CN220570329U - 用于稳定交流电网的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于稳定交流电网(1)的设备(7，107)，该设备具有变流器(9)和能量存储器装置(E)，该变流器具有用于与交流电网连接的交流电压侧和具有两个直流电压极的直流电压侧，该能量存储器装置在变流器的直流电压侧连接在直流电压极之间。本实用新型的特征在于用于有功功率吸收或有功功率消耗的受控的负载(8)，其与能量存储器装置串联或并联地布置。

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，该设备具有变流器和能量存储器装置，该变流器具有用于与交流电网连接的交流电压侧和具有两个直流电压极的直流电压侧，该能量存储器装置在变流器的直流电压侧连接在直流电压极之间。

背景技术

该设备的稳定作用尤其基于：该设备被设计用于与交流电网交换有功功率和无功功率。特别是结合由可再生能源产生能量，对能量的可控的中间储存变得越来越重要。

通常，能量存储器装置包括短时间能量存储器(一般为电容式能量存储器)。因此，该设备可以用于快速的频率支持，例如在卸载功率大的负载或发电机时。电网频率可以借助该设备保持在由电网运营商预先给定的范围内。如果电网频率超出允许的范围，则由于其他进行馈送的逆变器(例如光伏设备的逆变器)被关断可能发生连锁反应。这最终可能导致电网故障。

这种设备从WO 2020/007464 A1已知。已知的设备包括变流器，该变流器是双星形配置形式的模块化多级变换器。在变流器的直流电压侧的极之间布置有并联连接的能量存储器支路，该能量存储器支路具有电压变换器模块和能量存储器模块。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种设备，其在运行中尽可能高效且可靠。

根据本实用新型，上述技术问题在这类设备中通过用于有功功率吸收或有功功率消耗的受控的负载来解决，该负载与能量存储器装置串联或并联地布置。负载例如包括耗电单元，电流可以受控地流过该耗电单元。例如，负载可以吸收功率并将其转化为热量。

根据本实用新型的设备的一个重要优点是，根据本实用新型的设备相对于已知的设备能够从电网更长时间地吸收有功功率，而不必必然增大能量存储器装置的能量含量。因此，利用根据本实用新型的设备尤其可以避免如下缺点，即为了增大能量存储器装置的吸收容量，必须为该能量存储器装置配备更多的能量存储器单元。由于根据本实用新型的设备，这又允许避免空间需求增加的缺点。此外，以这种方式可以改善设备的可用性，因为部件的故障率相应地随着其数量而增加。负载不仅可以代替能量存储器装置吸收有功功率，还可以通过相应的部分的有功功率吸收来延迟能量存储器装置的充电。附加地，负载可以用于在变流器关闭时更快地使能量存储器装置放电。

优选地，负载包括至少一个电阻元件，例如无源的电阻元件，例如干电阻或本领域技术人员已知的高功率电阻。这代表了用于负载的低成本且简单且因此特别可靠的变型方案。电阻元件作为单独的构件与能量存储器装置连接。借助电阻元件可以将功率转化为热量。在此产生的废热例如可以相对于环境空气或在冷却水回路中、例如在变流器的冷却水回路中释放。负载可以包括多个电阻元件，这些电阻元件以任意的电路拓扑、特别是以串联电路和/或并联电路连接在一起。

根据本实用新型的一种实施方式，负载与能量存储器装置串联连接，其中，至少一个二极管与电阻元件(或例如电阻元件的串联电路)并联连接。选择二极管的导通方向，使得确保在通过设备输出有功功率时负载不起作用(即，没有电流流过电阻元件)。通过使用二极管，电流通过负载(因此负载本身)来控制。负载与能量存储器装置串联的布置具有特别的优点，即负载在这种情况下可以具有比与能量存储器装置并联连接的负载更低的绝缘能力。

如果负载与能量存储器装置串联连接，则负载的电阻值R可以适宜地被设计为，使得考虑最大变流器直流电压Udc、能量存储器装置的最大电压Usp以及要吸收的有功功率P：R＝(Udc-Usp)*Udc/P。

