CN208767792U - 无功功率补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于交流电网(10)的无功功率补偿装置(30)，具有变压器，该变压器在次级侧以星形点电路连接并且每一相具有次级侧接头，其中在变压器的次级侧接头(S1‑S3)中的每个和星形电路的星形点(SP)之间分别连接具有至少两个串联连接的开关模块(711)的模块串联电路(710)，该开关模块分别具有至少四个开关(720)和电容器(C)。根据本实用新型设置为，变压器是杂散场变压器(40)。

Description

无功功率补偿装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于交流电网的无功功率补偿装置。
背景技术
例如由US专利文献US 8,207,712 B2公知一种无功功率补偿装置。已知的无功功率补偿装置配备有变压器，其次级侧以星形点电路连接并且每一相具有一个次级侧接头。在变压器的每个次级侧接头与星形电路的星形点之间分别连接具有至少两个串联连接的开关模块的模块串联电路，该开关模块分别具有至少四个开关和电容器。变压器是降压(step down)变压器。替换地，借助所谓的之字形(“Zick-Zack”)类型的变压器来描述星形点生成。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提供一种改善的无功功率补偿装置。
根据本实用新型，上述技术问题通过具有根据本实用新型的特征的无功功率补偿装置来解决。在本实用新型中给出根据本实用新型的无功功率补偿装置的优选构造。
据此，根据本实用新型设置为，无功功率补偿装置的变压器是杂散场变压器。
根据本实用新型的无功功率补偿装置的主要优点在于，在杂散场变压器的次级侧不必存在另外的电感，以实现设置在次级侧的模块串联电路的令人满意的运行。这归因于，杂散场变压器由于其结构基于在次级侧出现的杂散场在次级侧始终具有极大的电感。换言之，即根据本实用新型的思路在于，对于模块串联电路、特别是由这些模块串联电路构成的多级转换器模块的次级侧运行，能够实现杂散场变压器由于其结构而具有的杂散场电感。
根据本实用新型的无功功率补偿装置的另一个主要优点在于，由于省去了变压器的次级侧的附加电感，其可以以特别紧凑的方式实现。在目前常用的无功功率补偿装置中，在次级侧使用空心线圈，空心线圈由于其大小和通过其产生的磁场必须安装在室外，也就是布置无功功率补偿装置的其余组件的建筑物的外部。也就是，因为由于根据本实用新型设置的杂散场变压器的使用，在次级侧不需要另外的电感、特别是不需要空心线圈，所以无功功率补偿装置的所有组件可以安置在封闭的空间或封闭的建筑物中；不需要将无功功率补偿装置的各个组件布置在室外。
考虑到杂散场变压器的构造，视为特别具有优势的是，杂散场的漏磁测定为如此之大，使得在次级绕组短路时，相对于额定电压的杂散场变压器的短路电压至少为20％。
关于次级侧漏电感的电连接，视为具有优势的是，由杂散场变压器的杂散场引起的并且在次级侧接头上起作用的次级侧漏电感分别与连接到杂散场变压器的相应的次级侧接头的模块串联电路处于串联。
如已经提到的，考虑到无功功率补偿装置的紧凑结构或考虑到无功功率补偿装置的所有组件可以安置在封闭的建筑物中、也就是不在室外，具有优势的是，模块串联电路相应地没有电感线圈、但至少没有空心电感线圈。
在三相交流电网的情况下，视为具有优势的是，杂散场变压器在次级侧具有形成星形点的星形绕组并且在初级侧具有形成杂散场变压器的初级侧变压器接头的三角绕组。
为了能够在对交流电网的负面反作用最小的情况下接通无功功率补偿装置，视为具有优势的是，无功功率补偿装置具有连接在无功功率补偿装置的外部电网接头与杂散场变压器的初级侧变压器接头之间的开关装置。
优选地，开关装置具有欧姆电阻和与之并联连接的开关。特别具有优势的是，开关装置具有串联电路，串联电路包括第一开关和与第一开关串联连接的、由欧姆电阻和与电阻并联连接的第二开关组成的并联电路。
考虑到该开关装置的控制，视为具有优势的是，无功功率补偿装置具有控制装置，控制装置构造为，使得其在无功功率补偿装置断开时将第一和第二开关分别置于断开的开关位置，在启动无功功率补偿装置时的第一顺序步骤中首先闭合第一开关并且在此使第二开关断开，并且在随后的启动无功功率补偿装置时的第二顺序步骤中附加地闭合第二开关。
替换地或附加地，开关装置还可以以有利的方式连接在杂散场变压器的次级侧变压器接头和与其相连的模块串联电路之间：这样的开关装置可以分别包括第一开关和与第一开关串联连接的、由欧姆电阻和与电阻并联连接的第二开关组成的并联电路；这样的开关装置的两个开关的控制优选与上面已经结合在初级侧连接的开关装置所解释的一样进行。
替换地，在次级侧也可以仅使用通过欧姆电阻和与之并联连接的开关构成的开关装置。
