CN105098784A

CN105098784A - 电压调整装置

Info

Publication number: CN105098784A
Application number: CN201510194551.0A
Authority: CN
Inventors: 新井卓郎; 饼川宏; 渡边裕治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: US20150333655A1; CN105098784B; US9571002B2; AU2015202261B2; EP2945246B1; JP6363391B2; EP2945246A1; AU2015202261A1; JP2015220861A; ES2647312T3

Abstract

本发明提供一种电压调整装置，在与电网串联连接的电压调整装置中降低其交直流转换器的输出。电压调整装置具有：第二串联变压器(21)，其一次侧与第一串联变压器(13)的二次侧和并联变压器(14)的二次侧串联连接，所述第一串联变压器(13)的一次侧与电网串联连接，所述并联变压器(14)的一次侧与电网并联连接；以及第一交直流转换器(22)，其交流侧与第二串联变压器(21)的二次侧连接。第一交直流转换器(22)具有连接在交流端子(22a)与直流端子(22b)之间的开关元件(22c)、反向并联二极管(22d)和电容器(22e)。

Description

电压调整装置

技术领域

本发明的实施方式涉及一种设置于电网中的电压调整装置。

背景技术

在电力电网中，需要使需求方的受电点电压保持一定。但是，由于电网阻抗而会产生电压变动。通常会与离变电所的距离成比例地发生由电网阻抗导致的电压降，因此，电网电压会下降。另一方面，还被报告有如下现象：在夜间等电力需求低的情况下，因与电网连接的进相电容器而电网电压上升。

另外，近年来引入了许多太阳能发电或风力发电等分布式电源，通过对电网实施逆潮流，也会产生电压上升或较快周期的电压变动。为了对这些电压变动进行补偿，使用了电压调整装置。

图12中示出现有的电压调整装置。该装置叫做UPFC(UnifiedPowerFlowController：统一潮流控制器)，不仅能够抑制电压变动，还能够控制电力潮流。在图12中具有：串联变压器T1，其一次绕组与电源P和负载R之间的电网串联连接；和并联变压器T2，其一次绕组与电网并联连接，在各个变压器T1、T2的二次绕组上连接有交直流转换器I的交流端子。

两个交直流转换器I的直流端子经由电容器相连接，构成所谓的BTB(BacktoBack：背靠背)结构。在此，设补偿电压为Vc，电网电压为Vs，电网负载容量为Ps时，交直流转换器I的输出Pc如下。

P_{c} = \frac{| V_{c} |}{V_{s}} P_{s}

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003－70251号公报

但是，如上所述的现有的电压调整装置的交直流转换器必须设为由补偿电压和电网线间电压、电网负载容量所规定的容量。因此，随着交直流转换器的输出增加，会导致电压调整装置的损耗增加、大型化、复杂化和高成本化。

发明内容

本发明的实施方式是为了解决如上所述的现有技术问题而提出的，其目的在于，在与电网串联连接的电压调整装置中降低其交直流转换器的输出。

本发明的实施方式的电压调整装置是为了达到如上所述的目的而提出的，其特征在于，具有：第二串联变压器，该第二串联变压器的一次侧与第一串联变压器的二次侧和并联变压器的二次侧串联连接，所述第一串联变压器的一次侧与电网串联连接，所述并联变压器的一次侧与电网并联连接；以及交直流转换器，该交直流转换器的交流侧与所述第二串联变压器的二次侧连接。

附图说明

图1是示出第一实施方式的电压调整装置的结构图。

图2是示出第一实施方式的第一交直流转换器的结构图。

图3是示出第二实施方式的电压调整装置的结构图。

图4是示出第二实施方式的极性反转开关的结构图。

图5是第二实施方式的极性反转开关和并联变压器的接线图。

图6是示出第三实施方式的电压调整装置的结构图。

图7是示出第四实施方式的电压调整装置的结构图。

图8是示出补偿电压与转换器输出之间的关系的说明图

图9是示出第五实施方式的电压调整装置的结构图。

图10是示出第五实施方式的短路开关的结构图。

图11是示出第六实施方式的电压调整装置的结构图。

图12是示出现有的电压调整装置的结构图。

具体实施方式

[第一实施方式]