优选地，负载与能量存储器装置串联连接，其中，桥接开关与电阻元件并联连接，借助该桥接开关可以桥接至少一个电阻元件(或电阻元件的互连)。借助桥接开关的适当控制，负载或电阻元件可以被接通或桥接，以便相应地发挥其作用。

根据本实用新型的一种实施方式，负载包括制动调节器，即用于将电能转化为热量的可控装置。

优选地，制动调节器具有制动调节器模块的串联电路。制动调节器模块例如包括制动调节器电源模块，该制动调节器电源模块具有无源的或可控的、优选可接通的半导体开关以及具有直流电压中间电路，具有电容的制动调节器电容器模块连接到该直流电压中间电路上。制动调节器的这种变型方案是特别灵活和有效的，因为与具体应用相匹配的多个制动调节器模块可以在给定的时间激活或不激活地切换。适当地，制动调节器模块可以被驱动，使得能量存储器装置以恒定的电流充电。为此，变流器可以输出其最大直流电压。

根据本实用新型的一种实施方式，负载与开关单元构成串联电路，该串联电路与能量存储器装置并联连接。借助开关单元可以接通或关断负载，由此可以控制该负载。

根据本实用新型的一种实施方式，负载包括第一负载支路和第二负载支路，该第一负载支路和第二负载支路彼此并联地布置，其中，第一负载支路包括至少一个可控的电阻元件，并且第二负载支路包括另外的可控的电阻元件或制动调节器。根据该实施变型方案，可以特别有效地使用负载。具有电阻元件的负载支路为此可以用于吸收大的功率。具有制动调节器的负载支路可以吸收较小的出现的有功功率的量。

适宜地，电阻元件可以借助与电阻元件串联(或者，如果设置多个电阻元件的电路，则与该电路并联)的半导体开关或机械开关进行控制。半导体开关例如可以是可接通的半导体开关(例如IGBT，IGCT，IEGT，MOSFET等)。续流二极管可以反并联地连接到半导体开关。

合适地，能量存储器装置包括多个并联连接的、具有能量存储器单元的串联电路。以这种方式，该设备在其能量存储器装置的吸收容量方面是可缩放的。此外，可以在能量存储器装置中使用低压储能器单元。

优选地，变流器是双星形布置形式的模块化多级变换器(MMC)。MMC尤其在与交流电网交换有功功率和无功功率的有效性和可靠性方面具有优点。MMC的特征在于变流器臂，该变流器臂分别具有开关模块的串联电路。在此，每个开关模块包括可断开的半导体开关以及模块能量存储器。借助半导体开关的合适的驱动，可以在开关模块的接头上产生至少一个开关模块电压，该开关模块电压对应于正极性的能量存储器电压，在双极性的开关模块中也对应于负极性的能量存储器电压，或对应于零电压。

本实用新型还涉及用于运行用于稳定交流电网的设备，该设备具有变流器，该变流器具有用于与交流电网连接的交流电压侧和具有两个直流电压极的直流电压侧，该设备还具有能量存储器装置，该能量存储器装置在变流器的直流电压侧连接在直流电压极之间。

上述过程从已经提到的WO 2020/007464A1已知。

本实用新型要解决的技术问题是，能够实现尽可能有效且低成本地稳定交流电网。

上述技术问题在本实用新型中通过如下方式来解决：提供用于有功功率吸收或有功功率消耗的受控的负载，该受控的负载与能量存储器装置串联或并联地布置，从交流电网吸收有功功率并且借助能量存储器装置存储，其中借助受控的负载延迟或减慢有功功率吸收。根据本实用新型，该设备可以更长时间地从电网吸收有功功率，而不昂贵地提高能量存储器装置的吸收容量。因此，可以在电网稳定方面实现改进的有效性。其他优点由已经结合根据本实用新型的设备讨论的优点得出。

根据本实用新型的一个实施变型方案，当所吸收的有功功率已经达到吸收容量阈值时，从交流电网中提取另外的有功功率并且借助受控的负载至少部分地转化为热量。因此，也可以超过能量存储器装置的吸收容量阈值还从电网吸收有功功率。

