用于平衡在自导向多级无功电流补偿器的中间电路电压方法和自导向多级无功电流补偿器

摘要

本发明涉及一种用于平衡在具有多个串联连接的多象限调节器(2a至2n)的自导向多级无功电流补偿器(1)中的中间电路电压(u

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于平衡在自导向多级无功电流补偿器中的中间电路电压 的方法和一种自导向多级无功电流补偿器。

背景技术

例如从Su Chen和Géza Joós的“A Transformerless STATCOM Based on  Cascaded Multilevel Inverters with Low Switching Frequency Space Vectors PWM” in EPE 2001-Graz公知一种借助级联的四象限调节器(Vierquadrantenstellern) 构造的自导向多级无功电流补偿器。这样的自导向多级无功电流补偿器无需变 压器就可以直接连接到中压或高压供电网。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，能够以相对简单和可靠的方式稳定地在电网 上运行自导向多级无功电流补偿器。

按照本发明，一种用于平衡在具有多个串联连接的多象限调节器的自导向 多级无功电流补偿器中的中间电路电压的方法用于解决上述技术问题，在该方 法中每个多象限调节器已经应用了一个脉宽调制的电压，该电压由产生 无功电流的补偿器电压的和附加的、电网频率的具有可选振幅 的平衡电压的相同部分组成，其中所有平衡电压的和为零并且根据测量的多象 限调节器的中间电路电压是小于还是大于由中间电路电压形成的参考量，每个 平衡电压处于与无功电流的基波振荡同相或反相。

按照本发明的方法的主要优点在于，利用该方法，由于使用平衡电压而可 以持续稳定地在供电网上运行自导向多级无功电流补偿器，因为避免了中间电 路电压向上和向下的漂移。也就是太高的中间电路电压会损坏通常采用的半导 体开关，而太低的中间电路电压限制多象限调节器的调节范围。

如果在按照本发明的方法中使用四象限调节器作为多象限调节器，则以优 选方式每个四象限调节器应用一个脉宽调制的电压，该电压由补偿器电压的和 附加的、电网频率的具有可选振幅的平衡电压的相同部分组成。

为形成平衡电压而所需的参考量在按照本发明的方法中以优选方式根据中 间电路电压的大小来产生。因此视为优选的是，参考量在具有近似相同大小的 中间电路电压的多象限调节器的情况下从中间电路电压的算术平均值形成。

视为优选的是，在具有不同大小的中间电路电压和不同大小的补偿器部分 电压的多象限调节器的情况下，相对于其额定振幅来设置单个的中间电路电压 的振幅以形成导出的中间电路电压并且从导出的中间电路电压通过算术平均来 形成参考量。通过将各个测量的中间电路电压除以其额定值，以优选方式形成 导出的中间电路电压。

还视为优选的是，借助滤波器9a至9n来抑制中间电路电压u_d1至u_dn中的双倍 电网频率的分量。

此外本发明还要解决的技术问题是，这样构造一种自导向多级无功电流补 偿器，使得可以以相对简单并可靠的方式稳定地在电网上运行该自导向多级无 功电流补偿器。

上述技术问题的解决方案在于一种具有多个串联连接的多象限调节器的自 导向多级无功电流补偿器，其中分别利用一个输入端将一个平衡块连接到中间 电路电容器，该平衡块在另一个输入端上施加无功电流并且利用借助参考量产 生器产生的参考量对于每个多象限调节器这样产生具有可选振幅的电网频率的 平衡电压，使得所有平衡电压的和为零并且根据测量的多象限调节器的中间电 路电压是小于还是大于借助参考量产生器产生的参考量，每个平衡电压处于与 无功电流的基波振荡同相或反相，其中平衡块还具有其数量相应于多象限调节 器的数量的、具有电网频率的平衡电压的输出端，并且其中平衡块的输出端连 接到求和器，对该求和器还施加补偿器电压的给定参数并且 在输出侧与对应于多象限调节器的脉宽调制器的输入端相连。同样此处多象限 调节器既理解为四象限调节器也理解为二象限调节器。

按照本发明的自导向多级无功电流补偿器具有有利的特征，即，由于使用 平衡电压而可以持续稳定地在供电网上运行自导向多级无功电流补偿器，因为 在该自导向多级无功电流补偿器的情况下平衡了中间电路电压并且由此不会向 上和向下漂移。