为了能够在对初级侧没有反作用的情况下或在对交流电网没有反作用的情况下或在仅具有最小的反作用的情况下，在无功功率补偿装置的次级侧实现均衡电流，视为具有优势的是，模块串联电路除了开关模块之外还分别具有与开关模块串联连接的串联振荡电路，其共振频率是电网频率的三倍或该三倍的整数倍。
关于串联振荡电路，视为具有优势的是，该串联振荡电路或至少一个串联振荡电路包括电感、特别是具有铁芯的电感和与之串联连接的电容器，或者该串联振荡电路或至少一个串联振荡电路通过这些组件构成。
也就是换言之具有优势的是，模块串联电路除了开关模块之外还分别具有与开关模块串联连接的阻抗、特别是具有铁芯的电感和/或电容器。
此外，视为具有优势的是，附加地或替换地，在杂散场变压器的次级侧星形点和模块串联电路的电连接位置之间连接阻抗、特别是具有铁芯的电感和/或电容器。
特别优选地，在杂散场变压器的次级侧星形点和模块串联电路的电连接位置之间连接由电感和电容器组成的串联电路。电感和电容器构成串联振荡电路。串联振荡电路的共振频率优选是电网频率的三倍或该三倍的整数倍。
考虑到无功功率补偿装置的特别紧凑的结构或考虑到必须尽可能不将组件布置在室外或周围，视为具有优势的是，杂散场变压器和模块串联电路，特别是无功功率补偿装置的所有电组件，在空间上安置在对外封闭的空间中、特别是安置在相同的建筑物中或相同的壳体中。
开关模块优选是H桥模块，H桥模块分别具有四个半导体开关和电容器，二极管分别与半导体开关并联连接。
此外，本实用新型利用变压器产生次级侧相电压，变压器在次级侧以星形点电路连接并且每一相具有次级侧接头，并且将次级侧相电压分别施加到具有至少两个串联连接的开关模块的模块串联电路，这些开关模块分别具有至少四个开关和电容器。
根据本实用新型提出了，使用杂散场变压器作为变压器，并且流过模块串联电路的电流随时间变化通过杂散场变压器的次级侧漏电感来平滑，并且在次级侧短路的情况下受限制。
附图说明
下面对照实施例对本实用新型作进一步的说明；在此，
图1示例性地示出了根据本实用新型的可以用于补偿三相交流电网中的无功功率的无功功率补偿装置的实施例，
图2进一步示例性地详细示出了根据图1的无功功率补偿装置的杂散场变压器和多级转换器模块的实施例，
图3示例性地示出了可以在根据图1的无功功率补偿装置中或在根据图 2的多级转换器模块中使用的模块串联电路的实施例，
图4示例性地示出了可以用于构成根据图3的模块串联电路的开关模块的实施例，
图5示例性地示出了可以在根据图1的无功功率补偿装置中使用的开关装置的实施例，
图6示例性地示出了可以在根据图1的无功功率补偿装置或根据图2的多级转换器模块中使用的模块串联电路的另外的实施例，
图7示例性地示出了可以在根据图1的无功功率补偿装置或根据图2的多级转换器模块中使用的模块串联电路的第三实施例，
图8示例性地示出了具有根据图1的无功功率补偿装置的杂散场变压器、多级转换器模块以及多级转换器模块和星形点之间的串联振荡电路的布置的实施例，和
图9示例性地示出了具有根据图1的无功功率补偿装置的杂散场变压器和多级转换器模块的布置的实施例，其中在多级转换器模块的开关模块和杂散场变压器的相应地相关联的次级侧变压器接头之间分别连接开关装置。
为清楚起见，在附图中对于相同或类似的部件始终使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了三相交流电网10，电负载20经由汇流排11连接到其。为了补偿电负载20从交流电网10获得或馈入交流电网的无功功率，设置无功功率补偿装置30，其同样连接到汇流排11并且与负载20电气并联。
在根据图1的实施例中，无功功率补偿装置30具有杂散场变压器40，其在初级侧包括三角绕组410并且在次级侧包括星形绕组420。
三角绕组410形成杂散场变压器40的三个初级侧变压器接头，其经由开关装置50连接到无功功率补偿装置30的外部电网接头A30。在根据图1 的实施例中，因为交流电网10是三相交流电网，所以无功功率补偿装置30 配备有三个外部电网接头A30，为清楚起见，在图1中仅示出了其中一个作为所有三个电网接头的代表。根据图1的装置的组件之间的连接导线的三相以及由此组件本身的三相在图1中分别用三个平行线的组G来表示。
在根据图1的实施例中，在开关装置50和杂散场变压器40的初级侧变压器接头之间设置电流传感器60，该电流传感器相电流单独地采集流过无功功率补偿装置30的三相电流Ib。
杂散场变压器40的星形绕组420形成次级侧变压器接头以及星形点 SP，在其之间连接多级转换器模块70。
为了控制开关装置50以及为了控制多级转换器模块70，无功功率补偿装置30具有控制装置80。控制装置80与电流传感器60连接并且分析流过无功功率补偿装置30的电流Ib。此外，控制装置80与电压传感器13和电流传感器14连接，电压传感器13测量汇流排11上的电网电压或交流电网 10的电网电压，并且电流传感器14测量流过电负载20的负载电流I。
