專利名稱：鏈?zhǔn)阶儞Q器、啟動鏈?zhǔn)阶儞Q器的方法和靜態(tài)補(bǔ)償器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓電力網(wǎng)絡(luò)中電力補(bǔ)償?shù)念I(lǐng)域，且具體地涉及基于鏈?zhǔn)阶儞Q器的靜態(tài)補(bǔ)償器。
背景技術(shù)：
靜態(tài)無功補(bǔ)償器(SVC)系統(tǒng)已經(jīng)在電力網(wǎng)絡(luò)中使用許多年以用于控制電力網(wǎng)絡(luò)中無功功率的產(chǎn)生和吸收，從而提供電壓支持，提高瞬態(tài)穩(wěn)定性以及抑制(damp)振蕩。 STATC0M(靜態(tài)補(bǔ)償器)是SVC的一種類型，其為基于電壓源變換器(VSC)的裝置，所述裝置可以用作到電力網(wǎng)絡(luò)的無功AC功率的源或阱。STATC0M在連接到DC電源時也可以提供有功功率。圖1圖示現(xiàn)有技術(shù)的兩級靜態(tài)補(bǔ)償器1，其不含有任何變壓器以使電力網(wǎng)絡(luò)電壓逐步降低。靜態(tài)補(bǔ)償器1包含電壓源變換器(VSC)2，該電壓源變換器在其DC側(cè)連接到電容器3且在其AC側(cè)連接到電力網(wǎng)絡(luò)8，該電力網(wǎng)絡(luò)也記做電網(wǎng)。傳統(tǒng)兩級VSC 2包含三個相腳P1，P2，P3，每個相腳由兩個串聯(lián)連接的閥組成。相腳Pl的兩個閥標(biāo)記于附圖標(biāo)記9a，9b處。每個閥9a，9b依次包含具有反并聯(lián)二極管的晶體管，更精確地，為了操縱高電壓，每個閥包含許多串聯(lián)連接的晶體管，例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，每個IGBT具有反并聯(lián)二極管。在每個相中經(jīng)由相電抗器4，經(jīng)由與開關(guān)6并聯(lián)連接的啟動電阻器5以及經(jīng)由AC 斷路器7，VSC 2連接到電網(wǎng)8，在圖1該電網(wǎng)包含三相網(wǎng)絡(luò)。每個相或者其中至少兩個相包含這樣的相電抗器、啟動電阻器、開關(guān)和斷路器。各個相連接到各個相腳Pl，P2，P3的中間點，即連接在圖中所示的各個閥之間。通過為所述相中的僅僅兩個相配備與開關(guān)并聯(lián)連接的啟動電阻器，則有可能減少部件的數(shù)目。在下文中僅僅描述一個相從而簡化描述，但是應(yīng)理解所述相是類似的。當(dāng)連接電網(wǎng)的VSC 2被激勵和啟動時，斷路器7被切換從而提供從電網(wǎng)8經(jīng)過啟動電阻器5、相電抗器4并且經(jīng)過VSC 2的二極管的電流路徑，從而對電容器3充電。當(dāng)電容器電壓達(dá)到預(yù)定電平時，通過閉合并聯(lián)連接的開關(guān)6使啟動電阻器5短路。由于啟動電阻器5被短路，電容器電壓將增大一點，且當(dāng)電容器電壓足夠高時，VSC 2的閥被解鎖 (deblocked)并開始切換。電容器電壓接著被控制直至其基準(zhǔn)值。提供啟動電阻器5從而保護(hù)VSC 2的二極管免受太高和/或持續(xù)太久的電流浪涌損傷，其中在閉合AC斷路器7時不使用啟動電阻器5將出現(xiàn)所述電流浪涌。施加在VSC 2的閥且特別是二極管上的應(yīng)力取決于若干因素，例如DC側(cè)電容器3 的大小、相電抗器4的大小以及電力網(wǎng)絡(luò)8的電壓電平。除了閥之外，鏈?zhǔn)阶儞Q器包含許多串聯(lián)連接的單元，每個單元包含電容器。當(dāng)結(jié)合系統(tǒng)的總效應(yīng)來看時，與上述的兩級靜態(tài)補(bǔ)償器1相比，每個所述單元的DC電容器相當(dāng)大。 具有大電容器則要求在電容器被充分充電從而開始切換鏈?zhǔn)阶儞Q器的閥之前，具有在相對長時間段內(nèi)經(jīng)過二極管的相當(dāng)大的電流。這進(jìn)而使得要承擔(dān)在變換器啟動期間二極管被損傷的風(fēng)險。盡管啟動電阻器和開關(guān)提供起作用的解決方案，但是該解決方案相當(dāng)昂貴且期望降低變換器的成本?？梢韵氲绞褂媚軌驊?yīng)對大電流的二極管，但是這仍然是昂貴的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鏈?zhǔn)阶儞Q器，其克服或者至少減輕上述問題。特別地，本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)的鏈?zhǔn)阶儞Q器且還提供這種鏈?zhǔn)阶儞Q器的改進(jìn)的啟動過程。本發(fā)明的另一目的是提供一種鏈?zhǔn)阶儞Q器，其中施加在所包含的二極管上的應(yīng)力被最小化且相關(guān)損傷被消除。本發(fā)明的又一目的是提供一種鏈?zhǔn)阶儞Q器，其具有成本高效的設(shè)計，消除了現(xiàn)有技術(shù)的啟動電阻器和開關(guān)。除其它之外的這些目的是通過如獨(dú)立權(quán)利要求中所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器和方法來實現(xiàn)。