用于给交流电网系统提供无功功率的方法以及使用该方法的逆变器

摘要

一种给交流电网系统提供无功功率的方法,在该方法中,该交流电网系统的至少一个线路(10)具有一个为该线路产生的补偿电压(Ucomp),该补偿电压(Ucomp)相对于在线路(10)中的电流被移相并且被提供给线路(10),实现这种简单的补偿在于:借助于一个逆变器(11)由一个直流电压来产生补偿电压(Ucomp),该逆变器由在一个桥路中的可控制极关断功率半导体元件构成,并且补偿电压(Ucomp)直接串联地提供给线路(10)。

说明书

本发明涉及电力电子领域。它涉及一种给交流电网系统提供无功功率的方法，在该方法中，该交流电网系统的至少一个线路具有一个为该线路产生的补偿电压，该补偿电压相对于在线路中的电流被移相并且被提供给线路。此外本发明涉及一种使用该方法的逆变器。

在电力传输系统中，利用在一个交流电网系统中相互连接的输电线的阻抗关系来确定功率流动的分布，而不利用任何控制措施。通过利用串联的补偿器借助于串联电压注入来补偿无功功率能够改变一个输电线的有效阻抗。这样的措施改变了在连接点之间复合的电压差，因而功率借助于线路来流动。能够利用串联注入来故意地增加或减小线路上的负载，并且更有效地利用整个传输容量。这不限于三相输电系统。它也能够用在单相交流系统中。

在现有的系统设计中，一般能够分为晶闸管开关或晶闸管控制的串联补偿和静态同步补偿。晶闸管控制的串联补偿包括多个串联连接的组件，这些组件被安装在一个三相输电线的每个相上。由于利用晶闸管技术的原因，在这种情况下，每个组件需要由一个电容器和一个可控(晶闸管开关的)电感器构成的并联电路。为了防止这个并联电路过负载也需要一个部件，该部件例如可以被设计成一个可变电阻器。这个公知系统结构的缺点主要是：半导体开关在操作中被交流电源换流，它导致了操作范围受到了限制。

通过注入一个与线路电流成直角(移相90°)的附加电压(补偿电压)使静态同步补偿器工作。注入该附加电压需要一个变压器，该变压器与一个输电线串联连接，以致于该输电线被补偿。在这样一个系统的整个费用中，用于注入附加电压所需要的变压器构成了一个比较高费用的元件。

因此，本发明的一个目的是提供一种新的补偿方法，该方法涉及明显地减小了电路的复杂生，但是在应用中是灵活的。

在开始提及的一种方法的情况下，本发明的目的这样被实现：借助于一个逆变器由一个直流电压来产生补偿电压，该逆变器由在一个桥路中的可控制极关断功率半导体元件构成，并且补偿电压被直接串联地提供给线路。利用装配有半导体元件的逆变器桥路允许用简单的方式在任何需要的预定相位角上产生大量的正弦补偿电压。本发明通过把补偿电压直接串联地注入到待补偿的线路上能够省去像变压器和类似元件这样的附加注入元件。

在本发明的权利要求中所限定方法的第一种优选实施例的特征在于：至少一个充电电容器被用作为用于逆变器的直流电源。由于补偿装置主要注入无功功率，所以该电容器提供了一个简单和便利的直流电源。

在该实施例的第一种改进结构中，至少一个电容器借助于逆变器由交流电网系统的线路来充电。这可省略附加的供电装置，且补偿电路变得特别简单。

该实施例的第二种改进结构的特征在于：至少一个电容器借助于一个单独的变换器被充电。如果补偿电路不仅把无功功率注入到线路上也把有功功率注入到线路上，那么利用一个中间电路的方式设置直流电压是有利的。

在本发明的权利要求中所限定方法的第二种优选实施例的特征在于：交流电网系统是一个三相系统，并且一个用于产生和提供一个补偿电压的相关逆变器与用于每相的一个相关线路串联连接。这允许对于每相单独地进行所需要的补偿。

