CN101335457A - 电力系统稳定器及方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统(10)稳定器及方法，稳定器(12)包括：传感器(14)，其被配置用于检测表征电力系统机电振荡的信号；控制器(16)，其被配置用于使用所述检测信号来产生用于阻尼所述机电振荡的控制信号；以及阻尼器(18)，其包括阻尼变换器(20)和耦合至该阻尼变换器的电阻器(22)，该阻尼变换器通过电源总线(24)耦合至电力系统，该阻尼变换器被配置用于使用所述控制信号来阻尼机电振荡。

Description

电力系统稳定器及方法

技术领域

这里公开的主题通常涉及电力系统的稳定性。

背景技术

当电力系统连接到一个发电量为数千兆瓦的大型电网时，电力系统的任一独立的电力负载通常只具有微乎其微的影响。相反，岛电力系统(island power system)不连接到大型电网且岛状电力系统与电网只具有微弱连接(如借助于具有相对高阻抗的长传输线)。岛和岛状电力系统通常应用在航海工业(例如，大型船只的舰载电力系统)、隔离的岸上设备以及石油工业和煤气工业。在这种电力系统中，发电和连接的负载之间的平衡更加难以控制，且电压和频率的波动更经常观测到。

岛和岛状电力系统的干扰可引起不稳定，其会导致系统关闭(shutdown)。稳定措施和控制被用于在发生这种干扰时改进系统性能。这种稳定措施和控制的类型包括暂态稳定器(如快速动作开关制动电阻器、机械功率降低系统以及故意产生断开连接系统)、动态稳定器(如可变电导元件和调制同步发电机的场电压的控制装置)以及它们的组合。在故障状态(如短路)时(或其后)使用暂态稳定器，其中一个或多个机器的角速度相对于系统中其它的机器会增加，并由此引起同步损耗。动态稳定器被用于解决由涉及在正常或紧急操作过程中的开关操作的干扰所引起的小的信号问题。

在传统途径下，当使用开关制动电阻器时，耗散功率难以控制，因此难以实现动态稳定支持。此外，还使用高电压元件(例如标称(nominal)电压高于1千伏)。

当通过发电机励磁控制企图改善动态稳定性时，暂态稳定性能却通常未能显著增强。

有时候使用可变电导，如动态制动电阻器用来在干扰后稳定电力系统。动态制动电阻器通常包括直接耦合至电力系统总线的或经过变压器耦合至电力系统母线(busbar)的反并联晶闸管。这些方法需要阻尼功率，阻尼功率通常可通过包括高电压装置的实施例实现。

理想的是具有适合于岛和岛状电力系统且能够提供暂态和动态稳定性的电力系统稳定器。

发明内容

申请号为11/381900的共同受让人的US申请涉及电阻扭转模式阻尼系统及方法(RTMD)。RTMD系统使用可控电阻模块用于解决传动系统(drive train)应用中的扭转振动问题。在具有标称电压要求的电力系统如油气钻探系统和风电场，的电力系统稳定应用中，具有类似功能(不需要高电压设备)将是非常有用的。

简要来说，根据本申请公开的一个实施例，电力系统稳定器包括：传感器，被构造用于检测表征电力系统的机电振荡的信号；控制器，被构造用于使用所述检测信号产生用于阻尼所述机电振荡的控制信号；以及阻尼器，其包括阻尼变换器和耦合到该阻尼变换器的电阻器；该阻尼变换器通过电源总线耦合至电力系统并被构造用于使用所述控制信号来阻尼所述机电振荡。

根据本申请公开的另一实施例，用于稳定岛或岛状电力系统的方法，包括：检测表征电力系统机电振荡的信号；使用该检测信号用于产生阻尼该机电振荡的控制信号；以及向阻尼器提供该控制信号，该阻尼器包括阻尼变换器以及耦合至该阻尼变换器的电阻器，其中该阻尼变换器通过电源总线耦合至电力系统。

