CN100547871C - 电功率网络及其控制装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种装置，用于在故障状况下控制在电功率网络(1)中的传输网(3)网格点(4)通过连接线(5)所连接的设备(2)。

Description

电功率网络及其控制装置和控制方法

技术领域

本发明涉及一种电功率网络。这样的网络可包括ac和dc网的任何组合。更精确而言，本发明涉及一种用于电功率的高功率传输的网络。特别地，该网络包括电功率的功率生成和利用。该网络包括传输网和该网的网格点(gridpoint)中所连接的多个设备。这些设备包括用于产生电能、用于消耗电能以及用于控制网络的装置。这样的设备还可包括这样的装置的组合。具体而言，本发明涉及一种用于控制这样的网络的设备的装置和方法。应理解该上下文中的控制影响设备的性能。本发明还涉及一种用于执行该方法的计算机程序产品。

所述设备中所包含的装置中有旋转电机。这样的电旋转机包括转子和定子，所述转子和定子可关于彼此旋转，以完成可移动的磁场。该电旋转机由此被视为变换器(transformer)，其将机械能变换成电能，而反之亦然。第一实施例是发电机，而第二实施例是马达。根据本发明的设备还包括变压器，用于在网络的部分或其它网络之间进行电功率变换。特别地，所述设备包括包含用于控制网络的功率电子设备的装置。这样的装置包括静态VAR补偿器、静态转换器、电容器组、电抗器(reactor)等。

背景技术

一种功率网络，包括电功率的多个互连的产生器(producer)和消耗器(consumer)。产生器包括电功率生成装置，如发电机；而消耗器包括功率消耗装置，如马达或熔炉。网络还包括传输网，该传输网是在其中将电功率从产生器输送到消耗器的介质。这种网络中的故障状况将导致传输网中的电压下降，该故障状况可由突然的电流骤增(rush)引起。连接到该网的设备都具有安全装置，所述安全设备感测网格点中的电压，并在感测到电压下降时迅速将设备从传输网断连。

对旋转电机而言，电流的突然骤增将瞬时地增大电路中热的生成。这种热的增加将在小于一秒的部分的时间内损害该机器。因此，通过如开关装置(switchgear)的控制装置来保护旋转电机免于突然的电流骤增，该开关装置立即将该机器从与网格点的连接中断连。由此电路将断开，使得没有电流可流动。旋转电机通常被连接或集成到机械机(mechanical machine)。由此通过将机械力-诸如水动力、风动力或来自内燃机的动力-供给该机械机，该电机被旋转并因此产生功率。在此实施例中，旋转电机是发电机。

一种与机械机集成的旋转电机的系统可视为彼此相互作用的机械线路、磁线路和电路。由此，通过使这些线路中的一个断连，其它两个也必须被断连。尽管电功率可在数秒内断连，但机械功率不能这么快地断连。在机械机中通常合并有大的惯性矩，这必然影响该机器的停止。由此必须有像闸的装置存在，使得有可能停止旋转电机。磁线路也涉及惯性矩、以及静子或定子或如果存在的永磁体的铁芯的饱和。在这种情形中，仍然在转动的电机将产生电能，该电能可产生部分放电，损害旋转电机的电绕组的绝缘。还有机械功率供给，像风流和水流，其根本不能或不能那么快地转向或停止。

无论旋转电机是发电机一由此产生电功率，还是马达-由此产生机械功率，电路的断连以这样的方式来影响其它两个线路使得在两种情形中都必须存在多个安全装置。

变压器可视为互连的第一电路、磁线路和第二电路。在此情形中电流的突然骤增也将导致在电路中热的瞬时增大，且因此是有害的。两个电路可从其连接的每个瞬时断连。依赖于在数秒中何时发生这种断连，可能有以磁的方式存储的能量隐藏在变压器的芯中。这意味着变压器也必须具有多个安全装置，以便于保护变压器的绕组。

用于控制网络的所有设备，诸如功率电子设备、电抗器和电容器组，具有固有存储的能量，其在过流和断连的情形中必须注意。同样在这些情形中，存在用于将设备从网中断连和对所存储能量保护的安全装置。高压电容器组通常使其电容器单元单独地熔断。电容器组馈线(feeder)通常通过熔断式接触器或开关来保护。在断路器的情形中，提供了相故障和接地故障的保护。

如制造或生产工艺所需的，恒速异步感应马达的启动和停止，在任何工业中都是最常用的控制功能。为此，在世界的某些部分，与接触器以及某些小的保护和辅助继电器所组合的熔断式开关被称作“马达控制器”。类似地，这种单元的组件也类似地称作“马达控制中心”或MCC。启动和停止可只需要手动操作，然而，MCC通常在计算机的管理之下，计算机可执行启动和停止动作，而没有操作者的干涉。假设这样对工艺而言是安全的，有时工艺操作者可希望支配计算机并且手动地启动或停止马达。