依照本發(fā)明，提供了一種包含一個或多個相的鏈?zhǔn)阶儞Q器。所述一個或多個相的每個包含一個或多個串聯(lián)連接的變換器單元。該鏈?zhǔn)阶儞Q器其特征在于連接到所述一個或多個相其中之一的變換器單元的電源。借助本發(fā)明，鏈?zhǔn)阶儞Q器單元的二極管不受到應(yīng)力且提供了一種可靠的變換器。此外，借助該鏈?zhǔn)阶儞Q器的創(chuàng)新啟動設(shè)置，啟動電阻器和開關(guān)可以省略，因而提供了更加成本高效的解決方案。再者，通過使用合適數(shù)目的單元，該鏈?zhǔn)阶儞Q器可以容易地適應(yīng)寬范圍的電力網(wǎng)絡(luò)電壓。依照本發(fā)明的實施例，每個變換器單元包含設(shè)置成H橋連接的四個閥。優(yōu)選地，每個閥包含具有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管。因此可以使用傳統(tǒng)鏈?zhǔn)阶儞Q器部件。依照本發(fā)明的另一實施例，該鏈?zhǔn)阶儞Q器包含連接成三角形(delta)配置的三個相。通過將相設(shè)置成三角形配置，所有相的DC電容器可以由連接到單獨(dú)一個變換器單元的單個電源充電到它們的基準(zhǔn)值。因此提供了一種成本非常高效的解決方案。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的方法，并且涉及用于提供無功功率到電力網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)補(bǔ)償器系統(tǒng)，由此實現(xiàn)了與上面相似的優(yōu)點。


圖1圖示現(xiàn)有技術(shù)兩級靜態(tài)補(bǔ)償器。圖2圖示依照本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器的一個單元。圖3圖示依照本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器的實施例。圖4圖示連接到電力網(wǎng)絡(luò)的圖3的鏈?zhǔn)阶儞Q器。圖5圖示依照本發(fā)明的方法的步驟。
具體實施例方式圖1已經(jīng)在本申請的引言部分中予以描述且將不予以進(jìn)一步描述。在圖2-圖4中始終使用相同附圖標(biāo)記表示相同或相應(yīng)的部分。圖2圖示依照本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器的一個變換器鏈，也記做變換器單元。變換器單元10包含四個閥11，12，13，14，每個閥包含晶體管開關(guān)，比如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。 在下文中，使用IGBT作為實例，但是注意，也可以使用其它半導(dǎo)體器件，例如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)或集成門極換流晶閘管(IGCT)。續(xù)流二極管(也記做反并聯(lián)二極管)與每個 IGBT并聯(lián)連接。二極管在IGBT的相反方向上導(dǎo)通。閥11，12，13，14與電容器單元15連接成H橋設(shè)置。圖3圖示依照本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器16。鏈?zhǔn)阶儞Q器16包含若干串列(string)， 在圖中為3個串列，每個串列包含變換器單元。一個這樣的串列在下文中記做相，并且相被理解為包含許多串聯(lián)連接的變換器單元。所述變換器單元其中之一用虛線方框標(biāo)出，且等同于圖2中所圖示并結(jié)合圖2描述的變換器單元10。每個變換器單元20，21，22，23 ；30, 31，32，33 ；40，41，42，43因而包含與DC電容器27設(shè)置成H橋設(shè)置的四個閥，其中每個閥進(jìn)而包含具有反并聯(lián)二極管26的IGBT 25，如上所述。每個相包含許多串聯(lián)連接的變換器單元第一相圖示為包含變換器單元20，21， 22,23 ；第二相包含變換器單元30，31，32，33 ；以及第三相包含變換器單元40，41，42，43， 44。每個相連接到在圖中附圖標(biāo)記L1，L2和L3處所圖示的相電抗器。鏈?zhǔn)阶儞Q器16的相設(shè)置成三角形連接且鏈?zhǔn)阶儞Q器16可連接到在17示意性圖示的電力網(wǎng)絡(luò)。依照本發(fā)明，一個變換器單元連接到例如電池的外部DC電源18。更具體地，變換器單元其中之一具有連接到其DC側(cè)的電源18。電源18可以是例如2-3kV電池。借助電源 18，鏈?zhǔn)阶儞Q器16的啟動大幅改善，如將在下文所描述。圖4圖示連接到電力網(wǎng)絡(luò)17的圖3的鏈?zhǔn)阶儞Q器16。鏈?zhǔn)阶儞Q器16的三個三角形連接的相在圖中分別記做Si，S2和S3。每個相Si，S2，S3按傳統(tǒng)方式設(shè)有記做CBa，CBb 和CB。的斷路器。為了啟動鏈?zhǔn)阶儞Q器16，電源18連接到相Si，S2，S3其中之一的變換器單元其中之一，如上所述。