CN101416365B - 用于控制传输线路中电力潮流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于控制三相交流传输线路中的电力潮流的装置(1)，包括串联变压器单元(10)、并联变压器单元(20)和电抗单元(30)。

Description

用于控制传输线路中电力潮流的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于控制三相传输线路中电力潮流(power flow)的装置和方法。

背景技术

已知用于对这种传输线路中的电力潮流进行静态控制和动态控制的不同种类的装置。控制的目的可以是在输电线路或电力网络之间静态分配电力，以及抑制传输线路中的功率振荡。

已知相移变压器(PST)用于控制交流传输线路中的电力潮流，其中交流传输线路即互联两个电力网络并在电力网络之间传输有效功率的三相交流线路。存在多种已知的相移变压器的设计。图1示出了与一个这种已知设计对应的主要电路图，这种已知设计通常被称为正交调压器设计，并从美国专利公布6,737,837B1获知。该装置的主要部分是具有励磁绕组和调节绕组的并联变压器、具有调压绕组和串联绕组的串联变压器，以及利用其能够调节由PST引入的相移的带载抽头变换器。节点1处的线路电压被施加到并联变压器的励磁绕组并根据圈数比被转换到调节绕组。利用带载抽头变换器，可以抽取一部分调节绕组电压并将其馈入串联变压器的调压绕组。施加于调压绕组的电压随后根据圈数比被转换到串联绕组。Y型连接的调节绕组和三角型连接的调压绕组的结合引入了90度的电压相移，结果，这使得感应串联电压穿过串联绕组，该感应串联电压与节点1处的电压正交。图2描述了与图1描述的正交调压器相同的正交调压器的简化的正序电路图，其中90度的相移用符号表示为α＝e^jβ和 $\mathrm{\β}=\±\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 。

通过借助于抽头变换器来控制穿过串联绕组的电压的大小，以控制节点1和节点2处的电压之间的相移。通过控制节点1和节点2处的电压之间的相移，可以控制在一方面其中安装有PST的路径和另一方面在电力系统网络的并行路径之间的电力潮流的分配。

优点是相移变压器阻止由于馈电网络中的相角差导致的寄生电力潮流的能力。可以按照限定的方式将电力分配给用电设备并可以避免循环电力潮流。

然而，PST的使用使得控制速度慢。抽头变换器必须以连续的方式通过每个抽头位置。每个抽头变换被实现为约3-5秒。于是，PST不能以决定性的方式参与到电力分配之后的暂态周期中。而且，频繁的抽头变换，特别是在高电流的情况下，增加了维护的需要。

抽头变换器是机械装置，因而缓慢且是机械磨损的对象。其最大调节电压的范围是150kV，最大操作阶(step)数小于35。两个抽头位置之间的最大抽头电压约为4000-5000V，最大额定吞吐电流是约3000-4500A。最大功率处理能力是6000-8000kVA/抽头，且具有短路热限制。小的电压阶跃导致大量的机械操作。

此外，由于PST的短路电抗，PST消耗无功功率。图3示出了对于给定直通电流的有效相移和无功功率平衡的控制范围，其中PST的无功功率平衡位于X轴，相移位于Y轴。无功功率消耗随线路电流的增长呈二次方地增加，并且在电力系统高负荷时更为显著。

发明内容

本发明的目的是提供在上述介绍中所描述的那种装置和方法，与现有技术相比，其对于上述缺点来说构成了进步。

本发明基于以下实现，即在串联变压器单元和并联变压器单元之间可提供可控电抗单元，以便于同时提供电力潮流控制和电压支持控制。

根据本发明，提供一种用于控制三相交流传输线路中的电力潮流的装置，该装置包括：串联变压器单元，其包括用于传输线路的每个相的、具有初级绕组和次级绕组的串联变压器，其中次级绕组适于被串联连接在传输线路的相应的相中；以及并联变压器单元，其包括用于传输线路的每个相的、具有初级绕组和次级绕组的并联变压器，其中初级绕组适于被连接到传输线路和地之间；该装置的特征在于电抗单元，其包括用于传输线路的每个相的、在并联变压器的次级绕组和地之间串联连接的第一可控电抗和第二可控电抗，其中在第一可控电抗和第二可控电抗之间提供连接点，且其中每个相的串联变压器的初级绕组与传输线路其它两个相的可控电抗之间的连接点连接。