控制装置80例如可以包括计算单元、特别是微处理器装置，其编程为，使得其根据在输入侧施加的测量值控制无功功率补偿装置30、特别是控制多级转换器模块70，更确切地说，优选使得无功功率补偿装置30补偿由负载 20引起的无功功率。
控制装置80优选还具有控制输入端S80，在该控制输入端上可以馈入外部控制信号ST，以用于无功功率补偿装置30或其多级转换器模块70的外部控制。
还具有优势的是，控制装置80还与电流传感器连接，该电流传感器存在于多级转换器模块70内部并且包括在多级转换器模块70内流动的模块电流。下面还要进一步描述对于相应的多级转换器模块70的实施例。
图2示出了为了构成根据图1的无功功率补偿装置30而可以考虑或使用的杂散场变压器40和多级转换器模块70的实施例。
根据图2的杂散场变压器40具有初级侧三角绕组410，其形成杂散场变压器40的三个初级侧变压器接头P1、P2和P3。三个初级侧变压器接头 P1、P2和P3可以连接到根据图1的电流传感器60或开关装置50。
此外，杂散场变压器40包括次级侧星形绕组420，其通过杂散场变压器40的次级侧单绕组的星形点连接形成。次级侧星形绕组420形成杂散场变压器40的三个次级侧变压器接头S1、S2和S3以及星形点SP。
此外，在图2中可以看到三个模块串联电路710，其构成多级转换器模块70。模块串联电路710分别连接在星形绕组420形成的次级侧变压器接头 S1、S2或S3中的一个以及星形点SP之间。
图3示出了模块串联电路710的实施例，该模块串联电路适合用于构成根据图2的多级转换器模块70或根据图1的多级转换器模块70。
根据图3的模块串联电路710包括多个开关模块711、串联电路自己的电流传感器712以及串联振荡电路713。
电流传感器712测量流过模块串联电路710的电流并且优选将相应的电流测量值提供给根据图1的控制装置80。
串联振荡电路713通过电感Ls以及通过电容器Cs构成。电感Ls优选包括铁芯、特别优选是线圈，其线圈内部以铁芯全部或部分地填充。
串联振荡电路713或其组件Ls和Cs的大小优选确定为，使得串联振荡电路713具有振荡频率，其相应于根据图1的交流电网10的电网频率的三倍或相应于该电网频率的整数倍。这样的振荡频率能够实现均衡电流，该均衡电流在多级转换器模块70内或至少在无功功率补偿装置30的次级侧流动，但是由于频率选择，该均衡电流不会到达交流电网10或至少不以很大的规模到达交流电网10。
图4示出了开关模块711的实施例，该开关模块适合用于构成根据图3 的模块串联电路710或用于构成根据图2的模块串联电路710。开关模块711 是H桥模块，其包括四个连接成H桥电路的开关720。开关720优选分别通过例如晶体管(例如IGBT)形式的半导体开关元件721以及与之并联连接的半导体二极管722构成。开关模块711的电容器C与相应的两个开关720 的串联电路并联连接，开关模块711的中间电路电压Uz降落在该电容器上。
在图3和图4中分别用附图标记711a和711b表示开关模块711的外部接头，以示出开关模块711彼此的连接。
图5示出了开关装置50的实施例，该开关装置可以在根据图1的无功功率补偿装置30中使用。开关装置50包括串联电路R50，其通过第一开关 51以及与之串联连接的、由欧姆电阻R和第二开关52组成的并联电路构成。
图5中的开关装置50的上侧接头优选与根据图1的无功功率补偿装置 30的外部电网接头A30连接。图5中的开关装置50的下侧接头优选与根据图1的电流传感器60或杂散场变压器40的初级侧变压器接头连接。
如结合图1已经提到的，根据图5的开关装置50优选实施为三相的。为清楚起见，图5中仅示出了开关装置50的三个相支路中的一个。开关装置50的图5中未示出的另外两个相支路可以与图1中所示的相支路相同。
优选通过根据图1的控制装置80对开关装置50进行控制，使得其对于无功功率补偿装置30的断开状态将第一和第二开关51和52分别置于断开的开关位置或者保持在那里。
无功功率补偿装置30的启动优选以两个时间上的顺序步骤进行：在启动无功功率补偿装置30时的第一顺序步骤中，控制装置80首先闭合第一开关51并且在此使第二开关52断开；在随后的启动无功功率补偿装置时的第二顺序步骤中，该控制装置附加地闭合第二开关52，由此将电阻R短路并且使其无效。
图6示出了模块串联电路710的另外的实施例，该模块串联电路适合用于构成根据图2的多级转换器模块70或用于构成根据图1的无功功率补偿装置30。根据图6的模块串联电路710具有多个串联连接的开关模块711、与之处于串联的串联电路自己的电流传感器712以及电容器Cs。
