用于减小供电网中的电压波动的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于减小供电网中的、由于在供电网上运行负载而引起的电压波动的方法。在此，测量流过负载的电流，由此获得相应的电流测量信号。借助表示晶闸管控制电抗器的TCR(thyristor controlled reactor，晶闸管控制电抗器)并且借助表示电压源型换流器的VSC(voltage source Converter，电压源变换器)优选地在使用固定连接的滤波器电路的条件下减小电压波动。此外，本发明涉及一种相应的补偿装置。

背景技术：

高功率炉(例如电弧炉)的特征在于，其具有强烈的功率波动。该功率波动对相应的供电网产生影响。从T.Ellinger的论文:“Entwicklung eines hybriden Kompensatorkonzepts für einen Drehstromlichtbogenofen”,TU Ilmenau,2004年4月2日公开了用于基于混合滤波器方案来补偿由于炉引起的干扰的相应的可能性。补偿器的有源部分由晶闸管控制的无功电流调节器(TCR设备)以及并行的有源滤波器组成。TCR设备接管炉的基波振荡无功功率的补偿。此外，其主管闪烁减小。为了补偿总系统的失真无功功率，应用有源滤波器。

内部地公知一种按照图1的功率系统，具有电弧炉作为强波动的负载1。负载1例如通过中压网2(例如10至35kV)被馈电。中压网2经由降压变压器3连接到高压网4。在高压网的所谓的“Point of Common Coupling(公共耦合点)”PCC处实现连接。象征性地，在高压网4上连接另外的耗电器(V)5。

为了补偿或减小中压网2中和由此在高压网4中的电压波动，除了负载1之外将所谓的SVC 6(static VAR compensator，静态VAR补偿器，也就是无功功率补偿器)和STATCOM 7(static synchronous compensator，静态同步补偿器，也就是在脉冲运行中用于产生电感性的或电容性的无功功率的变流器)耦合到中压网2。在此，SVC 6包括TCR 8和无源滤波器电路9。TCR8以及无源滤波器电路9直接连接到中压网2。

STATCOM 7包括VSC 10(voltage source Converter，电压源变换器；也就是电压源型换流器)以及同样的无源滤波器电路11。VSC 10以及无源滤波器电路11直接耦合到中压网2。由此其与TCR 8和无源滤波器电路9一起与负载1并联。

如上面描述的那样，大的、例如在高功率炉中出现的负载波动在耦合点PCC处通过补偿系统来补偿。这样的补偿系统是SVC 6，其包含TCR 8和一个谐波滤波器或一组谐波滤波器9并且已经公开超过30年。这样的SVC 6适用于减小缓慢改变的负载的干扰。但是当负载快速改变时，SVC仅能不充分地减小电压干扰。替代TCR 8由此典型地使用VSC 10。后者，即VSC 10，不取决于晶闸管的触发延迟并且由此更快速地反应。此外，其不具有由于晶闸管的性能(仅能接通但不能断开)而导致的停滞时间。但是其通常明显更昂贵。

图2示出了补偿效果和由此电压波动U的减小。在那里描绘了概率p关于电压波动U的曲线12、13和14。曲线12示出了在没有补偿的条件下的电压波动的概率。曲线13反映了当利用适用于缓慢的负载变换的唯一一个SVC(或TCR)来补偿时，电压波动的概率。最后，曲线14反映了在利用适用于快速的负载变换的唯一一个STATCOM(或VSC滤波器补偿)来补偿的情况下，电压波动的概率。在此，各个概率p反映了电压波动超过预定的U值。

对于相同的额定功率，VSC与TCR以及与无源滤波器电路的成本比例为大约4:1:1。具有VSC与具有TCR的系统的效率的比例为大约2:1，这大约相应于图2的比例Ul:U2。

也就是，图2示出了电压波动及其概率。例如在使用唯一一个SVC的情况下按照曲线13，电压波动高于U1的概率为p。在使用唯一一个STATCOM的情况下，在相同的概率下电压波动高于U2。这意味着，STATCOM 7比SVC 6更有效。

