CN1106063C - 补偿装置和使用一个补偿装置的输电*** - Google Patents

Abstract

一种与输电线(2a，2b)串联连接的补偿装置，其中输电线具有至少一个断路器(4)并且该补偿装置包括：至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元(13)，该补偿器具有一个直流电容器(8)和一个单相逆变器(7)，设置有一个预充电装置(PCM)，用于对所述至少一个补偿单元(13)的所述直流电容器(8)预充电。

Description

补偿装置和使用一个补偿 装置的输电***

本发明涉及一种补偿装置和一种使用这样一种补偿装置的输电***。特别是本发明涉及一种包括无变压器电抗串联补偿器的补偿装置。

为了增加输电的容量和使输电更稳定，典型地在输电***中使用补偿装置。通常一个补偿装置与包括一个断路器的输电线串联连接，并且该补偿装置包括至少一个补偿单元。每个补偿单元包括一个无变压器电抗串联补偿器，该无变压器电抗串联补偿器包括一个直流电容器和一个由自灭弧半导体构成的单相逆变器。

具体地说，在补偿单元中各个逆变器与对应的一个直流电容器连接。在这样的一个补偿装置中，在一个正常操作能够开始之前，直流电容器必须被预充电到一个规定的电压，该预充电通常由一个附加的预充电电路来进行或由一个流过一个输电线的线电流来进行。

本发明特别涉及补偿装置怎样能够利用一个简单电路结构的预充电电路对至少一个直流电容器有效预充电的问题。

近年来，在输电***中已经使用了几个不同补偿装置的例子来提供更稳定和更高效率的输电***。这种输电***被称为灵活的交流传输***(所谓的FACTS)。在补偿装置中通常使用半导体器件。这种半导体器件可以包括类似于可栅极关断晶闸管(所谓的GTOs)和栅极换流的可关断晶闸管(所谓的GCTs)的自灭弧半导体。此外，也可以利用绝缘栅双极性晶体管(所谓的IGBTs)。这些部件已经被应用到电力变换器中，例如补偿装置的逆变器中，并且根据调查：为了实现使输电***更稳定，在将来他们的应用将更广泛。

在FACTS***中使用一个包括无变压器电抗串联补偿器(所谓的TLRSC)的补偿装置。

图9示出了一种输电***，该输电***包括两个彼此通过输电线2a、2b连接的交流电力***1a和1b、一个补偿装置3，即一个TL-RSC3、和一个设置在交流电力***1b和输电线2b之间的断路器4。在输电线2a和2b之间设置TL-RSC3不仅增加了输电容量而且使该***更稳定。此外，TL-RSC3在两个输出端3a，3b上直接地与输电线2a、2b串联连接，而不用任何变压器。

图10示出了一个TL-RSC3的详细结构，如从下列两个现有技术中所得知的，在Proceedings of the Power Conversion Conference(PCC)-Nagaoka1997，pp.197-202中发表的文章“具有电压源逆变器的无变压器电抗串联补偿器”和EP98106780.4，这两个现有技术示出了权利要求1和13的前序部分。

在图10中，5a-5d表示自灭弧半导体、6a-6d表示与每个自灭弧半导体反相并联的续流二极管、7表示一个由自灭弧半导体5a-5d和续流二极管6a-6d构成的单相逆变器、8表示一个与单相逆变器7连接的直流电容器、9a和9b表示滤波电抗器、10表示一个滤波电容器，11表示一个由滤波电抗器9a，9b和滤波电容器10构成的滤波电路、12表示一个交流开关12。此外，13表示补偿装置TL-RSC3的一个补偿单元、14a和14b表示补偿单元13的两个输出端。

在图10中，自灭弧半导体5a表为与续流二极管6提分离的。然而，近年来已经发展了反向导通自灭弧半导体，该自灭弧半导体把在相同组件中的自灭弧半导体5a和续流二极管6a的功能结合起来。当该反向导通自灭弧半导体被应用到单相逆变器7时，在图10不需要续流二极管6a-6d。

虽然在图10中补偿装置TL-RSC3由一个补偿单元13构成时，但是图11示出了由几个补偿单元构成的补偿装置，它们由符号13a、13b、13c表示，这样的结构具有更大的功率补偿容量。在此，补偿装置TL-RSC3由几个级联的补偿单元13a-13c构成，它们串联连接在每个补偿单元13a、13b、13c的输出端14a和14b之间。当然，每个补偿单元13a-13c具有如在图10中所示的相同结构。通常，这种补偿单元典型地可以串联连接到10个。

如在图10中所示的，单相逆变器7与输电线2a，2b串联和间接地连接而不用任何变压器。也就是，逆变器7借助于串联***的滤波电路11与输电线2a，2b耦接。滤波电路11基本上消除了谐波失真，该谐波失真是由一个脉宽调制(所谓的PWM)控制操作的单相逆变器7产生的(如已知的，PWM控制被应用于在预定的时间间隔使逆变器7导通/关断)。当输电线2a，2b上受单相逆变器7的影响(即，考虑到阻抗匹配和/或由PWM控制在输电线上产生的峰值)非常小时，特别是在高PWM频率的情况下，滤波电路11可以被去消。因此，一个分离结构的滤波电抗器9a、9b是不必要的，它们之中的一个可以是足够的。

交流开关12被定义为这样一个开关，即在预定的导通/关断时间打开和闭合以便与端子14a，14b连接或分离并且当该开关被闭合时(即在一个导通状态下)也能够流过一个交流电流。EP98106780.4中公开这种用于起动和关闭一个补偿装置TL-RSC3的操作的交流开关12。

虽然利用具有一个TL-RSC3的补偿装置已经被提出用于新的FACTS***，但是由于电路本身的问题到目前为止未出现可有效操作的电路。在其正常的PWM操作期间，TL-RSC3控制流过输电线2a，2b的线电流并且单相逆变器7通过利用直流电容器8的电压来产生输出电压。