电容器Cs的功能在于，与杂散场变压器40的次级侧星形绕组420的次级侧电感(参见图1和图2)构成串联振荡电路，其振荡频率相应于根据图 1的交流电网10的电网频率的三倍或相应于该电网频率的整数倍。这样的振荡频率能够以有利的方式在多级转换器模块70内或至少在无功功率补偿装置30的次级侧实现均衡电流，该均衡电流不会到达交流电网10或至少不会以很大的规模到达交流电网10。
图7示出了模块串联电路710的另外的实施例，该模块串联电路适合用于构成根据图2的多级转换器模块70或用于构成根据图1的无功功率补偿装置30。根据图7的模块串联电路710具有多个串联连接的开关模块711、与之处于串联的串联电路自己的电流传感器712以及电感Ls。电感Ls优选通过具有铁芯的电感、特别优选通过具有铁芯的线圈构成。
电感Ls的量值选择为，使得该电感与模块串联电路710的开关模块711 中的电容器一起构成振荡电路，其振荡频率相应于根据图1的交流电网10 的电网频率的整数倍或相应于该电网频率的整数倍。如已经解释的，这样的振荡频率能够仅在多级转换器模块70内或至少仅在无功功率补偿装置30的次级侧实现均衡电流。
图8示出了为了构成根据图1的无功功率补偿装置30而可以考虑或使用的杂散场变压器40和多级转换器模块70的另外的实施例。根据图8的由杂散场变压器40和多级转换器模块70组成的布置相应于根据图2的由杂散场变压器40和多级转换器模块70组成的布置，唯一的区别在于，在杂散场变压器40的次级侧星形点SP与模块串联电路710之间的电连接位置VS之间连接电感L2和电容器C2。
电感L2和电容器C2构成串联振荡电路。串联振荡电路的共振频率优选是根据图1的交流电网10的电网频率的三倍或该三倍的整数倍。
图9示出了为了构成根据图1的无功功率补偿装置30而可以考虑或使用的杂散场变压器40和多级转换器模块70的另外的实施例。根据图9的由杂散场变压器40和多级转换器模块70组成的布置相应于根据图2的由杂散场变压器40和多级转换器模块70组成的布置，唯一的区别在于，在次级侧变压器接头S1、S2和S3与相应地相关联的模块串联电路710之间分别连接开关装置50'。
开关装置50'可以与根据图5的开关装置50相同，或仅通过欧姆电阻(如图5中的电阻R)和与之并联连接的开关(如图5中的开关52)构成。
虽然通过优选的实施例在细节上对本实用新型进行详细阐述和描述，但是本实用新型不限于所公开的示例并且可以由本领域技术人员从中导出其它变形，而不脱离本实用新型的保护范围。
附图标记列表
10 交流电网
11 汇流排
13 电压传感器
14 电流传感器
20 负载
30 无功功率补偿装置
40 杂散场变压器
50 开关装置
50' 开关装置
51 开关
52 开关
60 电流传感器
70 多级转换器模块
80 控制装置
410 三角绕组
420 星形绕组
710 模块串联电路
711 开关模块
711a 接头
711b 接头
712 电流传感器
713 串联振荡电路
720 开关
721 半导体开关元件
722 半导体二极管
A30 电网接头
C 电容器
C2 电容器
Cs 电容器
G 组
L2 电感
Ls 电感
Ib 流过无功功率补偿装置的电流
I 负载电流
P1 初级侧变压器接头
P2 初级侧变压器接头
P3 初级侧变压器接头
R 欧姆电阻
R50 串联电路
S1 次级侧变压器接头
S2 次级侧变压器接头
S3 次级侧变压器接头
SP 星形点
ST 控制信号
S80 控制输入端
Uz 中间电路电压
VS 连接位置

Claims (20)

1.一种用于交流电网(10)的无功功率补偿装置(30)，具有变压器，该变压器在次级侧以星形点电路连接并且每一相具有次级侧接头(S1-S3)，其中在变压器的次级侧接头(S1-S3)中的每个和星形电路的星形点(SP)之间分别连接具有至少两个串联连接的开关模块(711)的模块串联电路(710)，该开关模块分别具有至少四个开关(720)和电容器(C)，其特征在于，变压器是杂散场变压器(40)。
2.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，在次级绕组短路时相对于额定电压的杂散场变压器(40)的短路电压至少为20％。
3.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，由杂散场变压器(40)的杂散场引起的并且在次级侧接头(S1-S3)上起作用的次级侧漏电感分别与连接到杂散场变压器(40)的相应的次级侧接头(S1-S3)的模块串联电路(710)处于串联。
4.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，模块串联电路(710)相应地没有电感线圈。
5.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，模块串联电路(710)相应地没有空心电感线圈。
