CN113632337B - 用于具有增加的功率吞吐量的ac电网的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过连接电网变压器(2)、(6)的电网线圈(3)、(5)的导线(4)增加AC电网的功率的方法，其中导线‑地电压(U_le)和AC相电压(U_ac)保持低于电压值(U_lex)。与AC相电压(U_ac)相比，扩展电网的正弦相电压(U_hac)最多增加25％，而相电流(I_ac)始终保持正弦。为此，Δ发电机(13)、(14)耦合导线(4)和地(7)之间的谐波电压ΔU并降低产生的超正弦导线‑地电压(U_hac)的幅值，使得它们始终保持低于U_ix值。此外，Δ发电机控制所传送的电网功率(智能电网)。该方法可用于具有架空导线或接地电缆的现有AC装置中而无需修改线路，以便冗余地传送25％以上的功率，并减少44％的传输损耗。Δ发电机的功率仅为电网功率的1％至10％。还通过不同的图表公开了用于将AC电网与扩展电网耦合的系统和用于实施Δ发电机的系统。

Description

用于具有增加的功率吞吐量的AC电网的方法和系统

技术领域

该方法和运行所述方法的系统试图通过将传输容量增加高达25％并将AC电网的特定线路损耗降低高达44％来增加新的或现有的AC 电网的功率。应用该方法所需的系统的装机输出应小于AC电网输出的1％至10％。

背景技术

电能以正弦相电压U_ac和正弦标称相电流I_ac在AC电网中传输。为此目的所需的导线被设计为埋地的地下电缆或由杆支撑的架空导线。相电流和线损由导线横截面规定。处于电网变压器输出端的标称相电压U_ac的幅值等于AC电网的导线和地之间的导线-地电压U_le的幅值。导线-地隔离器为绝缘电压U_lex而设计。

相电压U_ac的幅值也受绝缘电压U_lex的限制，因为根据现有技术，相电压U_ac的幅值与导线-地电压U_le的幅值相同。

AC电网P_ac的功率，对应于乘积I_ac*U_ac，受导线横截面和绝缘电压U_lex的限制。所需的最大绝缘电压U_lex决定了导线的绝缘参数，即架空导线电网中的杆的高度和隔离器的长度或隔离器的厚度和电缆的电缆横截面。

已知几种方法，它们在保持相同幅值的同时增加相电压的时间区域，从而以相同的电流和相同的相电压幅值产生更多的功率。在所有方法中，都使用功率大于或等于电网功率P_ac的全逆变器。

这类方法包括高压直流电(HVDC)传输和梯形调制。在HVDC 传输中，AC电流和AC电压由全逆变器转换为直流电压或DC电压，经传输，然后由第二全逆变器转换回AC电流和AC电压。全逆变器的成本很高，平滑调制电流和电压的谐波所需的正弦滤波器的成本也很高。出于成本原因，仅选择性地使用HVDC传输。

已经尝试实施具有架空导线的混合电网。AC电压和AC电流被施加到架空导线的一部分，DC电压和DC电流被施加到架空导线的其余部分。由于成本原因，混合电网尚未使用。

梯形调制产生梯形相电压U_ac和U_le。梯形调制可以扩展为全块调制。梯形相电压和块状相电压都不是正弦的，并且其时间区域比具有相同幅值的正弦相电压大。这些方法也需要全逆变器，这是非常复杂的。对于AC能量传输而言，电压和电流谐波高得不允许。这就是为什么梯形调制或全块调制主要仅用于电机驱动。三相梯形电压和全块电压的第三、第九等谐波不能通过电网变压器传输，这就是为什么这些电压不用于通过AC电网传输电能，而只能用于没有AC电网变压器的本地独立电源。

所谓的超正弦调制改变了相电压和导线-地电压。全逆变器从直流电压调制正弦相电压U_ac和相电压的三次谐波U₃。U₃幅值对应于U_ac幅值的约16％，并且对所有相位都相同。所产生的相电压的幅值比U_ac幅值小16％，并且被称为超正弦。使用超正弦调制的全逆变器可以从提供的DC电压中产生比正弦调制高16％的串级电压U_II或多16％的功率。将AC电压馈入AC电网的电网变压器不能转换相电压的U₃谐波。只有正弦相电压U_ac出现在电网变压器的(次级)电网线圈上。

超正弦调制的目的是分别降低装机全逆变器功率和逆变器成本。该调制不是为了增加所连接的AC电网的功率和减少电网线路中的损耗的目的而使用，这是本发明的目的。

由此，电网变压器输出端的电网电压U_ac没有转换为更高的值，并且电网变压器的绝缘等级和其功率等级保持不变，这与所提出的方法不同。与此处提出的方法不同的是，在电网变压器的(次级)电网线圈上以及承载高电压和跨长距离传输能量的相关联线路上没有出现超正弦或超极正弦导线-地电压。

太阳能和风能系统通过全逆变器连接到低压AC电网。全逆变器产生三相超正弦电压。在此背景下，全逆变器的装机功率降低了16％。转换到中压电网的电压是正弦的，因为电网变压器不能传输超正弦电压。在这些系统中，利用正弦U_le和U_ac电压以及根据现有技术传输能量。

上述增加电网电压时间区域的方法具有的缺点是使用全逆变器并且电网变压器不能或不必转换这些电压，而这对于使用AC电网的能量传输是必不可少的。

总体而言，以下文献可以被视为相关的现有技术：

·美国专利3,211,914，1965年10月

·IEE Transactions第32卷第1期，2017年2月的文章，电力传输的操作(TheOperation of Power Transmission)

·专利申请25 09 177，文件编号P 25 0 177.4

·美国专利3,970,914，1976年7月10日

·DE 000001238094 A

·美国专利1,363,707，1920年12月28日

美国专利3,211,914以及IEE Transactions第32卷第1期，2017 年2月的“电力传输的操作(The Operation of Power Transmission)”建议将三相AC电网的三个电压U_le与相电压的三次谐波U₃叠加。变压器的电网线圈必须连接在Y，并且在电网线圈的星点和地之间连接额外的发电机，以便馈入U₃电压。由此产生幅值比正弦相电压U_ac小 11％的超正弦U_le电压。根据第3,211,914号美国专利，U₃电压的幅值被设置为约相电压U_ac的25％。这允许U_ac和U_le电压增加，从而超过导线-地电压的最大值U_lex。所产生的电网可以传输比原始AC电网多 11％的电网功率。

IEE Transactions第32卷第1期,2017年2月的文章，电力传输的操作(TheOperation of Power Transmission)将U₃电压的量规定为相电压U_ac的16％，并且所产生的U_le电压的幅值应该由此减少约16％。这使得有可能将U_ac和U_le电压增加16％，而不会超过隔离器电压的最大值U_lex，以便传送16％以上的能量。

同一篇文章表明，由于U₃电压与U_ac电压相比的相位偏移，两个 U₃发电机之间的距离受到限制。这种相位偏移随着导线长度的增加而增加，并增加了导线-地电压U_le。因此，必须降低相电压U_ac和电网功率。由此，根据现有技术的用于U₃方法的导线的长度受到限制。两个 U₃发电机之间的导线的允许长度对于架空线网为约30至40公里，对于地下电缆电网为约3至4公里。

第1,363,707号美国专利介绍了一种方法，该方法利用约25Hz的低电网频率F₁与频率高于40Hz的高频率辅助电源一起，通过三相AC 电网传输主电源。列车牵引需要主电源，其需要无频闪照明需要的高频辅助线路。主电源和辅助电源都是有功电源。为此，提出了采用第四导线(H)的三相AC电网的扩展。根据该第1,363,707号美国专利，该方法的主要特征是三相AC电网，它是利用第四导线扩展的。与常规AC电网相同，电网频率为F₁的三个低频主电流在三相AC电网的三相导线之间流动并传输主电源。三倍于电网频率的单相电流传输辅助电源，并流经第四导线和三相导线。第四导线是必需的，因为单相电流传送有功电源以提供照明。然而，根据第1,363,707号美国专利，这种方法在其目标和其实施方案方面都与本方法有很大的不同。

下面，批判性地评估现有技术：通过第3,211,914号美国专利中描述的方法实现的电网性能最大提高11％，这是很少的。由于U₃幅值为相电压的大约23％，因此U₃电压的发电机的工作是相当可观的。使用 U₃方法可以实现的电网性能的最大提高低至16％。U₃电压的相位偏移降低了电网功率的这一增加。根据现有技术，U₃方法的应用是有限的。 U₃方法限于具有架空导线的三相AC电网。尚不清楚U₃方法如何用于具有地下电缆的AC电网。根据U₃方法，必须在Y中切换电网线圈。尚不清楚U₃处理可以如何用于具有Δ-切换电网线圈的电网变压器。构成大约40％的AC电网的中压电网也使用具有Δ-切换电网线圈的电网变压器。

