CN208986611U - 用于控制交流电压网中的负载流的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于控制交流电压网(2)中的负载流的装置(1)。其特征在于能够串联接入交流电压网的相线(21)中的双极开关模块(6)的模块串联电路(3)以及用于控制开关模块的控制装置(20)，其中，每个开关模块具有能量存储器以及可控的、可接通和断开的功率半导体，并且可以控制为，使得在其极(32，33)处产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于值为零的电压的开关模块电压；控制装置被设计为用于控制开关模块，使得可以在模块串联电路(3)上产生周期性的纵向电压。

Description

用于控制交流电压网中的负载流的装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于控制交流电压网中的负载流的装置。
背景技术
在交流电压网中、特别是在分支的或网状的交流电压网中通常需要将负载流调节为，使得在交流电压网中流过的运行电流尽可能被平均地分配到交流电压网的并行的线路上。这特别是基于欧姆损耗与电流的二次方依赖关系，由此也决定性地影响能量传输的效率。此外，在交流电压网中必须控制无功功率产生和无功功率消耗。在由于可再生能源的使用增加而增加的待传输的能量量的范围内，现存的交流电压网的最优利用率明显变得更加重要。
用于控制负载流的装置按照现有技术尤其是作为无功补偿设备已知。例如在所谓的固定串联补偿(Fixed Series Compensation(FSC))中，使用串联接入交流电压网的交流电压线路中的电容器。
此外，已知静态的无功功率补偿器，其包括与交流电压线路并联布置的转换器。例如，文献WO 2013/087110 A1示出了一种具有三相支路的转换器，其在三角电路中彼此连接。每条相支路具有用于连接到三相交流电压网的与其相关联的相的连接点。在此，相支路分别经由耦合电感与交流电压网的相关联的相连接。每条相支路具有带有双极子模块的串联电路的相模块，其中，子模块被设计为所谓的全桥电路。相应地，每个子模块包括两个彼此并联连接的、功率半导体开关单元的串联电路，其中每个功率半导体开关单元包括可断开的功率半导体以及与其反并联的二极管。此外，每个子模块具有与两个串联电路并联连接的以电容器形式的能量存储器。每个子模块可以被控制为，使得在其极上降落电压，其对应于能量存储器电压，即电容器电压；对应于具有相反的极性的能量存储器电压；或者对应于零电压，即值为零的电压。由此，可以借助对子模块的合适控制，在转换器的相模块上产生阶梯状的交流电压。单个阶梯高度在此对应于电容器电压。此外，已知的转换器包括用于调节转换器的相支路中的电流的调节装置，从而可以在交流电压网中提供期望的电感性无功功率。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提供一种开头提到的类型的装置，其允许交流电网中的尽可能快速且可靠的负载流控制。
该技术问题对于这种装置通过串联接入交流电压网的相线中的双极开关模块的模块串联电路以及用于控制开关模块的控制装置来解决，其中，每个开关模块具有能量存储器以及可控的、可接通和断开的功率半导体，并且每个开关模块可以被控制为，使得在其极处产生对应于正或负的能量存储器电压或者对应于值为零的电压的开关模块电压；控制装置被设计为用于控制开关模块，使得可以在模块串联电路上产生周期性的纵向电压。
纵向电压可以理解为沿着电流线路或者沿着电流线路的一段施加的电压。特别地，纵向电压可以是模块串联电路的两个接头之间的电压。模块串联电路在此被设计为双极的，从而在相线中流过的总的相电流也流经根据本实用新型的装置。
利用根据本实用新型的装置，为交流电压网提供了快速的、基本上可连续调节的纵向电压源。因为相比于并联补偿，串联补偿仅须将相对小的电压馈入交流电压网中，以有效地影响负载流，所以可以有利地实现负载流控制的开销降低。
此外，除了基波振荡之外借助根据本实用新型的装置还可以有利地影响电压或电流的谐波振荡。由此可以快速衰减出现的不稳定。此外还可以从交流电压网中的特定的谐波振荡或瞬变过程中获取能量，以及以另外的、非临界的频率再次馈送向交流电压网中。
借助根据本实用新型的装置，可以产生预定的频率和相位的纵向电压。在此，来自于交流电压网的能量被中间存储在开关模块的能量存储器中。因此，装置首先可以将无功功率馈送到交流电压网中，其中，短时的有功功率馈送同样也是可以的。
为了产生周期性的纵向电压，控制装置例如以按照预定的时间顺序变换开关模块电压的极性的方式控制开关模块或者开关模块的功率半导体。因为所有开关模块的所有的功率半导体原则上可以彼此独立地开关，所以可以产生任意相位和频率的纵向电压。
为了有效地影响负载流而要产生的纵向电压相比于必须借助并联连接的设备馈送的横向电压要相对小。在交流电压电网中当传输电压超过100kV时，例如1kV至50kV的纵向电压可能已经足够。
