專利名稱：用于交換電力的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在旁路連接中與三相電力網(wǎng)絡交換電力的裝置，所述裝置包括一方面對每個所述相無功阻抗元件以及與所述元件串聯(lián)連接的電壓源變換器，并且另一方面控制單元被配置為控制所述電壓源變換器的關斷型半導體器件以便生成基本頻率與各自的所述相的電壓的基本頻率相等的電壓，并且通過該控制單元來控制所述裝置與所述電力網(wǎng)絡的各相之間的無功電力的流。也就是說，可以模仿電容器和電抗器的行為。
背景技術：
在電力網(wǎng)絡中經(jīng)常通過將旁路連接中的、電感器和電容器形式的無功阻抗元件連接到電力網(wǎng)絡，發(fā)生無功電力的流的補償。通過將半導體開關與該電感器串聯(lián)，流經(jīng)該電感器的電流可以受到控制并且因此與所述網(wǎng)絡的無功電力的交換也可以受到控制。通過將半導體開關與該電容器串聯(lián)并且對其進行控制，可以按部就班地控制提供給該電力網(wǎng)絡的無功電力。在工業(yè)網(wǎng)絡中，連接在旁路連接中的電容器主要用于補償例如大型異步電動機中的無功電力消耗。該裝置的另一個應用涉及具有變化極大的無功電力消耗的負載，如在工業(yè)電弧爐中。通過利用所述電壓源變換器并且利用脈沖寬度調制來控制所述電壓源變換器，可以獲得對所述電力交換的快速控制。這是通過控制該變換器以生成具有實質上在頻率和相位上與網(wǎng)絡的電壓一致的基礎分量的電壓。通過變化所生成的電壓的幅度，如果該變換器的電壓的幅度低于該網(wǎng)絡的電壓的幅度則該變換器可以用來消耗無功電力，并且如果變換器的電壓的幅度高于該網(wǎng)絡的電壓的幅度則該變換器可以用來生成無功電力。通過US 7173349B2得知根據(jù)上文的介紹的裝置，并且在附圖1和2中示意性地示出了兩個不同的該配置。圖1示出了電壓源變換器1’在旁路中通過電容器3’形式的無功阻抗元件連接到電力網(wǎng)絡2 ’。該串聯(lián)連接還包括濾波器電感器4 ’，用于對變換器所產(chǎn)生的電壓進行平滑并且限制短路電流。電容器3’與電壓源變換器1’的串聯(lián)連接的優(yōu)點在于在電力網(wǎng)絡2’的電壓為1.0每單元時可以將變換器的電壓額定為0.33每單元。這意味著相對于沒有電容器3’的情況，可以降低在所述電壓源變換器中串聯(lián)連接的半導體器件的數(shù)量。然后將電容器3，的額定為用于這樣一種電壓，該電壓對應于該電力網(wǎng)絡電壓加上該變換器生成的、與電力網(wǎng)絡電壓相位相反的電壓。圖2顯示了另一個已知的無功電力補償裝置，其與根據(jù)圖1的裝置的不同之處在于在該情況中無功阻抗元件是電感器5’，將電感器5’的額定為用于這樣一種電壓，該電壓對應于該電力網(wǎng)絡電壓加上該變換器生成的、與電力網(wǎng)絡電壓相位相反的電壓。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供上文的介紹中所定義的那種類型的但是相對于已知的裝置至少在一些方面得以改進的裝置。根據(jù)本發(fā)明，通過提供這樣一種裝置來達到該目的，在該裝置中每個所述電壓源變換器包括所謂H橋形式的開關單元的串聯(lián)連接，該開關單元包括兩個并聯(lián)連接的開關元件，并且每個開關元件至少具有兩個串聯(lián)連接的半導體組件，并且每個半導體組件具有關斷型的半導體器件和與半導體器件反并聯(lián)地連接的整流元件，每個所述開關單元還包括至少一個與所述開關元件并聯(lián)連接的能量存儲電容器，每個開關元件的半導體組件之間的中點形成了該開關單元的端子，該端子用于連接到相鄰開關單元的對應端子以形成開關單元的所述串聯(lián)連接，并且所述控制單元被配置為控制每個開關單元的所述半導體組件的所述半導體器件，并且通過該控制單元，每個開關單元傳送的跨過端子的電壓是零、+U或-U (其中U是所述電容器兩端的電壓)，以便與電壓源變換器的其他開關單元一起傳送為由每個開關單元如此傳送的電壓之和的電壓脈沖，用于生成用于所述無功電力流控制的電壓。在相串聯(lián)連接中利用該電壓源變換器將帶來大量優(yōu)點。用較少數(shù)該串聯(lián)連接的開關單元已經(jīng)可以獲得較大量不同的由變換器傳送的所述電壓脈沖，從而無需任何平滑濾波器就已經(jīng)可以獲得基本頻率的形狀與正弦電壓非常接近的所述電壓。