附图说明

当参照附图阅读了如下详细描述后，本发明的这些和其他特征、方面及优点都将变得容易理解，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1为根据本发明公开的一个实施例的电力系统稳定器的原理图。

图2为根据本发明另一实施例的电力系统稳定器的原理图。

图3是根据本发明另一实施例的电力系统稳定器的原理图。

图4是与图3的实施例相关的仿真图，示出了电阻器电流与时间的关系。

图5是与图3的实施例相关的仿真图，示出了电阻器电流、未过滤的有功功率与时间的关系。

图6是根据本发明另一实施例的电力系统稳定器的原理图。

图7为与图6的实施例相关的仿真图，示出了电阻电流与时间的关系。

图8是与图6的实施例相关的仿真图，示出了电阻电流与时间的关系。

图9是根据本发明另一实施例的电力系统稳定器的原理图。

图10是与图9的实施例相关的仿真图，示出了与图9的各个开关装置对应的电流与时间的关系。

图11是与图9的实施例相关的一组仿真图，示出了线电压、线电流及调制功率与时间的关系。

具体实施方式

图1是本发明公开的一个实施例的电力系统10和稳定器12的原理图，其中电力系统10的稳定器12包括：传感器14，其被构造用于检测(sense)表征电力系统10机电(electro mechanical)振荡的信号；控制器16，其被构造用于使用该检测信号产生阻尼(damp)所述机电振荡的控制信号；以及阻尼器18，其包括阻尼变换器20和耦合到该阻尼变换器20的电阻器22。阻尼变换器20通过电源总线24耦合至电力系统10并被构造用于使用所述控制信号来阻尼所述机电振荡。

阻尼变换器10可包括任意合适的可控功率变换模块，其具有多个实例，包括晶闸管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)以及IGCT(集成门极换流晶闸管)桥。当在岛或岛状电力系统中实施时，阻尼器18被认为是最有用的。在更特定的实施例中，电力系统10包括电力系统，其被配置用于向工业电力系统(例如用于获取油(oil)、气(gas)或它们的组合的系统)的组件提供电力。在一替代性实施例中，电力系统10包括风轮机。

电阻器22可包括任一合适类型的电阻器，其具有多个实例，包括钢电阻器(steel resistor)和水电阻器(water resistor)。如果理想的化，传统的冷却设备可被应用，以辅助散热。

本文使用“控制器”或“控制”，旨在涵盖用于完成指定的控制功能的任意合适的模拟、数字或模拟和数字电路的组合或处理单元。在一个实施例中，控制器16被构造成在正常运行过程中，产生用于阻尼机电振荡的控制信号以及在暂态运行过程中，产生用于提供机电制动的控制信号。在更特定的实施例中，所述系统被配置用于提供小于或等于10Hz(或更具体地在0.1Hz-3Hz范围内)的调制程度。在该调制范围内，电阻是有用的，因为具有合理尺寸的电感元件自身无法提供该阻尼功率。然而，如参照附图3以下所描述的，过滤元件(如电感器)可与所述电阻器组合使用。

在一个实例中，表征机电振荡的信号包括耦合至一个或多个母线24和124的一个或多个发电机12和115的角速度。如果发电机15的角速度例如以高于阈值速率的较高速率增加(或减小)，那么可采用调制向至少一个电阻器提供更多的电流(或更少的电流)从而抵消潜在的稳定性问题，其中调制的程度与所述角速度变化率的增加或减小程度成正比。

角速度传感器是有用的，因为这种传感器通常已经存在于发电机中。然而，也可使用其它传感器，一个实例包括耦合至母线24和124的频率传感器(未示出)以及被构造用于检测变化频率的控制器16和116。传感器的许多其它例子包括用于区分电气故障和系统频率事件(如发电机跳闸(trip)的电压传感器、根据机器操作点调节用于暂态稳定的稳定装置运行的阈值的功率传感器以及输出来检测机电振荡的机器功率的功率传感器。