(结构)

参照图1和图2，对本实施方式的结构进行说明。本实施方式中的电压调整装置100是相对于连接在电源11与负载12之间的第一串联变压器13以及并联变压器14进行连接的装置，具有第二串联变压器21和第一交直流转换器22。

电源11是三相交流的电网电源。作为电源11，例如适用三相或者单相50Hz或60Hz的商业电源。负载12是设置在需求方的、消耗来自与电源11连接的电网的电力的装置。

第一串联变压器13是与电网串联连接的变压器。即，第一串联变压器13的一次侧串联连接在电源11与负载12之间。并联变压器14是与电网并联连接的变压器。即，并联变压器14的一次侧并联连接在电源11与负载12之间。

第二串联变压器21是将一次侧串联连接在第一串联变压器13的二次侧与并联变压器14的二次侧之间的变压器。第一交直流转换器22是将交流端子22a与第二串联变压器21的二次侧连接的交直流转换器。

在图2中，作为第一交直流转换器22，示出了三相交直流转换器的电路结构例。第一交直流转换器22具有连接在交流端子22a与直流端子22b之间的开关元件22c、反向并联二极管22d、电容器22e。

开关元件22c是具有自消弧能力的半导体器件。例如，作为开关元件22c，可以使用IGBT或MOSFET、GTO等。反向并联二极管22d是与开关元件22c并联连接，并且使开关切换刚之后的电感器的电流回流的二极管。

对各个相的每一相至少设置一对开关元件22c，在各相中的一对开关元件22c之间连接有交流端子22a。各相中的开关元件22c的相反端连接在直流端子22b上。

电容器22e是与直流端子22b并联连接的蓄电元件。电容器22e为了得到第一交直流转换器22的输出而需要维持一定的电荷，即电能。有从电网取得所需能量的方法和从外部取得所需能量的方法。在本实施方式中不限定于特定的方法。

[作用效果]

具有如上所述结构的本实施方式的作用效果如下。第一交直流转换器22按照来自控制装置等的补偿电压的指令值来切换开关元件22c，从而输出电压。

在此，设补偿电压为Vc，并联变压器14的输出电压为Vtr，电网线间电压为Vs，电网负载容量为Ps时，第一交直流转换器22输出的电压优选为Vc－Vtr。因此，第一交直流转换器22的输出Pc如下表示。

P_{c} = \frac{| V_{c} - V_{tr} |}{V_{s}} P_{s}

例如，若设定为Vtr＝Vc/2，则第一交直流转换器22的输出Pc如下所示。

P_{c} = \frac{V_{c}}{2 V_{s}} P_{s}

从而，根据本实施方式，与现有方法相比，能够使第一交直流转换器22的输出减半。因此，能够实现电压调整装置100的低损耗化、小型化、简单化、低成本化。

此外，在本实施方式中，与现有方法相比，追加了第二串联变压器21。但是，高压电源11与第二串联变压器21相绝缘。因此，作为第二串联变压器21，可以使用耐压比较低的变压器，因此抑制了高成本化、大型化。

[第二实施方式]

(结构)

利用图3、图4、图5，对本实施方式的结构进行说明。本实施方式基本上是与上述第一实施方式同样的结构。但是，在本实施方式中，如图3所示地设置有极性反转开关30。极性反转开关30是使端子间的电压极性反转的开关。

极性反转开关30串联连接在第二串联变压器21的一次侧与并联变压器14的二次侧之间。该极性反转开关30由半导体器件构成。

参照图4说明这种极性反转开关30的一例。图4示出一个相上的电路结构。在交流端子(1)与交流端子(2)之间具有桥接的交流开关(a)～(d)。将各交流开关(a)～(b)连接成：开关元件和反向并联二极管并联连接而成的部分形成为电流方向相反的一对。

图4中是使用IGBT作为交流开关(a)～(d)的开关元件的例子。但是，其他的自消弧型半导体器件也能适用。此外，反向并联地连接有晶闸管的交流开关或者其他种类的半导体器件也能实现。

