CN105324924A - 机械旁路开关装置、变换器臂和功率变换器 - Google Patents

Abstract

提供了一种布置成使功率变换器(9)中的变换器单元旁路的机械旁路开关装置(1)。机械旁路开关装置包括：机械开关(3)；布置成在供应有电信号时使机械开关(3)传导的机械开关致动器(5)；第一控制输入(4a)；以及第二控制输入(4b)。机械旁路开关装置被布置使得在第一控制输入和第二控制输入的任一个上或者在第一控制输入(4a)和第二控制输入(4b)两者上所提供的控制信号引起机械开关(3)传导。还呈现了对应的变换器臂（13，13a，13b）和旁路变换器(9)。

Description

机械旁路开关装置、变换器臂和功率变换器

技术领域

本发明涉及机械旁路开关装置、变换器臂和用于使变换器单元旁路的旁路变换器。

背景技术

在HVDC（高压直流）应用中，高压功率变换器用于在AC（交流）电网与DC（直流）之间变换。常常使用大量的变换器单元发生变换。变换器单元也在诸如中压功率变换器的其它应用中使用。

US2011/0267852呈现具有开关组件的串联连接的电压源变换器，其中，每个开关组件具有承载多个半导体芯片的导电片构件，每个半导体芯片至少具有关断类型的半导体装置和与其并联连接的续流二极管（free-wheelingdiode）。所述芯片通过各自由至少一个单独的导体构件连接到所述串联连接的邻近的开关组件的所述片构件来相互并联连接。每个开关组件具有机械开关，机械开关配置成在开关组件的正常操作下断开，并且配置成实现开关组件的所述片构件到邻近的开关组件的片构件的连接，以便在发生短路电流通过开关组件的半导体芯片的情况下使机械开关所属的开关组件的所述半导体芯片旁路。

然而，US2011/0267852的解决方案可仍易于发生故障。一般在功率变换应用并且具体地说在机械旁路开关的可用性和可靠性方面的任何改进，无论多小，是非常有益的。

发明内容

本文的一个目的是改进布置成使功率变换器中的变换器单元旁路的机械旁路开关装置的可靠性。

根据第一方面，提供了一种布置成使功率变换器中的变换器单元旁路的机械旁路开关装置。机械旁路开关装置包括：机械开关；布置成在供应有电信号时使机械开关传导的机械开关致动器；第一控制输入；以及第二控制输入。机械旁路开关装置被布置使得在第一控制输入和第二控制输入的任一个上或者在第一控制输入和第二控制输入两者上所提供的控制信号引起机械开关传导。通过提供两个控制输入，实现在现有技术中未示出的可靠度。这是非常重要的，因为任何不受控的故障能够导致严重影响关键的电网络元件的可用性的停机时间。可存在比这里所提及的两个更多的控制输入用于甚至更大的冗余。

机械旁路开关装置可还包括：第一控制开关，其导电状态使用第一控制输入来控制；第二控制开关，其导电状态使用第二控制输入来控制；以及控制开关组合，包括与第二控制开关并联连接的第一控制开关。在这样的情况下，控制开关组合与机械开关致动器串联连接。这实现了独立控制输入以控制机械开关致动器。

机械开关致动器可包括烟火致动器。

机械旁路开关装置可还包括用于检测机械开关是否正在传导的监视装置。以这种方式，如果机械开关未能呈现传导状态，则能够实现其它措施。

监视装置可包括用于供应指示机械开关是否正在传导的信号到两个单独装置的两个信号输出。这实现了更大的冗余用于机械旁路开关装置的甚至更好的可靠性。可存在比这里所提及的两个更多的信号输出用于甚至更大的冗余。

机械开关可包括固定部分和可移动部分，其中可移动部分附连到布置成在可移动部分移动以使机械开关传导时断开的光纤。

机械开关可包括固定部分和可移动部分，其中可移动部分包括布置成在可移动部分处在使机械开关传导的位置时反射光的反射表面。

第一控制输入和第二控制输入中的每一个可以是光纤输入。使用光纤输入，在第一和第二控制输入与提供输入到这些控制输入的装置之间能够存在显著的电压差。即使机械旁路开关装置处在显著不同的电压电平，这允许若干机械旁路开关装置由单个（具有可选的冗余）中央控制单元来控制。

