)閉合的電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的換流器閥單元，其中所述感測裝置(12) 包括在所述電流路徑中電阻器，該電阻器上的電壓被測量。
3. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的換流器閥單元，其中所述感測裝置(12) 包括用于感測由所述電流產(chǎn)生的磁通量的改變的電線圏。
4. 根據(jù)任何在前權(quán)利要求所述的換流器閥單元，其中所述半導(dǎo)體元 件包括具有以第一方向通過所述感測裝置的電流路徑(15、 16 )的第一組(13)，以及具有以第二方向通過所述感測裝置的電流路徑(17、 18)的 第二組(14)。
5. 才艮據(jù)權(quán)利要求4所述的換流器閥單元，其中所述第一方向與第二 方向相反.
6. 根據(jù)任何在前權(quán)利要求所述的換流器閥單元，其中所述半導(dǎo)體元 件包括IGBT。
7. —種用于控制包括多個半導(dǎo)體元件(1 )、續(xù)流二極管(2 )和控制 單元(6)的換流器閥單元的方法，其特征在于將所述半導(dǎo)體元件i殳置 為第一組(13)和第二組(14)，感測通過第一組半導(dǎo)體元件的電流，感 測通過第二組半導(dǎo)體元件的電流，將來自所述笫一組的電流與來自所述第 二組的電流進行比較，當(dāng)所述比較產(chǎn)生差值時，控制所述閥單元的所有半 導(dǎo)體元件呈現(xiàn)閉合的電路。
8. 才艮據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述感測包括測量電流路徑中 的電阻器上的電壓。
9. 才艮據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述感測包括測量分別由所述 多個電流路徑產(chǎn)生的磁通量的變化。
10. 可存儲在計算機可用介質(zhì)上的計算機程序產(chǎn)品，所述計算機可用 介質(zhì)上包含用于處理器評估權(quán)利要求7至9所述的方法的指令。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的計算機程序產(chǎn)品，至少部分地通過諸如因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)來被提供。
12. 計算機可讀介質(zhì)，其特征在于它包括+艮據(jù)權(quán)利要求10所述的計 算機程序產(chǎn) 品o
全文摘要
換流器閥單元，包括多個并聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件(1)、續(xù)流二極管(2)和控制單元(6)。
文檔編號H02H7/12GK101147307SQ200580049300
公開日2008年3月19日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者漢斯·彼得·尼 申請人:Abb研究有限公司