CN101803139B

CN101803139B - 用于向电力网提供无功和/或有功功率的statcom系统

Info

Publication number: CN101803139B
Application number: CN2007801006198A
Authority: CN
Inventors: L·昂格基斯特
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: WO2009033506A1; US20100171472A1; ES2375101T3; CN101803139A; US8154896B2; ATE533220T1; EP2191550B1; EP2191550A1

Abstract

本发明涉及一种静态补偿器(11)系统，用于向电力网(14)提供无功和/或有功功率。该系统包括静态补偿器(11)，该静态补偿器包括DC电容器(U_d)和电压源转换器(10)。该静态补偿器(11)连接到能量存储装置(12)。该系统还包括与能量存储装置(12)串联并与静态补偿器(11)的DC电容器(U_d)并联连接的升压转换器装置(13)。升压转换器装置(13)和能量存储装置(12)还与静态补偿器(11)的电压源转换器(10)并联连接。

Description

用于向电力网提供无功和/或有功功率的STATCOM系统

技术领域

本发明一般性地涉及输电网的领域，并且具体地涉及对输电网的无功功率支持。

背景技术

向用户送电的输电网必须能够处理在电网内出现的电压不平衡或者不稳定、电压骤降、不良功率因子、失真或者闪烁。无功功率控制是一种解决这样的问题的方式。

STATCOM(静态补偿器)是一种基于电压源转换器(VSC)技术并且可以用来向输电网提供无功功率支持的电气设备。STATCOM能够产生或者和吸收无功功率并且可以由高速控制系统调节。

图1图示了基本STATCOM布置。在基本配置中，STATCOM 1由DC电压源2、DC/AC逆变器3(电压源转换器VSC)和变压器4组成。调节STATCOM输出电压的幅度控制STATCOM与电力网5的无功功率交换。如果输出电压的幅度超过电力网电压的幅度，则无功电流从STATCOM1经过变换器电抗流向电力网5，并且该设备生成无功功率。如果STATCOM输出电压的幅度减少至在电力网电平以下的电平，则电流从电力网5流向STATCOM，该STATCOM然后吸收无功功率。如果STATCOM输出电压等于电力网电压，则无功功率为零，并且STATCOM既不生成无功功率也不吸收无功功率。从STATCOM汲取的电流相对于电力网电压移位90°，并且它可以是超前的，即生成无功功率，或者它可以是滞后的，即吸收无功功率。等效而言，产生超前(电容性)或者滞后(电感性)VAR[无功伏安]。

STATCOM包括主电路，即电压源转换器VSC，该主电路被设计成处理某一数量的无功功率(“额定功率”)的注入或者吸收。主电路可以例如包括绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)器件、门极可关断晶闸管(GTO)器件或者集成门极换向晶闸管(IGCT)器件。

存在有如下情形，其中除了向电力网生成的无功功率之外还在STATCOM的DC侧上向它提供能量源以便提供也称为有功功率的一些有效功率是有利的。也就是说，不仅能够控制无功功率而且能够注入或者吸收有效功率有时是有利的。例如，有效功率可以在电力网内突然出现能量不足时用作备用电源或者作为用于管理电力网中的瞬态和机电振荡的控制功率。

图2图示了如下STATCOM，该STATCOM具有连接到它的DC侧的能量源6(Ues)。能量源6可以具体实现为可以暂时供应先前已经存储能量的能量存储装置或者包括非电能至电力的某种转换的能量供应。能量源6可以例如包括常规DC电容器、超电容器、电化学电池、燃料电池或者光电模块。

能量源6适应于相应典型放电循环时间，从而根据存储元件类型和负载条件而作用数秒(常规电容器)、数分钟(超电容器)或者直至30分钟(电池)或者甚至连续地作用(燃料电池或者光电模块)。无论能量源类型如何，在下文连接到STATCOM DC链路的能量存储装置6中，它们的共同之处在于它们的DC电压在充电/放电循环期间改变。然而，STATCOM上的DC电压必须超过某一最小电平，以便使STATCOM能够提供它的额定无功功率。特别地，STATCOM必须在即使能量源被放电或者达到它的最低接受充电电平时仍然能够提供它的额定无功功率。

由于能量源6的DC电压直接连接到STATCOM的DC总线，所以该DC总线必须被设计成能够用改变DC电压进行操作。用于STATCOM的额定DC电压U_DC不能高于能量源的最低操作电压，即，U_DC≤U_es，min＝U_es(放电)。STATCOM必须能够用上至能量源最高DC电压(即上至U_es，max＝U_es(完全充电))的所有DC电压电平进行操作。

