CN1426150A - 变换器电路 - Google Patents

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CN1426150A CN02122828.0A CN02122828A CN1426150A CN 1426150 A CN1426150 A CN 1426150A CN 02122828 A CN02122828 A CN 02122828A CN 1426150 A CN1426150 A CN 1426150A
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P·菲舍尔
P·麦巴赫
M·曼雷卡
J·达尼尔
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Abstract

为AC供电网(1)中的电压维持提供一种变换器电路，该AC供电网(1)具有向电力负载(2)供电的与各相(R；S；T)相关的电压源(UR；US；UT)，该变换器电路具有用于各相(R；S；T)的各个变流器(3)，所述变流器(3)在直流侧通过储能电容器(4)连接到供电装置(5)。在交流侧，各个变流器(3)以串联方式连接在各相(R；S；T)中相关电压源(UR；US；UT)与电力负载(2)之间，在交流侧，供电装置(5)连接到相关电压源(UR；US；UT)与各变流器(3)之间的至少两相(R；S；T)。

Description

变换器电路
技术领域
本发明涉及电力电子学领域。更具体地说，本发明涉及在交流(AC)供电网中用于电压维持的变换器电路，其中所述AC供电网具有用于向电力负载供电的各相的相关电压源，所述变换器电路具有用于各相的相应的变流器，所述变流器在直流侧通过储能电容器连接到供电装置。
技术背景
常规的变换器电路，目前特别用于对电力单相或多相AC供电网的电力网电压的下降进行补偿，特别用于对短路或负载变化进行补偿，它通常连接在AC供电网的一相的电压源与由该电压源供电的电力负载之间。在例如美国专利5329222中提出了这种变换器电路。在这份文件中，储能电容器在直流(DC)侧连接到变流器，储能电容器用作能量储存器并向变流器供电。此外，提供一种供电装置，它通过DC侧的储能电容器连接到变流器并用来提供电力，具体来讲是为储能电容器提供起始充电。储能电容器具有很高的电容，使得变流器即使在电力网电压超长下降的情况下，也能提供足够的能量来补偿AC供电网的电压下降。根据美国专利5329222，变流器在AC侧连接到变压器的次级绕组。变压器的初级绕组连接到AC供电网的一相。
根据美国专利5329222的变换器电路的问题在于：需要变压器来提供电能、以便补偿AC供电网的电力网电压的电压突降，由于它具有高的杂散电感，该变压器需要相应的大空间量，涉及到精密安装，因此导致相当高的成本，特别是材料成本。再者，根据美国专利5329222，用作能量储存器的储能电容器是电容器组形式的，以便可以达到足够大的电容。因此，以这种方式提供的储能电容器会因它的相当大的空间需求、它的安装和母线结构而导致额外的成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种在AC供电网中用于电压维持的变换器电路，它具有特别简单且成本效益高的设计，使得变换器电路的安装和材料成本减至最小。这个目的是通过以下特征来实现的：在交流侧，各个变流器以串联方式连接在各相中的相关电压源与电力负载之间，并且在交流侧，供电装置连接到相关电压源与各变流器之间的至少两相上。
本发明的有利的进展通过以下特征来实现：
在单相AC供电网中，变流器连接到第一相，而供电装置连接到所述第一相和第二相。
在多相AC供电网的情况中，变流器连接到第一相，而供电装置连接到第二相和第三相。
在多相AC供电网的情况中，变流器连接到第一相，而供电装置连接到所述第一相、以及连接到第二相和第三相。
