用于给交流电网系统提供无功功率的方法以及使用该方法的逆变器技术方案

一种给交流电网系统提供无功功率的方法，在该方法中，该交流电网系统的至少一个线路（１０）具有一个为该线路产生的补偿电压（Ｕｃｏｍｐ），该补偿电压（Ｕｃｏｍｐ）相对于在线路（１０）中的电流被移相并且被提供给线路（１０），实现这种简单的补偿在于：借助于一个逆变器（１１）由一个直流电压来产生补偿电压（Ｕｃｏｍｐ），该逆变器由在一个桥路中的可控制极关断功率半导体元件构成，并且补偿电压（Ｕｃｏｍｐ）直接串联地提供给线路（１０）。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子领域。它涉及一种给交流电网系统提供无功功率的方法，在该方法中，该交流电网系统的至少一个线路具有一个为该线路产生的补偿电压，该补偿电压相对于在线路中的电流被移相并且被提供给线路。此外本专利技术涉及一种使用该方法的逆变器。在电力传输系统中，利用在一个交流电网系统中相互连接的输电线的阻抗关系来确定功率流动的分布，而不利用任何控制措施。通过利用串联的补偿器借助于串联电压注入来补偿无功功率能够改变一个输电线的有效阻抗。这样的措施改变了在连接点之间复合的电压差，因而功率借助于线路来流动。能够利用串联注入来故意地增加或减小线路上的负载，并且更有效地利用整个传输容量。这不限于三相输电系统。它也能够用在单相交流系统中。在现有的系统设计中，一般能够分为晶闸管开关或晶闸管控制的串联补偿和静态同步补偿。晶闸管控制的串联补偿包括多个串联连接的组件，这些组件被安装在一个三相输电线的每个相上。由于利用晶闸管技术的原因，在这种情况下，每个组件需要由一个电容器和一个可控(晶闸管开关的)电感器构成的并联电路。为了防止这个并联电路过负载也需要一个部件，该部件例如可以被设计成一个可变电阻器。这个公知系统结构的缺点主要是半导体开关在操作中被交流电源换流，它导致了操作范围受到了限制。通过注入一个与线路电流成直角(移相90°)的附加电压(补偿电压)使静态同步补偿器工作。注入该附加电压需要一个变压器，该变压器与一个输电线串联连接，以致于该输电线被补偿。在这样一个系统的整个费用中，用于注入附加电压所需要的变压器构成了一个比较高费用的元件。因此，本专利技术的一个目的是提供一种新的补偿方法，该方法涉及明显地减小了电路的复杂生，但是在应用中是灵活的。在开始提及的一种方法的情况下，本专利技术的目的这样被实现借助于一个逆变器由一个直流电压来产生补偿电压，该逆变器由在一个桥路中的可控制极关断功率半导体元件构成，并且补偿电压被直接串联地提供给线路。利用装配有半导体元件的逆变器桥路允许用简单的方式在任何需要的预定相位角上产生大量的正弦补偿电压。本专利技术通过把补偿电压直接串联地注入到待补偿的线路上能够省去像变压器和类似元件这样的附加注入元件。在本专利技术的权利要求中所限定方法的第一种优选实施例的特征在于至少一个充电电容器被用作为用于逆变器的直流电源。由于补偿装置主要注入无功功率，所以该电容器提供了一个简单和便利的直流电源。在该实施例的第一种改进结构中，至少一个电容器借助于逆变器由交流电网系统的线路来充电。这可省略附加的供电装置，且补偿电路变得特别简单。该实施例的第二种改进结构的特征在于至少一个电容器借助于一个单独的变换器被充电。如果补偿电路不仅把无功功率注入到线路上也把有功功率注入到线路上，那么利用一个中间电路的方式设置直流电压是有利的。在本专利技术的权利要求中所限定方法的第二种优选实施例的特征在于交流电网系统是一个三相系统，并且一个用于产生和提供一个补偿电压的相关逆变器与用于每相的一个相关线路串联连接。这允许对于每相单独地进行所需要的补偿。另一个优选实施例的特征在于每个逆变器包括两个半桥桥路，并且根据一个正弦调制信号以一个脉宽调制方式驱动半桥桥路。脉宽调制能够简单地使由逆变器产生的输出电压非常接近正弦波，因此减少了谐波分量。根据该实施例的一种优选的改进结构，如果逆变器被设计成2点桥式电路，并且利用适当的载波信号以不同的时间触发每个半桥，或如果逆变器被设计成N点桥式电路(N≥3)，并且利用适当的载波信号以不同的时间触发每个半桥，用这样的方式以致于通过把多个脉宽调制的部分补偿电压叠加来获得合成的补偿电压，其中部分补偿电压以不同的时间被触发，那么这是特殊的情况。