專利名稱：用于給交流電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率的方法以及使用該方法的逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域。它涉及一種給交流電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率的方法，在該方法中，該交流電網(wǎng)系統(tǒng)的至少一個(gè)線路具有一個(gè)為該線路產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓相對(duì)于在線路中的電流被移相并且被提供給線路。此外本發(fā)明涉及一種使用該方法的逆變器。
在電力傳輸系統(tǒng)中，利用在一個(gè)交流電網(wǎng)系統(tǒng)中相互連接的輸電線的阻抗關(guān)系來確定功率流動(dòng)的分布，而不利用任何控制措施。通過利用串聯(lián)的補(bǔ)償器借助于串聯(lián)電壓注入來補(bǔ)償無功功率能夠改變一個(gè)輸電線的有效阻抗。這樣的措施改變了在連接點(diǎn)之間復(fù)合的電壓差，因而功率借助于線路來流動(dòng)。能夠利用串聯(lián)注入來故意地增加或減小線路上的負(fù)載，并且更有效地利用整個(gè)傳輸容量。這不限于三相輸電系統(tǒng)。它也能夠用在單相交流系統(tǒng)中。
在現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般能夠分為晶閘管開關(guān)或晶閘管控制的串聯(lián)補(bǔ)償和靜態(tài)同步補(bǔ)償。晶閘管控制的串聯(lián)補(bǔ)償包括多個(gè)串聯(lián)連接的組件，這些組件被安裝在一個(gè)三相輸電線的每個(gè)相上。由于利用晶閘管技術(shù)的原因，在這種情況下，每個(gè)組件需要由一個(gè)電容器和一個(gè)可控(晶閘管開關(guān)的)電感器構(gòu)成的并聯(lián)電路。為了防止這個(gè)并聯(lián)電路過負(fù)載也需要一個(gè)部件，該部件例如可以被設(shè)計(jì)成一個(gè)可變電阻器。這個(gè)公知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)主要是半導(dǎo)體開關(guān)在操作中被交流電源換流，它導(dǎo)致了操作范圍受到了限制。
通過注入一個(gè)與線路電流成直角(移相90°)的附加電壓(補(bǔ)償電壓)使靜態(tài)同步補(bǔ)償器工作。注入該附加電壓需要一個(gè)變壓器，該變壓器與一個(gè)輸電線串聯(lián)連接，以致于該輸電線被補(bǔ)償。在這樣一個(gè)系統(tǒng)的整個(gè)費(fèi)用中，用于注入附加電壓所需要的變壓器構(gòu)成了一個(gè)比較高費(fèi)用的元件。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新的補(bǔ)償方法，該方法涉及明顯地減小了電路的復(fù)雜生，但是在應(yīng)用中是靈活的。
在開始提及的一種方法的情況下，本發(fā)明的目的這樣被實(shí)現(xiàn)借助于一個(gè)逆變器由一個(gè)直流電壓來產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，該逆變器由在一個(gè)橋路中的可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體元件構(gòu)成，并且補(bǔ)償電壓被直接串聯(lián)地提供給線路。利用裝配有半導(dǎo)體元件的逆變器橋路允許用簡(jiǎn)單的方式在任何需要的預(yù)定相位角上產(chǎn)生大量的正弦補(bǔ)償電壓。本發(fā)明通過把補(bǔ)償電壓直接串聯(lián)地注入到待補(bǔ)償?shù)木€路上能夠省去像變壓器和類似元件這樣的附加注入元件。
在本發(fā)明的權(quán)利要求中所限定方法的第一種優(yōu)選實(shí)施例的特征在于至少一個(gè)充電電容器被用作為用于逆變器的直流電源。由于補(bǔ)償裝置主要注入無功功率，所以該電容器提供了一個(gè)簡(jiǎn)單和便利的直流電源。
在該實(shí)施例的第一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，至少一個(gè)電容器借助于逆變器由交流電網(wǎng)系統(tǒng)的線路來充電。這可省略附加的供電裝置，且補(bǔ)償電路變得特別簡(jiǎn)單。
該實(shí)施例的第二種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的特征在于至少一個(gè)電容器借助于一個(gè)單獨(dú)的變換器被充電。如果補(bǔ)償電路不僅把無功功率注入到線路上也把有功功率注入到線路上，那么利用一個(gè)中間電路的方式設(shè)置直流電壓是有利的。
在本發(fā)明的權(quán)利要求中所限定方法的第二種優(yōu)選實(shí)施例的特征在于交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)三相系統(tǒng)，并且一個(gè)用于產(chǎn)生和提供一個(gè)補(bǔ)償電壓的相關(guān)逆變器與用于每相的一個(gè)相關(guān)線路串聯(lián)連接。這允許對(duì)于每相單獨(dú)地進(jìn)行所需要的補(bǔ)償。
另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特征在于每個(gè)逆變器包括兩個(gè)半橋橋路，并且根據(jù)一個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)以一個(gè)脈寬調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)半橋橋路。脈寬調(diào)制能夠簡(jiǎn)單地使由逆變器產(chǎn)生的輸出電壓非常接近正弦波，因此減少了諧波分量。根據(jù)該實(shí)施例的一種優(yōu)選的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如果逆變器被設(shè)計(jì)成2點(diǎn)橋式電路，并且利用適當(dāng)?shù)妮d波信號(hào)以不同的時(shí)間觸發(fā)每個(gè)半橋，或如果逆變器被設(shè)計(jì)成N點(diǎn)橋式電路(N≥3)，并且利用適當(dāng)?shù)妮d波信號(hào)以不同的時(shí)間觸發(fā)每個(gè)半橋，用這樣的方式以致于通過把多個(gè)脈寬調(diào)制的部分補(bǔ)償電壓疊加來獲得合成的補(bǔ)償電壓，其中部分補(bǔ)償電壓以不同的時(shí)間被觸發(fā)，那么這是特殊的情況。
