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用于交换功率的设备

阅读：615发布：2024-02-21

专利汇可以提供用于交换功率的设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于与三相电力网络交换功率的设备，包括电压源转换器(5)，其具有三个相支路(A-C)，每个相支路具有串联连接的开关单元。三个相支路通过形成三角形连接而互连。该设备还包括控制单元(19)，其配置成：计算零序电流的幅值和相位的值，对于所述零序电流，当其在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，如果存在不平衡，则每个所述三个相支路(A-C)相对于其余两个相支路的总直流电压平衡被恢复；以及控制相支路的开关单元的半导体装置，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。，下面是用于交换功率的设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于以旁路连接与三相电力网络交换功率的设备，所述设备包括：
●电压源转换器(5)，其具有三个相支路(A-C)，每个相支路具有串联连接的所谓H桥形式的开关单元(7)，该H桥包括两个开关元件(8、9)，所述两个开关元件并联连接并且每个开关元件具有至少两个半导体组件(10-13)，该至少两个半导体组件串联连接并且每个具有关断类型的半导体装置(14)以及与其反向并联连接的整流元件(15)，每个所述开关单元还包括与所述开关元件并联连接的至少一个能量存储电容器(16)，每个开关元件的半导体组件之间的中间点(17，17’)形成开关单元(7)的端子，以用于连接到相邻开关单元的相应端子，从而用于形成所述串联连接的开关单元，
其中所述电压源转换器的三个相支路(A-C)通过形成三角形连接而互连，●检测装置(18)，其配置成检测所述三相电力网络以及电压源转换器的所述三个相支路的电气条件，
●控制单元(19)，其配置成控制每个开关单元的所述半导体组件的所述半导体装置(14)，并且由此，每个开关单元依赖于从所述检测装置(18)接收的信息而传递跨过每个所述开关单元的端子的电压，该电压为零、+U或-U，其中U为跨过所述电容器(16)两端的电压，以连同相支路的其它开关单元一起传递电压脉冲，该电压脉冲为由每个开关单元如此传递的电压之和，
其特征在于，所述控制单元(19)配置成，在从所述检测装置(18)接收每个所述三个相支路(A-C)的总直流电压相对于其余两个相支路不平衡的信息时，计算零序电流(I0)的幅值和相位的值，对于所述零序电流，当其在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压的平衡被恢复；以及控制相支路的所述开关单元的半导体装置(14)，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制单元(19)配置成，通过将所述三个相支路A、B、C的所述总直流电压的差模定义为如下所述的矢量来实施所述零序电流的所述计算：
以便把将被添加到电流基准以用于控制所述开关单元(7)的所述半导体装置(14)的零序电流基准计算为
UDC，A，UDC，Bc，UDC，C分别为所述相支路A、B和C的所述总直流电压。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制单元(19)进一步配置成：
在从所述检测装置(18)接收造成需要生成负序电流的信息时，在计算所述零序电流的幅值和相位的值时使用此信息，对于所述零序电流，在生成所述负序电流时当所述零序电流在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述相支路中的所述能量存储电容器(16)中存储的所得到的能量在所述平衡的情形下将是恒定的；以及控制相支路的所述开关单元(7)的半导体装置(14)，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的它流。
4.根据前述权利要求任何一项所述的设备，其特征在于，该电压源转换器的每个相支路具有与其串联连接的无功阻抗元件(27)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述无功阻抗元件(27)包括电感器。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述无功阻抗元件包括电容器。