明显指出的是，图2没有示出，每个通过测量记录的电压波动具有处于0.5Hz和25Hz之间的波动频率。一般地，波动频率意味着每秒循环的次数，其中电压上升和下降。SVC对直至5Hz波动频率的负载波动反应良好，对5Hz和10Hz之间的波动频率也有一定效果。但是，其效率在高于10Hz时就很小。相反，STATCOM在整个波动频率范围内都对负载波动反应良好。在最严格的情况下关于电压波动的容差为大约9Hz，因为在该频率范围内眼睛或大脑对照明波动的反应最强。因为STATCOM不仅在该频率范围内而且普遍地相对于SVC占优，在图2中STATCOM的曲线处于SVC的曲线的左边。

如果负载稍微超过STATCOM的承载能力，则STATCOM的曲线14在图2中稍微向右移动，从而在该情况下不达到干扰值。为了再将曲线向左移动并且达到边界值，需要提高补偿系统的承载能力。在此，替代第二VSC 10使用TCR8来提高补偿系统的效率存在成本优势。在这种情况下重要的是，以协调的方式运行TCR和VSC，从而实现最好的功率结果。

已经公知TCR、VSC和无源滤波器电路的某些组合的运行方式。例如可以独立于彼此地运行TCR和VSC，这在图3中示出。从基本结构来看，图3中示出的系统相应于图1中的系统。但是出于简化原因没有示出高压网4。在中压网2上连接负载1。与之并联地在中压网2上连接TCR 8、VSC 10和无源滤波器电路15。但是在电网2中的电压多高基本上是不重要的。

图3与滤波器电路15一起详细示出了TCR-VSC-组合的控制或调节。在此优选但不是强制的是，滤波器电路15是无源的。

利用电流计16测量从中压网2流过负载1的电流。相应的电流测量信号被传送到TCR控制单元17(TCO)和VSC控制单元18(VCO)。此外，两个控制单元17和18从电压计19获得有关于关于中压网2中的电压的电压测量信号。根据电流和电压测量信号，TCR控制单元17产生用于TCR 8的控制信号并且VSC控制单元18产生用于VSC 10的控制信号。

在图3的示例中，TCR 8和VSC 10独立于彼此地工作。负载电流的预定比例通过TCR来补偿并且其余的负载电流通过VSC 10来补偿。该方法仅部分地用于VSC 10的快速的反应能力并且因此导致次优的结果。

在按照图4的扩展中，使用作为有源滤波器的VSC 10。TCR 8减小了电压的基本波动，而VSC 10仅清除了谐波。图3反映了该系统的基本结构，因此参见那里的描述。但是在图4的示例中附加地设置，划分电流测量信号。测量值的一定份额，也就是百分之x，被传送到TCR控制单元17。为此例如可以使用乘法器20。另一个乘法器21将电流测量信号中的其余电流强度值传送到VSC控制单元18，其向VSC 10发送相应的控制信号。对于系统的另外的功能性参见图3的描述。

负载波动可以动态地变化。由此对于已知的系统是苛求的并且特别是在负载范围内不能实现还不需要两个VSC的最优补偿。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种方法和一种补偿装置，利用其能够实现借助TCR和VSC更有效地减小电压波动。

按照本发明，上述技术问题通过用于减小供电网中的、由于在供电网上运行负载而引起的电压波动的方法来解决，通过

-测量流过负载的电流，由此获得相应的电流测量信号，

-借助TCR减小电压波动，TCR表示表示晶闸管控制的电抗器，和

-借助VSC减小电压波动，VSC表示电压源型换流器，以及

-依据预定的绝对的边界值将电流测量信号或相应的参数划分为第一部分和第二部分，

-根据第一部分控制TCR，和

-根据第二部分控制VSC。

也就是按照优选的方式，并行地通过TCR和VSC实现补偿，其中动态地控制两者。也就是，不是分别由TCR和VSC提供无功功率的固定部分用于补偿，而是根据表示流过负载的电流的电流测量信号的性质来控制各个部分。在此使用预定的绝对的边界值，根据其分析电流测量信号。相应于分析结果来控制TCR和VSC。

在一种实施方式中，预定的绝对的边界值表示边界频率。由此，电压波动根据其频率进行分类。由此，具有较高频率的部分可以与具有较低频率的部分不同地对待。

特定地，第一部分的所有频率可以低于边界频率并且第二部分的所有频率高于边界频率。由此，电流测量信号的低频部分被用于控制TCR，相反，将电流测量信号的高频部分用于控制VSC。边界频率例如可以处于0Hz和8Hz之间，特别是处于1Hz和5Hz之间。通过这种方式可以确保，通过VSC有效地减小在照明时人体器官对其极其敏感反应的大约9Hz处的部分。