附图说明

下面根据图1至图25进一步阐述本实用新型。

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以示意图示出了图1的设备的局部；

图3以示意图示出了用于图1和图2的设备的变流器的变流器臂的示例；

图4以示意图示出了用于图1和图2的设备的变流器的开关模块；

图5以示意图示出了图4的开关模块的第一局部；

图6以示意图示出了图5的开关模块的第二局部；

图7以示意图示出了用于图1的设备的负载的第一示例；

图8以示意图示出了用于图1的设备的负载的第二示例；

图9以示意图示出了用于图1的设备的负载的第三示例；

图10以示意图示出了用于图1的设备的负载的第四示例；

图11以示意图示出了用于图1的设备的负载的第五示例；

图12以示意图示出了图7至图11的负载的第一局部；

图13以示意图示出了图7至图11的负载的第二局部；

图14以示意图示出了制动调节器的示例；

图15以示意图示出了用于图14的制动调节器的制动调节器模块；

图16以示意图示出了制动调节器电源模块的第一示例；

图17以示意图示出了制动调节器电源模块的第二示例；

图18以示意图示出了制动调节器电容器模块；

图19以示意图示出了根据本实用新型的设备的第二实施例；

图20以示意图示出了图19的设备的局部；

图21以示意图示出了用于图19的设备的变流器的变流器臂的示例；

图22以示意图示出了用于图19的设备的负载的第一示例；

图23以示意图示出了用于图19的设备的负载的第二示例；

图24以示意图示出了用于图19的设备的制动调节器；

图25示出了根据本实用新型的流程图。

具体实施方式

图1中示出用于稳定交流电网1的设备7。设备7包括具有变流器和能量存储器设备的装置2，该设备借助连接变压器6与交流电网1连接。在接下来的图2中更详细地讨论装置2的结构。设备7还包括中央的调节装置或控制装置5。调节装置5从电压测量设备4和电流测量设备3接收一组预先给定的额定值以及测量值S。调节装置5被设计用于，在考虑测量值和额定值的情况下，对装置2与交流电网之间有功功率和无功功率的交换进行调节。为了清楚起见，在所有附图中相同的和类似的元件具有相同的附图标记。

图2中示出了具有装置2的图1的设备7的局部。图2示出了变流器9，该变流器是双星形配置形式的模块化多级变换器(MMC)。变流器9包括六个变流器臂10。变流器臂10中的三个变流器臂在具有第一星形点或直流电压极P的第一星形电路中相互连接。变流器臂10中的另外三个变流器臂在具有第二星形点或直流电压极N第二星形点电路中相互连接。在此，变流器臂中的每个在三个交流电压接头L1-L3中的一个与两个直流电压极P、N中的一个之间延伸。在接下来的图3中更详细地讨论变流器臂10的结构。交流电压接头L1-L3形成变流器9的、用于与交流电网1连接的交流电压侧9ac。直流电压极P、N形成变流器9的、用于与能量存储器装置E连接的直流电压侧9dc。能量存储器装置E包括能量存储器模块EM的一个或多个串联电路，该串联电路可以彼此并联地布置。能量存储器模块EM例如可以具有超大电容器(Ultracap)或类似的短时间能量存储器。

在与能量存储器装置E的并联电路中并且在变流器9的直流电压极P、N之间布置有受控的负载8，借助该受控的负载接收来自交流电网1的附加的有功功率，并且必要时可以将其转化为热量。为此，可以通过负载实现受控的电流流动。下面结合图7至图18更详细地讨论负载8的结构。

图3中示出了用于图2的变流器9的变流器臂10的示例。变流器臂10具有两个接头A1和A2，借助这两个接头A1和A2，变流器臂能够连接在交流电压接头L1-3中的一个与直流电压极中的一个P或N之间。变流器臂10包括开关模块13的串联电路，其结构在下面的图4至图6中更详细地讨论。在开关模块13上出现的开关模块电压加起来形成臂电压u_conv。变流器臂还包括平滑扼流圈12。流过变流器臂10的臂电流i_conv借助电流计11来采集并且将其转发给变流器的调节装置。

