專利名稱：靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，且更具體而言涉及如 何將靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備連接到輸電網(wǎng)。
背景技術(shù)：
并聯(lián)補(bǔ)償器使用在高壓網(wǎng)絡(luò)中以補(bǔ)償過量的無功功率損耗或生 成。晶閘管經(jīng)常用于允許在每個(gè)周期基礎(chǔ)上對這種并聯(lián)補(bǔ)償器的交 換無功功率的控制。
傳統(tǒng)的并聯(lián)補(bǔ)償器連接方式可以在圖1看出。接口變壓器101 使用在輸電網(wǎng)102和晶閘管控制/切換的無功功率元件之間，以將輸 電系統(tǒng)的額定高電壓調(diào)適到10-30 kV范圍內(nèi)的較低電壓，其中晶閘 管控制電抗器(TCR) 103、晶閘管切換電抗器(TSR) 103和/或 晶閘管切換電容器(TSC) 104連接到此較低電壓。典型地，并聯(lián) 組和/或諧波濾波器105也將連接到同一低電壓母線。
然而，現(xiàn)有技術(shù)的連接在下述性能方面存在一些缺陷，例如在 高電容性供電或者在高電網(wǎng)電壓時(shí)的變壓器飽和、變壓器內(nèi)的無功 功率損耗以及過量的額定次級電流和非常大的短路電流。
因此，鑒于現(xiàn)有技術(shù)，需要改善并聯(lián)補(bǔ)償器的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是簡化與靜態(tài)無功補(bǔ)償器有關(guān)的布置。 根據(jù)本發(fā)明，提供一種單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備。該設(shè)備包括 補(bǔ)償器串，該補(bǔ)償器串包括串聯(lián)連接到晶閘管閥的第 一靜態(tài)無功補(bǔ) 償器。補(bǔ)償器串布置成在其第一端連接到額定電壓超過69 kV的輸 電網(wǎng)的一個(gè)相。此外，晶閘管閥包括串聯(lián)連接的多個(gè)晶閘管。補(bǔ)償
5器串包括并聯(lián)連接到所述晶閘管閥的電容器，以及補(bǔ)償器串布置成
以電流方式(galvanically )直4妄連4妾到輸電網(wǎng)。
通過將補(bǔ)償器串直接連接到輸電網(wǎng)或電網(wǎng)，變壓器被略去。這 是通過包括電容器來實(shí)現(xiàn)的，該電容器提供針對電壓電涌例如針對 雷擊的保護(hù)。電容器可以并聯(lián)連接到整個(gè)晶閘管閥，或者晶閘管閥 的每個(gè)晶閘管可具有并聯(lián)連接的相應(yīng)電容器。不采用變壓器，這提 供了諸多優(yōu)點(diǎn)，例如沒有來自變壓器的聲學(xué)噪聲，以及無需含油布 置的更加環(huán)保的無油安裝。此外，現(xiàn)場土建工程得以簡化?？梢员?免與變壓器相關(guān)的其它缺點(diǎn)，例如需要沉重變壓器運(yùn)輸、變壓器長 的交貨時(shí)間、損壞之后長的維修時(shí)間、高的成本(這可能隨時(shí)間增 加)并且由于變壓器額定值，補(bǔ)償器的升級(就增加無功范圍而言) 是困難的。
在此上下文中，晶閘管閥應(yīng)解釋為串聯(lián)連接的多個(gè)晶閘管。 補(bǔ)償器串的第 一靜態(tài)無功補(bǔ)償器可以布置成直接連接到輸電網(wǎng)。
晶閘管閥可包括一百個(gè)串聯(lián)連接的晶閘管。 晶閘管閥可包括雙向控制晶閘管。 第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器可包括電感器。
補(bǔ)償器串可進(jìn)一步包括第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器，以及晶閘管閥在 其第一端可連接到第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器且晶閘管閥在其第二端可連 接到第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器的第 一端。
第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器可包括電感器。
第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器可包括電容器。
本發(fā)明的第二方面涉及一種三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，其包括 三個(gè)根據(jù)第一方面的單相設(shè)備，其中每個(gè)單相設(shè)備布置成連接到三 相輸電網(wǎng)的相應(yīng)一個(gè)相。