此外，图5中示出极性反转开关30和并联变压器14的接线图。在图5中，使用二次侧开放的V型接线变压器作为并联变压器14。在该例子中，在并联变压器14的二次侧连接有2个极性反转开关30。

[作用效果]

如上所述的本实施方式的作用效果如下所述。其中，基本的作用效果与上述的第一实施方式同样。

首先，对极性反转开关30的极性反转动作进行说明。当接通交流开关(a)和交流开关(d)并断开交流开关(b)和交流开关(c)时，交流端子(1)和交流端子(2)的电压极性相同。当断开交流开关(a)和交流开关(d)并接通交流开关(b)和交流开关(c)时，交流端子(1)和交流端子(2)的电压极性反转。

在第一实施方式中，并联变压器14的输出电压仅为+Vtr。另一方面，在本实施方式的情况下，通过组合并联变压器14和极性反转开关30，输出电压变为±Vtr。在补偿电压为－Vc的情况下，设并联变压器14的输出电压为Vtr，电网线间电压为Vs，电网负载容量为Ps时，第一交直流转换器22输出的电压优选为－Vc+Vtr。因此，第一交直流转换器22的输出Pc如下表示。

P_{c} = \frac{| - V_{c} + V_{tr} |}{V_{s}} P_{s}

P_{c} = \frac{V_{c}}{2 V_{s}} P_{s}

从而，即使在补偿电压为－Vc的情况下，与现有方法相比，也能够使第一交直流转换器22的输出减半。因此，能够实现电压调整装置的低损耗化、小型化、简单化、低成本化。

[第三实施方式]

参照图6，对本实施方式进行说明。本实施方式基本上是与上述第一实施方式同样的结构。但是，在本实施方式中，第一交直流转换器22的直流端子22b经由电容器22e(参照图2)连接第二交直流转换器23的直流端子，构成所谓的BTB(BacktoBack：背靠背)结构。

并且，将第二交直流转换器23的交流端子并联连接在并联变压器14的二次侧。再有，在图6的例子中，与第二实施方式同样地具有极性反转开关30，因此，在第二交直流转换器23与并联变压器14之间连接有极性反转开关30。但是，也可以如第一实施方式那样地不具有极性反转开关30。

根据如上所述的本实施方式，由于维持了第一交直流转换器22的电容器22e的蓄电，因此不需要外部电源，能够从电网得到能量。因此，第一交直流转换器22能够自由地输出有效成分电压和无效成分的电压。

[第四实施方式]

(结构)

参照图7和图8，对本实施方式的结构进行说明。本实施方式基本上是与上述第二实施方式同样的结构。但是，在本实施方式中，并联变压器14是具有三次绕组的变压器。并且，并联变压器14的二次绕组与极性反转开关30连接，三次绕组与第二交直流转换器23的交流端子连接。

[作用效果]

在如上所述的本实施方式中，使极性反转开关30发挥短路开关的作用。例如，当接通图4所示的交流开关(a)和交流开关(c)并断开交流开关(b)和交流开关(d)时，或者断开交流开关(a)和交流开关(c)并接通交流开关(b)和交流开关(d)时，能够使交流端子(1)短路。利用这样的短路，即使输出为0，也能够使补偿电压为0。

由于在短路时第二交直流转换器23也与并联变压器14的三次绕组连接，因此能够得到来自电网的能量。再有，即使是与上述第三实施方式同样的结构，也可以使极性反转开关30发挥短路开关的作用。

图8中示出产生短路状态的本实施方式和不产生短路状态的实施方式的、补偿电压Vc与第一交直流转换器22的输出Pc之间的关系。图中，点划线表示现有技术，实线表示本实施方式，虚线表示无短路的实施方式。并联变压器14的输出电压设定为Vtr＝Vc/2。在补偿电压为Vc/4以下的情况下，通过产生短路状态(短路接通)，能够降低第一交直流转换器22的输出。即，由于得到0作为补偿电压，因此不需要输出用于抵消电压输出的电压。

[第五实施方式]

