CN103597692B - 用于中压或高压应用的补偿系统 - Google Patents

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Abstract

给出了一种用于电力系统(2)的补偿系统(1)。所述补偿系统(1)包括补偿器(3)，所述补偿器(3)包括半导体开关器件，所述补偿器(3)具有相位支柱(6‑1，6‑2，6‑3)，所述相位支柱(6‑1，6‑2，6‑3)在所述补偿器(3)的第一侧(13)上定义用于连接到所述电力系统(2)的对应相位(11‑1，11‑2，11‑3)的AC输入，其中所述相位支柱(6‑1，6‑2，6‑3)在补偿器(3)的第二侧(15)以Y型连接进行连接，所述Y型连接具有中性点(N);和滤波器装置(9)，所述滤波器装置(9)在其第一侧连接至所述Y型连接的中性点(N)并且在第二侧连接至AC输入以借此与所述补偿器(3)形成电路(10)，其中所述滤波器装置(9)被布置从而使得电路(10)实质上针对正序电流或电压以及负序电流或电压充当开路电路，并且针对零序电流充当闭合电路，其中所述滤波器装置(9)进一步被布置为阻止具有基频的零序电流并且允许零序电流的谐波从其中通过，由此零序电流的谐波能够流过所述闭合电路。

Description

用于中压或高压应用的补偿系统
技术领域
本公开涉及一种用于电力系统的补偿系统，并且尤其涉及一种Y型连接的补偿系统。
背景技术
诸如电网之类的电力系统通常包括传输来自例如电厂的发电站的电力的输电网络，以及连接至所述输电网络用于将电力分配至负载的配电网络，所述负载诸如连接至所述配电网络的家庭和工厂。
输电网络通常基于柔性交流输电系统（FACTS）和/或高压直流（HVDC）系统。
AC电力传输使得电磁场增加而在电网中产生了无功功率分量，例如由于电感性和电容性负载以及电力线路的感应。
通过减少无功功率，能够使得用来操作连接至电力系统的负载的有功功率有所增加。在其它时间，可能希望向电力系统提供额外的无功功率以便使其稳定。
FACTS借助于诸如静态VAR元件和STATCOM元件的无功功率补偿设备来提供电力系统的稳定。
诸如晶闸管控制的电抗器（TCR）的静态VAR元件在电力系统中产生基频谐波。谐波是由于晶闸管开关所引起的不希望出现的副产品。在正常情况下，希望减少TCR所产生的谐波含量。特别地，希望防止或至少减少由Y型连接的TCR所生成的要馈送入电力系统之中的谐波含量。与三角型连接的TCR相比，由Y型连接的TCR所生成的3次、9次、…、3n次谐波含量被馈送至电力系统之中，而对于三角型连接的TCR而言，3次、9次、…、3n次谐波含量实质上作为循环电流被截留在三角型连接中。
STATCOM元件采用包括链状链接，即串联连接，的转换器单元的电压转换器，上述转换器单元具有可开关的半导体设备。通过适当开关转换器单元中的半导体设备，电网中的无功功率的数量能够得到控制。
一些转换器拓扑在例如H桥单元的每个转换器单元中采用DC电容器，以便对每个转换器单元所生成的电压进行控制。在电力系统的正常运行期间以及在非对称条件两者下，每个电容器上的DC电压通常都应当根据相应设置点数值而保持恒定。
对于三角型连接的STATCOM单元而言，循环电流截留在三角型连接中，这使得能够对转换器单元中的DC电容器进行电压控制。然而，对于Y型连接的STATCOM元件来说，STATCOM的电流可以为零。在这样的条件下，失去了DC电容器的电压控制。因此，为了控制DC电容器的电压水平，必须要生成电流并将所述电流送至DC电容器。这一电流被馈送至电力系统之中。
发明内容
本公开的总体目标是提供一种Y型连接的补偿系统，减少馈送入所述补偿系统与之连接的电力系统的谐波含量。
另一个目标还在于提供在低电流运行处的对Y型连接的补偿系统的转换器单元的DC电容器的电压控制。
