CN105409083A

CN105409083A - 用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置

Info

Publication number: CN105409083A
Application number: CN201480041209.0A
Authority: CN
Inventors: M.皮谢尔; H-J.纳克; M.佩雷拉
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-03-16
Also published as: EP2994969A1; DE102013214693A1; US20160211667A1; EP2994969B1; KR20160035052A; WO2015011039A1; RU2016106352A; RU2649888C2

Abstract

一种用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置，其中所述装置具有：第一变流器CW，被构造用于补偿有功功率；以及串联连接的第二变流器CVAR，被构造用于补偿无功功率；其中由所述装置提供或可输出的电压相当于第一变流器CW与第二变流器CVAR的电压的总和。

Description

用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置。

背景技术

图1示出了用于补偿无功功率和有功功率的常规装置1。电容器2与电池3并联连接，这些部件通过变流器4与交流电网的三相连接。电容器2和电池3连接在变流器4的直流电压侧。电容器2用于补偿无功功率，电池3用于补偿有功功率。变流器4对于每一相包括多个串联连接的子模块5，以达到在高压电网中需要的耐压强度。借助开关7、8可以使电池3与装置1的其余部件分离。

图2示出了所述子模块5的例子，其由晶体管和二极管组成。

图3示出了一种替代的子模块6，其由半桥组成，该半桥由半导体组件和电容器组成。

当然，借助图1-3解释的这些用于补偿无功功率和有功功率的常规装置具有一些问题。如果在持续运行中补偿无功功率，则在电容器2和电池3中始终有电流流动，该电流导致发热，并由此降低敏感组件的寿命。

如果电池3上的电压小于电网电压，则充电电流不受控地流过图2和3中示出的子模块的二极管。由于大容量的储能器，在放电后的储能器的情况下在接通所述装置时可能会流过特别大的电流，这导致对于高压电网和变流器4的负面结果。

当代替电池3而设置双层电容器作为储能器时出现另一个问题。当恢复所储存的能量时，电容器电压随着电压平方根降低。因为不允许储能器上的电压小于高压电网中的电压，所以必须考虑对能量产量的主要限制。当使用电池作为储能器时也会出现类似的问题。

在文献WO2010/124706A1中建议一种模块式的多级变流器，其中储能器模块直接集成在变流器的各个子模块中。使用了以“斩波器”或电压互感器形式的电力电子单元，以便将储能器与子模块耦接。当然，所需的电力电子和对应的扼流圈造成可观的制造费用。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置，其更简单地制造。

为解决该技术问题，根据本发明设置开头提到类型的装置，其具有：第一变流器，被构造用于补偿有功功率；以及串联连接的第二变流器，被构造用于补偿无功功率；其中由所述装置提供或可输出的电压相当于第一变流器的电压与第二变流器的电压的总和。

根据本发明通过具有两个串联连接的变流器的装置克服了现有技术中存在的问题，其中第一变流器被设计用于有功功率补偿，而第二变流器用于无功功率补偿。在根据本发明的装置中重要的是，变流器装置的电压相当于两个变流器的电压的总和。

根据本发明，优选所述装置具有控制单元，其被构造用于测量高压电网中存在的电压和电流，并且将由第一和第二变流器输出的电压规定为使得从高压电网接受或向高压电网馈入所需的有功功率P和无功功率Q。

根据本发明，优选所述控制单元将两个变流器控制为使得第一变流器单独补偿有功功率，而第二变流器单独补偿无功功率。

在本发明的范围内还包括，被设置用于补偿有功功率的第一变流器具有至少一个储能元件或者与储能器连接。所述储能元件可以有利地被构造为电容器或双层电容器或电池。

优选所述第一变流器和/或第二变流器具有扼流圈。

在根据本发明的装置中，控制单元可以被构造为，将由第一变流器输出的电压调整为使得该电压的相位与流过该变流器的电流的相位相同或相反。有利地可以设置为，控制单元控制用于无功功率补偿的变流器，使得流过电容器的电流被限制。

在本发明的范围内还包括，两个变流器分别具有H桥，其优选由功率半导体开关构成。两个变流器优选分别构造为三相。所述变流器可以按照星形电路或三角形电路连接。

附图说明

以下借助实施例并结合附图解释本发明。附图示意性显示和示出了：

图1示出了用于补偿无功功率和有功功率的常规装置；

图2和3示出了图1的常规装置的子模块；

图4示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置；

图5示出了根据本发明的装置的等效电路图；

图6-11示出了在所述装置中出现的电压和电流的向量图；

图12示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的另一个实施例；

图13示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的另一个实施例；

图14示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的另一个实施例；

图15示出了根据本发明的装置的另一个实施例；

图16-18示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的其它实施例；以及

图19-22示出了图16-18所示装置的应用。

具体实施方式

图4示出了用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置，具有：第一变流器CW，被构造用于补偿有功功率；以及与其串联连接的第二变流器CVAR，被构造用于补偿无功功率。两个变流器CW、CVAR与控制单元9连接。图4示出的具有两个变流器CW、CVAR的装置10可以连接在电网的相之间。替代地可以设置支路，从而形成三角形电路或具有所连接的星点(Sternpunkt)的星形电路。

