綜合快速功率潮流控制器的制作方法

專利名稱：綜合快速功率潮流控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于控制在交流電力傳輸線路上的功率潮流的裝置，尤其是一種可以控制無功功率潮流、輸電線路阻抗、輸電線路器電壓幅值以及輸電線路電壓相角之中的一種或多種的功率潮流控制器。
通過交流輸電線路的電功率潮流是線路阻抗、發送端和接收端電壓幅值以及這些電壓之間相角的函數。到目前為止，電力傳輸系統設計已感受到這3種確定功率潮流的參數不能足夠快地控制以便適應系統的動態工況。此外，已有的變量控制裝置通常僅利用3種變量阻抗、電壓或相角中的其中之一進行補償或控制。即，輸電系統已設計利用固定的或以機械方式轉換的串聯和并聯的無功補償、連同電壓調節和移相變壓器帶分接頭的轉換器，以便在穩態或緩慢變化的負載狀態下實現線路阻抗的最優化、電壓變化最小以及控制功率潮流。通常通過加大儲備設計來處理系統的動態問題；電力傳輸系統按照寬裕的穩定條件設計，以便能從各種故障造成線路和發電機停用以及設備故障引起的最壞事故狀況恢復。當然，這種大儲備設計導致了輸電系統的利用率低的問題。
近年來，能源，環境，公用道路以及費用問題已經限制延緩建造發電設施和新的輸電線。這就使得必須改變傳統的電力系統的觀念和實踐；更好地利用現有的電力系統已變得更為迫切。
如果在系統受到動態擾動之后的過程中能夠快速控制功率潮流，只有如此，才能在不明顯降低供電可靠性的前提下更充分地利用電力傳輸系統。
電力系統通常會受到各種程度的擾動。例如某些發電機或某些并聯輸電線為了維修可能斷開。大的負載可能投合和斷開。還可能由于絕緣擊穿或設備故障，引起線路接地或線間短路。這些擾動可能導致傳輸的電功率的突然急劇地增加或減少。電功率是由利用某種產生機械功率的汽輪機驅動旋轉的發電機提供的。汽輪機的機械輸出功率不能迅速改變以便使機械功率與新的所要求的快速變化的電功率相平衡。因而迫使發電機加速或減速。在某些發電機中轉速的變化引起相對于在由其它發電機在線路的另一端處維持的穩定角位置產生相應的角位置變化。發送端和接收端發電機之間的角位置變化改變了傳輸的電功率的量值。一旦擾動結束(故障清除，新的輸電系統形成，新的發電電壓或所需新的負載形成)，受到干擾的發電機試圖按照與電力系統新的穩定狀態相適合的新的角位置運行。然而，發電機連同相應的汽輪機具有很大的轉動慣量，因此，通常只有在“過調”或振蕩之后才會達到新的角位置。當然，這些暫態的角度變化和振蕩表現為暫態的電功率變化和振蕩。在極端的情況下，這些暫態的變化是不能穩定的；輸入的機械功率和發出的電功率不可能重新穩定，角度“過調”持續增加(即機組保持加速)直至發電機事故停機，還可能由于電力系統阻尼不足，發生角振蕩維持不變，甚至增長。最終這也將導致電力系統解裂。
電力系統滿足負載需求提供電功率的能力用術語“穩定”來表示。術語“穩定”意指電力系統中的發電機趨于同步運行。術語“暫態穩定”意指在接續主要擾動(故障、發電機失步等)電力系統可以恢復正常運行。術語“動態穩定”意指接續引起功率振蕩的較少擾動，電力系統可以恢復正常運行。換句話說，動態穩定的電力系統具有可靠的阻尼。
近15年來，在用于交流電力傳輸系統的動態補償和控制的快速的可控硅控制設備的開發方面花費了相當大的精力。這種可控硅控制設備選取利用確定功率潮流的3個電力系統參數中的一個參數電壓，阻抗和相角。因此，可控硅控制的靜態無功功率補償器、可控硅控制的串聯補償器以及可控硅控制的移相變壓器已經或正在開發，以便對輸電線路電壓(通過控制無功功率潮流來實現)，線路阻抗和相位移進行控制。
可控硅控制的靜態無功功率補償器通過產生向輸電系統提供的無功功率或從輸電系統吸收無功功率，用來間接控制輸電線路電壓，以及因此控制傳輸的功率。這些靜態無功功率補償器對于影響功率潮流的動態變化具有快速響應(1到2個周期)，并具有足夠的VA額定容量，能夠顯著地增加電力系統的暫態和動態穩定。
本靜態無功功率補償器采用固定的和/或可控硅控制的電容器連同可控硅控制的電抗器。在電容性的輸出范圍內，該固定的和可控硅轉換的電容器以階狀方式按正的變化方式接近所需產生的無功功率(為了形成所需的傳輸電壓值)以及可控硅控制的電抗器吸收過剩的電容性的無功功率。在電感性的輸出范圍內，可控硅控制的電抗器運行在適當的導通角，以便保證吸收所需的無功功率。通過電容器轉換和電抗器控制的適當配合，無功功率輸出可以連續地快速地在設備的電容性的和電感性的額定容量之間變化。靜態的無功功率補償器正常運行調節輸電系統的電壓，有時選擇性地進行適應的電壓調節以便使功率振蕩衰減。