另一个优选实施例的特征在于：每个逆变器包括两个半桥桥路，并且根据一个正弦调制信号以一个脉宽调制方式驱动半桥桥路。脉宽调制能够简单地使由逆变器产生的输出电压非常接近正弦波，因此减少了谐波分量。根据该实施例的一种优选的改进结构，如果逆变器被设计成2点桥式电路，并且利用适当的载波信号以不同的时间触发每个半桥，或如果逆变器被设计成N点桥式电路(N≥3)，并且利用适当的载波信号以不同的时间触发每个半桥，用这样的方式以致于通过把多个脉宽调制的部分补偿电压叠加来获得合成的补偿电压，其中部分补偿电压以不同的时间被触发，那么这是特殊的情况。

根据本发明的权利要求中所限定方法的另一种优选实施例，如果用于产生和注入一个补偿电压的多个逆变器与交流电网系统的一个线路串联连接和/或并联连接，利用一个脉宽调制方法来驱动每个逆变器，并且利用以不同时间的触发来进行在每个逆变器中的脉宽调制，那么能够进一步地减小谐波负载。同时，多个逆变器的串联连接导致增加了电压的操作范围，并且多个逆变器的并联连接导致增加了电流的操作范围。

根据另一种实施例，如果至少一个滤波电路被设置在逆变器的输出端，其中滤波电路包括至少一个与逆变器串联连接的电感和至少一个电容器，该电容器与由逆变器和至少一个电感形成的串联电路并联连接，那么能够进一步减小谐波分量。如果交流电网系统包括一个具有寄生电感的电网变压器，并且电网变压器的寄生电感被用作为部分滤波电路，那么本发明是特别简单的。

根据本发明的另一种实施例，如果逆变器分别地与至少一个电容器和/或一个电感串联连接，那么能够扩大补偿电路的操作范围。

根据本发明另一种实施例，如果交流电网系统具有一个带中性点的电网变压器，该中性点是低电位，并且在该中性点上注入补偿电压，那么在补偿系统需要绝缘的方面是特别有利的。

如果交流电网系统是一个三相交流电网系统，并且如果在该系统中设置有一个三相电网变压器，该三相电网变压器具有一个作为中性点的星形点，那么一个适当的补偿电压被注入给与星形点连接的每个线路。一方面，通过把用于产生和注入一个补偿电压的一个逆变器在所有情况下与连接到星形点上的每个线路串联连接，能够注入补偿电压。另一方面，通过把连接到星形点上的线路与一个三相逆变器的输出端连接，能够用另一种方法来注入补偿电压。在这种情况下，三相逆变器具有特殊的优点是：由于在这种情况下不需要考虑一个脉动功率，所以在直流侧上用于相同补偿电压所需要的电容器能够被选择得更小。

如果交流电网系统是一个单相交流电网系统，和如果在该系统中设置有一个单相电网变压器，该单相电网变压器至少在其一个绕组边上具有一个零点电路，该零点电路具有一个作为中性点的零点，那么一个适当的补偿电压被注入到与零点连接的每个线路中。即可以通过把用于产生和注入一个补偿电压的一个逆变器与连接到零点上的每个线路串联连接，或通过把连接到零点上的线路与一个单相逆变器的输出端连接来实现补偿电压的注入。

根据本发明，使用该方法的逆变器的特征在于：逆变器被设计成一个N点桥式电路(N≥2)。

根据本发明的一种适合于较低电压(例如13KV交流电网系统)的逆变器的实施例的特征在于：在每个半桥中的每个桥臂上仅设置一个功率半导体元件。

根据本发明的一种适合于较高电压(例如400KV交流电网系统)的逆变器的实施例的特征在于：在每个半桥中的每个桥臂上设置多个串联连接的功率半导体元件。

在该实施例的一个优选的改进结构中，硬驱动GTOs被用作为可控制极关断功率半导体元件。在这种情况下，硬驱动的意思是例如在EP-A1-0 489 945或WO-93/09600，或ABB Technik[ABB Engineering]5(1996)，14-20页中所描述的驱动。

