具有中心接头的可磁性调节的扼流圈

技术领域

本发明涉及一种用于在具有至少一个相导体的高压电网中进行无功功率补偿的装置。该装置针对每个相导体都具有高压接头。针对每个高压接头又设置有作为闭合磁路的一部分的第一和第二铁芯部段；包围第一铁芯部段的第一高压绕组；包围第二铁芯部段并且与第一高压绕组并联连接的第二高压绕组；至少一个饱和开关支路，该饱和开关支路被设计为用于使至少一个铁芯部段饱和并且具有可控的功率半导体开关；以及用于控制功率半导体开关的控制单元。

背景技术

这种装置从EP 3 168 708 A1中已知。在那里公开了所谓的“全可变分流电抗器”(FVSR)。以前已知的装置每个相都具有两个相互并联连接的高压绕组，高压绕组分别包围封闭铁芯的铁芯芯柱，并且在其高压端连接到高压电网的相导体。高压绕组的低压侧可以借助晶体管开关与合适地极化的变流器连接，或者直接与接地接头连接。变流器被设计为用于在与其连接的高压绕组中产生直流电流。在此，直流电流被设计为，使得被绕组包围的铁芯芯柱在期望的饱和状态下运行。在这种饱和状态下，铁芯材料例如具有非常低的磁导率，由此绕组的磁阻增加，并且其电感减小。所述铁芯部段的饱和取决于极化，从而流过绕组的交流电流根据其极化基本上仅流过两个高压绕组中的一个。因此例如，正的交流电流流经第一高压绕组到达接地，而负的交流电流流经第二高压绕组到达接地。如果电流仅经由高压绕组驱动，则可以向交流电流目前没有流过的相应的另一个绕组施加直流电流，以便使被该绕组所包围的铁芯芯柱以期望的程度进行饱和。

此外，磁控扼流圈从DE 20 2013 004 706 U1和DE 10 2012 110 969中已知。

以前已知的装置的缺点在于，在运行期间处于高压电位的高压绕组必须具有距处于接地电位的铁芯很大的距离，以便提供要求的介电强度。这种大的距离导致，由高压绕组产生的漏磁场变得更强并且穿过有源装置的部件，例如压框、套管、罐体或引出线，从而形成不期望的损耗并且将所述部件加热。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种开头提到类型的装置，其具有较低的漏磁场损耗。

本发明通过以下来解决上述技术问题，即，至少一个高压绕组具有中心接头，并且在高压绕组的绕组端部与饱和开关支路连接，并且经由中心接头与高压接头连接。

根据本发明的装置具有至少一个带有中心接头的高压绕组。该中心接头与分别相关联的高压接头连接。优选地，与相同的高压接头关联的两个高压绕组配备有一个中心接头，并且经由该中心接头与高压接头连接。因此，根据本发明的装置的所有高压绕组都经由其中心接头与高压接头连接。而绕组端部与饱和开关支路连接。因此，相比于根据现有技术的类似装置，面向铁芯的上磁轭或下磁轭的绕组端部处于较低的电位。因此，可以减小高压绕组或每个高压绕组的端部到上磁轭或下磁轭的距离Xo和Xu。这减小了漏磁场，并且由此减小了漏磁场损耗。

此外，根据本发明的装置也很紧凑，并且因此比以前已知的针对相同的功率和运行电压而设计的装置更轻。

尽管术语“中心接头”对于本领域的技术人员来说是已知的。然而，为了清楚起见，应该提到的是，在此将中心接头理解为，绕组(其在纵向上延伸并且具有在该纵向上彼此相叠的螺旋形缠绕的匝、绕线包或线圈)在纵向上位于中心的匝、绕线包或线圈处配备有接头，该接头在此被称为中心接头。然而，在本发明的范围内，与中心接头连接或形成中心接头的中心匝、中心绕线包或中心线圈不一定要完全精确地位于高压绕组的纵向中心。事实上，在本发明的范围内有可能偏离纵向中心。

优选地，第一和第二铁芯部段经由上磁轭和下磁轭相互连接，其中上磁轭和下磁轭与装备有中心接头的高压绕组的第一或第二绕组端部之间的距离Xo和Xu处于1至20cm的范围内。该范围对于距离来说被证明是特别有利的。

根据本发明的优选的变型方案，每个高压绕组和每个饱和开关支路都布置在填充有绝缘液体的罐体中。根据一种变型方案，高压绕组和饱和开关支路布置在相同的罐体中。然而，在本发明的范围内，也可以将高压绕组和饱和开关支路的电力电子器件布置在不同的罐体或壳体中。在此，两个壳体都填充有绝缘液体，其中设置套管，以便使布置在罐体中的部件能够相互电气连接。作为绝缘液体例如可以考虑矿物油、酯或类似物。在不同的罐体中可以设置不同的绝缘液体。然而，所有罐体中的绝缘液体优选是一样的。不同于此，也可以将绝缘液体实施为保护气体。

