用于進行對稱無功功率補償?shù)霓D(zhuǎn)換器的制作方法

文檔序號：12022042閱讀：313來源：國知局

導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>發(fā)電;變電;配電裝置的制造技術(shù)

本實用新型涉及一種用于進行對稱無功功率補償?shù)霓D(zhuǎn)換器以及這種轉(zhuǎn)換器的控制方法。

背景技術(shù)：

這種類型的轉(zhuǎn)換器從現(xiàn)有技術(shù)中已知。例如文獻US 8 207 712 B2示出了一種具有以星形連接彼此連接的三個相支路的轉(zhuǎn)換器。三個相支路經(jīng)由耦合電感連接到三相交流電網(wǎng)的與其相關(guān)聯(lián)的相。每個相支路具有相模塊，相模塊具有兩極子模塊的串聯(lián)電路，其中，子模塊作為所謂的全橋電路構(gòu)造。每個子模塊因此包括功率半導(dǎo)體開關(guān)單元的兩個串聯(lián)電路，其中，每個功率半導(dǎo)體開關(guān)單元包括可關(guān)斷的功率半導(dǎo)體以及與其反并聯(lián)的二極管。此外，每個子模塊具有電容器形式的能量存儲器?？梢钥刂泼總€子模塊，使得在其極上降落一個電壓，該電壓對應(yīng)于電容器的電壓、電容器的但是具有相反的極性的電壓或者對應(yīng)于零電壓、即值為零的電壓。由此可以借助對子模塊的合適的控制，在轉(zhuǎn)換器的相模塊上產(chǎn)生階梯形的交流電壓。階梯高度在此對應(yīng)于電容器電壓。此外，已知的轉(zhuǎn)換器包括控制裝置，用于控制轉(zhuǎn)換器的相支路中的電流，使得可以在交流電網(wǎng)中提供希望的電感性無功功率。

已知的轉(zhuǎn)換器特別是還適合用于進行對稱無功功率補償。對稱無功功率補償對在對所有相對稱地施加負載(與此相反，在不對稱地施加負載時，交流電網(wǎng)中的各相中的電流具有彼此不同的幅值和不同的相位偏移角)時在交流電網(wǎng)中出現(xiàn)的無功功率進行補償。

然而，已知的轉(zhuǎn)換器在制造和運行時在技術(shù)上相對復(fù)雜并且成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是，提出一種用于進行對稱無功功率補償?shù)霓D(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)簡單并且成本相對低廉。

根據(jù)本實用新型，上述技術(shù)問題通過具有第一、第二和第三相支路的轉(zhuǎn)換器來解決，其中，三個相支路中的每一個能夠連接到三相交流電網(wǎng)的與其相關(guān)聯(lián)的相，并且三個相支路以隔離的星形連接彼此連接，其中，第一相支路沒有子模塊，第二和第三相支路分別包括具有兩極子模塊的串聯(lián)電路的相模塊，其中，每個子模塊具有能量存儲器以及至少一個功率半導(dǎo)體，并且能夠被控制為，使得正子模塊電壓、負子模塊電壓或者值為零的電壓降落在子模塊的極上，其中，轉(zhuǎn)換器還包括用于調(diào)節(jié)相模塊電流的控制裝置，其中，借助控制裝置能夠確定在每個相模塊處待設(shè)置的電壓，并且控制裝置包括退耦單元，其被構(gòu)造為用于依據(jù)第一和第二相支路之間的第一連接電壓、第二和第三相支路之間的第二連接電壓以及分別由額定電流以及第二和第三相支路的相模塊電流導(dǎo)出的第一和/或第二控制電壓來計算用于每個相模塊的校正電壓，使得能夠由控制電壓和校正電壓導(dǎo)出待設(shè)置的電壓。

根據(jù)本實用新型，僅在三個相支路中的兩個中設(shè)置相模塊。以這種方式簡化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，這使其制造和運行成本下降。此外，由于所使用的子模塊的總數(shù)減少，還可以減少子模塊的控制開銷。

