用於供電網絡的模塊化的變流器系統的製作方法

2023-08-05 23:21:41

本發明涉及一種根據權利要求1所述的、用於供電網絡的變流器系統。供電網絡用於電網內的電能分配。在此尤其涉及中間電壓電網(Mittelspannungsnetz)。這種中間電壓電網通常用於100公裡以內的路段上的能量傳輸。在此傳輸10kV或者更高的交流電壓。

背景技術：

為了在中間電壓電網中饋送或者提取電流，例如使用變流器系統，這些變流器系統例如包括低壓變流器和變壓器。通常，在此需要很大的並且非常重的變壓器。在這種背景之下產生的問題是，變壓器的運輸在世界上並且也在歐洲內會帶來巨大的問題，這些問題導致一些項目只能延遲地或者耗費巨大地執行。例如，為了運輸重型變壓器，必須進行公路建造工作、橋梁建造工作或者類似工作，其中，相應地強化行駛軌道是必要的，以便讓這些行駛軌道可以由運輸車行駛。

原則上存在以如下的方式構造變流器系統的可行性，即使得該變流器系統不需要變壓器，並且儘管如此還可以向中間電壓電網饋電。然而，成本在此由於需要將變流器的組件實施到中間電壓電網上而非常高。此外，這些變流器大部分都非常受限於其動力。通常對於項目，根據要求而在大部分情況下將變壓器和變流器分開地製作，並且在必要時加大尺寸。

技術實現要素：

本發明的目的是，提出一種能夠成本更低且耗費更少地提供開頭所述類型的變流器系統的解決方案。

該目的通過一種具有權利要求1所述特徵的變流器系統得以實現。本發明的有利改進方案是從屬權利要求、說明書和附圖的內容。

根據本發明的、用於供電網絡的變流器系統包括第一變流器設備和至少一個第二變流器設備，其中，變流器設備中的每一個包括：用於提供電壓的電壓源，用於從由電壓源提供的電壓中提供交流電壓的逆變器裝置，和用於將施加在初級線圈上的、由逆變器提供的交流電壓變換為施加在次級電壓上的、變換後的交流電壓的變壓器裝置，其中，第一和至少一個第二變流器設備的次級線圈串聯地電連接，並且其中，在變流器系統的輸出端處施加由次級線圈的串聯電路形成的中間電壓。

根據本發明，因此提出一種模塊化的變流器系統，該變流器系統包括至少兩個變流器設備，它們聯合起來能夠在供電網中饋送或提取電流。供電網絡可以是低壓電網或者是高壓電網。供電網絡特別地是中間電壓電網。變流器設備在此優選構造相同地進行構造。變流器設備也可以不同地構造。變流器設備中的每一個包括能夠提供電壓的電壓源。該電壓源與逆變器裝置電連接，所述逆變器裝置設計用於將由電壓源提供的電壓轉換成交流電壓。逆變器裝置又與變壓器裝置或者變壓器裝置的初級線圈電連接。在變壓器裝置的初級線圈上因此施加交流電壓。該交流電壓藉助於變壓器裝置進行變換，從而在次級線圈上施加變換後的交流電壓。

變流器設備的次級線圈串聯地電連接。此外，次級線圈與變流器系統的輸出端或埠電連接。通過變流器設備的變壓器裝置可以提供與電壓源或與逆變器裝置的電隔離。因此，各個變流器設備的、施加在次級線圈上的、變換後的交流電壓與中間電壓相加。通過在變流器系統上使用的變流器設備的數量及其分別提供的電壓，可以調適用於相應的應用場合的中間電壓。此外，通過模塊化地構造變流器系統可以簡化變流器系統的運輸。

優選地，第一變流器設備的逆變器裝置具有用於測量由至少一個第二變流器設備的逆變器裝置提供的交流電壓的測量單元。也可以設置的是，變流器設備中的每一個具有相應的測量單元，利用其能夠檢測由另外的變流器設備的至少一個逆變器裝置提供的交流電壓。測量單元例如可以設計用於檢測交流電壓的振幅和/或相位。因此可以利用一個變流器設備檢查的是，另外的變流器設備是否運行良好。