此外，這已經(jīng)可以通過實質上比兩或三級電壓源變換器中所使用的開關頻率更低的開關頻率來獲得。此外， 這使其能夠獲得實質上更低的損耗并且還減少了濾波和諧波電流和無線電干擾的問題，從而其所用的設備的成本將更低。這總體導致該裝置的性能更好并且節(jié)省已知的該裝置的成本。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述無功阻抗元件包括電容器，該電容器使得能夠獲得連續(xù)可控的無功電力生成。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，每個相的所述串聯(lián)連接包括濾波電感器，該濾波電感器被配置為對所生成的所述基本頻率電壓進行平滑或者限制短路電流。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，通過形成星形連接，將所述無功阻抗元件的串聯(lián)連接和在旁路中連接到所述電力網(wǎng)絡的三個相的所述電壓源變換器相互連接。在電力網(wǎng)絡的無功電力消耗中，到三相電力網(wǎng)絡的該類型連接的裝置將非常有效。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，通過使得每個所述相串聯(lián)連接的無功阻抗元件的一端連接到所述相并且另一端連接到該電壓源變換器的開關單元的該串聯(lián)連接的一端并且該電壓源變換器的開關單元的該串聯(lián)連接的另一端連接到其他兩個電壓源變換器的對應的端，獲得該星形連接?？蛇x擇地，可以通過使得每個所述相串聯(lián)連接的電壓源變換器的開關單元的所述串聯(lián)連接的一端連接到所述相并且另一端連接到所述無功阻抗元件的一端并且該無功阻抗元件的另一端連接到另外兩個相串聯(lián)連接的無功阻抗元件的對應的端，獲得該星形連接。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，通過形成三角形連接，將所述無功阻抗元件的相串聯(lián)連接與在旁路中連接到該電力網(wǎng)絡的三個相的所述電壓源變換器相互連接。這構成了將該類型的裝置連接到三相電力網(wǎng)絡的另一種受歡迎的方法，并且當希望在該裝置與網(wǎng)絡之間引入有功電力的瞬態(tài)交換時(例如為了降低工業(yè)電弧爐的操作中引起的閃爍 (flicker))，所述相串聯(lián)連接的該類型的互聯(lián)尤其適用?？梢垣@得這個效果是因為通過該連接可以將高電流從該裝置傳送到網(wǎng)絡這一事實。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，通過使得每個所述相串聯(lián)連接的所述無功阻抗元件的一端連接到所述相并且另一端連接到所述電壓源變換器的開關單元的所述串聯(lián)連接的
5第一端，并且每個電壓源變換器的開關單元的所述串聯(lián)連接的第二端連接到其他兩個相串聯(lián)連接之一的電壓源變換器的所述第一端，形成該三角形連接。當該裝置包括電容器形式的無功阻抗元件時，通過形成到三相電力網(wǎng)絡的星形連接或三角形連接而具有所述相串聯(lián)連接的以上裝置的另一個優(yōu)點在于該電容器可以阻止 DC電流并且允許非對稱接地。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，每個所述電壓源變換器中的所述開關單元的串聯(lián)連接的所述開關單元的數(shù)量具體地與所述網(wǎng)絡上試圖提供的電壓成比例，例如，4-20或 8-15。雖然該類型的裝置通過降低需要串聯(lián)連接的開關單元的數(shù)量而獲得了成本節(jié)省，但是當所述串聯(lián)連接中的開關單元的數(shù)量相當高而導致由變換器所傳送的電壓脈沖可能等級數(shù)量很大時，也很有興趣使用該類型的變換器。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述半導體組件的所述半導體器件是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、IGCT(集成柵極換流晶閘管)或GTO(柵極可關斷晶閘管)。這些是適用于該變換器的半導體器件，但是可以想到其他關斷型的半導體器件。