本發(fā)明涉及一種無級可調(diào)飽和補(bǔ)償電抗器，其包括層壓的芯，該芯的每一相具有兩個(gè)被纏繞的腿部，這兩個(gè)腿部通過磁軛連接，其中，在每個(gè)被纏繞的腿部上布置有網(wǎng)絡(luò)繞組支路，并且一個(gè)相的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)繞組支路的高壓端連接到相導(dǎo)體，這些網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端連接到直流電壓源。

背景技術(shù)：

開頭提及類型的可通過預(yù)磁化連續(xù)控制的補(bǔ)償電抗器(MCSR:磁控電抗器)可以用于在高壓網(wǎng)絡(luò)和傳輸線中負(fù)載波動情況下的電壓穩(wěn)定化，以及用于補(bǔ)償高壓網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備中多余的無功功率。

相比于通過分級開關(guān)可變的電抗器，MCSR具有如下優(yōu)點(diǎn)：

-無功功率的明顯更大的調(diào)節(jié)范圍：在MCSR中是1:100，而非在用分級開關(guān)調(diào)節(jié)時(shí)的電抗器情況下的最大1:2(具有強(qiáng)烈波動負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)需要至少1:10)，

-用于將無功功率從最小變?yōu)樽畲笏璧拿黠@更小的時(shí)間：在MCSR中是0.3s，而非在用分級開關(guān)調(diào)節(jié)時(shí)的電抗器情況下的1-3分鐘(為了在甩負(fù)荷后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電壓跳躍，需要大約0.3s)，

-在MCSR中不限制功率調(diào)節(jié)的次數(shù)(在用分級開關(guān)調(diào)節(jié)時(shí)的電抗器情況下，該次數(shù)受到分級開關(guān)觸頭使用壽命的限制)。

然而，與用分級開關(guān)調(diào)節(jié)時(shí)的電抗器相比，MCSR的缺點(diǎn)包括電流曲線畸變、更高的成本和損耗。與例如從Cigré-Paper 12-05,1978,"Reactor transformer for controllable static compensators"中已知的靜止無功補(bǔ)償器(SVC：靜止無功補(bǔ)償器)相比，MCSR具有更小的成本和損耗以及更高的可靠性。這通過電子開關(guān)系統(tǒng)的明顯更小的功率引起(在MCSR中的電抗功率的1-2％，而非SVC中的100％)。

在Becker H.:"Die steuerbare Drosselspule.Ein statischer Phasenschieber zur Kompensation von"ETZ-B,1971,Bd.23,H.12中給出了對于現(xiàn)代MCSR的構(gòu)造和作用方式的首次描述。按照其，MCSR包括：如在變壓器中那樣的閉合的層壓鐵芯；連接于饋電網(wǎng)絡(luò)的交變電流繞組；從直流電壓源饋電的直流控制繞組GW；以及連接成三角形的補(bǔ)償繞組DW。一相的每個(gè)所提及的繞組劃分為兩個(gè)相同的、串聯(lián)連接的部分，其繞制于兩個(gè)不同的芯腿部。繞組PW的部分彼此相同地連接，并且在兩個(gè)腿部中產(chǎn)生相同定向的磁通AC。繞組GW的部分相反連接，并且在兩個(gè)腿部中產(chǎn)生相反定向的磁通DC。在一個(gè)半周期中，磁通AC和DC在第一腿部中相加，并且在第二腿部中相減。在第二半周期中該過程相反。在繞組GW中的預(yù)磁化電流足夠大時(shí)，腿部1在第一半周期的一個(gè)部分內(nèi)進(jìn)入飽和，并且腿部2在第二半周期的相同部分內(nèi)進(jìn)入飽和。在腿部飽和期間，繞組PW的、繞制在腿部上的部分的電感被強(qiáng)烈減小，這引起了具有正或負(fù)極性的電流脈沖。

通過直流電壓在繞組GW上的變化，可以調(diào)節(jié)腿部的飽和狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間和由此調(diào)節(jié)繞組PW中的電流幅度。MCSR的工作電流的曲線基本上不是正弦形的，因?yàn)樵谛就炔康牟伙柡蜖顟B(tài)期間沒有電流流過繞組PW。在MCSR的額定運(yùn)行中，每個(gè)腿部的飽和狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為恰好半周期。由此，繞組PW中的電流幾乎是正弦形的。通過繞組GW的背對背連接(Gegenschaltung)，所有偶次諧波的電流在該繞組中循環(huán)。通過補(bǔ)償繞組DW的三角電路，3次、9次等電流諧波在其中循環(huán)。由此，繞組GW和DW用作偶次諧波和可被3整除的諧波的濾波器。其它諧波：5次、7次、11次等未被補(bǔ)償，并且進(jìn)入到被饋電的網(wǎng)絡(luò)中。在需要時(shí)可以通過使用外部連接到繞組DW上的LC濾波器來抑制這些諧波。

