CN113261173A - 串联电路中的磁性可调节的扼流线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在高压电网(17)中进行无功功率补偿的设备(1)，所述高压电网具有至少一个相导体(16)，所述设备具有至少一个第一高压接头(42)，所述第一高压接头被配置为用于与相应的相导体(16)连接。对于每个第一高压接头(42)，设置有：第一和第二磁芯段(5、6)，所述第一和第二磁芯段是闭合的磁路的一部分；第一高压绕组(5)，所述第一高压绕组包围第一磁芯段(3)；并且设置有第二高压绕组(6)，所述第二高压绕组包围第二磁芯段(4)，并且与所述第一高压绕组(5)并联连接。此外，根据本发明的设备具有至少一个饱和开关支路(10、11)，所述饱和开关支路被配置为用于使磁芯段(3、4)饱和，并且具有可控的功率半导体开关(20、21、22、23)。控制单元用于控制功率半导体开关，其中，第一和第二高压绕组利用其高压端(7)与相关联的第一高压接头(42)连接，并且在其低压侧(9)能够与所述饱和开关支路(10、11)或者一个饱和开关支路连接。为了能够串联连接到高压电网中，提出了设置第二高压接头(44)，所述第二高压接头同样被设置为用于与相应的相导体(16)连接，其中，饱和开关支路(10、11)在其远离一个或多个高压绕组(5、6)的一侧与所述第二高压接头(44)连接，使得所述设备(1)能够串联连接到相应的相导体(16)中。

Description

串联电路中的磁性可调节的扼流线圈
技术领域
本发明涉及一种用于在高压电网中进行无功功率补偿的设备，高压电网具有至少一个相导体，所述设备具有至少一个第一高压接头，第一高压接头被配置为用于与相应的相导体连接，其中，对于每个高压接头，设置有：第一和第二磁芯段，第一和第二磁芯段是闭合的磁路的一部分；包围第一磁芯段的第一高压绕组；以及包围第二磁芯段并且与第一高压绕组并联连接的第二高压绕组；至少一个饱和开关支路，饱和开关支路被配置为用于使磁芯段饱和，并且具有可控的功率半导体开关；以及用于控制功率半导体开关的控制单元，其中，第一和第二高压绕组利用其高压端与相关联的高压接头连接，并且在其低压侧可以与一个饱和开关支路或者饱和开关支路连接。
背景技术
这种设备已经从EP 3 168 708A1中已知。在那里公开了所谓的“全可变并联电抗器”(Full Variable Shunt Reactor，FVSR)。先前已知的设备针对每一相具有两个相互并联连接的高压绕组，高压绕组分别包围闭合的铁芯的芯柱，并且在其高压端连接至高压电网的相导体。高压绕组的低压侧可以借助晶体管开关与适宜地极化的转换器连接，或者直接与地接头连接。转换器被配置为用于在与其连接的高压绕组中产生直流电流。在此，调节直流电流，使得将被绕组包围的芯柱驱动到期望的饱和状态。在这种饱和状态下，芯材料例如具有非常小的磁导率，由此绕组的磁阻增大，而其电感减小。所述磁芯段的饱和与极化有关，从而流过绕组的交流电流根据其极化基本上仅流过两个高压绕组中的一个。因此，例如正的交流电流流过第一高压绕组，而负的交流电流通过第二高压绕组流向地。如果仅通过一个高压绕组来驱动电流，那么可以对刚好没有交流电流流过的相应的另一个绕组施加直流电流，以使被其包围的芯柱以期望的程度饱和。
先前已知的设备具有如下缺点，即，该设备仅能够以并联电路与供电网络的一个或多个相导体连接。在并联连接的设备中，该设备利用其一侧连接至相导体的高压电势，其中，远离高压接头的一侧处于地电势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种开头提到的设备，所述设备可以串联连接到高压电网中。
本发明以如下方式来解决上述技术问题，即，设置第二高压接头，第二高压接头同样用于与相导体连接，其中，饱和开关支路在其远离一个或多个高压绕组的一侧与第二高压接头连接，使得所述设备可以串联连接到相导体中。
