CN113056854B - 无相电抗器的statcom装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种STATCOM装置(l)，其包括MMC(2)和被设置为MMC(2)和AC电网之间的接口的变压器装置(3)装置。MMC(2)以Y形拓扑与多个换流器臂(5)连接，AC电网的每一相各一个换流器臂，每个臂包括多个链式链接换流器单元。变压器装置(3)被设置为将MMC(2)的臂中的每一个与电网的相应相接合，并且被设置为对于换流器臂中的每一个产生引起与臂串联的电抗的漏抗，这消除对与所述臂串联的相电抗器的需要。

Description

无相电抗器的STATCOM装置
技术领域
本公开涉及包括经由变压器连接到交流(AC)电网的模块化多电平链式链接变换器(MMC)的静止同步补偿器(STATCOM)。
背景技术
MMC STATCOM现在通常具有三角形(Δ)拓扑，其中，每个臂(有时也称为桥臂(leg)或分支)包括多个串联连接(也称为链式链接或级联)变换器单元。每个单元通常具有全桥(FB)，也称为双极或双向拓扑。对于臂中的每一个，相电抗器(有时称为变换器电抗器)与单元串联，以提供所需的阻抗。通常也使用包括电阻器和断路开关的充电电路。
为了使STATCOM运行，相电抗器需要在链式链接变换器和电网之间产生电压差。产生无功功率由以下关系支配：
Figure BDA0003073727080000011
因此，STATCOM通过增加或降低链式链接电压产生无功功率，该链式链接电压然后驱动相电抗器中的电流。由于电磁原因，相电抗器(例如，每个直径约2米)通常被放置在外面，与MMC的阀厅分开，因为反之的话它们可能会例如在厅的钢梁等中引起电流。
通常希望减少STATCOM站的物理占地(大小)，这就是为了节省空间而去除组件可能会有好处的原因。同时，市场价格不断下降，这驱动降低成本的需要。在当前的三角形形连接拓扑中，需要闭合三角形形连接，这需要汇流排、支架、壁套管等。这引起对相电抗器的维护间隙的关注并占用额外空间。
发明内容
本发明的目的是提供允许减小相应STATCOM站的大小由此降低其成本的STATCOM装置。
根据本发明的一方面，提供一种STATCOM装置，其包括MMC和被设置为MMC和AC电网之间的接口的变压器装置。MMC以Y形拓扑与多个变换器臂连接，AC电网的每一相各一个换流器臂(5)，每个臂包括一般分别具有全桥拓扑的多个链式链接变换器单元。变压器装置被设置为将MMC的臂中的每一个与电网的相应相接合，并且被设置为对于变换器臂中的每一个产生引起与臂串联的电抗的漏抗，这消除对与所述臂串联的相电抗器的需要。因此，STATCOM装置不具有与变换器臂中的任一个串联连接的相电抗器。
根据本发明的另一方面，提供一种STATCOM站，该STATCOM站包括根据本公开的STATCOM装置的实施例、包围MMC的阀厅、包围变压器装置的变压器箱、以及用于将MMC与变压器装置电连接的导体的套管装置。套管装置穿过阀厅的壁和变压器箱的壁。在一些实施例中，套管装置包括套管，该同一套管穿过厅壁和箱壁两者的套管。
根据本发明的另一方面，提供一种在经由变压器装置以Y形拓扑连接到AC电网的MMC的变换器臂中提供电抗的方法。该方法包括在不使用与变换器臂串联连接的相电抗器的情况下通过来自变压器装置的漏抗获得电抗。
通过产生足够的漏抗以产生变换器臂中的足够的电抗(并因此产生足够的电感)的变换器装置，不再需要笨重的相电抗器。因此，变压器箱可以定位地可以与阀厅更接近，从而使得STATCOM站的设计更小、更密集。例如，穿过变压器箱壁的套管也可以穿过阀厅的壁，从而降低站设计的复杂性、进一步降低构建和维护成本。
注意，在适当的情况下，任何方面的任何特征可应用于任何其它方面。同样，任何方面的任何优点可适用于任何其他方面。所附实施例的其它目标、特征和优点将从以下详细公开、从所附从属权利要求以及从附图中显而易见。
一般来说，除非本文另有明确规定，否则在权利要求中使用的所有术语都应当按照其在技术领域中的一般含义来解释。除非另有明确说明，否则对“某个(a)/某个(an)/某种(the)元件、装置、部件、手段、步骤等”的所有引用应公开地解释为指元件、装置、部件、手段、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则不必然按照公开的确切顺序执行本文公开的任何方法的步骤。对本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等仅旨在将特征/部件与其他类似特征/部件区分开来，而不是赋予特征/部件任何顺序或层次结构。
附图说明
参照附图作为示例描述实施例，其中，