机械旁路开关装置可还包括用于为机械开关致动器供电的能量存储装置。通过在机械旁路开关装置中包含能量存储装置，实现了一般在为机械旁路开关装置并且具体来说为机械开关致动器的操作供电的更大独立性。

机械旁路开关装置可还包括用于为机械开关致动器供电的两个能量存储装置。通过具有两个能量存储装置，实现了在能量供应中的冗余，从而允许即使能量存储装置中的一个发生故障，机械旁路开关装置仍操作。

任何能量存储装置可布置成从两个单独功率源充电。这提供了甚至更大的冗余，因为它考虑到功率源发生故障而不影响能量存储装置的充电以及因此机械旁路开关装置的操作。

一个功率源可以是变换器单元，并且一个功率源可以是也布置成控制变换器单元的操作的本地控制单元。这些是都能够在机械旁路开关装置的附近的两个功率源。

根据第二方面，提供了一种包括多个串联连接的变换器单元的变换器臂，其中每个变换器单元包括能量存储元件、至少两个开关元件和根据第一方面的机械旁路开关装置。

每个变换器单元可与相应的本地控制单元相关联，并且每个本地控制单元可连接到与其相关联的变换器单元相邻的变换器单元以及所述相关联的变换器单元的第一控制输入和第二控制输入中的一个。

本地控制单元可成对连接到其自己和彼此的相应地相关联的变换器单元。

每一个变换器单元可以是半桥单元或全桥单元。备选地，能够使用其它变换器单元结构，例如，基于其它桥结构或谐振结构。

根据第三方面，提供了包括至少一个如权利要求10到12任一项所述的变换器臂的功率变换器。

通常，除非本文另外明确限定，否则在权利要求中使用的所有术语要根据其在技术领域中的普通含意来解释。除非另外明确说明，否则对“一/所述元件、设备、部件、装置、步骤等”的所有参考要开放地解释为指的是元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

附图说明

现在将通过示例的方式参照附图描述本发明，其中：

图1是用于在DC与AC之间变换的功率变换器的示意图；

图2是用于在DC与AC之间变换的三相功率变换器的示意图；

图3是图示由单个功率变换器组件所表示的图1和2的功率变换器组件的实施例的示意图；

图4A-B是图示由单个变换器臂所表示的图3的上变换器臂和下变换器臂的实施例的示意图；

图5A是图示根据一个实施例的两个变换器单元及其相应地相关联的本地控制单元的示意图；

图5B是图示根据一个实施例的变换器单元的示意图；

图6是更详细地图示图5A-B的两个变换器单元的变换器单元的示意图；以及

图7A-C是图示关于图6的监视装置的各种实施例的机械开关的示意图。

具体实施方式

现在，将参照其中示出本发明的某些实施例的附图，在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以用许多不同的形式实施，并且不应解释为限于本文所阐述的实施例；而是，这些实施例作为示例来提供，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将把本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。相似的数字贯穿说明书指的是相似的元素。

图1是用于在DC与AC之间变换的功率变换器9的示意图。功率变换器9在DC连接81与AC连接80之间的任一方向上变换功率。DC连接81包括正极端子DC+和负极端子DC-。AC连接80包括相端子AC和AC接地端子（未示出）。功率能够从DC流到AC，或反之亦然。功率变换器9包括执行实际功率变换的功率变换器组件6。在功率变换器9与功率变换器组件6之间的这种划分无需通过物理对象来表示，由此功率变换器9和功率变换器组件6实际上能够是相同装置。

图2是用于在DC与AC之间变换的三相功率变换器的示意图。三相功率变换器9这里包括三个功率变换器组件6a-c。以这种方式，这里AC连接包括三个相端子80a、80b和80c以便能够提供三相连接，例如，到AC电网、AC功率源或AC功率负载。可选地，也提供AC接地端子（未示出）。通过连接与存在的相相同数量的功率变换器组件，能够实现除了三相以外的对应的多相功率变换器。以这种方式，能够提供用于诸如2、4、5、6等相的任何合适数量的相的多相功率变换器。