最近，一種新開發的以完全不同方式實施的靜態無功功率補償器利用耦合變壓器采用與輸電線路并聯的固態開關變換器。該開關變換器通常是一利用門控可關斷(GTO)可控硅的作為電壓源的逆變器，利用直流儲能電容器工作產生與交流系統電壓V同相的輸出電壓。逆變器輸出電壓Vo的幅值能夠相對于交流系統電壓V的幅值快速控制。當Vo＝V時(忽略耦合變壓器的匝數比)，逆變器沒有吸收電流。然而，當Vo＞V時，經過變壓器的漏電感由逆變器吸收的電流是純電容性的。而當Vo＜V時，由逆變器吸收的電流變為電感性的。因此，通過控制在Vomax和Vomin的額定值間的逆變器的輸出電壓使電抗性的輸出電流可以從最大電容性的到最大電感性的電流連續地進行改變。
如上所述，通過控制整條線路的阻抗也可以改變傳輸線上的電功率。通過提供可控的串聯線路補償，降低(或增加)該線路的電抗可以實現這一點。可控硅控制的串聯線路補償器，與并聯的靜態無功功率補償器相似，或者利用可控硅開關控制的電容器或者利用并有可控硅控制的電抗器的固定的串聯電容器都可以實施。
在我們共同所有的US專利No 5198746中提出了一種新穎的固態串聯補償的線路方案，其采用開關電源式變換器。在這種系統中，電壓源式的逆變器用于將電壓VC(交流基波頻率)串聯接入線路。由逆變器產生的電壓VC與線路電流相位差90°(滯后)。通過使VC的幅值與線路電流的幅值成比例，可以準確地再現串聯(電容性的)補償的效果。
然而在實際的系統中還沒有實現可快速控制的移相器。已經提出并以實驗室模型評估的一些方案，它們采用可控硅控制的帶分接頭轉換的變壓器，與在常規的機械轉換的帶分接頭轉換的變壓器中采用的技術相似的技術相適應。
在原理上，可控硅開關控制的帶分接頭轉換的變壓器裝置利用該引入式變壓器可以改變與線路電壓按90°相位差方式疊加的電壓的幅值，以便控制輸電線的發送端和接收端電壓之間的相角。
帶分接頭轉換的變壓器型的移相器實行階狀方式控制，不過階的量級通過適當地選擇匝數比可以使之降到最少。例如，利用按比例1∶3∶9的3個不相同的變壓器繞組和一個開關裝置，該裝置可以旁路繞組或使繞組極性相反；使得可以實現總的階數為27。
可控硅開關控制的按分接頭轉換的變壓器裝置還存在的一個主要的缺點是不能產生或吸收無功功率。當線路加入一具有90°相位差的電壓時，向線路提供或由線路吸收的無功功率一定是經過交流電源系統由線路吸收或提供到線路上的。通常與無功功率傳輸相關的大的電壓降壓很多應用場合將會趨于使用于功率潮流控制的按分接頭轉換的移相器無效。
本發明的主要目的是提供一種輸電系統功率潮流控制器。該控制器可以快速響應，以便按動態方式實時單獨控制無功功率、輸電線阻抗、輸電線路電壓和輸電線路電壓相角中的任一項或者進行綜合控制。
通過一種用于控制交流輸電線上的功率潮流的綜合的快速功率潮流控制器的本發明實現這些和其它目的，該控制器包括能夠在輸電線上串聯引入一定電壓的逆變器裝置，該電壓的幅值和相對于輸電線電壓的相位在0°到360°之間的某一相角是可選擇的。這種對于所引入的電壓的幅值和相角的選擇的完全的自由度為調節如下系統參數輸電線電壓幅值、輸電線阻抗和輸電線電壓相角中的一項或多項提供了可能。根據本發明的一個優選實施例，如果利用另一個逆變器提供用于引入這一電壓所需的有功功率是有利的，該逆變器與輸電線并聯，并利用一個最好包括一直流耦合電容器的直流耦合裝置連接到另一逆變器。與輸電線并聯的逆變器通常稱為第一逆變器。通過調節第一逆變器的交流電壓的一個分量的幅值，而該電壓與輸電線的電流相位差90°，可以控制該第一逆變器來調節輸電線上的無功功率。通過調節這一電壓的相角，利用第二逆變器通過該直流耦合裝置第一逆變器可以提供所需的有功功率。
每個逆變器可以包含利用級間的變壓器相互連接的一組6脈沖式逆變器，以便形成適用于高功率潮流控制系統的更高量級的脈沖組。最好，第一和第二逆變器是電壓源式可控制的逆變器并可相互轉換，以便使制造經濟和易于使用。
結合附圖閱讀，由對各優選實施例的如下介紹可以完整地理解本發明，其中

圖1是根據本發明的綜合功率潮流控制器的示意線路圖。