对于多相的交流电压网，每个相线优选用与其相关联的模块串联电路构建。
当在多个模块串联电路之间可以进行能量传输时，可以实现关于较长时间的有功功率馈送。根据本实用新型的一种优选的实施方式，该装置还包括双极开关模块的另外的模块串联电路，其可以接入与相线连接的、交流电压网的输出线中并且可以借助其产生纵向电压；以及与模块串联电路和与另外的模块串联电路连接的能量交换装置，其被设计为用于在相线与输出线之间交换电能。相应地，在交流电压网的节点中可以在其节点支路之间，即在相线和也称为输出线的至少一个另外的节点支路之间，交换能量。因为相线和输出线基本上位于相同的电位上，所以相比于例如在交流电网和位于接地电位的能量源之间的能量交换，可以更简单地执行在相线和输出线之间的能量交换。
原则上还可以想到，模块串联电路与第一相线相关联，并且另外的模块串联电路与第二相线相关联，该第二相线与多相交流电网的另外的项相关联，并且借助能量交换装置可以执行第一和第二相线之间的能量交换。
优选地，能量交换装置包括第一逆变器，其在直流电压侧与模块串联电路的开关模块的至少一个的能量存储器连接并且在交流电压侧与母线连接；和第二逆变器，其在直流电压侧与另外的模块串联电路的开关模块的至少一个的能量存储器连接并且在交流电压侧与母线连接。相应地，从开关模块的直流电压侧的中间电路中获取待交换的能量并且传送给另外的模块串联电路的开关模块的直流电压侧的中间电路。还可以想到，模块串联电路和/或另外的模块串联电路的多个或所有开关模块经由与其相关联的逆变器与母线连接。这允许模块串联电路之间的特别有效的能量传输。
优选地，第一和第二逆变器分别经由变压器与母线连接。由此，有利地实现开关模块之间的电位分离。
根据本实用新型的一种实施方式，母线经由附加的变压器与另外的交流电压网连接。以这种方式，可以将额外需要的或者多余的有功功率与另外的交流电压网交换。
根据另一种实施方式，能量交换装置包括至少一个能量交换支路，在该能量交换支路中布置双极交换模块的串联电路，其中，每个交换模块具有能量存储器以及可控制的、可以接通和断开的功率半导体，并且可以被控制为，使得可以在其极处产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于值为零的电压的交换模块电压。通过合适地控制交换模块的功率半导体，可以实现模块串联电路或相线与输出线之间的能量交换。有利地，在此可以放弃提供变压器。
根据本实用新型的另一种实施方式，设置双极开关模块的多个附加的模块串联电路，其分别可以接入与其关联的、与相线连接的附加的输出线中，其中，能量交换装置与附加的模块串联电路连接并且被设计为用于相线、输出线和附加的输出线之间的能量交换。在此，能量交换装置可以具有多个能量交换支路，其分别在由大量的相线、输出线和附加的输出线组成的两条导线之间延伸并且可以进行能量交换。以这种方式可以在具有多个输出线的交流电压网的节点中实现负载流控制，其中，在单个输出线或相线中也可以持续地馈送有功功率。
相线和输出线之间的能量交换可以借助流过能量交换支路的回路电流实现。
根据本实用新型的一种实施方式，相线和输出线之间的能量交换支路形成环形结构和/或星形结构。环形结构或则星形结构可以包括由能量交换支路、相线的一部分和/或输出线的一部分形成的多个网孔。在这些网孔中可以通过对开关模块或者开关模块的功率半导体进行相应地控制，产生至少一个回路电流，从而进行能量交换或有功功率交换。
优选地，根据本实用新型的装置被设计为，用于控制多相、例如三相的交流电压网中的负载流。
开关模块被设计为全桥电路是有利的。全桥电路例如在WO 2013/087110 A1 中描述。
将开关模块设计为两个相反取向的半桥电路同样也是可以的。半桥电路例如从DE10103031 B4中已知。
当然，同样地还可以想到，模块串联电路具有另外的双极元件，其在建立串联电路时与子模块共同地连接到相线或输出线中。
根据本实用新型的一种实施方式，借助控制装置来控制接入交流电压网的输出线中的另外的模块串联电路的开关模块，使得在另外的模块串联电路上产生纵向电压，其中，借助与两个模块串联电路连接的能量交换装置在相线和输出线之间交换电能。由此也可以将有功功率持续地馈送到相线或者输出线中。
附图说明
此外，根据实施例在图1至图6中更详细地解释本实用新型。
图1以示意图示出了根据本实用新型的装置的第一实施例；
图2以示意图示出了根据本实用新型的装置的第二实施例；
图3以示意图示出了根据本实用新型的装置的第三实施例；
图4以示意图示出了根据本实用新型的装置的第四实施例；
图5以示意图示出了根据本实用新型的装置的第五实施例；
图6以示意图示出了图1至图5的根据本实用新型的装置的开关模块的实施例。
具体实施方式
图1详细示出了用于控制交流电压网2中负载流的装置1的实施例。交流电压网2包括第一、第二和第三相线21、22、23以及地线24。在相线21、22、 23之间降落超过100kV的相电压。例如，第二相线22和第三相线23之间的相电压U23为400kV。相应地，第三相线23和地线24之间降落大约230V的差电压U3E。所有相电压在这种情况下为交流量。