在按照本发明的无功电流补偿器的优选实施方式中，多象限调节器是四象 限调节器，并且对每个四象限调节器施加一个脉宽调制的电压，该电压由补偿 器电压的和附加的、电网频率的平衡电压的相同部分组成。

参考量产生器可以不同地构造。视为优选的是，参考量产生器在具有近似 相同大小的中间电路电压的多象限调节器中是平均值形成器，该平均值形成器 从中间电路电压的算术平均值形成参考量。

在具有不同大小的中间电路电压和不同大小的补偿器部分电压的多象限调 节器的情况下，参考量产生器相对于中间电路电压的额定振幅来设置各个中间 电路电压的振幅，优选是通过除法，以形成导出的中间电路电压并且从导出的 中间电路电压通过算术平均来形成参考量。

为了特别好地实现中间电路电压的平衡，以优选方式在参考量产生器之前 设置滤波器，该滤波器抑制中间电路电压中的双倍电网频率的分量。

在按照本发明的无功功率补偿器中可以以不同方式形成平衡块。具有优势 的是，对于每个多象限调节器的平衡块包含用于确定相位角的装置，所述装置 在输入侧一方面与各自的多象限调节器的滤波器的输出端相连并且另一方面施 加参考量和电网频率；在每个用于确定相位角的装置之后连接函数发生器，该 函数发生器在输入侧还与振幅定义器相连并且在输出侧输出各自的平衡电压。

附图说明

以下借助附图详细解释本发明。其中，

图1以框图形式示出了对于多相的供电网的一相具有四象限调节器的按照 本发明的无功电流补偿器的实施例，

图1A示出了按照图1的四象限调节器的实施例，

图2示出了用于解释在按照图1的无功电流补偿器上施加的电流和电压量的 相位的向量图，

图3示出了按照图1的平衡块的实施例，

图4以框图示出了仍是对于多相的供电网的一相具有二象限调节器的按照 本发明的无功电流补偿器的另一个实施例，

图4A示出了按照图4的二象限调节器的一个种类的实施方式，并且

图4B示出了按照图4的二象限调节器的另一个种类的实施例。

具体实施方式

图1示出了自导向单相多级无功电流补偿器1，具有以四象限调节器2a至2n (通常也称为H桥、电压源反向器(VSI)或产生电压的转换器)形式的n个串联 连接的相同的多象限调节器。四象限调节器2a至2n通过电感3与未示出的多相供 电网的一相的馈入的电网电压u相连。四象限调节器2a至2n的中间电路电容器4a 至4n提供应该为尽可能相同大小的直流电压u_d1至u_dn。对每个四象限调节器2a至 2n施加补偿器电压u_k的第n部分，通过该部分调整无功电流或补偿器电流i_k：

i_k＝(ω/X)∫(u-u_k)dt

在图1示出的多级无功电流补偿器1中补偿器电流调节器5计算补偿器电压 u_k的给定参数u_kw。在矢量形成器6中将其除以n并且形成给定参数u_kw的n个分量。

对补偿器电流调节器5还附加地施加直流电压调节器7的输出信号i_w。该直 流电压调节器影响无功电流补偿器1的有功功率吸收并且由此调节中间电路电 容器4a至4n上的中间电路电压u_d1至u_dn的平均值借助电压互感器8a至8n来采 集中间电路电压u_d1至u_dn并且在滤波器9a至9n中滤波，其中特别是消除了具有双 倍电网频率的分量。在滤波器9a至9n之后连接的平均值形成器10从经滤波的中 间电路电压u_d1至u_dn中确定以平均值形式的参考量。

在滤波器9a至9n之后连接平衡块12(输入端E1至En)，对该平衡块在其他输 入端Ew1和Ew2上施加平均值或者说参考量和无功电流i_k。平衡块12对于每个 四象限调节器2a至2n产生附加的、电网频率的平衡电压u_b，该平衡电压在加法器 13中被加到给定参数u_kw。这样形成的和电压u_w最后通过脉宽调制器11被转换为 用于控制在每个四象限调节器2a至2n中存在的半导体的开关脉冲。图1A示出了 具有各个半导体开关H1至H4和处于截止极性(in Sperrpolung)的续流二极管D1 和D4的四象限调节器2a至2n的结构。