由从属权利要求中能够得到其它的实施例。

“硬驱功”GTO是可控制极关断功率半导体、控制及电路的阻抗大幅度减小、根据元件的导通截止信号在高电流增加率下驱动控制极电流的GTO使用情况。这种GTO，特别是也叫做GTC(Gate Communicated Turnoff)(控制极联系截止)硅可控整流器的那一种，导通截止动作可随控制极电流高速进行，截止动作比一般的GTO快10倍左右，元件串联连接时，元件因截止动作误差而需分担的电压差小，特别适用于高电压的应用场合。

下面参照附图来描述本发明的实施例，通过下面的描述能够对本发明进行更全面的理解并且能够获得其它的优点。

图1示出了根据本发明的一个补偿电路的示意电路图，它具有一个与线路串联连接的逆变器；

图2示出了图1所示逆变器的主要内部设计，它是根据第一优选实施例并且以一个2点桥式电路来实现的，该2点桥式电路具有装配半导体元件的转换开关并且在直流侧上具有一个附加的调谐电路；

图3示出了一个根据图2的一个转换开关的内部设计的例子，该转换开关在每个桥臂上具有一个功率半导体元件(反向导通的GTO)；

图4示出了一个根据图2的一个转换开关的内部设计的例子，该转换开关在每个桥臂上具有由多个功率半导体元件(反向导通的GTOs)构成的串联电路；

图5示出了一个电压波形的例子，该电压波形是当利用脉宽调制来驱动根据图2的2点桥式电路时产生的；

图6示出了图1所示逆变器的主要内部设计，它是根据第二优选实施例并且以一个3点桥式电路来实现的，该3点桥式电路具有装配半导体元件的转换开关；

图7示出了一个根据图6的一个转换开关的内部设计的例子，该转换开关在每个桥臂上具有一个功率半导体元件(反向导通的GTO)；

图8示出了一个根据图6的一个转换开关的内部设计的例子，该转换开关在每个桥臂上具有由多个功率半导体元件(反向导通的GTOs)构成的串联电路；

图9示出了一个电压波形的例子，该电压波形是当利用脉宽调制来驱动根据图6的3点桥式电路时产生的；

图10示出了根据本发明的具有补偿的三相交流电网系统的基本电路，在该电路中所以的元件都是三相的；

图11示出了根据本发明的一个具有补偿的单相交流电网系统的基本电路；

图12示出了根据本发明的一个补偿电路的实施例，该补偿电路具有一个滤波电路，该滤波电路被设置在逆变器的输出端并且包括两个串联电感和一个并联连接的电容器，用于滤波谐波分量；

图13示出了根据本发明的一个补偿电路的实施例，它在图12所示电路的基础上具有一个附加串联连接的电容器，以便扩大操作范围；

图14示出了根据本发明的一个补偿电路的实施例，它在图13所示电路的基础上具有一个附加串联连接的电感，以便扩大操作范围，在这种情况下，能够利用开关来任意地代替附加的电感或代替附加的电容器；