U₃方法的U₃发电机必须位于电网变压器附近。电网变压器通常位于相距达100公里的变电站中。由于相位偏移，两个U₃发电机之间的最大距离限制为大约30公里。

在U₃方法利用架空线电网的实施方案中的另一未解决的问题是辐射U₃电压的未补偿E-场。三相AC电网的三相电压的E-场相互补偿。另一方面，由于U_le中的U₃分量，由三个导线产生的E-场加起来形成更大的E₃场。

U₃方法没有提供在U₃发电机的帮助下消除导线对地短路时出现的接地故障电流。U₃电网不是冗余的。

U₃方法不提供三相超正弦电压的任何转换，因为常规的电网变压器不能转换U₃电压，U₃电压对于所有三相都是相同的。这严重限制了 U₃方法的使用。

根据本发明的方法的主要目的是在不改变和/或扩展现有传输路径，即不改变电网导线的数量和绝缘的情况下，增加现有或新规划的 AC电网的功率和效率。与该教导相反，根据第1,363,707号美国专利，不需要第四线路，因为这将意味着三相AC电网的扩展更昂贵。在具有架空导线或地下电缆的三相AC电网中不存在第四导线。因此，这种方法不能用于大多数三相AC电网。仅在低压AC电网中，中性导线(接地导线)有时用于保护目的，不能传导高频电流。

发明内容

本发明的目的

鉴于以上讨论的现有技术，本发明的目的是创建一种用于增加AC 电网的功率和用于减少线路损耗的方法。另一目的是提供一种可以执行该方法的系统。为此目的，将指定该方法的不同实施例和必要的系统组件，以便在新设施和现有AC电网中都使用该方法而无需或仅进行微小改变。

该方法的目标以及因此也是该方法的目的是更改AC电网，使得更改后的AC电网能够比原始AC电网多传输约25％的功率，比原始 AC电网减少约44％的具体损耗。根据该方法更改和/或扩展的AC电网被称为HAC电网，其中H指所生成的超正弦相电压。与传统AC 电网相比，HAC电网与AC电网具有相同的相数、相同的相电流I_ac和相同的隔离器电压最大值U_lex。

另一目的和进一步的目标是在具有架空导线和地下电缆两者的 AC电网中实施该方法。另一目的是使该方法既可用于Δ-Y电网变压器，也可用于Y-Δ电网变压器。该方法应适用于三相AC电网和单相 AC电网。

应该可以将现有的AC架空线电网转换为HAC架空线电网，而无需更换已安装的电杆、架空导线和隔离器。应该可以将现有的AC电缆电网转换为HAC电缆电网，而无需更换已经铺设的电缆。

该方法还应该能够以使得可以在不需要调节变压器的情况下调节电网功率的方式扩展。该方法还应该能够扩展，而无需使用昂贵的消弧线圈，从而可以在导线-地短路的情况下抑制接地故障电流。

此外，该方法应该允许能量的冗余传输，即，在发生故障时，应该可以将HAC电网作为AC电网运行。该方法应该以是减少发射的电场和磁场的方式来设计。还应该可以在电网变压器之间的任何距离上实施该方法。同样应定义能够传输HAC电网电压的变压器。

本发明的另一目的和目标是定义一种系统，该系统允许经济高效地应用该方法来传输来自再生能源(太阳能和风能)以及来自能量储备的能量。

根据本发明的解决方案

技术问题的解决方案包括根据本发明的特征的方法。子任务通过根据本发明的方法解决。该方法可以利用根据本发明的系统来实施。

根据本发明的方法不同于梯形调制和全块调制，其对相电压U_ac的修改有以下几点：

·相电压U_hac保持正弦，

·只修改了U_le电压形式，并且

·所需逆变器的功率远小于电网功率。

与第1,363,707号美国专利相反，例如，根据本发明的谐波发电机仅传递无功功率。根据第1,363,707号美国专利，根据该方法，谐波电流及其损耗至少比谐波电流及其损耗小一个数量级。

附图说明了基本问题并且示出了用于实施该方法的框图和组件的各种变型。这些将在下面详细描述和解释。这同样也适用于用于实施该方法的系统。

附图说明

在附图中：

图1：是根据现有技术的AC电网的框图；

图2：是HAC电网的每个电压U_hle、U_hac、ΔU和原始AC电网的相关联电压U_le和U_ac以及相关联相电流I_ac；

图3：是带有Δ-发电机的HAC电网的框图；

图4：是带有H₃和S₁发电机的三相HAC电网的框图；

图5：是带有H₃和S₃发电机的三相HAC电网的框图；

图6：是Δ-发电机的基本结构的示图；

图7：是带有接地变压器和S₁发电机的电网变压器的Δ-切换线圈的扩展的示图；

图8：是三相电网的S₃发电机的设计的示图；

图9：是单相HAC电网的框图；

图10：是冗余HAC电网的框图；

图11：是适用于三相HAC电网的三芯地下电缆的横截面的示图；

图12：是带有具有减少的杂散电场和杂散磁场的两个三相系统的架空杆的示图；

图13：是三相Y-ΔHAC电网变压器的配置；

图14：是具有现有全逆变器的HAC电网的框图；

图15：是HAC同步发电机与HAC电网的连接的示图；

图16：是用于将AC电网与具有电网变压器的Y-切换电网线圈的 HAC电网耦合的系统的框图；

图17：是用于使用三相自耦变压器将三相AC电网与HAC电网耦合的系统的框图。

具体实施方式

为了使现有技术更易于理解，首先提供如图1所示的常规的AC电网的配置。AC电网分别由电网变压器2和6(以下简称电网变压器)和连接电网变压器的导线4组成。电能通过正弦相电压U_ac和相电流I_ac传输。工业AC电网是三相的。电气化铁路的低压电网和AC电网一般是单相的。对于工业电网规定相电压的电网频率F₁为50Hz或60Hz，对于铁路电网规定相电压的电网频率F₁为16 2/3Hz。相电流I_ac和相电压U_ac为正弦的，允许的电压和电流谐波比例被标准限制在3％以下。导线发出的磁场和电场的幅值也受到标准的限制。

三相电网变压器的输入线圈和输出线圈分别以三角形(Δ)或星形 (Y)切换。在Δ-Y电网变压器中，输入线圈以Δ切换，输出线圈以Y 切换。Y-Δ变压器由Y-切换输入线圈和Δ-切换输出线圈组成。Y-切换线圈的星点8通常直接连接到地7(接地)。Δ-切换线圈通常不接地。

电网变压器2和6各自的输入线圈1和10分别承载较低的输入电压 U₁₁和U₁₂。输出线圈3和5在此分别被称为电网线圈并承载高电压。每个电网线圈3和5分别供应相电压U_ac，并且分别经由电网开关11和12连接到相关联的导线4，如图1所示。

在电网线圈的连接之间测量相电压U_ac。在该电网线圈3的输出和星形连接8之间测量Y-切换电网线圈U_le的相电压。具有Δ-切换电网线圈的电网变压器中的相电压存在于电网线圈的输出和虚拟星点之间。

导线4和地7之间电压的最大值U_lex定义了从导线到地的最大绝缘电压。根据现有技术，AC电网的导线-地电压U_le等于该电网的相电压 U_ac。

施加在两个导线之间的电压称为导线对导线或串级电压U_ll。AC能量传输是在高压下进行的，导线对导线的电压值分为以下几类：

·超高压(EHV)>110kV，

·高压(HV)>50kV以及

·中压(MV)>1kV。

电压越高，从AC电网传输的功率就越多。

隔离器电压的最大值U_lex决定了AC安装的成本。电网电压越高，绝缘费用越高且越昂贵。导线-地电压U_le的幅值和等效相电压U_ac的幅值必须小于最大值U_lex：

最大(U_le)＝最大(U_ac)<U_lex

如果超过最大值U_lex，则导线绝缘层会断裂，导线周围的隔离器会暂时或永久损坏。绝缘监测装置监测最大导线-地电压，并且如果超过最大值U_lex，则关闭AC电网。

架空导线的相电压和相电流发射电场(E-场)和磁场(B-场)。这些不需要的E-场和B-场的最大值受标准限制。另一方面，没有规定U_le频谱。对于AC架空线电网，规定了U_le谐波的最大值。在地下电缆电网中，U_le谐波的最大值无关紧要，因为导线被屏蔽。