因此，在本公开的第一方面，提供了一种用于电力系统的补偿系统，其中所述补偿系统包括：补偿器，包括半导体开关器件，所述补偿器具有相位支柱，所述相位支柱在补偿器的第一侧上定义用于连接到电力系统对应相位的AC输入，其中所述相位支柱在所述补偿器的第二侧处以Y型连接进行连接，所述Y型连接具有中性点；和滤波器装置，所述滤波器装置在其第一侧连接到所述Y型连接的中性点并且在第二侧处连接到AC输入以借此与所述补偿器一起形成电路；其中所述滤波器装置被布置为使得电路实质上针对正序电流或电压和负序电流或电压充当开路电路，并且针对零序电流充当闭合电路，其中所述滤波器装置进一步被布置为阻止具有基频的零序电流并且允许零序电流的谐波从其中通过，据此零序电流的谐波能够流过所述闭合电路。
电力系统优选地为中等功率系统或高功率系统。
因此，零序电流由于所述滤波器装置为零序电流所提供的通路而能够通过闭合电路进行馈送，借此允许零序电流的谐波通过所述滤波器装置并且流过闭合电路。因此，谐波电流将不会被馈送至电力系统之中。作为结果，能够减少电力系统中所不希望出现的谐波。
滤波器装置可以被布置为允许零序电流的3次谐波通过所述滤波器装置。借此，具有频率实质上不同于电力系统的基频的谐波的电流能够流过闭合电路。作为结果，半导体开关器件开始开关操作的风险有所降低，这是因为半导体开关器件被布置为使得它们基于基频开始开关，据此例如能够在电力系统的正常运行期间提供无功效应的补偿。
滤波器装置可以包括允许谐波从其中通过的带通滤波器。借此，仅所希望的谐波才被允许通过所述滤波器装置。
滤波器装置可以包括曲折接线（zig-zag）变压器以及与曲折接线变压器串联连接的电容器。曲折接线变压器针对正序和负序电流具有非常高的阻抗，实质上充当开路电路。此外，曲折接线变压器允许零序电流的至少一部分从其中通过。因此，曲折接线变压器提供了滤波器装置的至少一部分的一种实现方式。电容器提供例如零序电流的基频的滤波。因此，电容器的电容总体上应当被选择为使得滤波装置阻止基频并允许诸如3次谐波的谐波从其中通过。
滤波器装置可以包括与曲折接线变压器和电容器串联连接的电抗器。
作为曲折接线变压器的可替换形式，所述滤波器装置可以包括变压器，所述变压器在其初级侧经由提供变压器中性点的Y型连接而连接至AC输入，所述变压器中性点与所述补偿器的中性点电连接。因此，可以采用并非曲折接线变压器的常规变压器以便提供如以上所描述的滤波器效果。
滤波器装置可以包括与变压器串联连接的电容器，所述电容器被布置在变压器中性点和补偿器中性点之间。
滤波器装置可以包括与变压器串联连接的电抗器。所述电抗器可以在变压器或曲折接线变压器的阻抗过低的情况下提供滤波器装置的正确阻抗。
补偿器可以是晶闸管控制的电抗器，其中每个半导体开关器件为晶闸管。
每个相位支柱可以具有串联连接的多个单元转换器并且每个单元转换器包括DC电容器。借此所述DC电容器的电压也可以在低电流条件下进行控制，而在之前的解决方案之中，由于实质上不会有电流流过单元转换器，DC电容器的电压不会是可控制的。
有利地，通过能够对单元转换器中的个体DC电容器的DC电压水平进行控制，可以提供诸如STATCOM的Y型连接的电压源转换器。对于Y型连接的STATCOM或者其它类似的基于单元转换器的补偿设备而言，能够使用比三角型连接的STATCOM更少的链式链接，例如串联连接，的单元转换器。特别地，针对Y型连接的STATCOM的单元转换器的所需数量是比针对三角型连接的STATCOM小整数3的平方根。因此，需要较少的半导体开关器件，例如IGBT，这造成了补偿系统的实质性成本下降。为此，所要注意的是，总体上每个单元转换器包括多个串联连接的IGBT以便能够处理高压电力系统中所采用的高电压。关于此，滤波器装置总体而言成本实质上比三角型连接的STATCOM中所使用的附加单元转换器更低。
一个实施例可以包括用于在零序电流在闭合电路中流动时经由零序电流的谐波对每个DC电容器的电压进行控制的器件。
每个半导体开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
补偿器可以是STATCOM。
另外的特征和优势将在下文中公开。
附图说明
现在将参考附图通过非限制性示例对本发明及其优势进行描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开的补偿系统的总体拓扑。
图2示出了补偿系统的第一示例的示意性电路图。