根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求中所限定方法的另一種優(yōu)選實(shí)施例，如果用于產(chǎn)生和注入一個(gè)補(bǔ)償電壓的多個(gè)逆變器與交流電網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)線路串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接，利用一個(gè)脈寬調(diào)制方法來驅(qū)動(dòng)每個(gè)逆變器，并且利用以不同時(shí)間的觸發(fā)來進(jìn)行在每個(gè)逆變器中的脈寬調(diào)制，那么能夠進(jìn)一步地減小諧波負(fù)載。同時(shí)，多個(gè)逆變器的串聯(lián)連接導(dǎo)致增加了電壓的操作范圍，并且多個(gè)逆變器的并聯(lián)連接導(dǎo)致增加了電流的操作范圍。
根據(jù)另一種實(shí)施例，如果至少一個(gè)濾波電路被設(shè)置在逆變器的輸出端，其中濾波電路包括至少一個(gè)與逆變器串聯(lián)連接的電感和至少一個(gè)電容器，該電容器與由逆變器和至少一個(gè)電感形成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接，那么能夠進(jìn)一步減小諧波分量。如果交流電網(wǎng)系統(tǒng)包括一個(gè)具有寄生電感的電網(wǎng)變壓器，并且電網(wǎng)變壓器的寄生電感被用作為部分濾波電路，那么本發(fā)明是特別簡(jiǎn)單的。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施例，如果逆變器分別地與至少一個(gè)電容器和/或一個(gè)電感串聯(lián)連接，那么能夠擴(kuò)大補(bǔ)償電路的操作范圍。
根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例，如果交流電網(wǎng)系統(tǒng)具有一個(gè)帶中性點(diǎn)的電網(wǎng)變壓器，該中性點(diǎn)是低電位，并且在該中性點(diǎn)上注入補(bǔ)償電壓，那么在補(bǔ)償系統(tǒng)需要絕緣的方面是特別有利的。
如果交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，并且如果在該系統(tǒng)中設(shè)置有一個(gè)三相電網(wǎng)變壓器，該三相電網(wǎng)變壓器具有一個(gè)作為中性點(diǎn)的星形點(diǎn)，那么一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓被注入給與星形點(diǎn)連接的每個(gè)線路。一方面，通過把用于產(chǎn)生和注入一個(gè)補(bǔ)償電壓的一個(gè)逆變器在所有情況下與連接到星形點(diǎn)上的每個(gè)線路串聯(lián)連接，能夠注入補(bǔ)償電壓。另一方面，通過把連接到星形點(diǎn)上的線路與一個(gè)三相逆變器的輸出端連接，能夠用另一種方法來注入補(bǔ)償電壓。在這種情況下，三相逆變器具有特殊的優(yōu)點(diǎn)是由于在這種情況下不需要考慮一個(gè)脈動(dòng)功率，所以在直流側(cè)上用于相同補(bǔ)償電壓所需要的電容器能夠被選擇得更小。
如果交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)單相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，和如果在該系統(tǒng)中設(shè)置有一個(gè)單相電網(wǎng)變壓器，該單相電網(wǎng)變壓器至少在其一個(gè)繞組邊上具有一個(gè)零點(diǎn)電路，該零點(diǎn)電路具有一個(gè)作為中性點(diǎn)的零點(diǎn)，那么一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓被注入到與零點(diǎn)連接的每個(gè)線路中。即可以通過把用于產(chǎn)生和注入一個(gè)補(bǔ)償電壓的一個(gè)逆變器與連接到零點(diǎn)上的每個(gè)線路串聯(lián)連接，或通過把連接到零點(diǎn)上的線路與一個(gè)單相逆變器的輸出端連接來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電壓的注入。
根據(jù)本發(fā)明，使用該方法的逆變器的特征在于逆變器被設(shè)計(jì)成一個(gè)N點(diǎn)橋式電路(N≥2)。
根據(jù)本發(fā)明的一種適合于較低電壓(例如13KV交流電網(wǎng)系統(tǒng))的逆變器的實(shí)施例的特征在于在每個(gè)半橋中的每個(gè)橋臂上僅設(shè)置一個(gè)功率半導(dǎo)體元件。
根據(jù)本發(fā)明的一種適合于較高電壓(例如400KV交流電網(wǎng)系統(tǒng))的逆變器的實(shí)施例的特征在于在每個(gè)半橋中的每個(gè)橋臂上設(shè)置多個(gè)串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體元件。
在該實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，硬驅(qū)動(dòng)GTOs被用作為可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體元件。在這種情況下，硬驅(qū)動(dòng)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頁中所描述的驅(qū)動(dòng)。
由從屬權(quán)利要求中能夠得到其它的實(shí)施例。