图l是示出根据本发明的实施例的连接到AC电网的STATCOM装置的示意性电路图。
图2是根据本发明的实施例的全桥变换器单元的示意性电路图。
图3a是根据本发明的实施例的STATCOM装置的示意性电路图，其中，相变压器的MMC侧具有三角形拓扑。
图3b是根据本发明的实施例的STATCOM装置的示意性电路图，其中，相变压器的MMC侧具有Y形拓扑。
图4是根据本发明的实施例的STATCOM站的示意性框图。
具体实施方式
现在参照示出某些实施例的附图更全面地描述实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其它实施例是可能的。相反，以下实施例作为示例被提供，使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个说明书中，类似的附图标记指示相似的要素。
根据本发明，使用Y形连接拓扑装置STATCOM。作为使用相电抗器以向电网和MMC之间的必要的电压差提供阻抗的替代，使用变压器漏抗。总的来说，这减少部件的数量和占地，同时简化整体电路。这不排除使用与变换器臂中的任一个串联的(较小)滤波电抗器。滤波电抗器是这样一种电抗器，其目的是充当谐波或高频发射的滤波器，并且其主要目的不是为变流器臂中的无功功率控制提供电抗。这种滤波电抗器通常比相电抗器小得多，并且可以设想为被放置在阀厅中。
图l示出连接到AC电网4的STATCOM装置l。STATCOM装置1包括MMC 2和作为MMC和电网之间的接口的变压器装置3。MMC 2具有Y形拓扑，该Y形拓扑具有并联的变换器臂5。在图1的实施例中，AC电网4是三相电网，MMC 2包括一对一地用于电网4的相4a、4b和4c的三个变换器臂5a、5b和5c。各臂5经由变压器装置3连接到其各自的电网相线，该变压器装置3被设置为作为电网相的较高电压和变换器臂的较低电压之间的接口。电网4通常是高压(HV)电网。
各变换器臂5包括多个链式链接(即串联)变换器单元6。MMC 2被设置为作为STATCOM来操作，从而通过将(正或负)无功功率注入电网的不同相(通过换流器单元中的阀和能量存储器)来平衡电网4。
图2示出可在MMC 2中使用的全桥变换器单元6的示例性实施例。单元包括能量存储器21，例如包括电容器(例如，包括多个电容器、超级电容器和/或电池的电容器装置)。阀S能够旁路单元或在任一方向上***单元(由于阀形成全桥拓扑结构并因此是双向的)。在图中，四个阀S1、S2、S3和S4用于形成跨能量存储器21的全桥拓扑。各阀可以例如包括单向半导体开关和反平行反向阻断半导体器件。反向阻断半导体器件可以例如包括二极管。半导体开关可以例如包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成门换向晶闸管(IGCT)。在一些实施例中，如图3a和图3b示意性地示出的那样，IGBT可以是优选的。
图3a是STATCOM装置1的示意电路图，其中，更详细地表示变压器装置3的示例。对于电网4的各相，存在充当相线和相应的变换器臂5之间的接口的相变压器30。因此，对于三相电网，存在将相应的三个相臂5a、5b和5c与相应的三个相线4a、4b和4c连接的三个相变压器30a、30b和30c(例如，包含在三相变压器或三个单相变压器中(通常优选使用三相变压器))。各相变压器30具有一次(电网)侧31(带有一次绕组)和二次(MMC)侧32(带有二次绕组)。根据图3a的实施例，相变压器的MMC侧32以三角形拓扑的方式被连接，这在本发明的一些实施例中可能是优选的。
如图3a那样，图3b是STATCOM装置1的示意性电路图，但是其中相变压器30的MMC侧32以Y形拓扑连接，这在本发明的一些其它实施例中可能是优选的。
考虑到源自不同拓扑的不同阶谐波，对相变压器30的MMC侧32选择三角形拓扑还是Y形拓扑可取决于应用。然而，通常情况下，三角形拓扑是优选的。在一些应用中，将MMC侧Y形连接接地可能是有益的。
对于相变压器的电网侧31，如图3a和3b所示，通常使用Y形拓扑。
通过选择漏抗通常显著高于通常期望值的变压器装置3，可以在变换器臂5中的每一个中获得足够的电感，使得不需要相电抗器，从而允许STATCOM站40(参见图4)显著地减小尺寸(占地面积)以及降低复杂性和成本。
图4示出STATCOM站40。除了STATCOM装置1以外，该站包括包围变压器装置3的变压器箱42、包围MMC 2的阀厅41以及位于其间从而允许导体46穿过其中以使MMC和变压器装置相互电连接的套管43。
阀厅41通常可以是被设置为保护MMC 2免受环境影响的房屋(house)。
变压器箱42可以填充可以浸没足够的部分(例如，相变压器装置3的变压器30、30)的电绝缘液体，例如，变压器油。