供电装置具有多相变压器，该变压器的初级绕组连接到相关电压源与各个变流器之间的所述第一相、第二相以及第三相。
供电装置具有单相变压器，该变压器的初级绕组连接到相关电压源与各个变流器之间的所述第二相和第三相。
供电装置具有三相整流器电路，该电路连接到多相变压器的次级绕组以及在直流侧连接到储能电容器。
供电装置具有单相整流器电路，该电路连接到单相变压器的次级绕组以及在直流侧连接到储能电容器。
设置了三相谐波滤波器电路，它以并联方式与多相变压器的次级绕组连接，并且连接到三相整流器电路，而且具有调谐到谐波频率的调谐电路。
设置了单相谐波滤波器电路，它以并联方式与单相变压器的次级绕组连接，并且连接到单相整流器电路，而且具有调谐到谐波频率的调谐电路。
供电装置具有储能单元，它在直流侧以并联方式与整流器电路连接，并连接到储能电容器。
可控功率半导体隔离开关以并联方式与变流器的交流侧连接。
为各相设置开关断路器，它与连接在各相中的各个变流器并联。
在根据本发明的用于AC供电网中电压维持的变换器电路中，为电力网的各相设置变流器，并将其在DC侧通过储能电容器连接到供电装置。根据本发明，各个变流器在AC侧、在与各相相关的电压源和由该电压源供电的电力负载之间与各相串联。这特别有利地表明，不需要在AC侧连接到变流器而用于向各相供电的任何变压器，结果，变换器电路非常简单，不需要细致的维护，因此成本低。
再者，根据本发明，供电装置在AC侧连接到相关电压源与各个变流器之间的至少两相。因此，可以选择具有小电容量的储能电容器，因为连接到各相的供电装置还可以超长时间地从电压源抽取电能，以便提供给储能电容器。这使得有可能以特别简单的方式确保即使AC供电网的电力网电压超长时间地降低，也可以通过根据本发明的变换器电路来补偿。再者，储能电容器的小的电容量有可能导致物理尺寸的有利减小，从而降低材料和母线的复杂性。
在根据本发明的变换器电路的一个最佳示例性实施例中，多相AC供电网中的供电装置在AC侧连接到相关电压源与各个变流器之间的各相。这也使得有可能通过从不受电压突降影响的那些相为供电装置抽取电能，在一相或多相的电力网电压降低的情况下、以平衡的方式利用这些相。再者，这种方法有利地使得有可能以非常稳定和平衡的方式向电力负载供电，即使在各相之间未平衡电力网电压降低的情况下也是如此。
附图说明
本发明的那些及其他目的、优点和特征将通过以下结合附图对本发明的最佳示例性实施例的详细描述而变得清楚：
图1表示根据本发明的变换器电路的一个实施例；
图2表示根据本发明的变换器电路的另一个实施例；
图3表示图1所示的根据本发明的变换器电路的局部细节，它具有附加的单相谐波滤波器电路；以及
图4表示图2所示的根据本发明的变换器电路的局部细节，它具有附加的三相谐波滤波器电路。
具体实施方式
图中所用的参考符号以及它们的含义以概述形式列在参考符号列表中。原则上，相同部件在各图中配有相同的参考符号。所描述的实施例代表本发明的主题的一个实例，没有限制的作用。
图1表示根据本发明的变换器电路的一个实施例，它用于在AC供电网1中维持电压。各种情况中的AC供电网1都具有对应于各相R、S和T的相关电压源UR、US和UT，这些电压源是为了给连接到所述电压源UR、US和UT的电力负载2供电而设计的。AC供电网1具体为三相电网的形式，如图1所示。根据图1，在各种情况中，为各相R、S和T设置了变流器3。各个变流器3在DC侧通过储能电容器4连接到供电装置5，所述供电装置用于向储能电容器4供电。变流器3被设计为单相单级桥接电路，或者是单相双级桥接电器，它具有可控功率半导体开关，但是为了简明起见，图中未示出这些项。
根据本发明，图1所示的变流器3通过其AC侧，以串联方式连接到AC供电网1的相关电压源UR、US和UT与电力负载2之间的各相R、S和T中。这种方法有利地避免了对先有技术中已知的、在AC侧连接到变流器3、用于向各相R、S、T供电的变压器的需要，结果使得变换器电路设计非常简单，不需要细致的维护，因此成本较低。
