CN102210088B - 链式变换器、启动链式变换器的方法和静态补偿器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含一个或多个相S1，S2，S3的链式变换器16。所述一个或多个相S1，S2，S3的每个包含一个或多个串联连接的变换器单元20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43。链式变换器16其特征在于连接到所述一个或多个相S1，S2，S3其中之一的变换器单元20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43的电源18。提供了一种成本高效的变换器启动。本发明还涉及相应的静态补偿器系统和方法。

Description

链式变换器、启动链式变换器的方法和静态补偿器系统
技术领域
本发明涉及高压电力网络中电力补偿的领域，且具体地涉及基于链式变换器的静态补偿器。
背景技术
静态无功补偿器(SVC)系统已经在电力网络中使用许多年以用于控制电力网络中无功功率的产生和吸收，从而提供电压支持，提高瞬态稳定性以及抑制(damp)振荡。STATCOM(静态补偿器)是SVC的一种类型，其为基于电压源变换器(VSC)的装置，所述装置可以用作到电力网络的无功AC功率的源或阱。STATCOM在连接到DC电源时也可以提供有功功率。
图1图示现有技术的两级静态补偿器1，其不含有任何变压器以使电力网络电压逐步降低。静态补偿器1包含电压源变换器(VSC)2，该电压源变换器在其DC侧连接到电容器3且在其AC侧连接到电力网络8，该电力网络也记做电网。
传统两级VSC2包含三个相脚P1，P2，P3，每个相脚由两个串联连接的阀组成。相脚P1的两个阀标记于附图标记9a，9b处。每个阀9a，9b依次包含具有反并联二极管的晶体管，更精确地，为了操纵高电压，每个阀包含许多串联连接的晶体管，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，每个IGBT具有反并联二极管。
在每个相中经由相电抗器4，经由与开关6并联连接的启动电阻器5以及经由AC断路器7，VSC2连接到电网8，在图1该电网包含三相网络。每个相或者其中至少两个相包含这样的相电抗器、启动电阻器、开关和断路器。各个相连接到各个相脚P1，P2，P3的中间点，即连接在图中所示的各个阀之间。通过为所述相中的仅仅两个相配备与开关并联连接的启动电阻器，则有可能减少部件的数目。在下文中仅仅描述一个相从而简化描述，但是应理解所述相是类似的。
当连接电网的VSC2被激励和启动时，断路器7被切换从而提供从电网8经过启动电阻器5、相电抗器4并且经过VSC2的二极管的电流路径，从而对电容器3充电。当电容器电压达到预定电平时，通过闭合并联连接的开关6使启动电阻器5短路。由于启动电阻器5被短路，电容器电压将增大一点，且当电容器电压足够高时，VSC2的阀被解锁(deblocked)并开始切换。电容器电压接着被控制直至其基准值。
提供启动电阻器5从而保护VSC2的二极管免受太高和/或持续太久的电流浪涌损伤，其中在闭合AC断路器7时不使用启动电阻器5将出现所述电流浪涌。
施加在VSC2的阀且特别是二极管上的应力取决于若干因素，例如DC侧电容器3的大小、相电抗器4的大小以及电力网络8的电压电平。
除了阀之外，链式变换器包含许多串联连接的单元，每个单元包含电容器。当结合系统的总效应来看时，与上述的两级静态补偿器1相比，每个所述单元的DC电容器相当大。具有大电容器则要求在电容器被充分充电从而开始切换链式变换器的阀之前，具有在相对长时间段内经过二极管的相当大的电流。这进而使得要承担在变换器启动期间二极管被损伤的风险。
尽管启动电阻器和开关提供起作用的解决方案，但是该解决方案相当昂贵且期望降低变换器的成本。可以想到使用能够应对大电流的二极管，但是这仍然是昂贵的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种链式变换器，其克服或者至少减轻上述问题。特别地，本发明的目的是提供改进的链式变换器且还提供这种链式变换器的改进的启动过程。
本发明的另一目的是提供一种链式变换器，其中施加在所包含的二极管上的应力被最小化且相关损伤被消除。
本发明的又一目的是提供一种链式变换器，其具有成本高效的设计，消除了现有技术的启动电阻器和开关。
除其它之外的这些目的是通过如独立权利要求中所述的链式变换器和方法来实现。
依照本发明，提供了一种包含一个或多个相的链式变换器。所述一个或多个相的每个包含一个或多个串联连接的变换器单元。该链式变换器其特征在于连接到所述一个或多个相其中之一的变换器单元的电源。借助本发明，链式变换器单元的二极管不受到应力且提供了一种可靠的变换器。此外，借助该链式变换器的创新启动设置，启动电阻器和开关可以省略，因而提供了更加成本高效的解决方案。再者，通过使用合适数目的单元，该链式变换器可以容易地适应宽范围的电力网络电压。