在本发明的范围内，在现有技术中处于地电势的所述设备的第二接头是高压接头。该第二高压接头同样被设置为用于与相导体连接，使得整个设备串联连接到相应的相导体中。在此，在本发明的范围内，饱和开关支路在其远离高压绕组的一侧与第二高压接头连接。在本发明的范围内，饱和开关支路可以直接，即在不中间连接其它部件或者构件的情况下，与第二高压接头连接。然而，作为其替换，在本发明的范围内，也可以在饱和开关支路与第二高压接头之间的电流路径中布置其它部件。
串联连接的设备例如部分布置在平台上，其中，在运行时处于高压的部件中的一些被架设在平台上。相反，处于高压的其它部件可以布置在罐中，罐处于地电势，并且放置在地面上。在布置在平台上的部件之间出现例如1kV至50kV的中压范围内的电压降。然而，与通常为100kV至800kV的高压压降相比，可以以更低的成本来处理这些中压压降，其中，用于此的部件从中压技术中已知。在本发明的范围内，可以在高压平台上布置其它部件、例如容性构件等。
根据本发明的第一变形方案，第一和第二高压绕组与第一高压接头连接。在第一高压接头与高压绕组之间可以关联附加的构件或者部件。
有利地，第二高压接头通过至少一个容性单元与饱和开关支路连接。在此，将容性地起作用的部件、例如电容器等称为容性单元，其中，电流的相位领先于电压的相位。感性地起作用的单元或者构件产生相反的效果，从而使电流滞后于电压。
适宜地，可以通过桥接支路来桥接高压绕组和饱和开关支路，其中，在桥接支路中布置有容性单元。如已经描述的，根据本发明的设备是所谓的“全可变并联电抗器”(FVSR)。借助饱和开关支路，可以使高压绕组的磁芯饱和，从而可以基于高压绕组在相应的半波中的感性作用，来补偿由一个或多个相导体构建的供电网络中的无功功率。为了不仅仅能够提供高压绕组的感性作用，设置有容性单元，容性单元与饱和开关支路和高压绕组并联连接。基于这种并联电路，可以增大调节的带宽。
根据本发明的一个在此方面优选的设计方案，桥接支路与保护支路并联连接，在保护支路中布置有非线性电阻。保护支路用于针对过电压进行保护，在故障情况下可能出现过电压，并且过电压特别是可能使饱和开关支路的功率半导体开关损坏。非线性电阻在正常电压范围内，即在运行电压范围内，具有低电导率，因此具有高电阻。然而，在过电压下，电阻减小，从而通过电阻使高压减小。因此，针对过电压对并联连接的部件、即高压绕组、特别是饱和开关支路进行保护。
根据本发明的一个优选的变形方案，作为电容器或者作为电容器组来配备容性单元。电容器组包括多个相互串联和并联连接的变压器，变压器作为整体像电容器一样起作用。电流路径中的电容器使得交流电流的相位领先于驱动电压的相位。
根据本发明的一个优选的变形方案，每个高压绕组和每个饱和开关支路布置在以绝缘流体填充的罐中。根据一个变形方案，高压绕组和饱和开关支路布置在同一个罐中。然而，在本发明的范围内，高压绕组和饱和开关支路的功率电子设备也可以布置在不同的罐或者壳体中。在此，两个壳体都以绝缘流体填充，其中，设置有套管，以使布置在罐中的部件能够彼此电连接。例如考虑矿物油、酯类液体等来作为绝缘流体。可以在不同的罐中设置不同的绝缘流体。然而，优选所有罐中的绝缘流体相同。与此不同，绝缘流体也可以实施为保护气体。
优选每个饱和开关支路具有至少一个两极的子模块，子模块具有桥电路，桥电路具有功率半导体开关和直流电压源，从而根据对功率半导体开关的控制，直流电压源可以与至少一个高压绕组串联连接，或者可以被桥接。然后，在对功率半导体开关进行适宜的控制时，直流电压源提供使高压绕组的磁芯饱和所需的电压和直流电流。
优选每个子模块被构造为全桥电路，全桥电路具有第一串联电路支路和第二串联电路支路，它们分别与直流电压源并联连接。每个串联电路支路具有两个功率半导体开关的串联电路，其中，第一串联电路支路的功率半导体开关之间的电势点与子模块的第一连接端子连接，并且第二串联电路支路的功率半导体开关之间的电势点与子模块的第二连接端子连接。全桥电路使得能够实现连接端子上的极性反转，利用所谓的半桥电路不能实现这种极性反转，半桥电路仅有一个具有两个功率半导体开关的并联支路。
