用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置。
【背景技术】
[0002] 图1示出了用于补偿无功功率和有功功率的常规装置1。电容器2与电池3并联 连接，运些部件通过变流器4与交流电网的=相连接。电容器2和电池3连接在变流器4 的直流电压侧。电容器2用于补偿无功功率，电池3用于补偿有功功率。变流器4对于每 一相包括多个串联连接的子模块5,W达到在高压电网中需要的耐压强度。借助开关7、8可 W使电池3与装置1的其余部件分离。
[0003] 图2示出了所述子模块5的例子，其由晶体管和二极管组成。
[0004] 图3示出了一种替代的子模块6,其由半桥组成，该半桥由半导体组件和电容器组 成。 阳0化]当然，借助图1-3解释的运些用于补偿无功功率和有功功率的常规装置具有一些 问题。如果在持续运行中补偿无功功率，则在电容器2和电池3中始终有电流流动，该电流 导致发热，并由此降低敏感组件的寿命。
[0006] 如果电池3上的电压小于电网电压，则充电电流不受控地流过图2和3中示出的 子模块的二极管。由于大容量的储能器，在放电后的储能器的情况下在接通所述装置时可 能会流过特别大的电流，运导致对于高压电网和变流器4的负面结果。
[0007] 当代替电池3而设置双层电容器作为储能器时出现另一个问题。当恢复所储存的 能量时，电容器电压随着电压平方根降低。因为不允许储能器上的电压小于高压电网中的 电压，所W必须考虑对能量产量的主要限制。当使用电池作为储能器时也会出现类似的问 题。
[0008] 在文献WO2010/124706Al中建议一种模块式的多级变流器，其中储能器模块直 接集成在变流器的各个子模块中。使用了 斩波器"或电压互感器形式的电力电子单元， W便将储能器与子模块禪接。当然，所需的电力电子和对应的扼流圈造成可观的制造费用。
【发明内容】
[0009] 因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于在高压电网中补偿无功功率和 有功功率的装置，其更简单地制造。
[0010] 为解决该技术问题，根据本发明设置开头提到类型的装置，其具有：第一变流器， 被构造用于补偿有功功率；W及串联连接的第二变流器，被构造用于补偿无功功率；其中 由所述装置提供或可输出的电压相当于第一变流器的电压与第二变流器的电压的总和。
[0011] 根据本发明通过具有两个串联连接的变流器的装置克服了现有技术中存在的问 题，其中第一变流器被设计用于有功功率补偿，而第二变流器用于无功功率补偿。在根据本 发明的装置中重要的是，变流器装置的电压相当于两个变流器的电压的总和。
[0012] 根据本发明，优选所述装置具有控制单元，其被构造用于测量高压电网中存在的 电压和电流，并且将由第一和第二变流器输出的电压规定为使得从高压电网接受或向高压 电网馈入所需的有功功率P和无功功率Q。
[0013] 根据本发明，优选所述控制单元将两个变流器控制为使得第一变流器单独补偿有 功功率，而第二变流器单独补偿无功功率。
[0014] 在本发明的范围内还包括，被设置用于补偿有功功率的第一变流器具有至少一个 储能元件或者与储能器连接。所述储能元件可W有利地被构造为电容器或双层电容器或电 池。
[0015] 优选所述第一变流器和/或第二变流器具有扼流圈。
[0016] 在根据本发明的装置中，控制单元可W被构造为，将由第一变流器输出的电压调 整为使得该电压的相位与流过该变流器的电流的相位相同或相反。有利地可W设置为，控 制单元控制用于无功功率补偿的变流器，使得流过电容器的电流被限制。
[0017] 在本发明的范围内还包括，两个变流器分别具有H桥，其优选由功率半导体开关 构成。两个变流器优选分别构造为=相。所述变流器可W按照星形电路或=角形电路连接。
【附图说明】
[0018] W下借助实施例并结合附图解释本发明。附图示意性显示和示出了 ：
[0019] 图1示出了用于补偿无功功率和有功功率的常规装置；
[0020] 图2和3示出了图1的常规装置的子模块；
[0021] 图4示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置；
[0022] 图5示出了根据本发明的装置的等效电路图；
[0023] 图6-11示出了在所述装置中出现的电压和电流的向量图；
[0024] 图12示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的另一个实施 例；
[0025] 图13示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的另一个实施 例；
[00%] 图14示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的另一个实施 例；