马达控制可更为复杂，并包括速度的变化，这传统地由DC马达来完成。越来越普遍的是，控制通过将频率调整为任一笼型感应马达来实现。对较大单元而言，控制通过对于大压缩机驱动(compressor drive)总是高达40MW的同步马达来实现。对于这种大ASD(可调速驱动)而言，基本的是认识到速度控制器(或频率转换器)在马达封装(package)的整体部分中，其中所有部件被精细地相互调谐。具有工艺控制的接口基本上只将用于输入信号的协议提供到频率转换器，以便于增加或减少速度。

发电机类似于同步马达，且因此，某些发电机保护方案也可用于同步马达。

无论处于低或中等电压，马达线路经由断路器或熔断式接触器而被供给。在一系列的过流设计中，这是“最后”的过流决定(decide)。有两种类型的保护为马达线路所需。首先，马达和馈电线缆(feeder cable)通过断路器或熔断器而被保护免于短路。第二，需要保护，以防止负载的增加，引起马达、线缆和关联的开关装置控制装置中过量的电流和热。

首先提供了变压器保护继电器，来限制故障和失效(fault and failures)-如变压器内和连接引线中的短路-的后果。这种故障非常少，但如果这种故障出现，其发展非常快，使得保护不能挽救变压器免于永久的损害。然而，快速断连将限制后果，防止破坏性的火灾或爆炸。大变压器具有在阻抗和差动保护下的进一步的保护装置，如冗余或复制的短路的保护。延迟的过压保护被提供给变压器，其中具有提高电压的危险，如果允许持续，这可引起芯的磁饱和过热的损害。

高压电容器组通常使它们的电容器单元单独地熔断。电容器组馈线通常通过熔断式接触器或开关来保护。在断路器的情形中，提供了相故障和接地故障的保护。

从US 6 411 067

已知电压源转换器作为背对背的站(back toback station)来工作，或作为并行的静态无功伏安(var)补偿器来工作。转换器装置的目的在于提供一种装置，用于对携载交流电的传输线中的电功率的流进行控制。

从该文件进一步得知，在电传输系统中，能快速和准确地控制电功率的流以使功率流适合于变化的负载状况并实现稳定和可预测的功率流而与各种干扰无关，具有很高的重要性和价值。不同类型的装置已被提出并投入工作中，以便实现这种对功率流的控制。为此目的通常所使用的装置是所谓的统一功率流控制器(UPFC)。UPFC由两个AC/DC电压源转换器组成，它们分别被命名为激励器(exciter)和升压器(booster)。两个转换器的DC侧连接到公共电容器，该公共电容器提供用于转换器工作的DC电压支持并作为能量存储装置工作。

经由串联变压器，升压器的AC侧插入与传输线串联的可控量值和相角的同步AC电压。激励器的AC侧经由变压器并联连接到传输线，其中可控量值和功率因子角的电流注入到传输线或从传输线吸收。借助于UPFC，流过传输线的有功和无功功率可彼此独立地得到控制。激励器的主要任务是通过与传输线交换规定量的有功功率、来控制DC链路电压并将其保持在参考值上。激励器的次要任务是作为无功伏安补偿器来补偿无功功率，以便于将线电压保持在恒定水平上。

由此已公知的是，为了提供一种用于对携载交流电的传输线中的电功率流进行高度有效控制的装置，该装置可以相对低的成本来制造。这种装置包括：第一VSC(VSC＝电压源转换器)，在第一点连接到传输线；以及第二VSC，在第二点连接到传输线，所述第一和第二VSC使其DC侧连接到一公共电容器单元，其中该装置进一步包括旁路开关，该开关连接到所述第一点和所述第二点之间的传输线，与第一和第二VSC并联，使得当旁路开关断开时，第一和第二VSC将作为背对背的站来工作，而当旁路开关闭合时，作为两个并联的静态无功伏安补偿器。

当装置的旁路开关断开而VSC作为背对背的站来工作时，可实现对传输线中的电功率流的有力控制。在该第一工作模式期间，传输线中的交流电源的相、频率以及量值可通过该装置来控制，并且有功和无功功率可被彼此独立地得以控制。当装置的旁路开关闭合时，VSC作为两个并联的静态无功伏安补偿器来工作。在该第二工作模式期间，装置通过为传输系统生成无功功率或者从传输系统吸收无功功率而间接地控制传输线电压以及由此所传输的电功率。在传输线中的电功率流必须在很大程度上得到控制的时间段中，装置优选地工作在所述第一模式中，而在只需要少量的调节或根本不需调节的时间段中，装置优选地切换到所述第二模式。当装置在所述第二模式中工作时，功率损失低于在所述第一模式中工作时的损失。