STATCOM的主电路必须被设计成处理最大DC电压电平U_es，max(完全充电)，以便应对能量存储装置6中的DC电压的变化。这由于必须使用昂贵部件用于这样的过尺度设计而成本很高。通常，能量存储装置6的DC电压变化是用于STATCOM的额定DC电压的20-100％。STATCOM额定用于处理某一无功功率，例如100MVAr，并且如果这一额定无功功率与能量存储装置6的额定有功功率相比(即与有效功率部件相比)为高，则该改变DC电压电平所造成的成本较高。

图3图示了用于处理能量存储装置的改变的DC电压的现有技术解决方案。特别地，DC到DC转换器7可以用于将电压转换成希望的电压。然而，由于DC/DC转换器很复杂且成本高，具体而言由于全部有功功率必须穿过DC/DC转换器并且由于适合于VSC的电压电平可能很高，所以大量增加成本。

用于对STATCOM的DC处理能力进行过尺度设计以便STATCOM能够处理连接的能量储存器的改变的DC电压的成本因此很高。

在WO96/18937中，公开了一种双向转换器(即AC-＞DC或者DC-＞AC)，用于对高压AC电力网和DC能量存储/供应装置(诸如电池或者一系列光电电池或者燃料电池)之间的电能进行转换。该转换器包括耦合至该电网的PWM逆变器以及耦合在PWM逆变器与DC能量存储/供应装置之间的DC-DC斩波器。逆变控制单元包括用以调节PWM逆变器的DC侧的电压的DC母线电压调节器以及无功功率控制器。DC控制单元包括有效功率控制器，其通过控制DC能量存储/供应装置的电流流动来控制有效功率流。通过调整DC-DC斩波器中的DC开关，来独立于DC能量存储/供应装置的电压(VDC)控制至该能量存储/供应装置的DC电流，以便通过DC-DC斩波器提供期望有效功率流。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种用于向电力网提供无功和/或有功功率的STACOM系统，由此克服或者至少减轻上述问题。具体而言，本发明的一个目的在于，提供一种使具有改变DC电压的能量存储装置与以恒定DC电压操作的STATCOM对接的改进方式。

本发明的另一目的在于，提供一种无论能量存储装置的操作状态如何并且具体而言无论能量存储装置的充电水平如何，都提供恒定STATCOM DC电压的改进方式。

通过如独立权利要求所述的一种静态补偿器系统来实现这些目的以及其它目的，该静态补偿器系统用于向电力网提供无功和/或有功功率。

根据本发明，提供一种静态补偿器系统，用于向电力网提供无功和/或有功功率。该系统包括静态补偿器(STATCOM)，该STATCOM又包括DC电容器和电压源转换器。STATCOM的DC电容器和电压源转换器并联连接。STATCOM连接到用于提供DC电压的分离能量存储装置。该系统的特征在于，与能量存储装置串联连接且与STATCOM的DC电容器并联连接的升压转换器装置。升压转换器装置和能量存储装置还与STATCOM的电压源转换器并联连接。借助本发明，可以节省大量成本；例如实现使用成本更低的部件以及使用更鲁棒的部件。无需对STATCOM进行过尺寸设计以便处理外部能量存储装置的改变电压电平。另外，实现更低损耗和更低功率处理。

根据本发明的一个实施方式，升压转换器电路包括电流源转换器。它可以例如是晶闸管转换器。因此可以使用市面上唾手可得的部件。另外，使用常规线换向晶闸管非常具有成本效率。

根据本发明的另一实施方式，升压转换器装置被布置成处理在能量存储装置与STATCOM的DC源之间的电压差。具体而言，升压转换器装置可以被布置成对能量存储装置进行充电以及向STATCOM的DC源提供电压。升压转换器装置因此可以包括用于产生单向电压的装置，或者包括用于产生双向电压的装置。该系统因此可以容易地适合于适应用户的特定需要或者适应特定电力系统。

根据本发明的又一实施方式，升压转换器装置被布置成从STATCOM的AC端子经由变压器来供能。该变压器可以在STATCOM变压器的初级侧或者次级侧上连接到STATCOM的AC端子。

取而代之，升压转换器装置被布置成借助分离的AC馈电来馈电。同样，该系统因此可以适合于适应用户的特定需要或者适合于在特定系统中使用。

根据本发明的又一实施方式，能量存储装置包括DC电容器、超电容器、电化学电池、燃料电池或者光电模块。任何适当能量存储装置可以使用于本发明的系统中。

在本发明的又一实施方式中，升压转换器装置包括用于向电力网产生无功功率的装置。用于产生无功功率的装置可以例如包括可关断半导体器件，比如门极可关断晶闸管。因此向系统提供了附加特征。