套管穿过阀厅41的壁44和变压器箱42的壁45两者。由于没有相电抗器被使用并因此位于阀厅41和变压器箱42之间，因此同一套管可以穿过壁44和45两者，从而显著降低MMC2和变压器装置3之间电气连接的复杂性。在图中仅示意性地示出一个套管43，但是，(根据MMC和变压器装置的设计，可以在MMC和变压器装置之间装置任何数量的套管43，每个套管43允许导体46穿过其中以使MMC和变压器装置彼此电连接。
同一套管43穿过壁44和45两者可能是在占地透视图中最优选的选项。然而，可能存在不可能这样做的原因(防火等)，在这种情况下，可以使用单独的套管，例如，相互串联连接的穿过箱壁45的变压器套管和穿过厅壁44的变换器套管。
STATCOM电站通常相当大，特别是对于HV电网4，阀厅41的典型占地为的15米的10倍，变压器箱42的占地为5米的2倍。如现有技术所述，当使用相电抗器时，为了避免在其结构中感应电流，通常将它们放置在外部，并使它们与阀厅41和变压器箱42隔开一定距离。该距离加上相电抗器本身的尺寸(例如，直径2米)大大增加了站的占地。相电抗器在外部的定位也可能引起相电抗器外壳磨损以及可能扩散到远离电站的干扰振动声音。因此，能够通过本发明避免相电抗器可以显著减少站的占地，并且也可以减少所需的维护并减少由站发出的干扰声音和磁场和电场。注意，较小的占地会减小天线的尺寸，该天线辐射在站40周围造成无线电干扰的电场。
在本发明的一些实施例中，变压器装置3对于电网4的各相包括相变压器30，其中，相变压器以三角形或Y形连接在其MMC侧32，例如，在一些实施例中优选的三角形连接。对于不同的拓扑，可以鉴于注入到电网4中的不同共振进行三角形拓扑和Y形拓扑之间的选择。
在本发明的一些实施例中，Y形连接的MMC 2包括三相AC电网4的三个变换器臂5a、5b和5c。三相***是本发明的实施例的典型应用，但也考虑任何其它数量的至少两个相。
在本发明的一些实施例中，阀厅41的壁44和变压器箱42的壁45彼此之间的距离最多为10米、5或3米，例如在1-5或1-3米的范围内。当不使用相电抗器时，该站可以设计为更为密集。
在本发明的一些实施例中，套管装置43包括同一套管穿过厅壁44和箱壁45两者的套管。这是具有更少的占地和复杂性的套管装置的优选设计。
在本发明的一些实施例中，MMC 2作为AC电网4的STATCOM动作，该AC电网4是STATCOM装置1的典型应用。
以上主要参照几个实施例描述了本公开。然而，正如本领域技术人员容易理解的那样，在由所附的权利要求限定的本公开的范围内，除上述公开的实施例以外的其它实施例同样是可能的。

Claims (5)

1.一种STATCOM站(40)，其包括：
STATCOM装置(1)，其包括：
模块化多电平链式链接换流器MMC(2)和被设置为所述MMC与AC电网(4)之间的接口的变压器装置(3)；
其中，所述MMC(2)以Y形拓扑与多个换流器臂(5)连接，所述AC电网的每一相各一个换流器臂(5)，每个所述换流器臂包括多个链式链接换流器单元(6)；
其中，所述变压器装置被设置为将所述MMC(2)的所述换流器臂(5)中的每一个与所述电网(4)的相应相(4a、4b、4c)接合，并且被设置为对于所述换流器臂(5)中的每一个产生引起与所述换流器臂串联的电抗的漏抗，这消除对与所述换流器臂串联的相电抗器的需要；
其中，不存在与所述换流器臂(5)中的任一个串联的相电抗器；
其中，所述STATCOM站(40)还包括：
阀厅(41)，所述阀厅包围所述MMC(2)；
变压器箱(42)，所述变压器箱包围所述变压器装置(3)；以及
套管(43)，所述套管用于将所述MMC(2)与所述变压器装置(3)电连接的导体(46)，所述同一套管穿过所述阀厅(41)的壁(44)和所述变压器箱(42)的壁(45)两者。
2.如权利要求1所述的STATCOM站，其中，所述阀厅(41)的壁(44)和所述变压器箱(42)的壁(45)定位为与彼此之间的距离最多为10米。
3.如权利要求2所述的STATCOM站，其中，所述阀厅(41)的壁(44)和所述变压器箱(42)的壁(45)定位为与彼此之间的距离在1-5米的范围内。
4.如权利要求1至3中任一项所述的STATCOM站，其中，所述变压器装置(3)包括所述电网(4)的每一相的相变压器(30)，其中，所述相变压器以三角形或Y形连接在其MMC侧(32)。
5.如权利要求1所述的STATCOM站，其中，Y形连接的所述MMC(2)包括用于三相AC电网(4)的三个换流器臂(5a、5b、5c)。
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