再者，根据本发明，图1所示的供电装置5在其AC侧连接到相关电压源UR、US和UT与各个变流器3之间的R、S和T各相中的至少两相。因此，不需要任何大电容量的大储能电容器4。因而，有可能采用所选择的具有小电容量的储能电容器4，即使在AC供电网1的电力网电压超长时间的降低的情况下，也可以从供电装置5得到足够的供电。这种对储能电容器4供电的方式，始终有利地使储能电容器4中有足够的电能供给变流器3，以便通过将电能供给到相应的相R、S和T(甚至在超长时间里)，对电力网电压中出现的电压突降提供足够的补偿。再者，选择具有小电容量的储能电容器4，有利地减小了物理尺寸，并相应地减少了材料和母线复杂性。
在变流器3连接到第一相R、S和T的前提下，根据本发明的多相AC供电网1中的图1所示的变换器电路中的每个供电装置5连接到第二相R、S和T，以及连接到第三相R、S和T。因此，在所连接的变流器3的相R、S和T中出现电压突降的情况下，供电装置5可以有利地从未受到电压突降影响的其余两相R、S和T抽取电能，使得相关的相R、S和T中的电压突降可以得到特别有效的补偿。
根据图1，供电装置5具有单相变压器7，它的初级绕组7.1在相关电压源UR、US和UT与各自变流器3之间连接到第二相R、S和T和第三相R、S和T。在此实例中，单相变压器7用于变换器电路、特别是供电装置5与所连接的相R、S和T的DC隔离。再者，供电装置5具有单相整流器电路8，该电路连接到单相变压器7的次级绕组7.2。单相整流器电路8用于对单相变压器7的次级绕组7.2上的AC电压进行整流，并且在DC侧连接到储能电容器4。已经发现，单相整流器电路8最好是单相单级桥接电路或者单相双级桥接电路的形式，使得有可能获得基本没有元件复杂性的简单设计。例如，图1表示单相单级桥接电路形式的单相整流器电路8。再者，图1所示的供电装置5具有储能单元10，该单元在DC侧与单相整流器电路8并联并连接到储能电容器4。储能单元10由电气储能元件构成，最好由电感和电容、以及两个串联的可控功率半导体开关构成，各具有一个背对背与各个功率半导体开关并联的二极管。储能元件被有利地用于对加至储能电容器4的电压进行电压匹配。此储能单元10还使电能可以存储，该电能是通过单相变压器7和单相整流器电路8从相应的相R、S和T中抽取的，并且如果需要，还可以有利地用于向储能电容器4供电。
在为简化起见而未表示出来的变换器电路的一个实施例中，在单相AC供电网1(比如用于电气铁路网的那种)的情况下，根据本发明，例如，变流器3连接到第一相R、S，供电装置5在相关电压源UR、US与各个变流器3之间连接到第一相R、S和第二相R、S。这也得到单相AC供电网1的变换器电路的已提及的优点。
图3表示图1所示的根据本发明的变换器电路的局部细节，它具有附加的单相谐波滤波器电路14。单相谐波滤波器电路14与单相变压器7的次级绕组7.2以并联形式连接，并连接到单相整流器电路8。根据图3，单相谐波滤波器电路14在单相整流器电路8的AC侧连接到单相整流器电路8。单相谐波滤波器电路14有利地包括调谐到谐波频率的调谐电路，使得借助于单相谐波滤波器电路14的滤波作用，相应各相R、S和T中任何谐波可以远离负载7，并且远离电压源UR、US和UT，从而也远离AC供电网1。
图2表示根据本发明的变换器电路的另一个实施例。与图1所示的根据本发明的变换器电路的实施例相比，在图2所示的变换器电路中，在多相AC供电网的情况下，供电装置5在其AC侧、在相关电压源UR、US和UT与各个变流器3之间连接到各个相R、S和T，也就是说它连接到第一相R、S和T、连接到第二相R、S和T以及连接到第三相R、S和T。根据图2，变流器连接到第一相R、S和T。因此，除关于图1所示的根据本发明的变换器电路的实施例已经提及的优点之外，它在其中一相R、S、T或多相R、S和T中出现电力网电压降低的情况下，可以通过从未受电压突降影响的那些相R、S和T中为供电装置5抽取电能来使各相R、S、T的负载平衡。
