CN103999339B - 按照三角形配置的变流器及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种用于三相电压的变流器(10)，其具有：三个按照三角形电连接的串联电路(R1、R2、R3)，其中，每个串联电路分别包括至少两个串联连接的开关模块(SM)；以及与开关模块(SM)连接的控制装置(30)，其能够如下地控制开关模块(SM)，使得在串联电路(R1、R2、R3)中流过具有三相电压的基频并具有至少一个附加的电流谐波的支路电流，其中，如下地设定附加的电流谐波，使得其在变流器(10)的串联电路(R1、R2、R3)中循环流动并且保留在变流器内部。

Description

按照三角形配置的变流器及运行方法

技术领域

本发明涉及一种按照三角形配置的用于三相电压的变流器。具有三角形配置的变流器例如可以用于无功功率补偿、谐波补偿和闪变补偿。

背景技术

例如在出版物“SVC PLUS：An MMC STATCOM for Network and Grid Access Applications”(M.Pereira等，2011 IEEE Trondheim Power Tech)中描述了用于三相电压的变流器。该先前公知的变流器被用作补偿器。

在运行具有三角形配置的变流器期间，在当今公知的控制和调节方法下在变流器的变流器支路中产生能量脉动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种具有三角形配置的变流器，其能够相对于常规的变流器降低该能量脉动的能量升降量。

根据本发明通过具有按照权利要求1的特征的变流器解决了该技术问题。在从属权利要求中给出了根据本发明的变流器的优选的技术方案。

以下根据本发明给变流器设置了：三个按照三角形电连接的串联电路，其中每个串联电路分别包括至少两个串联连接的开关模块；以及与开关模块连接的控制装置，其能够如下地控制开关模块，使得在串联电路中流过具有三相电压的基频并具有至少一个附加的电流谐波的支路电流，其中，如下地设定附加的电流谐波，使得其在变流器的串联电路中循环流动并且保留在变流器内部。

根据本发明的变流器的主要优点在于，在该变流器中(不同于先前公知的变流器)，通过馈入附加的电流谐波可以降低能量升降量。对此简短详细解释为：在准稳态的状态下，在每个支路的电容器中存储的能量的总和脉动以由变流器的设计以及调节/控制引起的平均的支路能量脉动。在每个周期中，变流器的每个支路因此具有如下的时间点，在该时间点上在支路中存储 的能量的总和最大并且大于其时间上的平均值。同样，在网络电压的每个周期中产生如下的时间点，对应该时间点在支路中存储的能量最小并且小于其时间上的平均值。在最大的支路能量与最小的支路能量之间的差(即能量升降量)在准稳态并对称的考虑下由变流器的工作点预先给出。根据本发明设置的附加的电流谐波能够以简单并有利的方式降低能量升降量，而在此不会对外部显露或干扰，因为其根据本发明循环流动，从而其在变流器的外部接口处不能离开变流器。

相对于其它按照桥式配置的变流器，具有三角形配置的变流器通常不能在稳态运行中传输或转换有功功率(除了其自身的损耗功率外)。因此，被视为有利的是，将变流器用于无功功率补偿、谐波补偿和闪变补偿。换言之，变流器优选是补偿器，特别是无功功率补偿器、谐波补偿器或闪变补偿器，或者是这样的补偿器的组成部分。

变流器特别优选是级联的全桥变流器。

关于变流器的结构被视为有利的是，变流器具有谐波确定模块，其根据各自的变流器运行状态确定至少一个附加的电流谐波，其中，如下地设定附加的电流谐波，使得其在变流器的串联电路中循环流动并且保留在变流器内部，并且其中，控制装置如下地控制开关模块，使得由谐波确定模块确定的至少一个附加的电流谐波在串联电路中循环流动。

附加的电流谐波优选关于其大小和相位如下地进行设定，使得在每个串联电路中的能量升降量小于没有附加的电流谐波的情况。

每个开关模块优选分别包括至少四个晶体管和一个电容器。

本发明还给出了一种运行用于三相电压的变流器的方法，该变流器具有三个按照三角形电连接的串联电路，其中每个串联电路分别包括至少两个串联连接的开关模块。

根据本发明将关于这样的方法设计为如下地控制开关模块，使得在串联电路中流过具有三相电压的基频和预设值和/或预设的时间走向的支路电流，根据各自的变流器运行状态确定至少一个附加的电流谐波，其中，如下地设定附加的电流谐波，使得其在变流器的串联电路中循环流动并且保留在变流器内部，并且如下地控制开关模块，使得分别确定的至少一个附加的电流谐波在串联电路中循环流动。