結(jié)合MCSR在俄羅斯和烏克蘭的發(fā)展和生產(chǎn)，在隨后的多年里，上面描述的MCSR設(shè)計(jì)在減低生產(chǎn)成本和損耗的方向上被改進(jìn)，參見例如UdSSR專利1762322，專利RU 2063084、專利RU 2132581和專利RU 2217829。在O.M.Budargin,L.V.Makarevitsch,L.A.Mastrukov:"Eine gesteuerte -Drosselspule 180Mvar,500kV von OAG'Elektrozavod'",Elektro N 6,2012中提出了，移除預(yù)磁化繞組GW和將其功能傳遞給網(wǎng)絡(luò)繞組PW。根據(jù)該文獻(xiàn)，每個(gè)相的網(wǎng)絡(luò)繞組包括兩個(gè)相同的并聯(lián)支路，其布置在不同的芯腿部上。所有相的第一支路形成第一星，第二支路形成第二星。兩個(gè)星以高壓端連接到傳輸線AC。在兩個(gè)星的星點(diǎn)之間連接了被調(diào)節(jié)的直流電流源。每個(gè)星點(diǎn)經(jīng)由接地電抗器接地。通過移除直流繞組，額定損耗減小約50％，總重量減小約15％。

在專利RU 2320061中，對所提及的方案的改進(jìn)方式是：用從AC網(wǎng)絡(luò)AC饋電的、六個(gè)(一相兩個(gè))分開的交流電壓源D替代整個(gè)直流電壓源。在周期的特定部分中，源D經(jīng)由功率晶體管或者晶閘管與相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端連接。由此在其中產(chǎn)生所需的預(yù)磁化電流。在周期的其余時(shí)間中將該繞組端接地。該方案允許排除接地電抗器并且對進(jìn)入到相中的電流進(jìn)行分別調(diào)節(jié)，這保證了對稱性。預(yù)磁化脈沖的中點(diǎn)相對于工作電流脈沖的中點(diǎn)推移了四分之一周期，這相比于之前提及的解決方案減小了直流電流源所需的功率。

后一提及的方案被視為最接近的現(xiàn)有技術(shù)。該解決方案的主要缺點(diǎn)是MCSR的工作電流在周期的一個(gè)部分中流過具有較小功率的交變電流源D。隨著工作電流上升到額定值，工作電流脈沖的持續(xù)時(shí)間越來越大，最大是半個(gè)周期，即，其超過了工作和預(yù)磁化電流的脈沖起點(diǎn)之間的時(shí)間偏移。交變電流源D是具有初級和次級繞組之間大的距離的換流器變壓器，以便在MCSR星點(diǎn)的檢查電壓下保證該路徑的絕緣強(qiáng)度。因此，換流器變壓器的繞組之間的電抗可以與MCSR在芯腿部完全飽和情況下的額定電感相比較。這會導(dǎo)致MCSR的電流波形的畸變和導(dǎo)致電子開關(guān)的危險(xiǎn)的電壓升高。

現(xiàn)有技術(shù)的又一缺點(diǎn)是，源D在控制脈沖的作用持續(xù)時(shí)間內(nèi)非恒定的電壓導(dǎo)致的預(yù)磁化電流與控制參數(shù)-控制脈沖在電子開關(guān)上的持續(xù)時(shí)間-的非線性關(guān)系。這導(dǎo)致在MCSR的額定電流范圍中，反饋回路中的放大系數(shù)減小，以及導(dǎo)致調(diào)節(jié)誤差的相應(yīng)放大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是提出一種開頭提及類型的無級可調(diào)飽和補(bǔ)償電抗器，其減小了直流電壓源的功率、工作電流的畸變度和調(diào)節(jié)誤差，以及減小了直流電壓源的數(shù)目。

該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過如下解決，即，直流電壓源包括兩個(gè)極性相反的、穩(wěn)定化且單極接地的換流器，以及對于每一相包括兩個(gè)由控制系統(tǒng)控制的電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)，以及，控制系統(tǒng)構(gòu)建為使得一相的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)繞組支路的直流饋電經(jīng)由相應(yīng)的電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)脈沖式地進(jìn)行，以及，從不同的換流器的相反極進(jìn)行到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)繞組支路中的直流饋電。