圖2是一矢量相位圖，表示利用圖1中所示的控制器加入到輸電系統的電壓和與輸電系統中的電壓之間的關系。
圖3表示對于構成圖1中的功率潮流控制器的一部分的各逆變器的逆變器極性和輸出電壓波形。
圖4A和4B并列放置一起構成該用于本發明的功率潮流控制器的高功率潮流逆變器系統的示意電路圖。
圖5表示反映圖1中的功率潮流控制器的簡化的功能示意圖。
圖6是一矢量相位圖，用于解釋本發明的工作原理，表示所選擇的一個參考量用來表示圖中相關的系統變量。
圖7是以構成圖1中的功率潮流控制器的一部分的控制系統的方塊圖形式表示的示意圖。
圖8以更詳細的方式表示圖6中的控制系統中的某些元件。
參照圖1，采用門控可關斷(GTO)可控硅可或類似功率半導體元件的兩個開關電源式變換器1和2利用一個公用的直流耦合電容器4工作，形成本發明的綜合的功率潮流控制器5。實際上一個變換器與在序號為07/760627的同時申請待審的US專利申請中所描述的固態可控串聯補償器中所采用的電壓源式逆變器相似，該申請上文已討論此處引用可供參考。另一個逆變器1與在上述的固態靜態無功功率補償器方案中所使用的電壓源式的逆變器相似。
變換器2用于產生基波頻率的可控幅值的電壓V(pq)，該電壓利用該串聯的耦合變壓器(或引入變壓器)7疊加到輸電線6上的系統電壓V上。這一引入電壓V(pq)對于交流系統電壓的相位關系是任選的(即是可充分控制的)，可以使相位相差90°，或具有其它相位關系，如在圖2的矢量相位圖中所表示的。因此，該引入的電壓可以用于直接電壓控制(變換器2的輸出電壓按照相位疊加到系統電壓上)，以便進行移相(該引入的電壓是是兩個分量的矢量和，一個分量代表用于電壓控制的同相的分量，另一個分量是用于相角控制的正交的分量)。變換器2的輸出可還用于提供串聯補償，以便控制線路阻抗。在這種情況下，相對于線路電流按90°相位差引入該電壓。實際上，假如需要，通過產生所需各個分量電壓和產生它們的矢量和作為變換器2的輸出，可以同時控制所有這些量。
與線路串聯引入的電壓主要用作與由交流系統中的發電機產生的系統相串聯的基波頻率的電壓源。流經引入式的電壓源的電流與在引入點處的輸電線6中的電流相同，并且基本上是由傳輸的電功率和線路的阻抗特性確定的。該引入式電壓源的VA額定值(即適應這種VA的功率變換器2的額定值)是由最大引入電壓和最大線路電流的乘積決定的。這個總的VA是由兩個分量組成的，一個是由最大線路電流和與這個電流同相的最大引入電壓的分量確定的最大有功功率分量，而另一個是由最大線路電流和與這一電流相位差90°的最大引入電壓分量確定的最大無功功率分量。用于提供變換器2的功能的電壓源式的逆變器可以在內部按照電壓/阻抗/相角控制的結果產生所有交換的無功功率和按照它的直流輸入功率提供有功功率。
在該優選實施例中經過耦合變壓器8與交流系統并聯的也為一個電壓源式的逆變器的開關控制式變換器1是受控的，以便由交流系統向公用的直流連接端處提供所需的有功功率。由于變換器1正像變換器2一樣，可以與在它的直流連接端處輸送的有功功率無關，在其交流連接端產生或吸收無功功率，接著通過適當地控制，還可以實現獨立的靜態無功功率補償器的功率，對輸電網絡提供無功功率補償，因此，進行了間接的電壓和功率潮流的控制。
正如上面解釋的，所提出的具有控制逆變器1和2中的GTO可控硅3的起始導通的適當的控制器9的功率潮流控制器裝置，可以在一體的設備中按任意組合的方式提供現有技術的輸電系統補償/控制設備的所有可實現的功能；靜態無功功率補償器、可控串聯式補償器，用于直接調節電壓的可控硅控制的按分接頭轉換的變壓器，以及用于移相的可控硅控制的按分接頭轉換的變壓器。此外，所提出的功率潮流控制器的總的VA額定值并沒有超過用于單一功能的現有技術的可控硅控制的按分接頭轉換的變壓器型的移相器單獨所需的額定值。還應指出，現有技術的移相器不僅不能為外部網絡補償提供無功功率，而且不能在內部在正常的移相過程中產生或吸收無功功率；所利用的所有無功功率都必須由交流系統或由單獨的無功功率源例如靜態無功功率補償器提供。
為了保證所提出的功率潮流控制器的功能和容量，在基本方案中以變換器1和2表示的兩個電壓源式的逆變器必須按這樣一種方式利用一個公用的直流電容器耦合裝置工作，即可以獨立地控制所選擇的網絡參數(即電壓、阻抗、相角和無功功率)以協調地控制所需的總的有功功率(包括由于進行直接電壓控制，相角控制和內部逆變器的損耗)。