关于根据本发明的方法的优点参照以上描述的根据本发明的变流器的 优点，因为根据本发明的变流器的优点基本对应于根据本发明的方法的优点。

被视为有利的是，附加的电流谐波关于其大小和相位被如下地设定，使得在每个串联电路中的能量升降量小于没有附加的电流谐波的情况。

优选将一个或多个谐波电流外加到串联电路(R1、R2、R3)的支路电流，该谐波电流的频率对应于三相电压的基频或网络频率的可被三除尽的倍数。

也被视为有利的是，向变流器外加一个或多个谐波电压，其频率对应于三相电压的基频或网络频率的可被三除尽的谐波。

特别优选是利用变流器执行补偿，特别是无功功率补偿、谐波补偿或闪变补偿。

附图说明

以下结合实施例详细解释本发明，其中：

图1示出了根据本发明的变流器的第一实施例，具有控制装置以及与控制装置连接的谐波确定模块；

图2图解示例性示出了在按照图1的变流器中循环流动的电流谐波；

图3示出了在运行没有谐波确定模块的变流器下在按照图1的变流器中流动的电流和施加的电压；

图4示出了在运行谐波确定模块期间，即附加的电流谐波循环流动的情况下，在按照图1的变流器中流动的电流和施加的电压；

图5示出了用于按照图1的变流器的开关模块的实施例；

图6示出了根据本发明的变流器的第二实施例，其中谐波确定模块被实施在控制装置中；

图7示出了根据本发明的变流器的第三实施例，其中由软件编程模块构成谐波确定模块；以及

图8示出了根据本发明的变流器的第四实施例，其中谐波确定模块直接处理测量信号或测量数据。

在附图中出于清晰起见，对于相同或相近的部件始终使用同样的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于三相电压的三相的变流器10。在图1中以附图标记U1(t)、U2(t)和U3(t)表示三相电压的相电压。以附图标记I1(t)、I2(t)和I3(t)表示由于相电压U1(t)、U2(t)和U3(t)而流动的相电流。

变流器10包括三个按照三角形电连接的串联电路R1、R2、R3，其中每个串联电路分别包括至少两个串联连接的开关模块SM和一个电感L。

控制装置30与开关模块SM连接，前者可以借助开关模块独自的控制信号ST(SM)如下地控制开关模块SM，使得在串联电路R1、R2、R3中流过具有三相电压的基频和附加的电流谐波的支路电流Iz12(t)、Iz31(t)和Iz23(t)。如以下还将详细描述的那样，可以如下地设定附加的电流谐波，使得其在变流器10的串联电路R1、R2、R3中循环流动并且保留在变流器10内部，并且不会流入到相电流I1(t)、I2(t)和I3(t)中。

为了形成附加的电流谐波，变流器10具有谐波确定模块40，其根据各自的变流器运行状态为每个串联电路R1、R2、R3分别确定至少一个附加的电流谐波。

控制装置30通过独自的控制线路分别与三个串联电路R1、R2和R3的每个开关模块SM相连。为了清晰起见，在图1中未示出连接线。为了控制开关模块SM，控制装置30产生控制信号ST(SM)，其通过未示出的控制线被传输到开关模块。

为了确定最优的控制信号ST(SM)，控制装置30在输入端被施加了多个测量信号和/或测量数据。例如是说明了施加在变流器上的交流电压U1(t)、U2(t)和U3(t)、流过的相电流I1(t)、I2(t)和I3(t)和/或支路电流Iz12(t)、Iz23(t)和Iz31(t)的测量信号和/或测量数据。

另外，控制装置30例如通过已经提到的控制线路或通过其它信号线路与三个串联电路R1、R2和R3的开关模块SM连接，使得可以将描述了开关模块各自状态的状态数据Zd(SM)传输到控制装置30。

控制装置30由于在输入端施加的数据而知道存在哪个电压和电流，以及另外知道三个串联电路R1、R2和R3的各个开关模块SM处于哪个运行状态。

由于在输入端施加的测量信号和/或测量数据以及在输入端施加的状态数据，控制装置30能够如下地控制开关模块SM，使得达到预期的变流器特 性，例如预期的补偿特性，特别是预期的无功功率补偿特性、谐波补偿特性或闪变补偿特性。