然而，在正常的PWM操作起动之前，直流电容器8上的电压是0，因此直流电容器8的预充电操作是需要的。因而，实现一个可工作的TL-RSC3主要地取决于提供有效的预充电技术，特别的关于用于预充电的单个补偿元件的费用、尺寸和重量，如在下面将要说明的。

首先，在图12中示出了一个用于三相逆变器的半桥电路，该半桥电路设置有用于直流电容器8的预充电电路。如在图12中所示的，该电路结构是一种并联电路结构，即通过把流过输电线2的每相(3相线路)中的电流分流出部分电流给对应的半桥电路并且因此提供给直流电容器来实现直流电容器8的预充电。预充电电路能够利用由输电线2来的电流对直流电容器8进行充电。

一个如在图12中所示的预充电电路在“Mitsubishi DenkiGihou，Vol.63，No.10，1989，pp.41”中被描述了。在此，该逆变器已经被应用到一个有源滤波器，以便减小输电线2中的谐波失真。如在图12中所示的，作为预充电电路，一个开关15a与对应的预充电电阻器16串联连接，另一个开关15b与开关15a和预充电电阻器16构成的电路并联连接。

在预充电操作期间，即在有源滤波器的正常PWM操作开始之前，开关15a导通而开关15b关断。因此能够获得由输电线2经过预充电电阻器16的功率(本质上是一个电流)，并对直流电容器8预充电。预充电电阻器16作为一个限流电阻器来工作。

在预充电操作周期之后，通过使开关15b导通来使预充电电阻器16被短路并且在同时开关15a应该被打开。

当在图12中使用的用于一个有源滤波器的并联型预充电电路被应用于一个补偿装置TL-RSC3，其中TL-RSC3特别具有如在图11中所示的多个结构时，需要许多预充电电阻器16(每个补偿单元3个)和许多辅助开关15a，15b(每个补偿单元2个)。此外，在TL-RSC3的正常操作期间，线电流流过开关15a。当把图12的并联型预充电电路应用到一个有源滤波器上时，流过开关15b的导通电流是一个补偿流入到输电***中的失真电流的电流(在图12中没有示出)。因此在有源滤波器的情况下，开关15b的导通电流是比较小的。

然而，另一方面，当把并联型预充电电路应用到一个包括无变压器电抗串联补偿器的补偿装置TL-RSC3中时，由于在输电***中存在大电流和高电压，所以由开关15b产生的导通状态的功率损耗是非常高的。

其次，在一个补偿单元13中使用一个滤波电路11，该滤波电路11特别包括一个滤波电容器10。设计滤波电容器10的容量以便减小由通过PWM控制来驱动的单相逆变器7产生的谐波失真。另一方面，在上述预充电操作期间(在预充电期间交流开关12是打开的)滤波电容器10与输电线2a，2b串联连接，并且滤波电容器10的容量在任何方式与输电线2a，2b的串联连接不匹配。因此，在图10中的串联型补偿装置3具有另外的缺点，即滤波电容器10的容量与输电线阻抗不匹配。因此，如果如在图12中所示的一个并联型预充电电路被应用到如在图10中所示的串联型补偿装置TL-RSC3中，那么在预充电期间滤波电容器10可以被过充电，它是由于滤波电路11的滤波电容器10的不匹配电容引起的。

如上所述，当常规的预充电技术被应用到TL-RSC3上时有些方面需要被考虑。也就是，对于每个补偿单元13来说需要许多预充电电阻器16。此外也需要许多分别连接或断开各个预充电电阻器16的开关15a，15b。此外，由于在输电***中存在大电流和高电压，所以对于流过线电流的开关15b来说需要相对大容量的冷却***。此外，为了解决滤波电容器10的过电压问题，滤波电容器10的容量必须被增加或滤波电容器10必须设置有一个限压装置。这些必须条件需要尺寸和昂贵的部件。因此它们使TL-RSC3本身尺寸大和昂贵，也就是，使用线电流为直流电容器预充电的并联型预充电电路不能被应用到串联型补偿装置上。

因此，本发明的一个目的是提供一种串联型(即，在输电线中串联设置的)补偿装置和一种利用该补偿装置的输电***，该补偿装置具有简单电路结构同时也允许对直流电容器进行有效的预充电，而没有上述与并联型预充电电路连接的缺点。

根据本发明，提供一种与输电线串联连接的补偿装置，其中输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，所述预充电装置包括：一个提供直流充电电压以便对所述直流电容器充电的预充电电路、使所述预充电电路与所述直流电容器分离/连接的第一开关、使所述单相逆变器与所述输电线分离/连接的第二开关和一个用于控制所述开关的预充电控制器，以致于在预充电操作期间使所述预充电电路与所述直流电容器连接，同时所述直流电容器与所述补偿单元的输出端分离，而在预充电操作结束之后控制所述开关，以致于使所述直流电容器与预充电电路分离，但使所述直流电容器与所述补偿单元的输出端连接。

根据本发明的另一方面，提供一种与输电线串联连接的补偿装置，其中输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，所述预充电装置包括：一个交流开关，该交流开关具有一个第一端和一个第二端，它们与所述至少一个补偿单元的输出端连接、和一个交流开关控制器，在流过所述输电线的线电流过零之后交流开关控制器使所述交流开关关断一个时间间隔。

根据本发明的再一方面，提供一个输电***，包括：两个彼此通过输电线连接的交流电力***；至少一个***在所述输电线中的断路器；一个或多个***在所述输电线中的补偿装置，一个补偿装置与输电线串联连接，输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，所述预充电装置包括：一个提供直流充电电压以便对所述直流电容器充电的预充电电路、使所述预充电电路与所述直流电容器分离/连接的第一开关、使所述单相逆变器与所述输电线分离/连接的第二开关和一个用于控制所述开关的预充电控制器，以致于在预充电操作期间使所述预充电电路与所述直流电容器连接，同时所述直流电容器与所述补偿单元的输出端分离，而在预充电操作结束之后控制所述开关，以致于使所述直流电容器与预充电电路分离，但使所述直流电容器与所述补偿单元的输出端连接。

