專利名稱：用于交流輸電線路的動態功率和電壓調節器的制作方法
技術領域：
本發明涉及控制交流輸電線路上功率潮流和動態電壓調節的設備，更具體地，涉及到向此類交流輸電線路提供無功和正的有功功率補償的經濟的設備。
傳統上，電力系統工程師可用于控制輸電線路上功率潮流的方向和角度的唯一設備是相角調節器(PAR)。典型的PAR由互聯的變壓器組成，其中之一基本上是一個大的帶負荷抽頭切換裝置。
盡管PAR為系統調度員提供了靈活性，但是卻從未獲得廣泛的應用，這是因為它們動作很慢，可靠性的信譽也相對比較差。另外，它們還在線路中引入很大的串聯阻抗。速度慢和可靠性差主要歸因于使用了機械式帶負荷抽頭切換裝置。最近對負荷抽頭切換裝置的改進看來已經改進了可靠性的感受，但是慢速(每個抽頭切換需幾秒鐘，大的角度變化需一分鐘或更長)，使這些設備只用于穩態目的。兩名變壓器的連接造成了高串聯阻抗。當PAR在運行時，串聯繞組的漏電抗總是串聯在供電的輸電線路上。勵磁繞組的漏電抗也串聯在供電的輸電線路上，只是隨角度位移而變化。
由于移相器插入線路中的電抗可以是很大的，特別是在電纜回路中，PAR的電抗超過它所串聯線路的電抗的情況確實不是罕見的。PAR相對高的阻抗的另一結果是在高功率傳輸水平時，消耗大量無功功率；一般而言，在靠近PAR的地方，須接有大的無功電源，以保證故障中有足夠的電壓調節能力。
由于它的慢速控制和相對高的阻抗，PAR存在于系統中在涉及到暫態或動態穩定性的事故中被認為是有害的。盡管最近有一些考慮來提高切換速度(采用可控硅切換)，以適用暫態和動態穩定性情況，PAR的固有高阻抗還是一個主要的問題。考慮到這些問題，相角調節器未能經常用于輸電系統中便不奇怪了，盡管它們為系統調度員提供了現有任何其它裝置所不能比擬的控制輸電線潮流的能力。
最近提出了采用一臺三相逆變器，將電壓通過一臺串聯變壓器串插入輸電線，以利于功率傳輸的建議。實質上，激磁變壓器由三相逆變器替代。逆變器采用門斷開(GTO)可控硅，不但能向輸電線提供無功，也可以從輸電線吸收無功，如同一臺獨立的裝置。當逆變器被如此應用時，該裝置稱為串聯功率潮流控制器(SPFC)。該控制器在美國專利號5198746中公布。
SPFC注入一個與線路電流成90度的電壓。因此，SPFC只能提供無功補償，它不能吸收或產生有功功率。盡管可以簡便認為SPFC如同一個可變串聯電容或電抗，但是它要比它們強有力得多，但是，SPFC也有可變串聯電容同樣缺點，即它在非常小的系統角的情況下，其傳輸有功功率的能力是很小的，這是由于在小系統角情況下，其導致相位移的能力是有限的。
為了引入相位移，需要另一個維數，特別是有功必須由該串聯逆變器引入。就有功和無功功率的加入與線路的有功和無功消耗不同來說，該差別表現為注入相位角。如果可以從兩個方向影響有功功率交換(即從裝置到系統及反之從系統到裝置)，這一裝置稱為統一功率潮流控制器(UPFC)。該裝置在美國專利號5343139中公布。該裝置具有控制無功功率潮流、輸電線路阻抗、輸電線電壓幅值及輸電線電壓相位角的能力。用一個交流變直流的換流器從輸電線抽取有功功率，并通過一個直流環節供給串聯的逆變器。UPFC提供了很靈活的功率潮流控制；但是，并聯的交流變直流的換流器大大增加了設備的造價和復雜性。
共同擁有的美國專利申請序列號08/368947申請于1995年1月5日，建議對于要求非同步控制的應用場合，串聯的逆變器和并聯的換流器的兆伏安容量可以通過在串聯逆變器產生的電壓上向量地加入一個偏壓來降低。但是，這種安排仍需要串聯逆變器和一個并聯交流變直流的換流器。共同擁有的美國專利申請系列號-申請于-(代理人卷號58319)公布了一個除了提供無功功率補償外，還可以提供正的和負的有功功率以控制輸電線上功率振蕩的串聯逆變器。有功功率的需要由獨立于輸電線的裝置提供。正的和負的有功功率都可以由儲能裝置，例如蓄電池或一個超導磁體來提供。如果只需要較少的動態補償來控制振蕩，在正的有功功率波動時，可以只用電阻阻抗形式的正的實部阻抗從輸電線路吸收有功功率。這些裝置需要切換控制以調節有功功率潮流。