从US 6 512 966(

等人)已公知了一种用于提高由可再生(renewable)功率产生设施所产生的电功率单元的商业价值。此方法的目的提高从可再生能量功率产生设施中所产生的电功率的商业价值。

该文件进一步叙述了风动力是一种“自然的”功率产生源，其本质上应视为用于产生电功率的最佳能源。风动力不需要燃烧矿物燃料，不会产生核废料副产品，不需要引导水源，且另外不会扰乱环境。另一方面，风动力是可变的(随机的)功率产生源，由此不为功率产生设备提供功率产生和网格设施在产生商业上可靠的功率时应具有的的控制类型。为处理这种可变性的问题，风动力的早期倡导者也试图确定在风力过度时“存储”风所生成的电功率的方法，以便以后在风暂停的时候进行补偿。

早期，风能设备(plant)通常相互隔离，并被提供有小规模的发电设施。通过各种实验，风能设备总的来说已经在发展，而现在的一种常用方案是将若干风涡轮分组在一起，以便形成发电场(farm)，其可通过每个只产生略高于一兆瓦特的较小设备的聚集，来生成高达数十兆瓦特的功率。

由此，该方法包括：确定在预定的未来时间从可再生功率产生设施所产生的预定功率量；以及将来自可再生功率产生设施的预定功率转换成首选功率(premier power)的单位，用于以标准频率应用于电力网(power grid)。

从US 6 577 108(Hubert等人)已知一种对公用电力(utility power)网络的电压调节，该网络包括：发电系统、传输系统以及服务于负载的分配系统。特别地，调节涉及一种系统，该系统用于控制能量传递到公用电力网络和将能量从公用电力网络传递出。调节系统的目的是补偿功率短缺或网络上的电压不稳的问题。

因此，该系统包括一控制器，其控制无功功率补偿装置在第一时间段中将无功功率递送到公用网络。在第一时间段后，在第二时间段中，该控制器控制无功功率补偿装置来将无功功率以预定水平提供到网络。功率补偿装置具有稳态的功率递送特征。

通过将所注入的功率增加到大于补偿装置的最大稳态的功率递送特征的N(N＞1)倍的水平、而已经检测到公用电力网络上的标称电压的预定量值的变化并对其做出反应，补偿装置的功率注入可有目的且逐渐地减少到最大稳态值，使得不包括通过网络的瞬时响应，该响应可导致电压不稳定和/或其它不期望的事件。

电压调节提供了一种方法，用于在最大的时间段中以过载模式来操作无功功率补偿装置，而不在补偿装置的过载能力已被耗费时，引起逆变器电流中的突然的、台阶状的变化，由此使得补偿装置的电流处于规定水平或以下。由此，如上所述，该发明减少了在公用电力网络中的不理想的瞬时现象(即，减幅振荡(ringing oscillation))的可能性。此外，基于网络的特征阻抗可确定基本上最优的斜降(ramp down)轮廓。

在第一时间段中，补偿装置将实际功率和无功功率供给公用电力网络。在第二时间段后，来自补偿装置的无功功率不间断地减少到稳态功率递送特征。因子N通常基于补偿装置的瞬时热容量特征(例如，1％的额定值)来确定。第二时间段基于补偿装置吸收热能的能力来确定。斜降轮廓可基于网络的特征阻抗来确定。网络的特征阻抗可使用公知的网络特征来确定。可替换地，无功功率补偿装置可将一刺激(stimulus)施加到网络并施加所测量的响应。

如上所述，已公知了用于保护连接至网的装置的系统和装置、用于控制电流的转换器、为了控制网络的经济方面以及用于功率不足或电压不稳定的补偿的电压调节装置。对功率网络本身的功能而言，有保持功率产生有效(alive)以及功率传输及功率消耗得以维持的需要。然而，在网中故障状况的情形中，所有设备具有将其自身从网中断连的趋势，由此使网没有传输且没有控制。因此，长时间以来需要提供一种在故障状况中仍然有效和可控的网络。

存在国家级上的调节，其需要风电场在故障期间以至少一些无功和有效功率的输入保持连接到电网，并在故障清除时继续功率的产生。进一步，有对连接至传输网络的风电场的国际规范。这些规范规定海上风电场-像其它主要的发电设备一样-不应失去稳定性或在通过主网络保护而断连的网络中短路处跳闸(trip)。以一种流行的方式来说，涡轮必须能够经受一短暂的死时间(～100毫秒)，并在故障已被断连且电压开始回复时继续发电。

用于从风中产生电功率的风涡轮，在这种情形中甚至比其它电功率产生器更脆弱。风是不能切断的，而且在那里用于在每一瞬间产生电功率，只要风存在。由此如果风车从网中断连，将丢失可能的能量产生。风将只通过风涡轮，无论其是否在推动。由此，即使在恶劣的状况中也保持风功率产生具有巨大的经济利益。由此，存在这样的需要，也就是，即使在网上故障状况中也使风涡轮工作。因为风不是每秒计数、可存储的能量。

