CN103201926A - 用于非线性的、在时间上改变的负载的电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于非线性的、在时间上改变的负载（1）的电源装置，具有带有多个相（3）的供电系统（2）。在供电系统（2）的这些相（3）上连接了非线性的、在时间上改变的负载（1）和无功补偿器（5）。无功补偿器（5）设计为具有多个支线（6）的多电平变换器。多电平变换器（5）的这些支线（6）一方面与供电系统（2）的这些相（3）中的各一个彼此连接，并且另一方面在公共星形节点（7）上彼此连接。多电平变换器（5）的公共星形节点（7）与连接在供电系统（2）的这些相（3）上的另一个装置（8，14）的星形节点（12，15）连接，从而使公共星形节点（7）不仅通过多电平变换器（5）的这些支线（6）而且通过另一个装置（8，14）与供电系统（2）的这些相（3）连接。这样设计经过另一个装置（8，14）的连接，即在供电系统（2）的供电零序系统方面存在多电平变换器（5）的公共星形节点（7）与供电系统（2）的这些相（3）的低欧姆连接，并且在供电系统（2）的供电正序系统和供电系统（2）的供电负序系统的方面存在多电平变换器的公共星形节点与供电系统的这些相的高欧姆连接。

Description

用于非线性的、在时间上改变的负载的电源装置
技术领域
本发明涉及一种用于非线性的、在时间上改变的负载的电源装置，
-其中电源装置具有带有多个相的供电系统，
-其中在供电系统的这些相上连接了非线性的、在时间上改变的负载和无功补偿器，
-其中无功补偿器设计为具有多个支线的多电平变换器，
-其中多电平变换器的这些支线一方面与供电系统的这些相中的各一个彼此连接，并且另一方面在公共星形节点上彼此连接。
背景技术
例如三相电电弧炉的非线性的、在时间上改变的负载可以明显地引起了电网反作用，特别是所谓的闪烁。基于该原因，用于非线性的、在时间上改变的负载的供电设备通常具有无功补偿器。无功补偿器与非线性的、在时间上改变的负载并联。在最简单的情况下，无功补偿器可以设计为所谓的TCR（thyristor controlled reactor），例如参见EP0847612B1。
开头所述类型的电源装置例如由DE102008049610A1和EP2202863A1已知。
在现有技术中尽管明显涉及多电平变换器可替代地可以在星形或角形连接（Dreieckschaltung）中连接供电系统的这些相。然而在实际情况中，多电平变换器持续地在角形连接中连接供电系统的这些相。基于此原因，多电平变换器在确定的时间点必须通过其支线吸收能量，并且同时经过其另一个支线输出能量。这-不仅在角形连接中也在星形电路中-会非常迅速地导致超过允许的电压极限，其引起对多电平变换器的闭锁。
然而在将多电平变换器连接在角形连接中时已知的是，电压极限由此来接通，即在多电平变换器的支线构成的电路内部产生相应的电流，其维持在运行的范畴中形成的电压。这样的零电流在星形电路中可能是有问题的。
此外已知的是，在多电平变换器的内部设置高频驱动的交流电压电路，其将多电平变换器的所有支线的所有模块的单个的直流电压电路彼此连接。在该设计中经过直流电压-交流电压转换包括后接的交流电压-直流电压转换来实现能量交换。多电平变换器的设计不仅可在角形连接中而且可在星形电路中应用。然而多电平变换器的该设计在此情况下非常复杂。此外每个时间单位的可能的能量传输相对较低。
发明内容
本发明的目的在于，这样设计一种开头所述类型的电源装置，即多电平变换器能以简单的方式运行安全地被驱动。
该目的通过具有权利要求1的特征的电源装置来实现。根据本发明的电源装置的有利的设计是从属权利要求2至11的内容。
根据本发明提出，由此设计一种开头所述类型的电源装置，即
-多电平变换器的公共星形节点与连接在供电系统的这些相上的另一个装置的星形节点连接，从而使公共星形节点不仅通过多电平变换器的这些支线而且通过另一个装置与供电系统的这些相连接，并且
-这样设计经过另一个装置的连接，即在供电系统的供电零序系统方面存在多电平变换器的公共星形节点与供电系统的这些相的低欧姆连接，并且在供电系统的供电正序系统和供电系统的供电负序系统的方面存在多电平变换器的公共星形节点与供电系统的这些相的高欧姆连接。
在根据本发明的电源装置的可能的第一设计中提出，另一个装置设计为之字形绕组。
通常电源装置具有电网变压器，供电系统的这些相能通过电网变压器供给电能。在此情况下，之字形绕组可替代地作为次级绕组装入电网变压器中，或者设计为与电网变压器不同的之字形变压器。当新制造电源装置时，首先提到的设计是特别有利的。当存在的电源装置应被改造为根据本发明的电源装置时，则也可实现后面提到的设计。