为了能够实现所描述的控制任务，控制装置30例如可以包括(例如以数据处理设备或计算机形式的)计算装置31，对其如下地编程，使得其根据在输入端施加的测量信号、测量数据或状态信号分别确定开关模块SM的最优控制，并且按照这种方式产生对于控制所需的控制信号ST(SM)。在位于控制装置30内的存储器32中可以存储用于控制计算装置的相应的控制程序(或控制程序模块)PR1。

已经提到的谐波确定模块40通过控制线路从控制装置30获得运行状态数据BZ，其描述了变流器10的运行状态。谐波确定模块40根据运行状态数据BZ产生谐波成份数据OS，其为三个串联电路R1、R2和R3的每一个分别定义了至少一个附加的电流谐波，该电流谐波应当在各自的串联电路R1、R2和R3中附加地流动。

控制装置30处理从谐波确定模块40获得的谐波成份数据OS，并且借助控制信号ST(SM)修正对串联电路R1、R2和R3的开关模块SM的控制，使得在串联电路中不仅流过对于预期的变流器特性所需的支路电流，而且另外还流过由谐波确定模块40所确定的附加的电流谐波。

由谐波确定模块40所确定的附加的电流谐波关于它的模和相位被如下地设定，使得附加的电流谐波在三个串联电路R1、R2和R3中循环流动。这在图2中被图解示出。

在图2中可以看出，附加的电流谐波Izos只在三个串联电路R1、R2和R3内流动并且不会离开变流器。

在此，附加的电流谐波Izos与为运行变流器10“需要”的在串联电路R1、R2和R3中的支路电流如下地叠加，使得在串联电路R1、R2和R3的每一个中能量升降量ΔW小于其在没有附加的电流谐波Izos的情况。这在图3和图4中被详细示出。

在图3和图4中，变量U_∑sm(t)例如表示在串联电路R1、R2或R3的开关模块组上的电压，Iz(t)表示流过对应的开关模块组的支路电流，P(t)表示在各自的开关模块组内产生的功率，以及∫P(t)dt表示关于功率的相应的积分，由它得到各自的能量升降量ΔW。

图3示出了没有附加的电流谐波Izos的曲线走向，即在串联电路R1、 R2和R3中只流过对于变流所需的支路电流的情况。

图4示出了对于相同的运行点具有附加的电流谐波Izos的曲线走向，即通过对开关模块的相应控制将电流谐波加调制到支路电流上的情况。显而易见，能量升降量ΔW由于附加的电流谐波而小于其没有相应的电流谐波的情况(参照图3)。

在图5中示出了用于开关模块SM的实施例。开关模块SM具有四个晶体管T1-T4、四个二极管D和一个电容器C，在该电容器上降落电容器电压Uc。为了控制，由按照图1的控制装置30给晶体管(这里是晶体管T2)施加控制电压U_SM。

以下详细解释按照图1的谐波确定模块40的工作方式：

能量升降量ΔW在准稳定状态下仅取决于交流电压系统的频率和振幅以及在交流电压系统中的电流的相位角、频率和振幅。对于图1中的串联电路R1，例如对于单纯作为无功功率补偿器使用并忽略变流器损耗的情况下，满足：

ΔW＝max|∫P(t)dt|-min|∫P(t)dt| (1)

其中

P(t)＝U_{∑ SM12}(t)·I_Z12(t)， (2)

$U_{\mathrm{\ΣSM}12}\left(t\right)={\hat{U}}_{Z12}\·\sin (\mathrm{\ω}\·t)-L_Z({\hat{I}}_{Z12}\·\cos (\mathrm{\ω}\·t+\frac{\mathrm{\π}}{2})\·\mathrm{\ω})---\left(4\right)$

在变流器的全部支路的对称的准稳定状态下，经历了相同的、但相移的所描述的能量脉动。由此得到两个支路的能量差的脉动，即“支路能量差”。两个支路的能量差的时间走向于是直接取决于支路能量的时间走向以及支路的交流电压端子处的电压与电流的相移。

在支路中存储的能量优选在时间中点均匀分配到各自支路的开关模块的电容器。由此近似相同地维持了支路的开关模块电容器的电压。

在此，各个电容器规定用于特定的最大电压Umax。由此得到可在支路中存储的最大能量Wmax，其取决于在支路中的子模块的数目N以及各个子模块的电容C。

$W_{\max }=N\·\frac{C}{2}\·{\left(U_{C,\max }\right)}^2---\left(5\right)$

在超过最大能量Wmax时，变流器由于其损坏的危险而必须被关断。

同样存在支路能量的下限，其得自于由模块组待调整的电压U_{∑ SM}(t)。

$W_{\min }\left(t\right)=\frac{{(U_{\mathrm{\&Sigma;SM}}\left(t\right)\&CenterDot;\frac{1}{k})}^2}{N}\&CenterDot;\frac{C}{2},$ 其中对于所有t，k<1 (6)