发明内容

本发明的一个主要目的是提供一种方法和装置，用于在故障状况时控制功率网络中的功率传输。本发明的第二目的是当检测到故障状况时提供时间延迟(temporary delay)，以便有可能进行进一步调查故障状况的性质，并由此提供一暂缓(respite)，用于在网络仍然处于工作状况的同时来决定所应采取的正确动作。

根据本发明的第一方面，提供一种控制装置，用于在故障状况下控制电功率网络中传输网的网格点通过连接线所连接的设备，特征在于所述控制装置包括电压提升装置，所述电压提升装置包含在连接线中，所述电压提升装置包括连接到网格点的第一支路和包含电流抵抗装置的第二支路，所述第一支路包含切换装置，所述控制装置还包括计算机装置，所述计算机装置用于所感测的电功率网络上的故障状况的信号处理，所述计算机装置还用于影响所述切换装置的操作以在设备的跳闸装置被激活之前十分之一秒的范围内断开所述切换装置，使得在故障状况时电流被转向通过所述第二支路的电流抵抗装置，由此在一瞬间中升高电压以引入一暂缓用于所述计算机装置对进一步故障处理动作的估算。

在本发明的第一方面，所述目的通过在故障状况在设备和其到功率网络中的网格点的连接之间引入电压提升装置来实现。作为对所感测的网格点中电压下降的响应，这种电压提升装置或瞬时升压器将防止常规的保护装置触发(trig)(跳闸)，并且将有一短时间段，在该时间段中估算应采取的正确动作。在本发明的第一实施例中，电压提升装置包括与电阻器元件并联的开关。在正常状况下，该开关闭合，而电流在没有电阻的情况下通过。在故障状况中，该开关断开，而电流转而通过所述电阻器元件。这种电阻器元件将立即减缓电流的流动，并由此维持向着所连接的设备的提升的电压。结果，设备仍将连接到网，用于以减少的速率来产生或消耗功率。

根据本发明的电压提升装置被激活的时间事件(time incidence)是关键的。电压提升装置必须在设备的跳闸装置(tripping device)被激活很早之前被激活。本上下文中，很早之前指的是在十分之一秒的范围中。因此，电压提升装置包括用于从靠近故障位置的传感器接收信号的装置，并可包括用于从网络的其它控制装置接收信息的装置。

电阻器元件形式的电压提升元件温度将迅速地升高，但仍然引入一时间延迟，即一短的时间段，在该时间段期间将估算用于待采取的进一步动作的决定。待采取的进一步的动作可以是在从引入第二电压提升装置或重新设置Y-Δ连接到设备的完全断连的范围中的可能的多个动作之一。在本发明的第二实施例中，电压提升装置包括与自动变压器并联的断连开关，其可包括电阻器元件。电压提升装置还可涉及发电、电动和相补偿的能力。在本发明的进一步实施例中，电压提升装置包括电流转向装置(current diversion means)，该电流转向装置包括功率电子设备。

如马达或发电机的大多数设备经由断路器连接到传输网的网格点。在功率网络中由故障状况所引起的网格点的电压的突然下降，将引起对网格点的即时的电流骤增。这种电流骤增将引起所有保护装置和跳闸装置迅速将所连接的设备断连。只有数毫秒，多个保护装置将首先起作用。所有的这些保护装置具有保护设备而非功率网络的功能。如所讨论的，由于固有的惯性矩，设备的突然断连可损害设备本身。这种惯性矩通常与推力(thrust)和负载处于平衡。如果推力或负载断连，由此在设备中的固有力不平衡，这将损害该设备。因此，本发明的一个重要部分是实现电流转向不仅保护设备还贡献于对网络中功率传递的支持，该电流转向导致由设备所感测的电压的提升。

本发明尤其适用于具有多相并经历不对称的故障状况的网络。由此，当三相中只有一相经历故障状况时，连接可容易地重新设置，使得功率传输仍在进行，但处于降低的状态中。

如前所示，设备可包括连接到网格点的设备组合或多个设备。在这些情形中，本发明的电压提升装置可针对所有设备一次引入或针对单个或设备的组合来组合。尤其地，当涉及功率电子设备时，电压提升装置必须被引入在功率电子设备的下游。

根据本发明的第二方面，提供一种控制方法，用于在故障状况下控制电功率网络中传输网的网格点通过连接线所连接的设备，特征在于：感测所述故障状况；通过将电流转向连接线(5)所包括的电压提升装置(7)中的第二支路(11)的电流抵抗装置(13)，在一瞬间中升高经过电压提升装置(7)的电压以为所述设备(2)引入第一时间段的第一工作状况；在所述第一时间段期间，估算待引入的第二工作状况；以及引入所述第二工作状况，开始第二时间段，用于待引入的进一步故障处理动作的估算。