替换地，预定的边界值也可以表示电流的强度或功率。由此，根据测量的电流或测量的功率，基于无功功率，按比例地通过一种方式或另一种方法来实现电压波动的减小。

优选地，第一部分通过电流测量信号或相应参数的高于预定的边界值的分量形成。相应地，第二部分通过电流测量信号或相应参数的低于预定的边界值的分量形成。由此一直利用VSC，直至负载的电流或功率低于预定的边界值。才通过TCR来减小高于该边界值的部分。

按照本发明，上述技术问题也通过用于减小供电网中的、由于在供电网上运行负载而引起的电压波动的补偿装置来解决，具有

-测量装置，用于测量流过负载的电流，由此可以提供相应的电流测量信号，

-TCR，其表示晶闸管控制的电抗器，用于减小电压波动，和

-VSC，其表示电压源型换流器，用于减小电压波动，

此外包括

-分路器装置，用于依据预定的绝对的边界值将电流测量信号或相应的参数划分为第一部分和第二部分，

-第一控制装置，用于根据第一部分控制TCR，和

-第二控制装置，用于根据第二部分控制VSC。

在此按照优选的方式，还依据预定的绝对的边界值，也就是智能地通过分路器装置进行电流测量信号或相应的参数的划分。由此特别地可以关于供电网上的电压平滑更有效地处理平均功率的高动态过程。

在此，分路器装置还可以具有分频器，并且预定的绝对的边界值是分频器的边界频率。由此给出上面提到的优点。

特别地，分路器装置可以具有限制器，其使用预定的边界值来限制用于VSC的控制值。由此特别是可以完整或更好地利用VSC的电容。

此外，供电网可以负荷滤波器电路，其与TCR和VSC共同作用来减小电压波动。特殊地，滤波器电路可以是无源的、电容性作用的并且与TCR以及VSC调谐。由此可以提供低成本的滤波器电路，其利用TCR和VSC的电感来补偿由负载引起的无功功率。

此外按照本发明，上述技术问题通过用于减小供电网中的、由于在供电网上运行负载而引起的电压波动的方法来解决，通过

-测量在负载和供电网之间的电流，由此获得相应的第一电流测量信号，

-借助表示晶闸管控制的电抗器的TCR减小电压波动，和

-借助表示电压源型换流器的VSC减小电压波动，

-测量在TCR和供电网之间的电流，由此获得相应的第二电流测量信号，以及

-根据第一电流测量信号控制TCR，并且

根据第一和第二电流测量信号控制VSC。

此外按照本发明，提供一种用于减小供电网中的、由于在供电网上运行负载而引起的电压波动的补偿装置，具有

-第一测量装置，用于测量在负载和供电网之间的电流，由此可以提供相应的第一电流测量信号，

-TCR，其表示晶闸管控制的电抗器，用于减小电压波动，和

-VSC，其表示电压源型换流器，用于减小电压波动，

此外包括

-第二测量装置，用于测量在TCR和供电网之间的电流，由此可以提供相应的第二电流测量信号，

-第一控制装置，用于根据第一电流测量信号控制TCR，以及

-第二控制装置，用于根据第一和第二电流测量信号控制VSC。

按照优选的方式，TCR由此主要用于减小电压波动。仅TCR不能解决的电压波动的部分由VSC接管。

优选地，根据第一和第二电流测量信号之和来控制VSC。由此可能的是，VSC的补偿电流相应于的总的(电容的)滤波器电流与(电感的)负载电流和(电感的)TCR电流的总体之差。

必须时还可以测量供电网的电压，从而还依据所测量的电压来减小电压波动。除了电流测量之外利用合适的电压测量装置进行的该电压测量是特别具有优势的，因为由此闪烁和无功功率补偿可以基于计算的功率。