控制系数k强制小于1，其具体值得自于变流器的控制质量和对控制特性的要求。如果低于最小能量，则变流器不再能被控制。

在变流器的端口处出现短路和其它故障时，必须由各个支路吸收或放出较高的能量。这个情况得自于对于连接的网络或设备的要求，该网络或设备根据要求掌控所产生的高电流。

由此预设了支路的最低能量W_min+res，并且对应于用于获得控制能力所需的最小支路能量W_min加上在最坏情况下在故障情况输出的能量W_res,neg。

W_min+res＝W_min+W_res,neg (7)

同样在物理方面预设了在变流器的一个支路中最大待存储的能量W_max。它首先是上述最低能量W_min+res加上在正常运行中出现的最大能量升降量ΔW_max的和。然后对其添加了提高支路能量的、用于故障情况下的备用能量W_res,pos：

W_max＝ΔW_max+W_min+res+W_res,pos (8)

如上面已经提到的，在变流器支路的开关模块中的各个电容器规定用于特定的最大电压Uc,max。由此得到可在支路中存储的最大能量，其取决于在支路中的开关模块的数目N。在此，对于N以及开关模块电容器的电容C必须满足在变流器运行或故障情况下出现的支路能量始终小于可在支路中存储的最大能量：

$W_{\max }=\mathrm{\&Delta;}{W}_{\max }+W_{\min +\mathrm{res}}+W_{\mathrm{res},\mathrm{pos}}\&le;N\&CenterDot;\frac{C}{2}\&CenterDot;{\left(U_{C,\max }\right)}^2---\left(9\right)$

在不满足该条件的情况下，必须关断变流器，因为否则会损坏变流器。

可以看出，由此具有最高能量升降量的特殊运行规定了变流器的最小模块数量和模块电容。通过减少最大能量升降量，如通过谐波确定模块40所实现的那样，由此可以实现在变流器的每个支路中的模块数量的减少以及更低的安装花费。

在变流器中，每个安装的开关模块还流过一个支路电流。从模块数目的减少中，因此还可以相应降低变流器的损耗。

作为附带作用，减少模块数目还可以正面影响各个开关模块的半导体的导通损耗的分配，并且由此能够实现稍微更高的支路电流，即更高的变流器 功率。

为了产生所描述的循环流动的谐波，优选向支路电流中外加(关于按照图1的施加在变流器处的交流系统的频率的)可被三除尽的谐波电流。其构成了共模部件，并且相同地作用于全部支路。优选对于第三和第九谐波产生谐波电流。

对于变流器例如作为纯粹的无功功率补偿器的稳态运行，上面描述的公式如下满足(假设：使用第三电流谐波，忽略变流器损耗)：

通过巧妙地选择一个或多个所述谐波的振幅和相位，可以改变经过每个变流器支路的功率走向，使得能量升降量被调节成小于没有所述谐波所产生的能量升降量，如在图3和图4中示例性示出的那样。由此降低了出现的最大能量W_max。因此可以在设计变流器时减少串联电路数目和/或开关模块电容C，由此可以降低成本和变流器损耗。

为降低能量升降量而待外加的谐波可以按照多种方式确定。例如提供了特性场控制，其根据变流器的当前状态读取最优的谐波参数并且进行相应控制。在此可以按照多种方式建立相应的特性场(例如分析计算、数值优化等)。替代地，例如对于动态过程也可以设置控制系统，其自主控制相应的谐波。

所描述的用于计算和产生附加的待外加的谐波的方法能够独立于其余通常的功率-、电压-、电流-、能量平衡控制方法/调节方法(例如在按照图1的实施例中由控制程序PR1调节或控制的那样)而被执行，因为谐波与在图1中由控制程序PR1计算的“正常的”支路电流叠加，并且调制上的谐波不影响由控制程序PR1控制的量和平衡关系。