优选每个功率半导体开关是具有反向并联连接的续流二极管的IGBT、即所谓的GTO或者晶体管开关。在本发明的范围内有利的是，使得每个功率半导体开关不仅能够从其中断状态转变为其导通状态，而且也能够进行相反的转变，在中断状态下，电流不能流过功率半导体开关，在导通状态下，电流能够流过功率半导体开关。这种功率半导体开关也称为可关断的功率半导体开关，当采取适当的措施时，这种功率半导体开关甚至可以中断流过其的短路电流，以减小在此形成的能量。
优选每个直流电压源是能量存储器。有利地，考虑优选单极的电能存储器作为能量存储器。因此，例如考虑电容器、超级电容器、超导线圈、蓄电池、超级电容等作为能量存储器。所列出的或者其它的能量存储器可以在一个子模块中单独出现，或者其中的多个可以串联连接。在本发明的范围内，术语“能量存储器”总体上指代这种串联电路。
适宜地，能量存储器与用于对能量存储器充电的充电单元连接。优选能量存储器可以连接至供电网络。这适宜地通过充电单元来进行，在本发明的范围内，原则上可以任意地设计充电单元。然而重要的是，可以通过充电单元从供电网络提取能量，并且存储在能量存储器中。然后，该能量使得电流能够流动，以使相应的高压绕组饱和。
适宜地设置有附加绕组，其与高压绕组感性地耦合，其中，附加绕组与至少一个容性地起作用的构件连接。在本发明的范围内，附加绕组与FVSR的高压绕组中的至少一个感性地耦合。在此，附加绕组与容性地起作用的构件连接。术语“连接”意味着，每个容性地起作用的构件直接或者通过电气构件、例如开关单元与附加绕组中的至少一个电连接。因此，容性构件、例如电容器或者配备有电容器的“柔性交流输电系统”(Flexible ACTransmission System，FACTS)部件、例如“静态同步补偿器”(Static SynchronousCompensator，STATCOM)可以对无功功率补偿的程度和方向产生影响。在此，控制单元可以控制FVSR的功率半导体开关，使得高压绕组的感性效应在无功功率补偿中几乎完全降低，从而仅容性构件发挥其作用，并且有助于总体上的容性无功功率补偿。与此不同，控制单元可以确保高压绕组的感性效应完全发挥作用，从而叠加容性构件的作用，从而在总体上进行感性的无功功率补偿。
适宜地，容性构件具有电容器或者电容器组。
附图说明
本发明的其它适宜的设计方案和优点是下面参考附图对本发明的实施例的描述的主题，其中，相同的附图标记指示相同地起作用的构件，并且其中，
图1以示意图示出了根据本发明的设备的实施例，
图2示出了根据图1的设备的饱和开关支路，
图3示出了没有接头的根据本发明的设备的另一个实施例，
图4、图5和图6示出了实施例的另外的示意图，以及
图7示出了根据本发明的设备的另一个实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的设备1的实施例，设备1具有以绝缘流体填充的罐2。考虑矿物油或者酯类液体等作为绝缘流体。在本发明的范围内，气态绝缘流体也可以。
一方面，绝缘流体为相对于处于地电势的罐2处于高压电势的设备1的构件提供所需的耐压强度。此外，绝缘流体用于冷却在运行时发热的部件。
磁芯布置在罐2内，磁芯由可磁化的材料、优选铁磁材料、例如铁构成。为了避免涡流，磁芯由平放彼此贴靠的铁片组成。在此，磁芯作为磁芯段形成第一芯柱3以及第二芯柱4。
第一芯柱3被第一高压绕组5包围。第二芯柱4被第二高压绕组6包围。为了形成闭合的磁路，在附图中未示出的磁轭从芯柱3的上端延伸到芯柱4的上端，并且从芯柱3的下端延伸到芯柱4的下端。此外，设置有在附图中同样未示出的两个回流柱，其不被绕组包围，并且在右侧和左侧与芯柱3和4平行地延伸。换言之，设置有所谓的2/2磁芯。
第一高压绕组5和第二高压绕组6分别具有高压端7，第一高压绕组5和第二高压绕组6利用高压端7与高压套管8连接，利用高压套管8将在运行时处于高压电势的连接线引导通过处于地电势的罐2的壁。
在此，高压套管8穿过罐的壁，并且在布置在罐2外部的其自由端上配备有室外接头。在附图中未示出的室外接头用于连接空气绝缘的导体40，高压绕组5和6通过空气绝缘的导体40与第一高压接头42连接，整个设备1可以通过第一高压接头42与高压供电网络的相导体16连接。对于为了清楚起见在这里未示出的高压电网的每个其它的相导体，设备1具有与在图1中示出的结构相同的结构。为了清楚起见也没有示出这些部件。当然，线缆连接在本发明的范围内也是可以的。