根据图2，根据本发明的供电装置5具有特别设计有三相的多相变压器6。多相变压器6通过它的初级绕组6.1连接到相关电压源UR、US和UT与各个变流器3之间的各相R、S和T，也就是说连接到第一相R、S和T、第二相R、S和T以及第三相R、S和T。在此情况下，多相变压器6用于变换器电路、特别是供电装置5与所连接的相R、S和T的DC隔离。供电装置5还包括三相整流器电路9，它连接到多相变压器6的次级绕组6.2。三相整流器电路9用于对多相变压器6的次级绕组6.2上的AC电压进行整流，并且在DC侧连接到储能电容器4。已经发现，三相整流器电路9最好是三相单级桥接电路，或者三相双级桥接电路的形式，以便可以用少数元件实现简单的设计。例如，图1把三相整流器电路9表示为三相单级桥接电路。再者，根据其设计，与已经描述的图1所示的储能单元10相对应，图3所示的供电装置5具有储能单元10并连接到储能电容器4，所述储能单元10在DC侧与三相整流器电路8以并联方式连接。因此，对于图2所示的储能单元10，同样有可能存储从相应的相R、S和T通过多相变压器6和三相整流器电路9抽取的电能，除此之外，在需要时有利地使用它向储能电容器4供电。
图4表示图2所示的根据本发明的变换器电路的局部细节，该变换器电路具有附加的三相谐波滤波器电路13。三相谐波滤波器电路13与三相变压器6的次级绕组6.2以并联的形式连接，并连接到三相整流器电路9。根据图4，三相谐波滤波器电路13在三相整流器电路9的AC侧连接到三相整流器电路9。三相谐波滤波器电路13有利地包括调谐到谐波频率的调谐电路，使得通过三相谐波滤波器电路13的滤波作用，相应的相中的任何谐波可以远离负载2，以及远离电压源UR、US和UT，从而也远离AC供电网1。
再者，按照图1和图2，根据本发明，提出一种可控功率半导体隔离开关11，它以并联方式与变流器3的AC侧连接。可控功率半导体隔离开关11用于在变流器3发生故障或负载短路的情况下、使变流器3快速从其所连接的相R、S和T断开连接。这种断开连接是通过闭合功率半导体隔离开关11、使得变流器3被跨接来实现的，最好这种断开操作在5μs至10μs的时段内发生。功率半导体隔离开关11最好是晶体闸流管的形式，特别是与转换开关栅电极(IGCT)集成在一起的晶体闸流管，以便可以实现上面提出的断开时间范围。
再者，根据图1和图2，根据本发明提供一种用于各相R、S和T的开关断路器12，它以并联方式与连接在各相R、S和T中的各个变流器3连接。开关断路器12最好是机械断路器或电子电源开关的形式，特别是功率半导体开关。如上所述，如果相应的相R、S、T和/或各个变流器3发生故障，开关断路器12闭合，从而为相应变流器3形成旁路，而变流器3被跨接。
总之，根据本发明的变换器电路提出一种特别简单有效且成本低的解决方案，用于对AC供电网1的其中一相R、S、T或多相R、S、T中的电力网电压降低进行补偿。此外，根据本发明的变换器电路还使得有可能在这些相R、S、T中的一相或多相中发生过压时、影响一相或多相R、S、T中的电力网电压。在此情况下，变流器3从相应的相或多相R、S、T向储能电容器4提供电能，使得可以有利地降低电力网电压中的过压。对电力网电压中的过压的这种影响还可以超长时间地有效，因为多余的电能可以通过单相整流器电路8或通过三相整流器电路9耗散。再者，所述变换器电路允许调整电力网电压，尤其是在电力网电压可能升高或降低时。此外，所述变换器电路可以有利地用作移相器，以便允许进行AC供电网1可能需要的任何功率因数补偿，从而确保AC供电网1以特定的所期望的方式运行。如果所述AC供电网1中出现任何谐波，尤其是由负载2所产生的谐波，则还可能使用变换器电路来补偿这些谐波。再者，如果发生负载短路，则可以借助于变换器电路，通过故意地提供反相电压来限制与此相关的短路电流。
参考符号的列表
1    AC供电网
2    电力负载
3    变流器
4    储能电容器
5    供电装置
6    多相变压器
6.1  多相变压器的初级绕组
6.2  多相变压器的次级绕组
7    单相变压器
