用于连接两个交流电网的装置和用于运行该装置的方法与流程

1.本发明涉及一种用于连接两个相同频率的n相交流电网的连接装置。例如，在此可以涉及50hz或60hz电网，其中相同频率在本上下文中表示相同的预先给定的额定频率。


背景技术：

2.中高压电网通常以层级拓扑进行组织。例如，功率从高压电网(电压高于100kv)传输到中压层(电压》1kv)(反之亦然)。因此，不同的中压电网通常仅通过上级的高压层来间接地相互连接。
3.随着分散式能量供应(光伏，风力发电)的日益普及，配电网运营商在其电网区段中组织相应的功率和能量平衡方面面临着越来越大的技术和经济挑战。因此，通常希望以可控的方式在不同的中压电网之间传输有功功率和无功功率。这尤其也适用于经济上独立的电网区段。在此，功率传输例如用于避免来自相关联的高压电网的、在功率方面出现的峰值，由此能够降低运行成本。
4.从现有技术已知这类的装置，其包括两个变流器，这两个变流器在直流电压侧彼此连接并且在交流电压侧分别与交流电网中的相关联的一个连接。然而，这种已知的解决方案是麻烦且成本高的，因为必须提供两个针对交流电网的全电压设计的变流器。
5.此外，已知交流电网通过可控的阻抗、例如晶闸管控制的电抗器(thyristor controlled reactor，tcr)的耦合。该解决方案不利地与所形成的电流中的谐波分量关联，从而附加地需要可改变的吸收电路或滤波器。
6.此外可行的是，借助相移变压器(phase shift transformator，pst)将两个交流电网耦合。这是一种变压器，其通过切换绕组来改变相移，从而影响交流电网之间的功率流。然而，pst的结构是非常复杂的，因为变压器绕组必须配备有大量的抽头。借助切换仅可以逐级地影响功率流。此外，由于机械触点的有限的使用寿命，切换的次数或频率会受到限制，这又对pst的可实现的动态性产生不利影响。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是，提出一种这类的装置，该装置提供低成本且可靠的、用于耦合两个不同电压相位的交流电网的可能性。
8.根据本发明，上述技术问题通过这类的连接装置来解决，该连接装置包括n个电纳元件，它们分别具有可无级改变的电纳值(无功电纳，blindleitwert)，其中，借助每个电纳元件，交流电网的两个相互关联的连接导体能够相互连接，并且能够借助有针对性地改变电纳值来控制交流电网之间的有功功率交换。每个电纳元件的特征尤其在于，其电纳值能够无级地或基本上无级地改变。在此假定，在电纳元件内可能出现的有功损耗是可忽略的。特别地，电纳元件的电导值明显小于其最高可达到的电纳值，例如小了100倍、优选1000倍或更大。电纳元件可以逐相地连接在交流电网的相应连接导体之间。在运行中，第一电纳元件于是将第一交流电网的第一连接导体与第二交流电网的第一连接导体连接，以此类推，
其中，第n个电纳元件将第一交流电网的第n个连接导体与第二交流电网的第n个连接导体(直接地或间接地通过变压器)连接。相应地，每个电纳元件适宜地具有用于与相应的连接导体连接的两个接头。对于要连接的三相交流电网，例如应相应地进行。合适地，两个交流电网的如下的连接导体可以借助电纳元件彼此连接，这些连接导体分别具有大致相同的相间电压和相对于彼此的相移。第i个电纳元件的电纳值用bi表示。对于bi》0，电纳元件表现为电容，对于bi《0，电纳元件表现为电感。可传输的有功功率ptrans对于所有电纳值bi相同(bi＝b)的情况遵循等式ptrans＝3*b*ull(l)*ull(2)*sin(phi)，其中ull(l)表示第一交流电网中的相间电压，ull(2)表示第二交流电网中的相间电压，并且phi表示交流电网之间的电压相位差。因此，借助连接装置不仅可以以可靠的方式实现交流电网之间的有功功率交换而且还可以影响两个交流电网中的无功功率需求。此外，根据本发明的连接装置在结构上是简单的，并且在运行中是低成本的，因为其具有小的有功功率损耗。
9.对于连接装置的功能有利的是，两个交流电网具有相对于彼此的相移phi，即，交流电网的电网电压至少暂时在运行中具有不消失的相移或不同的电压相位。对于连接装置的功能来说，最优的相移可以在考虑以下要求的情况下适当地确定：