在所述装置10中重要的是，由两个变流器CW、CVAR的电压的总和构成电压(总电压)，在此可以是单个相电压也可以是多相电压。变流器CVAR由如图1所示装置的单个子模块组成，因为其仅需要补偿无功功率，所以既不需要电池也不需要开关。

向控制单元9输入信号，其相当于在高压电网中测量的电参量。控制单元9为此具有调整器12，其是控制单元9的组成部分并且确定从高压电网接受的或馈入该电网的无功功率和有功功率。通过计算单元11为变流器CVAR和CW计算电压U_CVAR和U_CW，从而分别通过变流器CVAR、CW转换由调整器12确定的无功功率和有功功率。为两个变流器CW、CVAR分别设置变流器控制单元13、14，以便控制功率半导体开关。

借助图5的等效电路解释装置10的工作原理。在等效电路15中通过两个电压源U_CW和U_CVAR以及电感L考虑两个变流器CW、CVAR和变流器电感。电感L在变流器中以扼流圈实现，替代地也可以是分散的。变流器装置的总电压(即电压U_SUM)由两个电压源U_CW和U_CVAR的电压的总和得出。电网电压(即所述装置的端子上的电压)通过电压源U_NET表示。电压U_L是在电感L上衍生的电压。I_L是根据等效电路15中的电压和电感得出的电流。

在解释功能和控制原理时，忽略了电感L和变流器CW和CVAR中的电阻和由此产生的损耗，因为这些值相对较小。

根据图5示出的等效电路15得到以下公式，其中P表示从电网流向装置的有功功率，Q表示从电网流向装置的无功功率。缩写X_L表示电感L的电抗。从X_L中看出，以下公式中的所有参量都是复数的，即，它们具有实部和虚部。如技术人员明显看出的，U_NET、U_CW、U_CVAR、U_L、I_L是交流电压和交流电流，在以下公式中使用了其有效值。对于图5的等效电路15满足以下公式：

I_{L} = \frac{P - j Q}{U_{N E T}}

U_L＝j·X_L·I_L

U_SUM＝U_NET-U_L

为了使变流器CW承担全部有功功率并且仅参与有功功率，电压U_CW与电流I_L必须相位相同，因为I_L也是流过变流器U_CW的电流。另一方面，电压U_CW是U_SUM的分量。由此得到以下公式：

U_{C W} = | U_{S U M} | \cdot c o s [\arg (U_{S U M}) - \arg (I_{L})] \cdot e^{j \cdot \arg (I_{L})}

由此得到电压

U_CVAR＝U_SUM-U_CM

由此得到，U_CVAR与I_L之间的相位差是90度，因此变流器CVAR仅参与无功功率。由此可以替代地如下计算U_CVAR：

U_{C V A R} = | U_{S U M} | \cdot s i n [\arg (U_{S U M}) - \arg (I_{L})] \cdot e^{j \cdot [\arg (I_{L}) + π / 2]}

以下借助图6-11解释所述装置补偿无功功率和有功功率的工作原理，在此涉及所出现的电压的向量图。对于这些图表，假设了典型的值例如U_NET＝100kV和X_L＝100Ω。可以看出，电压U_L等于U_NET与U_SUM之间的差。另外，在向量图中还示出了电流I_L。已知电流I_L总是比电压U_L滞后90度。在图6至11的例子中，电网电压U_NET分别提供参考相位，因此其相位等于0，因此通过水平的向量表示电网电压U_NET。

从图6-9中得出，负责补偿无功功率的变流器CVAR的电压U_CVAR与电网电压的相位不同。

图6示出了所述装置接受10MW正的有功功率和10MVAR正的无功功率的情况。从电网角度，所述装置因此被视为电阻和扼流圈。如上所述，I_L比电压U_L滞后90度。电压U_CW与I_L相位相同，因为有功功率是正的。电压U_CVAR比I_L超前90度，因为无功功率是正的。