7.1  单相变压器的初级绕组
7.2  单相变压器的次级绕组
8    单相整流器电路
9    三相整流器电路
10   储能单元
11   功率半导体隔离开关
12   开关断路器
13   三相谐波滤波器电路
14   单相谐波滤波器电路
UR、US和UT  电压源

Claims (13)

1.一种在AC(交流)供电网(1)中用于电压维持的变换器电路，其中所述AC供电网(1)具有用于向电力负载(2)供电的各相(R；S；T)的相关电压源(UR；US；UT)，所述变换器电路具有用于各相(R；S；T)的相应的变流器(3)，所述变流器(3)在直流侧通过储能电容器(4)连接到供电装置(5)，其特征在于：
在交流侧，各个变流器(3)以串联方式连接在所述各相(R；S；T)中的所述相关电压源(UR；US；UT)与所述电力负载(2)之间，并且在所述交流侧，所述供电装置(5)连接到所述相关电压源(UR；US；UT)与所述各变流器(3)之间的至少两相(R；S；T)上。
2.如权利要求1所述的变换器电路，其特征在于：在单相AC供电网(1)中，所述变流器(3)连接到第一相(R；S)，而所述供电装置(5)连接到所述第一相(R；S)和第二相(R；S)。
3.如权利要求1所述的变换器电路，其特征在于：在多相AC供电网(1)的情况中，所述变流器(3)连接到第一相(R；S；T)，而所述供电装置(5)连接到第二相(R；S；T)和第三相(R；S；T)。
4.如权利要求1所述的变换器电路，其特征在于：在多相AC供电网(1)的情况中，所述变流器(3)连接到第一相(R；S；T)，而所述供电装置(5)连接到所述第一相(R；S；T)、以及连接到第二相(R；S；T)和第三相(R；S；T)。
5.如权利要求4所述的变换器电路，其特征在于：所述供电装置(5)具有多相变压器(6)，该变压器的初级绕组(6.1)连接到所述相关电压源(UR；US；UT)与所述各个变流器(3)之间的所述第一相(R；S；T)、所述第二相(R；S；T)以及所述第三相(R；S；T)。
6.如权利要求3所述的变换器电路，其特征在于：所述供电装置(5)具有单相变压器(7)，该变压器的初级绕组(7.1)连接到所述相关电压源(UR；US；UT)与所述各个变流器(3)之间的所述第二相(R；S；T)和所述第三相(R；S；T)。
7.如权利要求5所述的变换器电路，其特征在于：所述供电装置(5)具有三相整流器电路(9)，该电路连接到所述多相变压器(6)的次级绕组(6.2)以及在所述直流侧连接到所述储能电容器(4)。
8.如权利要求6所述的变换器电路，其特征在于：所述供电装置具有单相整流器电路(8)，该电路连接到所述单相变压器(7)的次级绕组(7.2)以及在所述直流侧连接到所述储能电容器(4)。
9.如权利要求7所述的变换器电路，其特征在于：设置了三相谐波滤波器电路(13)，它以并联方式与所述多相变压器(6)的所述次级绕组(6.2)连接，并且连接到所述三相整流器电路(9)，而且具有调谐到谐波频率的调谐电路。
10.如权利要求8所述的变换器电路，其特征在于：设置了单相谐波滤波器电路(14)，它以并联方式与所述单相变压器(7)的所述次级绕组(7.2)连接，并且连接到所述单相整流器电路(8)，而且具有调谐到谐波频率的调谐电路。
11.如权利要求7至10其中之一所述的变换器电路，其特征在于：所述供电装置(5)具有储能单元(10)，它在所述直流侧以并联方式与所述整流器电路(8；9)连接，并连接到所述储能电容器(4)。
12.如上述权利要求其中之一所述的变换器电路，其特征在于：可控功率半导体隔离开关(11)以并联方式与所述变流器(3)的所述交流侧连接。
13.如上述权利要求其中之一所述的变换器电路，其特征在于：为各相(R；S；T)设置开关断路器(12)，它与连接在所述各相(R；S；T)中的各个变流器(3)并联。
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