导线4的特征在于相对于地的分布电感L_s和分布电容C_s——如图1 所示。相电压U_ac和电网电压的谐波都会产生电容性均衡电流。

能量传输的方向由馈电变压器2和负载变压器6的相电压U_ac之间的差值以及连接线4的阻抗确定。电网变压器2的馈入相电压高于电网变压器5的负载相电压。这补偿了连接线路的线路阻抗上的电压降，电压差在U_ac电压的百分比范围内。这种差值越大，流过线路4的电流I_ac就越多，传输的功率就越多。供电电网变压器2和负载电网变压器6的 U_ac电压的相位位置彼此略有不同。

电网变压器的功率—有功功率和无功功率—通常都是受调节的。随着再生能源的使用，对调节的需求增加。电网变压器的功率由附加的调节变压器(此处称为调节变压器)进行调节，附加的调节变压器通过将可变调节电压U_r耦合到相电压并由此将它们添加到这些电压来改变电网变压器相电压的幅值和相位。在大多数现有技术应用中，调节电压U_r小于相电压U_ac的10％。根据现有技术，用有载分接开关调整调节电压，该过程缓慢且不精确。

AC电网运行中最常见的错误来源是导线对地短路。如果发生接地故障，会有较大的接地故障电流流过。在这种情况下，未接地的三相 AC电网(中压电网)的导线-地电压U_le的最大值增加到相电压U_ac的1.71 倍。接地故障电流由接地故障消除线圈(消弧线圈(Petersen coil))消除。消弧线圈具有可变电感并且其结构复杂。

考虑到上述情况，本发明的目标是通过在导线和地之间引入所谓的超正弦电压U_hle来代替导线和地之间的正弦电压U_le。超正弦导线-地电压U_hle是通过对高频差分电压ΔU进行耦合和解耦而从更高的相电压 U_hac得到的。

如图2所示，超正弦导线-地电压U_hle比正弦导线-地电压U_le“更宽”，两个电压具有相同的幅值，根据本发明绝缘电压U_lex不能超过该幅值。

根据本发明，HAC电网的超正弦导线-地电压U_hle具有相关联相电压U_hac的电压-时间区域，其幅值分别小于或等于绝缘电压U_lex和小于相电压U_hac的幅值。换言之，HAC电网的相电压U_hac的幅值大于该电网的导线-地电压U_hle的幅值并且大于绝缘电压U_lex。根据本发明，相电压U_hac的幅值比U_hle幅值或比绝缘电压U_lex高至多(1-π/2)～57％。由于技术原因，相电压U_hac的增加和HAC电网所产生的更高功率P_hac减少到大约 25％。功率增加发生在标称相电流I_ac不变的情况下。这意味着导线的欧姆传输损耗保持不变。

基于较高的HAC电网功率(即，特定线路损耗)，功率损耗减少了大约25％。

对于具有较高的U_hac电压的标称AC功率P_ac的传输，需要减少25％的电流。在这种情况下，特定线路损耗与电流成二次方减少44％。导线-地隔离器电压U_lex和标称电流I_ac保持不变，使得该方法可用于具有架空导线或电缆的现有AC电网，而无需改变传输路径。然而，电网变压器的绝缘等级必须适应较高的相电压U_hac，并且标称功率必须最多增加25％。

HAC电网的相电压U_hac和相电流I_ac保持正弦。这确保满足限制相电压和相电流谐波含量的标准。由变化的相电流I_ac产生的磁辐射(电子烟雾)也保持不变。对于较高的正弦相电压U_hac，较高的电网功率P_hac以标称相电流I_ac和相同的传输损耗传输。还将展示一种允许产生和应用这些超正弦电压的方法。产生超正弦电压的系统的装机功率应比电网功率小10到100倍。因此，这些系统的成本远低于电网安装的成本。

所提出的方法主要通过两种措施实施：

a)通过在AC电网的导线和电网线圈之间耦合合适的差分电压ΔU，所产生的超正弦导线-地电压U_hle至多增加2/π～64％，作为绝缘电压U_lex的最大值，

b)这使得可以将电网线圈输出端的相电压最大降低π/2～157％至 U_hac值。U_hle电压与相电压U_hac成比例地增加，但仍小于或等于绝缘值 U_lex。

ΔU-电压由所谓的Δ-发电机产生，由相关联相电压U_hac的谐波组成。

利用较高的正弦相电压U_hac以及标称正弦相电流I_ac，传输的电网功率高达57％或高出157％的因数。主要的欧姆传输损耗保持不变。由于没有超过最大导线-地电压U_lex，更改后的电网可以使用现有的AC线路运行，因为导线-地隔离器可以保持不变。与AC电网一样，传输以正弦相电流I_ac和正弦相电压U_hac即无谐波进行。只有导线对地的参考电位是超正弦的并且具有谐波。

图1是根据现有技术的三相AC电网的框图。三相电网变压器2和6 分别由输入线圈1和10以及电网线圈3和5组成。三个正弦输入电压U₁₁、 U₁₂分别施加到输入线圈1和10。三个电网线圈3、5通常以Y切换，三个输入线圈1、10通常以Δ切换。电网线圈3的星形连接8和电网线圈5的星形连接9分别连接到地7。如有必要，电网开关11、12将电网线圈3和5 分别与导线4分开。导线4的特征在于分布电感L_s和分布电容C_s。三相 AC电网的电网线圈3和5的输出端的三个正弦相电压U_ac分别等于施加在导线4和地7之间的三个电压U_le，如图2所示。三个正弦电压U_le始终小于值U_lex。相同的比率也适用于单相AC电网：

U_ac＝U_le≤Ul_ex

根据本发明的方法现在第一次需要增加所有电网变压器2、6的变压比，由此正弦相电压U_hac的幅值大于U_ac电压的幅值或大于绝缘值 U_lex：

U_hac>U_lex>U_ac

分别供应电压U_hac的电网线圈3和5不能直接连接到导线4，因为 U_hac幅值高于最大U_lex值，即，否则会触发相-地隔离器。

根据本发明，如图3所示，分别为每个电网变压器2和6分配了Δ- 发电机13和14，Δ-发电机13和14分别连接在电网变压器的电网线圈3 和5与相关联导线4之间。Δ-发电机13和14的相数分别对应于相关联的电网变压器的相数。

连接到馈电电网变压器2的Δ-发电机13将差分电压ΔU耦合(添加) 到相关联的电网线圈3的U_hac电压，并在导线4和地7之间产生电压U_hle。在这方面，与图2中的图表进行比较具有启发性。

连接到负载电网变压器，例如6的Δ-发电机14从相关联的导线4的 U_hle电压耦合(减去)差分电压ΔU，使得只有正弦电压U_hac被施加到负载电网变压器6的电网线圈5，如图2和图3所示。

ΔU电压的相位和幅值被选择为使得施加在导线4和地7之间的所产生的电压U_hle的幅值均小于电压值U_lex，如图2所示。HAC电网的特征在于超正弦导线-地电压U_hle。

所耦合的ΔU电压将U_hle电压的幅值降低到原始AC电网的允许电压值U_lex以下。尽管电网线圈上的相电压U_hac大于AC电网的标称电压 U_ac，这也使得可以将原始AC电网的电网线路的导线4分别连接到电网变压器2和6的电网线圈3和5由于标称恒定相电流I_ac，HAC电网因此传输更高的功率的P_hac。给每个电压U_le或U_ac分配ΔU-电压，即单相电网具有ΔU-电压，并且三相电网具有分配给三个相位的三个ΔU-电压。

将来自输入电压U₁₁的较高相电压U_hac馈入HAC电网的馈电电网变压器2和将U_hac电压转换为U₁₂电压的负载电网变压器6必须具有更大的传输比和更高的对地绝缘，并且被设计用于更高的HAC功率P_hac。原始 AC电网的电网变压器被设计用于较小的(标称)功率P_ac。