在从属权利要求中限定本发明的更多实施方式。更多实施方式及其优点将在阅读以下具体描述以及附图后变得清楚。

附图说明

图1图示了基本STACOM配置。

图2图示了连接到能量存储装置的现有技术的STATCOM。

图3图示了用于处理能量源的改变的电压的现有技术解决方案。

图4和图5图示了本发明的实施方式。

图6图示了用于在本发明中使用的升压转换器装置的一个实施方式。

图7图示了用于在本发明中使用的升压转换器装置的另一实施方式。

具体实施方式

图1-图3已经结合现有技术加以讨论，因此将不再进一步加以说明。

图4图示了本发明的一个实施方式。具体而言，在图4中，图示了连接到电力网14的STATCOM(静态同步补偿器，下文简称为STATCOM或者静态补偿器)11，其具有期望的恒定DC电压电平U_d。STATCOM 11为常规类型并且包括DC链路，U_d，例如DC电容器组(下文为DC电容器)，DC/AC转换器和变压器T_s。DC/AC转换器包括电压源转换器(VSC)10，该电压源转换器将DC电压转换成输出电压的三相集合，或者转换成供给电力网14的单相电压。DC电容器与VSC 10并联连接。STATCOM 11的主电路为VSC 10，该VSC因此被设计成处理无功功率的注入或者吸收。主电路可以例如包括绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)器件、门极可关断晶闸管(GTO)器件或者集成门极换向晶闸管(IGCT)器件。DC电压U_d的平均值由VSC控制系统调节，并且DC电容器被布置成维持恒定DC电压，以便允许电压源转换器10的操作。

为了除了无功功率之外还提供有效功率，电压U_b的能量存储装置12与STATCOM 11并联连接，并且具体而言与DC电容器并联连接。为求便利，电化学电池在以下描述中有时用作能量存储装置12的例子。然而，注意到任何其它类型的能量存储元件均可以与本发明结合使用，比如先前提到的例子：常规DC电容器、超电容器、电化学电池、燃料电池或者光电模块。能量存储装置因此可以也如前文提到的那样，具体实现为可以暂时供应先前已经存储能量的能量存储装置或者包括非电能至电力的某种转换的能量供应。

STATCOM 11应当优选地在近似恒定的DC电压U_d操作，并且根据本发明通过引入增压转换器装置13来解决使STATCOM 11与具有改变的电压的能量存储装置12对接的问题。根据本发明，能量存储装置12的改变的DC电平由升压转换器装置13处理。升压转换器装置13提供改变的DC电压，与能量存储装置12串联连接而与STATCOM DC侧并联连接。

如图4和图5中所示，升压转换器装置13与能量存储装置12串联连接而与STATCOM 11的DC侧并联连接，即，串联连接的能量存储装置12和升压转换器装置13与STATCOM 11的DC电容器U_d并联连接。如提到的那样，STATCOM 11的DC侧可以例如是STATCOM 11的DC电容器组。本发明的主要思想因此在于引入升压转换器装置13，并且让它处理能量存储装置12的电压变化。升压转换器装置13仅需处理标称电压U_d与能量存储装置12的电压之差。这与前文提到的现有技术解决方案形成对照，在该现有技术解决方案中DC/DC转换器7应当能够处理最大电压。升压转换器装置13在需要时增加电压。升压转换器装置13在一个实施方式中是对DC电容器组进行充电的电流源型转换器。

如图5中所示，优选地经由连接到STATCOM的变压器向升压转换器装置13供能。变压器15然后连接到STATCOM 11的AC端子。升压转换器装置13连接到变压器15，该变压器又如图中所示在STATCOM变压器T_s的初级侧上或者如接着简述那样在STATCOM变压器T_s的次级侧上连接到静态补偿器11的AC端子。由此，从静态补偿器11的AC端子向升压转换器装置13供能。

变压器15可以代之以如图5中虚线所示连接到STATCOM变压器T_s的次级侧。如果STATCOM变压器T_s是滤波器装置的一部分，则这可能是有利的。

另外，可设想如在图4中的18示意所示，借助分离的AC馈电来为升压转换器装置13馈电。

图6图示了升压转换器装置13的第一示例实施。升压转换器装置13a可以如图6中所示，是实施用于获得单向电流的晶闸管转换器。如果能量存储装置12由某一分离的未图示装置充电，则这一实施是适合的。例如，能量存储装置12可以由从本地发电机如后备柴油机馈电的分离整流器充电。其中升压转换器装置13a的这一实施适合的另一情形是在初级能量为非电能时，例如为燃料电池或者太阳能。由于在这一实施方式中的升压转换器装置13a为单向，所以它不能对能量存储装置12充电。