角速度和频率参数以及它们的变化率都是要观测的有用参数，因为系统通常运行将角速度和频率保持在限定范围内。对于许多电力系统而言，虽然阈值根据电网或工业电力系统的要求以及发电单元的特性而改变，但是如果频率的变化率大于约每秒2％，那么故障可能发生且稳定装置要启动暂态稳定性支持。变化率阈值也可被设定为与被监控发电机15的有功功率输出成正比。

基于传感器14的反馈信号对经过电阻器22的电流进行调制。如果控制器16检测到稳定性问题，那么控制器16会激活稳定器并以相同的频率成比例地增加电阻器中的电流以平衡所述检测信号的变化。

图1示出了一实施例，其中使用了多组传感器14、114，控制器16、116以及阻尼器18、118。每个母线24、124上具有至少一个传感器14、114且将传感器定位在发电单元15、115的附近，这是有用的担不是必须的。这个实施例对于分布式电力系统特别有用，其中多个母线不耦合到一起，因为不同的母线对于系统干扰会反应不同。

当应用多个传感器和控制器，在无干扰(稳态条件)的情况下，阻止电阻器过热，细致选择阈值和信号过滤是非常有用的。例如，在一个实施例中，仅在起动阈值的角速度偏差在1-15Hz频率范围内为至少1％(或在更具体的实施例中至少2％)的情况下，控制器产生阻尼控制信号。在更具体实施例中，还使用了结束阈值。例如，在一个实施例中，控制器持续产生阻尼控制信号直到角速度的偏差降至很低的比例，例如0.5％。

在一个实例中，发电机15包括具有低惯性力矩的发电机，象航空(aeroderivative)燃气轮机驱动发电机。在另一实例中，发电机15包括风力发电机或在一更具体的实施例中，直接驱动风力发电机。此外或替代性地，传感器可耦合至电动机17，这种实施例对在偏远环境中运行的电动机尤其有用，如海上油气钻探。

图2是根据本发明公开的另一实施例的电力系统稳定器的原理图，其中一个传感器214经过一个或多个控制器216、316用于控制多个阻尼器218、318。虽然只示出了两个控制器，但是功能可在一个或多个处理单元中实施。图2具有单个传感器、多个阻尼器的实施例，在具有单个母线224的实施例中被认为是有用的，且甚至在每个发电机都展示共同的动态特性的实施例中更加实用。

图3是根据另一实施例的一电力系统稳定器的原理图，其中阻尼变换器20包括交流到直流晶闸管30整流器。更具体地，在图3的实施例中，阻尼器包括至少两个阻尼变换器20、120，每个阻尼变换器耦合至相应的电阻器22、122。具有多个变换器和电阻器的实施例在元件选择上具有更大的灵活性和更大的冗余度。在一用于减小谐波失真的更具体的实施例中，如图3所示，变压器26被构造用于将阻尼变换器耦合至电源总线，其中至少一个阻尼变换器20耦合至Y型(wye)结构的变压器，且至少阻尼变换器120的另一个耦合至三角(delta)结构的变压器。

图3还示出了一实施例，其进一步包括过滤元件，以实例的目的示出为电感28。在一更具体的实施例中，该过滤元件具有电感值，其与所述电阻器串联，在1毫亨(millihenry)-20毫亨的范围内(或更具体地位于1毫亨-5毫亨的范围内)。

图4为与图3实施例相关的仿真图，示出了电阻器电流与时间的关系，以及图5为与图3实施例相关的仿真图，示出了电阻器电流以及未过滤有功功率与时间的关系。为了抵消电力系统10的机电振荡，可使用平方函数以被控制的方式切换晶闸管30，从而提供近似(approximated)反振荡正弦波。