本發(fā)明基于如下考慮，即，類似于現(xiàn)有技術(shù)，首先，MCSR的每一相包含網(wǎng)絡(luò)繞組的兩個(gè)并聯(lián)支路，其布置在層壓芯的不同腿部上，并且連接在網(wǎng)絡(luò)相和預(yù)磁化源之間。

與現(xiàn)有技術(shù)不同，在此提出的MCSR具有帶有正和負(fù)極性的兩個(gè)單極接地的穩(wěn)定化變流器。借助受控的電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)，將相應(yīng)的換流器短時(shí)地連接至并聯(lián)繞組支路的低壓端。由此，在兩個(gè)繞組支路中，生成所需的預(yù)磁化電流。

在此，換流器有利地是相同的，即構(gòu)造相同，然而在此布置為極性相反。

網(wǎng)絡(luò)繞組的每個(gè)并聯(lián)支路對應(yīng)于一個(gè)晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)。晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)有利地分別包括至少三個(gè)工作位置，并且第一工作位置將第一網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端與第一換流器連接和將第二網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端與第二換流器連接，第二工作位置將網(wǎng)絡(luò)繞組支路的每個(gè)低壓端與接地的星點(diǎn)接頭連接，以及，第三工作位置將第一網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端與第二換流器連接和將第二網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端與第一換流器連接，其中，兩個(gè)晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作位置的控制在時(shí)間上錯(cuò)移半個(gè)正弦周期地進(jìn)行。

在此，控制系統(tǒng)有利地設(shè)計(jì)為通過第一和第三工作位置的持續(xù)時(shí)間的控制來調(diào)節(jié)飽和補(bǔ)償電抗器的工作電流。在此，有利地將工作電流的幅度與額定值幅度相比較。偏差將一相中的各工作位置的持續(xù)時(shí)間控制為使得幅度偏差被最小化。

此外，控制系統(tǒng)有利地設(shè)計(jì)為將每一相的工作電流的正和負(fù)幅度相比較并且相同方式進(jìn)行控制，以便將其間的偏差最小化。

有利地，在被纏繞的芯腿部的飽和狀態(tài)期間，將布置在其上的網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端經(jīng)由相應(yīng)的電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)接地，即與星點(diǎn)接頭連接，并且還有利的是，在通過控制而預(yù)先給出的時(shí)間間隔中，在被纏繞的芯腿部的不飽和狀態(tài)中，將布置在其上的網(wǎng)絡(luò)繞組支路的低壓端經(jīng)由相應(yīng)的電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)與換流器之一連接。每個(gè)繞組支路的所提及的脈沖饋電于是當(dāng)相應(yīng)的芯腿部不飽和并且工作電流不在該支路中流過時(shí)在負(fù)的半周期中進(jìn)行。

控制系統(tǒng)還有利地設(shè)計(jì)為，通過控制兩個(gè)換流器的輸出電壓來調(diào)節(jié)飽和補(bǔ)償電抗器工作電流的幅度變化速度。

在又一有利的構(gòu)型中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為將所有相的工作電流幅度相比較并且將這些相中的工作位置的持續(xù)時(shí)間校正為使得這些幅度相等。

附圖說明

借助附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明。在此：

圖1示出了MCSR的簡化電路，帶有電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)的機(jī)械示圖，

圖2示出了具有IGBT功率晶體管的電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)的一個(gè)示例(電子轉(zhuǎn)換開關(guān)的電示圖)，

圖3示出了在MCSR負(fù)載恒定的運(yùn)行中一相的網(wǎng)絡(luò)繞組支路中的電流曲線，

圖4示出了在MCSR負(fù)載升高的運(yùn)行中一相的網(wǎng)絡(luò)繞組支路中的電流曲線，

圖5示出了在MCSR的甩負(fù)荷運(yùn)行中一相的網(wǎng)絡(luò)繞組支路中的電流曲線。

具體實(shí)施方式

圖1示出了飽和補(bǔ)償電抗器(MCSR)的一相。在此描述的MCSR的每相包括兩個(gè)芯腿部1、2，在其上纏繞有網(wǎng)絡(luò)繞組的相同的并聯(lián)支路3、4。其高壓端共同地連接至一個(gè)網(wǎng)絡(luò)相導(dǎo)體，并且低壓端N1和N2分別連接到電子晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b。