根据本发明又一方面，提供一个输电***，包括：两个彼此通过输电线连接的交流电力***；至少一个***在所述输电线中的断路器；一个或多个***在所述输电线中的补偿装置，一个补偿装置与输电线串联连接，输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，所述预充电装置包括：一个交流开关，该交流开关具有一个第一端和一个第二端，它们与所述至少一个补偿单元的输出端连接、和一个交流开关控制器，在流过所述输电线的线电流过零之后交流开关控制器使所述交流开关关断一个时间间隔。

本发明的其它的优选实施例和改进在从属权利要求给出了。下面将参照实施例和附图来描述本发明。

图1(1)示出了根据本发明的具有一个预充电装置PCM的补偿装置的原理方框图；

图1(2)示出了根据本发明的第一实施例的一个补偿装置，该第一实施例被应用到补偿装置包括3个补偿单元13a，13b，13c的一个例子中；

图2示出了可适应于例如在图1(2)中的补偿装置的预充电电路20；

图3示出了根据本发明的第二实施例的一个补偿装置；

图4示出了根据本发明交流开关的控制方法；

图5示出了根据本发明的一个交流开关12的实施例，该交流开关12由两个反向并联连接的晶闸管构成；

图6(1)示出了根据本发明的另一个交流开关12的实施例，该交流开关12由四个晶闸管和一个限流装置31构成；

图6(2)示出了根据本发明的另一个交流开关12的实施例，该交流开关12由六个晶闸管和一个限流装置31构成；

图6(3)示出了根据本发明的另一个交流开关12的实施例，该交流开关12由五个晶闸管和一个限流装置31构成；

图6(4)示出了在整流器(作为逆变器7的一部分)之前和之后的波形，该整流器用于在图6(1)，6(2)，6(3)中所示的交流开关12的实施例。

图7(1)示出了一个栅极驱动电源电路的实施例；

图7(2)示出了一个常规的栅极驱动电源电路的例子，该电源电路包括一个绝缘变压器；

图7(3)示出了在图7(1)中解释的一个栅极驱动单元39的例子；

图8示出了直流电容器的一个预充电操作；

图9示出了根据现有技术的一个补偿装置的应用；

图10示出了根据现有技术的一个无变压器电抗串联补偿器的结构图；

图11示出了根据现有技术的多结构的补偿装置；

图12示出了根据现有技术的一个预充电电路。

图1(1)示出了根据本发明的一个补偿装置3，该补偿装置3与输电线2a，2b串联连接，该输电线2a，2b具有至少一个断路器(例如在图9参考符号为4)，该补偿装置3包括一个补偿单元13，补偿单元13包括一个具有直流电容器8和单相逆变器7的无变压器电抗串联补偿器(此后称为一个TL-RSC)，其中单相逆变器7最好由自灭弧半导体5a，5b，5c和5d(如在图10中所示的)构成。

应该指出的是：用于逆变器的其它结构也可以被利用，以致于本发明不限于仅利用自灭弧半导体。此外，本发明不限于只具有一个补偿单元的补偿装置，而本发明的原理也可以被应用到具有级联的补偿单元的补偿装置，如在图11和12中所示的(将在下面解释)。

图1(1)示出了具有一个预充电装置的补偿装置。如在图1(1)中所示的，预充电装置基本上既可以与单个补偿单元13单独地被设置，或可以与多个补偿单元13单独地被设置，如用PCM(1)表示的。预充电装置PCM(1)涉及如在下面描述的第一实施例。

另一方面，预充电装置实际上可以被设置在输电线2a，2b与逆变器7之间，如用PCM(2)表示的。预充电装置PCM(2)利用从输电线2a，2b来的功率对直流电容器8进行充电并且涉及如在下面详细描述的第二实施例。

根据另一个实施例，预充电装置PCM(1)和PCM(2)也可以结合起来被使用。

如果具有几个级联的补偿单元，如在图11中所示的，那么预充电装置PCM(1)可以对每个单元中的各个直流电容器8进行充电，即对于所有的补偿单元能够公共地设置PCM(1)。另一方面在级联的补偿单元的情况下，在每个补偿单元中单独地设置预充电装置PCM(2)。

由于单独地设置一个独立的预充电装置PCM(1)，所以在此可以进行预充电而不利用如在图12中所示的一个预充电电阻器16。预充电装置PCM(1)最好是一个能够输出直流电压的变换器，以便对直流电容器进行充电。因此，部件的数量可以被减小并且由常规电阻器16产生的功率损失可以被避免。

由于设置了一个预充电装置PCM(2)，所以也能够进行预充电而不利用如在图12中所示的一个预充电电阻器16。如将在下面看到的，预充电装置PCM(2)利用线电流和一个特殊控制的交流开关对直流电容器进行预充电。

在设置预充电装置PCM(1)和预充电装置PCM(2)之后的普通想法当然是避免如在现有技术中的预充电电阻器，即设置一个单独的预充电装置，该预充电装置不产生功率损耗或阻抗不匹配。预充电装置PCM(1)和预充电装置PCM(2)通过在补偿单元中***只用于预充电的元件能够解决这个问题，该元件与开关或电流/电压检测器一样不损耗能量。

下面将详细描述预充电装置PCM(1)和预充电装置PCM(2)的实施例。此后，如果描述涉及到第一实施例，那么符号PCM表示PCM(1)，如果描述涉及到第二实施例，那么符号PCM表示PCM(2)。第一实施例