图6是根据本发明公开的另一实施例的电力系统稳定器的原理图，其中阻尼变换器220包括二极管整流器34，其与电容器36并联，电容器36依次耦合至IGBT模块38。

IGBT实施例比晶闸管(线整流(line commutated))实施例需要更多元件，但是具有自整流(self commutated)的优点，因此即使在电网故障状况下也能正常工作。更具体地，IGBT使得在非对称电网故障情况下实现电压穿越(ride through)能力(意思是即使电网电压降低到例如50％，能够传输需要的阻尼功率)以及阻尼能力。因此，这个实施例可用于增加对电力系统故障的耐受性(tolerance)(或电力系统故障下的稳健性(robustness))。

图6示出了具有三对IGBT40、42的IGBT模块的实施例，每一对IGBT与其它对并联耦合。图6进一步示出了三个电阻器222、322和422，每一个耦合在相应IGBT对中的一个IGBT的两端。虽然该实施例非常方便，因为六个IGBT模块都是商业上可获得的，但是该图示只是实例。此外，在描述IGBT和电阻器时，此处使用“三”，意思是包括至少三个。

在图6的实施例中，通过用脉冲宽度调制切换下面的行的IGBT40，经过每个电阻器可接近为正弦波。虽然上面的IGBT42无需切换，但是由于它们固有的续流二极管(freewheeling diode)功能，这些IGBT仍然是有用的。对于没有上面的行的开关实施例而言，推荐使用续流二极管元件。图6还示出了电感128，其存在于二极管整流器34和电容器组36之间，用于滤波。

虽然示出了三个支路41的开关和电阻器，但是如果理想的话，也可使用单支开关和电阻器，但不具有象多个支路实施例那么高程度的控制。例如，如果两个IGBT40和140同时切换，当使用同等阻值的电阻器时，并联耦合结果是有效阻值将减半。

在用于控制图6的IGBT模块的一个实施例中，如果实际的电网速度或频率在正负阈值百分比(在一个实例中为2％)内相应于标称(nominal)电网值，那么在规定时间内只有一个电阻器可连接到直流链路。为了在所有电阻器之间热分配积累的(dumped)能量，可在定义的时间周期(例如0.1秒)内顺序(PWM或滞后控制)切换IGBT。为了提供全部的阻尼功率，可同时切换多个IGBT以并联连接所述电阻器。

流经给定电阻器的电流可用这样的方式进行控制，获得包括一个频率(或频率范围)的有功阻尼功率以抵消电力系统的低频振荡。图7和8是关于图6的实施例的仿真图，示出了电阻器电流在不同切换频率时与时间的关系，其中图7的频率为800Hz，图8的频率为8kHz。

图9是根据另一实施例的电力系统稳定器的原理图，其中所述阻尼变换器包括至少两个IGBT模块38、138和238，并提供了比图6的实施例甚至更大的灵活性，尤其当至少一些IGBT模块如图所示并联耦合时。根据所述检测信号，选择性地同时切换或顺序切换所述至少两个IGBT模块的IGBT。

模块的耦合允许选择便宜的元件来实现所需的阻尼。在一个实例中，每个支路141具有不超过2MVA(兆伏安)的额定功率。在一更具体的实例中，每个模块具有不大于1MVA的额定功率。

图10是关于图9的实施例正常运行(动态稳定)时的仿真图，示出了电流与时间相对于图9中不同切换装置的关系，其中下面行中的IGBT一个接一个地切换，因此阻尼能量在多个电阻器间进行热分配。

图11是图10的实施例在电压穿越状况(暂态稳定)下的一组仿真图，示出了线电压、线电流以及调制功率与时间的关系。从线图中可看出，100ms之后，实际线电压(示为线电压)立即下降至标称值的50％。通过同时切换三个IGBT模块的所有IGBT，阻尼电流(示为线电流)增加，因此仍可获得阻尼功率(示为调制功率)。

本文公开的实施例可用于提供暂态和动态稳定性以及具有限定标称功率的电力系统。一个或多个标准低电压功率变换模块可与所需数量的模块一起使用，所需数量取决于要被稳定的电量。期待多个模块实施例能够提供额外的优点，如扩展性、冗余度、成本效益以及穿越能力。