分析逆變器(變換器)1，流入逆變器的交流連接端或由其流出的有功功率，因此亦即流入或流出直流耦合裝置的有功功率是由逆變器產生的交流電壓相對于交流系統電壓的相角確定的。另一方面，在逆變器的交流連接端流入或流出的無功功率是由逆變器和交流系統的電壓之間的幅值差所確定的；如果這個差是零(逆變器電壓的幅值與系統電壓相同)，則無功功率為0；如果這一差值是正的(逆變器電壓的幅值較高)，則逆變器提供(電容性的)無功功率；以及如果這一差值是負的(逆變器電壓幅值較小)則逆變器消耗(電感性的)無功功率。用于實現全額無功功率輸出所需的電壓差主要由耦合變壓器8的漏阻抗確定；一般不大于正常系統電壓的15％。因此，為了單獨地控制有功和無功功率，標稱的直流耦合裝置電壓必須足夠大，以便使逆變器1產生的輸出電壓的幅值與在耦合變壓器8的二次側處的交流系統電壓的幅值相近似。
將所需的交流電壓串聯引入線路的利用逆變器(變換器)2的解決方案是十分不同的。在這個實例中，產生一個由幅值和相對于一參考矢量(例如系統電壓或線路電流矢量)的相角表示的交流電壓矢量，以滿足功率潮流的要求。在靜態工作點，這個電壓矢量可以為0(無電壓控制、無移相和無阻抗補償)，如果交流輸出電壓的幅值直接與直流耦合裝置電壓相關，這時只需要為0或很小的直流耦合裝置電壓。隨著引入電壓矢量的幅值增加，直流耦合裝置電壓也必須直接按比例增加。通過電壓引入形成所需的有功功率直接出現在直流連接端，而所需的無功功率將由逆變器在內部自動地產生。直流耦合裝置必須能夠提供所需的有功功率(經過逆變器1)，否則逆變器2的輸出電壓可能不能維持。
為了使逆變器1(與在產生零無功功率時的交流系統電壓的幅值相對應的直流耦合裝置電壓相對較高以及對于額定的無功功率輸出由逆變器1產生適中的變化)和逆變器2(直流耦合電壓與引入的電壓的幅值按比例增加，對于零引入電壓為零直流耦合裝置電壓)的不同的基本運行要求適當關聯，在本優選實施例中，假設逆變器21和逆變器2兩者產生的輸出電壓的幅值利用公知的技術胺脈寬調制(PMW)或利用裝有公用的耦合變壓器的兩個(組)逆變器產生的電壓求矢量和可以在內部進行控制。利用這種裝置，直流耦合裝置電壓(利用逆變器1)可以保持在與由任一逆變器產生的最高輸出電壓相對應的基本恒定的數值下。應指出，這種裝置不是必須要求運行在提出的方式下運行。實際上，例如逆變器1可以在沒有內部電壓控制的情況下運行。在這種情況下，直流耦合裝置電壓將按照由這一逆變器(其圍繞著代表交流系統電壓的標稱值的靜態值的一般大約±15％變化)進行的無功功率補償建立起來。逆變器2將利用內部的(例如PWM)控制機構適當地改變直流耦合裝置電壓來控制它本身的輸出電壓的幅值。
用在所提出的串聯補償的實施例中的電壓源式的逆變器2，按照最簡單的構成包含6個自換向的半導體開關，例如門控可關斷(GTO)可控硅3，每個可控硅并聯一個反向并連的二極管9，如圖1所示。通過將直流輸入電壓順序地經過適當的逆變器開關連接到3個輸出端，利用連接到逆變器的輸入端的直流電源(由充電的電容器4提供)逆變器1和2每個可以產生指定頻率的準方波的電壓波形。在圖3中表示了各逆變器開關的工作情況和在開關“二極”(VA、VB和VC)的中心和在輸出端(VAB，VAC和VCA)處產生的電壓波形。
運行中產生圖3中所示的輸出電壓波形的圖1中所示的基本的逆變器2對于大多數實用場合會產生過大的畸變。此外，其不能獨立于直流耦合裝置電壓而控制輸出電壓的幅值。由于這些原因，對于實用的場合，要考慮輸慮出電壓波形的構成，以便使產生的諧波降至最小，和能夠控制基波分量。已經有各種公知的技術，例如脈寬調制和多相脈沖波形合成(諧波抵消)結合利用各單獨的逆變器組產生的形成相位移的基波分量的矢量合成(例如“雙饋式的”耦合變壓器裝置)來實現這一要求。