图1(2)示出了根据本发明的第一实施例的一个补偿装置3，该补偿装置3与输电线2a，2b串联连接，该输电线2a，2b具有至少一个断路器4，该补偿装置3包括三个串联连接的补偿单元13a，13b，13c，每个补偿单元包括一个由直流电容器8和单相逆变器7构成的无变压器电抗串联补偿器(此后称为一个TL-RSC)，其中单相逆变器7最好由自灭弧半导体5a，5b，5c和5d(如在图11中所示的)构成。如上所述，本发明不限于具有三个级联的补偿单元的补偿装置，而本发明的原理也可以被应用到只具有一个补偿单元的补偿装置，如在图1(1)中所示的。在图1(2)中，每个补偿单元13a，13b，13c包括一个如在图1(1)中(或图10中)所示的基本电路结构。

在图1(2)中，预充电装置包括一个预充电电路20、两个开关17a，17b，它们的一端分别与一个直流电容器8连接，另一端分别与正输入端18a和负输入端18b连接，其中正输入端18a和负输入端18b分别与预充电电路20的正输出端21a和负输出端21b连接、另外两个开关19a，19b，它们分别与补偿单元13a，13b，13c的输出端14a和14b连接、和一个预充电控制器22，该预充电控制器22控制开关17a，17b，19a，19b，交流开关12和断路器4，如在下面将要详细描述的。

把图1(1)和图1(2)结合起来看，第一开关17a，17b被设置在直流电容器8与预充电电路20之间，在预充电电路20的端子21a，21b上提供输出电压，而第二开关19a，19b被设置在端子14a，14b和滤波电路11之间或设置在滤波电路11和逆变器7之间，或设置在逆变器7和直流电容器8之间，以便在预充电操作期间使直流电容器8与输电线2a，2b(也就是，每个补偿单元的输出端14a，14b)分离，如在下面将要看到的。

预充电电路20的一个优选实施例是能够输出一个直流电压的变换器，以便对直流电容器8进行预充电。图2示出了预充电电路20的一个具体的例子，该预充电电路20非常简单。由一个变压器23提供一个交流电压并且一个二极管整流桥输出一个直流电压给正输出端21a，21b。可以设置一个限流电阻器25来减小在一个预充电操作期间的起动电流。利用变压器23来确定预充电电压的幅值和利用限流电阻器25的阻值和直流电容器8的容量来确定一个时间常数。

下面描述根据在图1(2)中的预充电电路的预充电过程。在预充电之前，利用预充电控制器22使开关17a，17b，19a，19b(直流电容器8与补偿单元13a的输出端14a，14b是分离的)和交流开关12被设置在关断状态。在预充电控制器22接收一个由主控制器(在图1(2)中没有示出)来的预充电指令之后，预充电控制器22首先闭合开关17a，17b。然后，预充电电路20对与输出端21a，21b连接的所有直流电容器8进行充电。在预充电操作完成之后，预充电控制器22打开开关17a，17b，接通交流开关12并且闭合开关19a，19b，然后闭合断路器4。线电流借助于断路器4开始流过输电线2a，2b。在这之后，可以利用交流开关12的一个预定控制使每个补偿单元13a，13b，13c(或当补偿装置只包括一个如在图1(1)中所示的单个补偿单元时，为单个补偿单元13的操作)的开始操作，例如以在EP98106780.4中描述的方式进行操作，在该专利文献中公开的内容在此作为参考被引用。

在预充电操作期间，如果补偿装置包括几个补偿单元13a，13b，13c，如在图1(2)中所示的(不仅在图1(1)中所示的一个补偿单元)，那么预充电控制器22能够选择所有开关17a，17b之外的一个或几个开关，同时断路器4仍然防止功率(实际上为电流)从输电线2a，2b流到直流电容器8中。由于在预充电操作期间，预充电控制器22打开开关19a，19b和/或断路器4，所以在正常操作期间具有不同电压差的多个直流电容器8(或如果补偿装置仅包括一个如在图1(1)中所示的单个补偿单元，那么只有一个直流电容器8)能够同时与预充电电路20的输出端21a，21b并联连接(如在图1(1)的概要图中主要解释的)。

虽然在图1(2)中只考虑了三相输电线(如在图12中表示的)中的一相，但是根据本发明的另一个实施例，通常，预充电电路20最好能够与为每相单独设置的补偿单元13a，13b，13c的几个直流电容器8并联连接，并且能够为每个单独设置的直流电容器预充电。

在图1(2)中的预充电电路20与位于相同相中的几个直流电容器8连接。然而，它也能够使预充电电路20与位于其它相上的其它直流电容器8连接。

如参照图1(1)和图1(2)所描述的，本发明的预充电装置PCM进行一个控制，以便使各个直流电容器8与补偿装置的其它电路部件和输电线分离，并且在预充电操作期间由预充电电路20独立地用一个直流电压对直流电容器8进行充电，该直流电压是与输电线单独设置的。第二实施例

在图1(2)中，作为一个实施例，预充电装置PCM包括一个单独设置的预充电电路20，该预充电电路20例如由根据图2的变换器来构成，该变换器包括一个变压器23和一个二极管整流器24，该二极管整流器24用于提供直流预充电输出电压。下面描述在图1(1)中所示的一个预充电装置PCM(2)的第二实施例，在该实施例中没有利用在图1(2)中所示的预充电电路20。

图3示出了补偿单元13，该补偿单元13包括一个预充电装置，该预充电装置允许由输电线2a，2b来提供一个预充电功率(电流和电压)，以便对直流电容器8进行预充电。该预充电装置包括一个检测交流开关12的一个外加电压V的电压检测器26、一个检测线电流I的过零点的电流检测器27和一个交流开关控制器28，该交流开关控制器28接收从电压检测器26和从电流检测器27来的两个输出信号i，v和接收从一个主控制器(没有示出)来的在信号线上传送的预充电指令，并且根据这些信号来控制交流开关12。