[0010]-在电流受限的情况下通过连接装置在两个交流电网之间尽可能高的有功功率传输，由此可以限制可能应用的半导体的负荷；
[0011]-连接装置的受限的电压负荷，由此能够降低运行成本；
[0012]-即使在一个或两个交流电网中的电压略有不同或电压波动的情况下也良好的可调节性和稳定的运行。
[0013]
例如，值phi＝30
°
被证明是良好的折衷。
[0014]
当电纳元件包括多个可控半导体开关以及至少一个中间电路电容器时，产生电纳元件的简单实现。借助半导体开关(其是合适的可断开的半导体开关，例如igbt、igct或合适的场效应晶体管)，中间电路电容器可以选择性地连接到电流路径中或者被桥接。因此，合适的控制或时钟控制允许在电纳元件的接头处产生任意相位的电压。
[0015]
优选地，每个电纳元件包括开关模块的串联电路，其中，每个开关模块包括多个可断开的半导体开关以及作为中间电路电容器的开关模块电容器。使用例如类似构造的开关模块允许电纳元件的模块化构造。许多开关模块的串联电路能够实现在连接装置的接头处产生几乎任意的电压形式。可以相应地设置用于控制开关模块或用于控制相应半导体开关的中央控制装置。
[0016]
被认为是特别有利的是，每个电纳元件包括全桥开关模块的串联电路以及电感la，它们可以串联地连接在彼此关联的连接导体之间。因此，每个电纳元件包括第一接头和第二接头以及全桥开关模块的串联电路，全桥开关模块以串联电路布置在接头之间。通过适当地控制(调制)m个串联连接的全桥开关模块，整体上可以产生总电压ua(t)。利用所产生的电压ua(t)，可以利用电感la设置交流电流ia(t)，该交流电流相应于期望的交流电流iaref(t)。
[0017]
在此要注意的是，代替全桥开关模块也可以使用其它开关模块类型。例如，由具有分开的中间电路电容器的两个3级npc半桥开关模块或由两个3级飞行电容器半桥开关模块组成的装置或诸如此类装置也是合适的。
[0018]
根据本发明的实施方式，连接装置还包括用于设置电压相位的匹配变压器。借助
匹配变压器例如可以将相移设定为phi＝30
°
。此外，如果要将具有不同电压的交流电网相互耦合，则可以借助匹配变压器实现电压大小的匹配。此外，匹配变压器可以用于交流电网的电流隔离。此外，匹配变压器的漏感可以有利地用作电感la，从而可以省去附加的扼流圈。
[0019]
优选地，匹配变压器包括所谓的带负荷抽头变换器(on-load tap changer)。通过这种实施，可以对波动的电压做出特别快速的反应。
[0020]
根据本发明的另外的实施方式，连接装置还包括与电纳元件并联的过电压放电器。在故障情况下，例如在单极或多极短路的情况下，在一个或多个电纳元件上可能存在比正常运行中的情况明显更高的电压。在不利的情况下，在这种故障情况下例如中间电路电容器可能被充电超过允许的程度并且最终被破坏。这种不利的故障结果可以通过过电压放电器(其例如是金属氧化物放电器)来避免。相应的过电压放电器可以接管在故障情况下形成的故障电流，由此保护相关联的电纳元件。
[0021]
根据本发明的实施方式，连接装置包括2*n个电纳元件，其中，相互关联的连接导体能够分别借助两个并联连接的电纳元件相互连接。因此，两个相互关联的电纳元件形成两个并联支路。在此，可以适当地借助控制装置来控制电纳元件，使得电纳元件以相移运行。利用这种布置，可转移的有功功率可以有利地加倍。为此，例如控制并联支路的电纳元件，使得其电纳值具有相反的符号。
[0022]
优选地，连接装置包括变压器，该变压器具有：
[0023]-第一初级绕组，第一初级绕组可以与第一交流电网的第一连接导体连接或在运行中连接，
[0024]-第二初级绕组，第二初级绕组可以与第一交流电网的第二连接导体连接，
[0025]-第三初级绕组，第三初级绕组可以与第一交流电网的第三连接导体连接，
[0026]-第一次级绕组，第一次级绕组可以借助第一电纳元件与第二交流电网的第一连接导体连接，
[0027]-第二次级绕组，第二次级绕组可以借助第二电纳元件与第二交流电网的第二连接导体连接，
[0028]-第三次级绕组，第三次级绕组可以借助第三电纳元件与第二交流电网的第三连接导体连接，
[0029]-第一三级绕组，第一三级绕组可以借助第四电纳元件与第二交流电网的第一连接导体连接，