如根据图3的布置中的情况并且如从图2可以看出的，施加在HAC 电网的导线4和地7之间的每个超正弦电压U_hle对应于相电压U_hac与相关联的电压ΔU的总和。

U_hle＝U_le+ΔU

根据图3，具有馈电电网变压器2和具有负载电网变压器6的布置中的每个闭合相电路的两个ΔU-电压是相反的并且彼此抵消。如果负载变压器和馈电变压器之间的能量传输方向发生变化，这也适用。因此，在根据图5的布置的供电电网变压器2的电网线圈3的输出端的正弦电压U_hac在负载电网变压器6的输出线圈10处产生正弦输出电压U₁₂。通过导线4分别驱动相电流I_ac的两个连接的电网线圈3和5之间的电压差是正弦的，因为Δ-发电机13和14的两个相反方向的ΔU-电压分别相互补偿。这就是相电流I_ac保持正弦的原因。

沿着实际导线路径的损耗、相位偏移和导线阻抗会略微改变电压 U_hac的幅值和相位。根据现有技术，欧姆电压降分别利用设计的电网变压器2和6或用调节变压器来补偿。ΔU-电压沿线路的相位偏移分别由Δ- 发电机13和14确定。

任何ΔU-电压都包含频率为F_i的谐波，F_i等于电网频率F₁的倍数：

F_i＝(2*i-1)*F₁，其中i＝1,2,3,4…。

该方法规定如何确定超正弦U_hle电压和正弦U_hac电压，由此也确定了相关联的ΔU-电压。

具有最大时间区域的超正弦电压U_hle是矩形的，具有等于U_lex的幅值和非常高的最大谐波频率F_ix。

最大频率F_ix越小，U_hle时间区域和相关联的U_hac时间区域越小。U_hac时间区域越小，U_hac电压的幅值和HAC电网的功率P_hac越小。

幅值为U_lex的矩形U_hle电压和幅值为π/2*U_lex～1.57*U_lex的正弦U_hac电压具有相同的时间区域。因此，U_hac幅值不得超过π/2*U_lex，即可以选择大于原始相电压U_ac的幅值，如图2所示。

由U_hac电压产生的超正弦U_hle电压与具有基频F_l(电网频率)的相关联的U_hac电压同步，也如图2所示。

ΔU-电压也与U_hac电压同步。HAC电网的U_hac和U_hle电压与原始AC 电网的等效电压U_ac和U_le同步，如图2所示，因为U_ac和U_hac电压均由存在于根据图3的实施例中的相同输入电压U₁₁和U₁₂的转换而产生。AC 电流I_ac也与相电压U_hac和U_ac同步同相——参见图2。

标称相电流I_ac与三相HAC电网的相关联ΔU-电压的乘积的积分值之和计算为

3*∫Iac*ΔU

并且对应于Δ-发电机耦合ΔU-电压所需的实际功率。总值为零。这意味着Δ-发电机仅提供视在功率(无功功率)。这也适用于单相电网或多相电网。

根据图11，具有地下电缆的现有AC线路的地下电缆49的导线4的横截面由标称电流I_ac限定。带电压的导线4周围的绝缘体44的厚度由 U_lex值确定，即由导线-地电压U_le的最大值确定。

如果HAC电网以标称相电流I_ac运行，并且选择超正弦电压U_hle的幅度小于或等于U_lex，则现有的AC线路可以作为具有更高功率P_hac的HAC 电网运行。

如图12所示，如果HAC电网设计有架空导线，并以标称相电流I_ac运行，则原始AC线路的架空导线横截面保持不变。如果超正弦导线- 地电压U_hle小于或等于U_lex，则同样针对U_lex值设计的架空导线线路的隔离器62和杆46保持不变。因此，在这些条件下，HAC电网可以在AC架空导线线路不变的情况下运行。

根据本发明，三相或单相HAC电网的任何ΔU-电压被分成两个电压U_s和U_h。U_s电压的谐波频率对应于F₁*3*(2*i-1)，其中i＝1,2,3…并且基频F₁等于电网频率。U_h和U_s电压与相电压U_hac同相。三相电网三相的U_s电压相同，并且只能由三台单相电网变压器传输，不能由一台三相AC电网变压器传输。

相位的每个U_h电压均源自与U_s电压形成的相关联的ΔU-电压之间的差值。每个U_h电压由相关联的相电压U_hac的第五次、第七次、第十一次等谐波组成。三相AC电网的三个U_h电压之和为零。AC电网变压器可以传输单相和三相U_h电压。

图3是三相或单相HAC电网的框图。三相HAC电网是通过利用三相Δ₃-发电机13、14扩展原始三相AC电网来实现的，三相Δ₃-发电机13、 14产生并耦合三相ΔU-电压。馈电电网变压器2将施加到输入线圈1的正弦电压U₁₁转换为施加到电网线圈3的正弦相电压U_hac。Δ₃-发电机13将三个相关联的ΔU-电压耦合(添加)到三个U_hac电压，并在相关联的导线4和地7之间形成超正弦电压U_hle。三个正弦相电流I_ac以不变的方式通过Δ₃-发电机13传导。Δ₃-发电机14从U_hac电压中耦合(减去)相关联的ΔU-电压并形成三个正弦相电压U_hac，其被施加到负载电网变压器6的电网线圈5。三个正弦相电流I_ac以不变的方式通过Δ₃-发电机14传导。

根据图3的实施例中的Δ₃-发电机13连接到馈电电网变压器2的电网线圈3，以高采样率(>10*F_ix)测量U_hle电压、U_hac电压和电流I_ac，并确保在线调整所耦合的ΔU-电压的频率、幅值和相位，使得在导线4和地7之间始终存在正确的超正弦电压U_hle，并且相电压U_hac与相关联的相电流I_ac同相。

连接到加载电网变压器6的电网线圈5的Δ₃-发电机14测量传递给用电设备的电压U₁₂和相电流I_ac，并确保可以在线调整所解耦的ΔU-电压的频率、幅值和相位，使得U₁₂电压没有谐波并且与相关联的相电流 I_ac同相。单相HAC电网的拓扑结构相同，但使用单相Δ1-发电机代替。

图6示出了Δ-发电机的基本结构，它可以是单相(对于单相AC电网)，也可以是三相(对于三相AC电网)。单相Δ₁-发电机由单相逆变器 20组成，单相逆变器20产生ΔU-电压并由电源19供电。单相耦合变压器 21以电绝缘的方式将来自输入线圈22的ΔU-电压转换到输出线圈23。单相机械开关24桥接输出线圈23并保护Δ₁-发电机免于过电压。单相电子开关25将接通延迟缩短到100μs以下，并且是可选安装的。

Δ₂-发电机是单相Δ₁-发电机的实施例变型。不同之处在于耦合变压器21配备有两个输出线圈23，它们相同但提供相反的ΔU-电压。三相Δ₃- 发电机类似于单相Δ₁发电机，但逆变器20和耦合变压器21以及开关24 和25分别为三相。

对于ΔU-电压的耦合，仅需要视在功率，因为在正常操作中，Δ- 发电机仅提供重新加载导线电容C_s所需的电容电流。因此，仅覆盖逆变器20和耦合变压器21的损耗的电源19的功率小于HAC电网功率P_hac的1％。

ΔU电压的频谱越宽，超正弦U_hle时间区域越大，U_hac电压和电网功率P_hac越高。ΔU-谐波产生高频电场和磁场，其受到标准的严格限制。此外，在导线-地电容器中会激发电容电流，这会导致导线和电缆屏蔽层中的损耗。

由于这些原因，ΔU谐波的以下频率在实践中与50/60Hz的工业电网相关：

·ΔU₉电压，其频谱限于第九次谐波，导致电网功率增加高达 25％；

·ΔU₇电压，其频谱限于第七次谐波，导致电网功率增加23％；

·ΔU₅电压，其频谱限于第五次谐波，导致电网功率增加20％；

·ΔU₃电压，其频谱限于第三次谐波，导致电网功率增加16％。

在铁路电网中，F_ix频率可以增加3倍，因为基频F₁等于16 2/3Hz。

如果相电流保持标称值I_ac，则HAC电网和原始AC电网的欧姆线路损耗相同。HAC电网与电网功率相关的线损最多比原始AC电网的具体功率损失低44％。谐波频率有限的HAC电网的相关功率损耗比原始AC 电网的相关功率损耗低25％至44％。

下面，呈现产生U_s电压的S发电机的三个实施例：S₁发电机、ΔS- 发电机和S₃发电机。

单相S₁发电机的配置类似于单相Δ₁-发电机，如图6所示。单相逆变器20产生电压U_s；单相耦合变压器21将该电压耦合到输出线圈23，如果有必要，输出线圈23由开关对24、25桥接。