在其远离第一高压接头42的端部9，第一高压绕组5和第二高压绕组6分别与饱和开关支路10和11连接，其中，每个饱和开关支路10、11具有两极的子模块12，子模块12利用第一连接端子13与相应的高压绕组5或者6连接，并且利用第二连接端子14与同样延伸穿过罐2的壁的高压套管8的引入端连接。该高压套管8也具有室外接头，其通过连接线43与第二高压接头14连接。在所示出的实施例中，第二高压接头14同样与相导体16连接。换言之，所示出的根据本发明的设备1利用相导体16串联连接在供电网络中。
在本发明的范围内重要的是，每个饱和开关支路10或者11具有两极的子模块12，子模块12具有由功率半导体开关20、21、22和23构成的桥电路和直流电压源24，直流电压源24优选被构造为是单极的，因此具有固定的正极和固定的负极。
在本发明的范围内，桥电路可以是半桥或者全桥。在图1中，每个子模块具有全桥并且包括四个功率半导体开关20、21、22和23。半桥仅包括这些功率半导体开关中的两个。为了适宜地控制四个功率半导体开关20、21、22和23，设置有控制单元26，可以在输入侧对控制单元26供应电压UACSoll、交流电流IACSoll和无功功率QACSoll的额定值。电流传感器27用于检测从相导体16流到高压绕组的交流电流IAC，其中，电压传感器28检测降落在高压绕组5和6的高压侧的电压。电流传感器27和电压传感器28通过在附图中未示出的信号线与控制单元26连接。在高压绕组5和6的低压侧同样可以看到传感器29和30，传感器29和30同样通过信号线与控制单元26连接，并且检测在相应的子模块12与相应的高压绕组5或者6之间流动的电流。控制单元26可以通过借助虚线示出的适宜的控制信号，使子模块12的功率半导体开关20、21、22和23从断开状态转变为导通状态，或者相反，从导通状态转变为断开状态，在断开状态下，通过功率半导体开关的电流流动中断；在导通状态下，电流可以通过功率半导体开关流动。
设备1的运行方式如下：如果电压传感器28检测到的电压是正的，那么饱和开关支路10的功率半导体开关22和23是闭合的。假设从第一饱和开关支路10的子模块12流到高压绕组5的直流电流先前已使芯柱3饱和，从而对于交流电压的正半波，高压绕组5的交流电阻小于高压绕组6的交流电阻。因此，几乎全部交流电流IAC经由利用I1表示的电流路径流向第二高压接头44。因此，在交流电压的正半波中，使功率半导体开关21和22闭合，从而饱和开关电路11的直流电压源24驱动从高压绕组6流到第二高压接头44的直流电流。因此，在相导体16中的交流电压的正半波期间，可以以期望的方式使第二芯柱饱和。
相反，在传感器28测量的电压为负的负半波期间，交流电流IAC基本上经由第二高压绕组6流动，因此通过使第一饱和开关支路10的子模块12的功率半导体开关20和23闭合，并且使功率半导体开关21和22断开，来产生饱和直流电流，该饱和直流电流从子模块12流到第一高压绕组5或者相反，因此提供芯柱3的期望的饱和。
图2更详细地示出了第一和第二饱和开关电路10、11的子模块12的结构。可以看到，用于两个饱和开关支路10和11的子模块相同地构建。还可以看到，功率半导体开关20、21、22和23包括所谓的IGBT 31，续流二极管32与IGBT 31反向并联连接。具有续流二极管的IGBT的结构原则上是已知的，因此在这一点上不需要对其作用方式进行更详细的讨论。重要的是，续流二极管32用于通过反向电压来保护IGBT。在此，IGBT 31和二极管32安装在共同的开关壳体中。这里，将IGBT 31和续流二极管32一起称为功率半导体开关。
每个子模块12被构造为所谓的全桥，并且包括分别由两个串联连接的功率半导体开关20、21或者22和23构成的第一串联电路支路32和第二串联电路支路34。功率半导体开关20和21之间的电势点与子模块12的第一连接端子13连接，并且第二串联电路支路34的功率半导体开关22和23之间的电势点与子模块12的连接端子14连接。