图7示出了所述装置提供10MW负的有功功率和10MVAR正的无功功率的情况。相应地，所述装置作为发电机和电容器工作。电压U_CW与I_L相位相反，并且电压U_CVAR比I_L滞后90度。

图8示出了所述装置接受10MW正的有功功率和提供10MVAR负的无功功率的情况，因此从电网角度所述装置被视为电阻和电容器。电压U_CW与I_L的相位相同，并且电压U_CVAR比I_L滞后90度。

图9示出了所述装置提供10MW(负的有功功率)并且接受大约10MVAR的情况，如同发电机和扼流圈。电压U_CW和I_L的相位相反，并且电压U_CVAR比I_L超前90度。

图10示出了所述装置只接受有功功率的特殊情况。因此，电压U_NET、U_CW和电流I_L彼此相位相同。另外，U_NET和U_CW具有相等的绝对值。变流器CVAR通过其电压U_CVAR抵消扼流圈L上的无功功率，并且调整所述装置的有功功率。

图11示出了变流器CW的电压U_CW等于零的特殊情况。因此，所述装置不具有有功功率，在此U_CVAR与U_NET相位相同并且滞后于I_L。在该例子中，无功功率是负的，从电网角度所述装置被视为电容器。

通过所述装置解决所提到的第一个问题，即，由于无功功率对储能器的持续加载，方法是通过使与储能器连接的变流器CW仅贡献于有功功率部分，从而能够保持其电压U_CW为较低的值或者甚至为零，而变流器CVAR补偿无功功率。相应地，变流器CW上的储能器在持续运行中相应的低负载或完全无负载，由此显著提高其寿命。同时，通过变流器CVAR实现无功功率补偿，如图11所示。在此，优点是不必通过其它部件(例如机械开关)分离储能器，从而使储能器能够无延迟地进行响应。

在需要时，例如为了给储能器充电或者为了在扰动后使高压电网稳定，通过变流器控制有功功率，从而可以由控制单元9控制从高压电压接受能量或者从储能器向电网馈入能量。在此，通过变流器CVAR按照需要提供无功功率，或者无功功率是零。图6-10示出了通过变流器CVAR提供无功功率的情况。图11示出了无功功率等于零的情况。

以上提到的第二个问题，即，在接通时出现的不可控的高充电电流，通过所述装置10解决，方法是通过变流器CVAR限制电流，即使当变流器CW处的电压小于电网电压或者甚至等于零时，如在图11示出的实施例中。变流器CVAR仅需要被设计用于无功功率，从而其电容器具有为此调节的适当的电容。由此，可以在启动时快速并无过流地给电容器充电，而无需任何高开销的部件。相应地，所述装置10可以直接在接通之后使用。

因为变流器CVAR可以有效限制电流，所以关于变流器CW和对应该变流器的储能元件上的电压形成大的自由度。相应地可以与电压无关地在任何时间给储能器充电和放电，其实现了最大的能量产量。以此方式克服了以上提到的第三个问题，即，储能器对充电状态的依赖性。另外，可以相对简单地构建变流器的子模块，因为不需要现有技术中的“斩波器”等。

图12示出了用于补偿无功功率和有功功率的装置18的实施例，其中，变流器CW被构造为模块式的多级变流器，其具有由H桥(全桥)组成的子模块16。这种H桥的特征在于，其端电压可以取三种状态(零，正，负)。在图12中可以看出，代替通常的DC电容器设置有储能元件17，其在所示实施例中被构造为锂离子电池。替代地，储能元件也可以是双层电容器。相应地，通过图12所示的装置18也实现了两个变流器的串联电路的原理，其中一个用于无功功率补偿一个用于有功功率。

图13示出了具有装置19的另一个实施例，其中两个变流器CW和CVAR都被构造为三相的模块式的多级变流器，其中整个装置19具有六个端子(X11，X12，X13，X41，X42，X43)。因此，所述装置19既可以连接成星形电路又可以连接成三角形电路。在图13中，在两个变流器CW、CVAR之间示出了电感20，然而这些电感是可选的而不强制需要。在图13中可以看出，变流器CW的子模块16具有储能元件17，相当于图12的实施例。另一方面，变流器CVAR的子模块21具有DC电容器22。

图14示出了另一个实施例，其中两个变流器CW、CVAR被构造为模块式的多级变流器，其中CW被连接成星形电路而CVAR被连接成三角形电路。所述装置24的电感23被连接在三角形电路内。

图15示出了由用于补偿无功功率的变流器26和用于补偿有功功率的变流器27组成的装置25。变流器26、27相当于图13示出的实施例中的结构。变流器26、27的功率半导体开关可以被构造为IGBT、IGCT或GTO。