補(bǔ)償器串可布置成在其第一端連接到相應(yīng)相且在其第二端連接 到與該相應(yīng)相不同的相關(guān)聯(lián)的輸電網(wǎng)，由此形成三角形(delta)連 接。補(bǔ)償器串可布置成在其第一端連接到相應(yīng)相且在其第二端連接
到中性點(diǎn)，由此形成星形(wye)連接。星形連接內(nèi)的半導(dǎo)體器件的 數(shù)目顯著低于如若三角形連接被用于整個(gè)輸電網(wǎng)電壓時(shí)的數(shù)目。 中性點(diǎn)可以連接到輸電網(wǎng)。
可以使用來自連接到三個(gè)相應(yīng)相的Z變壓器的人造中性 (neutral)來提供該中性。
本發(fā)明的第三方面涉及 一 種三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，其包括 兩個(gè)根據(jù)第一方面的單相設(shè)備，其中兩個(gè)單相設(shè)備的每一個(gè)布置成 在其相應(yīng)第一端連接到三相輸電網(wǎng)的兩個(gè)相中的相應(yīng)一個(gè)相；以及 靜態(tài)無功補(bǔ)償器，其布置成在其第一端連接到三相輸電網(wǎng)的第三相。 兩個(gè)單相設(shè)備的第二端均直接連接到第三靜態(tài)無功補(bǔ)償器的第二 端。
本發(fā)明的第四方面涉及一種單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，其包括 補(bǔ)償器串，該補(bǔ)償器串包括串聯(lián)連接到晶閘管閥的第 一靜態(tài)無功補(bǔ) 償器。補(bǔ)償器串布置成在其第一端連接到額定電壓超過69 kV的輸 電網(wǎng)的一個(gè)相。晶閘管閥包括串聯(lián)連接的多個(gè)晶閘管，補(bǔ)償器串包 括并聯(lián)連接到晶閘管閥的電容器，且補(bǔ)償器串包括布置成將補(bǔ)償器 串以電流方式連接到輸電網(wǎng)的自耦變壓器。
注意，第一方面、第二方面、第三方面或第四方面的任何特征 可以恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到任何其它方面。
一般而言，權(quán)利要求書中的所有術(shù)語應(yīng)根據(jù)其在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 的普通含意進(jìn)行解釋，除非此處另外明確定義。除非另外明確指出， 所有提到"一/一個(gè)/該元件、設(shè)備、部件、裝置、步驟等"應(yīng)開放地解 釋為涉及該元件、設(shè)備、部件、裝置、步驟等的至少一個(gè)示例。除 非明確地指出，此處公開的任一方法的步驟不一定嚴(yán)格地按照所公 開的順序執(zhí)行。


現(xiàn)在將參考附圖以示例的方式對本發(fā)明予以描述，其中圖1為示意圖，說明了用于網(wǎng)絡(luò)無功功率補(bǔ)償?shù)牡湫挽o態(tài)無功
補(bǔ)償；
圖2a-圖2b為示意圖，說明分別使用晶閘管控制電抗器和晶閘 管控制電容器的三角形連接的靜態(tài)無功補(bǔ)償；
圖3為示意圖，說明基本絕緣水平測試布置；
圖4為示意圖，說明采用無中性連接的星形連接的靜態(tài)無功補(bǔ)
償；
圖5為示意圖，說明通過自耦變壓器連接的靜態(tài)無功補(bǔ)償； 圖6為示意圖，說明采用有中性連接的自耦變壓器星形連接的 靜態(tài)無功補(bǔ)償；
圖7為示意圖，說明采用星形連接和Z變壓器的靜態(tài)無功補(bǔ)償； 圖8為示意圖，說明雙向相控晶閘管的堆疊；以及 圖9為示意圖，說明具有單獨(dú)熱交換器的閥。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將在下文結(jié)合附圖對本發(fā)明予以更全面的描述，附圖中示 出了本發(fā)明的特定實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以諸多不同形式來實(shí) 施且不應(yīng)理解為限于此處給出的實(shí)施例；相反，這些實(shí)施例以示例 的方式被提供，使得本公開內(nèi)容將徹底和完整，并向本領(lǐng)域技術(shù)人 員完整地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。相同的標(biāo)號貫穿說明書表示相似部件。