7.根据前述权利要求任何一项所述的设备，其特征在于，所述电压源转换器的每个相支路(A-C)中的开关单元(7)的数目为≥4，≥8或者≥12。
8.根据前述权利要求任何一项所述的设备，其特征在于，所述半导体组件的所述半导体装置(14)为IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成栅换向晶闸管)或GTO(栅极关断晶闸管)。
9.根据前述权利要求任何一项所述的设备，其特征在于，所述电压源转换器(5)具有和与其串联连接的所述无功阻抗元件一起生成具有如下基频的电压的能力，该基频等于电力网络的各个相的电压的基频，并且幅值为20kV-500kV，优选地为30kV-200kV。
10.根据前述权利要求任何一项所述的设备，其特征在于，所述控制单元(19)配置成，当控制所述半导体装置(14)时，将三次谐波电流添加到电流基准。
11.一种在用于以旁路连接与三相电力网络交换功率的设备(4)中恢复电压源转换器(5)的每个三个相支路(A-C)相对于其余两个相支路的总直流电压的平衡的方法，其中所述设备包括：电压源转换器，其具有三个相支路，每个相支路具有串联连接的所谓H桥形式的开关单元(7)，该H桥包括两个开关元件(8、9)，所述两个开关元件并联连接并且每个开关元件具有至少两个半导体组件(10-13)，该半导体组件串联连接并且每个具有关断类型的半导体装置(14)以及与其反向并联连接的整流元件(15)，每个所述开关单元还包括与所述开关元件并联连接的至少一个能量存储电容器(16)，每个开关元件的半导体组件之间的中间点(17，17’)形成开关单元的端子，以用于连接到相邻开关单元的相应端子，从而形成所述串联连接的开关单元，
其中电压源转换器的三个相支路通过形成三角形连接而互连，该方法包括步骤：
●检测所述三相电力网络以及电压源转换器(5)的所述三个相支路(A-C)的电气条件，以及
●控制每个开关单元的所述半导体组件的所述半导体装置(14)，并且由此，每个开关单元依赖于来自所述检测的信息而传递跨过每个所述开关单元的端子的电压，该电压为零、+U或-U，其中U为所述电容器(16)两端的电压，以用于连同相支路的其它开关单元传递电压脉冲，该电压脉冲为由每个开关单元如此传递的电压之和，
其特征在于，该方法包括下述另外步骤：
在检测到每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压不平衡时，计算零序电流的幅值和相位的值，对于所述零序电流，当其在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压的平衡被恢复；以及控制相支路的所述开关单元(7)的半导体装置(14)，从而将计算的这种零序电流添加到转换器的每个相支路(A-C)的电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过将所述三个相支路A、B、C的所述总直流电压的差模定义为如下所述的矢量来实施所述计算：
以便把将被添加到电流基准以用于控制所述开关单元(7)的所述半导体装置(14)的零序电流基准计算为
UDC，A，UDC，Bc，UDC，C分别为所述相支路A、B和C的所述总直流电压。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述计算步骤中，在检测到需要生成负序电流的信息时，在计算所述零序电流的幅值和相位的值时使用此信息，对于所述零序电流，在生成所述负序电流时当所述零序电流在所述三个相支路(A-C)的三角形连接电路中循环时，每个所述相支路中的所述能量存储电容器(16)中存储的所得到的能量将在所述平衡的情形下将是恒定的；以及在控制相支路的开关单元的所述半导体装置时，如此操作从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。
14.根据权利要求1-10任意一项所述的设备在与三相电力网络交换功率中的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，其中所述电力网络对工业电弧炉馈电并且典型地承载36kV的电压。
16.根据权利要求14所述的用途，其用于与高压传输线形式的三相电力网络交换功率，该高压传输线典型地承载132-500kV的电压。