在圖4A和4B中示意表示了用于功率潮流控制器5′的高功率變換器系統。在這種裝置中，關聯變壓器8的Y接的3個原邊繞組8PA、8PB和8PC經過三相隔離開關10連接到三相輸電線6上。變壓器8的副邊的每相繞組8SA、8SB和8SC由逆變器1的部分1L和1R經過級間變壓器的裝置11和12雙路饋電。逆變器1和每個部分1L及1R都分別包含4個6脈沖式逆變器組1L1-1L4以及1R1-1R4。在這些6脈沖式逆變器組中的每一個中，標號13代表GTO可控硅3和與之相關的并聯二極管9。按舉例方式，并聯變壓器8的C相的副邊繞組8SC經過級間變壓11C和12C在相應的二端處饋電。變壓器繞組11C的相應的二端由繞組11CL和11CR饋電。繞組11CL的相應的二端又由6相脈沖組1L1和1L2的C相饋電，而繞組11CR的相應的二端由6相脈沖組1L3和1L4中的C相饋電。與之相似，脈沖組1R1和1R2中的C相GTO可控硅饋電到變壓器繞組12CL的相應的二端，同時，6脈沖組1R3和1R4連接到級內的變壓器12CR的相應的二端。變壓器12CL和12CR連接到變壓器12C的相應的二端。通過適當控制6脈沖組的起始導通角，逆變器部分1L和1R開通，產生的48個脈沖電壓通過并聯變壓器施加到輸電線路6。按照本發明，控制8個6脈沖組中的GTO可控硅的起始導通角，以便適當地調節利用并聯變壓器8向輸電線6提供的電壓的幅值和相角。
在圖4B中所示的高功率逆變器系統5′中的逆變器2也是具有兩個部分2L和2R的48脈沖式的逆變器系統，每個部分分別具有4個6脈沖式逆變器模2志2L1-2L4和2R1-2R4，通過級間的變壓器14和15連接到引入變壓器7副邊的三相繞組7SC、7SA和7SB的各相應的連接端上。3個原邊繞組7PC、7PA和7PB通過閉合開關16和斷開斷路器17與三相輸電線6串聯。通過控制在逆變器模塊中GTO可控硅的起始導通角，根據本發明可控制由逆變器向輸電線6引入的電壓的幅值和相對于輸電線電壓的相角。
再參閱圖1，控制兩個電壓源式的逆變器的控制器18是所提出來的功率潮流控制系統5的整體的一部分。它的主要功能是以協調的方式控制兩個逆變器1和2，以便保證(1)串聯引入線路6的逆變器2的交流輸出電壓具有適當的幅值和相角，以便滿足在引入變壓器7的輸出端對于受控的系統參數(線路阻抗、相角、電壓幅值)的瞬時需求，按照利用施加到控制器18的相關參考信號確定的參數使功率傳輸實現最佳；以及(2)利用并聯的變壓器8連接到交流系統上的逆變器1的交流輸出電壓具有適當的幅值和相角，以便保證逆變器2所需的有功功率以及在引入變壓器7的輸入端產生或吸收無功功率，以便調節在根據外部參考信號限定的點處的電壓。
構成控制器18以便接收外部產生的參考信號。這些信號用在適當的閉合控制回路，迫使逆變器產生與參考信號相一致的輸出電壓。通過外部測量交流系統的相關參數產生參考信號。然而這并不是本發明的一部分，在序號為07/760628的US專利申請介紹了各種技術，這里引用作為參考是適宜的。
為了確定和檢驗通過控制兩個電壓源式的逆變器1和2實施的控制方案，必須首先建立一個代表系統的動態工況的模型。圖5表示功率潮流控制器5的簡化的功能性的模型。表示的兩個逆變器1和2作為理想的電壓變換器，每個都將其直流側的電壓(Vdc)變換為瞬時相角為θ和瞬時幅值為T·Vdc的一組平衡的三個正弦交流側電壓，按如下方式形成ea1eb1ec1=T1VdcCOS(Θ1)T1VdcCOS(Θ1-2π3)T1VdcCOS(Θ1+2π3)]]>ea2eb2ec2=T2VdcCOS(Θ2)T2VdcCOS(Θ2-2π3)T2VdcCOS(Θ2+2π3)]]>在每一種情況下，通過適當地控制逆變器中的功率開關3確定τ和θ。這些參數可以響應于由控制系統18提供的參考信號(τ*，θ*)快速而獨立地改變。這些參考信號僅是對于該來的控制輸入信號。
圖5表示通過理想的變壓器7A、7B和7C與輸電線串聯的逆變器2的交流側電壓。因此忽略了變壓器中的漏阻抗的影響，并假設逆變器2的交流側電流與輸電線電流成比例。所示的逆變器1的交流側經過代表在實際線路中與輸電線6并聯的變壓器8(見圖1)的等值漏電感連接到輸電線路上。
圖5對于在等效電源電路中的各支路中的電流和電壓按慣例確定了標識符和極性。此外，使用了常規的矢量表示法，以表示三相成組的變量(電流和電壓)的瞬時值。按照這種表示法，三相成組參數中的每一組的瞬時值用在正交的(d，q軸)參考平面中的坐標限定的二維矢量來表示其特征，該參考平面按這樣一種方式確定，即d軸總是(通過定義)與所選擇的參考矢量相一致。在這種情況下，參考矢量是在逆變器1的連接點處的輸電線電壓。下面要介紹的圖8說明了在這種參考平面中的所有相關的系統矢量是怎樣由相關的三相參數得到的。在圖6中的矢量相位圖表示了這些矢量。
