[发明专利]模块化的电压源变换器

说明书

技术领域

本发明一般涉及高压电网中的电力补偿的领域，且尤其涉及根据独立权利要求的前序部分的模块化电压源变换器和用于电压源变换器的链式连接单元模块。另外，本发明涉及电压源变换器中的方法。

背景技术

现代社会极大地依赖于电力。随着管制放松和私有化，电力变成了日用品以及用于竞争的手段。因此，对电力质量的关注正进入迄今未见的程度。源自任意特定负载的干扰将传播很远，且除非适当地补救，将通过电网传播到相邻设施。处理电力配送质量不良或不足问题的常规方法是通过建立新线路、安装新的且更大的变压器或者移动耦合到更高电压水平的公共点来加固电网。

然而，即使这些措施是完全可行的，它们也会是昂贵和耗时的。在这种情况下，电力质量改善的简单、直接和成本有效的方式是在一个或多个干扰源的附近安装为此目的特地开发的设备。另外，通常将获得非常有用的益处——改善的工艺经济性，从而实现所述投资的有利回报。

在灵活交流输电系统(FACTS)中，多个控制设备是已知的。一个这种FACTS设备是静态补偿器(STATCOM)。STATCOM包括电压源变换器(VSC)，该VSC在每一相中具有经由电感器连接到AC网络(传输线)的AC侧。DC侧连接到诸如电容器的临时电力存储装置。在STATCOM中，在AC侧上输出的电压幅度受控，因而导致补偿器供应无功功率或者从传输线吸收无功功率。使用零有功功率传输，当假设变换器损耗可忽略时，DC电容器上的电压恒定。VSC包括至少6个自换流半导体开关，这些自换流半导体开关中的每一个通过反并联或反向并联连接的二极管分流。没有有功功率源的STATCOM设备仅可以补偿无功功率从而平衡负载电流，并且可以通过注入反相的电流谐波在公共连接点去除电流谐波。

通过将STATCOM和IGBT(绝缘栅双极晶体管)技术结合在一起，获得具有无功功率补偿的紧凑STATCOM，其在工艺和配电方面提供了电力质量改善的可能性。这种性能可以贡献于有源谐波滤波和电压闪变缓解，但是它还允许紧凑STATCOM的尺寸相对减小，其足印可以极小。电网电压配置可以根据给定最佳特性来控制，且结果是具有更稳定、加固和可预测行为的增强的电网容量。紧凑STATCOM被证明非常有用的一个示例是炼钢产业。电弧炉(EAF)是制造钢产品所需的一件设备。对于电网所有者以及电力供应者来说，EAF用户是电力的订户，即消费者，但是在最差情况下也是电网的污染者。由于EAF有可能带来相当大的失真，诸如电压波动、谐波和相不对称。而且，电网可能遭受到运送大量无功功率，这是无意的且引起输电和配电损耗且阻止电网中有用的有功功率的流动。

电弧炉不仅是有功功率而且是无功功率的巨大消费者。而且，炉内的物理过程(电熔)本质上是不稳定的，在炉和废料之间存在引起电弧的一个或若干电极。因此，尤其是无功功率的消耗变得以随机方式强烈波动。由流经电极中的电路电抗、电极臂和炉变压器的无功功率所引起的电压降因此也变得以不稳定方式波动。这被称为电压闪变，并且可以在从受污染的电网馈电的白炽灯的闪变光中非常清晰地看到。

电压闪变的问题通过使通过供电网进入炉中的无功功率的扰动流减小而解决。这通过测量无功功率消耗且在紧凑STATCOM中产生相应数量的功率并将其注入到系统中完成，由此使得净无功功率减小到绝对最小值。作为中间结果，电压闪变也减小到最小值。

重要的附加益处是与炉循环上的负载波动无关的高且恒定的功率因数，以及高且稳定的总线RMS电压。这些益处可以转化为炉生产力提高以及在较低特定电极和能量消耗方面工艺操作成本降低以及炉耐火材料的磨损降低。

为了避免炉的无功功率的快速波动的消耗，要求同等快速的补偿设备。这随着基于IGBT技术的电力电子学技术一同到来。随着这种能够高功率处理的连续可控的半导体设备的到来，具有高动态属性的VSC变得在远至100MVA的范围可行。

在本上下文中，VSC的功能是在相位和频率方面都与总线电压匹配的完全可控的电压源，且具有可以连续且快速控制的幅度，从而用作用于无功功率控制的工具。

VSC的输入连接到用作DC电压源的电容器。在输出处，变换器产生可变AC电压。这通过使用VSC中的阀直接将一个或多个电容器的电压连接到变换器输出中的任一个来完成。在利用脉冲宽度调制(PWM)的变换器中，当产生其平均是正弦曲线的输出电压时，输入DC电压通常保持恒定。AC电压的幅度、频率和相位可以通过改变开关模式来控制。