图15示出了多个逆变器(以不同的时间被触发)和局部滤波电路的一个串联和/或并联电路的示意电路图，该局部滤波电路用于增加操作范围和减小谐波分量；

图16示出了与图15对应的一个串联电路，该串联电路具有一个集中的滤波电路和附加电感，以便扩大操作范围；

图17示出了根据本发明的一个优选的补偿装置，该补偿装置被设置在一个三相变压器的低电位侧(星形点)上；

图18示出了根据本发明的一个优选的补偿装置，该补偿装置被设置在一个单相电网变压器的低电位侧(零点)上；

图19示出了根据图17的电路结构的简化图，其中利用一个三相桥路来代替各个逆变器；

图20示出了根据图18的电路结构的简化图，其中利用一个单相桥路来代替各个逆变器；

图21示出了利用在电网变压器中的寄生电感作为用于逆变器的电感。

现在参照附图，其中相同的参考符号在所有的图中表示表示相同或对应的部件，图1以最简单的形式表示根据本发明的一个补偿电路的示意电路图。在一个单相或三相交流电网系统中，选择一个线路10用于补偿。线路10是单独的，并且一个逆变器11直接与线路10串联连接。借助于逆变器11由一个直流电压(由电容器C1获得的原始电压)产生一个交流电压，并且该交流电压直接地输入给线路10，作为补偿电压Ucomp。根据图2，逆变器11包括一个由两个半桥12和13构成的2点桥式电路，由一个转换开关U1或U2能够分别地表示它的功能。在逆变器11中半桥12,13的输出直接地与线路10连接。提供适当地驱动转换开关U1,U2，在电容器C1上出现的电容器电压有选择地接到线路10上作为一个正电压或负电压。

产生的补偿电压Ucomp是一个理想的正弦交流电压，该交流电压可以比线路10上的交流电流超前90°也可以滞后90°。为此目的，在线路10上的电流和电压被测量，并且由检测的信号来获得在控制电子设备中用于转换开关U1，U1的驱动脉冲。根据图5，通过在希望的相位角上产生一个正弦调制信号Um，并且以公知的方法将该正弦调制信号与两个三角载波信号Uc1,Uc2相比较，这些信号的交叉点被用于获得转换开关U1,U2的开关指令，该开关指令导致了在图5中所示的脉宽调制补偿电压Ucomp。逆变器11的操作方法导致了电容器C1以两倍的交流电网系统的频率交替地从交流电网系统吸收功率和给该交流电网系统提供功率，在该过程中整个时间上的平均功率值是零。为了抑制这些脉动，电容器C1可以与一个调谐电路43并联连接，该调谐电路43包括一个由电感器L4和电容器C10构成的串联电路并且该调谐电路43被调谐到两倍的交流电网系统的频率。

利用可控制极关断功率半导体以在图3和4中所示的方式来构成转换开关U1,U2。已经证明，GTOs(可控制极关断晶闸管)，特别是反向导通的GTOs被用作为用于可控制极关断功率半导体的功率电子元件。此外，可以利用IGBTs(绝缘栅双极性晶体管)或其它可控制极关断元件。这种功率半导体的电压范围被限制。在相对低的交流电网系统电压(例如，13KV)上，单独的功率半导体元件S1和S2被用在根据图1的桥臂中。对于高的交流电网系统电压(例如，400KV)，由多个(n个)功率半导体元件S11,…,S1n和S21,…,S2n构成的串联电路被用在根据图4的桥臂中，为了保证单个的GTO元件同时地开关必须采取保护措施。“硬”驱动允许多个串联连接的GTOs被精确地驱动。关于“硬”驱动的特性和电路的实现可以参照最开始引用的已有技术中的文献。

除了已经描述的2点桥式电路之外，一个3点桥式电路或甚至一个n点桥式电路也能够被有利地用作为一个替换电路来产生补偿电压Ucomp。根据图6,3点桥式电路包括两个转换开关U3,U4，每个转换开关在两个半桥14和15中具有3个转换点，并且可以任意的把由两个电容器C2,C3构成的一个串联电路的两端或中心点与每个桥路的输出连接。通过这种方法，两个部分补偿电压U₁₂,U₃₄被产生，它们在逆变器11的输出端上被相加在一起以便形成补偿电压Ucomp。3点桥式电路的一个优点是能够利用两个小的电容器来代替一个大的电容器以便产生相同的补偿电压。其它的优点是：如果在此最好也被使用的脉宽调制利用在不同时间上的脉动来进行，如在图9中所示由移相载波信号Uc1,…,Uc2来进行，那么能够明显地减小补偿电压Ucomp的谐波分量，该补偿电压Ucomp由部分补偿电压U₁₂,U₃₄(以不同时间脉动)构成。如果从3点桥式电路类推，那么N个点桥式电路导致具有N个转换点的转换开关被用在该半桥电路中。