圖2a-圖2b為示意圖，說明了分別使用晶閘管控制電抗器和晶 閘管控制電容器的三角形連接靜態(tài)無功補(bǔ)償。在圖2a中，晶閘管控 制電抗器(TCR/TSR)在三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備240內(nèi)以三角形 連接而連接在各相之間。電感器210a'和210a"、 210b'和210b"、 210c' 和210c"可以分成兩個(gè)部分210a'和210a"、 210b'和210b"、 210c'和 210c"，他們被連接成嵌入晶閘管閥212a-c?？蛇x地，每對內(nèi)的一個(gè) 電感器可以略去。電感器210a'-c'、 210a"-c"和晶閘管閥212a-c的每 個(gè)相應(yīng)串聯(lián)連接線路稱為補(bǔ)償器串211a-c。在示出晶閘管切換電容 器(TSC)的圖2b中，晶閘管閥212a-c通常插在阻尼電感器214a-c和電容器組216a-c之間，如圖2b所示。電感器214a'-c'、晶閘管閥 212a-c和電容器組216a-c的每個(gè)相應(yīng)串聯(lián)連接線路稱為補(bǔ)償器串 213a-c。
在備選實(shí)施例中，晶閘管閥212a-c連接到輸電網(wǎng)，以及電感器 和/或電容器繼而連接到晶閘管閥。
圖3為示意圖，說明了基本絕緣水平測試布置。
地桅桿來避免直接雷擊。因此雷擊無法擊中晶閘管閥和電抗器之間 的點(diǎn)，而是將由組合的電抗器-晶閘管閥串(TCR或TSR)或者組 合的電抗器-晶閘管閥-電容器組串(TSC)所吸收。相應(yīng)地，串設(shè) 計(jì)應(yīng)并入用以抑制和/或控制陡峭電壓電涌的裝置，以使得可以跨過 剛剛提到且在圖2a和2b示出的串來施加完整基本絕緣水平(BIL ) 測試電壓。晶閘管控制電抗器的示例示于圖3。測試電壓發(fā)生器322 提供電壓用于測試。
可能需要特殊晶閘管岡保護(hù)電路來達(dá)成此目的。在圖3中，其 被示為與晶閘管對312并聯(lián)連接的電容器320。在實(shí)際實(shí)施中，會需 要實(shí)際實(shí)施的附加部件以保護(hù)晶閘管導(dǎo)通過程，正如電力電子纟支術(shù) 人員所公知的那樣。
這種情況下，晶閘管閥必須設(shè)計(jì)成用于輸電網(wǎng)的完整線間 (line-line )電壓。
在最經(jīng)常情況下，電流是適中的。由于高電壓，大量部件可以 在閥內(nèi)串聯(lián)連接。
由補(bǔ)償器串211a-c產(chǎn)生的三次諧波電流將包括在電感器電流 內(nèi)，但是將被捕獲并且在三角形連接內(nèi)循環(huán)。
圖4為示意圖，說明了采用無中性連接的星形連接的靜態(tài)無功 補(bǔ)償。
原則上，也可以使用具有無源部件(電感器和/或電容器組) 410a-c和晶閘管閥412a-b的星形連接串的SVC 440。如果SVC不使 用利用相位角控制的連續(xù)控制來工作而是工作于切換模式(完全開啟/完全關(guān)閉)，則如圖4所示僅需要兩個(gè)閥412a-b。
圖5為示意圖，說明了現(xiàn)在將予以描述的通過自耦變壓器來連
接的靜態(tài)無功補(bǔ)償。
減小變壓器額定值的一種方式是利用自耦變壓器528作為到
SVC 530的接口 。圖5描述此概念。
變壓器的額定功率僅僅是總SVC功率額定值的一部分。如果U2
代表輸電網(wǎng)532的電壓且"代表SVC母線534的電壓，則視在功率
S加f?？梢员硎鰹镾VC視在功率Ssvc的因子，如下述
對于完整SVC額定值，自耦變壓器528漏抗遠(yuǎn)低于變壓器內(nèi)漏 抗。這經(jīng)常是一優(yōu)點(diǎn)，但是在一些情形中，會難以設(shè)計(jì)諧波濾波器。 如果情形如此，則有利的是插入額外的電感器526與自耦變壓器528 串聯(lián)，如圖5所示。額外的電感器526也可以用于降低在BIL電壓
測試時(shí)跨過晶閘管閥的電壓應(yīng)力。
如果輸電系統(tǒng)具有來自變壓器的中性(neutral),則可以利用星
形連接中的SVC 630,如圖6所示。該圖示出TCR,但是SVC配置
530可包括若干TCR、 TSR、 TSC和濾波器組。
這種情況下，三次諧波電流將經(jīng)過自耦變壓器628中性連接636。 與前述情形相似，額外的電感器可以連接(圖6未示出)在自
耦變壓器和SVC之間，從而降低在BIL電涌電壓測試時(shí)跨過晶閘管
閥的電壓應(yīng)力。
圖7為示意圖，說明了采用星形連接和Z變壓器的靜態(tài)無功補(bǔ) 償。Z形連接變壓器740可用于形成輸電系統(tǒng)內(nèi)的電壓的局部中性點(diǎn) (人造中性)。于是，可以如圖7所示利用SVC 740的星形連接的 晶閘管閥。星形連接內(nèi)半導(dǎo)體器件的數(shù)目顯著低于如若三角形連接 被用于整個(gè)輸電網(wǎng)電壓時(shí)的數(shù)目。SVC 740內(nèi)存在三個(gè)補(bǔ)償器串 711a-c。該圖示出普通的串，不過SVC配置740可包括若干TCR、TSR、 TSC和濾波器組。
Z變壓器應(yīng)設(shè)計(jì)成使三次諧波電流經(jīng)過該變壓器。將不產(chǎn)生三次 諧波電壓。
圖8為示意圖，說明雙向相控晶閘管的堆疊。