轉(zhuǎn)換器的相支路以隔離的星形連接彼此連接。這意味著，相支路在星形點聚集在一起，不能使該星形點達到特定電位、例如地電位。這特別是使得轉(zhuǎn)換器的三個相支路中的電流不能彼此獨立地調(diào)節(jié)。退耦單元用于計算這種相關(guān)性作為控制電壓的校正值，其中，校正電壓與轉(zhuǎn)換器在交流電網(wǎng)上的連接點之間的連接電壓以及由對相模塊電流的調(diào)節(jié)產(chǎn)生的控制電壓有關(guān)。

優(yōu)選子模塊被構(gòu)造為全橋電路，其中，子模塊的功率半導(dǎo)體開關(guān)例如是具有隔離的柵電極的雙極晶體管(IGBT)或者金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。然而，在這種情境下，還可以想到具有與全橋電路不同的結(jié)構(gòu)的子模塊。特別是可以使用通過合適的控制可以在其極上設(shè)置子模塊電壓的多個正和/或多個負電壓值、例如第一和第二正和/或第一和第二負電壓值的子模塊。在M.Gommeringer等的文章“Novel DC-AC Converter Topology for Multilevel Battery Energy Storage Systems”，PCIM Europe 2013中描述了這樣的子模塊的示例。降落在相模塊上的電壓對應(yīng)于在子模塊處設(shè)置的子模塊電壓的總和。

有利的是，子模塊的能量存儲器是存儲電容器、特別優(yōu)選高功率存儲電容器，以便更好地滿足高壓應(yīng)用的高要求。

根據(jù)本實用新型的一個有利實施方式，控制裝置還具有連接到退耦單元的控制單元，用于借助脈沖寬度調(diào)制(PWM)對子模塊進行控制。作為控制方法，可以使用任意合適的PWM方法或者還有從文獻WO 2008/086760 A1中已知的方法?？刂茊卧梢砸运^的模塊管理系統(tǒng)(MMS)的形式實現(xiàn)，其中，兩個相模塊中的每一個都與MMS相關(guān)聯(lián)。

根據(jù)本實用新型的另一個有利實施方式，第二和第三相支路中的相模塊分別經(jīng)由耦合電感連接到交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相。兩個耦合電感優(yōu)選基本上相同。第三相支路例如可以在沒有耦合電感的情況下連接到交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相。在這種情況下，能夠有利地減小退耦單元的計算開銷。例如可以以如下方式通過校正對應(yīng)的控制電壓Ustell2,Ustell3來計算第二和第三相支路的相模塊的待設(shè)置的電壓Uconv2,Uconv3：

Uconv2＝-Ustell2+U21,

Uconv3＝-Ustell3+U32+U21,

其中，

-U21是第二相支路與交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相的連接點和第一相支路與交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相的連接點之間的連接電壓，以及

-U32是第三相支路與交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相的連接點和第二相支路與交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相的連接點之間的連接電壓。

根據(jù)本實用新型的一個替換實施方式，所有三個相支路分別具有耦合電感，其有利地全部具有相同的電感值。在退耦單元中待執(zhí)行的運算的內(nèi)容在這種情況下合適地如下：

Uconv2＝-Ustell3-2*Ustell2+U21,

Uconv3＝-2*Ustell3-Ustell2+U32+U21。

當(dāng)然還可以想到，可以選擇相支路中的耦合電感與其它電感值的其它組合。在此，可以由常見的、本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的針對系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流的等式推導(dǎo)出用于退耦單元的針對相應(yīng)的配置的計算規(guī)則。相支路也可以直接、即在不使用連接變壓器的情況下連接到交流電網(wǎng)。

可以有利的是，轉(zhuǎn)換器包括測量裝置、例如電壓和/或電流互感器，用于采集相模塊電流和連接電壓。例如可以在一個或多個相支路中布置電流互感器。此外，還可以設(shè)置電容性電壓互感器，用于測量連接電壓。