图3示出了根据本发明的设备1的另一个实施例，其中，为了清楚起见，仅示出了用于与高压电网的一个相连接的构件。此外，没有示出高压接头42和44以及具有高压套管8的罐2。
可以看到，每个饱和开关支路10或者11由多个子模块12的串联电路构成，控制单元26对全部子模块12进行相同控制，或者对子模块12进行不同的控制，从而可以与相应的要求对应地调节直流电压，直流电压用于产生用于使芯柱3、4饱和的直流电流。
图4示出了根据本发明的设备1的实施例的又一个示意性的图示。仅示出了所谓的FVSR 45。FVSR 45包括高压绕组、磁芯以及一个或多个饱和开关支路10或者11以及用于控制功率半导体开关的控制单元。因此，图4也可以理解为根据图1的实施例的另一个示意性的图示。
图5示出了根据本发明的设备1的另一个实施例，其中，除了FVSR 45之外，还示出了电容器46或者电容器组46。在此，电容器46布置在第二高压接头44与FVSR 45之间。通过电容器46，使根据本发明的设备1的调节范围增大。通常，利用交流电流运行的供电网络的高压线像电容器一样起作用。因此，为了进行无功功率补偿，必须在电网中集成像根据本发明的高压绕组一样感性地起作用的构件。然而，通过设置电容器46，也可以对电网中的感性的无功功率进行补偿。
图6示出了根据本发明的设备1的另一个实施例，其中，电容器46借助桥接支路与FVSR 45并联连接。此外，设置有保护支路47，在保护支路47中布置有非线性电阻48。非线性电阻用于针对过电压保护FVSR 45以及电容器46。如已经描述的，非线性电阻48在运行电压下是高欧姆的。然而，在过电压下，欧姆电阻快速减小，从而电流换向到保护支路47上。
图7示出了根据本发明的设备1的另一个实施例，该设备1部分对应于结合图1示出的实施例。除了在图1中已经描述的构件或者元件之外，在图7中示出的设备1的实施例还具有容性地起作用的构件，其在所示出的实施例中实施为电容器35。电容器35与补偿绕组36并联连接，其中，补偿绕组36由两个相互串联连接的子补偿绕组37和38构成。子补偿绕组37与第一高压绕组感性地耦合，并且第二子补偿绕组38与高压绕组6感性地耦合。在此，高压绕组5或者6和相应的子补偿绕组37或者38相互同心地布置，其中，其包围在其它方面未进一步说明的磁芯的相同的磁芯段3或者4。在图7中仅示出了用于在那里示出的相的附加绕组36。然而，在罐2中，针对其它相设置有另外的补偿绕组，这些补偿绕组相同地构建，并且以相同的方式与电容器35连接。在此，不同的相的补偿绕组36相互连接成三角形电路。通过箭头39a和39b示出了这种三角形电路。此外，在布置有电容器35的补偿绕组的并联支路中，示意性地示出了开关49，在所示出的实施例中，开关49包括两个反向并联连接的晶闸管。借助电子开关49，可以使电容器35与补偿绕组36并联连接，或者可以抑制容性地起作用的构件35的作用。
在图7中，作为单个电容器示出了电容器35，其布置在FVSR的罐2外部。然而，电容器35包括一定数量的相互串联或者并联地布置的电容器，因此也可以称为电容器组。在此，并联或者串联连接的电容器的数量与相应的要求有关，其中，可以提高或者降低容性作用。
电容器或者换言之电容器组35像开关49那样布置在FVSR的罐2外部。与此不同，当然也可以布置在共同的罐中。为了使得能够在罐2中的补偿绕组36之间进行电连接，再次设置有适宜的套管8，套管8使得高压线能够以耐压的方式穿过处于地电势的罐2的壁。

Claims (13)

1.一种用于在高压电网(17)中进行无功功率补偿的设备(1)，所述高压电网具有至少一个相导体(16)，所述设备具有至少一个第一高压接头(42)，所述第一高压接头被配置为用于与相应的相导体(16)连接，其中，对于每个第一高压接头(42)，设置有：
-第一和第二磁芯段(5、6)，所述第一和第二磁芯段是闭合的磁路的一部分，
-第一高压绕组(5)，所述第一高压绕组包围第一磁芯段(3)，以及
