CN209358448U - 具有星形中性点形成器的变换器装置 - Google Patents

具有星形中性点形成器的变换器装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种变换器装置(1)，其具有能够连接在交流电压网和直流电压电路之间的变换器(2)，所述变换器具有功率半导体阀，所述功率半导体阀分别在交流电压接头(4)和直流电压接头(3)之间延伸，其中每个功率半导体阀包括双极子模块的串联电路，所述双极子模块包括功率半导体；以及具有在变换器的交流电压侧布置的星形中性点形成器(7)，所述星形中性点形成器具有连接为接地星形中性点的电抗器线圈(9，10，11)。为了进一步改善质量直流电压电路中的电压的对称性，所述电抗器线圈根据本实用新型具有共同的线圈铁芯(13)。

Description

具有星形中性点形成器的变换器装置
技术领域
本实用新型涉及一种变换器装置，其具有可以连接在交流电压网和直流电压电路之间的变换器，所述变换器具有功率半导体阀，所述功率半导体阀分别在交流电压接头和直流电压接头之间延伸，其中每个功率半导体阀包括双极子模块的串联电路，所述双极子模块包括功率半导体；以及具有在变换器的交流电压侧布置的星形中性点形成器，所述星形中性点形成器具有连接为接地星形中性点的电抗器线圈。
背景技术
这种变换器装置从DE 10 2009 034 354 Al中已知。已知的变换器装置被设计为，使得可以在交流电压网和直流电压网之间进行电能传输。为此，变换器借助直流电压接头与直流电压电路或直流电压线路连接，并且借助交流电压接头与交流电压网连接。在此，变换器装置例如可以是高压直流电传输装置的一部分。已知的变换器装置的变换器是所谓的模块化的多级变换器(MMC)。MMC的每个功率半导体阀包括双极子模块的串联电路。所述子模块又包括功率半导体开关和(大多数以电容器形式的)能量存储器。功率半导体开关与能量存储器连接为，使得可以通过合适地控制功率半导体开关在子模块的极或者端子上产生零电压或者产生在能量存储器上降落的能量存储器电压。功率半导体开关和子模块可以彼此独立地控制，从而可以借助MMC在交流电压侧产生阶梯状的变换器交流电压，所述变换器交流电压的阶梯高度基本上由能量存储器电压和可由功率半导体阀的子模块的数量产生的阶梯数量来确定。基于MMC的结构和工作方式，直流电压电路的极相对于接地电位基本上具有带有不同高度值的电压。特别地，在一种实施中，作为所谓的对称单极，变换器或者直流电压电路没有固定连接到接地电位。在这种情况下，在绝缘体表面流向接地的表面层电流导致形成的流向接地的直流电流。这种形成的直流电流可能对变换器的交流电压侧产生不利影响。已知的变换器装置的星形中性点形成器被设置为，使得直流电压电路中的电压相对于接地电位对称。为此，电抗器线圈被设计为，使得其针对具有交流电压网的基波振荡频率的交流电流呈现出到接地电位具有高阻抗的电流路径。同时，针对直流电流，电抗器线圈形成到接地电位具有低阻抗的电流路径。以这种方式，实现了变换器装置到接地电位的电位连接。在此，星形中性点形成器在交流电压侧与交流电压网并联地布置在变换器与变压器之间。星形中性点形成器的每个电抗器线圈在背向星形中性点的一侧与交流电压网的、与所述电抗器线圈相关联的相连接，或者可以经由开关单元连接。具有交流电压网的基波振荡频率(该基波振荡频率通常为50Hz或者60Hz)的交流电流不能流经星形中性点形成器。反之，由于电压的不对称性在直流电压电路中形成的直流电流可以流经星形中性点形成器并且由此使其对称。
从O.Samuelsson的文章“Power Transformer immune to GeomagneticallyInduced Currents”，IEEE 2013，中已知一种变压器的布置，其中借助补偿绕组减小形成的直流电流对变压器的磁化的影响。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种变换器装置，其中可以实现直流电压电路的进一步改善的对称性。
该技术问题在这种变换器装置中通过如下来解决，即，电抗器线圈具有共同的线圈铁芯。