图3是图示这里由单个功率变换器组件6所表示的图1和2的功率变换器组件6、6a-c的实施例的示意图。功率变换器组件6包括在DC连接81的正极与负极端子DC+、DC-之间串联连接的上变换器臂13a和下变换器臂13b。正极和负极这里要解释为相对术语而不是绝对的。例如，正极端子或负极端子能够在地电势。

AC连接80提供在上变换器臂13a与下变换器臂13b之间。可选地，在变换器臂13a-b之间提供一个或两个（或更多）滤波电感器15a-b。

DC侧电容器12布置在正极与负极端子DC+和DC-之间，以便允许AC电流以最低效应循环。可选地，在使用诸如图2中示出的功率变换器的多相功率变换器9时，能够省略DC侧电容器12，因为AC电流能够在各种相的DC侧之间循环。

中央控制单元(CCU)50连接到功率变换器组件6以控制其操作。这包含上变换器臂13a和下变换器臂13b的控制以通过控制上变换器臂和下变换器臂13a-b的变换器单元来执行在DC与AC之间的变换。

图3的功率变换器组件的所示实施例仅是示例，并且本文所呈现的原理能够应用到使用例如包含在变换器臂中的变换器单元的任何类型的适合的功率变换器组件。例如，其中用于各种相位的变换器单元串联连接在DC端子之间的功率变换器组件能够被使用，或和串联混合变换器（包括变换器单元和与变换器单元分开的开关）并联。

图4A-B是图示这里由单个变换器臂13所表示的上变换器臂13a和下变换器臂13b的示意图。

变换器臂13包括多个变换器单元32a-i。每个变换器单元由本地控制单元(LCU)30a-i控制，本地控制单元30a-i又由中央控制单元50控制。

中央控制单元50控制本地控制单元30a-i来执行开关以便例如使用脉冲宽度调制(PWM)供应交流电流到AC输出（图3的AC）。

变换器单元32a-i串联连接，从而允许它们被单独地控制以在变换中实现更细粒度，例如，以实现更正弦（或方形、锯齿形等）的功率变换。同样，通过以这种方式控制串联连接的变换器单元32a-i，每个变换器单元的开关频率能够相对低，与更高开关频率相比时这导致低的开关损耗。此外，通过串联连接变换器单元，增大了额定电压。备选地或另外地，能够并联连接（未示出）变换器单元以增大额定电流。

变换器臂13能够包括任何适合数量的变换器单元，包括一个、两个、三个或更多。在一个实施例中，每个变换器臂13中变换器单元的数量在30到1000个变换器单元的范围内。

在图4A中示出的情形中，所有变换器单元32a-i是操作的。然而，在图4B的情形中，第二变换器单元32b已发生故障。

不过，如果发生故障的变换器单元32b设置成以旁路模式传导，则变换器臂13仍能够如所希望的工作。在旁路模式中，所讨论的变换器单元短路并且连续地传导。换言之，不管来自中央控制单元50的信号，发生故障的功率变换器单元32b将传导。只要在这种配置中存在一些过量，即，多余的变换器单元32a-i，剩余的操作的变换器单元操作并且提供变换器臂的所希望的功能，直到替换或修复发生故障的变换器单元32b。

图5A是图示根据一个实施例的两个变换器单元32a-b及其相应地相关联的本地控制单元30a-b的示意图。第一变换器单元32a与第一本地控制单元30a相关联，并且第二变换器单元32b与第二本地控制单元30b相关联。

第一变换器单元32a这里是半桥单元。第一变换器单元32a包括两个串联连接的开关元件40a-b的支路。每一个开关元件40a-b例如能够使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成栅极换流晶闸管(IGCT)、栅极关断晶闸管(GTO)或任何其它适合的半导体部件来实现。可选地，存在跨每个开关元件40a-b连接的反并联二极管（未示出）。也提供与开关元件40a-b的支路并联的能量存储元件41。能量存储元件41例如能够是电容器、超级电容器、电感器、电池等。由第一变换器单元32a所合成的电压因此能够是0或通常由第一本地控制单元30a控制的能量存储元件41的电压。

可选地，也存在与能量存储元件41并联的支路，其包括与放电电阻器35串联连接的放电开关36以便在放电开关设置在传导模式时降低通过放电开关的电流。在能量存储元件需要放电例如用于维护或修复时，使用放电开关36。