電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b被彼此獨(dú)立地控制并且可以占據(jù)三個(gè)位置之一："0","↑"和"↓"。在位置“0”中，繞組端部N1和N2接地。在位置"↑"中，繞組端部N1與極性為正(電壓+U0)的穩(wěn)定化的晶閘管換流器6連接，繞組端部N2與極性為負(fù)(電壓-U0)的相同的晶閘管換流器7連接。在位置"↓"，繞組端部N1與負(fù)換流器7連接，繞組端部N2與正換流器6連接。

與換流器6、7的輸出端并聯(lián)連接有具有大電容的平滑電容器8。網(wǎng)絡(luò)繞組的支路3、4的端部N1、N2經(jīng)由(由電容器9和電阻器10構(gòu)成的)RC環(huán)節(jié)接地。RC環(huán)節(jié)9、10用于在網(wǎng)絡(luò)繞組的支路3、4中在電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b從一個(gè)位置過渡到另一位置的情況下出現(xiàn)的短暫電流中斷期間限制點(diǎn)N1和N2的電勢。在此，電阻器10限制電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b的轉(zhuǎn)換之后的起始時(shí)間點(diǎn)中的電容器8、9的再充電電流，以避免晶體管的電流過載。

電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b的控制是通過控制系統(tǒng)14進(jìn)行的，其將MCSR電流傳感器12的和網(wǎng)絡(luò)電壓傳感器13的實(shí)際信號與預(yù)先給定的額定值I_AC額定和U_AC額定相比較。根據(jù)差-偏差信號的值和符號，控制系統(tǒng)14生成用于電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b的控制信號，其確定DC饋電脈沖的持續(xù)時(shí)間和極性。

霍爾傳感器11用于比較MCSR的工作電流的正和負(fù)幅度。當(dāng)這些幅度由于一相的芯腿部1、2的不相同的磁性狀態(tài)而不相等時(shí)，控制系統(tǒng)14校正網(wǎng)絡(luò)繞組的支路3、4中的預(yù)磁化電流，以便實(shí)現(xiàn)完全抑制MCSR的工作電流中的直流成分和偶次諧波。為了抑制可被3整除的諧波，可以在每個(gè)芯腿部1、2上布置附加的接成三角的補(bǔ)償繞組(圖1中未示出)。

圖2示出了電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b的詳細(xì)示圖。每個(gè)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b根據(jù)轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行位置數(shù)目而包括三個(gè)相同的晶體管開關(guān)。每個(gè)晶體管開關(guān)通過兩個(gè)相反連接的功率晶體管T1、T2(或T3、T4；T5、T6)(例如IGBT晶體管)的并聯(lián)電路形成。在將相應(yīng)的電壓施加到控制電極G1、G2(或者G3、G4；G5、G6)的情況下，兩個(gè)晶體管T1或T2位于導(dǎo)通狀態(tài)，并且使電流在兩個(gè)方向上通過。

在切換期間，首先是至此導(dǎo)通的開關(guān)的晶體管T1、T2截止，并且在之后大約0.1ms的短暫時(shí)間中，至此截止的開關(guān)的晶體管才導(dǎo)通。為了將控制系統(tǒng)14與功率晶體管T1、T2去耦并且由此與MCSR星點(diǎn)去耦，將控制信號經(jīng)由光纜傳導(dǎo)至電極G1、G2。

下面描述至此描述的MCSR電路的工作原理。

在網(wǎng)絡(luò)繞組3、4連接到AC網(wǎng)絡(luò)(AC：交變電流)上的情況下，在芯腿部1、2中出現(xiàn)相同取向的AC磁通。當(dāng)在此在繞組支路3、4中不流過預(yù)磁化電流的時(shí)，芯不飽和并且在MCSR中僅消耗很少的空載電流，如變壓器那樣。

在繞組支路3、4中同時(shí)出現(xiàn)具有相反極性的直流的情況下，在芯腿部1、2中出現(xiàn)相反定向的DC磁通(DC：直流)，其與AC磁通相加。由此，在每個(gè)芯腿部1、2中在AC和DC電流方向相同情況下的有源半周期和這些電流方向相反的無源半周期交替。有源半周期期間，芯腿部在該半周期的特定部分中飽和。腿部1、2的交替飽和在繞組支路3中引起正的網(wǎng)絡(luò)頻率電流脈沖，在繞組支路4中引起負(fù)的網(wǎng)絡(luò)頻率電流脈沖，其在相導(dǎo)體中引起雙極性電流曲線。隨著預(yù)磁化電流增大，這些脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅度增大。