-第二高压绕组(6)，所述第二高压绕组包围第二磁芯段(4)，并且与所述第一高压绕组(5)并联连接，
-至少一个饱和开关支路(10、11)，所述饱和开关支路被配置为用于使磁芯段(3、4)饱和，并且具有可控的功率半导体开关(20、21、22、23)，以及
-控制单元，用于控制功率半导体开关，
其中，第一和第二高压绕组利用其高压端(7)与相关联的第一高压接头(42)连接，并且在其低压侧(9)能够与所述饱和开关支路(10、11)或者一个饱和开关支路连接，
其特征在于，
设置有第二高压接头(44)，所述第二高压接头同样被设置为用于与相应的相导体(16)连接，其中，饱和开关支路(10、11)在其远离一个或多个高压绕组(5、6)的一侧与所述第二高压接头(44)连接，使得所述设备(1)能够串联连接到相应的相导体(16)中。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
其特征在于，
所述第二高压接头(44)通过至少一个容性单元(46)与饱和开关支路(10、11)连接。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，
其特征在于，
高压绕组(5、6)和饱和开关支路(10、11)能够通过桥接支路被桥接，其中，在所述桥接支路中布置有容性单元(46)。
4.根据权利要求3所述的设备(1)，
其特征在于，
所述桥接支路与保护支路(47)并联连接，在所述保护支路中布置有非线性电阻(48)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
作为电容器(46)或者电容器组(46)来配备容性单元。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
每个高压绕组(5、6)和每个饱和开关支路(10、11)布置在以绝缘流体填充的罐(2)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
每个饱和开关支路(10、11)具有至少一个两极的子模块(12)，所述子模块具有桥电路，所述桥电路具有功率半导体开关(20、21、22、23)和直流电压源(24)，使得根据对功率半导体开关(20、21、22、23)的控制，直流电压源能够与至少一个高压绕组(10、11)串联连接或者能够被桥接。
8.根据权利要求7所述的设备(1)，
其特征在于，
每个子模块(12)形成全桥电路，所述全桥电路具有第一串联电路支路(33)和第二串联电路支路(34)，所述第一串联电路支路和所述第二串联电路支路分别与直流电压源(24)并联连接，每个串联电路支路(33、34)具有两个功率半导体开关(20、21、22、23)的串联电路，其中，第一串联电路支路(33)的功率半导体开关(20、21)之间的电势点与子模块(12)的第一连接端子(13)连接，并且第二串联电路支路(34)的功率半导体开关(22、23)之间的电势点与子模块(12)的第二连接端子(14)连接。
9.根据权利要求7或8所述的设备(1)，
其特征在于，
每个功率半导体开关(20、21、22、23)是具有反向并联连接的续流二极管(32)的IGBT(31)、GTO或晶体管开关。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
每个直流电压源(24)包括能量存储器。
11.根据权利要求10所述的设备(1)，
其特征在于，
所述能量存储器能够连接至供电网络。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，
其特征在于，
设置有补偿绕组(35)，其与高压绕组(5、6)感性地耦合，其中，所述补偿绕组(36)与至少一个容性地起作用的构件(35)连接。
13.根据权利要求12所述的设备(1)，
其特征在于，
所述容性地起作用的构件具有电容器(46)。
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