引入這種矢量表示法是由于在所選擇的參考平面內的d、q軸矢量分量便于介紹瞬時的功率潮流。在逆變器1的實例中，由輸電線通過的瞬時功率為P1＝3/2·V·id1公式2因此，電流分量id1計及所有的有功功率，與iq1的數值無關。因此，iq1定義為在這個支路中的“瞬時的無功電流”，我們可以定義瞬時無功功率為Q1＝3/2·V·iq1公式3控制系統設法分別控制這兩個分量，以便滿足所需的有功功率(對于直流電容器電壓控制)和所需的無功功率(對于外部來統控制)。
在逆變器2的實例中，交流側端電壓矢量
(ed2，eq2)有效地疊加到參考電壓矢量(V，0)上，以便產生可調節的輸出電壓矢量V(V′d，V′q)。由于
實際上可以瞬時地指定一個相對于的任選的相角和任選的幅值(在限值之內)，可以在相同角和幅值方面快速精確地調節。
圖6表示對于典型的穩態運行工況的來統矢量的相互關系。應注意，如果矢量
假設取任選的相角，逆變器2將必然通過來自輸電線的有功功率。這個功率由下式給出P2=3/2(ed2·id2＋eq2·iq2) 公式4忽略在逆變器中的功率損耗，假設在每一種情況下，交流側連接端的功率等量地出現在直流連接端。由于逆變器2具有改變它的有功功率的自由度，因此，逆變器1必須產生等量相反的有功功率加上由于損耗需補充的附加有功功率量值，使電容器電壓維持在設定的數值下。
圖7中表示了控制系統18。外部控制器20利用所測量的各種變量，包括由逆變器1向輸電線系統提供的三相電流ia1-ic1，流經第二逆變器的交流電流ia2-ic2以及在逆變器1連接到輸電線上的點處的輸電線上的線電壓Vab-Vcb，連同各參考輸入量和上面討論的所確定的參數設定值，以便對于利用逆變器2引入到輸電線中的電壓為在經變換的參考系統中的幅值e2*設定參考值。通過在組件21中用Vdc除以e2*將這一參考電壓變換為固定參考平面中的坐標值，以便產生幅值參考值τ2*，并且在求和節點23處將角度參考值α2*與由矢量鎖相回路22產生的角度φ求和，以便產生相角參考值θ2*。將參考值τ2*和θ2*施加到用于逆變器2的門控電路24，使逆變器2中的GTO可控硅起始導通，以便按所需的幅值和相角產生引入電壓。
如前所述，利用逆變器2控制
是很一般的并且實際上可以做到瞬時控制。因此，這種控制系統主要涉及控制逆變器1的交流側電流(id1，iq1)，以便維持直流側電壓和滿足所需的分流的無功功率Q1*，其也是通過外部控制器20產生的。
控制器通過所測的矢量
的反饋進行控制，該矢量具有的分量id1，iq是利用由鎖相回路22產生的角度φ由逆變器1的交流電流ia1，ib1和ic1利用旋轉軸坐標變換功能元件23產生的。在穩態平衡的正弦工況下
矢量是恒定的。在和一差功能元件24和25中分量id1，iq1分別與參考值id1*，iq1*相比較，以便產生d和q軸誤差信號。每個信號分別通過一個比例加積分補償組件26、27。在組件28中測量線路電壓矢量()的幅值，并通過求和節點29朝前提供到d軸控制的前向通道，以便消除由于輸電線的動態干擾帶來的影響。形成的d和q軸信號限定了對于逆變器1所需的交流側電壓矢量ed1*，eq1*。因此，控制器利用ed1來影響id1的數值以及利用eq1來影響iq1。所以，在d和q軸電量之間存在交又耦合，因而在ed1和eq1中的變化也會分別在iq1和id1中產生變化。閉環分析已經表明這些相互作用并不明顯地有損于系統的動態性能。然而，d-q軸的交叉耦合可以通過將項ωLiq1經過節點30前向反饋到d軸誤差通道和將項ωLid1前饋到q軸誤差通道而消除，如由圖7中的虛線所表示。L是并聯變壓器8的漏電感，ω是系統基波頻率。
電流參考矢量的兩個分量id1*和iq1*是由各個電源產生的。參考值iq1*是由利用外部控制系統20產生的所需的無功功率按照上述公式3通過在組件31中來以一個標量系數2/3以及在除法功能元件32中將該結果除以矢量幅值V簡單運算產生的。另一方面，決定由逆變器1通過的有功功率的id1*包含兩個在節點33求和的兩個分量。這兩個分量中的第一個是在逆變器2的直流端測量的逆變器2的有功功率的負值。因此，在乘法器34中直流電流idc2與直流電壓Vdc相乘，秉積P*在組件35中乘以系數2/3進行定標，然后在除法組件36中除以電壓幅值V。形成的信號使得逆變器1的有功功率能快速調節，跟蹤逆變器2的任意發生的有功功率變化。