同样，谐波的确定和/或产生也可以作为所述的控制/调节的集成组成部分来实施。

为了产生谐波，在变流器的功率部分(测量装置等)中不产生额外的花费。其例如可以在软件中实现，并且也可以以后在不进行硬件改变下加装到已经存在的设备中。

图6示出了根据本发明的变流器10的第二实施例。按照图6的变流器 在工作方式上对应于按照图1的变流器。区别在于，谐波确定模块40在控制装置30中实施。

图7示出了根据本发明的变流器10的第三实施例，其中，谐波确定模块40通过存储在控制装置30的计算装置31的存储器32中的软件程序模块PR2构成。为了确定谐波成份数据或为了确定对于降低在串联电路R1、R2和R3中的能力升降量而需要或有利的附加的电流谐波，控制装置30的计算装置31只须调用并执行软件程序模块PR2。

图8示出了根据本发明的变流器10的第四实施例，其中，谐波确定模块40直接处理测量信号或测量数据，其也通过控制装置30处理。因此，谐波确定模块40可以独立于由控制装置30提供的运行状态数据工作。除此以外，谐波确定模块40以及变流器10的工作方式总体对应于按照图1的变流器10的工作方式。

以上描述的谐波的加调制既可以在稳定状态也可以在暂态过程中(例如故障情况)进行。由于更好的数学可示性，在上述的计算例中示出了准稳定状态。但是，在暂态情况下外加谐波的可能性也包括在所描述的考虑中。

尽管通过优选实施例详细图解和描述了本发明，但是本发明不受公开的例子的限制，并且技术人员可以由此推导出其它变化，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于三相电压的变流器(10)，具有：

-三个按照三角形电连接的串联电路(R1、R2、R3)，其中，每个串联电路分别包括至少两个串联连接的开关模块(SM)；以及

-与所述开关模块(SM)连接的控制装置(30)，其能够如下地控制所述开关模块(SM)，使得在所述串联电路(R1、R2、R3)中流过具有三相电压的基频并具有至少一个附加的电流谐波的支路电流，其中，如下地设定所述附加的电流谐波，使得其在所述变流器(10)的串联电路(R1、R2、R3)中循环流动并且保留在所述变流器内部，

-所述附加的电流谐波关于其大小和相位如下地进行设定，使得在每个串联电路(R1、R2、R3)中的能量升降量(ΔW)小于没有所述附加的电流谐波的情况。

2.按照权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述变流器(10)构成了补偿器。

3.按照权利要求1所述的变流器，其特征在于：

-所述变流器(10)具有谐波确定模块(40)，其根据各自的变流器运行状态确定至少一个附加的电流谐波，其中，如下地设定所述附加的电流谐波，使得其在变流器(10)的串联电路(R1、R2、R3)中循环流动并且保留在变流器内部；并且

-其中，所述控制装置(30)如下地控制所述开关模块(SM)，使得由所述谐波确定模块(40)确定的至少一个附加的电流谐波在所述串联电路(R1、R2、R3)中流动。

4.按照上述权利要求中任一项所述的变流器，其特征在于，每个所述开关模块(SM)分别包括至少四个晶体管(T1-T4)和一个电容器(C)。

5.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述补偿器是无功功率补偿器、谐波补偿器或闪变补偿器。

6.一种运行用于三相电压的变流器的方法，所述变流器具有三个按照三角形电连接的串联电路(R1、R2、R3)，其中每个串联电路分别包括至少两个串联连接的开关模块(SM)，其特征在于：

-如下地控制所述开关模块(SM)，使得在所述串联电路(R1、R2、R3)中流过具有三相电压的基频和预设值和/或预设的时间走向的支路电流；

-根据各自的变流器运行状态确定至少一个附加的电流谐波，其中，如下地设定所述附加的电流谐波，使得其在所述变流器(10)的串联电路(R1、R2、R3)中循环流动并且保留在所述变流器(10)内部，并且

-如下地控制所述开关模块(SM)，使得所确定的至少一个附加的电流谐波在所述串联电路(R1、R2、R3)中流动，

-所述附加的电流谐波关于其大小和相位如下被设定，使得在每个串联电路(R1、R2、R3)中的能量升降量(ΔW)小于没有所述附加的电流谐波的情况。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，将一个或多个谐波电流外加到串联电路(R1、R2、R3)的支路电流，所述谐波电流的频率对应于三相电压的基频或网络频率的能被三除尽的倍数。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，向所述变流器(10)外加一个或多个谐波电压，其频率对应于三相电压的基频或网络频率的能被三除尽的谐波。

9.按照权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，利用所述变流器(10)执行补偿。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述补偿是无功功率补偿、谐波补偿或闪变补偿。