因此，提供一种用于控制电力潮流的装置，该装置同时提供电力潮流控制和电压支持控制。

在优选实施例中，可控电抗包括半导体，优选为用于控制电抗值的晶闸管。提供半导体开关能够在例如暂态情况下进行快速控制。

在优选实施例中，每个并联变压器包括抽头变换器，相应的可控电抗与之连接。借助于抽头变换器，能够改变电力潮流控制装置的整体特征，以考虑到电力系统中的缓慢改变。

其它优选实施例由从属权利要求限定。

附图说明

从结合附图的以下详细描述中，本发明的其他特点和优点对本领域的技术人员将变得更加明显，其中：

图1是现有技术的正交调压器设计的相移变压器的三相电路图；

图2是图1的现有技术的相移变压器的简化的正序电路图；

图3示出了图1和图2的现有技术的相移变压器的控制范围；

图4是根据本发明的控制装置的第一实施例的主要三相电路图；

图5是图4的控制装置的简化的正序电路；

图6是图4和图5的控制装置中所包含的可控电抗的实现；

图7是可控电抗的单方面(one sided)容性离散函数；

图8是可控电抗的单方面感性离散函数；

图9是可控电抗的离散控制函数；

图10是可控电抗的连续控制函数；

图11和图12示出了图4和图5所示的控制装置的控制范围的各部分；

图13是根据本发明的控制装置的第二实施例的主要三相电路图；

图14是图13中所示的控制装置的简化的正序电路；

图15-22示出了图13和图14中所示的控制装置的控制范围的各部分；

图23示出了图14的正序图和简化的矢量图；以及

图24和图25示出了根据本发明的使用控制装置的控制方案。

具体实施方式

下面将给出本发明优选实施例的详细描述。

图4和图5示出了整体上指示为1的根据本发明的用于控制电力潮流的装置。该装置包括串联变压器单元10、并联变压器单元20、包含两个可控电抗(XCR1和XCR2)31和32的可控电抗单元30，以及用于控制可控电抗的电抗值的控制单元40。这些单元适于三相操作。这意味着串联变压器单元包括三个变压器12a-c，每个变压器包括初级绕组121a-c和次级绕组122a-c。对于每个相，适于向初级绕组提供电压，该电压取决于传输线路的其它两个相之间的电压的可控部分，次级绕组适于连接到传输线路的各相中。

并联变压器单元20包括用于传输线路的每个相的、具有初级励磁绕组221a-c和次级调节绕组222a-c的并联变压器22a-c。初级绕组被连接在传输线路和地之间，次级绕组与可控电抗单元30连接，如以下所描述的。

可控电抗单元30包括用于传输线路的每个相的第一可控电抗31a-c和第二可控电抗32a-c，其在并联变压器的次级绕组和地之间串联连接。在第一可控电抗和第二可控电抗之间提供连接点Ja、Jb、Jc，并且每个相的串联变压器的初级绕组被连接到传输线路其它两个相的可控电抗之间的连接点。

与用于控制电抗值的控制单元40连接的可控电抗将被控制，使得如果第一可控电抗被控制在正的控制范围内(对应于正电抗值XCR1)，则第二可控电抗被控制在负的控制范围XCR2内，反之亦然。这意味着第一可控电抗31a-c和第二可控电抗32a-c被控制在相反的控制范围内。XCR1是否被控制在正的或负的控制范围内取决于该装置的配线排列(即符号β)，可提供开关装置(未示出)用于在正负控制范围之间转换。

关于控制参数的两个自由度现在可以用于控制与线路串联的感应的串联电压和该装置的无功功率平衡两者。通过控制无功功率平衡，可以控制例如节点1处的电压。于是可以实现对电力潮流和电压大小的同时控制。

图6示出了可控电抗XCR的一般优选实现，如可控电抗31和32。在这种情况下，XCR由两个容性晶闸管开关电抗阶33和两个感性晶闸管开关电抗阶34构成。阶数可随安装而变化。可控电抗也可仅由容性阶或仅由感性阶构成。

图6中的每个容性XCR阶33包括容性单元33a，和用于连接和断开容性单元的晶闸管开关33b。在该实施例中，所示的每个容性阶33还包括与晶闸管开关33b串联的感性单元33c，该感性单元与容性单元并联。感性单元33c只起改善电抗单元的开关性能的作用。在图6所示的实施例中，XCR还包括两个感性阶34，其中每个感性阶包括与用于连接和断开感性单元的晶闸管开关34b并联的感性单元34a。