“硬驅(qū)功”GTO是可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體、控制及電路的阻抗大幅度減小、根據(jù)元件的導(dǎo)通截止信號(hào)在高電流增加率下驅(qū)動(dòng)控制極電流的GTO使用情況。這種GTO，特別是也叫做GTC(Gate Communicated Turnoff)(控制極聯(lián)系截止)硅可控整流器的那一種，導(dǎo)通截止動(dòng)作可隨控制極電流高速進(jìn)行，截止動(dòng)作比一般的GTO快10倍左右，元件串聯(lián)連接時(shí)，元件因截止動(dòng)作誤差而需分擔(dān)的電壓差小，特別適用于高電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。
下面參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，通過下面的描述能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行更全面的理解并且能夠獲得其它的優(yōu)點(diǎn)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償電路的示意電路圖，它具有一個(gè)與線路串聯(lián)連接的逆變器；圖2示出了圖1所示逆變器的主要內(nèi)部設(shè)計(jì)，它是根據(jù)第一優(yōu)選實(shí)施例并且以一個(gè)2點(diǎn)橋式電路來實(shí)現(xiàn)的，該2點(diǎn)橋式電路具有裝配半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)換開關(guān)并且在直流側(cè)上具有一個(gè)附加的調(diào)諧電路；圖3示出了一個(gè)根據(jù)圖2的一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)的內(nèi)部設(shè)計(jì)的例子，該轉(zhuǎn)換開關(guān)在每個(gè)橋臂上具有一個(gè)功率半導(dǎo)體元件(反向?qū)ǖ腉TO)；圖4示出了一個(gè)根據(jù)圖2的一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)的內(nèi)部設(shè)計(jì)的例子，該轉(zhuǎn)換開關(guān)在每個(gè)橋臂上具有由多個(gè)功率半導(dǎo)體元件(反向?qū)ǖ腉TOs)構(gòu)成的串聯(lián)電路；圖5示出了一個(gè)電壓波形的例子，該電壓波形是當(dāng)利用脈寬調(diào)制來驅(qū)動(dòng)根據(jù)圖2的2點(diǎn)橋式電路時(shí)產(chǎn)生的；圖6示出了圖1所示逆變器的主要內(nèi)部設(shè)計(jì)，它是根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例并且以一個(gè)3點(diǎn)橋式電路來實(shí)現(xiàn)的，該3點(diǎn)橋式電路具有裝配半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)換開關(guān)；圖7示出了一個(gè)根據(jù)圖6的一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)的內(nèi)部設(shè)計(jì)的例子，該轉(zhuǎn)換開關(guān)在每個(gè)橋臂上具有一個(gè)功率半導(dǎo)體元件(反向?qū)ǖ腉TO)；圖8示出了一個(gè)根據(jù)圖6的一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)的內(nèi)部設(shè)計(jì)的例子，該轉(zhuǎn)換開關(guān)在每個(gè)橋臂上具有由多個(gè)功率半導(dǎo)體元件(反向?qū)ǖ腉TOs)構(gòu)成的串聯(lián)電路；圖9示出了一個(gè)電壓波形的例子，該電壓波形是當(dāng)利用脈寬調(diào)制來驅(qū)動(dòng)根據(jù)圖6的3點(diǎn)橋式電路時(shí)產(chǎn)生的；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的具有補(bǔ)償?shù)娜嘟涣麟娋W(wǎng)系統(tǒng)的基本電路，在該電路中所以的元件都是三相的；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具有補(bǔ)償?shù)膯蜗嘟涣麟娋W(wǎng)系統(tǒng)的基本電路；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償電路的實(shí)施例，該補(bǔ)償電路具有一個(gè)濾波電路，該濾波電路被設(shè)置在逆變器的輸出端并且包括兩個(gè)串聯(lián)電感和一個(gè)并聯(lián)連接的電容器，用于濾波諧波分量；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償電路的實(shí)施例，它在圖12所示電路的基礎(chǔ)上具有一個(gè)附加串聯(lián)連接的電容器，以便擴(kuò)大操作范圍；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償電路的實(shí)施例，它在圖13所示電路的基礎(chǔ)上具有一個(gè)附加串聯(lián)連接的電感，以便擴(kuò)大操作范圍，在這種情況下，能夠利用開關(guān)來任意地代替附加的電感或代替附加的電容器；圖15示出了多個(gè)逆變器(以不同的時(shí)間被觸發(fā))和局部濾波電路的一個(gè)串聯(lián)和/或并聯(lián)電路的示意電路圖，該局部濾波電路用于增加操作范圍和減小諧波分量；圖16示出了與圖15對(duì)應(yīng)的一個(gè)串聯(lián)電路，該串聯(lián)電路具有一個(gè)集中的濾波電路和附加電感，以便擴(kuò)大操作范圍；圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的補(bǔ)償裝置，該補(bǔ)償裝置被設(shè)置在一個(gè)三相變壓器的低電位側(cè)(星形點(diǎn))上；圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的補(bǔ)償裝置，該補(bǔ)償裝置被設(shè)置在一個(gè)單相電網(wǎng)變壓器的低電位側(cè)(零點(diǎn))上；圖19示出了根據(jù)圖17的電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖，其中利用一個(gè)三相橋路來代替各個(gè)逆變器；
