CN212231102U - 用于稳定交流电网的设备 - Google Patents

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CN212231102U CN201890000772.7U CN201890000772U CN212231102U CN 212231102 U CN212231102 U CN 212231102U CN 201890000772 U CN201890000772 U CN 201890000772U CN 212231102 U CN212231102 U CN 212231102U
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Abstract

本实用新型涉及一种用于稳定交流电网(2)的设备(1)，所述设备具有变换器(3)，所述变换器能够与交流电网连接，并且所述变换器被配置为用于与交流电网交换无功功率。本实用新型的特征在于：具有可变扼流圈线圈(14)的扼流圈装置(12)，所述扼流圈装置能够与交流电网连接；以及调节设备(17)，所述调节设备被配置为用于借助所述变换器以及借助所述扼流圈装置来调节交流电网中的无功功率。

Description

用于稳定交流电网的设备
技术领域
本实用新型涉及一种用于稳定交流电网的设备，该设备具有变换器，变换器可以与交流电网连接，并且变换器被配置为用于与交流电网交换无功功率。
背景技术
这种设备从WO 2010/115471 A1中已知。这种已知的设备通常用于稳定交流电网，其中，减小交流电网中的电压波动，与交流电网交换无功功率，并且使交流电网中的干扰最小化。
这种已知的设备的变换器是所谓的模块化的多级变换器。其具有多个变换器臂，其中，变换器臂例如可以以三角形电路或者星形电路彼此连接。每个变换器臂包括多个双极开关模块的串联电路。在此，每个开关模块包括多个半导体开关以及中间电路电容器，其以本领域技术人员已知的全桥电路彼此连接。
这种变换器经常也称为STATCOM(Static Synchronous Compensator，静态同步补偿器)。STATCOM的开关模块的半导体开关是彼此独立地可控的，由此STATCOM可以产生具有几乎任意的时间走向的阶梯形状的交流电压。
这种已知的设备的缺点在于相对高的运行成本。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提出一种尽可能高效并且低成本的这种类型的设备。
根据本实用新型，上述技术问题通过根据本实用新型的设备来解决。因此，根据本实用新型的用于稳定交流电网的设备具有变换器，变换器能够与交流电网连接，并且变换器被配置为用于与交流电网交换无功功率。所述设备还包括具有可变扼流圈线圈的扼流圈装置以及调节设备，扼流圈装置可以与交流电网连接，调节设备被配置为用于借助变换器以及借助扼流圈装置来调节交流电网中的无功功率。扼流圈装置形成所谓的VSR(varibleshunt reactor，可变并联电抗器)。其在连接到交流电网时，可以影响无功功率。可变扼流圈例如可以是可借助分级开关可变地调节其电感的扼流圈。每个扼流圈可以配备有铁芯和/或气隙。
因此，所述设备将在运行中相对成本密集的变换器与相对低成本的扼流圈装置组合，使得借助共同的调节设备，可以尽可能有效地使用所述设备来稳定交流电网。在此，与在从现有技术中已知的设备的情况下相比，仅需要针对较小的功率范围设计变换器。这附加地使所述设备的成本降低。
依据合适的调节预给定参数，调节设备能够选择性地借助扼流圈装置或者变换器来调节交流电网中的无功功率，并且抵消交流电网中的电压波动。
适宜地，调节设备被配置为以如下方式借助变换器和扼流圈装置来调节无功功率，即，在交流电网中存在瞬态电压波动的情况下，可以借助变换器调节无功功率，并且在交流电网的稳定工作范围内，可以借助扼流圈装置调节无功功率。由于变换器可以非常快速并且灵活地对交流电网中的快速的电压波动作出反应，因此使用变换器在这些情况下是特别有效的。在此，瞬态电压波动是在几秒钟内发生的电压波动。特别是，借助变换器，可以在2至 3个电网周期的时间范围内，对瞬态的欠电压或者过电压进行补偿。由于例如机械分级开关等进行开关时的延迟，可变扼流圈不适合这种短时间标度上的无功功率调节。在超过一分钟的时间标度上，在这种情况下相应地已经假定为稳定状态。因此，在稳定状态下，扼流圈装置可以进行交流电网的稳定。以这种方式，在设备的高性能的情况下，可以实现特别大的成本优势。
根据本实用新型的一个实施方式，调节设备被配置为控制变换器，使得可以借助变换器至少部分地对开关电压波动进行补偿，开关电压波动在交流电网中由于扼流圈装置的开关过程而形成。以这种方式，可以实现所述设备的特别有利的协同效果：通过借助变换器改善扼流圈装置的稳定性能，所述设备的可靠性提高。开关电压波动例如可能由于分级开关进行开关而发生，因为扼流圈装置的电感的每一个逐步的变化都作为系统响应在交流电网中产生电压波动。这些开关电压波动通常是不希望的。
优选扼流圈装置包括可变扼流圈，可变扼流圈连接到隔离的星形点，其中，每个扼流圈在其远离星形点的一端与如下开关单元电连接，借助该开关单元，扼流圈可以连接到与其相关联的交流电网的相。每个可变扼流圈可以由单个扼流圈的串联电路构成。因此，可变扼流圈的数量以合适的方式对应于交流电网的相的数量。
根据本实用新型的一个实施方式，扼流圈装置和变换器可以借助共同的开关装置与交流电网连接。以这种方式，可以实现特别简单并且低成本的设备与交流电网的连接。