说明书全文

用于交换功率的设备

技术领域

[0001] 本发明涉及以不同目的与三相电力网络交换功率的技术领域，诸如用于获得无功功率补偿、稳定电力网络以及减小其中的干扰，诸如减小由连接到其的负载所生成的网络中的谐波。

[0002] 传统上进行对电力网络中对无功功率流的补偿，尤其是通过将电感器和电容器形式的无功阻抗元件旁路连接到电力网络。通过将半导体开关与这种电感器串联连接，可以控制流过电感器的电流并且因此也可以控制与所述网络的无功功率交换。通过将半导体开关与这种电容器串联连接以及对其的控制，可以逐步控制供应到电力网络的无功功率。旁路连接的电容器主要在工业网络中用于补偿在例如大型异步电动机中的无功功率消耗。这种设备的另一种应用涉及诸如在工业电弧炉中的无功功率消耗变化很大的负载，在该电弧炉中可能会出现与通过网络的不同相传输的电力相关的不稳定性。

背景技术

[0003] 本发明更具体而言涉及用于以旁路连接与三相电力网络交换功率的设备，所述设备包括：电压源转换器，其具有三个相支路，每个相支路具有串联连接的所谓H桥形式的开关单元，该H桥包括两个开关元件，所述两个开关元件并联连接并且每个开关元件具有至少两个半导体组件，该至少两个半导体组件串联连接并且每个具有关断类型的半导体装置以及与其反向并联连接的整流元件，每个所述开关单元还包括与所述开关元件并联连接的至少一个能量存储电容器，每个开关元件的半导体组件之间的中间点形成开关单元的端子，以用于连接到相邻开关单元的相应端子，从而形成所述串联连接的开关单元，其中电压源转换器的三个相支路通过形成三角形(delta)连接而互连；检测装置，其配置成检测所述三相电力网络以及电压源转换器的所述三个相支路的电气条件；控制单元，其配置成控制每个开关单元的所述半导体组件的所述半导体装置，并且由此，每个开关单元依赖于从所述检测装置接收的信息而传递跨过每个所述开关单元的端子的电压，该电压为零、+U或-U，其中U为所述电容器两端的电压，以连同相支路的其它开关单元一起传递电压脉冲，该电压脉冲为由每个开关单元如此传递的电压之和。

[0004] 这种设备通过例如US5532575以及文章“A Multilevel Voltage-Source inverter with Separate DC Sources for Static Var Generation”，1995IEEE，第2541-2548页是已知的。在用于与三相电力网络交换功率的设备中使用这种类型的电压源转换器的优点在于，以数目较少的这种串联连接的开关单元，已经可以获得数目较多的由转换器传递的不同水平的所述电压脉冲，从而使得在不使用任何平滑滤波器情况下，已经可以获得具有的基频形状非常接近正弦电压的所述电压。再者，借助比两种或三种水平电压源转换器中使用的开关频率显著更低的开关频率，已经可以获得这一点。而且，这使得有可能获得显著更低的损耗并且也减小滤波问题以及谐波电流和射频干扰，从而使得用于其的设备可以不那么昂贵。这共同地引起该设备的更佳性能以及与此这种设备相关的成本节约，其中此类设备具有在开关单元中并未构建能量存储电容器的转换器。

[0005] 对于这种设备的可靠且高效的操作而言，重要的是使转换器的每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压平衡。然而，能量会在转换器的相支路之间和/或电力网络和转换器之间转移。这种相支路的总直流电压的不平衡可能由转换器或周围设备的控制中的故障造成，或者由电力网络中尚未被补偿的干扰造成。重要的是以可靠且高效方式并且不造成任何另外干扰地恢复转换器的相支路的相互总直流电压的平衡。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种解决上述问题的如上所公开类型的设备。

[0007] 根据本发明，此目的是通过提供这样一种设备来获得，其中所述控制单元配置成，在从所述检测装置接收每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压不平衡的信息时，计算零序电流的幅值和相位(phase position)的值，对于所述零序电流，当其在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压平衡被恢复；以及控制相支路的所述开关单元的半导体装置，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。

[0008] 通过以此方式，将零序电流添加到转换器的电流基准以用于控制开关单元的半导体装置，每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压平衡可以单纯地通过在三角形连接的转换器的三个相支路中循环的零序电流被恢复，而在转换器和电力网络之间没有任何附加电流交换，其中该电流交换会导致干扰或对电力网络的其它影响。因此，在根据本发明的设备中，转换器的三个相支路的所述相互总直流电压的恢复以及藉此这些相支路的能量将完全不依赖于在所述网络中占优势的条件以及使其完全不受能量恢复过程影响。

[0009] 根据本发明的实施例，所述控制单元配置成，通过将所述三个相支路A、B、C的所述总直流电压的差模定义为如下所述的矢量来实施所述零序电流的所述计算：

[0010]

[0011] 从而把将被添加到电流基准以用于控制所述开关单元的所述半导体装置的零序电流基准计算为

[0012] UDC，A，UDC，Bc，UDC，C分别为所述相支路A、B和C的所述总直流电压。因而，可以通过这种方式计算被添加到转换器电流基准的零序电流基准，从而通过循环零序电流而获得转换器的相支路的能量平衡的恢复。

[0013] 根据本发明的另一实施例，所述控制单元进一步配置成：在从所述检测装置接收造成需要生成负序电流的信息时，在计算所述零序电流的幅值和相位的值时使用此信息，对于所述零序电流，在生成所述负序电流时当所述零序电流在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述相支路中的所述能量存储电容器中存储的所得到的能量在所述平衡的情形中将是恒定的；以及控制相支路的所述开关单元的半导体装置，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。通过仅仅实施这种计算而形成将功率从所述相其中之一移动到另一个的负序电流以及实施针对期望生成的负序电流而对开关单元的半导体装置的控制，可以以此方式补偿比如由于连接到其的电弧炉的功率消耗的巨大变化或者闪烁引起的所述电力网络中的不稳定性。添加到转换器电流基准的零序电流基准将保证，如果存在各相中所述能量的平衡，则可以形成期望的负序电流而不导致每个相中存储在电容器中的能量的任何变化，以及以否则的话保证这种能量平衡将被恢复。