交流开关控制器28能够在预定的导通和/或关断时间上把交流开关12控制到它的关断(打开)或导通(闭合)状态，并且当交流开关12被控制到它的导通状态时，一个交流电流能够流过交流开关12。当交流开关12被控制到它的导通状态时，电流检测器27的一个输出i不仅表示线电流而且也表示交流开关12的一个电流。最好，电流检测器27只检测交流开关12的电流，并且只要它能够检测到交流开关12的电流，它能够被安装在任何合适的位置上。

下面详细描述在图3中所示电路的操作。由于交流开关12上的电压也被提供单相逆变器(通过滤波电抗器9a，9b)，所以实际上单相逆变器7的一个输入电压基本上等于交流开关12的外加电压V。当所有自灭弧半导体5a-5d被保持在关断状态时，由于设置了续流二极管6a-6d，所以单相逆变器7能够作为一个单相二极管整流器***作，因此，由于电压V将被传送、整流和作为一个预充电直流电压被提供给直流电容器8，所以交流开关12上出现的交流电压V能够被用于直流电容器8的预充电操作。

利用交流开关控制器28来进行预充电操作，如在图4中所示的。首先，在给交流开关12一个导通指令之后，断路器4被闭合。就在交流开关12刚刚闭合之后，一个线电流开始流过输电线2a，2b和交流开关12。虽然该线电流暂时包含一个过电流，但是该过电流由在输电线2a，2b等中的内部电阻器消除掉。在交流开关控制器28借助于信号传输线29接收一个预充电指令之后，交流开关控制器28给交流开关12发出一个开关信号，如在图4中上面的曲线所示的。在此，由开关信号的导通/关断状态进行的控制包括一个延迟时间“alfa”，该“alfa”被定义为从线电流I的每个过零点开始的相位控制角。

在延迟时间alfa之内交流开关12打开，因此线电流I对滤波电容器10进行充电，以致于在该相位控制角期间在交流开关12上产生一个电压V。由于这个电压V也是单相逆变器7(它作为如上所述的单相二极管整流器来操作)的输入电压，所以利用这个输入电压V对直流电容器8充电。

如在图4中下面的曲线所示的，由于相位控制角alfa，所以使交流开关12的外加峰值电压Vth能被控制。因此，利用相位控制角alfa能够控制直流电容器8的预充电电压的幅值和预充电操作期间的时间常数。由于允许一个预定的最大电压Vth被提供给直流电容器(例如由直流电容器的击穿电压来限制)，所以相位控制角alfa(即在线电流过零之后的延迟时间)是从线电流过零时的时间到交流开关12的电压达到预定的电压Vth时的时间的一个时间间隔，同时在该时间间隔中的电压被用作为直流电容器8的预充电电压。

在预充电操作被完成之后，补偿装置3的交流开关控制器28能够进行起动操作，如在EP98106780.4中公开的。最好交流开关12在线电流过零时被关断，以致于线电流从交流开关12被转换到单相逆变器7。

如在图4中上面曲线所示的开关信号产生一个交流电压作为提供给逆变器7的输入电压V。交流开关控制器28每隔一个线电流周期能够输出一对开关信号。然后提供给单相逆变器7的输入电压V变为一个直流电压。

如上所述，在第二实施例中，由于当电流检测器27检测到线电流过零时交流开关控制器28打开交流开关12(或交流开关自动地打开，如在此后参照图5所描述的)，当电压检测器26在交流开关12上检测到一个预定电压Vth时交流开关控制器28再次闭合交流开关12，所以在闭合断路器4之后由输电线来的线电流能够被用于对直流电容器8充电。

如上所述，值“alfa”能够是一个固定的“恒定”预定值或它可以是一个取决于直流电容器8的电压的可变化和可控制的值。第三实施例

图5示出了一个适合于图13中的补偿单元13的交流开关12的优选实施例。交流开关12由两个反向并联连接的晶闸管30a，30b构成。通常，一个单个晶闸管具有取决于施加电压的一个限定的导通时间，然而，它没有限定的关断时间。因此，如果当晶闸管导通电流时晶闸管的导通信号被消除，那么当导通电流等于零时该晶闸管自动地被关断。因此，交流开关控制器28最好在如图4中所示的导通状态期间取消导通信号，并且由于晶闸管30a，30b的关断特性，所以在线电流I过零时在图5中所示的交流开关12自动地关断。然后，在交流开关12上开始产生如在图4中所示的电压。因此，在补偿装置3设置有如在图5中所示的交流开关12的情况下，不再需要电流检测器27。

此外，最好交流开关12的晶闸管30a，30b不是电触发的晶闸管而是光触发的晶闸管。其原因是：在正常操作期间补偿装置TL-RSC3应该从地电位开始浮动并且晶闸管30a，30b的栅极电路也应该与地电位绝缘。当把作为交流开关12的晶闸管提供给补偿装置3时，该晶闸管的绝缘水平是非常高的。一方面，如果利用电触发晶闸管，那么需要巨大的绝缘变压器来使栅极电路与地电位绝缘。因此，如果利用光触发晶闸管，那么能够消除绝缘变压器，其原因是直接地利用一个激光源能够使光触发晶闸管导通。第四实施例

应该指出的是：在图4中当交流开关12的外加电压V不是零时，即当滤波电容器10保持一定的电压时，在此时交流开关12首先被导通。在交流开关12的导通操作中，相对大的放电电流从滤波电容器10流入到交流开关12中。然而，放电电流仅出现在预充电操作期间。因此相位控制角alfa最好被设置到尽可能靠近零、180°、或360°值上。

然而，也需要防止交流开关12避免由滤波电容器10流过来的放电电流。这种保护的一个例子是把限流装置(最好是一个具有非线性电阻特性的电阻器)***到一个电路中，放电电流流过该电路。这样一种保护装置在Proceeding of the European Power Electronics and Drives Association(EPE)`97，Vol.1，pp.106-111中发表的文章“利用用于模件的电力拖动变换器的IGBT技术的集成功率模件”中已经描述了，并且它被称为一个特殊的短路限流器(SCCL)。因此，根据本发明的另一个实施例，一个SCCL能够直接地与滤波电容器10连接。