第一变换器单元也包括直接连接在第一变换器单元32a的端子之间的机械旁路开关装置1。通常，机械旁路开关装置1处于阻断模式，由此第一变换器单元的电压能够由第一本地控制单元32a控制。然而，在机械旁路开关装置1处于传导模式时，机械旁路开关装置1使第一变换器单元32a短路。换言之，机械旁路开关装置1用于实现上述旁路模式。机械旁路开关装置1具有两个控制输入，由此它能够由第一本地控制单元30a和第二本地控制单元30b控制。以这种方式，在机械旁路开关装置1的控制中存在冗余。这是非常有益的，因为如果第一变换器单元32a发生故障并且旁路模式由于第一本地控制单元30a有缺陷而不能实现，则第一变换器单元32a的操作可能是不明确的。在这样的情况下，整个功率变换器9可需要被关断，这能够导致电源故障和/或大的损失。然而，使用这里呈现的双命令，第二本地控制单元30b能够控制机械旁路开关装置1将第一变换器单元32a设置在旁路模式。

第二变换器单元32b这里具有与第一变换器单元32a相同的结构。本地控制单元30a-b成对连接到其自己和彼此的相应地相关联的变换器单元。变换器臂的其它控制单元和变换器单元（未示出）也能够以这种方式连接。这降低了故障不可控地传播通过整个变换器臂的风险。而且，这样的结构降低了在本地控制单元与变换器单元之间的连接的长度，这抑制电磁干扰(EMI)。在高电压应用中，EMI经常在幅度上是相当大的。

在另一个实施例（未示出）中，控制单元与所有变换器单元菊花链接（daisychained），使得本地控制单元形成在两个相邻变换器单元之间的桥。备选地，控制单元和变换器单元能够以3个、4个或更多数量的组连接。

图5B图示实现全桥结构的变换器单元32。变换器单元能够是图4A-B的变换器单元32a-i的任何一个，并且能够代替图5A中所示的半桥变换器单元32A-B。变换器单元32这里包括四个开关元件40a-d，例如，IGBT、IGCT、GTO等。可选地，存在跨每个开关元件40a-d连接的反并联二极管（未示出）。能量存储元件41也跨两个开关元件40a-b的第一支路和两个开关元件40c-d的第二支路并联提供。变换器单元32也包括直接连接在变换器单元32的端子之间的机械旁路开关装置1，并且以如上面参照图5A所解释的相同方式运行。也存在与如上面参照图5A所解释的相同方式运行的本地控制单元（未示出）。

与图5A中所示的变换器单元的半桥结构相比，全桥结构允许能够呈现两种符号的电压的合成，由此变换器单元的电压能够是0、能量存储元件41的电压或能量存储元件41的反向电压。

备选地，其它变换器单元结构（未示出）能够用于变换器单元32，例如，基于其它桥结构或谐振结构。同样，在这样的结构中，机械旁路开关装置1能够用于将变换器单元设置在旁路模式中。

图6是更详细地图示图5A的两个变换器单元的变换器单元32的示意图。具体地说，更详细地示出根据示例实施例的机械旁路开关装置1。图5B的机械旁路开关装置1能够以如图6中所描绘并且下面参照图6所描述的相同的方式来实现。

机械旁路开关装置1包括机械开关3，其能够由机械开关致动器5控制以便在机械开关致动器5供应有电信号时使机械开关3传导。电信号是具有预定特性的信号，例如，超过阈值电平的电压和/或超过阈值电平的电流。在一个实施例中，机械开关致动器5能够包括使机械开关3传导的烟火致动器。

如上面参照图5所解释的，机械旁路开关装置1还包括要与两个相应的本地控制单元连接的第一控制输入4a和第二控制输入4b。以这种方式，在第一控制输入4a和第二控制输入4b的任一个或两者上所提供的控制信号引起电信号被提供到机械开关致动器5，其引起机械开关3传导。换言之，仅在第一控制输入4a上所提供的控制信号引起机械开关传导，仅在第二控制输入4b上所提供的控制信号引起机械开关传导，并且在第一控制输入4a和第二控制输入4b两者上所提供的控制信号引起机械开关3传导。第一控制输入4a和第二控制输入4b每一个能够是光纤输入或电输入。与电连接对比，使用光纤输入，它固有地允许在第一和第二控制输入4a-b与提供输入到这些控制输入4a-b的装置之间存在显著的电压差，而没有对电绝缘的任何需要。