如图7所示，当电网变压器的电网线圈被Δ-切换后，接地变压器26 连接在S₁发电机17和电网线圈3之间，其线圈27形成星点28并连接到电网导线4。这种所谓的ΔS-发电机可以连接在AC电网导线路线上的任意点，并耦合于U_s电压。

如图8所示，所谓的S₃发电机产生三个相同的电位分离电压U_s，并且构造类似于S₁发电机，但有以下不同之处。S₃发电机的耦合变压器 29配备有三个电位分离的输出线圈31、32、33，它们经由公共磁芯30 耦合到输入线圈22。一个输出线圈31、32、33各自连接在导线4和相关联的电网线圈3之间。参照图4，利用S₃发电机17扩展的电网变压器2必须配备接地的星点8，如图4所示。S₃发电机的输出线圈31、32、33中的每一个供应电压U_s，这些输出线圈31、32、33传导相电流I_acr、I_acs、 I_act，如图8所示。

下面，介绍了产生U_h电压的H-发电机的三个实施例：H₁发电机、 H₂发电机和H₃发电机。

单相H₁发电机的结构对应于Δ₁-发电机的结构，如图6所示。单相逆变器20产生电压U_h，单相耦合变压器21将该电压传输到输出线圈23，输出线圈23分别连接在电网线圈3和5与线路4之间(图4)。

单相H₂发电机的结构对应于Δ₂发电机的结构，如图6所示。单相逆变器20产生电压U_h，并且耦合变压器21将该电压耦合到两个电位分离的输出线圈23，其供应两个相等且相反的U_h电压。H₂发电机用于单相 AC电网。两台H₁发电机可以组合以形成一台H₂发电机。

三相H₃发电机的结构对应于H₁发电机的结构。三相逆变器20产生三个U_h电压，三相耦合变压器21将U_h电压转换到三个输出线圈23。H₃发电机用于三相电网。三台H₁发电机可以组合以形成一台H₃发电机。每个Δ1-发电机、Δ2-发电机或Δ3-发电机可以由S-发电机和H-发电机的实施例变型组装而成。

图4示出了具有至少一个S₁发电机的三相HAC电网的拓扑结构，S₁发电机连接到至少一个电网变压器2的电网线圈3的星点8和一个H₃发电机15和16，H₃发电机15和16分别连接到电网变压器2或6的电网线圈3 和5。没有S₁发电机的电网线圈5的星形连接9可能不接地或仅具有非常高的电阻，因为当星形连接9接地时S₁发电机短路。另一种可能性是在没有S₁发电机17的情况下端接星形连接9，具有各自匹配的终端阻抗 18，使得终端阻抗18两端的电压对应于所需的U_s电压。

图5示出了具有至少一个S₃发电机的三相HAC电网的拓扑结构，S₃发电机连接在至少一个电网变压器2的导线4和电网线圈3之间，并且各自分别具有H₃发电机15和16，H₃发电机15和16分别连接到电网变压器2 和6的三个输入线圈1和10。连接到S₃发电机的电网线圈2的星形连接9 必须接地，从而产生超正弦电压U_hle。空闲的电网线圈5的自由星形连接9不能接地或仅具有非常高的电阻，这样U_s电压才不会短路。另一种可能性是在没有S₁发电机的情况下端接自由星形连接，具有各自匹配的终端阻抗18，使得终端阻抗18两端的电压对应于U_s电压。

图9示出了单相HAC电网的拓扑结构。每个单相电网变压器2和6 分别分配有一个Δ1-发电机13、14，Δ1-发电机13、14分别连接到输入线圈1和10。每个单相电网变压器2和6的输出线圈分别被中心抽头8和9 分成两个等效的电网线圈34、35或36、37。中心抽头8、9接地。单相Δ1- 发电机13将相关联的ΔU-电压耦合(添加)到馈电电网变压器2的输入电压U₁₁并形成超正弦电压U_hle，其分别被转换到电网线圈34和35。电网线圈34和35上的超正弦电压分别相等且相反。两个导线4各自将至少一个馈电网变压器2连接到至少一个负载电网变压器6。两个导线4的相电流I_ac相等且相反。负载电网变压器6分别将电网线圈36和37的超正弦电压U_hle转换到负载电网变压器6的输入线圈10。Δ-发电机14从输入线圈10的相电压U_hac中耦合(减去)相关联的ΔU电压，从而形成正弦电压U₁₂，该正弦电压U₁₂被传送到用电设备。

单相HAC电网的拓扑结构的另一变型规定，每个Δ2-发电机13与两个输出线圈一起使用。Δ2-发电机13中的每一个的一个输出线圈分别在一个电网线圈34和35中的每一个中耦合一个ΔU-电压，并且Δ2-发电机 14中的每一个的一个输出线圈耦合一个ΔU电压，每个ΔU电压分别来自负载电网变压器6的电网线圈36和37，使得负载电网变压器6将正弦相电压U_hac转换为正弦电压U₁₂。

由于导线阻抗，谐波电压相对于基波分量的相位位置沿HAC电网的导线路径偏移。与相电压U_hac相比，U_h和U_s电压的相位偏移随着连接电网变压器的导线的长度的增加而增加。U_h和U_s电压的相位偏移增加了超正弦电压U_hle的幅值，因此必须降低相电压U_hac，其导致电网功率 P_hac降低。

U_s和U_h电压的预定最大相位偏移Ψ_sx或Ψ_hx限制了S-发电机和H-发电机之间的导线长度。如果在线路开始处产生了相位值分别为-0.5*Ψ_sx或-0.5*Ψ_hx的U_s和U_h电压的相位，则这些线路末端的相位值为0.5*Ψ_sx或0.5*Ψ_hx。因此，相位角的这种先导控制允许两个S-发电机和H-发电机之间的长度加倍。

根据本发明，多个ΔS-发电机以及H-发电机沿着电网路线布置。沿电网线耦合的U_h和U_s电压的相位位置由H-发电机和ΔS-发电机控制，从而不会超过最大Ψ_sx值或Ψ_hx值。

H-发电机15和16可以代替调节变压器，分别调节图4中分配的电网变压器2和6所分别馈入或移除的功率。调节电压U_r的相位基于相电压 U_hac在-90°和+90°之间变化。根据现有技术，调节电压以相电压幅度的 +/-10％变化。H-发电机的功率必须在控制功率范围内增加。因此，变压器2和6所分别提供或移除的有功功率和无功功率都可以被部分或完全调节。

根据本发明，如图4的布置中的S₁发电机可以在短路期间消除在相关联的电网线圈3的短路导线4和地7之间流动的短路电流。

短路电流的幅值取决于短路和电网线圈3之间的距离。S₁发电机检测到短路并建立消除短路电流所需的反电压。根据图6，逆变器20和耦合变压器21的安装功率在该过程中增大。

图10示出了冗余HAC电网的结构。相电压U_ac分别取自电网线圈3 和5的输出38和39。电网开关11和12分别将电网线圈3和5的输出与相关联的导线4相连接，开关对40、41和42、43分别将抽头38和39与相关联的导线4相连接。每个开关对40、41和42、43分别由机械功率开关40 和42和电子开关41和43组成，电子开关41和43分别与机械开关40和42 并联连接。当需要接通时间小于100μs时，即当较高的U_hac值必须非常快速地切换到较低的U_ac值时，分别使用电子开关41和43。

HAC电网以两种方式运行：在正常运行中作为具有较高相电压 U_hac的HAC电网和在发生故障时或在必要时作为具有较低相电压U_ac的 AC电网。在作为HAC电网运行期间，导线4分别连接到电网线圈3和5 的输出，电网开关11和12分别闭合并且开关对40、41和42、43分别断开。在作为AC电网运行期间，电网开关11和12分别断开并且开关对40、 41和42、43分别闭合。此外，所有H-发电机和所有S-发电机都被桥接，从而不存在U_h或U_s电压。因此，HAC电网已切换回原始AC电网。

存在于三相AC电网中的导线对导线电压U_ll等于

HAC电网的导线对导线电压U_hll的幅值等于相电压U_ac幅值的两倍，而与最大谐波频率F_ix无关。因此，U_hll电压最大值

大于U_ll电压，即使相电压U_hac大于116％*U_ac(例如，157％*U_ac)。因此，所提出的方法降低了导线-地电压U_hle和导线对导线电压_Uhll二者，因此是独特的。