根據(jù)本實用新型的另一個有利實施方式，控制裝置還包括相應(yīng)地具有平均值形成器、差值形成器、電壓調(diào)節(jié)器、頻率形成器以及加法器的、與相模塊相關(guān)聯(lián)的信號處理單元。在此，對于信號處理單元中的每一個適用：平均值形成器被構(gòu)造為用于形成相關(guān)聯(lián)的相模塊的能量存儲器電壓的平均值，差值形成器在輸入側(cè)連接到平均值形成器的輸出端，并且被構(gòu)造為用于由能量存儲器電壓的平均值和預(yù)先給定的直流電壓額定值形成調(diào)節(jié)差值，電壓調(diào)節(jié)器在輸入側(cè)連接到差值形成器的輸出端，并且被構(gòu)造為用于由調(diào)節(jié)差值形成有功額定電流值，頻率形成器在輸入側(cè)連接到電壓調(diào)節(jié)器的輸出端，并且被構(gòu)造為用于由有功額定電流值形成有功額定電流作為具有給定的相位角的交流電流，以及加法器在輸入側(cè)連接到頻率形成器的輸出端，并且被構(gòu)造為用于由有功額定電流和預(yù)先給定的無功額定電流形成用于相關(guān)聯(lián)的相模塊的額定電流。

因此，每個相模塊的(交流)額定電流由兩部分構(gòu)成：有功和無功額定電流。在此，轉(zhuǎn)換器對有功功率的吸收用于補償子模塊的能量存儲器中的不希望的電壓下降。電壓調(diào)節(jié)器例如可以是合適的線性調(diào)節(jié)器。

有利的是，信號處理單元是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理設(shè)備的一部分。如果子模塊的各個能量存儲器不同地構(gòu)造，則也可以將能量存儲器電壓與相關(guān)聯(lián)的不同的直流電壓額定值進行比較，以調(diào)節(jié)能量吸收。還可以想到，用對應(yīng)地與所使用的子模塊適配的計算、例如加權(quán)的平均值形成來代替平均值形成器中的簡單的平均值形成。頻率形成器由恒定的或者隨著時間緩慢變化的預(yù)先給定的直流電壓額定值，產(chǎn)生其相位角與交流電網(wǎng)中的電壓的相位角相同的交流電流參量。合適的是，信號處理單元的輸出端相應(yīng)地連接到相關(guān)聯(lián)的相模塊的電流調(diào)節(jié)器的輸入端。

本實用新型要解決的另一個技術(shù)問題是，提供盡可能簡單并且可靠的用于前面描述的轉(zhuǎn)換器的控制方法。

上述技術(shù)問題通過一種方法來解決，其中，借助電流調(diào)節(jié)器，由預(yù)先給定的第一額定電流和在第二相支路中測量的相模塊電流獲得用于第二相支路的相模塊的第一控制電壓，以及由預(yù)先給定的第二額定電流和在第三相支路中測量的相模塊電流獲得用于第三相支路的相模塊的第二控制電壓，其中，與第一控制電壓和第一校正電壓有關(guān)地計算在第二相支路的相模塊處待設(shè)置的電壓，以及與第二控制電壓和第二校正電壓有關(guān)地計算在第三相支路的相模塊處待設(shè)置的電壓，其中，分別依據(jù)第一和第二相支路之間的第一連接電壓、第二和第三相支路之間的第二連接電壓以及第一和/或第二控制電壓來計算第一和第二校正電壓。由于以校正電壓補充控制電壓，因此可以將相支路中的電流彼此退耦，由此才能夠在交流電網(wǎng)中可靠地提供對稱的無功功率。

有利的是，在相模塊處待設(shè)置的電壓借助脈沖寬度調(diào)制被轉(zhuǎn)換為用于控制相關(guān)聯(lián)的子模塊的控制信號。在此，優(yōu)選可以使用從文獻WO 2008/086760 A1中已知的方法，由此能夠使子模塊的能量存儲器中的能量基本保持相同的水平。

根據(jù)本方法的一個優(yōu)選實施方式，第一和第二額定電流分別由有功額定電流和無功額定電流構(gòu)成，其中，有功額定電流與第二和第三相支路的相模塊的降落在子模塊上的電壓的平均值以及預(yù)先給定的直流電壓額定值有關(guān)地確定。在此，有功額定電流具有如下功能：調(diào)節(jié)相模塊處的電壓，使得為了補償子模塊的能量存儲器中的能量損耗，對應(yīng)地從交流電網(wǎng)中汲取有功功率。