[0030]-第二三级绕组，第二三级绕组可以借助第五电纳元件与第二交流电网的第二连接导体连接，
[0031]-第三三级绕组，第三三级绕组可以借助第六电纳元件与第二交流电网的第三连接导体连接，
[0032]
其中，次级绕组和三级绕组分别以星形电路连接，星形电路相对于彼此产生pi/3的相移并且分别相对于初级绕组产生pi/6的相移。
[0033]
本发明还涉及一种用于运行连接装置的方法，该连接装置连接两个相同频率的n相交流电网。
[0034]
本发明要解决的技术问题是，提出一种这样的方法，使得能够实现连接装置的尽
可能有效且可靠的运行。
[0035]
根据本发明，上述技术问题通过这类的方法来实现，在该方法中，交流电网的两个相互关联的连接导体分别借助n个电纳元件中的一个彼此连接，其中，每个电纳元件的电纳值能够无级地改变，并且借助有针对性地改变电纳元件的电纳值来控制交流电网之间的有功功率传输。
[0036]
根据本发明的方法的优点尤其相应于之前已经结合根据本发明的连接装置描述的优点。
[0037]
优选地，电压相位(或者说交流电网之间的电压相位差)主动地借助连接装置来设置。通过主动地设置电压相位，可以有利地实现电纳元件的设计的减小。例如，电压相位差phi＝30
°
被证明是特别有利的。针对在电纳元件上要设置的电压，这导致ua＝0.42ull。因此，相比于常见设备，电纳元件例如可能需要少于三分之一的全桥开关模块。电压相位例如可以借助匹配变压器来设置。
[0038]
适当地，借助与电纳元件并联连接的过电压放电器来限制电纳元件上的电压。
[0039]
根据该方法的实施方式，连接装置包括变压器，该变压器具有
[0040]-第一初级绕组，第一初级绕组可以与第一交流电网的第一连接导体连接，
[0041]-第二初级绕组，第二初级绕组可以与第一交流电网的第二连接导体连接，
[0042]-第三初级绕组，第三初级绕组可以与第一交流电网的第三连接导体连接，
[0043]-第一次级绕组，第一次级绕组可以借助第一电纳元件与第二交流电网的第一连接导体连接，
[0044]-第二次级绕组，第二次级绕组可以借助第二电纳元件与第二交流电网的第二连接导体连接，
[0045]-第三次级绕组，第三次级绕组可以借助第三电纳元件与第二交流电网的第三连接导体连接，
[0046]-第一三级绕组，第一三级绕组可以借助第四电纳元件与第二交流电网的第一连接导体连接，
[0047]-第二三级绕组，第二三级绕组可以借助第五电纳元件与第二交流电网的第二连接导体连接，
[0048]-第三三级绕组，第三三级绕组可以借助第六电纳元件与第二交流电网的第三连接导体连接，
[0049]
其中，次级绕组和三级绕组分别以星形电路连接，星形电路相对于彼此产生pi/3的相移并且分别相对于初级绕组产生pi/6的相移。在此，与变压器的次级侧连接的电纳元件形成第一连接支路，并且与变压器的三级侧连接的电纳元件形成第二连接支路。在此，电纳元件被控制为，使得补偿两个连接支路的无功功率需求。以这种方式可以有利地实现，不必由两个交流电网提供净无功功率。
附图说明
[0050]
下面根据图1至图5的实施例进一步阐述本发明。
[0051]
图1以示意图示出了根据本发明的连接装置的第一实施例；
[0052]
图2以示意图示出了电纳元件的示例；
[0053]
图3以示意图示出了根据本发明的连接装置的第二实施例；
[0054]
图4以示意图示出了根据本发明的连接装置的第三实施例；
[0055]
图5以示意图示出了电纳元件的另外的示例。
具体实施方式
[0056]
在图1中示出了三相的第一交流电网1，第一交流电网借助连接装置2与同样是三相的第二交流电网3连接。第一交流电网1包括第一、第二和第三连接导体l11、l12、l13。相应地，第二交流电网3包括第一、第二和第三连接导体l21、l22、l23。两个交流电网中的频率均为50hz。连接装置2包括第一电纳元件4，借助该第一电纳元件，第一交流电网1的第一连接导体l11与第二交流电网3的第一连接导体l21连接。相应地，其余的连接导体l12、l13、l23、l33借助第二或第三电纳元件5或6彼此连接。
[0057]