具有與通常額定電流相比的顯著電流處理能力的晶閘管是可獲 得的，因?yàn)樵诟哳~定電壓僅需要低電流。這一點(diǎn)具有一些感興趣的 含義。首先，結(jié)溫度可以保持接近殼體溫度。第二，更少地發(fā)生與 故障或控制錯(cuò)誤時(shí)電涌電流相關(guān)的設(shè)計(jì)問題。并且第三，易于設(shè)計(jì) SVC的高過載能力。
對于此應(yīng)用，可以有利地使用所謂的雙向晶閘管或者雙向控制 晶閘管(BCT) 850。這些裝置具有集成在同一硅晶片上的兩個(gè)反 向并聯(lián)的晶閘管。于是對于每個(gè)閥功能僅需一個(gè)裝置堆疊。在每個(gè) BCT 850之間存在冷卻裝置852。
用于超過69 kV電壓的設(shè)備大部分設(shè)計(jì)成用于室外使用。這對 于此處提到的晶閘管閥也是可能的。每個(gè)閥功能包括一個(gè)(雙向) 晶閘管850的堆疊。該堆疊可以按足夠閃弧和爬電距離置于例如由 聚合材料形成的絕緣外殼854內(nèi)。圖8描述此方法。
圖9為示意圖，說明了具有單獨(dú)熱交換器的閥。
與傳統(tǒng)使用的低電壓設(shè)計(jì)相比，在高電壓SVC閥內(nèi)，額定電流 變?yōu)檫m中的且每個(gè)裝置的損耗低。因此結(jié)和殼體854之間的溫度降 落低且可以使用冷卻劑的高溫。這使得對于給定的待處理總功率量 而言，熱交換器956更小。
在一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，每個(gè)閥，其可包括BCT的堆疊，具有各自 的冷卻器，該冷卻器或者具有分離的循環(huán)泵958和/或具有冷卻劑的 自然流960。圖9描述此概念。
關(guān)于閥安裝，當(dāng)串聯(lián)連接裝置的數(shù)目變大時(shí)(在一百個(gè)裝置的 范圍內(nèi))，用于高電壓的晶閘管閥變得相當(dāng)長。相應(yīng)地，將這些閥 安裝成懸垂在屋頂(室內(nèi))或者懸垂在鋼結(jié)構(gòu)(室外)是合理的。
本發(fā)明主要結(jié)合一些實(shí)施例在上文予以解釋。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所容易理解，在由所附專利權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范
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權(quán)利要求
1.一種單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，包括補(bǔ)償器串(211a-c，213a-c，711a-c)，包括串聯(lián)連接到晶閘管閥(212a-c)的第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器；其中所述補(bǔ)償器串(211a-c，213a-c，711a-c)布置成在其第一端連接到額定電壓超過69kV的輸電網(wǎng)的一個(gè)相；其特征在于，所述晶閘管閥(212a-c)包括串聯(lián)連接的多個(gè)晶閘管，所述補(bǔ)償器串包括并聯(lián)連接到所述晶閘管閥的電容器，以及所述補(bǔ)償器串(211a-c，213a-c，711a-c)布置成以電流方式直接連接到所述輸電網(wǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，其中所迷 補(bǔ)償器串(211a-c, 213a-c, 711a-c)的所述第 一靜態(tài)無功補(bǔ)償器布 置成直接連接到所述輸電網(wǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，其中 所述晶閘管閥(212a-c)包括串聯(lián)連接的一百個(gè)晶閘管。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備， 其中所述晶閘管閥包括雙向控制晶閘管。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備， 其中所述第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器包括電感器。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備， 其中所述補(bǔ)償器串(211a-c, 213a-c)還包括第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器(210a"-c", 216a-c),以及所述晶閘管閥(212a-c)在其第一端連 接到所述第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器且所述晶閘管閥(212a-c)在其第二端 連接到所述第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器(210a"畫c", 216a-c)的第一端。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(211a-c)， 其中所述第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器(210a"-c")包括電感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(213a-c)，其中所述第二靜態(tài)無功補(bǔ)償器(216a-c)包括電容器。