[0014] 根据本发明的另一实施例，电压源转换器的每个相支路具有与其串联连接的无功阻抗元件，以用于影响该设备和所述网络之间的无功功率流，并且这个无功阻抗元件根据本发明的另一实施例包括电容器，且根据本发明的又一实施例包括电感器，从而分别用于无功功率生成以及无功功率的消耗。

[0015] 根据本发明的另一实施例，电压源转换器的每个相支路中的所述串联连接的开关单元的开关单元数目为≥4，≥8或≥12。尽管由于所需要的串联连接的开关单元的数目减小而实现这种类型的设备的成本节约，但是当所述串联连接中的开关单元的数目相当高而导致由该转换器传递的电压脉冲的可能水平数目较高时，这种类型的转换器的使用是特别令人感兴趣的。

[0016] 根据本发明的另一实施例，所述半导体组件的所述半导体装置为IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成栅换向晶闸管)或者GTO(栅极关断晶闸管)。这些是适合于这种转换器的半导体装置，不过关断类型的其它半导体装置也是可以想到的。

[0017] 根据本发明的另一实施例，所述电压源转换器具有和与其串联连接的所述无功阻抗元件一起生成具有如下基频的电压的能力，该基频等于电力网络的各个相的电压的基频，并且幅值为20kV-500kV，优选地为30kV-200kV。这种设备将适合于与比如高压输电线(典型地承载132-500kV的电压)或者对基础电压为36kV的工业电弧炉馈电的电力网络交换功率。

[0018] 本发明还涉及一种根据所附方法独立权利要求在用于以旁路连接与三相电力网络交换功率的设备中，恢复电压源转换器的三个相支路的每一个相对于其余两个相支路的总直流电压平衡的方法。这种方法以及在所附方法从属权利要求中定义的根据本发明实施例的各方法的优点和有利特征通过对根据本发明的设备的不同实施例的上述讨论而清楚显现。

[0019] 本发明还涉及根据本发明的设备在与三相电力网络交换功率中的用途，其中优选地这种用途是用于与对工业电弧炉馈电的电力网络以及与高压输电线形式的三相电力网络交换功率。

[0020] 从下述描述中将看出本发明的另外优点和有利特征。附图说明

[0021] 参考附图在下文具体描述作为实例被引用的本发明的实施例。

[0022] 在附图中：

[0023] 图1为示出根据本发明的第一实施例的设备的一般结构的非常简化的视图，以及[0024] 图2为根据本发明的第二实施例的设备的视图，其与图1类似。

具体实施方式

[0025] 图1示意性说明根据本发明的第一实施例的设备的一般结构，该设备用于以旁路连接与三相电力网络交换功率，该三相电力网络为任何可想到的类型并且此处仅由用于将该设备连接到这种网络的线路1-3表示。此网络可以比如为对工业电弧炉或者典型地以36kV电压工作的任何其它设备馈电的电力网络。如果该设备将连接到高压输电线形式(其典型地传送诸如132-500kV量级的高得多的电压)的网络，则该设备通过图1中未示出的变压器连接到该网络。

[0026] 该设备4包括电压源转换器5，其具有三个相支路A、B和C，每个相支路具有串联连接的开关单元7，出于附图简化的原因而仅仅示出该开关单元中的三个，但是其数目可以是任何可想到的数目并且通常为10的量级。

[0027] 每个开关单元具有所谓H桥的形式，该H桥包括两个开关元件8、9，所述两个开关元件并联连接并且每个具有至少两个半导体组件10-13，所述半导体组件串联连接并且每个具有关断类型的半导体装置14(比如像是IGBT)以及与其反向并联连接的整流元件15(诸如续流二极管)。每个开关单元进一步包括至少一个能量存储电容器16，该能量存储电容器具有跨过其端子的电压U并且与开关元件并联连接。每个开关元件的半导体组件之间的中间点17、17’形成开关单元的端子，以用于连接到相邻开关单元的相应端子，从而形成串联连接的开关单元。因而，转换器的每个相支路是由所谓的H桥单元的链式链节形成。
转换器的三个相支路A-C通过形成三角形连接而互连。