如果将之字形变压器设计为与电网变压器不同的之字形变压器，则电网变压器的和之字形变压器的星形节点中的至少一个是非接地的。
电源装置通常具有滤波电路，经过滤波电路能过滤负载电流和变换器电流的谐波。滤波电路在此情况下具有多个支线，这些支线一方面与供电系统的这些相中的各一个彼此连接，并且另一方面在滤波电路的公共星形节点上彼此连接。可能的是，另一个装置与滤波电路相同。在此情况下不需要之字形绕组。
在将滤波电路用作另一个装置时，在滤波电路的公共星形节点和多电平变换器的公共星形节点之间优选地布置有扼流圈。特别可以这样确定扼流圈的大小，即扼流圈和滤波电路的组合的阻抗为零。
通常电源装置具有至少一个另外的滤波电路，经过该另外的滤波电路同样能过滤负载电流和变换器电流的谐波。
供电系统的相的数量可以根据要求确定。通常存在三个相。
附图说明
其他的优点和细节由以下对实施例结合附图的说明得出。在原理图中示出：
图1是用于非线性的、在时间上改变的负载的电源装置的原理结构，和
图2-4分别是图1的电源装置的可能的根据本发明的设计。
具体实施方式
根据图1，非线性的、在时间上改变的负载1-纯实例地-设计为电弧炉。电弧炉1经过供电系统2被供给电能。供电系统2具有多个相3。电弧炉1连接在供电系统2的这些相3上。可以根据需要来确定相3的数量。通常并且相应于图1的描述，存在三个相3。
施加在电弧炉1上的电压通常相对较低。其典型地位于几百伏特和两千伏特之间的范围中。供电系统2的电压相反地通常明显较高。其大多位于两位数的千伏范围中或者超过其一点。供电系统2的典型的电压为11千伏，30千伏和110千伏。此外，在电弧炉1和供电系统2的这些相3之间布置了炉变压器。在本发明的范畴中，炉变压器然而仅仅是次要的并且因此在图1中未示出。
供电系统2涉及外部的、较大的供电系统。可替代地，涉及电弧炉1的驱动器的内部供电系统。在内部供电系统的情况下，涉及独立的供电系统。可替代地，电源装置具有电网变压器4，通过其可从外部电网给供电系统2的这些相3供给电能。外部电网可以具有相对较高的电压，例如110千伏或380千伏。
此外在供电系统2的这些相3上连接有无功补偿器5。无功补偿器5设计为具有多个支线6的多电平变换器。根据图1，多电平变换器5的支线6一方面与供电系统2中的各一个相3连接，并且另一方面在公共星形节点7上彼此连接。
多电平变换器5本身通常已知。其中存在来自模块的多电平串联电路的每个支线6，其中每个模块包括存储电容器和自换相的半导体开关。“自换相”的概念意味着，这些半导体开关通过从外部向该半导体开关输送的控制信号可接通并可断开。自换相的半导体开关例如可以设计为IGBT或者设计为GTO三极管。因此“自换相”的概念与“电网换相（netzgeführt）”的概念相反。该概念意味着，相应的开关元件尽管可以适合地接通，但是并不能通过外部的控制信号来断开。电网换相的半导体开关元件的实例是“标准”三极管。
每个模块的半导体开关可与其他模块的半导体开关无关地接通相同的支线6和其他的支线6。取决于相应模块的半导体开关的相应开关状态，相应模块的相应的存储电容器可替代地跨接或激活。例如由US6075350A和EP2202863A1获取关于多电平变换器的结构、工作方式和运行的细节。
电源装置此外通常具有至少一个滤波电路8，9。在图1中示出了两个这样的滤波电路8，9。经过每个滤波电路8，9可对负载电流和变换器电流的谐波进行滤波。谐波由电弧炉1的运行而产生。
每个滤波电路8，9设计具有确定的滤波频率。每个滤波电路8，9具有多个支线10，11。相应的滤波电路8，9的每个支线10，11一方面与供电系统2的这些相3中的各一个连接。此外相应的滤波电路8，9的支线10，11在相应的滤波电路8，9的相应的公共星形节点12，13上彼此连接。
在应用滤波电路8，9的情况下出现相应需要补偿的滤波功率。滤波电路8，9的滤波功率通常彼此不同。滤波电路8，9设计具有分别需要补偿的滤波功率。
多电平变换器5的单个的支线6必须能吸收并输出电流。在多电平变换器5的单个的支线6中流动的电流通常彼此不同。在支线6的角形连接中，多电平变换器5的支线6与供电系统2的这些相3中的各两个彼此连接，与其相反地，在多电平变换器5内部的环形电流是不可能的或是至少可能有问题的。结合图2至4，以下阐述图1的电源装置的根据本发明的设计，其中另外可实现零电流-在图2至4中以I0表示-。