优选地，每个饱和开关支路具有至少一个双极子模块，双极子模块具有桥式电路，桥式电路具有功率半导体开关和直流电压源，使得可以根据对功率半导体开关的控制，将直流电压源串联连接到至少一个高压绕组或者将直流电压源桥接。然后，在合适地控制功率半导体开关的情况下，直流电压源提供所需的电压和直接电流以使高压绕组的铁芯芯柱饱和。

优选地，每个子模块被设计为全桥电路，其具有第一串联电路支路和第二串联电路支路，它们分别与直流电压源并联连接。每个串联电路支路具有由两个功率半导体开关组成的串联电路，其中第一串联电路支路的功率半导体开关之间的电位点与子模块的第一连接端子连接，第二串联电路支路的功率半导体开关之间的电位点与子模块的第二连接端子连接。全桥电路可以实现连接端子处的极化反转，这一点利用所谓的半桥电路是不可能的，半桥电路仅具有一个带有两个功率半导体开关的并联支路。

优选地，每个功率半导体开关是具有反并联连接的续流二极管的IGBT、所谓的GTO或晶体管开关。在本发明的范围内有利的是，每个功率半导体开关可以从其断开位置(在断开位置下，电流不能流过功率半导体开关)转变到其接通位置(在接通位置下，电流可以流过功率半导体开关)，或者反之。这种功率半导体开关也被称为可断开的功率半导体开关，如果采取了适当的措施来耗散在此产生的能量，这种功率半导体开关甚至可以中断流过它们的短路电流。

优选地，每个直流电压源是能量存储器。作为能量存储器例如可以考虑电能储存器，其优选是单极的。因此，作为能量存储器例如可以考虑电容器、超级电容器、超导线圈、蓄电池、超级电容或类似物。所列出的或其他能量存储器可以单独出现在子模块中，或者多个能量存储器串联连接。在本发明的范围内，这种串联和/或并联电路在整体上涉及术语“能量存储器”。

有利地，能量存储器与用于为能量存储器充电的充电单元连接。优选地，能量存储器可以连接到供电网。这有利地经由充电单元进行，原则上可以在本发明的范围内任意设计充电单元。然而，重要的是，经由充电单元可以从供电网获得能量并且可以将能量储存在能量存储器中。然后，该能量可以实现用于使相应的高压绕组饱和的电流。

有利地，设置补偿绕组，该补偿绕组与高压绕组感性耦合，其中附加绕组与至少一个容性作用的组件连接。在本发明的范围内，补偿绕组与至少一个高压绕组感性耦合。在此，补偿绕组与容性作用的组件连接。术语“连接”是指，每个容性作用的组件直接或经由电气组件、例如开关单元与补偿绕组中的至少一个电流连接。因此，容性组件、例如电容器或装备有电容器的“柔性交流传输系统”(FACTS)部件、例如“静态同步补偿器”(STATCOM)可以对无功功率补偿的程度和方向产生影响。在此，控制单元可以控制FVSR的功率半导体开关，使得高压绕组的感性效果在无功功率补偿的情况下几乎完全被削减，从而只有容性组件表现出它的作用并且有助于整体上容性的无功功率补偿。不同于此，控制单元可以负责使高压绕组的感性作用完全生效，从而叠加容性组件的作用，使得在整体上进行感性的无功功率补偿。

有利地，容性组件是电容器或电容器组。

附图说明

本发明的进一步有利的实施方式和优点是随后参照附图对本发明的实施例的描述的内容，其中相同的附图标记表示相同作用的组件，并且附图中：

图1示出了根据本发明的装置的实施例；

图2示出了根据图1的装置的其中一个高压绕组，其具有与其相关联的铁芯部段；

图3更详细地示出了根据图1的装置的饱和开关支路的子模块；和

图4以示意图示出了本发明的另外的实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置1的实施例，其具有填充有绝缘液体的罐体2。作为绝缘液体可以考虑矿物油，也可以考虑酯液体或类似物。一方面，绝缘液体相对于处于接地电位的罐体2为装置1的处于高压电位的组件提供所需的介电强度。此外，绝缘液体还可用于冷却在运行中产生热量的部件。