图3示出了补偿系统的第二示例的示意性电路图。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的而给出诸如特定技巧和应用的具体细节，以便提供对本公开的全面理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，本公开可以以背离这些具体细节的其它实施例进行实践。在其它实例中，省略了对公知方法和装置的详细描述以免以不必要的细节对描述造成混淆。
虽然在下文中正序和负序的随时间变化的电信号将被称作正序和负序电流，但是所要理解的是，在所有情况下，术语正序和负序电压分别也是等同有效的。因此，正序和负序可以是电压也可以是电流。
图1示出根据本公开的补偿系统1的总体电路图。补偿系统1包括补偿器3，所述补偿器具有针对每个电气相位11-1、11-2、11-3的相位支柱6-1、6-2、6-3。补偿系统1进一步包括半导体元件5，并且可选地包括处于每个相位支柱6-1、6-2、6-3处的电抗器7。每个半导体元件5包括半导体开关器件。补偿器3具有第一侧13，所述第一次13定义AC输入并且可连接到高压电力系统2的AC网络。补偿器3具有第二侧15，相位支柱6-1、6-2、6-3在所述第二侧15处以Y型连接进行连接。所述Y型连接具有中性点N，所述中性点N是每个相位支柱6-1、6-2、6-3与之相连接的点。中性点N在这里所提供的示例中不接地。
补偿系统1包括滤波器装置9，所述滤波器装置9在其第一侧连接到补偿器3的Y型连接的中性点N。所述第一侧是用作输入的一侧，用于从补偿器3的中性点N接收诸如电流的电气参数。滤波器装置9具有连接到补偿器3的第一侧的第二侧。滤波器装置9的第二侧用作滤波器装置9的输出并且提供已经在滤波器装置9的第一侧处接收的经滤波器电气参数。
滤波器装置9连同补偿器3的相位支柱6-1、6-2、6-3一起定义针对每个相位支柱6-1、6-2、6-3的电路10。针对相位支柱6-3的电路10借助于箭头A示出。所要理解的是，针对其余的相位支柱6-1和6-2，可以定义相对应的电路。
滤波器装置9被布置为使得针对每个相位支柱6的电路10实质上针对正序电流和负序电流充当开路电路，并且针对零序电流充当闭合电路。
正序电流是其中每个相位分隔120度相位角的三相电流。第一相位具有被定义为0度的相位角，第二相位关于第一相位具有120度的相位角，并且第三相位关于第一相位具有240度的相位角。
负序电流也在三个相位之间具有120度的相位角，但是其顺序与针对正序电流的顺序不同。正序和负序电流通常出现在处于对称条件的电力系统之中，例如在每个相位承受针对每个电气相位提供相同阻抗的负载时。
零序电流本质上在电气相位之间没有相位角、零序电流可以在例如非对称条件期间形成，例如电力系统中的故障。
滤波器装置9进一步被布置为对基频以及零序电流的大部分谐波进行阻止或滤波。基频在这里被定义为补偿系统1与之相连接的电力系统中的电压或电流的频率。基频通常为50或60Hz。特别地，优选地对滤波器装置9进行调试以使得允许一个谐波通过滤波器装置9。
在一个实施例中，谐波是零序电流的3次谐波，所述3次谐波具有从零序电流的基频中远离的频率。基频被用来提供半导体开关器件的开关。此外，如将在以下更为详细描述地，3次谐波具有足够的幅度以便控制本公开具体示例中的半导体元件的DC电容器的电压水平。
图2示出了补偿系统1-1的第一示例。除了这一特定示例中的半导体单元5是包括诸如IGBT的半导体开关器件4的单元转换器5-1之外，补偿系统1-1总体上具有与补偿系统1相同的结构。所要注意的是，单元转换器中的其它半导体开关器件也可能处于权利要求的范围之内。
每个相位支柱6具有串联连接，借此形成链式链接的单元转换器的多个单元转换器5-1。在图1中，一个相位的链式链接的单元转换器5-1定义了半导体单元5。
每个单元转换器5-1由控制元件（未示出）所控制。补偿系统1-1可以针对每个单元转换器具有单独的控制元件，或者可替换地，可以具有向一个相位支柱的每个单元转换器提供单独的控制信号的中央控制元件。可替换地，中央控制元件可以被布置为针对所有相位支柱的每个单元转换器提供单独的控制信号。控制元件可以被布置为基于参考信号以及电力系统2在补偿系统1-1与之相连接时所提供的AC电压而借助于控制信号对半导体开关器件4进行开关。