在本发明的第二方面中，所述目的通过一种方法来实现，该方法用于提升在功率产生器和至经历故障状况的传输网的连接网格点之间的电压，以便于引入用于对将采取的进一步动作的决定的暂缓。然而在此暂缓期间，在设备和网格点之间的功率传输仍将保持在降低的速率。

感测到网络中的故障状况时，电流立即从正常电流转向，以在第一时间段中影响电压提升装置。在该第一时间段中，有对于待采取的下一动作的估算。与设备以及网络状况相关的多个信息被连续地收集和估算。在此第一时间段中，估计了故障状况的性质，并决定了用于下一时间段的动作。在第一时间段结束时，实行第二动作。此第二动作可以是用于将功率流保持在降低的速率的多个重新设置之一。这种动作包括第二电阻器元件的连接、自动变压器的连接、或者旋转机或变压器的Y-·重新设置。第二动作是第二时间段的开始，在第二时间段中估算待采取的进一步动作。本方法由此包括：将电流从非抵抗(non resisting)连接转向到一并联支路，该支路包含电压提升装置；感测多个网络参数；以及对待采取的进一步动作进行估算。

在本发明的第三方面中，通过用于根据所述方法来控制电压提升装置的计算机程序产品，实现了这些目的。电压提升装置由此包含计算机装置和用于存储计算机程序产品的存储器装置。计算机程序产品包括用于计算机的指令，来评估上述方法。计算机装置包括用于从感测装置和从网络中的其它信息装置接收信号的部件(organ)。因此计算机程序涉及用于计算机的指令，以便评估信息源并计算至少一个用于待采取的动作的建议。

通过在短时间段即一瞬间中升高电压，将有一暂缓，用于做出对于待采取的正确动作的更合适的决定。通过引入根据本发明的这种瞬时升压器，有可能充分利用分散连接到传输、分配和收集线的马达、发电机及功率电子设备中可用的故障电压水平和可允许的电流水平。特别是，在用于大规模分布式功率产生的干线(mains)所互连的场地(park)中的可调速的风涡轮中，对用于高效和可代替的电功率产生的故障处理而言，瞬时升压器特别有用。

描述了用于电子功率设备-像旋转机、功率补偿器以及功率电子设备转换器一的瞬时升压器，用于引入暂缓，以便减少在故障期间从降低的电压和传输能力而导致的后果。

瞬时升压器改善了一些方面：与用作发电机或马达的旋转机中角速度和电压量关联的方面：电磁力、相量(phasor)等；以及与补偿器和互连线电压关联的方面。它们充分利用了在如电功率的生成、传输和利用的宽应用领域中的、发电机和功率电子设备中的可用故障电压水平和可允许的电流水平。

瞬时升压器提供了处理大量功率的低成本风涡轮场地及其互连的解决方案，具有高可用性和成本有效性，在正常操作期间不生成过量的热，但易于被改进成有成本有效的设计，其利用了时间额定(temporarily rated)的元件以增加功率引擎设备-如旋转机、功率补偿器和功率电子转换器-附近的电压。

分布式功率生成的互连的传输稳定性暂时得以改善，并将通过以下步骤来得到一暂缓：即立即引入((电阻性，)时间额定)电压上升元件，以增加发电机附近的电压，由此引起可理解的(appreciated)的电功率的衰减或耗散，否则加速涡轮并着重于互连和机械的稳定性。

暂缓首先被解释为从某种困难或不快中休息或释放的一短时段，而其次解释为当发生某种不好的停止时的一短时间，使得情况暂时变好。

对于本专利申请，在功率生成、传输和利用中使用暂缓一词的背景是，已进行了相当的努力来利用新能源，像所谓的“新的可再生的”，特别是风动力和太阳能，用于电功率生成。这些源在人类没有定居的地方可大量的获得。另外，它们不是可简单互换的源，没有能量不足的风险。这意味着需要其它能源来填充缺乏的功率。所有这些一起意味着将着重于发电机和负载之间的互连。

在故障状况，将需要暂缓以在数秒的部分内基于自动通信来调查该形势。现代数字通信系统特征在于事物处理时间段总计为数秒的部分或一秒。现代广泛使用的电功率传输和分配以及可再生功率收集系统特征在于从一个状态到另一个状态过渡或在较差情形中在数秒的范围中崩溃。

迅速从事于电功率网络中的扰乱的成本有效的硬件，有益于在故障发生时在正确方向做出第一补救(remedy)，并且给出暂缓来通信和调查该形势。本发明引入了设备，所述设备暂时接合为与发电机串联的元件，优选地以高达1kV的电压，以成本有效。本发明通常将应用在HV作为串联链路，或应用在互连的HV传输线中，但更成本有效的是在LV设置串联元件。