结合任何数量的容性阶和感性阶都落入本发明的范围内。于是受控串联补偿装置可包括复数个容性电路和感性电路。

可控电抗单元30的XCR31、XCR32可以在不同配置下实现。在图7所示的第一实施例中，XCR包括可开关容性单元，通过该可开关容性单元，使XCR按离散阶是可控的。在图8所示的第二实施例中，XCR包括可开关感性单元，通过该可开关感性单元，使XCR按离散阶是可控的。在图9所示的第三实施例中，XCR包括容性和感性单元的组合，因此其按离散阶是可控的。在图10所示的第四实施例中，XCR包括使XCR连续可控的复数个可调整(boostable)的容性阶和复数个感性阶。

在本发明的第一单方面离散实施例中，XCR只包括容性单元。假设两个容性阶都是晶闸管开关的，且

X_C2＝2X_C1

则XCR单元具有被划分成如图7所示的离散阶的容性控制范围。

在本发明的第二单方面离散实施例中，XCR只包括感性单元。假设两个感性阶都是晶闸管开关的，且

X_L2＝2X_L1

则XCR单元具有被划分成如图8所示的离散阶的感性控制范围。

在本发明的另一个实施例中，XCR包括复数个容性和复数个感性单元。用以下方式来说明离散控制能力。假设两个容性阶和感性阶都是晶闸管开关的(即没有产生谐波的增压)，且

X_C2＝2X_C1

|X_L|＝|2X_C2|

则XCR的各部分具有被划分成如图9所示的离散阶的容性和/或感性控制范围。

用以下方式来说明根据本发明的连续可控实施例(当然可以改变阶数)。在该实施例中，XCR包括连续可控(可调整)的复数个感性单元和复数个容性单元。假设容性单元是可调整的，这样它们在

$\left|X_{\mathrm{CB}1}^{\max }\right|\≥X_{\mathrm{CB}1}\≥\left|X_{\mathrm{CB}1}^{\min }\right|$ 和 $\left|X_{\mathrm{CB}2}^{\max }\right|\≥X_{\mathrm{CB}2}\≥\left|X_{\mathrm{CB}2}^{\min }\right|$ 之间是连续可控的，其中

$C_{\mathrm{CB}1}^{\max }=2X_{\mathrm{CB}1}^{\min },$ $C_{\mathrm{CB}2}^{\max }=2X_{\mathrm{CB}1}^{\min },$ $C_{\mathrm{CB}2}^{\max }=3X_{\mathrm{CB}1}^{\min }$

并且感性部分的大小为

$\left|X_L\right|=\left|2X_{\mathrm{CB}2}^{\min }\right|$

则XCR的各部分在如图10所示的范围内连续可控。

在该实施例中，对根据本发明的装置的控制分辨能力(resolution)在控制范围的大部分中是无限的。

图11和图12示出了对于控制参数XCR1和XCR2的两个不同区域的相移和无功功率平衡的、本发明的装置的控制范围的各部分。可见，在-60度和+60度之间的大部分相移是可以实现的，并且其可以在不同无功功率平衡上实现。应该注意到，与典型的PST相比，根据改变操作点的动态响应是快速的，这是因为，根据本发明，该变化是通过晶闸管开关完成的。

图13和图14示出了与图4和图5所示的实施例相同的本发明的实施例，所不同的是，并联变压器22a-c的次级调节绕组另外配备有抽头变换器223a-c，该抽头变换器223a-c包括用于缓慢调节整体控制范围的正/负开关(未示出)。

显然，在该实施例中，图11和图12所示的控制范围可以通过使抽头变换器处于一个端部位置(可表示最大分接位置)来实现。如果抽头改为位于到最大分接位置的中间位置，则获得图15和图16所示的控制范围。在中间位置，则获得图17和图18所示的控制范围。如果操作正/负开关使得可以实现相反的抽头变换器动作，则抽头变换器的端部位置可表示最小分接位置。如果抽头位于至最小分接位置的中间位置，则获得图19和图20所示的控制范围。最后，如果抽头变换器位于最小分接位置处，则可实现图21和图22中的控制范围。

