CN101675569B - 静态无功补偿器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单相静态无功补偿器设备。该设备包括补偿器串，该补偿器串包括串联连接到晶闸管阀的第一静态无功补偿器。补偿器串布置成在其第一端连接到额定电压超过69kV的输电网的一个相。此外，晶闸管阀包括串联连接的多个晶闸管且补偿器串布置成直接连接到输电网。还提供了一种相应的三相设备。

Description

静态无功补偿器设备
技术领域
本发明总体上涉及静态无功补偿器设备，且更具体而言涉及如何将静态无功补偿器设备连接到输电网。
背景技术
并联补偿器使用在高压网络中以补偿过量的无功功率损耗或生成。晶闸管经常用于允许在每个周期基础上对这种并联补偿器的交换无功功率的控制。
传统的并联补偿器连接方式可以在图1看出。接口变压器101使用在输电网102和晶闸管控制/切换的无功功率元件之间，以将输电系统的额定高电压调适到10-30kV范围内的较低电压，其中晶闸管控制电抗器(TCR)103、晶闸管切换电抗器(TSR)103和/或晶闸管切换电容器(TSC)104连接到此较低电压。典型地，并联组和/或谐波滤波器105也将连接到同一低电压母线。
然而，现有技术的连接在下述性能方面存在一些缺陷，例如在高电容性供电或者在高电网电压时的变压器饱和、变压器内的无功功率损耗以及过量的额定次级电流和非常大的短路电流。
因此，鉴于现有技术，需要改善并联补偿器的使用。
发明内容
本发明的一个目的是简化与静态无功补偿器有关的布置。
根据本发明，提供一种单相静态无功补偿器设备。该设备包括补偿器串，该补偿器串包括串联连接到晶闸管阀的第一静态无功补偿器。补偿器串布置成在其第一端连接到额定电压超过69kV的输电网的一个相。此外，晶闸管阀包括串联连接的多个晶闸管。补偿器串包括并联连接到所述晶闸管阀的电容器，以及补偿器串布置成以电流方式(galvanically)直接连接到输电网。
通过将补偿器串直接连接到输电网或电网，变压器被略去。这是通过包括电容器来实现的，该电容器提供针对电压电涌例如针对雷击的保护。电容器可以并联连接到整个晶闸管阀，或者晶闸管阀的每个晶闸管可具有并联连接的相应电容器。不采用变压器，这提供了诸多优点，例如没有来自变压器的声学噪声，以及无需含油布置的更加环保的无油安装。此外，现场土建工程得以简化。可以避免与变压器相关的其它缺点，例如需要沉重变压器运输、变压器长的交货时间、损坏之后长的维修时间、高的成本(这可能随时间增加)并且由于变压器额定值，补偿器的升级(就增加无功范围而言)是困难的。
在此上下文中，晶闸管阀应解释为串联连接的多个晶闸管。
补偿器串的第一静态无功补偿器可以布置成直接连接到输电网。
晶闸管阀可包括一百个串联连接的晶闸管。
晶闸管阀可包括双向控制晶闸管。
第一静态无功补偿器可包括电感器。
补偿器串可进一步包括第二静态无功补偿器，以及晶闸管阀在其第一端可连接到第一静态无功补偿器且晶闸管阀在其第二端可连接到第二静态无功补偿器的第一端。
第二静态无功补偿器可包括电感器。
第二静态无功补偿器可包括电容器。
本发明的第二方面涉及一种三相静态无功补偿器设备，其包括三个根据第一方面的单相设备，其中每个单相设备布置成连接到三相输电网的相应一个相。
补偿器串可布置成在其第一端连接到相应相且在其第二端连接到与该相应相不同的相关联的输电网，由此形成三角形(delta)连接。
补偿器串可布置成在其第一端连接到相应相且在其第二端连接到中性点，由此形成星形(wye)连接。星形连接内的半导体器件的数目显著低于如若三角形连接被用于整个输电网电压时的数目。
中性点可以连接到输电网。
可以使用来自连接到三个相应相的Z变压器的人造中性(neutral)来提供该中性。
本发明的第三方面涉及一种三相静态无功补偿器设备，其包括：两个根据第一方面的单相设备，其中两个单相设备的每一个布置成在其相应第一端连接到三相输电网的两个相中的相应一个相；以及静态无功补偿器，其布置成在其第一端连接到三相输电网的第三相。两个单相设备的第二端均直接连接到第三静态无功补偿器的第二端。