因此，电抗器线圈由共同的线圈铁芯穿过，所述线圈铁芯合适地由铁磁性材料，例如由铁构成。电抗器线圈例如可以实施为没有次级绕组的变压器。合适地，线圈铁芯是多芯柱的，对于三相交流电压网相应的是三芯柱的。
根据本实用新型的优点在于，通过共同的线圈铁芯构成交流电压网的各个相到星形中性点的交流电流的高的正序系统电感。在对称的交流电压系统中，共同的线圈铁芯中的磁通量相加为零。因此，通过磁耦合显著增大了正序系统的阻抗，正序系统电感有效地限制基波振荡频率的交流电流。
附加的优点由根据本实用新型的变换器装置的星形中性点形成器相对于直流电流的增加的电流承载能力产生。
此外，磁耦合的电抗器线圈可以彼此安装在共同的壳体中，由此产生星形中性点形成器的特别紧凑的结构形式。此外，在这种情况下可以借助油或者酯在共同的壳体中提供绝缘。
优选地，每个电抗器线圈由共同铁芯的与各个电抗器线圈相关联的部分铁芯穿过，其中每个部分铁芯限定气隙。在此，气隙分别测定为，使得每个电抗器线圈对于预设的变换器直流电流具有预定的电感和预定的饱和点。因此，在共同的线圈铁芯的部分铁芯中有针对性地引入气隙。借助相关的气隙或者气隙的宽度，可以相应地有针对性地控制电抗器线圈的饱和点。这有利地允许设置在电抗器线圈的电感中的定义的饱和点(也称为饱和拐点)，如其例如在变换器装置中的故障状态下是有利的。饱和点指的是电压的时间积分Ф与直流电流IDC的依赖关系的表示，其中饱和点指示在低直流电流情况下的不饱和电感L1与高直流电流情况下的饱和电感L2之间的范围内的电感L＝ΔФ/ΔIDC的快速变化(弯折)。通常，不饱和电感L1高于饱和电感L2。以这种方式，可以有针对性地实现正常运行情况下电抗器线圈的预定的不饱和电感，以及故障情况下的饱和电感。特别地，在故障情况下、例如在直流电压电路中不对称接地的情况下，小的电感是有利的，因为由此可以实现故障电流的相对小的衰减时间。
优选地，变换器装置还包括零系统电抗器，其布置在星形中性点和接地连接之间。零系统电抗器可以配备有铁磁性铁芯、优选地配备有铁制铁芯。此外，所述铁制铁芯具有气隙，所述气隙允许有针对性地确定零系统电抗器的饱和点和电感。零系统电抗器被设置为，用于通过星形中性点形成器限制零系统电流的增长速度。此外，由交流电流的三次谐波引起的电流同样可以借助零系统电抗器抑制。通常，产生这种关于基波振荡频率的三次谐波能够降低变换器装置中的绝缘水平。通过零系统电抗器可以实现针对交流电压的这种三次谐波的高的阻抗。
例如可以在变换器的交流电压侧布置的变压器与变换器的交流电压接头之间布置星形中性点形成器。在此，电抗器线圈可以与变压器并联地与交流电压线路的与所述电抗器线圈相关联的相是可直接连接的。
优选地，给星形中性点形成器的每个电抗器线圈分配补偿绕组，其中补偿绕组布置在星形中性点和接地之间的电气串联电路中，其中补偿绕组和电抗器线圈具有共同的线圈铁芯。通过补偿绕组可以进一步提高相对于交流电压网的基波振荡频率的阻抗。在此，补偿绕组的匝数例如可以是电抗器线圈的匝数的1/3。本实用新型的这种实施方式具有如下优点，即，星形中性点形成器在正常运行中具有相对低的零系统阻抗，并且在直流电压侧出现故障的情况下具有高的零系统阻抗。
在一些应用中是有利的是，在变换器的交流电压侧布置变压器。变压器具有电网侧的以及变换器侧的绕组，并且将变换器与电网侧的交流电压网连接。电网侧的绕组例如可以以星形布置来布置，变换器侧的绕组例如可以以三角形或者星形布置来布置。变换器侧的星形布置的星形中性点可以接地。在这种情况下，由交流电压电路中的不对称性形成的直流电流(也称为接地电流)可以引起变压器中的不利的预先磁化。
根据本实用新型的一种实施方式，星形中性点形成器的电抗器线圈被设计为变压器的变换器侧的绕组，所述变压器布置在变换器的交流电压侧。同时，补偿绕组被设计为变压器的第三绕组，其中补偿绕组的绕线方向与相关联的电抗器线圈的绕线方向相反，并且变压器和星形中性点形成器具有共同的线圈铁芯。因此，共同的线圈铁芯穿过变压器的电网侧和变换器侧的绕组也穿过补偿绕组。根据这种实施方式，变换器装置中的形成的电流分散地流过变压器的变换器侧的绕组并且一起流过补偿绕组。通过相反取向的补偿绕组来补偿在线圈铁芯中形成的磁场电压。以这种方式有利地避免了之前描述的变压器的预先磁化。此外，由这种效果还可以得到变压器中的干扰噪声的减小。