图4中示出了用于图3的变流器臂10的开关模块13。开关模块13具有第一接头AC1和第二接头AC2，在该第一接头和第二接头上存在开关模块电压Usm。开关模块13包括电源模块14以及电容器模块15，它们通过合适的连接或端子DC1-4相互连接。在下面的图5和图6中更详细地讨论电源模块14和电容器模块15的结构。

图5中示出了用于图4的开关模块13的电源模块14。在图5中示出的示例中是用于全桥开关模块的全桥电源模块。电源模块14包括四个半导体开关(在示出的示例中为IGBT)，续流二极管D分别反并联连接到所述半导体开关。直流电压中间电路上的两个端子DC1、DC2用于与电容器模块15连接。在直流电压中间电路上存在中间电路电压Uzk。

图6中示出了用于图4的开关模块13的电容器模块15。电容器模块具有用于与电源模块14连接的两个端子DC3和DC4。与端子DC3、DC4并联地布置有电容器形式的能量存储器20。能量存储器上的电压Uc借助电压计19来监视。

图7中示出了受控的负载8a的示例，其可用作图1的设备7的负载8。负载8a包括两个并联的负载支路16a和16c，其中，在接下来的图12中更详细地讨论负载支路16a和16c的结构。

图8中示出了受控的负载8b的示例，其可用作图1的设备7的负载8。负载8b包括两个并联的负载支路16b和16d，其中，在接下来的图13中更详细地讨论负载支路16b和16d的结构。

图9中示出了受控的负载8c的示例，其可用作图1的设备7的负载8。负载8c包括两个并联的负载支路16a和16b，其中，在图12中更详细地讨论第一负载支路16a的结构并且在接下来的图13中更详细地讨论16b的结构。

图10中示出了受控的负载8d的示例，其可用作图1的设备7的负载8。负载8d包括两个并联的负载支路，即第一负载支路16a和具有制动调节器17的第二负载支路，其中在接下来的图12中更详细地讨论负载支路16a的结构并且在接下来的图14至图18中更详细地讨论制动调节器17的结构。

图11中示出了受控的负载8e的示例，其可用作图1的设备7的负载8。负载8e包括两个并联的负载支路，即第三负载支路16b和具有制动调节器17的第二负载支路，其中在接下来的图13中更详细地讨论负载支路16b的结构并且在接下来的图14至图18中更详细地讨论制动调节器17的结构。

图12中示出了负载支路16a，其例如可以用作图7、图9和图10的负载支路16a和负载支路16c。负载支路16a布置在变流器9的第一和第二直流电压极P或N之间。负载支路16a包括电阻元件21以及与电阻元件21串联的机械开关22。

图13中示出了负载支路16b，其例如可以用作图8、图9和图11的负载支路16b和负载支路16d。负载支路16b布置在变流器9的第一和第二直流电压极P或N之间。负载支路16b包括电阻元件21。此外，负载支路16b包括可关断的半导体开关S(在所示出的示例中为IGBT)和反并联的续流二极管D(半导体开关和续流二极管的导通方向彼此相反)的并联电路23。

图14中示出了用于图10和图11的负载8d、8e的制动调节器17。制动调节器17包括耦合电感25和多个在所示示例中相同构造的制动调节器模块24的串联电路。流过制动调节器17的电流i_BC借助电流计26进行测量并且用于借助未详细示出的调节装置来调节制动调节器17。在下面的图15至图18中更详细地讨论制动调节器模块24的结构。

图15中示出了用于图14的制动调节器的制动调节器模块24。制动调节器模块24具有两个接头X1和X2，用于将制动调节器模块24插入到相应的如图14所示的串联电路中。制动调节器模块24还包括制动调节器电源模块27以及制动调节器电容器模块28，结合图16和图17详细讨论制动调节器电源模块27的结构，在图18中详细示出了制动调节器电容器模块28。制动调节器电源模块27和制动调节器电容器模块28借助为此设置的连接端子或接头DC1-4相互连接。