本发明的第四方面涉及一种单相静态无功补偿器设备，其包括补偿器串，该补偿器串包括串联连接到晶闸管阀的第一静态无功补偿器。补偿器串布置成在其第一端连接到额定电压超过69kV的输电网的一个相。晶闸管阀包括串联连接的多个晶闸管，补偿器串包括并联连接到晶闸管阀的电容器，且补偿器串包括布置成将补偿器串以电流方式连接到输电网的自耦变压器。
注意，第一方面、第二方面、第三方面或第四方面的任何特征可以恰当地应用到任何其它方面。
一般而言，权利要求书中的所有术语应根据其在该技术领域内的普通含意进行解释，除非此处另外明确定义。除非另外明确指出，所有提到″一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等″应开放地解释为涉及该元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个示例。除非明确地指出，此处公开的任一方法的步骤不一定严格地按照所公开的顺序执行。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式对本发明予以描述，其中：
图1为示意图，说明了用于网络无功功率补偿的典型静态无功补偿；
图2a-图2b为示意图，说明分别使用晶闸管控制电抗器和晶闸管控制电容器的三角形连接的静态无功补偿；
图3为示意图，说明基本绝缘水平测试布置；
图4为示意图，说明采用无中性连接的星形连接的静态无功补偿；
图5为示意图，说明通过自耦变压器连接的静态无功补偿；
图6为示意图，说明采用有中性连接的自耦变压器星形连接的静态无功补偿；
图7为示意图，说明采用星形连接和Z变压器的静态无功补偿；
图8为示意图，说明双向相控晶闸管的堆叠；以及
图9为示意图，说明具有单独热交换器的阀。
具体实施方式
现在将在下文结合附图对本发明予以更全面的描述，附图中示出了本发明的特定实施例。然而，本发明可以以诸多不同形式来实施且不应理解为限于此处给出的实施例；相反，这些实施例以示例的方式被提供，使得本公开内容将彻底和完整，并向本领域技术人员完整地传达本发明的范围。相同的标号贯穿说明书表示相似部件。
图2a-图2b为示意图，说明了分别使用晶闸管控制电抗器和晶闸管控制电容器的三角形连接静态无功补偿。在图2a中，晶闸管控制电抗器(TCR/TSR)在三相静态无功补偿器设备240内以三角形连接而连接在各相之间。电感器210a′和210a″、210b′和210b″、210c′和210c″可以分成两个部分210a′和210a″、210b′和210b″、210c′和210c″，他们被连接成嵌入晶闸管阀212a-c。可选地，每对内的一个电感器可以略去。电感器210a′-c′、210a″-c″和晶闸管阀212a-c的每个相应串联连接线路称为补偿器串211a-c。在示出晶闸管切换电容器(TSC)的图2b中，晶闸管阀212a-c通常插在阻尼电感器214a-c和电容器组216a-c之间，如图2b所示。电感器214a′-c′、晶闸管阀212a-c和电容器组216a-c的每个相应串联连接线路称为补偿器串213a-c。
在备选实施例中，晶闸管阀212a-c连接到输电网，以及电感器和/或电容器继而连接到晶闸管阀。
图3为示意图，说明了基本绝缘水平测试布置。
SVC安装开关场典型地通过设施上方的保护引线或者通过高接地桅杆来避免直接雷击。因此雷击无法击中晶闸管阀和电抗器之间的点，而是将由组合的电抗器-晶闸管阀串(TCR或TSR)或者组合的电抗器-晶闸管阀-电容器组串(TSC)所吸收。相应地，串设计应并入用以抑制和/或控制陡峭电压电涌的装置，以使得可以跨过刚刚提到且在图2a和2b示出的串来施加完整基本绝缘水平(BIL)测试电压。晶闸管控制电抗器的示例示于图3。测试电压发生器322提供电压用于测试。
可能需要特殊晶闸管阀保护电路来达成此目的。在图3中，其被示为与晶闸管对312并联连接的电容器320。在实际实施中，会需要实际实施的附加部件以保护晶闸管导通过程，正如电力电子技术人员所公知的那样。
这种情况下，晶闸管阀必须设计成用于输电网的完整线间(1ine-line)电压。
在最经常情况下，电流是适中的。由于高电压，大量部件可以在阀内串联连接。
由补偿器串211a-c产生的三次谐波电流将包括在电感器电流内，但是将被捕获并且在三角形连接内循环。