每个单元转换器5-1进一步包括用于对来自单元转换器的输出的电压水平进行控制的DC电容器8。每个DC电容器的电压优选地应当被保持在设置点数值，从而使得补偿器3-1能够在需要时向电力系统2提供功率补偿。特别地，补偿器3-1总体上应当总是处于其能够向电力系统2提供即时补偿的状态。通过也能够在例如非对称条件期间对DC电容器的DC电压水平进行控制，Y型补偿器3实质上能够在任何时候向电力系统2提供补偿。
补偿系统1-1还可以包括用于基于相应设置点数值而经由零序电流对DC电容器的电压进行控制的器件。
滤波器装置9-1包括曲折接线变压器9-2以及与曲折接线变压器9-2串联连接的电容器C。可选地，滤波器装置9-1包括与电容器C串联连接的电抗器L。曲折接线变压器9-2的属性允许针对每个相位支柱6-1、6-2、6-3的电路10实质上针对正序电流和负序电流充当开路电路，并且针对零序电流充当闭合电路。
作为针对曲折接线变压器9-2的可替换形式，可以在滤波器装置中采用诸如常规电力变压器的变压器。在这种情况下，变压器的初级绕组在补偿器的第一侧与所述补偿器的相位支柱Y型连接。此外，在下文中被称作变压器中性点的变压器的Y型连接的初级侧的中性点与电容器串联连接，并且可选地还与电抗器L串联连接。电容器连接到补偿器的Y型连接的第二侧的中性点N。变压器的次级侧为三角型连接。所述次级侧的次级绕组能够例如馈送用于补偿器的辅助电源。
电容器C连同曲折接线变压器的阻抗或者如以上所描述变化形式之中的变压器的阻抗一起定义了滤波器，所述滤波器被布置为阻止零序电流的基频。在一种变化形式中，滤波器是被布置为仅允许诸如零序电流的3次谐波的一个谐波从其中通过的带通滤波器。
通过提供滤波器装置9-2，零序电流I0能够流过针对每个相位支柱6-1、6-2、6-3的闭合电路。DC电容器的电压水平可以借此被控制从而使得DC电容器8的DC电压水平在没有电流从电力系统2提供至相位支柱6-1、6-2、6-3时对应于其设置点数值。有利地，当在电力系统2中需要补偿时，补偿器3将能够实质上提供瞬时的功率补偿，这是因为DC电容器8具有实质上对应于其设置点数值的电压水平。
当电力系统2处于提供例如正序电流的正常操作状态时，曲折接线变压器9-2的阻抗将非常高并且实质上充当开路电路。因此，在这种情况下将没有电流在电路10中流动。
在优选实施例中，补偿器3-1是STATCOM。所要注意的是，单元转换器的结构并不局限于图2的结构。确实，单元转换器能够具有例如在STATCOM元件中采用的任意拓扑。
图3示出了补偿系统1-2的第二示例。除了第二示例中针对每个相位支柱6-1、6-2、6-3的半导体元件5是反并联耦合的晶闸管14，以及每个相位支柱6-1、6-2、6-3包括附加电抗器12之外，补偿系统1-2总体上具有与补偿系统1相同的结构。特别地，补偿器3-2是晶闸管控制的电抗器（TCR）
晶闸管14可由控制单元（未示出）进行控制。补偿系统1-2可以针对每个晶闸管14具有单独的控制单元，或者可替换地，可以具有针对一个相位支柱的每个晶闸管14提供单独的控制信号的中央控制单元。可替换地，所述中央控制单元可以被布置为针对所有相位支柱向每个晶闸管14提供单独的控制信号。所述控制单元可以借此被布置为基于参考信号以及电力系统2所提供的AC电压而借助于控制信号对晶闸管14进行开关。
滤波器装置9-2是参考图2所描述的相同滤波器装置，并且因此如以上已经阐明的，能够包括常规变压器或曲折接线变压器。
补偿系统1-3提供TCR，TCR截获由于晶闸管14的开关而生成的3次、9次、…、（3n）次谐波。特别地，谐波含量被截获在针对每个相位支柱6-1、6-2、6-3的电路中。
本公开支持诸如静态VAR补偿器或STATCOM的补偿器的Y型连接，并且可以被用于电网中的高压应用。
本领域技术人员意识到，本发明绝非局限于以上所描述的示例。与之相反，可能在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变化。