圖20示出了根據(jù)圖18的電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖，其中利用一個(gè)單相橋路來代替各個(gè)逆變器；圖21示出了利用在電網(wǎng)變壓器中的寄生電感作為用于逆變器的電感。
現(xiàn)在參照附圖，其中相同的參考符號(hào)在所有的圖中表示表示相同或?qū)?yīng)的部件，圖1以最簡(jiǎn)單的形式表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償電路的示意電路圖。在一個(gè)單相或三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)中，選擇一個(gè)線路10用于補(bǔ)償。線路10是單獨(dú)的，并且一個(gè)逆變器11直接與線路10串聯(lián)連接。借助于逆變器11由一個(gè)直流電壓(由電容器C1獲得的原始電壓)產(chǎn)生一個(gè)交流電壓，并且該交流電壓直接地輸入給線路10，作為補(bǔ)償電壓Ucomp。根據(jù)圖2，逆變器11包括一個(gè)由兩個(gè)半橋12和13構(gòu)成的2點(diǎn)橋式電路，由一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)U1或U2能夠分別地表示它的功能。在逆變器11中半橋12,13的輸出直接地與線路10連接。提供適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)U1,U2，在電容器C1上出現(xiàn)的電容器電壓有選擇地接到線路10上作為一個(gè)正電壓或負(fù)電壓。
產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓Ucomp是一個(gè)理想的正弦交流電壓，該交流電壓可以比線路10上的交流電流超前90°也可以滯后90°。為此目的，在線路10上的電流和電壓被測(cè)量，并且由檢測(cè)的信號(hào)來獲得在控制電子設(shè)備中用于轉(zhuǎn)換開關(guān)U1，U1的驅(qū)動(dòng)脈沖。根據(jù)圖5，通過在希望的相位角上產(chǎn)生一個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)Um，并且以公知的方法將該正弦調(diào)制信號(hào)與兩個(gè)三角載波信號(hào)Uc1,Uc2相比較，這些信號(hào)的交叉點(diǎn)被用于獲得轉(zhuǎn)換開關(guān)U1,U2的開關(guān)指令，該開關(guān)指令導(dǎo)致了在圖5中所示的脈寬調(diào)制補(bǔ)償電壓Ucomp。逆變器11的操作方法導(dǎo)致了電容器C1以兩倍的交流電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率交替地從交流電網(wǎng)系統(tǒng)吸收功率和給該交流電網(wǎng)系統(tǒng)提供功率，在該過程中整個(gè)時(shí)間上的平均功率值是零。為了抑制這些脈動(dòng)，電容器C1可以與一個(gè)調(diào)諧電路43并聯(lián)連接，該調(diào)諧電路43包括一個(gè)由電感器L4和電容器C10構(gòu)成的串聯(lián)電路并且該調(diào)諧電路43被調(diào)諧到兩倍的交流電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率。
利用可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體以在圖3和4中所示的方式來構(gòu)成轉(zhuǎn)換開關(guān)U1,U2。已經(jīng)證明，GTOs(可控制極關(guān)斷晶閘管)，特別是反向?qū)ǖ腉TOs被用作為用于可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體的功率電子元件。此外，可以利用IGBTs(絕緣柵雙極性晶體管)或其它可控制極關(guān)斷元件。這種功率半導(dǎo)體的電壓范圍被限制。在相對(duì)低的交流電網(wǎng)系統(tǒng)電壓(例如，13KV)上，單獨(dú)的功率半導(dǎo)體元件S1和S2被用在根據(jù)圖1的橋臂中。對(duì)于高的交流電網(wǎng)系統(tǒng)電壓(例如，400KV)，由多個(gè)(n個(gè))功率半導(dǎo)體元件S11,…,S1n和S21,…,S2n構(gòu)成的串聯(lián)電路被用在根據(jù)圖4的橋臂中，為了保證單個(gè)的GTO元件同時(shí)地開關(guān)必須采取保護(hù)措施?！坝病彬?qū)動(dòng)允許多個(gè)串聯(lián)連接的GTOs被精確地驅(qū)動(dòng)。關(guān)于“硬”驅(qū)動(dòng)的特性和電路的實(shí)現(xiàn)可以參照最開始引用的已有技術(shù)中的文獻(xiàn)。