附图说明

现在根据所附的附图对本发明作进一步的说明，附图中：

图1示出了具有干扰负载、补偿装置和其它耗电器的供电系统；

图2示出了对于高于预定电压波动的电压波动的概率分布；

图3示出了具有由TCR和VSC组成的组合的调节系统；

图4示出了具有用于减小电压波动的TCR和用于减小谐波干扰的VSC的调节系统；

图5示出了按照本发明通过根据电压波动的频率划分TCR和VSC的活动来调节TCR和VSC的电路图；

图6示出了在按照本发明的调节的情况下电压波动的概率的线图；

图7示出了作为图5的替换的、具有限制器的实施方式；

图8示出了具有另外的限制器的、图7的实施例的扩展；

图9示出了作为图5的替换的、具有TCR电流测量的实施方式。

具体实施方式

下面详细阐述的实施例示出了本发明的优选的实施方式。对于该实施方式的描述补充地参见上面关于图1至图4的解释。下面仅详细表明区别。

相应于本发明设置用于协调地运行TCR和VSC(或SVC和STATCOM)的多个不同的方法。这些方法涉及负载要求处于高于唯一一个STATCOM的补偿能力并且低于两个STATCOM的补偿能力的情况。当然，该方法不仅仅限于该情况。

按照本发明的第一示例，其原则上在图5中示出，补偿要求被划分为能够通过TCR 8补偿的第一慢速部分lt和能够通过VSC10补偿的其余的第二快速部分st。划分通过分路器装置22、23进行，其在此包括低通滤波器(TP)22。在低通滤波器22的输出端处的信号还具有电流测量信号的慢速或低频的部分lt。信号lt用做对于TCR控制单元17的输入信号，也就是该TCR控制单元除了电压计19的电压测量信号之外仅考虑电流测量信号的慢速部分来控制TCR 8(参见图3和图4的描述)。还将低通滤波器22的输出端处的慢速部分lt传输到减法器23，该减法器从总的电流测量信号中减去该慢速部分，从而得到快速部分st。利用该快速部分st来控制VSC控制单元(VCO)18，其同样从电压计19获得电压测量信号。由此依据电流测量信号的快速部分st，VSC控制单元18控制VSC 10。

分路器装置的边界频率优选地在于，9Hz及以上的电流或电压波动表示在第二部分，也就是快速部分st中。相应地，边界频率例如可以为5Hz。

也就是，在运行图5中示出的补偿装置或在相应的方法中，利用VSC 10的快速反应能力，以补偿临界的9Hz负载波动。相应地，仅在缓慢的负载波动的情况下使用TCR 8。这意味着，TCR 8基于其缓慢的触发和熄灭特性仅对于补偿无功功率的缓慢波动被考虑。

图6可以获得对具有频率划分的图5的方法或补偿装置的效率的估计。如图2中通过曲线12那样，给出在虚构系统中大于特定U并且不进行补偿的电压波动的概率。现在如果按照上述方法利用频率分割，也就是利用TCR、VSC、频率分路器和无源滤波器电路进行补偿，则估计的概率处于区域24中。相应地，对于新的方法给出估计的带宽25。当然原则上值得期望的是，通过组合地运行SVC和STATCOM达到与运行两个STATCOM相同的效率。由曲线26给出在利用两个STATCOM补偿的情况下电压波动的概率。根据图6的该图形，具有按照本发明的补偿的电压波动的概率虽然明显低于其在没有补偿的系统中的概率但是却还稍微高于在利用两个STATCOM补偿时的概率

上述的概率曲线和特别是带24以及带宽25近似地还适用于如下阐述的在按照图7和图8的实施例中的第二方法或由此对应的第二补偿装置。

关于图7和图8的描述又参见在那里实施相同元件的所有上述附图的描述。以下描述仅集中在区别。在第二方法中VSC 10补偿在正常情况下的无功负载。在该阶段期间，TCR 8与电容性作用的无源滤波器电路15相反地提供恒定的电感性功率。仅当电压控制的变流器VSC 10达到其输出边界时，TCR 8才进行补偿。

具体地，这在按照图7的补偿装置中通过如下实现，即，提供VSC控制单元18的电流计16的电流测量信号。依据其并且依据电压计19的电压测量信号，VSC控制单元18产生传输到分路器装置27、28的控制信号。在此，分路器装置包括限制器27。VSC控制单元18的控制信号表示电流测量信号或表示相应的参数。也就是，当电流测量信号是高的时，这在VSC控制单元18的控制信号中相应地表示。限制器27负责限制并且当控制信号的值超过由其预定的边界值时输出该边界值。VSC 10由此仅以边界值控制并且以设置的最大功率运行。