在图15中可以看出，平行于用于补偿有功功率的变流器27连接了由反并联连接的晶闸管28组成的联合。在输出无功功率期间，晶闸管28被持续接通，从而不驱动储能单元(变流器27)。在该状态下，晶闸管28将变流器27桥接，由此避免了电流流过变流器27可能出现的更高的损耗，因为电流路径于是总是通过一个IGBT和一个二极管。只要应当输出有功功率，则截止晶闸管28并驱动储能单元(变流器27)。

图16示出了相模块29，其被构造为电感30、多个用于无功功率补偿的变流器26和多个用于有功功率补偿的变流器27的串联电路。

图17的装置结构类似于图16，并且还包括反并联连接的晶闸管28，其与换向电感32串联连接。晶闸管28和换向电感32与用于补偿有功功率的变流器27并联连接。在图17中可以看出，晶闸管28被连接为使得其可以将多个储能器或多个变流器27桥接。这点是可行的，因为晶闸管28具有比变流器27的IGBT更高的截止电压。

最后，图18示出了相模块33，其中代替电感30和换向电感32设置有双工扼流圈34，其连接复合连接的晶闸管28和用于补偿有功功率的变流器27，该变流器与用于补偿无功功率的变流器26串联连接。在此，与图17的电路一致地布置或连接晶闸管28，使得其桥接多个变流器27，由此可以通过唯一的晶闸管的损耗代替例如六个IGBT和六个二极管的损耗。

在图16、17和18中示出的不同的相模块29、31和33可以按照星形电路或者按照三角形电路彼此连接。

图19至22示出了对应的应用，其中图19示出了多个相模块29按照三角形电路连接的电路。图20示出了多个相模块31以星形电路形式的布置。图21示出了多个相模块33的另一种布置。图22示出了具有多个相模块29的电路布置，其可以用于HVDC(高压直流电压传输)。

虽然细节上通过优选实施例详细图解和描述了本发明，但是本发明不限于公开的例子，并且可以由技术人员从中推导出其他变化，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置(10)，

其特征在于，

所述装置(10)具有：第一变流器CW，被构造用于补偿有功功率；以及串联连接的第二变流器CVAR，被构造用于补偿无功功率；其中由所述装置(10)提供或能够输出的电压相当于第一变流器CW与第二变流器CVAR的电压的总和。

2.按照权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述装置(10)具有控制单元(9)，其被构造用于测量高压电网中存在的电压和电流，并且将由第一变流器CW和第二变流器CVAR输出的电压规定为使得从高压电网接受或向高压电网馈入所需的有功功率P和无功功率Q。

3.按照权利要求2所述的装置，

其特征在于，

两个变流器CW和CVAR能够被所述控制单元(9)控制为使得第一变流器CW单独补偿有功功率，而第二变流器CVAR单独补偿无功功率。

4.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述第一变流器CW具有至少一个储能元件(17)或者与储能器连接。

5.按照权利要求4所述的装置，

其特征在于，

所述储能元件(17)被构造为电容器或双层电容器或电池。

6.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述第一变流器CW和/或第二变流器CVAR具有扼流圈。

7.按照权利要求2至6中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述控制单元(9)被构造为，将由第一变流器CW输出的电压调整为使得该电压的相位与流过该变流器的电流的相位相同或相反。

8.按照权利要求2至7中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述控制单元(9)将变流器CVAR控制为使得流过该变流器CVAR的电流被限制。

9.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

变流器CW和CVAR分别具有至少一个H桥。

10.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

变流器CW被构造为模块式的多级变流器，并且具有至少两个串联连接的H桥，所述H桥分别具有至少一个储能元件(17)。

11.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

变流器CVAR被构造为模块式的多级变流器，并且具有至少两个串联连接的H桥，所述H桥分别具有至少一个电容器(22)。

12.按照权利要求9至11中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述H桥由功率半导体开关构成。

13.按照权利要求9至12中任一项所述的装置，

其特征在于，

反并联连接的晶闸管(28)与变流器CW的各个H桥并联连接。

14.按照权利要求9至13中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述装置具有用于桥接变流器CW的H桥的开关，特别是半导体开关，其中，开关优选桥接多个串联连接的H桥。

15.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

所述装置具有用于桥接变流器CW的开关，其中，所述开关优选被构造为机械开关或半导体开关，特别是晶闸管开关。

16.按照以上权利要求中任一项所述的装置，

其特征在于，

变流器CVAR和CW分别被构造为三相的。

17.按照权利要求16所述的装置，

其特征在于，

变流器CVAR和CW按照星形电路或三角形电路连接。