除了已經(jīng)描述的2點(diǎn)橋式電路之外，一個(gè)3點(diǎn)橋式電路或甚至一個(gè)n點(diǎn)橋式電路也能夠被有利地用作為一個(gè)替換電路來產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Ucomp。根據(jù)圖6,3點(diǎn)橋式電路包括兩個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)U3,U4，每個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)在兩個(gè)半橋14和15中具有3個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，并且可以任意的把由兩個(gè)電容器C2,C3構(gòu)成的一個(gè)串聯(lián)電路的兩端或中心點(diǎn)與每個(gè)橋路的輸出連接。通過這種方法，兩個(gè)部分補(bǔ)償電壓U12,U34被產(chǎn)生，它們?cè)谀孀兤?1的輸出端上被相加在一起以便形成補(bǔ)償電壓Ucomp。3點(diǎn)橋式電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠利用兩個(gè)小的電容器來代替一個(gè)大的電容器以便產(chǎn)生相同的補(bǔ)償電壓。其它的優(yōu)點(diǎn)是如果在此最好也被使用的脈寬調(diào)制利用在不同時(shí)間上的脈動(dòng)來進(jìn)行，如在圖9中所示由移相載波信號(hào)Uc1,…,Uc2來進(jìn)行，那么能夠明顯地減小補(bǔ)償電壓Ucomp的諧波分量，該補(bǔ)償電壓Ucomp由部分補(bǔ)償電壓U12,U34(以不同時(shí)間脈動(dòng))構(gòu)成。如果從3點(diǎn)橋式電路類推，那么N個(gè)點(diǎn)橋式電路導(dǎo)致具有N個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的轉(zhuǎn)換開關(guān)被用在該半橋電路中。
圖6中的轉(zhuǎn)換開關(guān)U3,U4的內(nèi)部設(shè)計(jì)最好具有在圖7和8中所示的形式。對(duì)于相對(duì)低的交流電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，以反向?qū)℅TOs形式的單個(gè)功率半導(dǎo)體元件S3,…,S6和對(duì)應(yīng)的二極管D1,D2與根據(jù)圖7的橋臂連接。對(duì)于高的交流電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，由n個(gè)功率半導(dǎo)體元件S31,…S3n到S61,…,S6n構(gòu)成的串聯(lián)電路在所有情況下被用來代替單個(gè)功率半導(dǎo)體元件，在GTOs的情況下，這些功率半導(dǎo)體元件再次被“硬”驅(qū)動(dòng)。此外，其它的可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體也能夠再次被用于代替GTOs。
在到目前的解釋中，僅參照一個(gè)單個(gè)線路10來考慮和解釋了補(bǔ)償。如果交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，那么最好根據(jù)圖10通過把上述類型的相關(guān)逆變器19,20和21與線路16,17和18串聯(lián)連接來補(bǔ)償與每一相相關(guān)的線路16,17和18上的功率。在單相交流電網(wǎng)系統(tǒng)的情況下，根據(jù)圖11在兩個(gè)線路10,22中的一個(gè)線路可以僅包括一個(gè)逆變器11。此外，能夠把逆變器11,11’連接到兩個(gè)線路10,22的每個(gè)中。
如上所述，能夠利用橋臂適當(dāng)?shù)拿}寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)來獲得在補(bǔ)償電壓Ucomp中一個(gè)減小的諧波分量，即使在3點(diǎn)橋式電路的情況下也是如此。然而，為了減小諧波分量甚至能夠采取進(jìn)一步的措施。例如，一種這樣的措施包括在圖12中所示的逆變器11的輸出端上設(shè)置一個(gè)濾波電路，該濾波電路包括一個(gè)或兩個(gè)串聯(lián)連接的電感器L1和L2和一個(gè)并聯(lián)連接的電容器C4，該濾波電路濾掉或減小諧波分量。在這種情況下，電容器C4的大小取決于脈寬調(diào)制的時(shí)鐘頻率。如果在圖6所示的3點(diǎn)橋式電路中，四個(gè)相移90°頻率為F的載波信號(hào)Uc1,…,Uc4被用于產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，那么這導(dǎo)致在補(bǔ)償電壓Ucomp在的脈沖頻率是原來的4倍，4F。濾波電容器C4一方面被選擇到足夠大以便保證在其上的電壓保持一個(gè)好的正弦波形，另一方面被選擇到足夠的小以便僅得到一個(gè)基波頻率的小電流。此外，具有寄生電感器L10,L11的相鄰電網(wǎng)變壓器46的寄生電感L10能夠有利地被用作為用于圖21所示的一個(gè)濾波電路的電感器。
在逆變器11的情況下，利用補(bǔ)償電壓Ucomp的幅值來限定能夠補(bǔ)償?shù)牟僮鞣秶?，補(bǔ)償電壓Ucomp基本上取決于電容器C1(對(duì)于2點(diǎn)橋式電路)上的電壓，或取決于電容器C2和C3(對(duì)于3點(diǎn)橋式電路)。通過把一個(gè)電容器C5與逆變器11的輸出側(cè)串聯(lián)連接能夠擴(kuò)展展操作范圍(在電容器側(cè))，而不改變逆變器11和不改變開關(guān)元件，如在圖13中所示的。為了擴(kuò)展操作范圍(在電感側(cè))，能夠串聯(lián)連接一個(gè)電感(在圖14中為L(zhǎng)5)來代替一個(gè)電容器。根據(jù)圖14所示的，利用適當(dāng)?shù)拈_關(guān)44,45橋接串聯(lián)連接的電容器C5和電感器L5能夠選擇地和變換地設(shè)計(jì)操作范圍的擴(kuò)大。在圖21的情況下，利用一個(gè)附加串聯(lián)連接的電容器C15能夠擴(kuò)展操作范圍。