Claims (13)

1.一种用于电力系统(2)的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述补偿系统(1；1-1；1-2)包括：
补偿器(3；3-1；3-2)，其包括半导体开关器件(4；14)，所述补偿器(3；3-1；3-2)具有相位支柱(6-1；6-2；6-3)，所述相位支柱在所述补偿器的第一侧(13)上定义用于连接到所述电力系统(2)的对应相位(11-1，11-2，11-3)的AC输入，其中所述相位支柱(6-1，6-2，6-3)在所述补偿器(3；3-1；3-2)的第二侧(15)处以Y型连接进行连接，所述Y型连接具有中性点(N)，以及
滤波器装置(9；9-1)，所述滤波器装置(9；9-1)在其第一侧处连接至所述Y型连接的所述中性点(N)，并且在第二侧处连接至所述AC输入以借此与所述补偿器(3；3-1；3-2)形成电路(10)，
其中所述滤波器装置(9；9-1)被布置为从而使得所述电路(10)实质上针对正序电流和电压以及负序电流和电压充当开路电路，并且针对零序电流充当闭合电路，其中所述滤波器装置(9；9-1)进一步被布置为阻止具有基频的零序电流通过并且允许所述零序电流的谐波从其中通过，借此所述零序电流的所述谐波能够流过所述闭合电路。
2.根据权利要求1所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述滤波器装置(9；9-1)被布置为允许所述零序电流的三次谐波通过所述滤波器装置(9；9-1)。
3.根据权利要求1或2所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述滤波器装置(9；9-1)包括允许所述谐波从其中通过的带通滤波器。
4.根据权利要求1或2所述的补偿系统(1；1-1)，其中所述滤波器装置(9；9-1)包括曲折接线变压器(9-2)以及与所述曲折接线变压器(9-2)串联连接的电容器(C)。
5.根据权利要求4所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述滤波器装置(9；9-2)包括与所述曲折接线变压器(9-2)和所述电容器(C)串联连接的电抗器(l)。
6.根据权利要求1或2所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述滤波器装置(9)包括在其初级侧经由提供变压器中性点的Y型连接而连接至所述AC输入的变压器，所述变压器中性点与所述补偿器(3；3-1；3-2)的所述中性点(N)电连接。
7.根据权利要求6所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述滤波器装置(9)包括与所述变压器串联连接的电容器(C)，所述电容器(C)被布置在所述变压器中性点和所述补偿器的所述中性点之间。
8.根据权利要求6所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述滤波器装置(9)包括与所述变压器串联连接的电抗器。
9.根据权利要求1或2所述的补偿系统(1；1-1；1-2)，其中所述补偿器(3；3-2)是晶闸管控制的电抗器，其中每个半导体开关器件是晶闸管(14)。
10.根据权利要求1或2所述的补偿系统(1；1-1)，其中每个相位支柱(6-1，6-2，6-3)具有串联连接的多个单元转换器(5-1)并且每个单元转换器(5-1)包括DC电容器(8)。
11.根据权利要求10所述的补偿系统(1；1-1)，包括用于在所述零序电流的所述谐波在所述闭合电路中流动时经由所述零序电流的所述谐波对每个DC电容器(8)的电压进行控制的器件。
12.根据权利要求10所述的补偿系统(1；1-1)，其中每个半导体开关器件(4)是IGBT。
13.根据权利要求10所述的补偿系统(1；1-1)，其中所述补偿器(3-1)是STATCOM。
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