美國專利號5,329,222公布了一個動態電壓恢復器，其中，一串聯逆變器注入電壓到輸電線以補償電壓降低。產生這一注入電壓所需要的有功功率由一個儲能裝置，如電容器來提供，在電容器和該換流器之間最好用一個換流器，例如斬波器，向串聯逆變器提供一個恒定的直流輸入。
有一些應用中，只需注入正的有功功率，以控制功率潮流或用于動態電壓調節。
因此，需要一種設備，可用于控制交流輸電系統中的功率潮流，它不需要并聯換流器或帶有投切裝置的儲能設備，以提供有功功率補償。
相應的要求是該改進的設備是經濟的。
本發明能滿足這些及其它一些要求，本發明的目的是一個用于輸電線的動態功率和電壓調節器(DP/VR)，除能經濟地提供輸電線無功功率補償以外，還能提供經濟的有功功率補償的注入。在其最佳實施方式中，本發明由與交流輸電線串聯的有功功率源供電的逆變器組成。供給該逆變器的有功功率是通過一個并聯整流器的運行，從線路上抽取的。該串聯逆變器本身有能力向線路提供可變的無功功率串聯補償。當由一有功功率源供電時，本發明中的逆變器有一個輔助能力向線路提供有功功率串聯補償(即補償因電流流過線路的串聯電阻引起的電阻性電壓降)。因為線路的有功功率損耗總是正的，由電阻性補償器提供的功率也總是正的，因此本發明的設備表現為在運行中為線路提供“負電阻性”特性。本發明的另一應用是當系統動態電壓波動時(即系統電壓下降)，提供串聯電壓調節。由于有功功率是通過整流器取自線路的，因此不需要儲能裝置。
更為特別地是，本發明的目的是控制包括在選定輸電線路電壓下承載交流電流的輸電線的交流輸電系統的設備，所述的設備包括產生在所述交流電流的所述基本頻率下的，具有可控幅值及可控相對所述交流電流的相位角的交流電壓的切換式功率變換器裝置；
將由所述切換式功率變換器裝置產生的所述交流電壓耦合到與所述輸電線電壓串聯的所述輸電線中的裝置；控制可控交流電壓幅值及控制可控交流電壓的相位在相對于所述交流電流的電氣角在-90度到+90度之間的任何相位角，以將可調節的無功補償和可調節正有功功率注入到所述輸電線的控制裝置；以及與所述輸電線并聯，并與所述切換式功率變換器并聯，以提供正有功功率給所述切換式功率變換器以給所述投切式功率變換器提供所述正有功功率的整流裝置。
閱讀附圖，并結合下述最佳實施例的敘述可以獲得對本發明的全面理解，附圖中
圖1為本發明的動態功率/電壓調節器的原理圖。
圖2為相位圖，示出圖1所示動態功率/電壓調節器的運行。
圖3給出圖1所示動態功率/電壓調節器的等值回路。
圖4為相位圖，示出圖1的調節器用于動態電壓調節的運行。
圖1示出交流輸電系統1，它包括輸電線路3，通常它是三相線路，為了更清楚地敘述，這里僅以單線畫出。輸電線在電壓Vs下，在輸電線3的兩端5和7之間承載電流I。在輸電線3上進行功率潮流控制或動態電壓控制是由本發明的動態功率/電壓調節器(DP/VR)9提供的。DP/VR 9包括一個由電壓供電的如同美國專利號5343139所公布的固體逆變器11，該專利在此做為參考文獻引入。逆變器11產生一電壓Vpq，該電壓具有可控幅值及相對輸電線3上電流I的可控相位角。該補償電壓Vpq通過串聯變壓器13與輸電線電壓Vs串聯注入，該串聯變壓器13的原邊繞組15與輸電線3串聯，其付邊繞組17連到逆變器11的輸出。如上所述，該逆變器11用串聯變壓器13串聯接入輸電線35，它本身就能對輸電線3提供可變的無功串聯補償。