简而言之，晶闸管转换器包括晶闸管阀的六脉冲桥(或者单相桥)。在桥的各支路中堆叠多个晶闸管器件，以形成针对该应用具有充分电压处理能力的串联串。如本领域技术人员所知，电压控制功能依赖于相对于AC侧电压对阀的受控触发。阀的换向依赖于外加AC电压而无需任何动作控制。晶闸管器件是很鲁棒和可靠的器件。它们以最小成本提供高的电压处理能力并且具有低损耗。

图7图示了升压转换器装置13b的第二示例实施。升压转换器装置13b同样是晶闸管转换器，但是这里被实施用于获得双向电流。这样的双向电流在图4和图5中由在升压转换器装置13上方的加号和减号表明。升压转换器装置13b用于对能量存储装置12进行充电以及用于提供要求的有效功率输出。这分别由下电路16和上电路17实现。与图6的实施方式形成对照，能量因此可以从能量存储装置12流向电力网14或者在相反方向上流动。

将注意，各种方式均可以用来平滑升压转换器装置13中的DC侧电流。可以在DC侧上或者在AC侧上提供电感。

升压转换器装置13可以配备有具有反向阻挡能力的关断半导体器件，例如利用部件如GTO(门极可关断晶闸管)或者IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)和二极管。在这样的情况下，升压转换器装置13也可以向电力网14产生无功功率。

在升压转换器装置13的两个实施方式中，最可能需要DC电容器，并且平滑电抗器优选地连接于晶闸管转换器13a、13b与DC电容器之间用于减少波动。为了突出本发明的优点，下文将给出简单额定例子。

假设STATCOM 11被设计成在1500Arms递送(额定)100MVAR。AC线-线电压然后为U_v＝38.5kVrms(见图4和图5)。STATCOM的对应最小DC电压约为U_d＝75kV。另外，假设STATCOM11除了100MVAR无功功率之外还应当递送10MW有效功率并且能量存储装置12的DC电压变化50％。能量存储装置12的电压因此在期望的最小75kV与上至完全充电的112.5kV之间变化。

如果能量存储装置12直接连接到STATCOM 11的DC总线、即根据现有技术，则将由STATCOM 11处理的最大DC电压变为U_dmax＝1.50*75kV＝112.5kV。STATCOM主电路的额定值然后为150MVAR，即它由于能量存储装置12的DC电压变化而必须被升级50MVA。

然而，如果能量存储装置12根据本发明来连接，则根据升压转换器装置13的实施存在有两种情况：

1)产生单向电压的升压转换器装置：

当能量存储装置12的最大DC电压被选择为U_bmax＝U_dn＝75kV时，其中U_dn是用于STATCOM 11的要求标称电压，则能量存储装置的电压将在50kV与75kV(即50kV+50％)之间变化。然后需要与能量存储装置12串联的可变串联电压0≤U_dA≤25kV。最大电流出现在能量存储装置12的最小DC电压处，并且为I_dmax＝10MW/50kV＝0.20kA。升压转换器装置13的额定值然后变为S_增压＝U_dAmax*I_dmax＝25kV*0.2kA＝5.0MVA。升压转换器装置13的额定值因此仅为在能量存储装置根据现有技术来连接(即直接连接到STATCOM的DC侧)的情况下必需的转换器额定升级的10％。也就是说，尽管现有技术解决方案由于能量存储装置的DC电压变化而要求将STATCOM从100MVAR升级至150MVAR(即升级50MVAR)，但是本发明仅需要该升级的10％，即仅仅5MVR。

2)产生双向电压的升压转换器装置：

电流源转换器可以产生具有任何极性的DC侧电压。在逆变模式(α≈90°-180°)中的最大电压比在整流模式(α≈0°-90°)中产生的电压略低一些。假设在整流模式中的电压与在逆变器模式中的电压之比为1∶0.8。对应于可变串联电压为-13.0≤U_dA≤+16.3kV，能量存储装置电压然后可以在范围58.7≤U_b≤88.0kV中变化。最大DC电压出现在最小能量存储装置电压处，并且因此变为I_dmax＝10MW/58.7kV＝0.170kA。升压转换器装置13的额定值因此变为S_增压＝U_dAmax*I_dmax＝16.3kV*0.17kA＝2.8MVA。也就是说，与现有技术解决方案相比可以获得甚至更大的成本节约。