根据本实用新型的另一个实施方式，扼流圈装置和变换器可以分别借助单独的开关装置与交流电网连接。由于根据该实施方式的扼流圈装置和变换器可以单独地并且彼此独立地与交流电网连接或者从交流电网断开，因此在这种情况下，在设备运行时得到特别高的灵活性。
优选变换器是模块化的多级变换器。以这种方式，提供前面已经描述的 STATCOM，其可以在交流电网中提供特别灵活的无功功率补偿。
优选扼流圈装置被设计为用于+-100Mvar(兆伏安培)与+-300Mvar之间的功率范围。利用这种设计，也可以借助扼流圈装置来稳定具有超过100 kV的(例如相-相)电压的交流电网。
优选变换器被设计为用于+-10Mvar至+-400Mvar之间的功率范围。由此，变换器被设计为足够用于高压电网中的无功功率补偿。
优选在交流电网中存在瞬态电压波动的情况下，借助变换器调节无功功率，并且在交流电网的稳定工作范围内，借助扼流圈装置调节无功功率。特别是，在稳定工作范围内，变换器可以返回到工作点0Mvar，这有利地使设备的运行成本降低。
特别优选借助调节设备控制变换器，使得借助变换器至少部分地对开关电压波动进行补偿，开关电压波动在交流电网中由于扼流圈装置的开关过程而形成。
所有先前描述的根据本实用新型的设备的优选特征，可以单独或者以组合的方式实现。
附图说明
下面，借助图1至3所示的实施例来解释本实用新型。
图1以示意图示出了根据本实用新型的设备的第一实施例；
图2以示意图示出了根据本实用新型的设备的第二实施例；
图3示出了用于图1和2的设备中的一个的变换器的开关模块的示例。
具体实施方式
在图1中，以所谓的单线图(“single line diagram”)示出了用于稳定交流电网2的设备1。在所示出的示例中，交流电网2是具有400kV的电压和 50Hz的频率的能量供应网络。
设备1包括变换器3。变换器3包括以三角形电路彼此连接的三个变换器臂，这借助箭头4和5示出。在图1的单线图中，仅具体地示出了第一变换器臂6。变换器3的其余两个变换器臂以与第一变换器臂6相同的方式构建。第一变换器臂6具有双极开关模块7的串联电路以及臂电感8。将在下面的图3中更详细地讨论开关模块7的结构。变换器3经由变压器9与交流电网2连接。在此，变压器9的电网侧绕组10以接地的星形绕组构造，变压器的变换器侧绕组11相应地以三角形绕组构造。因此，变换器形成 STATCOM，并且在所示出的示例中，被设计为用于+-50Mvar的功率。
此外，设备1包括扼流圈装置12，扼流圈装置12包括三个可变扼流圈，这三个可变扼流圈在星形点13彼此连接。在此，星形点与地电势的连接可以以隔离(即不接地)的方式进行，直接(在没有电阻的情况下)进行，或者例如也可以经由阻抗进行。在图1的图示中，仅具体地示出了扼流圈装置 12的三个相同类型的扼流圈中的第一可变扼流圈14。扼流圈装置12被配置为用于在200Mvar的功率范围内与交流电网2进行无功功率交换。第一扼流圈14在其远离星形点13的一侧与电势点15连接，并且经由电势点15与开关设备16连接。这相应地也适用于扼流圈装置12的其余两个扼流圈。变压器9的电网侧绕组10也与电势点15连接。扼流圈的调节借助控制相应地可控的分级开关来进行。
此外，设备1包括调节设备17。调节设备17被配置为用于控制变换器 3的半导体开关和可变扼流圈。调节设备17与用于测量交流电网2中的电压和/或电流的测量设备18连接。因此，借助调节设备，可以调节交流电网2 中的无功功率。为此，调节设备17根据合适的调节算法来控制扼流圈装置 12和变换器3。特别是在交流电网2中存在瞬态电压波动的情况下，借助变换器3来调节无功功率。否则，借助扼流圈装置12来调节无功功率。
如果由于扼流圈装置12的可变扼流圈中的开关过程，而在交流电网2 中出现开关电压波动，则借助变换器3至少部分地对开关电压波动进行补偿，这通过调节设备借助对开关模块7或者开关模块7的半导体开关进行适当的控制来进行。
在图2中示出了用于稳定交流电网的另一个设备20。设备20和图1的设备1在很大程度上相同地构建。因此，为了清楚起见，对图1和2中的相同和类似的元件设置相同的附图标记。为了避免重复，下面仅讨论设备1与 20之间的区别。
与图1的设备1不同，设备20的扼流圈装置12经由自己的开关装置 21与交流电网2连接。变换器3同样经由自己的开关装置22与交流电网2 连接。这种布置使得能够在设备20的运行中实现更高的灵活性。开关装置包括对交流电网的相分配的开关元件。
在图3中示意性地示出了全桥电路101形式的开关模块7的示例。全桥电路101具有IGBT形式的第一半导体开关102以及IGBT形式的第二半导体开关104，续流二极管103与第一半导体开关102反向并联连接，续流二极管105与第二半导体开关104反向并联连接。调整两个半导体开关102和 104的导通方向。此外，全桥电路101包括IGBT形式的第三半导体开关109 以及IGBT形式的第四半导体开关111，续流二极管110与第三半导体开关 109反向并联连接，续流二极管112与第四半导体开关111反向并联连接。调整两个半导体开关109和111的导通方向。因此，半导体开关102及104 和与其相关联的续流二极管103、105一起形成串联电路，该串联电路与由半导体开关109、111和相关联的续流二极管110及112形成的串联电路并联连接。中间电路电容器106与两个串联电路并联地布置。第一连接端X1 布置在半导体开关102、104之间的电势点113处，第二连接端X2布置在半导体开关109、111之间的电势点114处。
通过对功率半导体102、104、109和111进行适当的控制，可以产生降落在连接端X1、X2上的电压，该电压对应于降落在中间电路电容器106上的电压Uc、降落在中间电路电容器106上、但是具有相反的极性的电压(-Uc) 或者为零的电压。