啟動的這個第一步驟記做模式1。連接到電源18的變換器單元的IGBT被切換且因此鏈?zhǔn)阶儞Q器的變換器單元的所有DC電容器可以被充電。也就是說，由于三個相 Si，S2，S3三角形連接，所有變換器單元的電容器電壓可以被控制從而達(dá)到它們的基準(zhǔn)值。 當(dāng)變換器單元的DC電容器完全充電時，電源18可以斷開。可替換地，即使在變換器單元的 DC電容器已經(jīng)完全充電之后，電源18可以仍連接到變換器單元。開關(guān)裝置M布置在電源 18和變換器單元40的DC電容器之間，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)電源18的連接和斷開。注意，將電源18添加到單個相的單個變換器單元足以實現(xiàn)鏈?zhǔn)阶儞Q器16的啟動。 連接到電源18的變換器單元在此模式1中可以接地但是不必接地。在可替換實施例中，可以使用連接到各個變換器單元的兩個或更多個電隔離的電源。接著，啟動模式2，其中相電壓ua，ub，u。按傳統(tǒng)方式同步到電網(wǎng)相電壓ea，eb, ec從而具有相同的幅值、相同的頻率和相，以便避免電流瞬態(tài)等。接著斷路器CBa，CBb和CB?？梢蚤]合且鏈?zhǔn)阶儞Q器16可以啟動所期望的電力網(wǎng)絡(luò)支持。在此模式2中，連接到電源18 的變換器單元不能被接地。鏈?zhǔn)阶儞Q器16由圖4的附圖標(biāo)記19處示意性圖示的控制裝置控制，其例如用于實現(xiàn)變換器單元20，21，22，23，30，31，32，33，40，41，42，43的閥的開關(guān)，以及用于控制所有變換器單元的電容器電壓等。同樣的控制裝置19可以用于控制電源18，即用于將電源18 連接到一個變換器單元。電源18可以例如經(jīng)由可控開關(guān)M連接到變換器單元。
變換器單元的數(shù)目可以取決于電力網(wǎng)絡(luò)電壓而適當(dāng)?shù)剡x擇；網(wǎng)絡(luò)電壓越高，需要越多的變換器單元。例如，對于12kV的電力網(wǎng)絡(luò)，僅僅幾個變換器單元會是足夠的，而操縱高達(dá)約100-130kV的電力網(wǎng)絡(luò)將需要多于100個變換器單元。本發(fā)明還提供相應(yīng)的用于啟動上述鏈?zhǔn)阶儞Q器16的方法。方法50包含將相Si， S2，S3其中之一的變換器單元連接到電壓源18的第一步驟51。在下一個步驟，即步驟52， 變換器單元20，21，22，23 ；30，31，32，33 ；40，41，42，43的DC電容器被充電到合適電平。在最后的步驟，即步驟53，相Si，S2，S3的相電壓ua，ub，u。被同步到電力網(wǎng)絡(luò)17的相電壓ea， eb, e。。因此提供了一種啟動鏈?zhǔn)阶儞Q器16的改進(jìn)方式。該方法還可包含另外的可選步驟。例如，可以包含另一步驟M 在將DC電容器充電到合適電平的步驟52完成之后，將電壓源18從第一單元斷開。方法50可包含另外步驟55 當(dāng)相Si，S2，S3已達(dá)到預(yù)定電壓電平時，將相Si，S2， S3連接到電力網(wǎng)絡(luò)17。將相Si，S2，S3連接到電力網(wǎng)絡(luò)17可包含切換連接到各個相Si， S2，S3的各個斷路器CBa，CBb, CBc0本發(fā)明還提供用于提供無功功率到電力網(wǎng)絡(luò)17的靜態(tài)補(bǔ)償器系統(tǒng)四，見圖4。這種靜態(tài)補(bǔ)償器系統(tǒng)四包含如上所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器16，鏈?zhǔn)阶儞Q器16的所述一個或多個相 Si，S2，S3的每個經(jīng)由各個相電抗器Li，L2，L3以及經(jīng)由各個斷路器CBa，CBb, CBc而連接到電力網(wǎng)絡(luò)17。如上所述提供的無變壓器的鏈?zhǔn)阶儞Q器16具有這樣的設(shè)計，其中二極管不受到應(yīng)力且不經(jīng)受被損傷的風(fēng)險。另外，借助鏈?zhǔn)阶儞Q器16的創(chuàng)新啟動設(shè)置，較早使用的啟動電阻器和開關(guān)可以省略，因此提供了更加成本高效的解決方案。所操縱的電壓越高，該優(yōu)點越突出。例如，與操縱諸如例如12kV的較低電壓的電力網(wǎng)絡(luò)相比，操縱高達(dá)約140kV的電壓的電力網(wǎng)絡(luò)更大程度地受益于啟動電阻器和開關(guān)被省略，因為部件被調(diào)整規(guī)格以操縱的電壓越高，部件變得越昂貴。
權(quán)利要求
1.一種包含一個或多個相(Si，S2，S3)的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，所述一個或多個相(Si， S2，S3)的每個包含一個或多個串聯(lián)連接的變換器單元(20,21,22,23 ；30,31,32,33 ；40， 41，42，43)，其特征在于連接到所述一個或多個相(S1，S2，S;3)其中之一的變換器單元00， 21,22,23 ；30,31,32,33 ；40，41，42，43)的電源(18)。