根据本实用新型的另外的实施方式，在变换器的交流电压侧布置的变压器与变换器的交流电压接头之间布置星形中性点形成器，其中补偿绕组的绕线方向与电抗器线圈的绕线方向相同。根据该实施方式，补偿绕组形成串联电路，所述串联电路一方面星形中性点形成器的星形中性点连接，另一方面与接地接头连接。每个补偿绕组的绕线方向与相关联的电抗器线圈的绕线方向相同。该布置的优点在于，在正常运行中的特别高的零系统阻抗，和在直流电压侧发生故障的情况下的低的零系统阻抗。在此，为了有针对性地确定零系统电感和饱和点，还可以将气隙引入共同的线圈铁芯的每个铁芯柱中。此外还可以有效抑制交流电压中的三次谐波。
优选地，星形中性点形成器具有开关单元，所述开关单元布置在补偿绕组和接地或者接地接头之间。开关单元优选地包括由电阻元件和开关元件组成的并联电路。电阻元件可以是非线性的电阻元件。开关元件合适地具有针对直流电流的双向关断能力，即合适地是双向直流开关。在正常运行中，可以闭合开关元件。在直流电压电路中出现接地连接时(例如架空线中的雷击)，可以断开开关元件。以这种方式，可以限制相应的故障电流。此外可以实现故障电流的短的衰减时间。
优选地，开关单元包括至少一个机械断路器和/或至少一个半导体开关。例如，开关元件可以包括本领域技术人员已知的IGBT(integrated gate bipolar transistors)，所述IGBT被设计为所谓的固体直流断路器(solid state DC breaker)。替换地或者组合地，开关元件可以是相应连接的机械断路器。电阻元件例如可以是响应电压为50kV至100kV的非线性的电阻元件(过电压放电器)。
优选地，星形中性点形成器包括另外的过电压放电器，其与补偿绕组并联地连接在星形中性点和接地之间。过电压放电器负责在故障情况下限制电压。
根据本实用新型的一种实施变形，每个子模块具有带有四个可断开的功率半导体和能量存储器的全桥电路，所述功率半导体与能量存储器连接为，使得在子模块的输出端子上可以产生在能量存储器上降落的电压、零电压或者反向能量存储器电压。
根据另外的实施变形，每个子模块具有带有两个可断开的功率半导体和能量存储器的半桥电路，所述功率半导体与能量存储器连接为，使得在子模块的输出端子上可以产生在能量存储器上降落的电压或者零电压。
此外还可以想到，变换器的子模块的一部分被设计为全桥电路，子模块的另一部分被设计为半桥电路。
在此要指出的是，本实用新型的应用不限于模块化的多级变换器。例如可以想到，子模块分别包括可接通和断开的功率半导体和反并联的续流二极管。在这种情况下，变换器被设计为中间电路变换器，其具有在其中布置了中间电路电容器的直流电压中间电路。
附图说明
下面参考图1至图4中示出的实施例进一步解释本实用新型。
图1以示意图示出了根据本实用新型的变换器装置的第一实施例；
图2以示意图示出了根据本实用新型的变换器装置的第二实施例；
图3以示意图示出了根据本实用新型的变换器装置的第三实施例；
图4以示意图示出了根据本实用新型的变换器装置的变换器的实施例。
具体实施方式
图1详细示出了变换器装置1。变换器装置1包括变换器2。变换器2具有直流电压侧，所述直流电压侧可以借助直流电压接头3与直流电压电路、例如与设备的直流电压中间电路或者直流电压网连接。此外，变换器2具有交流电压侧，所述交流电压侧2可以借助交流电压接头4与交流电压网5连接，所述交流电压网5在所示的示例中是三相的。在图1中示出的实施例中，到交流电压网5的连接经由变压器6实现。变压器6包括电网侧的绕组61和在变压器6的面向变换器2的一侧的变换器侧的绕组62。电网侧的绕组61和变换器侧的绕组62分别以星形电路彼此连接。
然而，原则上也可以是变压器的任何其他合适的配置，例如星形-三角结构。
在变压器6和变换器2之间布置星形中性点形成器7，所述星形中性点形成器7与交流电压网5并联连接，或者连接在交流电压网5的相和接地接头8之间。