电流ia流过第一电纳元件4。能够在电纳元件4上产生的电压用ua表示。第一交流电网1中的相间电压被称为ull(1)并且第二交流电网3中的相间电压被称为ull(2)。电纳元件4至6的电纳用b表示。两个交流电网1、3的电压彼此具有phi的电压差。在两个交流电网之间交换的有功功率ptrans由ptrans＝3*b*ull(l)*ull(2)*sin(phi)得出。在该等式中，忽略了在电纳元件内出现的有功功率损失。因此，通过改变电纳值b可以无级地改变在两个交流电网之间转移的有功功率。此外，因为电纳值可以采用正值和负值，所以也可以控制功率传输的方向(双向有功功率传输)。
[0058]
同时，根据以下等式，第一交流电网1输出无功功率q1，第二交流电网3输出无功功率q2：
[0059]
q1＝3*b*(ull(l)*ull(2)*cos(phi)-ull(1)^2)，
[0060]
q2＝3*b*(ull(1)*ull(2)*cos(phi)-ull(2)^2)。
[0061]
两个交流电网1、3的无功功率输出同样取决于相位差phi。总之，两个交流电网1、3覆盖了电纳元件的无功功率需求。
[0062]
图2中示出了例如可用作图1的电纳元件4至6中的一个的电纳元件s。电纳元件s包括第一和第二接头x1、x2。在接头x1、x2之间布置有全桥开关模块v1...vn的串联电路。串联连接的全桥开关模块v1，vn的数量原则上是任意的并且能够匹配于相应的应用，这在图2中通过虚线7示出。在全桥开关模块v1...vn上可以产生总电压ua。这借助对全桥开关模块v1...vn的半导体开关h的合适的控制来实现。每个全桥开关模块v1...vn还包括开关模块电容器cm形式的开关模块能量存储器，该开关模块能量存储器可以借助半导体开关h被桥接或连接到电流路径中。电感la与全桥开关模块v1...vn串联连接。
[0063]
在图3中示出了另外的连接装置8。不同于图1的连接装置2，该连接装置8包括匹配变压器9。匹配变压器9的初级绕组10被布置为三角形电路并且与第一交流电网21的连接线连接。匹配变压器9的次级绕组11以星形电路相互连接并且与三个电纳元件12、13、14连接。借助匹配变压器，电压相移phi在所示示例中被设定为30
°
。在此，第二交流电网23比第一交流电网21超前了30
°
(＝pi/6)。在第一交流电网21中，在所示出的示例中电压为8kv。第二交流电网23中的电压为20kv。两者的频率都是50hz。在交流电网21、23之间传输的有功功率在电流ia为850a的情况下大约可以为30mw。
[0064]
图4中示出了连接装置30，该连接装置将第一交流电网21与第二交流电网23连接。
连接装置30包括变压器31。变压器31包括以三角形电路连接的初级绕组32，该初级绕组与第一交流电网21的相关联的连接线连接。变压器31还包括次级绕组33和三级绕组36，该次级绕组以星形电路相互连接并且与第一(三相)并联支路35连接，该三级绕组同样以星形电路相互连接并且与第二并联支路37连接。
[0065]
在第一并联支路35中布置有三个电纳元件12至14，在第二并联支路37中布置有三个另外的电纳元件38至40。三个电纳元件将次级绕组33与第二交流电网23的相关联的连接导体连接。相应地，另外的电纳元件38至40将三级绕组34与第二交流电网23的相应关联的连接元件连接。
[0066]
次级绕组33和三级绕组34分别以星形电路连接，星形电路相对于彼此产生pi/3的相移并且分别相对于初级绕组产生pi/6的相移。电纳元件12至14、38至40分别这样运行，使得第一并联支路35中的电纳和第二并联支路37中的电纳分别具有不同的符号。在这种情况下，第一并联支路35表现为电容，第二并联支路37表现为电感。如果两个电网电压相同并且反对称地控制并联支路，则补偿两个并联支路的无功功率需求，并且不必借助两个交流电网提供净无功功率。此外，通过对两个并联支路35、37中的电纳元件的不对称的控制(在大致相同的电压下)可以确保：在两个交流电网21、23中产生无功功率。
[0067]
在图5中示出了另外的电纳元件s2，其尤其可以应用在所有之前示出的连接装置中。不同于图2的电纳元件s(图2和图5的所有相同的和类似的构件和元件具有相同的附图标记)，在此设置过电压放电器15，过电压放电器布置在与开关模块v1...vn的串联电路并联的并联支路中。借助过电压放电器15尤其可以在故障情况下保护电容器cm和半导体h，直至通过机械的断路器(在图5中未示出)将连接装置与两个交流电网断开。