6.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，杂散场变压器(40)在次级侧具有形成星形点(SP)的星形绕组(420)并且在初级侧具有形成杂散场变压器(40)的初级侧变压器接头(P1-P3)的三角绕组(410)。
7.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，
-无功功率补偿装置(30)具有开关装置(50)，该开关装置相应地连接在无功功率补偿装置(30)的外部电网接头(A30)和杂散场变压器(40)的初级侧变压器接头(P1-P3)之间，或相应地连接在次级侧变压器接头(S1，S2，S3)中的一个和相关联的模块串联电路之间，其中
-开关装置(50)具有串联电路，该串联电路包括第一开关(51)和由欧姆电阻(R)和与该电阻并联连接的第二开关(52)组成的并联电路。
8.根据权利要求7所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，无功功率补偿装置(30)具有控制装置，控制装置构造为，使得其在无功功率补偿装置(30)断开时将第一和第二开关(51，52)分别保持在断开的开关位置，在启动无功功率补偿装置(30)时的第一顺序步骤中首先闭合第一开关(51)并且在此使第二开关(52)断开，并且在随后的启动无功功率补偿装置(30)时的第二顺序步骤中附加地闭合第二开关(52)。
9.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，模块串联电路(710)除了开关模块(711)之外还分别具有与开关模块(711)串联连接的阻抗。
10.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，模块串联电路(710)除了开关模块(711)之外还分别具有与开关模块(711)串联连接的具有铁芯的电感(Ls)和/或电容器(Cs)。
11.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，杂散场变压器(40)和模块串联电路(710)在空间上安置在对外封闭的空间中。
12.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，无功功率补偿装置(30)的所有电组件在空间上安置在对外封闭的空间中。
13.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，杂散场变压器(40)和模块串联电路(710)安置在相同的建筑物中或相同的壳体中。
14.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，无功功率补偿装置(30)的所有电组件安置在相同的建筑物中或相同的壳体中。
15.根据权利要求1所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，模块串联电路(710)除了开关模块(711)之外还分别具有与开关模块(711)串联连接的串联振荡电路(713)，其共振频率是电网频率的三倍或该三倍的整数倍。
16.根据权利要求15所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，串联振荡电路(713)或至少一个串联振荡电路(713)包括电感(Ls)和与之串联连接的电容器(Cs)，或者串联振荡电路或至少一个串联振荡电路通过这些组件构成。
17.根据权利要求15所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，串联振荡电路(713)或至少一个串联振荡电路(713)包括具有铁芯的电感和与之串联连接的电容器(Cs)，或者串联振荡电路或至少一个串联振荡电路通过这些组件构成。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，开关模块(711)是H桥模块，该H桥模块分别具有四个半导体开关元件(721)和电容器(C)，二极管(722)分别与该半导体开关元件并联连接。
19.根据权利要求1至17中任一项所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，在杂散场变压器(40)的次级侧星形点(SP)和模块串联电路(710)的电连接位置(VS)之间连接阻抗。
20.根据权利要求1至17中任一项所述的无功功率补偿装置(30)，其特征在于，在杂散场变压器(40)的次级侧星形点(SP)和模块串联电路(710)的电连接位置(VS)之间连接具有铁芯的电感(L2)和/或电容器(C2)。
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