星形中性点形成器7包括第一电抗器线圈9、第二电抗器线圈10和第三电抗器线圈11。每个电抗器线圈9-11与交流电压网5的与所述电抗器线圈9-11相关联的相连接。在背向交流电压网5的一侧，电抗器线圈9-11共同连接到星形中性点12。这三个电抗器线圈9-11具有共同的线圈铁芯13。在此，每个电抗器线圈9、10或11由共同的线圈铁芯13的部分铁芯14、15或16穿过。每个部分铁芯14、15或16具有气隙17、18或19，所述气隙的作用已经在之前描述。
在共同的星形中性点12和接地接头或者接地连接之间布置零系统电抗器20，所述零系统电抗器20具有带有气隙的自身的铁制铁芯210。
电抗器线圈9-11以及零系统电抗器20布置在共同的壳体21中，所述壳体提供例如油绝缘、SF6绝缘、酯绝缘等。
在零系统电抗器20的串联电路中存在用于限制电流的电阻元件22。与由零系统电抗器20和电阻元件22组成的串联电路并联地，布置用于限制电压的过电压放电器23。
图2示出了变换器装置25的第二实施例。在图1和图2中，变换器装置1或25的相同的或者类似的元件具有相同的附图标记。为清楚起见，在图2的图示中未详细示出部分铁芯14-16的气隙。然而，线圈铁芯13的结构在此基本上对应于图1的线圈铁芯13的结构。
图2的变换器装置25与图1的变换器装置1的区别在于，给第一电抗器线圈9分配第一补偿绕组26，给第二电抗器线圈10分配第二补偿绕组27，以及给第三电抗器线圈11分配第三补偿绕组28。补偿绕组26-28布置在共同的星形中性点12与接地接头8之间的串联电路中。可以看到，共同的线圈铁芯13也穿过补偿绕组26-28。电抗器线圈9-11和补偿绕组26-28的绕线方向在图2中借助点29指示。可以看到，补偿绕组26-28的绕线方向与电抗器线圈9-11的绕线方向相同。
此外，变换器装置25还包括开关单元30，所述开关单元30布置在补偿绕组26-28和接地接头8之间。开关单元30包括由开关元件31和非线性的电阻元件32组成的并联电路。在所示的实施例中，开关元件31是具有由多个功率半导体开关组成的串联电路的固体断路器。星形中性点形成器7中的直流电流的方向由箭头33表示。
图3示出了变换器装置35的第三实施例。在图1和图2中，变换器装置1、25或35的相同的或者类似的元件具有相同的附图标记。为清楚起见，在图2的图示中未详细示出部分铁芯14-16的气隙。然而，线圈铁芯13的结构在此基本上对应于图1的线圈铁芯13的结构。变换器装置35的电抗器线圈9-11被实施为变压器6的变换器侧的绕组62。为清楚起见，仅图示地示出变压器6的三个电网侧的绕组中的一个61。然而可以看到，线圈铁芯13的芯柱或者部分铁芯14-16穿过电抗器线圈9-11、电网侧的绕组61以及补偿绕组26-28。不同于图2的实施，变换器装置35的补偿绕组26-28的绕线方向与电抗器线圈9-11的绕线方向相反。以这种方式实现了线圈铁芯13的磁化的补偿，由此可以避免变压器6的预先磁化。所形成的直流电流的相应的方向在图3中由箭头33表示。
图4示出了图1至图3的变换器装置中的一个的变换器2。变换器2连接在交流电压接头4和直流电压接头3之间。由此，变换器2在直流电压侧可以与直流电压线路或者直流电压网连接，在交流电压侧可以与交流电压网连接。变换器2是模块化的多级变换器(MMC)。所述MMC具有在直流电压侧和交流电压侧之间布置的功率半导体阀121-126。
每个功率半导体阀121-126包括双极子模块127的串联电路和平滑电抗器128。在图2中示出的实施例中，所有的子模块127被相同地构建，然而这通常不是必须的。借助虚线129在图4中表示，每个功率半导体阀121-126可以具有比图4中详细示出的两个子模块127更多数量的子模块127。
每个子模块127包括两个半导体开关130，其分别与续流二极管301反并联连接，还包括以电容器131形式的能量存储器。由此子模块127被设计为半桥电路。子模块127的半导体开关130可以彼此独立地控制。
代替半桥电路，子模块还可以例如实现为本领域技术人员已知的全桥电路。
此外，变换器2还包括测量装置321-300，其被设计用于测量电路和/或电压。
此外还设置了图4中未详细示出的、用于调节变换器2的调节单元。

Claims (12)

1.一种变换器装置，其具有