图4为示意图，说明了采用无中性连接的星形连接的静态无功补偿。
原则上，也可以使用具有无源部件(电感器和/或电容器组)410a-c和晶闸管阀412a-b的星形连接串的SVC 440。如果SVC不使用利用相位角控制的连续控制来工作而是工作于切换模式(完全开启/完全关闭)，则如图4所示仅需要两个阀412a-b。
图5为示意图，说明了现在将予以描述的通过自耦变压器来连接的静态无功补偿。
减小变压器额定值的一种方式是利用自耦变压器528作为到SVC 530的接口。图5描述此概念。
变压器的额定功率仅仅是总SVC功率额定值的一部分。如果U2代表输电网532的电压且U1代表SVC母线534的电压，则视在功率Strafo可以表述为SVC视在功率SSVC的因子，如下述：
S trafo = ( 1 - U 2 U 1 ) S SVC - - - ( 1 )
对于完整SVC额定值，自耦变压器528漏抗远低于变压器内漏抗。这经常是一优点，但是在一些情形中，会难以设计谐波滤波器。如果情形如此，则有利的是插入额外的电感器526与自耦变压器528串联，如图5所示。额外的电感器526也可以用于降低在BIL电压测试时跨过晶闸管阀的电压应力。
如果输电系统具有来自变压器的中性(neutral)，则可以利用星形连接中的SVC 630，如图6所示。该图示出TCR，但是SVC配置530可包括若干TCR、TSR、TSC和滤波器组。
这种情况下，三次谐波电流将经过自耦变压器628中性连接636。
与前述情形相似，额外的电感器可以连接(图6未示出)在自耦变压器和SVC之间，从而降低在BIL电涌电压测试时跨过晶闸管阀的电压应力。
图7为示意图，说明了采用星形连接和Z变压器的静态无功补偿。Z形连接变压器740可用于形成输电系统内的电压的局部中性点(人造中性)。于是，可以如图7所示利用SVC 740的星形连接的晶闸管阀。星形连接内半导体器件的数目显著低于如若三角形连接被用于整个输电网电压时的数目。SVC 740内存在三个补偿器串711a-c。该图示出普通的串，不过SVC配置740可包括若干TCR、TSR、TSC和滤波器组。
Z变压器应设计成使三次谐波电流经过该变压器。将不产生三次谐波电压。
图8为示意图，说明双向相控晶闸管的堆叠。
具有与通常额定电流相比的显著电流处理能力的晶闸管是可获得的，因为在高额定电压仅需要低电流。这一点具有一些感兴趣的含义。首先，结温度可以保持接近壳体温度。第二，更少地发生与故障或控制错误时电涌电流相关的设计问题。并且第三，易于设计SVC的高过载能力。
对于此应用，可以有利地使用所谓的双向晶闸管或者双向控制晶闸管(BCT)850。这些装置具有集成在同一硅晶片上的两个反向并联的晶闸管。于是对于每个阀功能仅需一个装置堆叠。在每个BCT 850之间存在冷却装置852。
用于超过69kV电压的设备大部分设计成用于室外使用。这对于此处提到的晶闸管阀也是可能的。每个阀功能包括一个(双向)晶闸管850的堆叠。该堆叠可以按足够闪弧和爬电距离置于例如由聚合材料形成的绝缘外壳854内。图8描述此方法。
图9为示意图，说明了具有单独热交换器的阀。
与传统使用的低电压设计相比，在高电压SVC阀内，额定电流变为适中的且每个装置的损耗低。因此结和壳体854之间的温度降落低且可以使用冷却剂的高温。这使得对于给定的待处理总功率量而言，热交换器956更小。
在一种创新设计中，每个阀，其可包括BCT的堆叠，具有各自的冷却器，该冷却器或者具有分离的循环泵958和/或具有冷却剂的自然流960。图9描述此概念。
关于阀安装，当串联连接装置的数目变大时(在一百个装置的范围内)，用于高电压的晶闸管阀变得相当长。相应地，将这些阀安装成悬垂在屋顶(室内)或者悬垂在钢结构(室外)是合理的。
本发明主要结合一些实施例在上文予以解释。然而，如本领域技术人员所容易理解，在由所附专利权利要求书定义的本发明的范围内，同样可以存在除上文公开的实施例以外的其他实施例。

Claims (15)

1.一种单相静态无功补偿器设备，包括：
补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)，包括串联连接到晶闸管阀(212a-c)的第一静态无功补偿器；
