[发明专利]过电压保护系统和方法

说明书

本发明题为过电压保护系统和方法。过电压保护系统包括跨电路的两个端子而连接的电子阀以及跨多个半导体装置中的一个而连接用于检测跨电路的过电压的过电压检测电路。电子阀包括串联连接的多个半导体装置。过电压检测电路包括：分压器电路，按照向转折二极管提供代表性低电压的方式连接到转折二极管；以及光耦合器，配置成当代表性低电压超过转折二极管的阈值电压时接收来自转折二极管的电流从而指示过电压状况。提供给转折二极管的代表性低电压表示跨一个半导体装置的电压。多个自供电门极驱动电路连接到多个半导体装置，其中多个自供电门极驱动电路在过电压状况期间接收来自光耦合器的过电压触发脉冲，并且接通多个半导体装置以旁路该电路。

关于联邦资助研发的声明

本发明根据美国能源部所授予的基本合同号DE-AC26-07NT42677的子合同号08121-2901-01以政府支持进行。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本技术的实施例涉及高压保护系统和方法。具体来说，实施例涉及在故障情况下旁路高压电路。

背景技术

随着浅水区的油田和气田逐渐耗尽，运营商采用更多海底涡轮机设备、例如泵和压缩机(其通常是功率密集的，并且要求由电气变速驱动(VSD)和马达所组成的传动系)来开发深水的水下油藏。因此，电力从远程岸上公用电网的输送或者浮动平台上的电力生成对保护海底位置的油和气的可靠生产和处理是势在必行的。通常，传输功率对于中等至大型油田/气田大约为数十兆瓦特。

直流(DC)传输对较长距离比交流(AC)传输对应体更为有效。中压(MV)或高压(HV)DC传输通常要求功率电子转换器，其能够在HVAC与HVDC之间进行转换。在常规转换器拓扑中，转换器的各开关设计成操控高压，其范围可从数十千伏至数百千伏，这取决于应用需要。这类开关通常采用多个半导体装置(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和晶闸管)的串联连接来设置。另一种方法是使用较低额定电压的模块中的开关，并且通过串联连接与应用要求同样多的模块来取得高电压。由于海底的特殊应用，接收端转换器需要基于模块化来设计，其易于运输、海运、安装和回收。

研制了模块化堆叠DC(MSDC)海底电力输送架构，以通过长牵索距离向海床上的负载传送和分配电力。发送和接收端模块均串联连接；以及系统作为恒定电流源来操作。在流动电流的通路断开的情况下，过电压将发生。在故障状况下，保护各模块免受过电压损坏要求保护装置的并联连接，这能够及时地旁路该模块。此外，在一些情况下可需要完整DC链路或者DC链路的一部分。

要求过电压检测是快速的，使得保护将对其有效地进行。对于由MSDC的串联连接晶闸管所组成的旁路装置，检测延迟时间预计为小于1微秒。另外，与高电位组件的隔离应当仔细进行。通常，现场的旁路装置的标称工作电压高于10 kV。例如，它在接收端功率模块的输入之间大约为11 kV，而在开关场中高于30 kV。因此，它对设计提出满足隔离要求的难题。

因此，希望确定将会解决上述问题的方法和系统。

发明内容

按照本技术的一实施例，提供一种过电压保护系统。该过电压保护系统包括跨电路的两个端子而连接的电子阀，电子阀具有串联连接的多个半导体装置。该过电压保护系统还包括过电压检测电路，其跨多个半导体装置中的一个连接，用于检测跨电路的过电压。过电压检测电路包括分压器电路，其按照向转折二极管（break-over diode）提供代表性低电压的方式连接到转折二极管，代表性低电压表示跨一个半导体装置的电压。过电压检测电路还包括光耦合器，其配置成当代表性低电压超过转折二极管的阈值电压时接收来自转折二极管的电流从而指示过电压状况。过电压保护系统还包括连接到多个半导体装置的多个自供电门极驱动电路（self-powered gate drive circuit），其中多个自供电门极驱动电路在过电压状况期间接收来自光耦合器的过电压触发脉冲，并且接通多个半导体装置以旁路该电路。