為了還要提供有功功率串聯補償，該逆變器11必須有有功功率輸入。根據本發明，由一個并聯整流器19從輸電線3抽取有功功率。整流器19由一個并聯變壓器21與輸電線并聯。整流器19由電容25組成的直流環節接到逆變器11的直流端23。由于只有整流器19從輸電線抽取功率，逆變器11只能通過串聯變壓器13供給正的有功功率；它不能像專利號5343139的統一功率潮流控制器(UPFC)那樣能夠吸收有功功率。但是，UPFC需要一個交流變直流的換流器或其它裝置代替整流器19提供或吸收有功功率。但是，整流器19比交流變直流的換流器和其它裝置便宜得多。整流器19最好是如圖1所示的相位控制整流器，或者可以是不控制的整流器，它有一個斬波器，控制供給整流器的電壓。
圖2為一相位圖，示出圖1中DP/VR的運行。逆變器11自身可以產生與電流I成90度相位差的電壓Vpq。由于增加了向輸電線提供正的有功功率的能力，逆變器可以產生相對于電流I的-90電度和+90電度的范圍內任何值的相位角p的電壓Vpq。由于串聯變壓器13注入電壓Vpq與輸電線電壓Vs串聯，總的輸電線電壓Vs＇是Vs和Vpq的向量和。
在專利號5198746中敘述的固體串聯電抗補償器只能產生與電流I成90度電氣角的電壓Vpq，而專利號5343139中的UPFC能產生相對于電流I的O-360電氣度范圍內的任何一角度的電壓Vpq。這樣可以看到，本發明的DP/VR能完成專利號5198746中固體串聯電抗補償器的功能，也能提供由UPFC提供的部分功能。對大多數情況而言，將DP/VR的特性敘述成如同一個固體串聯電抗補償器，并且具有從其有功功率源提供電阻性串聯補償的附加能力是合理的。電阻性補償能力對于相對低串聯電抗對串聯電阻比(如X/R比＞10)的電力線就變為重要了，此處，由控制并聯無功電源的輸出來調節電壓。這對于輸電、次輸電或配電供電回路是具有典型代表性的。例如一條X/R之比為5的線路供電給功率因數為1的負荷，由電阻造成的端電壓的壓降為由電抗造成的壓降的4倍。為了將電壓控制到接近額定數值(電力系統的正常要求)，或者大量的無功功率必須通過線路循環，或者必須采用如本發明的有功功率補償。需要的有功串聯補償量比起進行電壓控制功能所需要的并聯無功功率要小。例如，一條具有串聯阻抗(.02+j.1)的短電力線，供電給1個標么值的有功功率，只要用0.02標么值電阻補償，或者用0.4標么值端部無功補償(在負荷端為0.25標么電容性，在電源端為+.15電感性)。便可以保持單位端電壓在±0.5％之內。顯然，用于電壓控制的目的時，少量的有功功率補償可以代替大量端部無功功率的作用。
盡管可以簡便認為DP/VP如同一個串聯補償器，它能夠獨立地同時補償電力線的串聯電抗和電阻，DP/VR還能輸送有功或無功功率通過一條線，并且其兩端電壓的幅值和相位均相同。這一特性是純串聯阻抗補償器達不到的。由阻抗補償器插入的電壓正比于通過它的電流；如果沒有端電壓差，就沒有電流流動，沒有插入電壓，因此沒有功功率或無功功率潮流。由DP/VR插入的串聯電壓Vpq由逆變器11產生，所以它不依賴于通過它的電流。在商業化常規潮流控制裝置中，只有相位角調節器具有類似的能力，它能通過一條線傳輸有功功率，并保持線路端電壓不變。而“動態功率/電壓調節器”敘述一種裝置，它能同時，獨立地向輸電線提供串聯阻抗補償、有功功率潮流控制及無功功率潮流控制，甚至可使線路上沒有端電壓差。圖3示出用于功率潮流控制的DP/VR的等值回路模型。該DP/VR等值回路27包括串聯變壓器13的漏抗XL、串聯無功補償XC、串聯電阻補償Rc及理想相位調節器29，它與由串聯感性阻抗LL和電阻RL，及線路對地容抗CL表示的線路3串聯，無功和電阻補償XC和RC由理想相位角調節器29補充。為了堅持進入DP/VR的有功功率等于流出的有功功率(忽略損耗)的要求，有功功率補償由負電阻反映(即RC必須小于或等于零)，并聯負荷幅值等于線路電阻補償瓦數。理想相角調節器29只有在端電壓差為零的少數情況下才起作用，否則它可以補忽略。