于是，可以根据相移和无功功率平衡来缓慢调节动态操作范围。

关于动态操作范围，是指操作范围中这样的部分：其可被控制得足够快，以减轻电力系统中的机电暂态的结果。因为晶闸管控制的电抗XCR1和XCR2能够容易地在几分之一秒内从最大容性到最大感性来改变操作点，并且反之亦然，因此这有助于例如抑制源于同步机(发电机)中的机电振荡的功率振荡。另一方面，每一阶进行大约5秒且必须顺序通过每个阶的抽头变换器太慢，以至于不能在暂态周期内积极地起作用。换句话说，该装置的操作范围的动态部分对应于可控电抗的操作范围。

然而，通过在预干扰情形下控制抽头变换器，可改变控制装置的整体特征。

主要的控制目的，即安装根据本发明的控制装置的原因包括以下的一种或多种：

-慢态/准稳态电力潮流控制

-快速动态电力潮流控制

-快速动态电压支持

-功率振荡抑制

慢态/准稳态电力潮流控制是在一方面其中安装有根据本发明的装置的传输路径与另一方面的并行路径之间的电力分配的慢控制。电力潮流控制主要通过控制装置的有效相移来实现。为满足该目的所要求的控制速度足够慢，以令PST和根据本发明的装置都能满足。

快速动态电力潮流控制是在一方面其中安装有根据本发明的装置的传输路径与另一方面的并行路径之间的电力分配的快速控制，用以对系统的各部分进行援救，进而减轻特别是稳定性的问题。快速动态电力潮流控制还主要通过控制装置的有效相移来实现。

快速动态电压支持通过快速改变装置的无功功率平衡使得产生足够的无功功率进而能够维持所期望的电压来实现。这对于容易出现电压崩溃的系统来说是重要的。类似地，如果电压过高，无功功率的产生可以被快速降低或增加消耗。

功率振荡抑制是根据本发明的装置的快速控制，用以减轻典型的在电力系统中的干扰之后的功率振荡。功率振荡抑制主要通过控制装置的有效相移来实现。这些振荡的频率典型地处于0.1-2.0Hz范围内，并且很大程度取决于参与振荡的同步机(典型地为发电机)或机器组的惯性常数。通过晶闸管控制的XCR1和XCR2可以满足为达到该目的所需要的控制速度。

通过在干扰后的几分之一的暂态周期内快速改变XCR1和XCR2的操作点，能够改变在其上安装有根据本发明的装置的传输互联的特性。特别是，如果安装了若干装置且它们的控制是同等的，则能够使系统的、经历例如稳定性问题的受干扰部分快速地免于进行功率传递，而系统的完好部分获得功率传递。通过具有在假设干扰发生后小于0.5秒内在控制范围的端点位置之间工作的能力，能够显著的提高整个互联系统的暂态性能。然而抽头变换器太慢以至于不能在该时限内动作，其预干扰操作点将影响本发明的整体特征，因而影响传输互联。

抽头变换器主要被控制用于相对于未来可想象的意外事故而向装置提供希望的动态范围。因此，希望抽头变换器的操作数对于所给安装来说很低，这样可降低对抽头变换器的维护需求。

由于并联变压器和串联变压器的短路电抗而消耗无功功率，该短路电抗由于抽头变换器的位置而与XCR1和XCR2的电抗相比仅具有小的变化，其中XCR1和XCR2的电抗由于其自然特性而具有实质上更大的变化。结果，XCR1和XCR2可以产生或消耗大量的无功功率，这取决于接通了多少容性阶和感性阶。主要的优势是同时执行电力潮流控制和电压支持控制的可能性。例如，如果电力系统由于一些原因而在电力支持方面较弱，也就是说电压低，则产生无功功率或至少限制装置的无功功率的整体消耗是有利的。类似地，如果电压高，则消耗无功功率或至少限制装置的无功功率的整体产生是有利的。

图23示出了图14所示装置的正序图和简化的矢量图(矢量用黑体显示)。节点1和节点2的节点电压之间的有效相移δ取决于注入的串联电压和跨越串联变压器的短路电抗的电压降。线路电流I_L在多数情况下大约与节点电压共线(假设主要是有功功率传递)。来自于串联变压器的内部电流I_s相对于线路电流被偏移角度β(+90度或-90度)。该电流是通过XCR1的电流I_CR1和通过XCR2的电流I_CR2的总和。然后，电流I_CR2被转换并在节点1被注入系统。