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，所述電壓源變換器具有與與其串聯(lián)連接的所述無功阻抗元件一起生成幅度為IOkV到300kV (優(yōu)選地，30kV到200kV)的所述基本頻率電壓的能力。該裝置將適用于與例如高壓傳輸線路或電力網(wǎng)絡交換電力，其中該高壓傳輸線路典型地承載132-500kV的電壓，可以具有或不具有到網(wǎng)絡的接口變壓器，該電力網(wǎng)絡向基本電壓為36kV的工業(yè)電弧爐供電。本發(fā)明還涉及使用根據(jù)本發(fā)明的裝置來與三相電力網(wǎng)絡交換電力，其中優(yōu)選的應用是與用于供應工業(yè)電弧爐的電力網(wǎng)絡并且與高壓傳輸線路形式的三相電力網(wǎng)絡交換電力。本發(fā)明的其他優(yōu)點以及有利特征將從下文的描述中看出。


下文通過參考附圖給出了本發(fā)明的實施方式的具體描述以作為實例。在附圖中圖1和圖2是非常簡化地顯示了本發(fā)明的裝置的兩種不同類型的一般結構的示圖，圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置中的電壓源變換器的一部分的示圖，該電壓源變換器的形式為兩個串聯(lián)連接的開關單元，圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的連接到三相電力網(wǎng)絡的裝置的示圖，圖5是與圖4相似的、根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的裝置的示圖。
具體實施例方式圖3示意性地示出了在一種用于在旁路連接中與圖1所示類型的三相電力網(wǎng)絡2 交換電力的裝置中的電壓源變換器的一般結構。該變換器包括開關單元6、7的串聯(lián)連接， 其中本文僅顯示了兩個該連接，但是可以想到任意數(shù)量的該連接。每個開關單元具有所謂 H橋的形式，該H橋包括并聯(lián)連接的兩個開關元件8-11，并且每個開關元件至少具有兩個串聯(lián)連接的半導體組件12-19，并且每個半導體組件具有關斷型半導體器件20 (例如IGBT)和與半導體器件反并聯(lián)地連接的整流元件21 (如續(xù)流二極管)。每個開關單元還包括至少一個能量存儲電容器22，能量存儲電容器22具有跨過其端子的電壓U并且與開關元件并聯(lián)連接。每個開關元件的半導體組件之間的中點23、34形成了該開關單元的端子以便連接到相鄰開關單元的對應端子以形成開關單元的串聯(lián)連接。因此，通過H橋單元的所謂鏈接形成變換器。該裝置包括控制單元25，其被配置為控制每個開關單元的所述半導體組件的所述半導體器件，并且每個開關單元通過該控制單元傳送跨過端子23、24的電壓，例如當開關組件12和14或13和15導通時該電壓是零，當開關組件13和14導通時該電壓是+U或者當開關組件12或15導通時該電壓是-U。然后將該電壓與電壓源變換器的串聯(lián)連接中的其他開關單元的對應的電壓相加，以傳送電壓脈沖，該電壓脈沖是這些電壓之和。在例如10 個開關單元串聯(lián)連接在該電壓源變換器21中的情況中，可以獲得不同的電壓脈沖等級。要指出的是，圖3中所示的半導體器件20和二極管21可以代表大量串聯(lián)連接的該器件和二極管，以獲得需要的處理能力。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的、連接到具有3個相線路或相 26,27,28的三相電力網(wǎng)絡2的裝置。該裝置對于每個相包括無功阻抗元件，該無功阻抗元件的形式為分別與電壓源變換器32、42和52串聯(lián)連接的電容器31、41、51。通過圖3中所示類型的開關單元的串聯(lián)連接來形成每個電壓源變換器并且通過6個連續(xù)的方塊來示出電壓源變換器。此外，在每個所述相串聯(lián)連接中提供了用于濾波和短路電流限制的電感器 33,43 和 53。在該實施方式中，通過形成三角形連接60，將在旁路中連接到電力網(wǎng)絡的三個相的這些相串聯(lián)連接相互連接，其中通過使得每個所述相串聯(lián)連接的電容器的一端連接到所述相并且另一端連接到所述電壓源變換器的開關單元的串聯(lián)連接的第一端，而每個電壓源變換器的開關單元的串聯(lián)連接的第二端連接到其他兩個相串聯(lián)連接之一的電壓源變換器的所述第一端，獲得三角形連接60。