根据图2和3存在之字形绕组14。之字形绕组14连接在供电系统2的这些相3上。在根据图2的设计中，之字形绕组14作为次级绕组装入电网变压器4中。其因此承担次级绕组的“标准的”功能，以从外部电网对供电系统2的这些相3进行馈送。在根据图3的设计中，之字形绕组14设计为与电网变压器4不同的之字形变压器。
多电平变换器5的公共星形节点7在图2和3的设计中与之字形绕组14的星形节点15连接。多电平变换器5的公共星形节点7由此不仅通过多电平变换器5的支线6还通过之字形绕组14与供电系统2的相3连接。通过之字形绕组14的连接（基于之字形绕组的构造类型典型的特征）是这样的，即-参照经过之字形绕组14的连接-在供电系统2的供电零序系统方面存在多电平变换器5的公共星形节点7与供电系统2的这些相3的低欧姆连接。在供电系统2的供电正序系统和供电系统2的供电负序系统的方面-参照经过之字形绕组14的连接-然而仅仅存在多电平变换器5的公共星形节点7与供电系统2的这些相3的高欧姆连接。
概念“供电零序系统”，“供电正序系统”和“供电负序系统”联系三相电系统对于每个技术人员来说是熟悉并可信赖的。它们在三相供电系统中具有以下意义：
供电正序系统具有三个振幅相同的矢量，以下称为A，B和C。三个矢量A，B，C在电方面彼此相对具有120°的相偏移。矢量A，B，C相对于这些相3的电压顺时针旋转。
供电负序系统同样具有三个振幅相同的矢量，以下称为A′，B′和C′。矢量A′，B′，C′也在电方面彼此相对具有120°的相偏移。它们相对于供电正序系统的矢量A，B和C顺时针旋转。然而供电负序系统的矢量A′，B′和C′的顺序相对于供电正序系统的矢量A，B和C被交换。顺序因此是C′，B′，A′。
供电零序系统也具有三个振幅相同的矢量，以下称为A′′，B′′和C′′。矢量A′′，B′′，C′′彼此相对的相偏移为零。矢量A′′，B′′和C′′因此等相地旋转。它们相对于供电正序系统的矢量A，B和C顺时针旋转。
通过矢量A，A′和A′′说明的电流流入供电系统2的这些相3中的一个。电流B，B′和B′′流入供电系统2的这些相3中的另一个。电流C，C′和C′′流入供电系统2的这些相3中的第三个。
供电正序系统的矢量A，B，C的振幅、供电负序系统的矢量A′，B′，C′的振幅和供电零序系统的矢量A′′，B′′，C′′的振幅可以不同。矢量A相对于A′的相角和相对于矢量A′′的相角可以彼此不同。供电正序系统、供电负序系统和供电零序系统共同定义了流入供电系统2的这些相3中的电流。
在图2的设计中，之字形绕组14的（公共）星形节点15可以接地。在图3的设计中，电网变压器4和之字形绕组14的两个星形节点15，16中的一个接地。可替代地，在图3的设计中可能的是，电网变压器4和之字形绕组14的两个星形节点15，16中的任一个都不接地。但两个星形节点15，16不应接地。
对于之字形绕组的存在（参见根据图2和图3的设计）可替代地，根据图4可能的是，多电平变换器5的公共星形节点7与滤波电路8，9的星形节点12，13连接。在根据图4的设计中，多电平变换器5的公共星形节点7因此一方面经过多电平变换器5的这些支线6并且另一方面经过相应的滤波电路8与供电系统2的这些相3连接。
也在根据图4的设计中，经过相应的滤波电路8的连接是这样的，即-参照该连接-在供电系统2的供电零序系统方面存在多电平变换器5的公共星形节点7与供电系统2的这些相3的低欧姆连接，并且在供电系统2的供电正序系统和供电系统2的供电负序系统的方面存在多电平变换器的公共星形节点与供电系统的这些相的高欧姆连接。为此目的例如相应于图4的描述在滤波电路8的星形节点12和多电平变换器5的公共星形节点7之间布置有扼流圈17。扼流圈17可以特别这样设计大小，即扼流圈17和滤波电路8的组合阻抗为零。
代替之字形绕组14和滤波电路8，也可以可替代地应用另外的装置，如果其具有以下特性的话：
-其连接在供电系统2的这些相3上。
-其具有星形节点。
-提到的装置的星形节点与多电平变换器5的公共星形节点7连接。
-经过提到的装置的连接是这样的，即在供电系统2的供电零序系统方面存在多电平变换器5的公共星形节点7与供电系统2的这些相3的低欧姆连接。
-此外经过提到的装置的连接是这样的，即在供电系统2的供电正序系统和供电系统2的供电负序系统的方面存在多电平变换器5的公共星形节点7与供电系统2的这些相3的高欧姆连接。
本发明具有多个优点。特别地，在根据本发明的设计中，多电平变换器5的电压负载比在角形连接中低了因数1.7320。根据本发明的电源装置在此在有效功率相等时可以比现有技术中类似的电源装置明显更节约成本地实现。在新设备中，其中之字形绕组14可以作为次级绕组装入电网变压器4中，可能节约20%到40%。在辅助设备中，同样也可能实现节约，即使其较低一些。