依照本发明的实施例，每个变换器单元包含设置成H桥连接的四个阀。优选地，每个阀包含具有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管。因此可以使用传统链式变换器部件。
依照本发明的另一实施例，该链式变换器包含连接成三角形(delta)配置的三个相。通过将相设置成三角形配置，所有相的DC电容器可以由连接到单独一个变换器单元的单个电源充电到它们的基准值。因此提供了一种成本非常高效的解决方案。
本发明还涉及相应的方法，并且涉及用于提供无功功率到电力网络的静态补偿器系统，由此实现了与上面相似的优点。
附图说明
图1图示现有技术两级静态补偿器。
图2图示依照本发明的链式变换器的一个单元。
图3图示依照本发明的链式变换器的实施例。
图4图示连接到电力网络的图3的链式变换器。
图5图示依照本发明的方法的步骤。
具体实施方式
图1已经在本申请的引言部分中予以描述且将不予以进一步描述。
在图2-图4中始终使用相同附图标记表示相同或相应的部分。
图2图示依照本发明的链式变换器的一个变换器链，也记做变换器单元。变换器单元10包含四个阀11，12，13，14，每个阀包含晶体管开关，比如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在下文中，使用IGBT作为实例，但是注意，也可以使用其它半导体器件，例如门极可关断晶闸管(GTO)或集成门极换流晶闸管(IGCT)。续流二极管(也记做反并联二极管)与每个IGBT并联连接。二极管在IGBT的相反方向上导通。阀11，12，13，14与电容器单元15连接成H桥设置。
图3图示依照本发明的链式变换器16。链式变换器16包含若干串列(string)，在图中为3个串列，每个串列包含变换器单元。一个这样的串列在下文中记做相，并且相被理解为包含许多串联连接的变换器单元。所述变换器单元其中之一用虚线方框标出，且等同于图2中所图示并结合图2描述的变换器单元10。每个变换器单元20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43因而包含与DC电容器27设置成H桥设置的四个阀，其中每个阀进而包含具有反并联二极管26的IGBT25，如上所述。
每个相包含许多串联连接的变换器单元：第一相图示为包含变换器单元20，21，22，23；第二相包含变换器单元30，31，32，33；以及第三相包含变换器单元40，41，42，43，44。每个相连接到在图中附图标记L1，L2和L3处所图示的相电抗器。链式变换器16的相设置成三角形连接且链式变换器16可连接到在17示意性图示的电力网络。
依照本发明，一个变换器单元连接到例如电池的外部DC电源18。更具体地，变换器单元其中之一具有连接到其DC侧的电源18。电源18可以是例如2-3kV电池。借助电源18，链式变换器16的启动大幅改善，如将在下文所描述。
图4图示连接到电力网络17的图3的链式变换器16。链式变换器16的三个三角形连接的相在图中分别记做S1，S2和S3。每个相S1，S2，S3按传统方式设有记做CBa，CBb和CBc的断路器。
为了启动链式变换器16，电源18连接到相S1，S2，S3其中之一的变换器单元其中之一，如上所述。启动的这个第一步骤记做模式1。连接到电源18的变换器单元的IGBT被切换且因此链式变换器的变换器单元的所有DC电容器可以被充电。也就是说，由于三个相S1，S2，S3三角形连接，所有变换器单元的电容器电压可以被控制从而达到它们的基准值。当变换器单元的DC电容器完全充电时，电源18可以断开。可替换地，即使在变换器单元的DC电容器已经完全充电之后，电源18可以仍连接到变换器单元。开关装置24布置在电源18和变换器单元40的DC电容器之间，从而使得能够实现电源18的连接和断开。
注意，将电源18添加到单个相的单个变换器单元足以实现链式变换器16的启动。连接到电源18的变换器单元在此模式1中可以接地但是不必接地。在可替换实施例中，可以使用连接到各个变换器单元的两个或更多个电隔离的电源。
接着，启动模式2，其中相电压ua，ub，uc按传统方式同步到电网相电压ea，eb，ec从而具有相同的幅值、相同的频率和相，以便避免电流瞬态等。接着断路器CBa，CBb和CBc可以闭合且链式变换器16可以启动所期望的电力网络支持。在此模式2中，连接到电源18的变换器单元不能被接地。
链式变换器16由图4的附图标记19处示意性图示的控制装置控制，其例如用于实现变换器单元20，21，22，23，30，31，32，33，40，41，42，43的阀的开关，以及用于控制所有变换器单元的电容器电压等。同样的控制装置19可以用于控制电源18，即用于将电源18连接到一个变换器单元。电源18可以例如经由可控开关24连接到变换器单元。
变换器单元的数目可以取决于电力网络电压而适当地选择；网络电压越高，需要越多的变换器单元。例如，对于12kV的电力网络，仅仅几个变换器单元会是足够的，而操纵高达约100-130kV的电力网络将需要多于100个变换器单元。