9. 一種三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(240， 740 )，包括三個(gè)根據(jù) 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的單相設(shè)備，其中所述單相設(shè)備的每一個(gè) 布置成連接到三相輸電網(wǎng)的相應(yīng)的 一 個(gè)相。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(240 )， 其中所述補(bǔ)償器串(211a-c， 213a-c)布置成在其第一端連接到所述 相應(yīng)相以及在其第二端連接到與所述相應(yīng)相不同的相關(guān)聯(lián)的輸電 網(wǎng)，由此形成三角形連接。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(740), 其中所述補(bǔ)償器串(711a-c)布置成在其第一端連接到所述相應(yīng)相以 及在其第二端連接到中性點(diǎn)，由此形成星形連接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(740 )， 其中所述中性點(diǎn)連接到輸電網(wǎng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(740 ), 其中使用來自連接到三個(gè)相應(yīng)相的Z變壓器的人造中性來提供所述 中性。
14. 一種三相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備(240, 740),包括 兩個(gè)如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的單相設(shè)備，其中所述兩個(gè)單相設(shè)備的每一個(gè)布置成在其相應(yīng)第一端連接到三相輸電網(wǎng)的兩個(gè)相 中的相應(yīng)一個(gè)相，靜態(tài)無功補(bǔ)償器，布置成在其第一端連接到所述三相輸電網(wǎng)的第 三相，其特征在于，所述兩個(gè)單相設(shè)備的第二端均直接連接到所述第三 靜態(tài)無功補(bǔ)償器(410b)的第二端。
15. —種單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備，包括補(bǔ)償器串(211a-c, 213a-c, 711a-c)，包括串聯(lián)連接到晶閘管 閥(212a-c)的第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器；其中所述補(bǔ)償器串(211a-c， 213a-c, 711a-c)布置成在其第一 端連接到額定電壓超過69 kV的輸電網(wǎng)的一個(gè)相；其特征在于，所述晶閘管閥(212a-c)包括串聯(lián)連接的多個(gè)晶閘管，所述補(bǔ)償器串包括并聯(lián)連接到所述晶閘管閥的電容器，以及所述補(bǔ)償器串(211a-c， 213a-c， 71 la-c )包括自耦變壓器(526 ),所述自耦變壓器布置成將所述補(bǔ)償器串(211a-c, 213a-c， 711a-c)以電流方式連接到所述輸電網(wǎng)。
全文摘要
提供了一種單相靜態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備。該設(shè)備包括補(bǔ)償器串，該補(bǔ)償器串包括串聯(lián)連接到晶閘管閥的第一靜態(tài)無功補(bǔ)償器。補(bǔ)償器串布置成在其第一端連接到額定電壓超過69kV的輸電網(wǎng)的一個(gè)相。此外，晶閘管閥包括串聯(lián)連接的多個(gè)晶閘管且補(bǔ)償器串布置成直接連接到輸電網(wǎng)。還提供了一種相應(yīng)的三相設(shè)備。
文檔編號H02J3/18GK101675569SQ200880014892
公開日2010年3月17日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者A·彼得森, B·索德瓦爾德森, L·保爾森, L·安格奎斯特 申請人:Abb技術(shù)有限公司