在这个实施例中，存在使用第一控制输入4a控制其导电状态的第一控制开关6a和使用第二控制输入4b控制其导电状态的第二控制开关6b。控制开关组合7包括与第二控制开关6b并联连接的第一控制开关6a，并且控制开关组合7与机械开关致动器5串联连接。控制开关6a-b能够是任何适合的电控制开关，例如晶体管或晶闸管，光或电控制的。

高欧姆电阻器60提供在变换器单元32的正电压侧与两个相应的能量存储装置71a-b之间，经两个相应的二极管70a-b为两个能量存储装置71a-b充电。能量存储装置71a-b例如能够使用电容器、超级电容器、电感器、电池等来实现。而且，单独的电源73经两个相应的二极管70e-f提供功率到机械旁路开关装置1。单独的电源73例如能够是本地控制单元的一部分。两个独立的齐纳二极管72a-b用于调节为两个相应的能量存储装置71a-b充电的电压电平。每一个能量存储装置71a-b然后经两个相应的二极管70b-c连接到机械开关致动器5。

以这种方式，以两种单独的方式实现电源冗余。首先，存在两个单独的电源：一个是为能量存储装置71a-b充电的变换器单元32，以及一个是单独的电源73。其次，存在用于将来自两个电源的功率提供到机械开关致动器5的两个单独的控制电路集。这降低了由于单个或甚至多个部件的故障而造成的任何故障的风险。

而且，机械旁路开关装置1可选地包括用于检测机械开关3是否正在传导的监视装置8。这能够是非常有益的，因为仅仅监视变换器单元32处于旁路模式可能不充分。如果第一开关元件40a已经在短路模式中发生故障，则变换器单元能够也在短路模式。然而，这样的情形取决于第一开关元件40a继续处在短路模式，并且是不可靠的。因此，这样的情形不应被信任为稳定的短路。

通过包括用于供应指示机械开关3是否正在传导的信号到两个单独装置（诸如上面参照图5所描述的两个连接的本地控制单元）的两个信号输出11a-b，监视装置8也能够配置用于冗余的使用。

虽然机械旁路开关装置1能够被提供以使任何类型的变换器单元旁路。例如，机械旁路开关装置1能够被提供以使任何类型的半桥单元（并且不仅是图6中所示的配置）、全桥单元、其它桥结构或谐振结构旁路。

图7A-C是图示关于图6的监视装置8的各种实施例的机械开关的示意图。机械开关3包括固定部分20a-b和可移动部分21。存在附连到可移动部分21的第一接触件22a。在机械开关致动器5被激活时，它使可移动部分21在箭头的方向上移动，由此第一接触件22a与22b接触。这使得机械开关3传导。

在图7A中示出的实施例中，可移动部分21附连到光纤25，光纤25布置成在可移动部分21移动以使机械开关3传导时断开。当光纤25断开时，通过光纤25的光信号中断，并且这个变化被传播到两个信号输出（图6的11a-b）。可选地，存在单独地连接到两个相应的信号输出的两个光纤。以这种方式，两个纤维中的一个断开足以指示机械开关3处在传导状态。

这里通过使光纤25环绕突出部分26来将光纤25附连到可移动部分21，突出部分26相对于可移动部分21的移动方向基本上垂直突出。

在图7B中所示的实施例中，如在图7A中所示的实施例，可移动部分21也附连到光纤25，由此光纤25在可移动部分21移动以使机械开关3传导时断开。当光纤25断开时，这个信号被传播到两个信号输出（图6的11a-b）。然而，这里通过使光纤环绕穿过可移动部分21的孔27来将光纤25附连到可移动部分21。

在图7C中所示的实施例中，可移动部分21包括布置成在可移动部分21处在使机械开关3传导的位置时反射光的反射表面28。

本文中所呈现的实施例能够应用到高电压应用。备选地或另外地，本文中所呈现的实施例能够应用到中等电压应用或甚至低电压应用。

已经在上面参照几个实施例主要描述了本发明。然而，如由本领域技术人员容易理解的，除了上面公开的实施例之外的其它实施例在如所附专利权利要求定义的本发明的范围内是同样可能的。