在額定運(yùn)行中，芯腿部1、2在整個(gè)有源半周期中飽和。在有源半周期中，轉(zhuǎn)換開關(guān)5a(5b)占據(jù)位置“0”，這阻止了工作電流流過換流器6、7，并且減小了其功率。在無源半周期中，相應(yīng)的芯腿部1或2并不飽和，并且僅較小的預(yù)磁化電流流過纏繞于其上的網(wǎng)絡(luò)繞組支路3或4。在該時(shí)間間隔內(nèi)繞組端部N1、N2才可以與換流器6、7連接。

工作原理借助圖3至5的曲線圖進(jìn)一步闡述。其分別示出了流過網(wǎng)絡(luò)繞組支路3或4的電流I1、I2的時(shí)間曲線，及其和I1+I2＝I_AC，分別以安培為單位。在圖3至5的下部區(qū)域中，示出了在相應(yīng)的時(shí)間，轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b的主導(dǎo)位置。

在MCSR負(fù)載恒定的運(yùn)行中(圖3)，預(yù)磁化電流必須恒定。通過網(wǎng)絡(luò)繞組的支路3或4相比于AC周期而言大的時(shí)間常數(shù)，在該周期內(nèi)由于在網(wǎng)絡(luò)繞組中和在轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b中的損耗造成的電流減小是很少的。當(dāng)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a或5b位于位置"↑"中，則預(yù)磁化電流在無源半周期的短時(shí)間間隔內(nèi)回復(fù)到初始值。在該時(shí)間間隔中，預(yù)磁化電流以與DC源6、7的電壓U0成比例的速度上升。

控制系統(tǒng)14根據(jù)之前的AC周期的控制偏差確定該時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)該控制偏差位于可接受的邊界內(nèi)時(shí)，電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b在整個(gè)周期中位于位置"0"。

在MCSR負(fù)載上升的運(yùn)行中(圖4)，預(yù)磁化電流必須從一個(gè)周期到下一個(gè)周期提高，直至其達(dá)到了新的值，該新的值是工作電流的提高后的值所需的。該運(yùn)行與電流恒定的運(yùn)行的區(qū)別僅在于其中電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b位于位置"↑"的時(shí)間間隔更長。控制系統(tǒng)14將該時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間限制為芯腿部的不飽和狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以便排除工作電流流過換流器6、7。在達(dá)到調(diào)節(jié)后的參數(shù)(MCSR電流或網(wǎng)絡(luò)電壓的幅度)的新值之后，控制系統(tǒng)14將電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b轉(zhuǎn)移到負(fù)載恒定的運(yùn)行中。為了減小過渡過程的持續(xù)時(shí)間，控制系統(tǒng)在控制偏差大的情況下自動提高晶閘管換流器6、7的電壓±U0。

在MCSR甩負(fù)荷的運(yùn)行中(圖5)，預(yù)磁化電流必須從一個(gè)周期到下一個(gè)周期減小，直至其到達(dá)新值，該新值是工作電流的降低后的值所需的。在該運(yùn)行中，控制系統(tǒng)14在無源半周期中將電子轉(zhuǎn)換開關(guān)5a、5b轉(zhuǎn)移到位置"↓"。電子轉(zhuǎn)換開關(guān)的該狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間是與控制偏差的值成比例的。如在負(fù)載上升的運(yùn)行中那樣，電子轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)"↓"的持續(xù)時(shí)間被限制為芯腿部的不飽和狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。在該運(yùn)行中，換流器6、7用作逆變器。由此，MCSR磁場的能量的直流部分返回到饋電網(wǎng)絡(luò)中。如在負(fù)載上升的運(yùn)行中那樣，控制系統(tǒng)14在控制偏差大的情況下自動提高晶閘管換流器6、7的電壓±U0。

附圖標(biāo)記列表

1、2 芯腿部

3、4 網(wǎng)絡(luò)繞組支路

5a、5b 晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)

6、7 晶閘管-換流器

8 平滑電容器

9 電容器

10 電阻器

11 霍爾傳感器

12 MCSR電流傳感器

13 網(wǎng)絡(luò)電壓傳感器

14 控制系統(tǒng)

C1、C2、C3 集電極

E1、E2、E3 發(fā)射極

G1、G2、G3

G4、G5、G6 控制電極

I1、I2、I_AC 電流

I_AC額定 電流額定值

Q_AC額定 無功功率額定值

N1、N2 低電壓端

T1、T2、T3

T4、T5、T6 功率晶體管

U0 電壓

U_AC額定 電壓額定值