附圖說明

下面根據(jù)在圖1至圖4中示出的實施例詳細說明本實用新型。

圖1以示意性示圖示出了根據(jù)本實用新型的轉(zhuǎn)換器的第一實施例。

圖2以示意性示圖示出了轉(zhuǎn)換器的子模塊的實施例。

圖3以框圖的形式示出了用于圖1的轉(zhuǎn)換器的控制裝置。

圖4以示意性示圖示出了根據(jù)本實用新型的轉(zhuǎn)換器的第二實施例。

具體實施方式

具體地，在圖1中以示意性示圖示出了根據(jù)本實用新型的用于進行對稱無功功率補償?shù)霓D(zhuǎn)換器10的實施例。轉(zhuǎn)換器10具有三個相支路1、2、3。第一相支路1經(jīng)由連接點101連接到交流電網(wǎng)的與其相關(guān)聯(lián)的第一相。在圖1中未以圖形示出交流電網(wǎng)本身。第二相支路2經(jīng)由連接點201連接到交流電網(wǎng)的與其相關(guān)聯(lián)的第二相。相支路3經(jīng)由連接點301連接到交流電網(wǎng)的與其相關(guān)聯(lián)的第三相。在連接點101、201、301之間降落連接電壓，該連接電壓在圖1中作為箭頭示出，其用標(biāo)記U21、U13以及U32表示。電壓U32以及電壓U21借助電壓互感器4和5測量。

轉(zhuǎn)換器10借助這里未示出的合適的開關(guān)可分離地連接到交流電網(wǎng)。

相支路1、2和3以星形連接彼此連接。星形連接的星形點6以隔離的方式實現(xiàn)。這意味著，星形點6不處于固定的限定的電位。

第二相支路2具有相模塊7，該相模塊包括兩極子模塊8的串聯(lián)電路。第三相支路3具有相模塊9，該相模塊包括子模塊8的串聯(lián)電路。在所示出的示例中，串聯(lián)電路分別包括N個子模塊8，其中，子模塊的數(shù)量取決于要在相模塊中施加的電壓。在圖1中的轉(zhuǎn)換器1的實施例中，所有子模塊8的結(jié)構(gòu)相同。通過相模塊7的電流借助電流計11測量。通過相模塊9的電流借助對應(yīng)的電流計12測量。第二相支路2的相模塊7經(jīng)由耦合電感13連接到交流電網(wǎng)的相關(guān)聯(lián)的相。第三相支路3的相模塊9借助耦合電感14連接到交流電網(wǎng)的與第三相支路3相關(guān)聯(lián)的相。在圖1中示出的實施例中，相支路1、2、3在沒有連接變壓器的情況下連接到交流電網(wǎng)。

轉(zhuǎn)換器10還具有這里僅示意性地示出的控制裝置19，其被構(gòu)造為用于借助控制輸出191和控制輸出192來調(diào)節(jié)相模塊電流。

在圖2中詳細討論子模塊8的結(jié)構(gòu)。子模塊8作為兩極構(gòu)造，其中，在圖2中子模塊8的兩個極用X1和X2表示。圖2的子模塊8作為所謂的全橋電路或者H橋電路構(gòu)造。具有功率半導(dǎo)體開關(guān)單元15的兩個串聯(lián)電路，該功率半導(dǎo)體開關(guān)單元分別由可關(guān)斷的功率半導(dǎo)體開關(guān)和與其反并聯(lián)連接的二極管的并聯(lián)電路構(gòu)成。子模塊8還包括能量存儲器16，該能量存儲器在圖2中示出的實施例中被構(gòu)造為存儲電容器。在此，存儲電容器以并聯(lián)連接的方式連接到具有功率半導(dǎo)體開關(guān)單元15的兩個串聯(lián)電路。通過經(jīng)由在圖2中未示出的控制裝置19的控制輸出191、192對子模塊進行合適的控制，可以分別控制子模塊8，使得子模塊電壓降落在子模塊的兩個端子X1和X2上，該子模塊電壓等于降落在電容器16上的電壓、電容器16上的但是具有相反的極性的電壓或者等于值為零的電壓。由此隨著時間變化可以在相模塊7、9中的每一個上產(chǎn)生對應(yīng)于階梯形的交流電壓的電壓曲線。

應(yīng)當(dāng)指出，在圖1和圖2的實施例中，可以彼此無關(guān)地調(diào)節(jié)通過第二和第三相支路2和3的電流，然而通過第一相支路1的電流與通過相支路2和3的兩個電流有關(guān)。這在控制轉(zhuǎn)換器10時要考慮。