根据本专利技术的权利要求中所限定方法的另一种优选实施例，如果用于产生和注入一个补偿电压的多个逆变器与交流电网系统的一个线路串联连接和/或并联连接，利用一个脉宽调制方法来驱动每个逆变器，并且利用以不同时间的触发来进行在每个逆变器中的脉宽调制，那么能够进一步地减小谐波负载。同时，多个逆变器的串联连接导致增加了电压的操作范围，并且多个逆变器的并联连接导致增加了电流的操作范围。根据另一种实施例，如果至少一个滤波电路被设置在逆变器的输出端，其中滤波电路包括至少一个与逆变器串联连接的电感和至少一个电容器，该电容器与由逆变器和至少一个电感形成的串联电路并联连接，那么能够进一步减小谐波分量。如果交流电网系统包括一个具有寄生电感的电网变压器，并且电网变压器的寄生电感被用作为部分滤波电路，那么本专利技术是特别简单的。根据本专利技术的另一种实施例，如果逆变器分别地与至少一个电容器和/或一个电感串联连接，那么能够扩大补偿电路的操作范围。根据本专利技术另一种实施例，如果交流电网系统具有一个带中性点的电网变压器，该中性点是低电位，并且在该中性点上注入补偿电压，那么在补偿系统需要绝缘的方面是特别有利的。如果交流电网系统是一个三相交流电网系统，并且如果在该系统中设置有一个三相电网变压器，该三相电网变压器具有一个作为中性点的星形点，那么一个适当的补偿电压被注入给与星形点连接的每个线路。一方面，通过把用于产生和注入一个补偿电压的一个逆变器在所有情况下与连接到星形点上的每个线路串联连接，能够注入补偿电压。另一方面，通过把连接到星形点上的线路与一个三相逆变器的输出端连接，能够用另一种方法来注入补偿电压。在这种情况下，三相逆变器具有特殊的优点是由于在这种情况下不需要考虑一个脉动功率，所以在直流侧上用于相同补偿电压所需要的电容器能够被选择得更小。如果交流电网系统是一个单相交流电网系统，和如果在该系统中设置有一个单相电网变压器，该单相电网变压器至少在其一个绕组边上具有一个零点电路，该零点电路具有一个作为中性点的零点，那么一个适当的补偿电压被注入到与零点连接的每个线路中。即可以通过把用于产生和注入一个补偿电压的一个逆变器与连接到零点上的每个线路串联连接，或通过把连接到零点上的线路与一个单相逆变器的输出端连接来实现补偿电压的注入。根据本专利技术，使用该方法的逆变器的特征在于逆变器被设计成一个N点桥式电路(N≥2)。根据本专利技术的一种适合于较低电压(例如13KV交流电网系统)的逆变器的实施例的特征在于在每个半桥中的每个桥臂上仅设置一个功率半导体元件。根据本专利技术的一种适合于较高电压(例如400KV交流电网系统)的逆变器的实施例的特征在于在每个半桥中的每个桥臂上设置多个串联连接的功率半导体元件。在该实施例的一个优选的改进结构中，硬驱动GTOs被用作为可控制极关断功率半导体元件。在这种情况下，硬驱动的意思是例如在EP-A1-0 489 945或WO-93/09600，或ABB Technik[ABB Engineering]5(1996)，14-20页中所描述的驱动。由从属权利要求中能够得到其它的实施例。“硬驱功”GTO是可控制极关断功率半导体、控制及电路的阻抗大幅度减小、根据元件的导通截止信号在高电流增加率下驱动控制极电流的GTO使用情况。这种GTO，特别是也叫做GTC(Gate Communicated Turnoff)(控制极联系截止)硅可控整流器的那一种，导通截止动作可随控制极电流高速进行，截止动作比一般的GTO快10倍左右，元件串联连接时，元件因截止动作误差而需分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种给交流电网系统提供无功功率的方法，在该方法中，该交流电网系统的至少一个线路（１０；１６，…，１８；２８，…，３０；３８，４０）具有一个为该线路产生的补偿电压（Ｕｃｏｍｐ），该补偿电压（Ｕｃｏｍｐ）相对于在线路（１０；１６，…，１８；２８，…，３０；３８，４０）中的电流被移相并且被提供给线路（１０；１６，…，１８；２８，…，３０；３８，４０），其中借助于一个逆变器（１１；１９，…，２１；４１，４２）由一个直流电压来产生补偿电压（Ｕｃｏｍｐ），该逆变器由在一个桥路中的可控制极关断功率半导体（Ｓ１，…，Ｓ６；Ｓ１１，…，Ｓ６ｎ）构成，其中补偿电压（Ｕｃｏｍｐ）直接串联地提供给线路（１０；１６，…，１８；２８，…，３０；３８，４０）。