图16中示出了制动调节器电源模块27a的第一示例，该制动调节器电源模块能够用作图15的制动调节器模块17的制动调节器电源模块27。制动调节器电源模块27a包括具有相同导通方向的两个二极管：第一二极管29a和第二二极管29b，它们串联布置在连接端子DC1与DC2之间。制动调节器模块24的第一接头X1布置在二极管29之间，制动调节器模块24的第二接头X2布置在二极管29b与第二连接端子DC2之间。

图17中示出了制动调节器电源模块27b的第二示例，该制动调节器电源模块能够用作图15的制动调节器模块17的制动调节器电源模块27。制动调节器电源模块27b包括具有相同导通方向的两个二极管：第一二极管29a和第二二极管29b，它们串联布置在连接端子DC1和DC2之间。制动调节器模块24的第一接头X1布置在二极管29之间，制动调节器模块24的第二接头X2布置在二极管29b与第二连接端子DC2之间。此外，制动调节器电源模块27b包括可关断的半导体开关30(例如IGBT)，该半导体开关与第二二极管29b反并联连接。

图18中示出了用于图15的制动调节器模块24的制动调节器电容器模块28的示例。制动调节器电容器模块28包括电容器形式的能量存储器31，该能量存储器31与连接端子DC3和DC4并联布置。由高功率电阻33和具有反并联续流二极管D的半导体开关34组成的串联电路与能量存储器31并联连接。此外，设置并联连接的能量存储器电压计32。能量存储器上的电压用Uzk表示。

图19中示出了用于稳定交流电网1的设备107。设备107包括具有变流器和能量存储器设备的装置102，该设备借助连接变压器6与交流电网1连接。在接下来的图20中更详细地讨论装置102的结构。设备107还包括中央的调节装置或控制装置105。调节装置105从电压测量设备4和电流测量设备3接收一组预先给定的额定值以及测量值S。调节装置105被设计用于，在考虑测量值和额定值的情况下，对装置102与交流电网1之间有功功率和无功功率的交换进行调节。

图20中示出了具有装置102的图19的设备107的局部。图20示出了变流器9，该变流器是双星形配置形式的模块化多级变换器(MMC)。变流器9包括六个变流器臂10。变流器臂10中的三个变流器臂在具有第一星形点或直流电压极P的第一星形电路中相互连接。变流器臂10中的另外三个变流器臂在具有第二星形点或直流电压极N的第二星形点电路中相互连接。在此，变流器臂中的每个在三个交流电压接头L1-L3中的一个与两个直流电压极P、N中的一个之间延伸。在接下来的图21中更详细地讨论变流器臂10的结构。交流电压接头L1-L3形成变流器9的交流电压侧9ac，用于与交流电网1连接。直流电压极P、N形成变流器9的直流电压侧9dc，用于与能量存储器装置E连接。能量存储器装置E包括能量存储器模块EM的一个或多个串联电路，该串联电路可以彼此并联地布置。能量存储器模块EM例如可以具有超大电容器(Ultracap)或类似的短时间能量存储器。

在与能量存储器装置E的串联电路中布置有受控的负载108，借助该受控的负载接收来自交流电网1的附加的有功功率，并且必要时可以将其转化为热量。能量存储器装置E和负载108的串联电路在变流器9的直流电压极P、N之间延伸。下面结合图22至图24更详细地讨论负载108的结构。

图21中示出了用于图20的变流器9的变流器臂10的示例。变流器臂10具有两个接头A1和A2，借助该两个接头，变流器臂能够连接在交流电压接头L1-3中的一个与直流电压极中的一个P或N之间。变流器臂10包括开关模块13的串联电路，该开关模块的结构相应于结合图4至图6详细描述的开关模块的结构。在开关模块13上出现的开关模块电压加起来形成臂电压u_conv。变流器臂还包括平滑扼流圈12。流过变流器臂10的臂电流i_conv借助电流计11来采集并且将其转发给变流器的调节装置105。