在罐体2内布置有铁芯，该铁芯由可磁化的材料组成，在此由彼此平面贴靠的铁板组成，并且形成第一铁芯芯柱3以及第二铁芯芯柱4作为铁芯部段。第一铁芯芯柱3被第一高压绕组5包围。第二铁芯芯柱4被第二高压绕组6包围。为了形成闭合的磁路或铁回路使用了未图形地示出的磁轭，磁轭从第一铁芯芯柱3的上端部延伸到第二铁芯芯柱4的上端部，并且从铁芯芯柱3的下端部延伸到铁芯芯柱4的下端部。图1中示出了针对一相的被缠绕的铁芯芯柱3和4。对于高压电网的另外两相，未示出的两个另外的被缠绕的铁芯芯柱分别布置在罐体2中，他们经由磁轭相互连接。此外，还设置了同样未图形地示出的两个回流芯柱，它们没有被绕组包围，并且在左侧和右侧平行于铁芯芯柱3或4延伸。换言之，在图1中描述的FVSR的单相实施的情况下提供了所谓的6/2铁芯。不同于此，根据本发明的装置1可以针对每一相具有罐体2。这样在每个单相罐体2中布置有2/2铁芯，其具有两个被缠绕的铁芯芯柱3和4以及未被缠绕的回流芯柱。

第一高压绕组5和第二高压绕组6分别具有第一端7和第二端9。此外，每个高压绕组5和6配备有中心接头50。此外，还可以看到高压接头8，其中为每一相都有设置有高压接头。如果装置1布置在填充有绝缘液体的罐体2中，则高压接头8例如被设计为套管。套管穿过罐壁，并且在其布置在容器外部的自由端配备有室外接头。未图形地示出的室外接头用于连接空气绝缘的导体。在其相互连接的第一和第二端7、9处，第一高压绕组5和第二高压绕组6与饱和开关支路10或11连接，其中每个饱和开关支路10、11具有双极子模块12，其利用第一连接端子13与相应的高压绕组5或6连接，并且利用第二连接端子14与共同的电位点15连接。在所示实施例中，电位点15是接地的。换言之，高压绕组5和6彼此并联连接，或者至少可以连接。

高压绕组5和6经由高压接头8与高压电网17的相导体16连接，其中高压电网17具有两个相导体18和19，它们又分别经由高压接头8与两个高压绕组和两个饱和开关支路连接。换言之，装置1对高压电网17的每一相16、18、19都具有相同的结构，其中为了清晰起见，在此仅示出了相导体16的结构。

对于在此示出的全可变分流电抗器(FVSR)来说重要的是，每个饱和开关支路10或11具有双极子模块12，双极子模块具有由功率半导体开关20、21、22和23和直流电压源24组成的桥式电路，该直流电压源优选被设计为单极的，并且因此具有固定的正极和固定的负极。

在本发明的范围内，桥式电路可以是半桥或全桥。在图1中，每个子模块具有带有四个功率半导体开关20、21、22、23的全桥。半桥仅包括两个功率半导体开关。为了合适地控制四个功率半导体开关20、21、22和23，设置了控制单元26，在输入侧向控制单元馈送电压的设定值UAC

子模块12的功率半导体开关20、21、22和23可以通过合适的控制信号(该控制信号通过虚线表示)，由控制单元26从断开位置(在断开位置下，流过功率半导体开关的电流被中断)转变到接通位置(在接通位置下，电流可以流过功率半导体开关)，或者反过来从接通位置转变到断开位置。

装置1的运行模式如下：如果由电流传感器27或28或29检测到的电流为正，则接通饱和开关支路10的功率半导体开关22和23。在这种情况下假定，铁芯芯柱3先前已通过从第一饱和开关支路的子模块12流到高压绕组5的直流电流饱和，从而对于交流电压的正半波，高压绕组5的交流电阻小于高压绕组6的交流电阻。因此，几乎全部交流电流IAC都经由用I1表示的电流路径流到接地。因此，在电流的正半波中，饱和开关支路11的功率半导体开关21和22被接通，使得饱和开关支路11的直流电压源24驱动直接电流，该直流电流从高压绕组6流到接地15。在相导体16中的交流电压的正半波期间，第二铁芯芯柱4因此可以以期望的方式被饱和。

相反，在负半波期间(其中由传感器27或30测量的电流为负)，交流电流IAC基本上流经第二高压绕组6，因此通过接通第一饱和开关支路10的子模块12的功率半导体开关20和23和断开其功率半导体开关21和22来产生饱和直流电流，该饱和直流电流从子模块12流到第一高压绕组5。替换地，通过接通功率半导体开关22和21，电流在相反方向流动。通过适当的切换可以设置铁芯芯柱3的理想饱和度。

在本发明的范围内重要的是，高压绕组的端部或换言之的绕组端部7或9不与高压接头8连接并且在根据本发明的装置1运行期间处于高压电位。在本发明的范围内，所述端部7、9与一个或分别与饱和开关支路10、11连接，饱和开关支路10、11在其远离高压绕组的端部与接地连接。因此，端部7、9处于较低的电位。因此，到未示出的铁芯的磁轭的距离可以比现有技术中的类似装置小。由此减小了漏磁场损耗。