Claims (9)

1.一种用于稳定交流电网(2)的设备，所述设备具有变换器(3)，所述变换器能够与交流电网(2)连接，并且所述变换器被配置为用于与交流电网(2)交换无功功率，
其特征在于，
所述设备还包括
-具有可变扼流圈线圈(14)的扼流圈装置(12)，所述扼流圈装置能够与交流电网(2)连接，以及
-调节设备(17)，所述调节设备被配置为用于借助所述变换器(3)以及借助所述扼流圈装置(12)来调节交流电网(2)中的无功功率。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述调节设备(17)被配置为以如下方式借助所述变换器(3)和所述扼流圈装置(12)调节无功功率，即，在交流电网(2)中存在瞬态电压波动的情况下，能够借助所述变换器(3)调节无功功率，并且在交流电网(2)的稳定工作范围内，能够借助所述扼流圈装置(12)调节无功功率。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述调节设备(17)被配置为控制所述变换器(3)，使得能够借助所述变换器(3)至少部分地对开关电压波动进行补偿，所述开关电压波动在交流电网(2)中由于所述扼流圈装置(12)的开关过程而形成。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扼流圈装置(12)包括可变扼流圈(14)，所述可变扼流圈连接到星形点(13)，其中，每个扼流圈(14)在其远离星形点(13)的一端与如下开关设备(16)电连接，借助所述开关设备，所述扼流圈(14)能够连接到与该扼流圈相关联的交流电网(2)的相。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扼流圈装置(12)和所述变换器(3)能够借助共同的开关设备(16)与交流电网(2)连接。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述扼流圈装置(12)和所述变换器(3)能够分别借助单独的开关装置(21，22)与交流电网(2)连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述变换器(3)是模块化的多级变换器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述扼流圈装置(12)被设计为用于+-100Mvar与+-300Mvar之间的功率范围。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述变换器(3)被设计为用于+-10Mvar至+-400Mvar之间的功率范围。
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