圖3詳細示出了圖1和圖2的實施例中的轉(zhuǎn)換器的控制裝置19的實施例的結(jié)構(gòu)。為了更好地理解該結(jié)構(gòu)，以塊100至700的形式劃分控制裝置的各個部件。在塊100至500中進行的控制步驟對于第二和第三相支路的兩個相模塊并行地進行。下面，為了避免重復(fù)，僅針對第二相支路的相模塊詳細描述這些控制步驟。在平均值形成器100中，將相模塊7的子模塊8的能量存儲器16的電壓UDC1至UDCN相加，并且形成這些電壓的平均值。在差值形成器200中，比較在塊100中確定的電壓的平均值與直流電壓額定值UDCREF之間的差值，并且傳遞到電壓調(diào)節(jié)器，其在差值形成器200的輸出端處提供有功額定電流值。在頻率形成器300中，通過由所確定的有功額定電流值產(chǎn)生有功額定電流，將該有功額定電流值轉(zhuǎn)換為交流電流參量。有功額定電流是其相位對應(yīng)于交流電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓的相位的交流電流參量。借助加法器400，將用于相模塊7的預(yù)先給定的無功額定電流irefA與有功額定電流相加。在單元500中，將由有功額定電流和無功額定電流計算的額定電流與借助電流計11測量的相模塊電流iA進行比較，以形成電流調(diào)節(jié)誤差，并且傳遞到電流調(diào)節(jié)器501，其在其輸出端處計算出用于相模塊7的控制電壓Ustell2。

對于相模塊9設(shè)置塊100、200、300、400和500的對應(yīng)的布置，其中，預(yù)先給定的無功額定電流irefB一般與無功額定電流irefA不同。在退耦單元600中，現(xiàn)在確定用于控制電壓Ustell2、Ustell3的校正電壓。對于相模塊7，在此在塊600中將電壓U21以及電壓U32與控制電壓Ustell2相加。將以這種方式計算的在相模塊7處待設(shè)置的電壓Uconv2轉(zhuǎn)發(fā)到塊700中的模塊管理單元(MMS)18，其對應(yīng)地在形成控制裝置19的輸出的其輸出191處以用于相模塊7的各個子模塊8的控制信號的形式提供這些待設(shè)置的電壓。

對于第三相模塊9，退耦單元600通過將電壓U21與控制電壓Ustell3相加來計算校正電壓。將控制電壓Ustell3和校正電壓的和從退耦單元600轉(zhuǎn)發(fā)到用于相模塊9的模塊管理單元18。用于相模塊9的模塊管理單元18將待設(shè)置的電壓Uconv3轉(zhuǎn)換為用于相模塊9的子模塊8的控制信號，并且在輸出192處提供其。

在圖4中示出了根據(jù)本實用新型的轉(zhuǎn)換器20的第二實施例。在圖1和圖4中，對相同或者類似的部分設(shè)置相同的附圖標(biāo)記。為了避免重復(fù)，在對圖4的描述中，僅討論圖1和圖4的實施方式之間的不同之處。轉(zhuǎn)換器20的子模塊8也相同地構(gòu)造并且對應(yīng)于圖2的子模塊8。

與圖1的實施例的轉(zhuǎn)換器10不同，圖4的實施例中的轉(zhuǎn)換器20在第一相支路1中具有耦合電感17。耦合電感17具有與耦合電感14和13相同的電感特性。相應(yīng)于該不同，必須針對轉(zhuǎn)換器20調(diào)整控制裝置19和控制方法。圖3的控制裝置的塊100、200、300、400、500以及700保持不變。然而，在用于轉(zhuǎn)換器20的退耦單元600中，針對用于相模塊7和9的各個控制電壓Ustell2和Ustell3的校正電壓以與在圖1的實施例的轉(zhuǎn)換器10的情況下不同的方式計算。下面再現(xiàn)了對應(yīng)的公式：

將Ustell2校正為2*Ustell2+Ustell3-U21；

將Ustell3校正為2*Ustell3+Ustell2-U32-U21。

附圖標(biāo)記列表

1,2,3 相支路

101,201,301 連接點

10 轉(zhuǎn)換器

4,5 電壓互感器

6 星形點

7,9 相模塊

8 子模塊

11,12 電流計

13,14,17 耦合電感