图2说明了前面的实施并且示出了第一铁芯芯柱3和第一高压绕组5，其具有两个绕组端部7和9以及中心接头50，这些在此已经结合图1进行了解释。两个端部7、9经由在图1中也示出的连接线53相互连接，其中接头54用于与饱和开关支路连接。此外，图2示出了铁芯的上磁轭51和下磁轭52，它们分别面向高压绕组5的第一端7和第二端9。此外，还示出了高压绕组5的第一端7与上磁轭51之间的上距离Xo以及第二端9与下磁轭52之间的下距离Xu。在所示实施例中，所述距离是相同的。

图3更详细地示出了第一和第二饱和开关支路10、11的子模块12的结构。可以看到，两个饱和开关支路10或11的子模块12被相同地构造。还可以看到，功率半导体开关20、21、22、23包括所谓的IGBT 31，续流二极管32与其反并联连接。具有续流二极管的IGBT的结构原则上是已知的，因此在这点上不需要更详细地讨论其作用方式。重要的是，续流二极管22用于保护IGBT免受反向过电压的影响。在此，IGBT 31和二极管32通常被安装在共同的开关壳体中。在此，IGBT 31和续流二极管32共同被称为功率半导体。

每个子模块12被实施为所谓的全桥并且包括第一串联电路支路33和第二串联电路支路34，它们分别由两个串联连接的功率半导体开关20、21或22和23组成。第一串联电路支路33的功率半导体开关20、21之间的电位点与第一连接端子13连接，第二串联电路支路34的功率半导体开关22和23之间的电位点与子模块12的连接端子14连接。

到目前为止，仅将图1中所示的装置1的工作方式说明为“全可变分流电抗器”(FVSR)。此外，如图1所示的装置一样，它还具有容性作用的组件，其在图1中被实施为电容器35。该电容器与补偿绕组36并联连接，其中补偿绕组由两个子附加绕组37和38组成，它们彼此串联连接。子附加绕组37与第一高压绕组5感性耦合，并且第二子附加绕组38与第二高压绕组6感性耦合。在此，高压绕组5或6和相应的子附加绕组37或38彼此同心地布置，其中它们包围铁芯的相同的铁芯部段3或4，此外对铁芯不再进一步说明。

图1中仅说明了针对在那里所示的相的补偿绕组36。然而，在罐体2中针对其他的相设置了另外的补偿绕组，这些补偿绕组被相同地构造并且以同样的方式与电容器35连接。在此，不同相的补偿绕组36相互连接成三角形电路。该三角形电路由箭头39a或39b表示。在补偿绕组的并联支路中(其中布置有电容器35)，还示意性示出了开关40，在所示实施例中，开关40包括两个反并联连接的晶闸管。借助电子开关40，电容器35可以与附加绕组36并联连接，或者可以抑制容性作用的组件35的影响。

在图1中，电容器35被表示为单独的电容器，其布置在罐体2之外。然而，电容器包括相互串联或并联布置的多个电容器，因此也可以将其称为电容器组。在此，并联或串联连接的电容器的数量取决于相应的要求，其中可以增加或减少容性作用。

电容器或换言之的电容器组35如开关一样被布置在罐体2之外。为了能够实现布置在罐体2内的补偿绕组36之间的电气连接，再次设置合适的套管8，套管可以实现高压线耐压地穿过罐壁到达接地电位。

图4示出了根据本发明的装置1的另外的实施例，其中为了清楚起见，仅示出了用于与高压电网17的一相连接的组件。在所示的实施例中，每个饱和支路10或11包括由多个子模块12组成的串联电路，这些子模块由控制单元26以全部相同的方式或者以不同的方式进行控制，使得可以根据相应的要求调节用于产生使铁芯芯柱3、4饱和的直流电流。附加绕组36又包括两个子附加绕组37和38，它们相互串联连接，其中如箭头39a和39b所示，所示的补偿绕组36与其他相的补偿绕组形成三角形电路。换言之，子附加绕组37在其端部39a与在此未示出的第二相的子附加绕组连接。相应地也适用于子附加绕组38，子附加绕组38在其端部39b与(也未示出的)另一相的子附加绕组连接。不同相的两个补偿绕组36之间的电位点再次经由开关40与电容器35或电容器组的一极连接，其中每个电容器35在其远离补偿绕组36和开关40的一侧与接地电位15连接。在此，在图4中所示的本发明的实施例中，电容器35以及开关40被布置在装置1的罐体2内。通过这种方式提供了特别节省空间的装置1。此外，相比于图1中所示的实施例，避免了将高压线从罐体2中引出的开销。