本发明引入了暂缓，以在短路故障期间测量基本参数，如角度、速度和电压量，并传送它们，在需要时用于自动的、基于计算机的形势调查。本发明针对风涡轮将焦点从公用电网的最差情形的限定改变，并处理略好于最差情形的风涡轮。其利用来自处在合理电压的源的无功功率的支持，并给予电功率网络一暂缓，以响应和恢复。

近来，作为环境安全且相对不昂贵的能源，风涡轮愈加受到重视。随着这种兴趣的增加，已进行了相当的努力来开发可靠和有效的风涡轮，由此，故障后风动力场地的可用性成为系统互连操作-如形成可代替的电功率网络的传输、分配和收集线-中地区级上的基本问题。

一般而言，涡轮连接到旋转电机，所述旋转电机在来自各种源的不同形式的机械功率之间进行转换。这些源中的某些-例如，来自矿物或核燃料的蒸气(steam)、来自坝的水动力等-可较好的控制和存储，而其它形式的例如来自风的能量较难以控制且不可存储，并且在灾难性故障后在地区级上在系统互连操作中以潜在的多米诺效应使风动力场地断连后甚至被完全浪费。除了以可调节的速度推动发电机的涡轮以外，所有涡轮在控制它们本身时都是缓慢的，功率电子转换器提供了优于传统恒速功率设备的电功率生成控制。

互连用于将电功率从发电机传输到负载-即，马达等-但被暴露于短路故障，由此电压水平例如通过过量的无功电流来降低，并且，从该低电压水平而导致了降低的传输能力，结果涡轮设备中功率过剩而马达负载功率不足。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，对本领域技术人员而言，本发明的其它特点和优势将变得更为明显，在附图中：

图1是经历故障状态的根据本发明的功率网络的一部分的简要概图，

图2是在网格位置中相对于时间的电压的图，

图3是在设备和根据本发明的电压提升装置之间相对于时间的电压的图，

图4是电压提升装置的一个实施例，

图5是电压提升装置的多个实施例，

图6旋转机、无功源和汇、以及功率电子转换器的概要图，

图7是概括旋转机和功率电子转换器传动(drive-train)的表，用于互连网格中的故障期间的改善-速度/相量-处理，

图8是概括旋转机、电机械设备和功率电子设备的表，用于互连网格中的故障期间的改善-速度/相量-处理，

图9是风涡轮场地以及用于功率收集和传输的互连概要图，示出了根据本发明的装置以及与网络中的传感器和激励器的通信，以及

图10是用于处理感测的数据、用于估算待采取的以及用于实现电流转向装置的计算机程序产品的原理布局。

具体实施方式

图1中所示功率网络的部分1包括用于将电能产生到网络或从网络消耗电能的设备2，设备2通过连接线5在网格点4连接到传输网3。根据本发明的控制装置6设置在连接线中。控制装置包括电压提升装置7、计算机装置8和用于存储数据的存储器装置9、以及计算机程序产品。多个切换装置包括在网络中标记有x的位置。在图中所概述的功率网络可以是单相网络以及具有多相的网络。最常见的是三相功率网络。

在根据图2的曲线图中，针对代表网格点4的点，示出了故障状态的时间事件。当在t₀出现故障状态时，电压从1pu的标称电压下降到图中所示的0.8pu的水平。由于第一开关装置的动作时间t₂-t₁，连接线在t₂断开。图2中所示的实例只是在功率网络中一种可能的情况的一个实例。

在根据图3的图中，故障状态t₀的时间事件相同，但图表示在电压提升装置6和设备2之间的连接线5a中的电压。恰在故障事件t0后的时间t₃，电压提升装置6被激活，且电压将几乎提升到标称。设备的保护装置没有感测到电压下降，且由此它们将不会触发。在错误状况的第一部分期间，设备仍连接，这导致了暂缓，用于进一步做出决定。电流将快速通过电压提升装置，由此造成了热产生的增加。依赖于故障状况的程度，暂缓将持续或长或短。由此通过本发明所实现的效果如图中的箭头所示。

电压提升装置7的一个优选实施例如图4中所示。第一电路径10包括功率开关12。开关通常闭合，提供电流以在没有电阻的情况下流过第一路径。第二电路径11包括抵抗装置(resisting means)13。在图中所示的实施例中，抵抗装置包括电阻器元件14。然而，应理解，抵抗装置应包含对电流产生电阻的任何元件。在网络中出现故障状态时，功率开关将断开，由此将电流转向通过第二路径，从而电流将经历电阻，由此提升了电压。