2.如權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，包含單個電源(18)，以及其中所述電源(18) 連接到單個變換器單元。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，其中每個所述變換器單元00，21，22， 23 ；30, 31, 32, 33 ；40，41，42，43)包含設(shè)置成 H 橋連接的四個閥(11，12，13，14)。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，其中每個閥(11，12，13，14)包含具有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管。
5.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，其中所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)包含連接成三角形配置的三個相(Si，S2，S3)。
6.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，其中所述電源(18)經(jīng)由開關(guān)裝置04)連接到所述一個變換器單元，藉此所述電源(18)可以被斷開。
7.如前述權(quán)利要求中任意一項所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，其中所述電源(18)設(shè)置成由控制裝置(19)控制，其用于將電源(18)與所述變換器單元(20，21，22，23 ；30，31，32，33 ； 40,41,42,43)連接 / 斷開。
8.一種用于提供無功功率到電力網(wǎng)絡(luò)(17)的靜態(tài)補(bǔ)償器系統(tǒng)，包含如權(quán)利要求1-7中任意一項所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)，所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)的所述一個或多個相(S1，S2，S3) 的每個經(jīng)由各個相電抗器(Li，L2，L3)以及經(jīng)由各個斷路器(CBa，CBb, CBc)連接到所述電力網(wǎng)絡(luò)(17)。
9.一種啟動包含一個或多個相(S1，S2，S;3)的鏈?zhǔn)阶儞Q器(16)的方法，所述一個或多個相(Si，S2，S3)的每個包含一個或多個變換器單元(20，21，22，23 ；30，31，32，33 ；40，41， 42，4 ，其特征在于下述步驟-將所述一個或多個相(Si，S2，S3)其中之一的第一單元連接到電壓源(18)，-將所述變換器單元(20,21,22,23 ；30,31,32,33 ；40,41,42,43)的DC電容器充電到合適電平，以及-將所述相(Si，S2，S3)的相電壓(ua，ub, uc)同步到電力網(wǎng)絡(luò)(17)的相電壓(ea，eb,ec) 。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，包含下述另外步驟在將所述DC電容器充電到合適電平的步驟之后，將所述電壓源(18)從所述第一單元斷開。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，包含下述另外步驟當(dāng)所述一個或多個相(S1，S2， S3)已達(dá)到預(yù)定電壓電平時，將所述一個或多個相(S1，S2，S3)連接到電力網(wǎng)絡(luò)(17)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中將所述一個或多個相(Si，S2，S3)連接到電力網(wǎng)絡(luò)(17)的步驟包含切換連接到所述一個或多個相(Si，S2，S3)的相應(yīng)一個的相應(yīng)斷路器 (CBa, CEb，CB。)，藉此實現(xiàn)與所述電力網(wǎng)絡(luò)(17)的所述連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含一個或多個相S1，S2，S3的鏈?zhǔn)阶儞Q器16。所述一個或多個相S1，S2，S3的每個包含一個或多個串聯(lián)連接的變換器單元20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43。鏈?zhǔn)阶儞Q器16其特征在于連接到所述一個或多個相S 1，S2，S3其中之一的變換器單元20，21，22，23；30，31，32，33；40，41，42，43的電源18。提供了一種成本高效的變換器啟動。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的靜態(tài)補(bǔ)償器系統(tǒng)和方法。
文檔編號H02M1/36GK102210088SQ200880131898
公開日2011年10月5日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者J·R·斯文森 申請人:Abb技術(shù)有限公司