【技术特征摘要】
CH 1997-7-31 1836/971．一种给交流电网系统提供无功功率的方法，在该方法中，该交流电网系统的至少一个线路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)具有一个为该线路产生的补偿电压(Ucomp)，该补偿电压(Ucomp)相对于在线路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)中的电流被移相并且被提供给线路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)，其中借助于一个逆变器(11；19,…,21；41,42)由一个直流电压来产生补偿电压(Ucomp)，该逆变器由在一个桥路中的可控制极关断功率半导体(S1,…,S6；S11,…,S6n)构成，其中补偿电压(Ucomp)直接串联地提供给线路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)。2．根据权利要求1的方法，其中至少一个充电电容器(C1,…,C9)被用作为用于逆变器(11；19,…,21；41,42)的直流电源。3．根据权利要求2的方法，其中至少一个电容器(C1,…,C9)借助于逆变器(11；19,…,21；41,42)由交流电网系统的线路(10；16,…,18；28,…,30)来充电。4．根据权利要求2的方法，其中至少一个电容器(C1,…,C9)借助于一个单独的直流电源被充电。5．根据权利要求1至4中的任一个方法，其中交流电网系统是一个三相系统，一个用于产生和提供一个补偿电压(Ucomp)的相关逆变器(19,…,21)与用于每相的一个相关线路(16,…,18)串联连接。6．根据权利要求1至5中的任一个方法，其特征是每个逆变器(11；19,…21；41,42)包括两个半桥(12,13和14,15)，并且根据一个正弦调制信号(Um)以一个脉宽调制方式驱动半桥(12,13和14,15)。7．根据权利要求6的方法，其中逆变器(11；19,…21；41,42)被设计成2点桥式电路，并且利用适当的载波信号(Uc1,Uc2)以不同的时间触发每个半桥(12,13)。8．根据权利要求6的方法，其中逆变器(11；19,…21；41,42)被设计成N点桥式电路(N≥3)，并且利用适当的载波信号(Uc1,Uc2)以不同的时间触发每个半桥(14,15)，用这样的方式以致于通过把多个脉宽调制的部分补偿电压(U12,U34)叠加来获得合成的补偿电压(Ucomp)，其中部分补偿电压以不同的时间被触发。9．根据权利要求1至8中的任一个方法，其中用于产生和提供一个补偿电压(Ucomp)的多个逆变器(11,11’,23,24)与交流电网系统的至少一个线路(10)串联连接和/或并联连接。10．根据权利要求9的方法，其中利用一个脉宽调制方法来驱动每个逆变器(11,11’,23,24)，并且利用以不同时间的触发来进行在每个逆变器(11,11’,23,24)中的脉宽调制。11．根据权利要求1至9中的任一个方法，其中一个滤波电路(L1,…,L3；L6,…,L10,C4,C6,C11,…,C13)被设置在逆变器(11；11’,19,…,21；41,42)的输出端。12．根据权利要求11的方法，其中滤波电路包括至少一个与逆变器(11；11’,19,…,21；41,42)串联连接的电感(L1,…,L3；L6,…,L9)和至少一个电容器(C4,C6,C11,…,C13)，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：H施特姆勒，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]