通过图形符号，根据图5，电压提升装置的不同实施例将对本领域技术人员显而易见。第一实施例A是电阻器，而第二实施例B是自动变压器。C是具有嵌入的电阻器的自动变压器，D是设备的Y-Δ耦合，E是变压器，F是串联的功率电子设备，而G是并联连接的功率电子设备。图5中所示的实施例只是用于理解本发明的实施例的一些实例。

通常被旁路的电抗器/自动变压器可以是一个物理实现，以为马达提供暂缓，并使马达驱动的瞬时电压稳定性更好，即只有图7中的表的左侧区域。这种关键的马达驱动在基于来自矿物或核燃料的蒸气的功率生成设备中例如被用作泵马达。其它的这种关键的马达驱动是金属工艺的扇马达(fanmotor)。一个创新性的步骤是使用升压器来稳定马达。

更昂贵的物理实现是通过暂时影响变压器在其绕组中的匝数之间的匝比率来实施更昂贵的“升高(step-up)”功率变压器(其几乎总是用作固定比率的变压器，以使发电机端子电压适于互连端子电压)。传统的近义术语是“具有负载上抽头改变器的功率变压器、具有OLTC的PT”。具有更昂贵的功率变压器的实施例包括匝比率的较大变化(比具有传统OLTC的PT升高在±5或10％内)，以产生从故障电压水平的电压增加，但是以小于1个百分点来增加风涡轮成本，这将通过更好的性能来得到回报。对于发电机并对于功率电子转换器，风涡轮拥有通常已经分离的PT抽头，因此，利用发明的“升高”功率变压器，只增加少量的成本和复杂性。

另一用于发电机和马达的实现是经由所谓的Y-Δ连接来实施本发明。

旋转机领域的技术人员已熟知，将没有供给的中断，以使瞬时应力保持为低。所以，Y-Δ连接，抽头变化、电抗器/自动变压器、电阻器...实现应以不可间断的或无电流的接触来实施，由此，用于Y-Δ连接的不可间断的接触是最少公知的。

作为分路(shunt)元件而连接的功率电子控制器受益于所述的物理实现。它们优选地在风涡轮中连接到发电机端子，以实现电压升高。当在互连网格的故障期间、用于改善的无功功率-源和汇(sink)-时，它们只能通过通常被旁路的电抗器/自动变压器或只通过自动变压器来升压，如图7。

在只有无功功率-源和汇-的情形中，有源损失必须保持得相当低，单词“相当”用于指出单纯的阻性电阻器不能用来暂时增加来自无功功率源和汇的输出。

嵌入在描绘为风涡轮场地的分布式功率产生DPG系统中的瞬时升压器如图8中左侧所示。这些瞬时升压器可嵌入在发电机和升高功率变压器之间，优选地以标称为低于但不限于1kV的电压水平。瞬时升压器还可在收集电压水平嵌入在增高变压器外部。其组合也可如图8中所示来使用。

增加的相数概述为图9中的N*3Φ。增加相数是有益的，因为成本有效的低压控制和开关装置设备以及经历＜1kV的标称电压的设备(staff)可用于3至4MW以上的DPG系统。两个3Φ系统在正常工作期间共享负载，同时它们在非对称故障期间相互支持，当在像发电机和马达的转动电机中以ΔΦ＝30°的相差相互连接时。N*3Φ系统的范围可任意地只选择发电机&升高变压器，或者也延伸到选择网格。这允许DPG系统设计者减少不对称故障的逆序成分(component)冲击，特别是在机械传动元件上，同时也在电功率系统元件上，并可由此被视为创新性构思的瞬时升压器的一部分。

瞬时升压器提供了处理大量功率的低成本风涡轮场地及其互连的解决方案，具有高可用性和成本有效性，在正常操作期间不生成过量的热，但易于被改进成有成本有效的设计，其利用了时间额定的元件以增加具有功率引擎设备-如旋转机、功率补偿器和功率电子转换器-的风涡轮场地附近的电压。

概括而言，所有的旋转机和功率电子转换器可通过电压升压器元件来暂时适应，该电压升压器元件在相邻的互连中的故障期间增加它们附近的电压。电压升压器可以是对称或不对称的。

与现有技术相反并根据公用电力的需要，由于降低了电流而增加了系统电压，本发明提高了将网络保持为一实体的可能性。

尽管对本领域技术人员而言，在阅读了前面的描述后，毫无疑问本发明的许多替换和修改将变得显而易见，但是应理解，以示意的方式示出和描述的具体实施例不应视为限制。因此，对不同实施例的细节的参考并非意图限制权利要求的范围，权利要求本身只陈述了视作本发明本质的那些特征。