此外，分路器装置包括减法器28，将VSC控制单元(VCO)18的控制信号和限制器27的输出值馈入该减法器。如果VSC控制单元18的控制值高于边界值，则在两个信号之间的差为正的并且还依据电压计19的电压测量信号将该差值传输到TCR控制单元(TCO)17用于进一步控制TCR 8。相反，如果VSC控制单元18的控制信号的值小于限制器27的边界值，则限制器27实际上是无效的并且以VSC控制单元18的信号来控制VSC 10。由此，减法器28的输出信号具有值0，因为限制器27的输入和输出信号相同。相应地，TCR8被控制为，使得其不补偿无功功率。也就是在该情况下完全通过VSC 10来补偿无功功率。

在优选的实施例中，电容性作用的、无源滤波器电路15被设计为，使得其可以完全抵消TCR 8和VSC 10的电感性输出功率，其中对于一般情况考虑TCR 8的恒定的电感性功率。如果现在VSC 10在其电容性边界处，则TCR 8减小其电感性功率，这减轻了对VSC 10的电容性要求。VSC 10和TCR 8以及反之的相互作用是流动的。在该第二方法中，VSC 10在大部分时间保持低的电压波动并且TCR 8或SVC的设计可以相应地是小的。

为了提高用于减小电压波动的调节系统的可靠性，可以以另外的限制器来优化图7的系统，如其在图8中所示的那样。一般地在此又参考图7的系统的描述。特殊地，在图8的实施例中设置附加的VSC控制单元18'，其与VSC控制单元18一样获得来自于电流计16的电流测量信号以及来自于电压计19的电压测量信号作为输入信号。在此，VSC控制单元18的输出信号又被传输到限制器27并且将可能限制的信号用于控制VSC 10。为了补偿尖峰无功功率，现在设置并联的VSC控制单元18'，其输出信号被传输到第二限制器27'以及减法器28'。在减法器28'中从VSC控制单元18'的输出信号中减去限制器27'的输出信号，并且将得到的差信号用于控制TCR控制单元17或TCR 8。也就是，当VSC控制单元18'的控制信号的值高于限制器27'的边界值时，仅从TCR 8调用功率。优选地，两个限制器27和27'的边界值相等，但其不是必须的。也就是在该情况下VSC 10管理基本负载，而TCR 8接管尖峰负载。但是在此通过分开的控制单元来控制TCR和VSC，由此可以提高可靠性。

也就是按照本发明，如下地优化SVC和STATCOM的运行的协调，使得在最小开销的情况下实现最高的效率。大的STATCOM的补偿功率比常规的SVC系统的补偿功率更好。但是仅基于STATCOM的解决方案极其昂贵。当在一个STATCOM和两个STATCOM之间的功率足够时，成本最有效的解决方案是SVC与STATCOM的组合。但是不协调的运行会降低效率。

图9示出了用于实现按照本发明的方法或按照本发明的补偿装置的另外的实施例。关于图8的描述又参见在那里实施相同元件的所有前面的附图的描述。以下描述仅集中在区别。在按照图9的另外的方法中，VSC 10补偿TCR不能实现补偿的部分。补偿需求始终高于TCR的效率。因此，VSC必须一直接管TCR不能实现的补偿需求。为此如在前面的实施例中那样，从电流计16获得电流测量信号或电流测量值，其表示在负载1和供电网2之间的电流并且在此被用作第一电流测量信号(负载电流测量信号)。TCR控制单元17在此获得形式不变的第一电流测量信号作为电流测量信号。也就是，其在此直接从电流计16获得第一电流测量信号并且直接从电压计19获得电压测量信号作为输入信号。

相反，VSC控制单元18获得由来自于第一电流计16的第一电流测量信号(负载电流测量信号)与来自于第二电流计29的第二电流测量信号(TCR电流测量信号)得到的和作为电流测量信号，该第二电流计测量在供电网2与TCR 8之间的电流。为此，加法器30将第一电流测量信号与第二电流测量信号相加并且将和信号提供给VSC控制单元18。后者，即VSC控制单元还涉及来自于电压计19的电压测量信号。

也就是，TCR调节尽可能良好地接管无功负载的补偿。TCR 8与电容性作用的无源滤波器电路15相反地提供相应的电感性功率。VSC接管TCR不能实现补偿的、其余的无功功率的补偿。为此将第一电流测量信号(负载电流)与第二电流测量信号(TCR电流)的和传输到VSC调节。由此，VSC 10的补偿电流相应于在无源滤波器15与供电网2之间流过的总的(电容的)滤波器电流与(电感性的)TCR电流和(电感性的)负载电流的总体之差。由此，VSC仅需调整TCR 8不能管理的差。该方法的效率又落在图6的带24内。