本发明还提供相应的用于启动上述链式变换器16的方法。方法50包含将相S1，S2，S3其中之一的变换器单元连接到电压源18的第一步骤51。在下一个步骤，即步骤52，变换器单元20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43的DC电容器被充电到合适电平。在最后的步骤，即步骤53，相S1，S2，S3的相电压ua，ub，uc被同步到电力网络17的相电压ea，eb，ec。因此提供了一种启动链式变换器16的改进方式。
该方法还可包含另外的可选步骤。例如，可以包含另一步骤54：在将DC电容器充电到合适电平的步骤52完成之后，将电压源18从第一单元断开。
方法50可包含另外步骤55：当相S1，S2，S3已达到预定电压电平时，将相S1，S2，S3连接到电力网络17。将相S1，S2，S3连接到电力网络17可包含切换连接到各个相S1，S2，S3的各个断路器CBa，CBb，CBc。
本发明还提供用于提供无功功率到电力网络17的静态补偿器系统29，见图4。这种静态补偿器系统29包含如上所述的链式变换器16，链式变换器16的所述一个或多个相S1，S2，S3的每个经由各个相电抗器L1，L2，L3以及经由各个断路器CBa，CBb，CBc而连接到电力网络17。
如上所述提供的无变压器的链式变换器16具有这样的设计，其中二极管不受到应力且不经受被损伤的风险。另外，借助链式变换器16的创新启动设置，较早使用的启动电阻器和开关可以省略，因此提供了更加成本高效的解决方案。所操纵的电压越高，该优点越突出。例如，与操纵诸如例如12kV的较低电压的电力网络相比，操纵高达约140kV的电压的电力网络更大程度地受益于启动电阻器和开关被省略，因为部件被调整规格以操纵的电压越高，部件变得越昂贵。

Claims (9)

1.一种包含以三角形配置连接的三个相(S1，S2，S3)的链式变换器(16)，所述相(S1，S2，S3)的每个包含一个或多个串联连接的变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)，所述变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)包含与DC电容器设置成H桥设置的四个阀，其特征在于，连接到所述相(S1，S2，S3)其中之一的仅一个变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)的所述DC电容器的单个电源(18)。
2.根据权利要求1所述的链式变换器(16)，其中每个阀(11，12，13，14)包含具有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的链式变换器(16)，其中所述电源(18)经由开关装置(24)连接到所述一个变换器单元，藉此所述电源(18)可以被断开。
4.根据前述权利要求1-2中任意一项所述的链式变换器(16)，其中所述电源(18)设置成由控制装置(19)控制，其用于将电源(18)与所述变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)连接/断开。
5.一种用于提供无功功率到电力网络(17)的静态补偿器系统，包含根据权利要求1-4中任意一项所述的链式变换器(16)，所述链式变换器(16)的所述相(S1，S2，S3)的每个经由各个相电抗器(L1，L2，L3)以及经由各个断路器(CBa，CBb，CBc)连接到所述电力网络(17)。
6.一种启动包含以三角形配置连接的三个相(S1，S2，S3)的链式变换器(16)的方法，所述相(S1，S2，S3)的每个包含一个或多个变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)，所述变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)包含与DC电容器设置成H桥设置的四个阀，其特征在于下述步骤：
-将所述相(S1，S2，S3)其中之一的仅一个变换器单元连接到电压源(18)，
-将所述变换器单元(20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43)的DC电容器充电到合适电平，以及
-将所述相(S1，S2，S3)的相电压(ua，ub，uc)同步到电力网络(17)的相电压(ea，eb，ec)。
7.根据权利要求6所述的方法，包含下述另外步骤：在将所述DC电容器充电到合适电平的步骤之后，将所述电压源(18)从所述变换器单元断开。
8.根据权利要求6或7所述的方法，包含下述另外步骤：当所述相(S1，S2，S3)已达到预定电压电平时，将所述一个或多个相脚(S1，S2，S3)连接到电力网络(17)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中将所述相(S1，S2，S3)连接到电力网络(17)的步骤包含切换连接到所述相(S1，S2，S3)的相应一个的相应断路器(CBa，CBb，CBc)，藉此实现与所述电力网络(17)的所述连接。
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