id1*的第二部分來自反饋控制回路的誤差信號，該反饋回路造成將直流耦合裝置電壓Vdc調節到參考值Vdc*。在差分功能組件37中產生所測量的直流耦合裝置電壓Vdc和參考值Vdc*之間的誤差。在組件38中對誤差進行比例加積分控制。這個回路補償系統功率損耗和其它非理想的作用，否則這些作用會使V直流的數值反復無常地變化。
數值ed1*和eq1*代表在旋轉參考坐標系統中由逆變器2引入的電壓的實數和虛數部分。在組件39中矢量
變換為極坐標下的ed1*和α1*。利用除法器功能元件40使幅值e1*對直流耦合裝置電壓Vdc歸一化，產生幅值參考值τ1*。由鎖相回路22產生的角度φ在求和節點41中疊加到α1*上，產生一個參考相角θ1*。如圖7所示，τ1*和θ1*用作對于逆變器1的門控裝置42的輸入量。
圖8更詳細地表示圖7中的控制系統中的某些元件。矢量分離器43由所測量的線間電壓Vab和Vcb產生按旋轉坐標參考系統產生電壓V的實數部分Vds和虛數部分Vqs。通過在組件44中對Vab乘以標量系數2/3，在組件45中對Vcb乘以系數1/3進行定標以及在節點46產生它們的差值得到該實數部分Vds。在組件47中通過乘以標量系數
產生虛數部分Vqs。矢量幅值計算器28由實數部分Vds和虛數部分Vqs產生輸電線路電壓幅值V。
矢量鎖相回路22產生相角φ，用以使逆變器GTO可控硅的起始導通與輸電線路電壓相同步。在組件48中實數部分Vds乘以在組件49中產生的角度φ的正弦。在差分節點50中由在組件51中計算的電壓的虛數部分Vqs與由組件52中中產生的φ的余弦的乘積中減去上述這一乘積VdsSinφ。在組件53中對這一差值進行比例如積分控制，其組件54中進行積分以便產生角度φ。
角度φ由旋轉軸坐標變換組件23采用，以便由所測量的逆變器1的三相電流產生逆變器1的電流的實數和虛數部分。在組件55-57中將三相電流ia1、ib1和ic1分別乘以φ的正弦函數，其結果以負數形式在節點58處求和，以便按旋轉軸參考系統產生逆變器1的電流的虛數部分。與之相似，在組59-61將所測量的電流乘以φ的余弦函數，在節點62求和以便產生實數部分id1。
本發明的潮流控制器以成一體的設備執行了此前由各單體設備實施的所有控制功能。逆變器2的運行可以調節在輸電線上的無功功率，同時向逆變器2提供有功功率。逆變器2可以用于單獨地或同時地調節線路阻抗、電壓相角或電壓幅值。因此，本發明的潮流控制器利用變換器2通過調節線路阻抗來限制故障電流。通過調節輸電線路阻抗或通過相角調節，還可以用于均衡并聯輸電線中的電流。本發明的潮流控制器的另一優點是它僅引入基波頻率的電壓，因此不會產生準同步的諧振。另一方面，如果在輸電線上已有電容器，它可用于使振蕩衰減。所有這些都可以經濟地實現在于逆變器1和2是相同的，因而在制造過程中為提高經濟性提供了可能。
雖然，已經詳細地介紹了本發明的各具體實施例，對本技術領域的技術人員應理解，根據所公開的整體的構思對于其中的細節可以進行各種改進和替換。因此，所公開的各特定裝置僅是說明性的而不是限定性的，本發明的范圍是由所提出的權利要求和其所有等效物的全部特征所指定的。
權利要求
1.一種功率潮流控制器，用于控制在交流輸電系統中的功率潮流，該系統包括一含二端的輸電線以及按照所述二端間所選擇的輸電線電壓和基波頻率傳輸交流電流，所述控制器包含開關電源式變換器裝置，產生按照所述交流電流的所述基波頻率的、具有可控的幅值和相對于所述輸電線路電壓的相角的交流電壓，耦合裝置，將由所述開關電源式變換器裝置產生的交流電壓與所述輸電線路電壓串聯；以及控制裝置，用于控制由所述開關電源式變換器裝置按所述基波頻率產生的交流電壓的可控幅值和相角成為所需的幅值和相對于所述輸電線路電壓的一定的相角，選擇性地，單獨或協調地調節所述輸電線路的有效阻抗、在所述輸電線路的所述二端處的電壓之間的有效相角以及輸電線路電壓幅值，從而控制在所述輸電線路中的功率潮流。
2.如權利要求1所述的功率潮流控制器，其中所述的開關電源式變換器裝置包含一個由直流向交流變換的逆變器和向所述逆變器提供直流功率的裝置。
3.如權利要求2所述的功率潮流控制器，其中所述向所述的由直流向交流變換的逆變器提供直流功率的裝置包括附加的直流向交流變換的逆變器，用于將所述附加逆變器的直流端連接到所述的直流向交流變換的逆變器的直流端的裝置，以及將所述附加逆變器的交流端耦合到一交流電源上的裝置。
4.如權利要求3所述的功率潮流控制器，其中所述的交流電源是所述的輸電線路。