Claims (18)

1.一种布置成使功率变换器(9)中的变换器单元（32）旁路的机械旁路开关装置(1)，所述机械开关装置(1)包括：

机械开关(3)；

机械开关致动器(5)，布置成在供应有电信号时使所述机械开关(3)传导；

第一控制输入(4a)；以及

第二控制输入(4b)；

其中所述机械旁路开关装置被布置使得在所述第一控制输入(4a)和所述第二控制输入(4b)的任一个上或者在所述第一控制输入(4a)和所述第二控制输入(4b)两者上所提供的控制信号引起所述机械开关(3)传导。

2.如权利要求1所述的机械旁路开关装置(1)，还包括：

第一控制开关(6a)，其导电状态使用所述第一控制输入(4a)来控制；

第二控制开关(6b)，其导电状态使用所述第二控制输入(4b)来控制；以及

控制开关组合(7)，包括与所述第二控制开关(6b)并联连接的所述第一控制开关(6a)；

其中所述控制开关组合(7)与所述机械开关致动器(5)串联连接。

3.如权利要求1或2所述的机械旁路开关装置(1)，其中所述机械开关致动器(5)包括烟火致动器。

4.如前述权利要求任一项所述的机械旁路开关装置(1)，还包括用于检测所述机械开关(3)是否正在传导的监视装置(8)。

5.如权利要求4所述的机械旁路开关装置(1)，其中所述监视装置(8)包括用于供应指示所述机械开关(3)是否正在传导的信号到两个单独装置的两个信号输出(11a-b)。

6.如权利要求4或5所述的机械旁路开关装置(1)，其中所述机械开关(3)包括固定部分(20a-b)和可移动部分(21)，其中所述可移动部分(21)附连到布置成在所述可移动部分(21)移动以使所述机械开关(3)传导时断开的光纤(25)。

7.如权利要求4或5所述的机械旁路开关装置(1)，其中所述机械开关(3)包括固定部分(20a-b)和可移动部分(21)，其中所述可移动部分(21)包括布置成在所述可移动部分(21)处在使所述机械开关(3)传导的位置时反射光的反射表面(28)。

8.如前述权利要求任一项所述的机械旁路开关装置(1)，其中所述第一控制输入(4a)和所述第二控制输入(4b)中的每一个是光纤输入。

9.如前述权利要求任一项所述的机械旁路开关装置(1)，还包括用于为所述机械开关致动器供电的能量存储装置(71a-b)。

10.如前述权利要求任一项所述的机械旁路开关装置(1)，还包括两个能量存储装置(71a-b)。

11.如权利要求9或10所述的机械旁路开关装置(1)，其中任何能量存储装置布置成从两个单独功率源充电。

12.如权利要求11所述的机械旁路开关装置(1)，其中一个功率源是所述变换器单元，并且一个功率源是本地控制单元，也布置成控制所述变换器单元的操作。

13.一种包括多个串联连接的变换器单元(32a-i)的变换器臂（13，13a，13b），其中每个变换器单元(32a-i)包括能量存储元件(41)、至少两个开关元件(40a-b)以及如前述权利要求任一项所述的机械旁路开关装置(1)。

14.如权利要求13所述的变换器臂（13，13a，13b），其中每个变换器单元与相应的本地控制单元(30a-b)相关联，并且其中每个本地控制单元(30a-b)连接到与其相关联的变换器单元相邻的变换器单元以及所述相关联的变换器单元的第一控制输入(4a)和第二控制输入(4b)中的一个。

15.如权利要求14所述的变换器臂（13，13a，13b），其中所述本地控制单元(30a-b)成对连接到其自己和彼此的相应地相关联的变换器单元。

16.如权利要求13到15任一项所述的变换器臂（13，13a，13b），其中所述变换器单元的每个是半桥单元。

17.如权利要求13到15任一项所述的变换器臂（13，13a，13b），其中所述变换器单元的每个是全桥单元。

18.一种功率变换器(9)，包括至少一个如权利要求14到16任一项所述的变换器臂（13，13a，13b）。