本申请公开的实施例的另一优点是模块化设计使得电力系统稳定器可被安装为分布式系统(亦即，如图1所示在电力系统的不同位置安装多个传感器和阻尼电阻器)。分布式稳定器系统即使在连接有一个稳定器模块的母线发生短路时也能提供稳定性(换言之，当一个稳定器模块受影响而其它的不受影响时)。

虽然本文只说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可对此做出许多修改和变化。因此，应当理解的是，附加权利要求旨在覆盖落入本发明真正精神范围内的所有这种修改和变化。

元件列表：

10：电力系统

12：稳定器

14、114、214：传感器

15、115：发电机

16、116、216、316：控制器

17：电动机

18、118、218、318：阻尼器

20、120、220：阻尼变换器

22、122、222、322、422：电阻器

24、124、224：电源总线

26：变压器

28、128：电感

30：晶闸管

34：二极管整流器

36：电容器

38：IGBT模块

40、140：IGBT

41、141：支路

42：IGBT

Claims (12)

1.一种电力系统(10)稳定器，该稳定器包括：

传感器(14)，其被配置用于检测表征电力系统机电振荡的信号；

控制器(16)，其被配置用于使用所述检测信号产生阻尼所述机电振荡的控制信号；

阻尼器(18)，包括阻尼变换器(20)和耦合至该阻尼变换器的电阻器(22)，所述阻尼变换器通过电源总线(24)耦合至电力系统，所述阻尼变换器配置成用于使用所述控制信号阻尼所述机电振荡。

2.根据权利要求1的稳定器，其中所述阻尼变换器包括二极管整流器(34)，其与电容器(36)并联耦合，电容器(36)依次耦合至IGBT模块(38)。

3.根据权利要求2的稳定器，其中所述IGBT模块包括三对IGBT(40，42)，每一对IGBT与其它对并联耦合，其中电阻器包括三个电阻器(222，322，422)，并且其中每个电阻器耦合在相应IGBT对中的一个IGBT的两端。

4.根据权利要求2的稳定器，其中所述阻尼变换器包括至少两个IGBT模块(38，138)。

5.根据权利要求1的稳定器，其中所述阻尼变换器包括交流到直流晶闸管(30)整流器。

6.根据权利要求5的稳定器，其中所述阻尼器包括至少两个阻尼变换器(20，120)，每一个阻尼变换器耦合至相应的电阻器(22，122)。

7.一种电力系统(10)，包括：

电力系统稳定器(12)，该稳定器包括：

传感器(14)，其被配置用于检测表征该电力系统机电振荡的信号；

控制器(16)，其被配置用于使用所述检测信号产生阻尼所述机电振荡的控制信号；以及

阻尼器(18)，包括阻尼变换器(20)和耦合至该阻尼变换器的电阻器(22)，所述阻尼变换器通过电源总线(24)耦合至所述电力系统，所述阻尼变换器被配置用于使用所述控制信号阻尼所述机电振荡。

8.如权利要求7的电力系统，其中该电力系统包括被配置用来向用于获取油、气或它们的组合的组件供电的电力系统。

9.如权利要求7的电力系统，其中该电力系统包括风轮机。

10.如权利要求7的电力系统，其中所述阻尼器包括位于电力系统内不同位置处的多个阻尼器(18，118)。

11.一种用于稳定岛或岛状电力系统的方法，包括：

检测表征所述电力系统机电振荡的信号；

用该检测信号来产生用于阻尼所述机电振荡的控制信号；以及

向阻尼器(18)提供所述控制信号，该阻尼器包括阻尼变换器(20)和耦合至该阻尼变换器的电阻器(22)，其中该阻尼变换器通过电源总线(24)耦合至该电力系统。

12.根据权利要求22的方法，进一步包括，在暂态运行期间，产生用于提供机电制动的控制信号。

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