[0028] 装置18配置成检测所述三相电力网络以及电压源转换器的所述三个相支路的电气条件，该装置以18示出。这种条件可以是三个相中的电流和电压的幅值和相位，通过其也可以发现干扰和谐波。就电压源转换器的所述三个相支路而言，这种条件可以是每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压的不平衡。检测装置18配置成将关于所述电气条件的信息另外发送到控制单元19，该控制单元配置成控制每个开关单元的开关组件的半导体装置，并且由此每个开关单元依赖于从检测装置18接收的信息而传递跨过每个所述开关单元的端子的电压，该电压为零、+U或-U，其中U为开关单元的电容器16两端的电压，以连同各个相支路A-C的其它开关单元一起传递电压脉冲，该电压脉冲为由每个开关单元如此传递的电压之和。

[0029] 更确切地说，控制单元19配置成，在从所述检测装置18接收到每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压不平衡的信息时，按照下述方式控制电压源转换器的开关单元。控制单元19随后配置成：计算零序电流I0的幅值和相位的值，对于所述零序电流，当其在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述三个相支路相对于其余两个相支路的总直流电压的平衡被恢复；以及控制相支路的开关单元的半导体装置，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。这意味着通过在三角形连接中循环所述零序电流可以恢复三个相支路之间的能量平衡，而对电力网络没有任何影响。

[0030] 更确切地说，控制单元19配置成，通过将所述三个相支路A、B、C的所述总直流电压的差模定义为如下所述的矢量来实施所述零序电流的所述计算：

[0031]

[0032] 从而将被添加到电流基准以用于控制所述开关单元的所述半导体装置的零序电流基准计算为

[0033] UDC，A，UDC，Bc，UDC，C分别为所述相支路A、B和C的所述总直流电压。

[0034] 再者，控制单元19进一步配置成：在从检测装置18接收造成需要生成负序电流的信息时(如果由于其中的干扰引起的电力网络中的不平衡将被补偿，则情况会是如此)，在计算所述零序电流的幅值和相位的值时使用此信息，对于所述零序电流，在生成所述负序电流时当所述零序电流在所述三个相支路的三角形连接电路中循环时，每个所述相支路中的所述能量存储电容器中存储的所得到的能量在所述平衡的情形下将是恒定的；以及控制相支路的所述开关单元的半导体装置，从而将这种零序电流添加到转换器的每个相支路的电流。因而，对于特定的这种负序电流，将存在这样的零序电流，当该零序电流添加到各个相中的电流时，将导致每个相中电流与电压正交，并且藉此不存在电容器放电或充电。这当然也包括通过添加零序电流基准的控制，该零序电流基准在存在不平衡时将恢复不平衡。再者，控制单元可以配置成，当控制所述半导体装置以减小峰值电流时，通过将三次谐波电流添加到电流基准而获得转换器的电流负载能力的增加。三次谐波为零序类型并且将保持在三角形连接。所添加的零序分量的幅值和相是基于最高转换器相电流。

[0035] 图2示出根据本发明的第二实施例的设备，该设备与根据图1的设备不同仅仅在于示出该设备在具体情形中如何连接到具有三个相21-23的三相电力网络20，该三相电力网络对诸如电弧炉的电气设备馈电，所述三个相通过变压器24连接到高压电力网络25，其中谐波滤波器26布置在所述电力网络20到高压电力网络25的连接处。根据此实施例的设备的整体功能将与图1所示实施例的设备相同，并且由于此原因而在此图中使用相同的附图标记。

[0036] 需指出的是，尽管在设计根据本发明的设备时采取了具体措施来获得在三角形连接中的零序电流循环的生成以及负序电流，但该设备可以用于对电力网络属性的其它类型的影响，诸如用于无功功率补偿以及用于减小电力网络中的谐波(该谐波可由所述负载生成)。该设备可以由于此原因也具有与转换器的每个相支路串联连接的无功阻抗元件，诸如用于无功功率消耗的电感器以及用于无功功率生成的电容器，并且在各图中示出了电感器27形式的这种无功阻抗元件。此电感器也可以起到平滑由转换器生成的电压的功能。

[0037] 本发明当然不以任何方式而受限于上述实施例，对其进行调整的许多可能性对于本领域技术人员而言将是显见的，而不背离在所附权利要求书中定义的本发明的范围。

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