在图6(1)中示出了根据本发明的第四实施例的用于保护交流开关12的另一种保护技术。在交流开关12本身之内，交流开关12与一个限流装置31成为一体，例如一个电阻器和/或一个电抗器。在图6(1)中所示的交流开关12的结构是利用两个在阳极上串联连接的晶闸管30a，30b和两个在阴极上串联连接的晶闸管30c，30d构成的，同时限流装置31被设置阳极和阴极之间。

另一方面，在图6(2)中示出了根据本发明的第四实施例的用于保护交流开关12另一种保护技术。这个交流开关12包括六个晶闸管。在这种情况下，在图6(2)中所示的交流开关12具有两种操作方式。在本发明的预充电期间，四个晶闸管30a，30d，30e，30f被选择，以致于在转换期间交流开关12能够呈现一个打开和一个闭合状态，而利用交流开关控制器使两个晶闸管30b，30c保持在一个关断(打开)状态。具体地说，在预充电期间一对晶闸管30a和30f与另一对晶闸管30d和30e分别地被控制以便分别地呈现相同的开关状态，导通和关断。

另一方面，在下列预充电操作的正常操作期间，为了开关转换选择四个晶闸管30a，30b，30c，30d，另两个晶闸管30e，30f保持在一个关断状态。然后，一对晶闸管30a和30b与另一对晶闸管30c和30d同时分别地被控制并且被设置到相同的开关状态，导通和关断。

因此，由于在两种不同的操作方式中选择不同的晶闸管，所以当交流开关12被闭合时，只有在预充电操作期间，限流装置31使线电流导通，另一方面，在正常操作期间在限流装置31内产生不固定的功率损耗。

如参照图6(2)进行描述的，两个晶闸管30e和30f需要实现如在图4中所示的在0°和180°上具有两个转换的开关信号图形。然而，如果每360°间隔只一次开关被进行，那么由线电流的每个周期中的一对开关信号中的一个开关信号提供给交流开关12就足够了，如上所述。在这种情况下，如在图6(3)所示的，能够只利用一个晶闸管30e。接着，在预充电操作期间，特别是在线电流的半个周期中，两个晶闸管30d和30e被选择。此外，在另半个周期中，两个晶闸管30a和30b被选择。该控制与在图6(2)中所示的控制基本上是相同的，只是由于设置了晶闸管30e，所以在每个整个周期中只进行一次开关。

图6(4)示出了在整流器之前和之后的波形图，如上所述，由于设置了续流二极管6a-6d，所以对于上述在图6(1)，6(2)，6(3)中所示的交流开关12来说，单相逆变器7能够作为一个单相二极管整流器***作。在每种结构中，利用每360°(图6(1)，6(2))两个电压脉冲或每360°(图6(3)一个电压脉冲对直流电容器8充电。第五实施例

在正常操作(即PWM控制)期间，补偿装置TL-RSC3是一种完全与地电位浮动的状态。因此，在补偿单元13中的单相逆变器7的自灭弧半导体5a-5d处于相同的状态。通常，每个自灭弧半导体5具有一个栅极驱动单元并且由一个高频电压源电路给栅极驱动单元提供所需的栅极功率，该高频电压源电路被设置到接近地电位。如上所述，为了进行单相逆变器7的PWM控制，需要栅极驱动单元和给栅极驱动单元提供栅极功率的高频电压源电路。

由于高频电压源电路被设置到接近地电位，所以需要一个绝缘变压器以便把由电压源电路来的栅极功率提供给栅极驱动单元，如在图7(2)中所示的。在补偿装置TL-RSC3在情况下，绝缘变压器必须具有非常高的绝缘电压等级(由于在输电线上的高电压和大电流)和非常大的尺寸。

为了解决这个问题，根据本发明的一种栅极驱动电源电路如在图7(1)中所示的被构成，该栅极驱动电源电路能够由设置到浮动电位的主电路提供栅极功率。在EPE`97，Vol.1，pp.576-581中发表的文章“用于串联连接的GTO阀的使用缓冲电容器能量的新颖的栅极电源电路”中描述了这种栅极驱动电源电路。

在图7(1)中，一个自灭弧半导体5和一个续流二极管6反向并联连接。一个由缓冲电容器32和一个缓冲二极管33构成的串联电路与自灭弧半导体5并联连接，其中缓冲二极管33以与自灭弧半导体5导通电流相同的方向导通电流。一个缓冲电阻器34与缓冲二极管33并联连接。由预充电电阻器38和供电二极管37构成的串联电路也与续流二极管6并联连接，其中供电二极管37以与续流二极管6导通方向相同的方向被连接。供电二极管37的阳极与自灭弧半导体5的阴极连接，而缓冲二极管33的阴极与续流二极管6的阳极连接。一个由供电电阻器36和供电电容器35构成的串联电路连接在缓冲电容器32和缓冲二极管33的节点与预充电电阻器38和供电二极管37的节点之间。一个栅极驱动单元39与自灭弧半导体5和供电电容器35的两端连接。

在图7(3)中示出了栅极驱动单元39的一个更具体的例子。该栅极驱动单元39包括一个导通栅极驱动电路部分和一个关断栅极驱动电路部分，它们分别由一个DC-DC变换器DC1，DC2和电容器C1，C2，C3构成。在该逆变器的PWM控制期间，由晶体管T1，T2构成的两个开关给自灭弧半导体5提供导通/关断触发信号。这两个栅极驱动电路跟随着由一个PWM控制产生的导通/关断开关指令。这两个栅极驱动电路需要功率以便产生用于导通/关断操作的的栅极电流。在图7(1)和7(3)中，由供电电容器35提供这个功率。相反，在图7(2)所示的现有技术中，由高频电压源电路HFVS提供这个功率。为了防止供电电容器35过载和为了保持供电电容器35上的电压恒定，因此需要一个过电压保护电路。