图22中示出了可控的负载108a，其可用作图20的受控的负载108。负载108a包括高功率电阻121，开关122与该高功率电阻并联连接，借助该开关可以桥接高功率电阻121。负载108a例如可以在电位点Q与图20的装置102的直流电压极N之间切换，负载在该电位点Q连接到能量存储器装置E上。

图23中示出了受控的负载108b,其可用作图20的受控的负载108。负载108b包括大功率电阻121，二极管109与该大功率电阻并联连接。二极管109的导通方向被选择为，使得高功率电阻在能量输出到电网中时不起作用。负载108b例如可以在电位点Q与图20的装置102的直流电压极N之间切换，负载在该电位点Q连接到能量存储器装置E上。

图24中示出了制动调节器17，其可用作图20的受控的负载108。制动调节器17包括耦合电感25和多个在所示示例中相同构造的制动调节器模块24的串联电路。流过制动调节器17的电流i_BC借助电流计26测量并且用于借助未详细示出的调节装置来调节制动调节器17。制动调节器模块24的结构在图15至图18中详细说明。

前面附图的设备7和107的作用方式可以根据图25的流程图如下描述。

在第一步骤201中，提供根据本实用新型的设备，例如图1的设备7或图19的设备107，并且将其连接到交流电网并且投入运行，从而借助该设备可以与交流电网交换无功功率和/或有功功率。

在第二步骤202中，吸收来自交流电网的有功功率并且借助能量存储器装置E(参见图1或图19)进行存储。在功率吸收期间，借助受控的负载8或108延迟或减慢有功功率吸收，其中有功功率或能量的一部分被转化为热量。

一旦达到能量存储器装置的吸收容量阈值(能量存储器模块EM或在那里使用的超大电容器等被完全充电并且不能吸收另外的功率或能量)，则在另一步骤203中从交流电网中提取另外的有功功率，其中，该另外的有功功率借助受控的负载至少部分地被转化为热量。

Claims (10)

1.一种用于稳定交流电网（1）的设备（7，107），所述设备被设计用于与交流电网交换有功功率和无功功率，所述设备具有：

变流器（9），所述变流器具有用于与所述交流电网（1）连接的交流电压侧（9ac）和具有两个直流电压极（P，N）的直流电压侧（9dc）；

能量存储器装置（E），所述能量存储器装置在所述变流器（9）的直流电压侧连接在所述直流电压极（P，N）之间；

用于有功功率吸收的受控的负载（8），所述负载与所述能量存储器装置（E）串联或并联地布置，

其特征在于，所述变流器（9）是双星形布置形式的模块化多级变换器。

2.根据权利要求1所述的设备（7，107），其特征在于，所述负载（8）包括至少一个电阻元件（21，121）。

3.根据权利要求2所述的设备（7，107），其特征在于，所述负载（8）与所述能量存储器装置（E）串联连接，并且二极管（109）与所述电阻元件（121）并联连接。

4.根据权利要求2或3所述的设备（7，107），其特征在于，所述负载（8）与所述能量存储器装置（E）串联连接，并且桥接开关（122）与所述电阻元件（121）并联连接，借助所述桥接开关能够桥接所述电阻元件（121）。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备（7，107），其特征在于，所述负载（8）包括制动调节器（17）。

6.根据权利要求5所述的设备（7，107），其特征在于，所述制动调节器（17）具有制动调节器模块（24）的串联电路。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备（7，107），其特征在于，所述负载（8）与开关单元（22，23）构成串联电路，所述串联电路与所述能量存储器装置（E）并联连接。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备（7，107），其特征在于，所述负载（8）包括第一负载支路（16a，b）和第二负载支路（16b-d，17），所述第一负载支路和第二负载支路彼此并联地布置，其中，所述第一负载支路（16a，b）包括至少一个可控的电阻元件，并且所述第二负载支路（16b-d，17）包括另外的可控的电阻元件或制动调节器。

9.根据权利要求8所述的设备（7，107），其特征在于，所述电阻元件（21）能够借助与所述电阻元件（21）串联的半导体开关（23）或机械开关（22）来控制。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的设备（7，107），其特征在于，所述能量存储器装置（E）具有多个并联连接的、具有能量存储器单元的串联电路。