上述计算清楚地示出本发明与现有技术相比的优点。本发明消除用于如在现有技术中所执行的那样对STATCOM中的额定DC电压进行过尺度设计的成本。另外，上述计算说明升压转换器装置13的额定值仅为STATCOM的额定值的一部分。

在升压转换器装置13的两个实施方式中，优选地需要DC电容器，并且平滑电容器连接于升压转换器装置13与DC电容器之间。假设理想条件，需要以下AC电压和电流：

对于单向增压电压，以下适用：

U_{A} = \frac{U_{dA \max}}{\frac{3 \sqrt{2}}{π}} = 25 / 1.35 = 18.5 kVrms

变压器电压比因此变为18.5/38.5＝0.48∶1。AC侧电流为：

I_{A \max} = \sqrt{\frac{2}{3}} I_{dA \max} = 0.816 \times 0.20 = 0.163 kArms

对于双向增压电压，以下适用：

U_{A} = \frac{U_{dA \max}}{\frac{3 \sqrt{2}}{π}} = 16.3 / 1.35 = 12.1 kVrms

变压器电压比因此变为12.1/38.5＝0.31∶1。AC侧电流为：

I_{A \max} = \sqrt{\frac{2}{3}} I_{dA \max} = 0.816 \times 0.17 = 0.138 kArms

可以参照升压转换器装置13的额定值进行对电压匹配的进一步优化。

在多数境况之下升压转换器装置13不太可能在逆变器模式中操作，即使使用图7中所示实施方式也是如此。也就是说，即使使用双向电压方式。之所以这样的原因在于，最高电池电压在对电池进行充电时出现。然后通过在整流模式中操作的具有负电流方向(关于电流方向，参照图6和图7)的升压转换器装置桥来供应部分有功充电功率。类似地，最低电池电压将在对电池进行放电时出现，于是具有正电流方向的升压转换器装置桥在整流模式中操作。

还需注意，通常将仅在相当短暂的时间段如5-30分钟期间提供有效功率。这一时间段必然比变压器和平滑电感器中的热时间常数更短，并且可以有可能确定这些部件额定值以获得更低的连续额定值。也就是说，变压器和平滑电感器不会在这一短暂时间段期间过热，从而实现更低额定值。相同的降低额定值对于阀以及对于电容器组也可以是可能的。因此可以实现附加的成本节约。

Claims

1.一种静态补偿器(11)系统，用于向电力网(14)提供无功和/或有功功率，所述系统包括静态补偿器(11)，所述静态补偿器包括并联连接的DC电容器(U_d)和电压源转换器(10)，所述静态补偿器(11)连接到能量存储装置(12)，其特征在于，与所述能量存储装置(12)串联连接的升压转换器装置(13)，其中所述升压转换器装置(13)和所述能量存储装置(12)与所述静态补偿器(11)的所述DC电容器(U_d)并联连接，并且所述升压转换器装置(13)和所述能量存储装置(12)与所述静态补偿器(11)的所述电压源转换器(10)并联连接，以及所述升压转换器装置(13)被布置成借助分离的AC馈电来馈电，或者被布置成经由变压器(15)从所述静态补偿器(11)的AC端子来供能。

2.根据权利要求1所述的静态补偿器(11)系统，其中所述静态补偿器(11)还包括变压器(T_s)，并且连接到所述升压转换器装置(13)的所述变压器(15)经由所述静态补偿器(11)的所述变压器(T_s)连接到所述静态补偿器(11)的所述AC端子。

3.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述升压转换器装置(13)包括电流源转换器。

4.根据权利要求3所述的静态补偿器(11)系统，其中所述电流源转换器包括晶闸管阀。

5.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述升压转换器装置(13)被布置成处理在所述能量存储装置(12)与所述DC电容器(U_d)之间的电压差。

6.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述升压转换器装置(13)被布置成对所述能量存储装置(12)进行充电。

7.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述升压转换器装置(13)包括用于产生单向电压的装置。

8.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述升压转换器装置(13)包括用于产生双向电压的装置。

9.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述静态补偿器(11)的所述DC电容器(U_d)被布置成维持至所述静态补偿器(11)的所述电压源转换器(10)的恒定DC电压。

10.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述能量存储装置(12)包括DC电容器、超电容器、电化学电池、燃料电池或者光电模块。

11.根据权利要求1或2所述的静态补偿器(11)系统，其中所述升压转换器装置(13)包括用于向所述电力网(14)产生无功功率的装置。

12.根据权利要求11所述的静态补偿器(11)系统，其中所述用于产生无功功率的装置包括可关断半导体器件。

13.根据权利要求12所述的静态补偿器(11)系统，其中所述可关断半导体器件是门极可关断晶闸管。