跨越XCR1的电压V_CR1与注入电压成比例，该注入电压进而基本上等于ΔV(忽略跨越串联变压器的短路电抗的电压降)。换句话说，通过控制V_CR1的大小，可以控制相移δ。V_CR1的电压大小等于通过XCR1的电流和XCR1的电抗的乘积。此外，电流I_CR1和I_CR2的大小取决于针对固定电压V_T(由抽头变换器控制)的XCR1和XCR2的大小和符号。现在，无功功率平衡基本上(为简便起见忽略来自变压器短路电抗的贡献)等于通过XCR1和XCR2的电流的平方乘以对应的电抗。因此，通过控制XCR1和XCR2的大小和符号可以控制相移和装置的无功功率平衡。

以上控制的目的可以通过多种不同的方式实现。图24概述了优选实现。该控制方案由两个控制环构成，这两个控制环可以具有不同的时间响应以避免振荡。上部的环通过功率P^m来测量有功功率，并将其与参考值P^ref比较。如果存在控制错误，PI调整器将通过增加或减小XCR1进行动作。换句话说，通过控制相移来实现电力潮流控制。第二个环测量节点1的电压大小

，并将其与参考值比较。如果存在控制错误，PI调整器将通过增加或减小XCR2进行动作。换句话说，通过控制无功功率平衡来实现电压控制。可通过适当调整时间常数T₁和T₂来控制两个环的时间响应。

可通过辅助信号S来提供功率振荡抑制。该信号可以如图25所示的那样生成，其中，第一个块包含测量装置的时间常数，第二个块是获得功率振荡的冲洗(washout)块，第三块和第四块是为辅助信号提供相对于功率振荡的正确相移的超前滞后块，最终由增益为辅助信号提供适当的放大系数。

虽然有利，但本发明的范围不必被所呈现的实施例限定，本发明的范围还包含对本领域的技术人员来说是明显的实施例。

重要的是避免跨越XCR1和XCR2的、可能损害装置的高电压。控制系统于是应具有在该控制系统中实现的保护限制，以便于跨越这些电抗的高电压被迅速降低。此外，应该通过用于进一步保护的电涌放电器来对其进行保护。

已经描述了晶闸管控制的电抗。可以理解，其他种类的功率半导体也可用于控制电抗。

Claims (11)

1.一种用于控制三相交流传输线路中的电力潮流的装置(1)，该装置包括：

串联变压器单元(10)，其包括用于传输线路的每个相的、具有初级绕组(121a-c)和次级绕组(122a-c)的串联变压器(12a-c)，其中次级绕组适于被串联连接在传输线路的相应的相中；以及

并联变压器单元(20)，其包括用于传输线路的每个相的、具有初级绕组(221a-c)和次级绕组(222a-c)的并联变压器(22a-c)，其中所述并联变压器的初级绕组(221a-c)适于被连接到传输线路和地之间；

其特征在于：

电抗单元(30)，其包括用于传输线路的每个相的、在并联变压器的次级绕组和地之间串联连接的第一可控电抗(31a-c)和第二可控电抗(32a-c)；

其中，在第一可控电抗和第二可控电抗之间提供连接点(Ja，Jb，Jc)；并且

其中每个相的串联变压器的初级绕组的两端分别与传输线路其它两个相的可控电抗之间的连接点连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中可控电抗(31a-c，32a-c)包括半导体(33b，34b)，用于控制电抗值。

3.根据权利要求1所述的装置，其中可控电抗(31a-c，32a-c)包括晶闸管，用于控制电抗值。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中每个并联变压器(22a-c)包括抽头变换器(223a-c)，相应的可控电抗(32a-c)与该抽头变换器连接。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中第一可控电抗(31a-c)和第二可控电抗(32a-c)具有正或负的相反的控制范围。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中可控电抗(31a-c，32a-c)具有被划分成离散阶的容性和/或感性控制范围。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中可控电抗(31a-c，32a-c)具有连续可控的容性和/或感性控制范围。

8.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中每个可控电抗(31a-c，32a-c)包括容性阶(33)，每个容性阶包括与半导体开关(33b)串联的感性单元(33c)，该感性单元与容性单元(33a)并联连接。

9.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中每个可控电抗(31a-c，32a-c)包括感性阶(34)，每个感性阶包括与半导体开关(34b)并联的感性单元(34a)。

10.一种用于控制根据权利要求1的装置(1)的方法，包括改变可控电抗(31a-c，32a-c)的电抗值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述装置(1)的每个并联变压器(22a-c)包括抽头变换器(23a-c)，相应的可控电抗(32a-c)与该抽头变换器连接，该方法包括控制该抽头变换器以改变装置的整体特征。

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