因而，在图7(1)中，在自灭弧半导体5的导通操作时，在缓冲电容器32上获得的能量被传送给供电电容器35，并且从供电电容器35上能够获得在栅极驱动单元39中损耗的栅极功率。

在自灭弧半导体5的第一开关操作(在正常操作期间)之前，需要通过预充电电阻器38来获得栅极功率，以便不仅维持自灭弧半导体5的稳定关断状态，即获得一个栅极关断偏移电压，也进行第一开关操作。为了减小自灭弧半导体5的漏电流，该关断偏移电压是必要的。因此，在TL-RSC3设置有如在图7(1)所示的栅极驱动电源电路的情况下，在单相逆变器7起动之前直流电容器8必须保持相对高的电压。

由于预充电技术不仅能够对直流电容器8进行预充电，也能够在同时对供电电容器35进行预充电，所以上述在图3和4中所示的利用交流开关12对直流电容器8进行预充电的技术允许在TL-RSC3中使用图7(1)中的栅极驱动电源电路。因此，TL-RSC3不需要利用一个高频电压源电路，该高频电压源电路包括具有非常高的绝缘电压等级的绝缘变压器，如上所述。由于在图7(1)中的电路基本上与自灭弧半导体5分别并联连接，所以预充电技术不仅能够对直流电容器8进行充电也能够对供电电容器进行充电，并且在图7(1)中不需要绝缘变压器的电路能够被用作为一种栅极驱动电源电路。在这种情况下，借助于输电线2a，2b能够从交流电力***1a，1b获得对直流电容器8和供电电容器35进行充电所需要的所有功率。

图8示出了当图3中的TL-RSC3设置有在图7(1)中所示的栅极驱动电源电路时利用交流开关12的预充电操作(应该指出的是：每个自灭弧半导体5a-5d设置有一个如在图7(1)中所示的电路)。

从图8的上端到下端，第一个波形是线电流波形，第二个波形是单相逆变器7的电流波形，第三个波形是交流开关12的电压波形和第四个波形是直流电容器8的电压波形。

在t＝)时，特别是当交流开关12保持导通状态时，断路器4被闭合。在时间从t＝0到t＝t1期间，交流开关12使线电流导通，该线电流开始流过输电线2a，2b，然后交流开关12保持导通状态。

接着，在时间从t＝t1到t＝t2期间，由如在图4中所示的相位控制角alfa来操作交流开关12以便对直流电容器8预充电。在t1＜t＜t2时，直流电容器8的充电电压从0`逐渐地增加到额定电压的预定值(在此该预定值被设置到取决于相位控制角alfa长度的10`)。

从t2向前，交流开关12的峰值电压被箝位到一个恒定值。因此，在达到10％的额定电压之后，从t＝t2到t＝t3，构成单相逆变器7的自灭弧半导体5a-5d能够利用如在图7(1)中所示的栅极驱动电源电路的栅极驱动单元39执行正常的开关操作(即PWM控制)。然后，根据一个直流电压控制器(在此没有示出)直流电容器8的电压增加到额定电压，即从10％上升到100％。

在t＝t3之后，当已经达到直流电容器8的额定电压时，由于直流电容器已经被充电到它的正常操作电压，所以TL-RSC3能够进行正常的开关操作。通过控制在线电流与单相逆变器7的输出电压之间的相位差能够与一个误差成比例地调整直流电容器8的电压，该误差是在直流电容器8的测量值与直流电压控制器的指令值之间的一个误差。第六实施例

根据在图1(2)中的实施例，在图1(1)中的预充电装置PCM(1)包括一个预充电电路20，图2示出了一个低费用的预充电电路20的实施例。然而，利用一种晶闸管变换器或其它功率变换器能够代替二极管整流器24。如果单相逆变器7是一个三电平单相逆变器，那么预充电电路20输出三电平直流电压。

图5和图6(1)-(3)仅示出了本发明的交流开关12的基本实施例，在实际应用中，此外最好利用附加的保护电路。一些常规的保护电路是有用的。例如，当交流开关12被导通时可以利用限制di/dt的阳极电抗器和当交流开关12被关断时可以利用限制dv/dt的缓冲电路。由于与直流电容器8的电压成正比，所有可以想象晶闸管30由一些串联连接的晶闸管构成，即晶闸管阀构成。

图7(1)示出了栅极驱动电源电路的一个例子，该栅极驱动电源电路能够有效地被用在图3的补偿装置3中。然而，如果能够从直流电容器8直接地或间接地得到栅极功率，那么另一种栅极驱动电源电路能够被应用到TL-RSC3上。

此外，例如在图1(1)，1(2)和图9中，在输电线2b和交流***1b之间只连接一个断路器4。然而，在输电***中也能够设置几个(可以串联连接的)断路器4。

如根据这些实施例所理解的，根据本发明能够减小预充电电阻器，其原因是预充电电路能够同时对多个直流电容器进行预充电。因此能够实现使TL-RSC更便宜。

根据本发明，由于利用交流开关控制能够对直流电容器进行充电，所以能够消除附加的预充电电路。因此能够实现使TL-RSC更小型化和更便宜。

根据本发明，由于交流开关能够由反向并联连接晶闸管构成，所以能够消除用于检测线电流的电流检测器。因此能够实现使TL-RSC更便宜。

此外，由于晶闸管是光触发晶闸管，所以能够消除晶闸管的绝缘变压器。因此能够实现使TL-RSC更小型化。

根据本发明，由于利用交流开关对直流电容器进行预充电的技术能够同时对栅极驱动电源电路的供电电容器和补偿单元的直流电容器进行预充电，所以能够把栅极驱动电源电路应用到TL-RSC上。因此能够实现使TL-RSC具有更多的功能。