如果导线4单独被绝缘和屏蔽并且屏蔽45接地，则U_hll电压最多高出16％，对于根据图11的AC电缆49来说不是问题。地下电缆43通常包括导线4和隔离器44，隔离器44包围导线4并将导线4以及屏蔽45绝缘，以便将隔离器44与环境静电解耦。因此，导线对导线电压U_hll对导线和接地屏蔽45之间的电压U_hle，即对导线4的绝缘体44没有影响。以这种方式配置的电缆可以在更改后的HAC电网中使用，而无需对其进行任何更改。

如图11所示，如果导线4由隔离器44单独绝缘并由接地屏蔽45单独屏蔽，则三个单独的电缆可以组合形成地下电缆49。以这种方式配置的电缆也可以在更改后的HAC电网中使用，而无需对其进行任何更改。

如图12所示，尽管U_hac电压较高，但现有架空导线AC线路的杆46 的高度仍保持不变，因为杆高度与U_hle幅值成正比，在扩展到HAC电网的情况下U_hle幅值保持不变，如图2所示。在高风载荷的情况下，电缆支架50和51的两个相邻架空导线4之间的距离分别根据现有技术通过架空导线4在隔离器62上的振动来确定。两个相邻导线之间的气隙对比电压U_hll～1.17*U_ac更高的电压～2*U_ac绝缘。然而，对于具有临界风荷载的线路，相邻导线之间的距离可能需要稍微(<16％)增加，或者在导线剧烈振荡的情况下，必须暂时将HAC电网切换到AC电网。

图12示出了具有减少的电磁辐射的HAC架空导线电网的杆。大多数架空线包含6个导线，它们被分组为两个三相HAC系统47或48。第一三相HAC系统47由三个导线4形成，第二三相HAC系统48由另外三个导线4形成。两个HAC系统47和48的导线4彼此平行延伸。两个三相 HAC系统47和48确保冗余传输。如果一个HAC系统出现故障，则传输将继续使用第二个HAC系统，但输出会降低P_hac/2。

三相HAC系统的电压U_hac和U_h的E-场相互抵消，因为U_h电压或U_hac电压的总和等于零。HAC系统47或48的三个相同的U_s电压不会相互抵消，而是加在一起。因此，三相HAC系统47和48的U_s电压的E-场分别未被补偿。

根据本发明，第一HAC系统47的电流和电压指向第二HAC系统48 的电流和电压，这对应于电网频率的半个周期的相位偏移。两个HAC 系统47、48沿相同方向传输功率，但是HAC系统47的U_s电压的电场与 HAC系统48的U_s电压的电场方向相反。U_s电压的两个E-场重叠并相互补偿。

HAC系统47的正弦相电压U_hac的残余AC磁场和残余AC电场也与 HAC系统48的残余AC场方向相反。两个HAC系统47、48的相互指向的 AC残余场重叠并彼此进一步减弱17％。

如果三相HAC系统47或48发生故障，则两个HAC系统的S-发电机和H-发电机被桥接，并且故障HAC系统被关闭。运行HAC系统的相电压降低到U_ac值，并且如果超过由U_s产生的场的极限值，则运行HAC系统47或48在故障情况下作为常规AC电网运行。

传统的单相电力变压器可以转换超正弦相对地电压U_hle。

三相电网变压器不能转换U_s电压，因为U_s电压对于所有三相(共模)都是相同的并且在串级导线到导线电压U_hll中相互抵消。

图13示出了三相电网变压器55(称为HAC电网变压器)的结构，其转换正弦相电流I_ac和相电压U_hac以及超正弦导线-地电压U_hle。该三相 HAC电网变压器55由三相电网变压器2、接地变压器26和具有与三相电网变压器2相同比例的单相变压器52组成。该图13中使用了三相Y-Δ变压器。接地变压器26的线圈27与Δ-切换电网线圈3连接并形成Δ-切换电网线圈3的星形连接28。单相变压器52的输入线圈连接在三相变压器2 的Y-连接线圈1的星形连接8和地7之间。施加到单相变压器52的输入线圈53的电压是HAC电网的超正弦导线接地电压U_hle的U_s电压。单相变压器的输出线圈54连接在星形连接28和地7之间，并供应转换后的U_s电压。三相Δ-Y HAC电网变压器类似于三相Y-ΔHAC电网变压器进行配置。

图14示出了三相HAC电网的框图，其电压由现有的全逆变器20产生。太阳能发电厂、风力发电厂以及蓄电池的AC电网通过全逆变器20 连接，根据现有技术，全逆变器20将三个正弦U_ac电压提供给AC电网变压器。根据本发明，全逆变器20以超正弦调制产生三个超正弦导线-地电压U_hle。这些U_hle电压被施加到三相HAC电网变压器55(图13)，该变压器转换这些电压。HAC电网变压器55(图13)可以是Y-Δ型或Δ-Y型，并将HAC电压转换到导线4。负载HV-AC电网变压器6连接到HAC电网变压器。H-发电机15在加载AC电网变压器6之前解耦U_h电压。剩余的 U_s电压与AC电网变压器6解耦(图14)，因为三相AC电网变压器6不能转换U_s电压。

同步发电机也用于风力发电厂作为发电厂发电机，可以直接产生超正弦电压(HAC同步发电机)。其先决条件是转子和定子的磁极之间相应地形成气隙。

图15示出了三相HAC同步发电机67与具有三相HAC电网变压器 36的HAC电网的连接，其匹配三相全逆变器20到三相HAC电网的连接，如图14所示。

三相系统的导线的电流和电压散射不想要的磁场和电场(B-场和 E-场)。三相AC系统的相电流和相电压的磁场和电场相互减弱。然而，根据现有技术，由于两个系统的电流和电压是同步的并被整流，所以根据图12的系统47和48的残余磁场和残余电场彼此相加。

三相HAC系统的三相电压U_hac和U_h的E-场会相互减弱。然而，图 12中所示的HAC系统47或48的三个相同的U_s电压并不相互抵消，而是彼此相加。因此，三相HAC系统47或48的U_s电压的E-场没有得到补偿。

根据本发明，图12中所示的第一系统47的电流和电压指向第二系统48的电流和电压。两个系统47、48以相同的方向传输功率，但系统 47的U_s电压的电场与系统48的U_s电压的电场相反。这些场重叠并相互补偿。

系统44的正弦相电压U_hac的残余AC磁场和残余AC电场也与系统 45的场相反。两个系统的残余AC场重叠并进一步减弱16％。

如果三相系统47或48发生故障，则两个系统的S-发电机和H-发电机被桥接并且故障系统被关闭。运行系统的相电压降低到U_ac值，并且运行系统47或48在故障情况下作为常规AC电网运行。

图16示出了系统允许三相AC电网耦合到三相HAC电网，反之亦然。AC电网的现有三相电网变压器2扩展有三相扩展变压器56。扩展变压器56将施加到输入线圈57的输入电压U₁₁转换成施加到输出线圈 58的附加电压dU_ac。附加电压dU_ac被添加到相电压U_ac，因此在导线4和输出线圈58的星形连接之间产生U_hac电压。如有必要，与电网线圈3串联连接的输出线圈58由开关对60桥接。附加电压dU_ac约为U_ac电压的 16％～25％。

H-发电机15将U_h电压耦合到扩展变压器56的输入线圈57中，该输入线圈57被转换到输出线圈58。最后，S₁发电机17耦合星点8和地17之间的U_s电压，由此形成导线4和地7之间的U_hle电压。发生故障时，开关对61绕过S₁发电机。作为S₁发电机的替代方案，S₃发电机的三个输出线圈31、32、33可以串联连接在扩展变压器56的输出线圈58和星点8之间。

该三相系统也可以被设计为单相系统。单相系统包括单相电网变压器、单相扩展变压器、H₁发电机和S₁发电机以及单相开关和开关对。代替单相H-发电机和S-发电机，也可以使用Δ1-发电机。电网变压器的输入线圈1可以以Y或以Δ切换。电网变压器2的输出线圈3可以以Δ或以 Y切换。

在导线-地短路的情况下，在电网变压器2的电网线圈3和地7之间或在扩展变压器56的输出线圈58和地7之间存在过电压，所述过电压比 U_ac高两倍。如果保留现有的电网变压器，则必须桥接dU_ac电压和U_h电压或U_s电压。

在发生故障时，还必须保护扩展变压器56免受过电压的影响。通过分别用开关对60和61桥接这些电压，保护扩展变压器58或S₁发电机 17免受不允许的过电压的影响。在发生故障时，因为U_hle和U_hac电压分别被开关对60和61降低到U_le和U_ac值，桥接电压dU_ac、U_h和U_s，从而保护了电网变压器2。