以上的说明仅仅用于阐述本发明。本发明的保护范围相反地不应仅仅通过附加的权利要求来确定。

Claims (11)

1.一种用于非线性的、在时间上改变的负载（1）的电源装置，
-其中所述电源装置具有带有多个相（3）的供电系统（2），
-其中在所述供电系统（2）的这些所述相（3）上连接了所述非线性的、在时间上改变的负载（1）和无功补偿器（5），
-其中所述无功补偿器（5）设计为具有多个支线（6）的多电平变换器，
-其中所述多电平变换器（5）的这些所述支线（6）一方面与所述供电系统（2）的这些所述相（3）中的各一个彼此连接，并且另一方面在公共星形节点（7）上彼此连接，
其特征在于，
-所述多电平变换器（5）的公共星形节点（7）与连接在所述供电系统（2）的这些所述相（3）上的另一个装置（8，14）的星形节点（12，15）连接，从而使所述公共星形节点（7）不仅通过所述多电平变换器（5）的这些所述支线（6）而且通过所述另一个装置（8，14）与所述供电系统（2）的这些所述相（3）连接，并且
-这样设计经过所述另一个装置（8，14）的连接，即在所述供电系统（2）的供电零序系统方面存在所述多电平变换器（5）的所述公共星形节点（7）与所述供电系统（2）的这些所述相（3）的低欧姆连接，并且在所述供电系统（2）的供电正序系统和所述供电系统（2）的供电负序系统的方面存在所述多电平变换器的所述公共星形节点与所述供电系统的这些所述相的高欧姆连接。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述另一个装置（8，14）设计为之字形绕组（14）。
3.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置具有电网变压器（4），所述供电系统（2）的这些所述相（3）能通过所述电网变压器供给电能，并且所述之字形绕组（14）作为次级绕组装入所述电网变压器（4）中。
4.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置具有电网变压器（4），所述供电系统（2）的这些所述相（3）能通过所述电网变压器供给电能，并且所述之字形绕组（14）是与所述电网变压器（4）不同的之字形变压器。
5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，所述电网变压器（4）的所述电网变压器（4）的和所述之字形变压器（14）的所述星形节点（15，16）中的至少一个是非接地的。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置具有滤波电路（8），经过所述滤波电路能过滤负载电流和变换器电流的谐波，并且所述滤波电路（8）具有多个支线（10），这些所述支线一方面与所述供电系统（2）的这些所述相（3）中的各一个彼此连接，并且另一方面在所述滤波电路（8）的公共星形节点（12）上彼此连接。
7.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置具有滤波电路（8），经过所述滤波电路能过滤负载电流和变换器电流的谐波，并且所述滤波电路（8）具有多个支线（10），这些所述支线一方面与所述供电系统（2）的这些所述相（3）中的各一个彼此连接，并且另一方面在所述滤波电路（8）的公共星形节点（12）上彼此连接，并且所述另一个装置（8，14）与所述滤波电路（8）相同。
8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于，在所述滤波电路（8）的所述公共星形节点（12）和所述多电平变换器（5）的所述公共星形节点（7）之间布置有扼流圈（17）。
9.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，这样确定所述扼流圈（17）的大小，即扼流圈（17）和滤波电路（8）的组合阻抗为零。
10.根据权利要求7，8或9所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置具有至少一个另外的滤波电路（9），经过所述另外的滤波电路能过滤负载电流和变换器电流的谐波。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电源装置，其特征在于，所述供电系统（2）的所述相（3）的数量为三个。
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