根据本发明，能够减少或消除一部分TL-RSC的部件。因此能够实现使TL-RSC更小型化和更可靠。

最后，在把一个TL-RSC引入到输电***中的情况下，利用更少的费用能够实现使输电***更可靠。

本发明不限于上述的实施例，这些实施例目前作为本发明的最好的方式并且它们只作为本发明的原理的一般解释。利用上述没有描述的其它的实施例也能够实现根据本发明的补偿装置，这些其它实施例都属于本发明的保护范围之内，如在独立权利要求中所限定的。特别是，该补偿装置能够包括把各个权利要求的每个单个特征结合构成的特征。

在权利要求、说明书和附图中使用参考符号只作为说明的目的以便便于理解本发明，这些符号并不限制本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种与输电线串联连接的补偿装置，其中输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；

其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，

所述预充电装置包括：一个提供直流充电电压以便对所述直流电容器充电的预充电电路、使所述预充电电路与所述直流电容器分离/连接的第一开关、使所述单相逆变器与所述输电线分离/连接的第二开关和一个用于控制所述开关的预充电控制器，以致于在预充电操作期间使所述预充电电路与所述直流电容器连接，同时所述直流电容器与所述补偿单元的输出端分离，而在预充电操作结束之后控制所述开关，以致于使所述直流电容器与预充电电路分离，但使所述直流电容器与所述补偿单元的输出端连接。

2.根据权利要求1的补偿装置，其特征在于所述单相逆变器包括自灭弧半导体。

3.根据权利要求1的补偿装置，其特征在于设置几个补偿单元，每个补偿单元包括一个直流电容器并设置对应的开关，以便对每个直流电容器分别地进行所述连接/分离控制，以及所述的预充电电路同时对所有并联连接的直流电容器进行预充电。

4.根据权利要求1的补偿装置，其特征在于所述预充电电路包括一个变换器。

5.一种与输电线串联连接的补偿装置，其中输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；

其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，

所述预充电装置包括：一个交流开关，该交流开关具有一个第一端和一个第二端，它们与所述至少一个补偿单元的输出端连接、和一个交流开关控制器，在流过所述输电线的线电流过零之后交流开关控制器使所述交流开关关断一个时间间隔。

6.根据权利要求5的补偿装置，其特征在于所述交流开关包括至少两个反向并联连接的晶闸管。

7.根据权利要求5的补偿装置，其特征在于所述交流开关包括四个晶闸管和一个限流装置，第一和第二晶闸管的阴极在一个第一串联连接节点上被连接在一起，第三和第四晶闸管的阳极在一个第二串联连接节点上被连接在一起，所述第一晶闸管的阳极和所述第三晶闸管的阴极与所述交流开关的所述第一端连接，所述第二晶闸管的阳极和所述第四晶闸管的阴极与所述交流开关的所述第二端连接，所述限流装置被连接在所述第一和第二串联连接节点之间。

8.根据权利要求5的补偿装置，其特征在于所述交流开关包括5个晶闸管和一个限流装置，第三晶闸管的阴极与第四晶闸管的阳极连接，第二晶闸管的阴极与第一晶闸管的阳极连接，所述第一晶闸管的阴极和所述第三晶闸管的阳极与所述交流开关的所述第一端连接，所述第二晶闸管的阳极和所述第四晶闸管的阴极与所述交流开关的所述第二端连接，第五晶闸管与所述第一晶闸管反向并联连接，所述限流装置被连接在所述第一晶闸管的阳极和第三晶闸管的阴极之间。

9.根据权利要求8的补偿装置，其特征在于所述交流开关包括六个晶闸管，其中第六晶闸管与所述第四晶闸管反向并联连接。

10.根据权利要求2的补偿装置，其特征在于每个所述的自灭弧半导体具有一个栅极电源装置，用于把由所述直流电容器来的栅极电源直接地或间接地提供给每个自灭弧半导体的栅极驱动单元。

11.一个输电***，包括：

两个彼此通过输电线连接的交流电力***；

至少一个***在所述输电线中的断路器；

一个或多个***在所述输电线中的补偿装置，一个补偿装置与输电线串联连接，输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；

其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，

所述预充电装置包括：一个提供直流充电电压以便对所述直流电容器充电的预充电电路、使所述预充电电路与所述直流电容器分离/连接的第一开关、使所述单相逆变器与所述输电线分离/连接的第二开关和一个用于控制所述开关的预充电控制器，以致于在预充电操作期间使所述预充电电路与所述直流电容器连接，同时所述直流电容器与所述补偿单元的输出端分离，而在预充电操作结束之后控制所述开关，以致于使所述直流电容器与预充电电路分离，但使所述直流电容器与所述补偿单元的输出端连接。

12.根据权利要求11的***，其特征在于所述单相逆变器包括自灭弧半导体。

13.根据权利要求11的***，其特征在于设置几个补偿单元，每个补偿单元包括一个直流电容器，并设置对应的开关，以便对每个直流电容器分别地进行连接/分离控制，以及所述的预充电电路同时对所有并联连接的直流电容器进行预充电。

14.根据权利要求11的***，其特征在于所述预充电电路包括一个变换器。

15.一个输电***，包括：

两个彼此通过输电线连接的交流电力***；

至少一个***在所述输电线中的断路器；

一个或多个***在所述输电线中的补偿装置，一个补偿装置与输电线串联连接，输电线具有至少一个断路器并包括至少一个具有一个无变压器电抗串联补偿器的补偿单元，该补偿器具有一个直流电容器和一个单相逆变器；

其特征在于：一个预充电装置，用于对所述至少一个补偿单元的所述直流电容器预充电，

所述预充电装置包括：一个交流开关，该交流开关具有一个第一端和一个第二端，它们与所述至少一个补偿单元的输出端连接、和一个交流开关控制器，在流过所述输电线的线电流过零之后交流开关控制器使所述交流开关关断一个时间间隔。

16.根据权利要求14的***，其特征在于所述交流开关包括至少两个反向并联连接的晶闸管。

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