電壓源變換器的該三角形連接導致能夠大范圍地改變由該裝置所傳送的電流，使得該實施方式特別適用于與用于向工業(yè)電弧爐供電的電力網(wǎng)絡交換電力以便降低閃爍，這是因為三角形連接展現(xiàn)了更高的電流能力。通過與電力網(wǎng)絡交換無功電力來補償電壓變化之外還通過該裝置引入了有功電力的瞬態(tài)交換，這是有利的。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的裝置，該裝置與根據(jù)圖4的裝置的不同之處在于不同相串聯(lián)連接的電壓源變換器相互連接的方式。在該實施方式中，通過形成星形連接50將這些電壓源變換器相互連接。通過使得每個所述相串聯(lián)連接的電容器31、41、 51的一端連接到相觀、27、沈，并且另一端連接到電壓源變換器32、42和52的開關單元的串聯(lián)連接的一端并且該電壓源變換器的開關單元的串聯(lián)連接的另一端連接到其他兩個電壓源變換器的對應的端，獲得該星形連接。該裝置對于高壓傳輸線路中的無功電力的補償特別適用，因為該裝置導致能夠大范圍改變電壓幅度。此外，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中通過將電壓源變換器的電壓控制為相對于電力網(wǎng)絡的電壓的任意相，可以與該網(wǎng)絡交換無功電力和有功電力兩者。并且，在US 7173349B2中透徹地解釋了通過本發(fā)明的類型的裝置與電力網(wǎng)絡交換電力的不同的可能性，并且那里公開的裝置的對應的控制方案對根據(jù)本發(fā)明的裝置也可行。以參考的方式將US 7173349B2 的公開并入本文。
當然，本發(fā)明不僅限于上述實施方式，而是對于本領域技術人員而言，在不脫離所附權利要求書中所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，對于本發(fā)明的許多可能的修改是顯而易見的。該裝置可以例如具有變壓器，用于將各自的電壓源變換器連接到與之相關聯(lián)的無功阻抗元件。
權利要求
1.一種在旁路連接中與三相電力網(wǎng)絡( 交換電力的裝置，所述裝置包括一方面對每個所述相無功阻抗元件(3’、31、41、51)，以及與所述元件串聯(lián)連接的電壓源變換器(32、42、52)，并且另一方面控制單元(25)，被配置為控制所述電壓源變換器的關斷型半導體器件以便生成基本頻率與各自的所述相的電壓的基本頻率相等的電壓，并且通過該控制單元來控制所述裝置與所述電力網(wǎng)絡的各相之間的無功電力的流，其特征在于每個所述電壓源變換器包括所謂H橋形式的開關單元(6、7)的串聯(lián)連接， 該開關單元包括兩個并聯(lián)連接的開關元件(8-11)，并且每個開關元件至少具有兩個串聯(lián)連接的半導體組件(12-19)，并且每個半導體組件具有關斷型半導體器件00)和與半導體器件反并聯(lián)地連接的整流元件(21)，每個所述開關單元還包括至少一個與所述開關元件并聯(lián)連接的能量存儲電容器(22)，每個開關元件的半導體組件之間的中點形成了該開關單元的端子03、34)，該端子用于連接到相鄰開關單元的對應端子以形成開關單元的所述串聯(lián)連接，并且所述控制單元0 被配置為控制每個開關單元的所述半導體組件的所述半導體器件，并且通過該控制單元，每個開關單元傳送的跨過端子的電壓是零、+U或-U，其中U是所述電容器兩端的電壓，以與電壓源變換器的其他開關單元一起傳送為由每個開關單元如此傳送的電壓之和的電壓脈沖，用于生成用于所述無功電力流控制的電壓。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述無功阻抗元件包括電容器(3’、31、41、51)。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于用于每個所述相的所述串聯(lián)連接包括濾波電感器(33、43、53)，其被配置為對所產(chǎn)生的所述基本頻率電壓進行平滑或限制短路電流。