在一種實施方式中，第一變流器設備的逆變器裝置設計用於，取決於至少一個第二變流器設備的逆變器裝置的被測量的交流電壓地調適由第一變流器設備的逆變器裝置提供的交流電壓的振幅和/或相位。例如可以利用第一變流器設備的逆變器裝置的測量單元來測量由第二變流器設備的逆變器裝置提供的交流電壓。據此可以調適第一變流器設備的逆變器裝置的振幅和/或相位。在此也可以設置的是，當第二變流器設備的逆變器裝置有故障時，第一變流器設備的逆變器裝置的交流電壓的振幅就升高。

此外，已經證明有利的是，第一變流器設備的逆變器裝置設計用於如下地調適由第一變流器設備的逆變器裝置提供的交流電壓，即使得中間電壓具有基本上正弦形式的變化曲線。利用第一變流器設備的逆變器裝置的測量單元可以測量出由第二變流器設備的逆變器裝置提供的交流電壓的振幅和/或相位。如果交流電壓的信號形式與正弦形式的變化曲線存在區別，那麼就可以在振幅和/或相位方面以如下方式調適由第一變流器設備的逆變器裝置提供的交流電壓，即使得由變流器設備的、形成中間電壓的變換後的交流電壓組成的總電壓(Summenspannung)具有基本上為正弦形式的變化曲線。以這種方式，能夠在變流器系統的輸出端處提供正弦形式的交流電壓。

在另一種設計方案中，變流器系統具有用於驅控第一和至少一個第二變流器設備的逆變器裝置的控制裝置。利用控制裝置可以向逆變器裝置輸出相應的控制信號。逆變器裝置也可以設計用於，取決於控制信號地調適由逆變器裝置提供的交流電壓的振幅和/或相位。控制裝置可以如下地驅控逆變器裝置，即實現各個變流器設備的均勻的負荷。例如可以在第一個預定的持續時間內運行第一組變流器設備，並且在接下來的第二個預定的持續時間內運行第二組變流器設備。因此可以避免的是，某個或者多個變流器設備一直不間斷運行並且因此例如讓這些變流器設備過載或者提前老化。

優選地，第一變流器設備和/或至少一個第二變流器設備具有為了進行數據通信而與控制器連接的通信裝置。相應的通信裝置例如可以與測量單元相連。作為替選，通信裝置本身可以設計用於，檢測相應的逆變器裝置的交流電壓的振幅和/或相位並且將其傳輸給控制器。因此例如能夠可靠地監控各個變流器設備的當前的運行狀態。

在另一種設計方案中，第一和至少一個第二變流器設備的相應的電壓源設計用於將直流電壓作為電壓輸出。換言之，相應的變流器設備的電壓源可以設計成直流電壓源。相應的電壓源例如可以包括電池或蓄電池。相應的電壓源也可以是光電設施的一部分。因此，例如可以藉助於光電設施產生電能，並且藉助於變流器系統直接饋送到中間電壓電網中。

優選地，在第一和至少一個第二變流器設備的相應的變壓器裝置中，初級線圈的繞組數對應於次級線圈的繞組數。變壓器裝置因此具有例如是1的傳輸比。這類變壓器裝置因此可以簡單並且低成本地製造。

在另一種實施方式中，第一和至少一個第二變流器設備的相應的逆變器裝置設計用於輸出第一交流電壓和至少一個相對於第一交流電壓相位移動的第二交流電壓。相應的逆變器裝置因此可以設計成多相的。例如可以輸出具有三個以120度相位移動的交流電壓的三相交流電壓。以這種方式，變流器系統也可以用於設計成多相交流電系統的中間電壓電網。