用于DP/VR11的控制基本上與專利號5343139中公布的UPFC的控制相同，詳細情況可參考該專利，只是DP/VR沒有并聯電壓控制功能，并且在DPR中從并聯裝置21輸到串聯裝置13的有功功率必須永遠大于或等于零。與UPFC比較，UPFC有端電壓控制及從串聯裝置13到并聯裝置21的雙向功率傳輸。因此，DP/VR的特性是UPFC的一部分。DP/VR 9保留了UPFC的全部有功功率傳輸能力，以及大部分無功功率傳輸能力。盡管它不具有UPFC的對端電壓控制功能。該電壓控制能力在許多情況下可能是不必須的，或可用其它裝置更為經濟地提供。
當用于串聯動態電壓調節時，DP/VR的控制基本上為美國專利號5329222中敘述的動態電壓恢復器(DVR)的控制，該專利在這里作為參考文獻，只是用并聯整流裝置19取代了儲能裝置。在本應用中控制的作用是在動態事故期間引入串聯電壓Vpq，使DP/VR的負荷側能保持一個可以接受的電壓幅值水平。圖4的相位圖示出在一個三相系統中當A相和B相電壓降低時，一個有代表性的電壓引入。例如圖4所描述的系統A相電壓(Vsa)降低到額定值的50％，B相電壓(Vsb)降低到額定值的70％，C相保持在100％額定電壓。DPR/VR的整流裝置19從系統1抽取功率，并且引入描述為向量Via和Vib的串聯電壓波形，它們大體上與降低的相應系統電壓同相位，以保持額定負荷電壓，直到電壓降低被消除。由整流裝置19所抽取的功率取決于引入電壓的相位和幅值，以及通過串聯引入變壓器13的電流。
當詳細敘述本發明的特有實施例時，熟悉本專業技術人將理解借助于全面講解本發明可對其中的詳細部分做進一步發展。對此，所公開的特別安排只是為了示意說明，并不限制本發明的范圍。本發明的范圍由所附權利要求的全部內容和它的任一或全部等效給出。
權利要求
1.用以控制包括在所選輸電電壓及基本頻率下承載交流電流的輸電線(3)的交流輸電系統(1)的設備(9)，包括投切式功率變換器裝置(11)，它產生在所述交流電流的所述基本頻率下的交流電壓，該電壓具有可控幅值和在相對于所述交流電流的-90電氣度到+90電氣度之間的一個可控相位角，該電壓提供可調無功補償及可調正有功功率；裝置(13)，它將由所述切換式功率變換器裝置(11)產生的所述交流電壓耦合到所述輸電線，以向所述輸電線(3)引入所述可調節無功補償和可調正有功功率；該裝置與所述輸電線電壓串聯；與所述輸電線(3)及所述切換式功率變換器(11)并聯的整流裝置(19)，它向所述切換式功率變換裝置(11)提供所述正的有功功率。
2.權利要求1的設備，其中，所述切換式功率變換裝置(11)控制交流電壓的可控幅值和控制交流電壓的可控相位角到相對所述交流電流-90電氣度至+90電氣度之間的任何一個相位角上，以進行獨立地調節輸電線串聯阻抗和所述輸電線電壓的相位角。
3.權利要求1的設備，其中所述切換式功率變換裝置(11)控制交流電壓的可控幅值及控制交流電壓的可控相位角到相對于所述交流電流-90電氣度到+90電氣度之間的任何一相位角上，其工作方式為響應所述輸電線電壓的動態變化，進行對所述輸電線電壓的動態調節。
全文摘要
用以向電力輸電系統(1)提供無功補償及正的有功功率補償的設備(9),它采用固體逆變器(11)向輸電線引入一個串聯補償電壓,該電壓有可控幅值和在相對輸電線電流的+90到－90電氣度之間的一個可控相位角。逆變器(11)所需要的正有功功率是由與線路(3)并聯的一個整流裝置(19)從輸電線(3)抽取的。
文檔編號G05F1/70GK1175323SQ95197543
公開日1998年3月4日 申請日期1995年12月14日 優先權日1995年2月1日
發明者羅伯特·J·尼爾松, 多納德·G·拉梅 申請人:西屋電氣公司