4.如以上任意一個權利要求所述的裝置，其特征在于通過形成星形連接(50)，將所述無功阻抗元件的相串聯(lián)連接和在旁路中連接到所述電力網(wǎng)絡O)的所述三個相(沈-28) 的所述電壓源變換器相互連接。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于通過使得每個所述相串聯(lián)連接的無功阻抗元件(31、41、51)的一端連接到所述相并且另一端連接到所述電壓源變換器(32、42、52)的開關單元的所述串聯(lián)連接的一端并且所述電壓源變換器的開關單元的所述串聯(lián)連接的另一端連接到其他兩個電壓源變換器的對應的端，獲得所述星形連接(50)。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于通過使得每個所述相串聯(lián)連接的電壓源變換器(32、42、5幻的開關單元的所述串聯(lián)連接的一端連接到所述相并且另一端連接到所述無功阻抗元件(31、41、51)的一端并且所述無功阻抗元件的另一端連接到另外兩個相串聯(lián)連接的無功阻抗元件的對應的端，獲得所述星形連接(50)。
7.如權利要求1-3所述的裝置，其特征在于通過形成三角形連接(60)，將所述無功阻抗元件(31、41、51)的相串聯(lián)連接與在旁路中連接到所述電力網(wǎng)絡O)的三個相(沈-28) 的所述電壓源變換器(32、42、5幻相互連接。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于通過使得每個所述相串聯(lián)連接的所述無功阻抗元件(31、41、51)的一端連接到所述相(沈-28)并且另一端連接到所述電壓源變換器 (32、42、52)的開關單元的所述串聯(lián)連接的第一端，并且每個電壓源變換器的開關單元的所述串聯(lián)連接的第二端連接到其他兩個相串聯(lián)連接之一的電壓源變換器的所述第一端，形成所述三角形連接(60)。
9.如以上任意一個權利要求所述的裝置，其特征在于每個所述電壓源變換器(32、 42,52)中的所述開關單元的串聯(lián)連接的所述開關單元(6、7)的數(shù)量具體地與所述網(wǎng)絡上試圖提供的電壓成比例，例如，4-20或8-15。
10.如以上任意一個權利要求所述的裝置，其特征在于所述半導體組件的所述半導體器件00)是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、IGCT (集成柵極換流晶閘管)或GTO (柵極可關斷晶閘管)。
11.如以上任意一個權利要求所述的裝置，其特征在于所述電壓源變換器(32、42、 52)具有與與其串聯(lián)連接的所述無功阻抗元件(31、41、51) —起生成幅度為IOkV到300kV， 優(yōu)選地為30kV到200kV的所述基本頻率電壓的能力。
12.—種將如以上任意一個權利要求所述的裝置用于與三相電力網(wǎng)絡(2)交換電力的應用。
13.如權利要求12所述的應用，其中，所述電力網(wǎng)絡向工業(yè)電弧爐供電并且典型地承載36kV的電壓。
14.如權利要求12所述的應用，用于與形式為高壓傳輸線路的三相電力網(wǎng)絡O)交換電力，該高壓傳輸線路典型地承載132-500kV的電壓，并且具有或者不具有到該網(wǎng)絡的接口變壓器。
全文摘要
一種在旁路連接中與三相電力網(wǎng)絡(2)交換電力的裝置，包括一方面對每個所述相，無功阻抗元件(3’、31、41、51)以及與所述元件串聯(lián)連接的電壓源變換器(32、42、52)，并且另一方面控制單元(25)被配置為控制所述電壓源變換器的關斷型半導體器件以便生成基本頻率與各所述相的電壓的基本頻率相等的電壓，并且通過該控制單元來控制所述裝置與所述電力網(wǎng)絡的各相之間的無功電力的流。每個所述電壓源變換器包括所謂H橋形式的開關單元的串聯(lián)連接，該開關單元包括兩個并聯(lián)連接的開關元件，并且每個開關元件至少具有兩個串聯(lián)連接的半導體組件。每個開關單元還包括至少一個與所述開關元件并聯(lián)連接的能量存儲電容器。
文檔編號H02J3/18GK102388518SQ200980158631
公開日2012年3月21日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權日2009年4月9日
發(fā)明者F·奇門托, F·廷勒夫, F·迪吉庫伊曾, F·霍辛尼, J·斯文森, J-P·哈斯勒, M·蒙格, P·倫德伯格, S·諾加, T·喬森 申請人:Abb技術有限公司