此外已經證明有利的是，第一和至少一個第二變流器設備的相應的變壓器裝置包括至少兩個具有初級側和次級側的子變壓器，其中，在至少兩個子變壓器的第一子變壓器的初級側上施加第一交流電壓，並且在至少兩個子變壓器的第二子變壓器的初級側上施加第二交流電壓。變壓器裝置因此可以包括多個子變壓器。它們可以構造成分離的組件。作為替選，變壓器裝置的子變壓器例如可以具有共同的芯(Kern)。

優選地，第一和至少一個第二變流器設備的第一子變壓器的次級側和所述第二子變壓器的次級側分別串聯地電連接。此外，第一和第二子變壓器的次級側還可以分別與相應的埠連接。在這些埠處因此可以為中間電壓電網提供多相位的電壓。

在另一種實施方式中，變流器系統設計用於，對在埠處施加的中間電壓藉助第一和至少一個第二變流器設備的相應的變壓器裝置進行變換，並且藉助第一和至少一個第二變流器設備的相應的逆變器進行轉換。換言之，變流器系統設計用於從中間電壓電網中提取電流，並且將其傳輸給相應的電壓源。相應的電壓源例如可以構造成電能存儲器，或者包括這樣的電能存儲器。其例如可以利用來自中間電壓電網的電壓進行加載。

附圖說明

本發明的其他特徵由權利要求、附圖和附圖說明中得出。所有前面在說明書中提及的特徵和特徵組合以及下面在附圖說明中提到的和/或在附圖中單獨示出的特徵和特徵組合不僅可以在相應地給出的組合方式下使用，而且也可以在其他的組合方式下或者單獨使用。

本發明現在藉助優選的實施例以及參照附圖更詳盡地進行闡述。在此，附圖示出了用於中間電壓電網的變流器系統的示意圖。

具體實施方式

附圖示出了模塊化的變流器系統1，該變流器系統能夠與中間電壓電網電連接。變流器系統1包括至少兩個變流器設備。在本實施例中，變流器系統1包括三個變流器設備2。變流器設備2中的每一個包括一個在本實施例中構造成直流電壓源的電壓源3。利用電壓源3中的每一個來提供電壓UG。代替在此示出的實施方式的是，也可以利用相應的電壓源3例如提供交流電壓。

此外，每個變流器設備2包括一個逆變器4。逆變器4與電壓源3電連接。逆變器4設計用於，將由電壓源3提供的電壓UG轉換成交流電壓。在此，相應的逆變器裝置4設計用於提供三個交流電壓U1，U2和U3，它們相互之間分別以120°相位移動。

此外，每個變流器設備2包括一個變壓器裝置5。在本實施例中，每個變壓器裝置5包括三個子變壓器T1，T2和T3。第一子變壓器T1具有第一初級側P1和第一次級側S1，第二子變壓器T2具有第二初級側T2和第二次級側S2，並且第三子變壓器T3具有第三初級側T3和第三次級側S3。在第一初級側P1上提供第一交流電壓U1，在第二初級側P2上提供第二交流電壓U2並且在第三初級側P3上提供第三交流電壓U3。

三個子變壓器T1，T2和T3優選地具有等於1的傳輸比。第一交流電壓利用第一子變壓器T1進行轉換，從而在第一次級側上施加第一變換後的交流電壓UT1。第二電壓U2利用第二子變壓器T2如下地轉換，即使得在第二次級側S2上施加第二變換後的交流電壓UT2。第三交流電壓U3利用第三子變壓器T3如下地變換，即使得在第三次級側S3上施加第三變換後的交流電壓UT3。

每個變流器設備2的第一子變壓器T1的相應的次級側S1或次級線圈串聯地電連接。此外，相應的變流器設備2的第二子變壓器T2的第二次級側S2串聯地電連接。最後，相應的變流器設備2的第三子變壓器T3的第三次級側S3串聯地電連接。第一次級側S1的串聯電路在第一側上與第一埠A1電連接，並且在第二側上與星形結點(Sternpunkt)P電連接。第二次級側S2的串聯電路在第一側上與第二埠A2連接，並且第二側上與星形結點P連接。第三次級側S3的串聯電路在第一側上與第三埠A3連接，並且在第二側上與星形結點P連接。