除了改變逆變器的操作范圍之外，利用在逆變器中或它的電路中的變化能夠產(chǎn)生該操作范圍的變化，通過在交流電網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)線路10中把多個(gè)(相同的)逆變器11,23和24串聯(lián)連接或并聯(lián)連接(逆變器11,11’)也能夠增加可達(dá)到的補(bǔ)償范圍，如在圖15中所示的。由單個(gè)逆變器11產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓被相加在一起以便形成一個(gè)合成的更高的補(bǔ)償電壓。在這樣一種串聯(lián)電路的情況下，特別有利的是甚至通過以不同的時(shí)間脈動(dòng)觸發(fā)單個(gè)逆變器11,11’,23和24能夠減小諧波分量。在串聯(lián)電路中的單個(gè)逆變器11,11’,23和24實(shí)際上每個(gè)能夠設(shè)置有一個(gè)濾波電路，該濾波電路包括電感器L6,…,L9和電容器C11,…,C13。在此，一個(gè)附加電容器C14再次擴(kuò)大了操作范圍。如在圖16中所示的，另一種方案是整個(gè)給串聯(lián)電路都設(shè)置附加電路，該附加電路包括用于濾波電路(電感器L3和電容器C6)的集中元件。串聯(lián)電容器C7的作用與在圖15中的電容器14的作用對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，沒有變壓器的串聯(lián)補(bǔ)償導(dǎo)致當(dāng)與交流電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)變壓器一起使用時(shí)是特別利用的，它具有一個(gè)帶中性點(diǎn)的低電位邊。如在圖17中所示的，如果交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)變壓器25是一個(gè)星形(初級(jí)繞組26，次級(jí)繞組27)連接的三相變壓器，那么在電網(wǎng)變壓器25的中性點(diǎn)(星形接線點(diǎn)31)上，即在低電位邊上能夠提供補(bǔ)償。為了這個(gè)目的，補(bǔ)償逆變器32、33和34分別地與連接到星形接線點(diǎn)的線路28、29和30串聯(lián)連接。在低電位邊設(shè)置逆變器允許絕緣的等級(jí)被明顯地降低，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和減小了它的費(fèi)用。
在具有一個(gè)單相電網(wǎng)變壓器35(圖18，初級(jí)繞組36，次級(jí)繞組38)的單相交流電網(wǎng)系統(tǒng)的情況下，該電網(wǎng)變壓器35具有一個(gè)零點(diǎn)作為中性點(diǎn)，通過把逆變器41、42與接零點(diǎn)39的線路38,40串聯(lián)連接來設(shè)置一個(gè)在低電位上的補(bǔ)償電路的等效電路。此外，能夠僅利用一個(gè)逆變器(41和42)來代替兩個(gè)逆變器41,42。
通過把逆變器靈巧地組合在一個(gè)橋路中能夠分別地簡(jiǎn)化根據(jù)圖17和18的補(bǔ)償裝置，其中每個(gè)補(bǔ)償裝置包括多個(gè)逆變器32,…,34和41,42。在圖19中示出了由圖17得到的簡(jiǎn)化裝置。在這種情況下，線路28,29和30與一個(gè)三相逆變器的輸出端連接，這些輸出端借助于可控的轉(zhuǎn)換開關(guān)U5,U6和U7(如在圖3,4中所示的)選擇地與由兩個(gè)充電電容器C6和C7構(gòu)成的串聯(lián)電路的兩端連接，這兩個(gè)電容器之間的中心點(diǎn)與星形接線點(diǎn)31連接。此外，在由圖19所示電路的情況下，除了把單個(gè)逆變器(相同的逆變器32,33和34)與線路28,29和30串聯(lián)連接之外，為了增加補(bǔ)償電路的適用性，能夠把圖17的電路和圖19的電路相互結(jié)合起來。
在圖20中示出了對(duì)應(yīng)于圖18的類似的簡(jiǎn)化電路。在這種情況下，線路38,40借助于轉(zhuǎn)換開關(guān)U8,U9選擇地與由兩個(gè)充電電容器C8和C9構(gòu)成的串聯(lián)電路的兩端連接，這兩個(gè)電容器之間的中心點(diǎn)與零點(diǎn)39連接。在圖17到20所示的情況下，中性點(diǎn)(星形接線點(diǎn)31或零點(diǎn)29)可以接地(由虛線所示)。然而，這種接地不是絕對(duì)必要的。
如果根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償裝置提供純的無功功率，那么通過適當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤?，給逆變器提供直流電壓的電容器C1,…,C3和C6,…,C9由交流電網(wǎng)系統(tǒng)線路直接地充電。這就避免了由交流電網(wǎng)系統(tǒng)的其它部分到電容器的任何附加的連接。此外，最好是給待補(bǔ)償?shù)木€路提供有功功率以及無功功率。在這種情況下，能夠分別地借助于一個(gè)適當(dāng)?shù)?單獨(dú)的)直流電源(例如一個(gè)變換器)對(duì)電容器C1,…,C3和C6,…,C9分別地充電和再充電。
總之，本發(fā)明導(dǎo)致了用于交流電網(wǎng)系統(tǒng)的非常簡(jiǎn)單的無功功率補(bǔ)償，該補(bǔ)償能夠以非常靈活的方式被使用。
顯然，根據(jù)上述的技術(shù)指導(dǎo)能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行各種改進(jìn)和變型。因此，能夠理解在附加權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)，除了在此特殊描述的以外本發(fā)明可以被實(shí)施。
符號(hào)表10,16,…,18；22線路11,11’ 逆變器12,…,15 半橋19,…,21 逆變器23,24 逆變器25,35 電網(wǎng)變壓器26,36 初級(jí)繞組27,37 次級(jí)繞組28,…,30 線路31 星形接線點(diǎn)38,40 線路39 零點(diǎn)41,42 逆變器43 調(diào)諧電路44,45 開關(guān)46 電網(wǎng)變壓器C1,…,C15 電容器
D1,D2 極管L1,…,L11 電感S1,…,S6 功率半導(dǎo)體(可控制極關(guān)斷裝置)S11,…,S6n功率半導(dǎo)體(可控制極關(guān)斷裝置)U1,…,U9 轉(zhuǎn)換開關(guān)Um調(diào)制信號(hào)(正弦)Uc1,…,Uc4載波信號(hào)(三角波)U12,…,U34部分補(bǔ)償電壓Ucomp 補(bǔ)償電壓
權(quán)利要求