第一模块串联电路3串联接入第一相线21。第一模块串联电路3在此被设计为双极的，从而总的相电流I21也流经模块串联电路3。
第一模块串联电路3包括双极开关模块6的串联电路，其在该示例中都被设计为全桥电路。随后结合图6的解释更详细地介绍开关模块6的结构。
装置1还包括接入第二相线22的第二模块串联电路4，和接入第三相线23 的第三模块串联电路5。第二和第三模块串联电路4或5的结构在该实施例中与第一模块串联电路3的结构相同。
此外，装置1还包括控制装置20，其适用于，对开关模块6的功率半导体开关进行控制。以这种方式可以在每个开关模块6的接头上调节开关模块电压。因此，在第一模块串联电路3上可以总体上调节纵向电压UL，其对应于单个开关模块的开关模块电压的总和。在此需要说明的是，第一模块串联电路3在图1 的示图中具有十二个开关模块6。然而，开关模块6的数量基本上是任意的，并且可以匹配于相应的应用。
相应地也适用于第二和第三模块串联电路4和5。
因为开关模块6可以彼此独立地控制，所以可以调节任意波形的纵向电压 UL。以这种方式可以将非常快速地变化的、用于直接影响负载流的电感性和/ 或电容性电压馈送到交流电压网2中。这特别是在电网中具有变压器的串联电路中和在开关装置的输出端处也是可以的。
图2在交流电压网2的节点7处示出了根据本实用新型的装置1的第二实施例。为了清楚起见，在图1和图2中，相同的或类似的部件和元件具有相同的附图标记。此外，这也适用于图3至图5的示图。
相线21和输出线21a在节点7汇合。图2的交流电压网2是三相的。然而，为了清楚起见仅图形地示出了交流电压网2的第一相。
装置1包括与相线21串联布置的第一模块串联电路3，以及与输出线21a 串联布置的另外的模块串联电路3a。模块串联电路3和3a的结构对应于图1中的模块串联电路3的结构。
根据图2中示出的实施例，装置2还包括能量交换装置8。能量交换装置8 与第一模块串联电路3以及与另外的模块串联电路3a连接。借助能量交换装置 8可以在相线21和输出线21a之间交换能量。借此可以持续地将有功功率馈送到相线21或者输出线21a中，并且因此例如也补偿在相线21或输出线21a上的不同的电压降。
图3示出了根据本实用新型的装置1的另一个实施例。第一模块串联电路3经由能量交换装置8与另外的模块串联电路3a连接。与模块串联电路3的第一开关模块6a能量存储器31并联地连接了第一逆变器9a。相应地，第一逆变器9a在直流电压侧与能量存储器31连接，并且在交流电压侧经由第一变压器 10a与母线11连接。
模块串联电路3的第二开关模块6b以相同的方式经由第二逆变器9b和第二变压器10b与母线11连接。
相应地，另外的模块串联电路3a的第一开关模块6c和第二开关模块6d经由与其相关联的逆变器9c和9d以及变压器10c和10d与母线11连接。逆变器的接头分别与开关模块6c和6d的能量存储器31并联。
逆变器9a-d相应地可以从能量存储器31中获取能量并且作为交流电压将该能量馈送到母线11中。反之，能量可以从母线11传输到能量存储器31中。在这种情况下，逆变器9a-d作为整流器工作。
在图3中示出的实施例中，仅模块串联电路3、3a的两个开关模块6a-d分别与母线11连接。然而，这种包括逆变器和/或变压器的连接可以与模块串联电路的一些另外的或者所有的开关模块相关联。
此外，母线11还与附加的变压器12连接，借助该变压器12，另外的交流电压网13与母线电位分离地连接。以这种方式可以在另外的交流电压网13和交流电压网3之间同样地交换能量。
图4示出了装置1的另一个实施例的多相交流电压网2的一相。交流电压网2包括相线21以及第一、第二和第三附加的输出线21a、21b和21c。交流电压网2还包括另外的输出线，然而，其在图4中并未图形地示出。
相线21以及输出线21a-c分别具有模块串联电路3或3a-c，所有这些被相同地构建为图1的模块串联电路3。此外，开关元件14a-d分别与相线21和输出线21a-c相关联，借助开关元件14a-d可以将线路彼此分开。
装置1的能量交换装置8包括相线21和附加的输出线21a-c之间的能量交换支路15a-d。在连接支路15a-c中分别布置交换模块17的串联电路16a-d，其中，交换模块17被相同地构建为开关模块6。
能量交换支路15a-d形成环形结构。因此其允许相线21和输出线21a-c之间的能量交换。借助模块串联电路3、3a-c以及交换模块17的串联电路16a-d 可以产生负责交换有功功率的回路电流。在图4中，为了清楚起见仅图形地示出了可能的回路电流中的两个：第一回路电流Ikr1，其可以在由相线21、第一输出线21a以及第一能量交换支路15b形成的网孔中产生，以及第二回路电流 Ikr2，其可以在由第二输出线21b、第三输出线21c以及第三能量交换支路15c 形成的网孔中产生。