5.如權利要求1所述的功率潮流控制器，其中所述的開關電源式變換器裝置包含在輸出端產生所述交流電壓的交流向交流的變換裝置，以及將交流功率提供到所述交流向交流變換裝置的輸入端的裝置。
6.如權利要求5所述的功率潮流控制器，其中所述的將交流功率提供到所述的交流向交流的變換器裝置的裝置包括將所述輸入端耦合到輸電線的裝置。
7.如權利要求1所述的功率潮流控制器，其中用于控制由所述開關電源式變換裝置產生的交流電壓的可控幅值和相角的控制裝置選擇性地調節所述輸電線的有效的有功性和無功性的串聯阻抗。
8.如權利要求1所述的功率潮流控制器，其中的控制裝置包括第一裝置，用于產生耦合串聯到所述輸電線路中的所述交流電壓的一定的幅值和相角，以便形成所選擇的輸電線路阻抗、所選擇的相角和所選擇的輸電線路電壓，形成在所述的輸電線中的所選擇的功率潮流；以及第二裝置，響應于所述第一裝置，用于控制所述開關電源式變換裝置產生所述的交流電壓。
9.一種綜合的快速功率潮流控制器，用于交流輸電線路，所述控制器包含第一直流向交流變換的逆變器裝置，具有與輸電線路并聯的交流端和直流端；第二直流向交流變換的逆變器裝置，具有與交流端，與所述輸電線路串聯以便引入交流電壓；以及直流端；直流耦合裝置，連接到所述第一和第二逆變器的直流端；以及控制裝置，控制在所述輸電線和所述第一逆變器之間的有功功率和無功功率交換，以便按所選擇的功率因數向所述第二逆變器提供有功功率，所述控制裝置還控制所述第二逆變器裝置，以便產生具有選擇的幅值和在0°到360°之間選擇的相角的所述交流電壓，從而所選擇的輸電線路阻抗、所選擇的輸電線路相角以及所選擇的輸電線路電壓，控制通過所述輸電線路的功率潮流。
10.如權利要求9所述的功率潮流控制器，其中所述控制裝置是一個向所述第一和第二逆變器提供門控信號的矢量控制器，所述控制器包含鎖相回路裝置，用于產生代表交流輸電線路電壓矢量相角的角度信號；幅值計算裝置，用于產生代表輸電線路電壓矢量幅值的幅值信號；并列配置的變壓器裝置，用于產生代表與所述第一逆變器裝置的交流電流同相的第一電流信號，和代表與所述第一逆變器裝置的交流電流相位差90°的第二電流信號；直流電壓控制裝置，用于產生一個用于所述第一逆變器的同相的交流電流參考信號；參考裝置，用于對于所述相位差90°的交流電壓產生一個相位差90°的參考信號，用于所述第二逆變器的交流電壓矢量幅值參考信號，以及用于所述第二逆變器的交流電壓矢量角度參考信號；一個裝置，用于為所述第一逆變器根據所述角度信號、所述幅值信號、所述第一電流信號、所述第二電流信號和所述同相的交流電流參考信號來產生門控信號；以及一個裝置，用于為所述第二逆變器根據所述角度信號、所述交流電壓矢量幅值參考信號和所述交流電壓矢量角度信號來產生門控信號。
11.如權利要求10所述的功率潮流控制器，其中所述的直流電壓控制裝置響應于代表所述第一逆變器和所述第二逆變器之間的直流電壓反饋信號，代表所述第二逆變器的直流電流的直流電流反饋信號，以及代表所需的直流電壓數值的直流電壓參考信號進行控制。
12.如權利要求10所述的功率潮流控制器，其中所述的參考裝置響應于代表輸電線路電壓矢量、輸電線路電流矢量以及所述第一逆變器的交流電流矢量的各種信號中的至少一種信號進行工作。
13.如權利要求10所述的控制器，其中所述的直流耦合裝置包含用于存儲有功功率的能量存儲裝置。
14.如權利要求13所述的控制器，其中所述的能量存儲裝置包含電容器裝置。
15.如權利要求10所述的控制器，其中所述的第一和第二逆變器裝置兩者都是電壓源式的逆變器。
16.如權利要求10所述的控制器，其中所述的第一和第二逆變器兩者都是電流源式的逆變器。
全文摘要
直流側耦合的最好是電壓源式的第一和第二逆變器利用耦合變壓器分別與輸電線路并聯和串聯。控制第一逆變器的GTO可控硅的起始導通以便調節輸電線上的無功功率和向第二逆變器提供所需的有功功率。控制第二逆變器，以便向輸電線路串聯引入一個可以調節幅值和相對于輸電線路電壓相位由0°到360°變化的電壓，從而選擇性地調節輸電線路電壓幅值、輸電線路阻抗和輸電線路電壓相角中的一個或多個電量。
文檔編號H02J3/06GK1159255SQ94195159
公開日1997年9月10日 申請日期1994年8月11日 優先權日1994年8月11日
發明者拉斯勞·格于哥伊, 科林·D·施奧德 申請人:西屋電氣公司