在變流器系統1運行時，相應的逆變器裝置4提供三個正弦形式的交流電壓U1，U2和U3。交流電壓U1，U2和U3例如可以具有例如230伏的有效電壓。因為相應的子變壓器T1，T2和T3以理想的方式具有等於1的傳輸比，所以在相應的次級側S1，S2和S3上分別施加具有有效值例如為230伏的交流電壓。第一變換後的交流電壓U1分別相加，從而使得變換後的第一交流電壓UT1的總電壓施加在第一埠A1上。在第二埠A2上施加第二變換後的交流電壓UT2的總電壓。最後，在第三埠上施加第三變換後的交流電壓UT3的總電壓。

第一埠A1可以與中間電壓的第一相位L1連接，第二埠A2可以與中間電壓的第二相位L2連接，並且第三埠A3可以與中間電壓的第三相位L3連接。星形結點P可以與中間電壓電網的零線N連接。在埠A1，A2和A3上可以提供三相的交流電系統，其與中間電壓電網電連接。

在此也可以設置的是，由相應的逆變器裝置4提供的、相應的交流電壓U1，U2和U3分別被調適。例如，由一個逆變器裝置4輸出的交流電壓U1，U2和/或U3可以與由另一個逆變器裝置4輸出的、相應的交流電壓U1，U2和/或U3相匹配。為了該目的，例如可以在每個逆變器裝置4中設置一個測量單元，利用它能夠測量另外的逆變器裝置4的交流電壓U1，U2和/或U3。作為替選或者作為附加，相應的逆變器裝置4可以包括與中央控制器連接的通信裝置或通信埠。因此例如可以實現的是，以如下方式調適相應的交流電壓U1，U2和/或U3，即使得在相應的輸出端A1，A2和/或A3上分別得到正弦形式的總電壓。

在相應的輸出端A1，A2和A3處，相應的變換後的交流電壓UT1，UT2和UT3相加。根據變流器設備2的和接在相應的子變壓器T1，T2和T3施加上的、變換後的交流電壓UT1，UT2和UT3上的數量，可以調適相應的中間電壓。

因此可以提供模塊化構造的變流器系統1，該變流器系統例如可以簡單地運輸。此外還可以為了提供相應的變流器設備2而使用統一的批量生產產品，從而能夠低成本地製造相應的變流器設備2。當變流器設備2中的一個有故障時，可以如下地驅控其餘的變流器設備2，即平衡缺少的電壓。此外，還可以經由通信裝置或控制器來輸出相應的故障報告。此外不需要網絡濾波器，因為變流器設備2分別產生正弦形式的輸出電壓。這也使得使用長的連接導線成為可能。通過分別驅控逆變器裝置4，可以影響輸出電壓或電流的形式。此外還使用有利的標準逆變器組件，它們例如可以設計用於低的電壓。

此外，還能夠以簡單的方式更換在運行時有故障的逆變器裝置4，因為其與中間電壓電隔離。這也實現了簡單並且有利地關斷設備，因為各個變流器設備4能夠單獨地分離能量流。因此例如不必為中間電壓電網使用相應的負載隔離器。通過在相應的初級側P1，P2和P3上的、比較高的電壓或交流電壓U1，U2和U3，功率損耗非常少。此外，因此也可以減少子變壓器T1，T2和T3的導線的截面積。最後，可以期望的是，變流器系統1的效率非常高，因為不需要在後方連接變壓器或相應的濾波器。

附圖標記列表

1 變流器系統

2 變流器設備

3 電壓源

4 逆變器裝置

5 變壓器裝置

A1，A2，A 3 埠

P 星形結點

P1，P2，P3 初級側

S1，S2，S3 次級側

T1，T2，T3 子變壓器

UG 電壓

U1，U2，U3 交流電壓

UT1，UT2，UT3 變換後的交流電壓