[0027] 图15示出了根据本发明的装置的另一个实施例；
[0028] 图16-18示出了根据本发明的用于补偿无功功率和有功功率的装置的其它实施 例；化及
[0029] 图19-22示出了图16-18所示装置的应用。
【具体实施方式】
[0030] 图4示出了用于在高压电网中补偿无功功率和有功功率的装置，具有：第一变流 器CW，被构造用于补偿有功功率；W及与其串联连接的第二变流器CVAR，被构造用于补偿 无功功率。两个变流器CWXVAR与控制单元9连接。图4示出的具有两个变流器CWXVAR 的装置10可W连接在电网的相之间。替代地可W设置支路，从而形成=角形电路或具有所 连接的星点（Ster吨unkt)的星形电路。
[003U在所述装置10中重要的是，由两个变流器CWXVAR的电压的总和构成电压（总电 压），在此可W是单个相电压也可W是多相电压。变流器CVAR由如图I所示装置的单个子 模块组成，因为其仅需要补偿无功功率，所W既不需要电池也不需要开关。
[0032] 向控制单元9输入信号，其相当于在高压电网中测量的电参量。控制单元9为此 具有调整器12,其是控制单元9的组成部分并且确定从高压电网接受的或馈入该电网的无 功功率和有功功率。通过计算单元11为变流器CVAR和CW计算电压U。胃和Uew，从而分别通 过变流器CVAR、CW转换由调整器12确定的无功功率和有功功率。为两个变流器CW、CVAR 分别设置变流器控制单元13、14,W便控制功率半导体开关。
[0033] 借助图5的等效电路解释装置10的工作原理。在等效电路15中通过两个电压源 11"和UCVAKW及电感L考虑两个变流器CW、CVAR和变流器电感。电感L在变流器中W扼流 圈实现，替代地也可W是分散的。变流器装置的总电压（即电压UsJ由两个电压源1]"和 Ucvw的电压的总和得出。电网电压（即所述装置的端子上的电压）通过电压源UWT表示。 电压化是在电感L上衍生的电压。IL是根据等效电路15中的电压和电感得出的电流。
[0034] 在解释功能和控制原理时，忽略了电感L和变流器CW和CVAR中的电阻和由此产 生的损耗，因为运些值相对较小。
[0035] 根据图5示出的等效电路15得到W下公式，其中P表示从电网流向装置的有功功 率，0表示从电网流向装置的无功功率。缩写、表示电感1的电抗。从)(^中看出，^下公 式中的所有参量都是复数的，即，它们具有实部和虚部。如技术人员明显看出的，UwT、U"、 UcvAK、化、L是交流电压和交流电流，在W下公式中使用了其有效值。对于图5的等效电路 15满足W下公式：
W37]
[003引 Usum-U肥广化
[0039] 为了使变流器CW承担全部有功功率并且仅参与有功功率，电压U"与电流I^必须 相位相同，因为L也是流过变流器Uct的电流。另一方面，电压11"是Usum的分量。由此得 到W下公式：
阳OW 由此得到电压
[00 创 Ucvar=Usum-Ucm 阳0创 由此得到，Ucvak与I之间的相位差是90度，因此变流器CVAR仅参与无功功率。由 此可W替代地如下计算Uc胃：
[0045] W下借助图6-11解释所述装置补偿无功功率和有功功率的工作原理，在此设及 所出现的电压的向量图。对于运些图表，假设了典型的值例如Uwt=IOOkV和X尸IOOQ。 可W看出，电压化等于Uwt与Usum之间的差。另外，在向量图中还示出了电流IL。已知电流 L总是比电压U郝后90度。在图6至11的例子中，电网电压UWT分别提供参考相化因此 其相位等于0,因此通过水平的向量表示电网电压UweT。
[0046] 从图6-9中得出，负责补偿无功功率的变流器CVAR的电压Uc胃与电网电压的相位 不同。
[0047] 图6示出了所述装置接受1(MW正的有功功率和IOMVAR正的无功功率的情况。从 电网角度，所述装置因此被视为电阻和扼流圈。如上所述，L比电压Uj带后90度。电压U" 与L相位相同，因为有功功率是正的。电压UCVAK比IJg前90度，因为无功功率是正的。 W48] 图7示出了所述装置提供10丽负的有功功率和IOMVAR正的无功功率的情况。相 应地，所述装置作为发电机和电容器工作。电压Ucw与IL相位相反，并且电压UCVAK比IL滞 后90度。 W例图8示出了所述装置接受10丽正的有功功率和提供IOMVAR负的无功功率的情 况，因此从电网角度所述装置被视为电阻和电容器。电压Ucw与IJ勺相位相同，并且电压 Ucvak比I細'后90度。
[0050] 图9示出了所述装置提供10丽（负的有功功率）并且接受大约IOMVAR的情况，如 同发电机和扼流圈。电压&,和IL的相位相反，并且电压UtvAK比I前90度。
[0051] 图10示出了所述装置只接受有功功率的特殊情况。因此，电压UwT、Ucw和电流IL 彼此相位相同。另外，成￡1和U"具有相等的绝对值。变流器CVAR通过其电压UCTAK抵消扼