-能够连接在交流电压网(5)和直流电压电路之间的变换器(2)，所述变换器具有功率半导体阀(121-126)，所述功率半导体阀分别在交流电压接头(4)和直流电压接头(3)之间延伸，其中每个功率半导体阀(121-126)包括双极子模块(127)的串联电路，所述双极子模块包括功率半导体(130)，以及
-在变换器(2)的交流电压侧布置的星形中性点形成器(7)，所述星形中性点形成器具有连接为接地星形中性点的电抗器线圈(9，10，11)，
其特征在于，所述电抗器线圈(9，10，11)具有共同的线圈铁芯(13)。
2.根据权利要求1所述的变换器装置，其特征在于，每个电抗器线圈(9，10，11)由共同的线圈铁芯(13)的与各个电抗器线圈相关联的部分铁芯(14，15，16)穿过，并且其中每个部分铁芯(14，15，16)限定气隙(17，18，19)，其中，所述气隙(17，18，19)分别测定为，使得每个电抗器线圈(9，10，11)对于预设的变换器直流电流具有预定的电感和预定的饱和点。
3.根据权利要求1所述的变换器装置，其特征在于，在星形中性点(12)和接地连接(8)之间布置零系统电抗器(20)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器装置，其特征在于，在变换器(2)的交流电压侧布置的变压器(6)与变换器(2)的交流电压接头(4)之间布置所述星形中性点形成器(7)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器装置，其特征在于，给星形中性点形成器(7)的每个电抗器线圈(9，10，11)分配补偿绕组(26，27，28)，其中所述补偿绕组(26，27，28)布置在星形中性点(12)和接地连接(8)之间的电气串联电路中，其中补偿绕组(26，27，28)和电抗器线圈(9，10，11)具有共同的线圈铁芯(13)。
6.根据权利要求5所述的变换器装置，其特征在于，星形中性点形成器(7)的电抗器线圈(9，10，11)被设计为变压器(6)的变换器侧的绕组，所述变压器布置在变换器(2)的交流电压侧，并且补偿绕组(26，27，28)被设计为变压器(6)的第三绕组，其中补偿绕组(26，27，28)的绕线方向与相关联的电抗器线圈的绕线方向相反，并且变压器(6)和星形中性点形成器(7)具有共同的线圈铁芯(13)。
7.根据权利要求5所述的变换器装置，其特征在于，在变换器(2)的交流电压侧布置的变压器(6)与变换器(2)的交流电压接头(4)之间布置所述星形中性点形成器(7)，其中补偿绕组(26，27，28)的绕线方向与电抗器线圈(9，10，11)的绕线方向相同。
8.根据权利要求7所述的变换器装置，其特征在于，所述星形中性点形成器(7)具有开关单元(30)，所述开关单元布置在补偿绕组(26，27，28)和接地连接(8)之间。
9.根据权利要求8所述的变换器装置，其特征在于，所述开关单元(30)包括至少一个机械断路器和/或至少一个半导体开关(31)。
10.根据权利要求5所述的变换器装置，其特征在于，所述星形中性点形成器(7)包括过电压放电器(23)，所述电压放电器在星形中性点(12)和接地连接(8)之间与补偿绕组(26，27，28)并联连接。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器装置，其特征在于，每个子模块(127)具有全桥电路，其具有四个可断开的功率半导体和能量存储器，所述功率半导体与能量存储器连接为，使得在子模块的输出端子上能够产生在能量存储器上降落的能量存储器电压、零电压或者反向能量存储器电压。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器装置，其特征在于，每个子模块(127)具有半桥电路，其具有两个可断开的功率半导体(130)和能量存储器(131)，所述功率半导体与能量存储器(131)连接为，使得在子模块(127)的输出端子上能够产生在能量存储器上降落的能量存储器电压或者零电压。
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