1．一種給交流電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率的方法，在該方法中，該交流電網(wǎng)系統(tǒng)的至少一個(gè)線路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)具有一個(gè)為該線路產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓(Ucomp)，該補(bǔ)償電壓(Ucomp)相對(duì)于在線路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)中的電流被移相并且被提供給線路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)，其中借助于一個(gè)逆變器(11；19,…,21；41,42)由一個(gè)直流電壓來產(chǎn)生補(bǔ)償電壓(Ucomp)，該逆變器由在一個(gè)橋路中的可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體(S1,…,S6；S11,…,S6n)構(gòu)成，其中補(bǔ)償電壓(Ucomp)直接串聯(lián)地提供給線路(10；16,…,18；28,…,30；38,40)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少一個(gè)充電電容器(C1,…,C9)被用作為用于逆變器(11；19,…,21；41,42)的直流電源。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中至少一個(gè)電容器(C1,…,C9)借助于逆變器(11；19,…,21；41,42)由交流電網(wǎng)系統(tǒng)的線路(10；16,…,18；28,…,30)來充電。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中至少一個(gè)電容器(C1,…,C9)借助于一個(gè)單獨(dú)的直流電源被充電。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一個(gè)方法，其中交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)三相系統(tǒng)，一個(gè)用于產(chǎn)生和提供一個(gè)補(bǔ)償電壓(Ucomp)的相關(guān)逆變器(19,…,21)與用于每相的一個(gè)相關(guān)線路(16,…,18)串聯(lián)連接。
6．根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一個(gè)方法，其特征是每個(gè)逆變器(11；19,…21；41,42)包括兩個(gè)半橋(12,13和14,15)，并且根據(jù)一個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)(Um)以一個(gè)脈寬調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)半橋(12,13和14,15)。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中逆變器(11；19,…21；41,42)被設(shè)計(jì)成2點(diǎn)橋式電路，并且利用適當(dāng)?shù)妮d波信號(hào)(Uc1,Uc2)以不同的時(shí)間觸發(fā)每個(gè)半橋(12,13)。
8．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中逆變器(11；19,…21；41,42)被設(shè)計(jì)成N點(diǎn)橋式電路(N≥3)，并且利用適當(dāng)?shù)妮d波信號(hào)(Uc1,Uc2)以不同的時(shí)間觸發(fā)每個(gè)半橋(14,15)，用這樣的方式以致于通過把多個(gè)脈寬調(diào)制的部分補(bǔ)償電壓(U12,U34)疊加來獲得合成的補(bǔ)償電壓(Ucomp)，其中部分補(bǔ)償電壓以不同的時(shí)間被觸發(fā)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一個(gè)方法，其中用于產(chǎn)生和提供一個(gè)補(bǔ)償電壓(Ucomp)的多個(gè)逆變器(11,11’,23,24)與交流電網(wǎng)系統(tǒng)的至少一個(gè)線路(10)串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中利用一個(gè)脈寬調(diào)制方法來驅(qū)動(dòng)每個(gè)逆變器(11,11’,23,24)，并且利用以不同時(shí)間的觸發(fā)來進(jìn)行在每個(gè)逆變器(11,11’,23,24)中的脈寬調(diào)制。
11．根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一個(gè)方法，其中一個(gè)濾波電路(L1,…,L3；L6,…,L10,C4,C6,C11,…,C13)被設(shè)置在逆變器(11；11’,19,…,21；41,42)的輸出端。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中濾波電路包括至少一個(gè)與逆變器(11；11’,19,…,21；41,42)串聯(lián)連接的電感(L1,…,L3；L6,…,L9)和至少一個(gè)電容器(C4,C6,C11,…,C13)，該電容器與由逆變器(11；11’,19,…,21；41,42)和至少一個(gè)電感(L1,…,L3；L6,…,L9)形成的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。
13．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中交流電網(wǎng)系統(tǒng)包括一個(gè)具有寄生電感(L10,L11)的電網(wǎng)變壓器(46)，電網(wǎng)變壓器(46)的寄生電感(L10,L11)被用作為部分濾波電路。