图6中的转换开关U3,U4的内部设计最好具有在图7和8中所示的形式。对于相对低的交流电网系统电压，以反向导通GTOs形式的单个功率半导体元件S3,…,S6和对应的二极管D1,D2与根据图7的桥臂连接。对于高的交流电网系统电压，由n个功率半导体元件S31,…S3n到S61,…,S6n构成的串联电路在所有情况下被用来代替单个功率半导体元件，在GTOs的情况下，这些功率半导体元件再次被“硬”驱动。此外，其它的可控制极关断功率半导体也能够再次被用于代替GTOs。

在到目前的解释中，仅参照一个单个线路10来考虑和解释了补偿。如果交流电网系统是一个三相交流电网系统，那么最好根据图10通过把上述类型的相关逆变器19,20和21与线路16,17和18串联连接来补偿与每一相相关的线路16,17和18上的功率。在单相交流电网系统的情况下，根据图11在两个线路10,22中的一个线路可以仅包括一个逆变器11。此外，能够把逆变器11,11’连接到两个线路10,22的每个中。

如上所述，能够利用桥臂适当的脉宽调制的驱动来获得在补偿电压Ucomp中一个减小的谐波分量，即使在3点桥式电路的情况下也是如此。然而，为了减小谐波分量甚至能够采取进一步的措施。例如，一种这样的措施包括在图12中所示的逆变器11的输出端上设置一个滤波电路，该滤波电路包括一个或两个串联连接的电感器L1和L2和一个并联连接的电容器C4，该滤波电路滤掉或减小谐波分量。在这种情况下，电容器C4的大小取决于脉宽调制的时钟频率。如果在图6所示的3点桥式电路中，四个相移90°频率为F的载波信号Uc1,…,Uc4被用于产生PWM驱动信号，那么这导致在补偿电压Ucomp在的脉冲频率是原来的4倍，4F。滤波电容器C4一方面被选择到足够大以便保证在其上的电压保持一个好的正弦波形，另一方面被选择到足够的小以便仅得到一个基波频率的小电流。此外，具有寄生电感器L10,L11的相邻电网变压器46的寄生电感L10能够有利地被用作为用于图21所示的一个滤波电路的电感器。

在逆变器11的情况下，利用补偿电压Ucomp的幅值来限定能够补偿的操作范围，补偿电压Ucomp基本上取决于电容器C1(对于2点桥式电路)上的电压，或取决于电容器C2和C3(对于3点桥式电路)。通过把一个电容器C5与逆变器11的输出侧串联连接能够扩展展操作范围(在电容器侧)，而不改变逆变器11和不改变开关元件，如在图13中所示的。为了扩展操作范围(在电感侧)，能够串联连接一个电感(在图14中为L5)来代替一个电容器。根据图14所示的，利用适当的开关44,45桥接串联连接的电容器C5和电感器L5能够选择地和变换地设计操作范围的扩大。在图21的情况下，利用一个附加串联连接的电容器C15能够扩展操作范围。

除了改变逆变器的操作范围之外，利用在逆变器中或它的电路中的变化能够产生该操作范围的变化，通过在交流电网系统的一个线路10中把多个(相同的)逆变器11,23和24串联连接或并联连接(逆变器11,11’)也能够增加可达到的补偿范围，如在图15中所示的。由单个逆变器11产生的补偿电压被相加在一起以便形成一个合成的更高的补偿电压。在这样一种串联电路的情况下，特别有利的是：甚至通过以不同的时间脉动触发单个逆变器11,11’,23和24能够减小谐波分量。在串联电路中的单个逆变器11,11’,23和24实际上每个能够设置有一个滤波电路，该滤波电路包括电感器L6,…,L9和电容器C11,…,C13。在此，一个附加电容器C14再次扩大了操作范围。如在图16中所示的，另一种方案是整个给串联电路都设置附加电路，该附加电路包括用于滤波电路(电感器L3和电容器C6)的集中元件。串联电容器C7的作用与在图15中的电容器14的作用对应。