平衡块12用于中间电路电容器2a至2n下的电压均衡。由此中间电路电压u_d1至u_dn在补偿器运行中以近似方式保持相同电势。

现在结合图2详细解释在平衡中间电路电压u_d1至u_dn时的工作方式。在此该 考察从具有四个四象限调节器2a至2d的无损耗的无功电流补偿器出发。为了产 生电容性的无功电流i_k，需要补偿器电压u_k。对所有四个四象限调节器2a至2n的 相同部分应用该补偿器电压。

将四个四象限调节器2a至2d的中间电路电压u_d1至u_d4与参考量、优选与所有 的中间电路电压u_d1至u_d4的算术平均值比较。在此四象限调节器2a和2c的中间 电路电压u_d1和u_d3小于并且四象限调节器2b和2d的中间电路电压u_d2和u_d4大于参 考量为了达到电压平衡，四象限调节器2a和2c必须吸收有功功率而四象限 调节器2b和2d必须输出有功功率。这点通过施加平衡电压u_B1至u_B4来实现。相应 的电压向量U_B1和U_B3平行于无功电流i_k延伸，而电压向量U_B2和U_B4与无功电流i_k相反对齐。由此当中间电路电压u_d1和u_d3太小时平衡电压U_B1至U_B4将四象限调节 器2a至2d的要产生的跨接电压在数学上正向(u_v1和u_v3)地扭转，并且当中间电 路电压u_d2和u_d4太大时在数学上负向地(u_v2和u_v4)扭转。为了使得无功电流i_k不 受平衡措施影响，对于所有平衡电压u_B1至u_B4的和必须始终成立：

u_B1+u_B2+u_B3+u_B4＝0

图3介绍了对平衡块12的内部结构的了解。原则上它由n个提供具有50Hz电 网频率的正弦形电压的函数发生器13组成。在每个函数发生器13之前连接用于 确定相位角的装置14a至14n。测量无功电流ik的相位角并且只能取值或 由此作为用于确定相位角的装置，n个双位调节器就足以从测量的和经 滤波的电容器电压u_d1f至u_dnf与参考量的比较来确定相位角当然还可以确定 电网电压u的相位角。这两种可能的相位角于是为相应的矢量被传输 到函数发生器13。

在振幅定义器15中定义振幅矢量a的情况下，用户比在规定相位角的情况下 具有更多的自由度。各个振幅不是事先确定的。非常大的振幅值提高四象限调 节器2a至2n的待产生的跨接电压u_v1至u_vn，而非常小的振幅值对平衡过程的动力 学起负面作用。在实践中，由此通过实验发现，哪些振幅值证明是合适的。在 此平衡电压u_b不必如图2中那样具有相同的振幅。当在相同的四象限调节器2a至 2n上构造奇数n个无功电流补偿器时，这点也是根本不可能的。同样平衡电压u_b的振幅无需是恒定的。可以考虑的是，将其与所要求的无功功率i_k的振幅耦合并 且通过调节器调节。

至此的考察是从具有相同的中间电路电压u_d1至u_dn的四象限调节器出发的。 但是描述的平衡方法还可以应用于具有不同的中间电路电压的四象限调节器。 仅在确定参考量时产生变化，对于该参考量此时不再可以采用所有的中间电 路电压的算术平均值。在求平均值之前通过除以其额定振幅得到各个中间电路 电压。

当无功电流补偿器20按照图4具有二象限调节器21a至21n以及22a至22n而 不是按照图1的n个四象限调节器时，也可以应用所描述的平衡方法。在此如在 图4a中所示的那样构造二象限调节器21a至21n。所示二象限调节器的每一个具 有分别带有处于截止方向的并联二极管D5和D6的半导体开关H5和H6。类似地、 然而以相反的极性，在二象限调节器22a至22n中布置半导体开关H7和H8以及二 极管D7和D8，如图4B所示。

此外类似于按照图1的补偿器1示出无功电流补偿器20，方法是，其中间电 路电压u_d1+至u_dn-同样通过在图4中未示出的仪用互感器和滤波器连接到类似于 按照图1的平衡块，该平衡块将平衡电压传输到相应于按照图1的求和器13的求 和器。同样具有补偿器电流调节器和直流电流调节器，如图1所示。因为二象限 调节器只能产生一个极性的电压，所以需要2n个单元21a至21n和22a至22n。