14．根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一個(gè)方法，其中為了擴(kuò)大操作范圍，逆變器(11；19,…,21；41,42)分別地與至少一個(gè)電容器(C5,C7)和/或一個(gè)電感(L1,L2,L3)串聯(lián)連接。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中交流電網(wǎng)系統(tǒng)具有一個(gè)帶中性點(diǎn)(31,39)的電網(wǎng)變壓器(25,35)，該中性點(diǎn)是低電位，并且在該中性點(diǎn)(31,39)上提供補(bǔ)償電壓(Ucomp)。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中設(shè)置有一個(gè)三相電網(wǎng)變壓器(25)，該三相電網(wǎng)變壓器(25)具有一個(gè)作為中性點(diǎn)的星形點(diǎn)(31)，其中一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓(Ucomp)被提供給與星形點(diǎn)(31)連接的每個(gè)線路(28,…,30)。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中用于產(chǎn)生和提供一個(gè)補(bǔ)償電壓(Ucomp)的多個(gè)逆變器(32,…34)在所有情況下與連接到星形點(diǎn)(31)上的每個(gè)線路(28,…,30)串聯(lián)連接，和/或連接到星形點(diǎn)(31)上的線路(28,…,30)與一個(gè)三相逆變器(U5,…,U7；C6,7)的輸出端連接。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法。其中連接到星形點(diǎn)(31)的線路(28,…,30)與一個(gè)三相逆變器(U5,…,U7；C6,7)的輸出端連接，其中該三相逆變器被設(shè)計(jì)成一個(gè)N點(diǎn)橋式電路(N≥2)。
19．根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中交流電網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)單相交流電網(wǎng)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中設(shè)置有一個(gè)單相電網(wǎng)變壓器(35)，該單相電網(wǎng)變壓器(35)至少在其一個(gè)繞組邊上具有一個(gè)零點(diǎn)電路，該零點(diǎn)電路具有一個(gè)作為中性點(diǎn)的零點(diǎn)(39)，其中一個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓(Ucomp)被提供給與零點(diǎn)(39)連接的每個(gè)線路(38,40)。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中用于產(chǎn)生和提供一個(gè)補(bǔ)償電壓(Ucomp)的一個(gè)逆變器(41,42)在連接到零點(diǎn)(39)上的每個(gè)線路(38,40)中被串聯(lián)連接。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中連接到零點(diǎn)(39)上的線路(38,40)與一個(gè)單相逆變器(U8,9；C8,9)的輸出端連接。
22．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中一個(gè)調(diào)諧電路與至少一個(gè)電容器(C1,…,C9)并聯(lián)連接。
23．一種使用權(quán)利要求1至22中的任一種方法的逆變器，其中三相逆變器(11；19,…,21；41,42)被設(shè)計(jì)成一個(gè)N點(diǎn)橋式電路(N≥2)。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的逆變器，其中在該逆變器中的每個(gè)橋臂上僅設(shè)置一個(gè)功率半導(dǎo)體元件(S1,S2；S3,…,S6)。
25．根據(jù)權(quán)利要求23的逆變器，其中在該逆變器中的每個(gè)橋臂上設(shè)置多個(gè)串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體元件(S11,…S1n；…；S61,…,S6n)。
26．根據(jù)權(quán)利要求24和25中的任一種逆變器，其中IGBTs被用作為可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體元件。
27．根據(jù)權(quán)利要求24和25中的任一種逆變器，其中GTOs被用作為可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體元件。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的逆變器，其中在該逆變器中的每個(gè)橋臂上設(shè)置多個(gè)串聯(lián)連接的GTOs，并且該串聯(lián)連接的GTOs被硬驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
一種給交流電網(wǎng)系統(tǒng)提供無功功率的方法,在該方法中,該交流電網(wǎng)系統(tǒng)的至少一個(gè)線路(10)具有一個(gè)為該線路產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓(Ucomp),該補(bǔ)償電壓(Ucomp)相對(duì)于在線路(10)中的電流被移相并且被提供給線路(10),實(shí)現(xiàn)這種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償在于:借助于一個(gè)逆變器(11)由一個(gè)直流電壓來產(chǎn)生補(bǔ)償電壓(Ucomp),該逆變器由在一個(gè)橋路中的可控制極關(guān)斷功率半導(dǎo)體元件構(gòu)成,并且補(bǔ)償電壓(Ucomp)直接串聯(lián)地提供給線路(10)。
文檔編號(hào)G05F1/70GK1216875SQ9811796
公開日1999年5月19日 申請(qǐng)日期1998年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月31日
發(fā)明者H·施特姆勒 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社