当电压水平下降到其规范之外时，操作的主要模式将尽快与瞬时升压器反应。针对暂缓，尽快增加(端子)电压的所有补救是可能的。和现有技术的风涡轮不同，有源损失得以成本有效地利用，以提高系统性能，一种不为那些视发电机如马达的人应用而在功率等式中只有负号的方式。和现有技术的马达驱动不同，无功功率源和汇以及发电机、时间额定的电磁线路是成本有效的，以克服特别在功率电子转换器中的低系统电压的影响。

本发明还涉及一种用于在其中执行如通信、保护、感测和控制的操作的设备。该设备可以是模拟或数字或二者，并特别地为所需目的而构造，或其可包括通过计算机中所存储的计算机程序而选择性激活的或重新配置的一般目的的计算机。这种计算机程序可存储在计算机可读存储介质中，即适合于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个都被耦合到计算机系统总线。这里所提出的原理和布局并不固有地与任何具体的计算机或其它设备有关。各种一般目的的机器可根据这里的示教利用程序来使用，或者可证明构造更为专门的设备来执行所需的方法步骤是便利的。这些用于通信、保护、感测和控制等的各种机器所需的结构不是本发明的一部分。另外，本发明并不参考任何具体的编程语言来描述。

在图10中，示出了计算机程序的块图。计算机程序将通过执行包含存储器装置的计算机装置上的程序来执行所述的方法。当从网络中的远程传感器感测到故障状态时，计算机程序立即将设备和网格点之间的连接中的电流转向，以影响连接中的电压提升。在一个实施例中，这通过在电流中引入抵抗装置来实现。电流转向将导致设备仍处于操作中，但是以降低的速率。这将产生一暂缓，用于故障形势的估算，并用于决定待执行的下一动作。由此，产生第一时间段用于该估算。在第一时间段结束时，动作被实现，并在第一时间段随后，开始第二时间段，用于第二估算和决定暂缓。在每个暂缓期间，可出现故障状况消失。在此情形中，电流转向回到正常状态。在其它情形中，故障状况严重，这指示安全措施的形势。在这种情形中，主开关装置将断开电路，以使设备断连。在第三种情形中，故障状况可以是暂时的但不严重。在此情形中，第二暂缓可导致电路的重新设置。例如，有重新设置Y-Δ连接的可能性。

应理解，各种编程语言可用来实施这里所描述的本发明的示教。

Claims (10)

1.一种控制装置(6)，用于在故障状况下控制电功率网络(1)中传输网(3)的网格点(4)通过连接线(5)所连接的设备(2)，特征在于所述控制装置(6)包括电压提升装置(7)，所述电压提升装置(7)包含在连接线(5)中，所述电压提升装置(7)包括连接到网格点的第一支路(10)和包含电流抵抗装置(13)的第二支路(11)，所述第一支路(10)包含切换装置(12)，所述控制装置(6)还包括计算机装置(8)，所述计算机装置(8)用于所感测的电功率网络上的故障状况的信号处理，所述计算机装置(8)还用于影响所述切换装置(12)的操作以在设备的跳闸装置被激活之前十分之一秒的范围内断开所述切换装置(12)，使得在故障状况时电流被转向通过所述第二支路(11)的电流抵抗装置(13)，由此在一瞬间中升高电压以引入一暂缓用于所述计算机装置(8)对进一步故障处理动作的估算。

2.根据权利要求1的控制装置，其中所述切换装置(12)包括功率开关，用于将所述电流转向到所述第二支路。

3.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述电流抵抗装置(13)包括电阻器单元(14)。

4.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述电流抵抗装置(13)包括自动变压器。

5.根据权利要求1或2的控制装置，其中所述计算机装置(8)包括存储装置(9)。

6.一种电功率网络(1)，包括第一设备(2)、传输网(3)和第二设备，所述第一设备和第二设备通过连接线(5)连接到所述传输网的网格点(4)，特征在于，所述连接线包括根据权利要求1所述的控制装置(6)。

7.根据权利要求6的电功率网络，其中所述网络包括用于感测所述网上的故障状况的感测装置。

8.根据权利要求6或7的电功率网络，其中所述网络包括用于在所述控制装置、感测装置和激励器之间交换信号的通信装置。

9.一种控制方法，用于在故障状况下控制电功率网络(1)中传输网(3)的网格点(4)通过连接线(5)所连接的设备(2)，特征在于

-感测所述故障状况，

-通过将电流转向连接线(5)所包括的电压提升装置(7)中的第二支路(11)的电流抵抗装置(13)，在一瞬间中升高经过电压提升装置(7)的电压以为所述设备(2)引入第一时间段的第一工作状况，

-在所述第一时间段期间，估算待引入的第二工作状况，以及

-引入所述第二工作状况，开始第二时间段，用于待引入的进一步故障处理动作的估算。

10.根据权利要求9的控制方法，其中所述第一工作状况包括使电流转向以通过电压提升装置(7)。

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