图5示出了根据本实用新型的装置1的另一个实施例。图5的装置1与图 4的装置1的不同之处在于，图5的实施例中的能量交换支路15a-d形成星形结构。所有的能量交换支路15a-d汇合到共同的星形中性点19。然而，在此也可以产生负责交换能量的回路电流。回路电流Ikr3例如可以在由第二输出线21b、第三能量交换支路15c、第四能量交换支路15d和第三输出线21c形成的网孔中产生。
图6示出了图1至图5的根据本实用新型的装置1的开关模块6的结构。图3的开关模块6a-d在此被同样地设计。
开关模块6被设计为全桥电路。通过相应地控制单个功率半导体301，可以向功率电容器31输送能量或者从其获取能量。以这种方式可以在开关模块6 的接头或极32和33上调节在能量存储器上降落的电压、相反取向的电压或者电压零。在此，关于转换器3和开关模块6的结构的其他细节和工作方式参见前面提及的文献WO 2015/003737 A1。

Claims (12)

1.一种用于控制交流电压网(2)中的负载流的装置(1)，其具有
-能够串联接入交流电压网(2)的相线(21)中的双极开关模块(6)的模块串联电路(3)，其中每个开关模块具有能量存储器(31)以及可控的、可接通和断开的功率半导体(301)，并且能够控制为，使得在其极(32，33)处能够产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于值为零的电压的开关模块电压，和
-控制装置(20)，用于控制开关模块(6)，所述控制装置被设计为，用于控制开关模块(6)，使得能够在模块串联电路(3)上产生周期性的纵向电压。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)还包括
-双极开关模块(6)的另外的模块串联电路(3a)，其能够接入与相线(21)连接的交流电压网(2)的输出线(21a)中并且能够借助其产生纵向电压，以及
-能够与模块串联电路(3)和与另外的模块串联电路(3a)连接的能量交换装置(8)，其被设计为用于交换相线(3)与输出线(3a)之间的电能。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述能量交换装置(8)包括
-第一逆变器(9a)，其在直流电压侧与模块串联电路(3)的开关模块(6)的能量存储器(31)连接并且在交流电压侧与母线(11)连接，和
-第二逆变器(9c)，其在直流电压侧与另外的模块串联电路(3a)的开关模块(6)的能量存储器(31)连接并且在交流电压侧与母线(11)连接。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，第一和第二逆变器(9a，9c)分别经由变压器(10a，10c)与母线(11)连接。
5.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，所述母线(11)经由附加的变压器(12)与另外的交流电压网(13)连接。
6.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述能量交换装置(8)包括至少一个能量交换支路(15a)，在该能量交换支路中布置双极交换模块(17)的串联电路(16a)，其中，每个交换模块(17)具有能量存储器(31)以及可控制的、可接通和断开的功率半导体(301)，并且能够控制为，使得能够在其极处产生对应于正或负的能量存储器电压的或者对应于值为零的电压的交换模块电压。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的装置(1)，其特征在于，设置双极开关模块(6)的多个附加的模块串联电路(3a-c)，其分别能够接入与其关联的、与相线(21)连接的附加的输出线(21a-c)中，其中，能量交换装置(8)与附加的模块串联电路(3a-c)连接并且被设计为用于相线(21)、输出线和附加的输出线(21a-c)之间的能量交换。
8.根据权利要求7所述的装置(1)，其特征在于，所述能量交换装置(8)包括相线和输出线之间的能量交换支路(15a-d)，其形成环形结构。
9.根据权利要求7所述的装置(1)，其特征在于，所述能量交换装置(8)包括相线和输出线之间的能量交换支路(15a-d)，其形成星形结构。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)被设计为用于控制多相的交流电压网(2)中的负载流。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述开关模块(6)被设计为全桥电路。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述开关模块(6)分别被设计为两个相反取向的半桥电路。
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