桥接必须快速完成(<100μs)并且分别利用开关对60和61来实施。开关对60由并联连接的机械开关24和电子开关25组成并且非常快速地短路(<100μs)—参见图6。

桥接分别将线对地电压U_hle和相电压U_hac降低到较低的AC值U_ac和 U_le。这在发生故障时减轻了电网变压器2的绝缘。扩展变压器56的绝缘在发生故障时不会受到压力，因为输出线圈58处的电压通过桥接被设置为零，并且扩展变压器56的输入线圈57通过断路器59与电网断开。

根据图16，扩展变压器56可以被绝缘用于低于电网变压器的电压等级。这显著降低了转换现有AC系统的成本。

将三相AC电网与三相HAC电网耦合的另一种可能性是利用三相自耦变压器63扩展三相电网变压器2，如图17所示。

电网变压器2的电网线圈3呈三角形连接。自耦变压器63的接地线圈64为星形连接并形成星形连接8。自耦变压器63的电网线圈65供应附加电压dU_ac并传导相电流I_ac。因此，在自耦变压器63的输出端产生较高的相电压U_hac＝U_ac+dU_ac。H₃发电机15将三个相关联的U_h电压耦合到自耦变压器63的电网线圈65中。S₁发电机17耦合接地线圈64的星形连接8 和地7之间的U_s电压，并在导线4和地7之间形成HAC电网的U_hle电压。如有必要，三相开关对60桥接自耦变压器63的电网线圈64和H₃发电机 15。开关对61同时桥接S₃发电机并且断路器66同时将自耦变压器63的接地线圈64与地7断开。

图17中的系统也可以利用单相电网变压器2和用于单相AC电网的单相自耦变压器来实施。单相系统包括单相电网变压器、单相自耦变压器、H₁发电机和S₁发电机以及单相断路器66和单相开关对60和61。代替单相H₁发电机和S₁发电机，还可以使用Δ1发电机。单相电网变压器2的输入线圈1可以以Y或以Δ切换。电网变压器2的输出线圈3可以以Δ或以Y切换。

术语和附图标记列表

U_ac AC电网的正弦相电压

U_hac HAC电网的正弦相电压

U₁₁，U₁₂ AC电网的电网变压器的正弦输入电压

dU_ac 正弦附加电压，等于(U_hac-U_ac)

U_le AC电网的正弦导线-地电压

U_hle HAC电网的超正弦导线-地电压

U_lex AC电网和HAC电网的导线-地电压的最大值

U_ll AC电网的导线对导线(串级)电压

U_hll HAC电网的导线对导线(串级)电压

I_ac AC电网的正弦相电流

I_acr AC电网的正弦相电流，R相(图8)

I_acs AC电网的正弦相电流，S相(图8)

I_act AC电网的正弦相电流，T相(图8)

P_ac AC电网的功率

P_hac HAC电网的功率

ΔU Δ-发电机产生的差分电压

F₁ 基本电网频率

F_ix ΔU-电压的最大谐波频率

U_s 由S-发电机产生的ΔU电压的谐波分量

U_h 由H-发电机产生的ΔU电压的谐波分量

Δ₁，Δ₃ 单相Δ-发电机、三相Δ-发电机

Δ₂ 带两个输出线圈的Δ₁-发电机

H₁，H₃ 单相H-发电机、三相H-发电机

H₂ 带两个输出线圈的单相H-发电机

S₁，S₃ 带一个输出线圈的S-发电机，带三个输出线圈的S-发电机

1 电网变压器2的输入线圈

2 (馈电)电网变压器

3 电网变压器2的电网线圈

4 导线

5 电网变压器6的电网线圈

6 (加载)电网变压器

7 地

8 电网线圈的星点(图1、图3、图4、图5、图9、图10、图 16、图17)

9 电网线圈的星点(图1、图3、图4、图5、图9、图10)

10 电网变压器6的输入线圈

11 电网变压器2的电网开关(图1、图10)

12 电网变压器6的电网开关(图1、图10)

13 电网变压器3的Δ-发电机(图3、图9)

14 电网变压器6的Δ-发电机(图3、图9)

15 电网变压器3的H₃发电机(图4、图5、图10、图14、图15、图16、图17)

16 电网变压器6的H₃发电机(图4、图5、图10)

17 S₁发电机(图4、图16、图17)

18 终端阻抗(图4)

19 20的电压源(图 6 )

20 单相/三相逆变器(图6、图8、图14)

21 20的单相/三相耦合变压器(图6)

22 耦合变压器21的输入线圈(图6、图8)

23 耦合变压器21的输出线圈(图6)

24 开关对60的机械开关24(图6)

25 开关对60的电子开关25(图6)

26 接地变压器(图7、图13)

27 接地变压器的线圈(图7、图13)

28 线圈27的星点(图7、图13)

29 S₃发电机的耦合变压器(图8)

30 29的普通磁芯(图8)

31 29的输出线圈(图8)

32 29的输出线圈(图8)

33 29的输出线圈(图8)

34 单相电网变压器2的电网线圈(图9)

35 单相电网变压器2的电网线圈(图9)

36 单相电网变压器3的电网线圈(图9)

37 单相电网变压器3的电网线圈(图9)

38 电压为U_ac的电网线圈3的抽头(图10)

39 电压为U_ac的电网线圈5的抽头(图10)

40 电网线圈3的机械开关(图10)

41 电网线圈3的电子开关(图10)

42 电网线圈5的机械开关(图10)

43 电网线圈5的电子开关(图10)

44 地下电缆49的导线4周围的绝缘隔离器

45 隔离器44周围的屏蔽

46 架空导线杆

47 三相HAC系统(图12)

48 具有与47相反的电流和电压的三相HAC系统(图12)

49 具有三个导线的地下电缆

50 架空导线杆46的左电缆支架

51 架空导线杆46的右电缆支架

52 单相变压器(图13)

53 52的输入线圈(图13)

54 52的输出线圈(图13)

55 三相HAC电网变压器(图13、图14、图15)

56 三相扩展变压器(图16)

57 扩展变压器56的输入线圈

58 扩展变压器56的电网线圈(图16)

59 扩展变压器56的电网开关

60 开关对(图6、图16、图17)

61 开关对(图16、图17)

62 杆电缆支架46上的隔离器(图12)

63 自耦变压器(图17)

64 63的接地线圈

65 63的电网线圈

66 断路器(图17)

67 三相HAC同步发电机(图15)

Claims (15)

1.一种用于增加单相或多相AC电网功率的方法，所述单相或多相AC电网包括至少一个具有第一电网线圈(3)的馈电电网变压器(2)和至少一个具有第二电网线圈(5)的负载电网变压器(6)，所述馈电电网变压器(2)和所述负载电网变压器(6)连接到导线(4)并传导具有基本电网频率F₁的标称正弦相电流I_ac，其中所述第一电网线圈(3)和所述第二电网线圈(5)承载正弦相电压U_ac，并且其中所述导线(4)和地(7)之间的电压U_le不超过最大绝缘电压U_lex，

其特征在于，

所述第一电网线圈(3)和所述第二电网线圈(5)的输出端的相电压分别增加到大于U_ac且小于(π/2)*U_ac的值U_hac，由此所述AC电网可以利用标称相电流I_ac传输更多的功率，

第一Δ-发电机(13)和第二Δ-发电机(14)分别各自连接在第一电网线圈(3)和第二电网线圈(5)与导线(4)之间，并且差分电压ΔU被耦合和解耦，由此所述导线(4)和地(7)之间的电压U_hle的幅值被限制为绝缘电压U_lex，并且所述导线之间的电压的幅值U_hll被减小。

2.根据权利要求1所述的用于增加单相或多相AC电网功率的方法，

其特征在于，

所述差分电压ΔU的相数等于所述AC电网的相数，每个ΔU电压由单相电压U_s和单相或多相电压U_h构成，由此所有相位的U_s电压都相同，由频率等于F₁*3*(2*i-1)的谐波电压组成，其中i＝1、2、3、……，并且由至少一个单相S-发电机(17)产生，并且每个U_h电压等于相关联的ΔU电压和所述U_s电压之间的差值，并且各自由第一H-发电机(15)或第二H-发电机(16)形成，并且分别在相关联的第一电网线圈(3)和第二电网线圈(5)之间耦合或解耦，并且只具有无功功率的相关联的导线(4)与具有S-发电机和H-发电机的电网耦合或从该电网解耦，使得所述电网功率的增加完全是由于较高的相电压U_hac。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，