根据本发明，没有变压器的串联补偿导致：当与交流电网系统中的电网变压器一起使用时是特别利用的，它具有一个带中性点的低电位边。如在图17中所示的，如果交流电网系统是一个三相交流电网系统和电网变压器25是一个星形(初级绕组26，次级绕组27)连接的三相变压器，那么在电网变压器25的中性点(星形接线点31)上，即在低电位边上能够提供补偿。为了这个目的，补偿逆变器32、33和34分别地与连接到星形接线点的线路28、29和30串联连接。在低电位边设置逆变器允许绝缘的等级被明显地降低，这就导致了系统的简化和减小了它的费用。

在具有一个单相电网变压器35(图18，初级绕组36，次级绕组38)的单相交流电网系统的情况下，该电网变压器35具有一个零点作为中性点，通过把逆变器41、42与接零点39的线路38,40串联连接来设置一个在低电位上的补偿电路的等效电路。此外，能够仅利用一个逆变器(41和42)来代替两个逆变器41,42。

通过把逆变器灵巧地组合在一个桥路中能够分别地简化根据图17和18的补偿装置，其中每个补偿装置包括多个逆变器32,…,34和41,42。在图19中示出了由图17得到的简化装置。在这种情况下，线路28,29和30与一个三相逆变器的输出端连接，这些输出端借助于可控的转换开关U5,U6和U7(如在图3,4中所示的)选择地与由两个充电电容器C6和C7构成的串联电路的两端连接，这两个电容器之间的中心点与星形接线点31连接。此外，在由图19所示电路的情况下，除了把单个逆变器(相同的逆变器32,33和34)与线路28,29和30串联连接之外，为了增加补偿电路的适用性，能够把图17的电路和图19的电路相互结合起来。

在图20中示出了对应于图18的类似的简化电路。在这种情况下，线路38,40借助于转换开关U8,U9选择地与由两个充电电容器C8和C9构成的串联电路的两端连接，这两个电容器之间的中心点与零点39连接。在图17到20所示的情况下，中性点(星形接线点31或零点29)可以接地(由虚线所示)。然而，这种接地不是绝对必要的。

如果根据本发明的补偿装置提供纯的无功功率，那么通过适当地控制逆变器，给逆变器提供直流电压的电容器C1,…,C3和C6,…,C9由交流电网系统线路直接地充电。这就避免了由交流电网系统的其它部分到电容器的任何附加的连接。此外，最好是给待补偿的线路提供有功功率以及无功功率。在这种情况下，能够分别地借助于一个适当的(单独的)直流电源(例如一个变换器)对电容器C1,…,C3和C6,…,C9分别地充电和再充电。

总之，本发明导致了用于交流电网系统的非常简单的无功功率补偿，该补偿能够以非常灵活的方式被使用。

显然，根据上述的技术指导能够对本发明进行各种改进和变型。因此，能够理解在附加权利要求的保护范围之内，除了在此特殊描述的以外本发明可以被实施。

符号表

10,16,…,18；22线路

11,11’                  逆变器

12,…,15       半桥

19,…,21       逆变器

23,24          逆变器

25,35          电网变压器

26,36          初级绕组

27,37          次级绕组

28,…,30       线路

31             星形接线点

38,40          线路

39             零点

41,42          逆变器

43             调谐电路

44,45          开关

46             电网变压器

C1,…,C15      电容器

D1,D2             极管

L1,…,L11         电感

S1,…,S6          功率半导体(可控制极关断装置)

S11,…,S6n        功率半导体(可控制极关断装置)

U1,…,U9          转换开关

Um                调制信号(正弦)

Uc1,…,Uc4        载波信号(三角波)

U₁₂,…,U₃₄      部分补偿电压

Ucomp             补偿电压