参照图9和图10，对本实施方式的结构进行说明。本实施方式基本上是与上述第一实施方式同样的结构。但是，在本实施方式中，在第二串联变压器21与并联变压器14之间连接有相间的短路开关31。另外，并联变压器14是具有三次绕组的变压器。并且，并联变压器14的二次绕组与短路开关31连接，三次绕组与第二交直流转换器23的交流端子连接。

图10中示出三相时的具有相间的交流开关31a的短路开关31。作为交流开关31a的例子，有机械式开关器、IGBT等自消弧型半导体器件、使用晶闸管的双向半导体开关等。

根据如上所述的本实施方式，通过关闭交流开关31a，能够与第四实施方式同样地产生短路状态，因此，能够降低第一交直流转换器22的输出。

[第六实施方式]

参照图11，对本实施方式进行说明。本实施方式基本上是与上述第一实施方式同样的结构。但是，在本实施方式中，在第一交直流转换器22的直流端子22b上连接有能量贮存部22f。作为能量贮存部22f的例子，有蓄电池、电子双电层电容器(EDLC)的贮存装置。

根据本实施方式，在丧失了电网电源11的情况下，第一交直流转换器22也能够自由地输出有效成分电压和无效成分电压。再有，该能量贮存部22f也可以经由第二交直流转换器23如上述的实施方式那样连接在并联变压器14上，由此从电网进行充电或者蓄电。

[其他实施方式]

本发明的实施方式不限定于上述方式。例如，上述的各种变压器的一次侧、二次侧和三次侧只不过是为了能够区别各绕组，而简单地将靠近电网的一侧作为一次侧来赋予的数字。因此，一次侧、二次侧和三次侧也可以与变压器的额定等所规定的一次侧、二次侧和三次侧不一致。

此外，上述的串联变压器、并联变压器的绕组结构也可以适用三角型接线、Y型接线、V型接线、或者单相接线。此外，上述的各实施方式的作用效果即使在电网切换时将电源和负载进行了替换的情况下也同样成立。

以上说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子而提出的，并不是想限定发明范围。这些实施方式可以以其他各种各样的方式实施，可以在不脱离发明主旨的范围内进行各种各样的省略、置换和变更。这些实施方式或其变形包含在发明范围或主旨内，并且也包含在权利要求范围中记载的发明及其均等的范围内。

附图标记的说明

11电源

12负载

13第一串联变压器

14并联变压器

21第二串联变压器

22第一交直流转换器

22a交流端子

22b直流端子

22c开关元件

22d反向并联二极管

22e电容器

22f能量贮存部

23第二交直流转换器

30极性反转开关

31短路开关

31a交流开关

100电压调整装置

Claims

1.一种电压调整装置，其特征在于，具有：

第二串联变压器，该第二串联变压器的一次侧与第一串联变压器的二次侧和并联变压器的二次侧串联连接，所述第一串联变压器的一次侧与电网串联连接，所述并联变压器的一次侧与电网并联连接；以及

交直流转换器，该交直流转换器的交流侧与所述第二串联变压器的二次侧连接。

2.根据权利要求1所述的电压调整装置，其特征在于，

在所述第二串联变压器的一次侧与所述并联变压器的二次侧之间连接有极性反转开关。

3.根据权利要求1或者2所述的电压调整装置，其特征在于，

具有第二交直流转换器，该第二交直流转换器的直流侧与所述交直流转换器的直流侧连接，该第二交直流转换器的交流侧与所述并联变压器的二次侧或者三次侧连接。

4.根据权利要求1所述的电压调整装置，其特征在于，

在所述第二串联变压器的一次侧与所述并联变压器的二次侧之间连接有相间的短路开关。

5.根据权利要求4所述的电压调整装置，其特征在于，

所述短路开关是极性反转开关。

6.根据权利要求1～5的任一项所述的电压调整装置，其特征在于，

在所述交直流转换器的直流侧连接有能量贮存部。

7.根据权利要求2或者5所述的电压调整装置，其特征在于，

所述极性反转开关使用自消弧型器件或者晶闸管作为半导体器件。