其中所述补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)布置成在其第一端连接到额定电压超过69kV的输电网的一个相；
其特征在于，
所述晶闸管阀(212a-c)包括串联连接的多个晶闸管，
所述补偿器串包括并联连接到所述晶闸管阀的电容器，以及
所述补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)布置成以电流方式直接连接到所述输电网。
2.根据权利要求1所述的单相静态无功补偿器设备，其中所述补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)的所述第一静态无功补偿器布置成直接连接到所述输电网。
3.根据权利要求1或2所述的单相静态无功补偿器设备，其中所述晶闸管阀(212a-c)包括串联连接的一百个晶闸管。
4.根据前述权利要求1或者2所述的单相静态无功补偿器设备，其中所述晶闸管阀包括双向控制晶闸管。
5.根据前述权利要求1或者2所述的单相静态无功补偿器设备，其中所述第一静态无功补偿器包括电感器。
6.根据前述权利要求1或者2所述的单相静态无功补偿器设备，其中所述补偿器串(211a-c，213a-c)还包括第二静态无功补偿器(210a″-c″，216a-c)，以及所述晶闸管阀(212a-c)在其第一端连接到所述第一静态无功补偿器且所述晶闸管阀(212a-c)在其第二端连接到所述第二静态无功补偿器(210a″-c″，216a-c)的第一端。
7.根据权利要求6所述的单相静态无功补偿器设备(211a-c)，其中所述第二静态无功补偿器(210a″-c″)包括电感器。
8.根据权利要求6所述的单相静态无功补偿器设备(213a-c)，其中所述第二静态无功补偿器(216a-c)包括电容器。
9.一种三相静态无功补偿器设备(240，740)，包括三个根据前述权利要求任一项所述的单相设备，其中所述单相设备的每一个布置成连接到三相输电网的相应的一个相。
10.根据权利要求9所述的三相静态无功补偿器设备(240)，其中所述补偿器串(211a-c，213a-c)布置成在其第一端连接到所述相应相以及在其第二端连接到与所述相应相不同的相关联的输电网，由此形成三角形连接。
11.根据权利要求9所述的三相静态无功补偿器设备(740)，其中所述补偿器串(711a-c)布置成在其第一端连接到所述相应相以及在其第二端连接到中性点，由此形成星形连接。
12.根据权利要求11所述的三相静态无功补偿器设备(740)，其中所述中性点连接到输电网。
13.根据权利要求11所述的三相静态无功补偿器设备(740)，其中使用来自连接到三个相应相的Z变压器的人造中性来提供所述中性点。
14.一种三相静态无功补偿器设备(240，740)，包括：
两个根据权利要求1至8任一项所述的单相设备，其中所述两个单相设备的每一个布置成在其相应第一端分别连接到三相输电网的两个相中的相应一个相，
静态无功补偿器，布置成在其第一端连接到所述三相输电网的第三相，
其特征在于，所述两个单相设备的第二端均直接连接到第三静态无功补偿器(410b)的第二端。
15.一种单相静态无功补偿器设备，包括：
补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)，包括串联连接到晶闸管阀(212a-c)的第一静态无功补偿器；
其中所述补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)布置成在其第一端连接到额定电压超过69kV的输电网的一个相；
其特征在于，
所述晶闸管阀(212a-c)包括串联连接的多个晶闸管，
所述补偿器串包括并联连接到所述晶闸管阀的电容器，以及
所述补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)包括自耦变压器(526)，所述自耦变压器布置成将所述补偿器串(211a-c，213a-c，711a-c)以电流方式连接到所述输电网。
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