其特征在于，

分别连接到馈电电网变压器(2)或负载电网变压器(6)的第一H-发电机(15)和第二H-发电机(16)产生除U_h电压之外的调节电压U_r，所述调节电压具有可变的相位和可变的幅值，通过借由相关联的第一H-发电机(15)和第二H-发电机(16)分别改变所述调节电压U_r的相位和幅值来控制馈电电网变压器(2)和负载电网变压器(6)分别提供或移除的无功功率和有功功率。

4.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

连接在地(7)的第一电网线圈(3)的第一星点(8)之间的S₁发电机消除在所述导线(4)中的一个与地(7)之间发生短路时出现的短路电流，

其中，S₁发电机是带一个输出线圈的S-发电机。

5.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

地(7)和连接两个相邻的馈电电网变压器(2)和负载电网变压器(6)的所述导线(4)之间的附加U_s电压和U_h电压以使得U_h电压和U_s电压的相位偏移沿所述导线(4)参考所指定的相电压U_hac受到限制的方式与相位耦合。

6.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

电网是三相的，至少一个S₁发电机连接在至少一个馈电电网变压器(2)的第一电网线圈(3)的第一星点(8)和地(7)之间，并且其余的负载电网变压器(6)的第二电网线圈(5)的第二星点(9)保持空闲，或者各自利用一个终端阻抗(18)接地，和/或使用至少一个S₃发电机在至少一个馈电电网变压器(2)各自的一个第一电网线圈(3)和相关联的导线(4)之间产生三个U_s电压，其中连接到S₃发电机的第一电网线圈(3)的第一星点(8)接地，并且未连接到S₃发电机或S₁发电机的第二电网线圈(5)的第二星点(9)保持空闲，或各自分别利用终端阻抗(18)以及第一H₃发电机和第二H₃发电机中的一个接地，其中这些H₃发电机中的每一个都连接到馈电电网变压器(2)或负载电网变压器(6)中的每一个，并且分别连接在第一输入线圈(1)和第二输入线圈(10)上，或者分别连接在馈电电网变压器(2)和负载电网变压器(6)的第一电网线圈(3)和第二电网线圈(5)上，

其中，S₁发电机是带一个输出线圈的S-发电机，S₃发电机是带三个输出线圈的S-发电机，H₃发电机是三相H-发电机。

7.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

三相HAC电网具有至少一个带Δ-切换的第一电网线圈(3)的馈电电网变压器(2)，所述Δ-切换的第一电网线圈(3)连接到接地变压器(26)的Y-向接地线圈(27)，并且Y-向接地线圈(27)的第三星点(28)利用S₁发电机连接到地(7)或S₃发电机连接在所述Y-向接地线圈(27)和接地的第三星点(28)之间，

其中，S₁发电机是带一个输出线圈的S-发电机，S₃发电机是带三个输出线圈的S-发电机。

8.根据权利要求1所述的方法，所述方法用于具有架空导线的三相HAC电网，所述三相HAC电网由在空间上彼此平行运行的第一三相HAC系统(47)和第二三相HAC系统(48)组成，

其特征在于，

第一HAC系统(47)的相电压U_hac、相电流I_ac和导线-地电压U_hle与第二HAC系统(48)的相电压U_hac、相电流I_ac和U_hle电压相反，由此由两个HAC系统的电压产生的电场部分或完全相互抵消，并且由两个HAC系统的相电流产生的磁场部分或完全相互抵消。

9.根据权利要求1所述的用于增加单相AC电网功率的方法，

其特征在于，

单相的馈电电网变压器(2)和负载电网变压器(6)中的每一个分别设置有两个相同的第三电网线圈(34、35)或第四电网线圈(36、37)，并且分别被分配给第一Δ₁-发电机(13)和第二Δ₁-发电机(14)中的一个，由此一个ΔU-电压耦合到馈电电网变压器(2)的第一输入线圈(1)以及每个Δ₁-发电机(14)，ΔU-电压从负载电网变压器(6)的每个第二输入线圈(10)解耦，或者与每个Δ₂-发电机解耦，一个ΔU-电压各自耦合到馈电电网变压器(2)的第三电网线圈(34、35)中的一个以及每个Δ₂-发电机，ΔU-电压分别从负载电力变压器(2)的一个第四电网线圈(36、37)解耦，

其中，Δ₁-发电机是单相Δ-发电机，Δ₂-发电机是带两个输出线圈的Δ₁-发电机。

10.一种用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的系统，

其特征在于，

三相HAC变压器(55)，其转换来自三相Δ-Y或Y-Δ电网变压器(2)以及来自接地变压器(26)的导线-地电压U_hle和相电压U_hac，并且由单相变压器(52)组成，所述接地变压器(26)的Y-向接地线圈(27)将Δ-切换的第一电网线圈(3)的输出连接到第三星点(28)，其中所述单相变压器(52)的输入线圈(53)连接在第一星点(8)和地(7)之间，并且所述单相变压器(52)的输出线圈(54)连接在第三星点(28)和地(7)之间。

11.一种用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的系统，

其特征在于，

三相逆变器(20)可用，其转换全电网功率P_hac以及相电压U_hac，产生谐波电压U_h和U_s；或者三相旋转发电机(62)可用，其提供全电网功率P_hac并产生相电压U_hac和谐波电压U_h和U_s，三相HAC电网变压器(53)转换两种变型的相电压 U_hac、谐波电压 U_h和U_s电压，并将HAC电网变压器(53)的导线(4)连接到下游的三相AC电网变压器(6)，其中H₃发电机(55)将下游AC电网变压器(6)的输入线圈前面的U_h电压解耦，

H₃发电机是三相H-发电机。

12.一种用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的系统，

其特征在于，

地下电缆(49)由一个或多个导线(4)组成，其中每个导线(4)由隔离器(44)绝缘并由接地屏蔽(45)屏蔽。

13.一种用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的系统，

其特征在于，

三相电网变压器(2)的输入线圈(1)连接到三相扩展变压器(56)的输入线圈(57)，扩展变压器(56)的电网线圈(58)连接到电网变压器(2)的电网线圈(3)，并且扩展变压器(56)的绝缘电压被设计为低于或等于电网变压器(2)的绝缘电压，扩展变压器的电网线圈(58)连接在电网变压器(2)的电网线圈(3)和第一星点(8)之间，并且H₃发电机连接在扩展变压器(56)的输入线圈(57)和电网变压器(2)的输入线圈(1)之间，或者S₁发电机连接在第一星点(8)和地(7)之间，或者S₃发电机连接在扩展变压器(56)的电网线圈(58)和接地第一星点(8)之间，并且第一开关对(60)在发生故障时桥接扩展变压器(56)的电网线圈(58)，第二开关对(61)在发生故障时桥接S₁发电机或S₃发电机，从而在系统输出发生故障时将U_hac或U_hle电压降低到U_ac或U_le电压，使得在发生故障时电网变压器(2)和扩展变压器(56)的绝缘不会过载，

其中，S₁发电机是带一个输出线圈的S-发电机，S₃发电机是带三个输出线圈的S-发电机，H₃发电机是三相H-发电机。

14.一种用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的系统，

其特征在于，

带有Δ-切换的第一电网线圈(3)的三相电网变压器(2)连接到三相自耦变压器(63)，所述三相自耦变压器(63)的电网线圈(65)将相电压U_ac转换为较高的电压U_hac并且其接地线圈(64)形成第一星点(8)，并且H₃发电机耦合相关联的U_h电压，S₁发电机将第一星点(8)连接到地并耦合U_s电压，其中在发生故障的情况下，第一开关对(60)使H₃发电机和电网线圈(65)短路，第二开关对(61)桥接S₁发电机，绝缘开关(66)将第一星点(8)与地(7)断开，

其中，S₁发电机是带一个输出线圈的S-发电机，H₃发电机是三相H-发电机。

15.根据权利要求13、14中任一项所述的用于执行根据权利要求9的方法的系统，

其特征在于，

电网变压器(2)和相关联的扩展变压器(56)是单相的，或者电网变压器(2)和相关联的自耦变压器(63)是单相的，并且在这两种变型中，使用单相H₁发电机和S₁发电机或使用Δ₁-发电机，并且第一开关对(60)和第二开关对(61)或断路器(66)也是单相的，

其中，S₁发电机是带一个输出线圈的S-发电机，H₁发电机是单相H-发电机，Δ₁-发电机是单相Δ-发电机。

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