CN101621203B - 静止无功校正器 - Google Patents

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Abstract

公开了静止无功校正器。用于向公用电力网络提供无功功率补偿的系统，包括：耦合到该公用电力网络的开关；与该开关相耦合的电容器，用于基于该公用电力网络的条件来提供受控的量的无功电流。该系统还包括：与该电容器相串联耦合的可切换的功率损耗装置，被配置用于在该公用电力网络的线路电压下降到低于阈值时，在预定的持续时间内提供针对该无功电流的预先选定的量的阻抗。

Description

静止无功校正器
技术领域
本申请涉及静止无功校正器(SVC)。 
背景技术
静止无功(VAR)校正器(也称为静止无功补偿器)是向输电网络提供电抗补偿的电气装置。SVC通常用在包括例如调节公用线路电压、改善网络稳态稳定性、以及在传输线路上建立接近于单位功率因数的各种应用中。 
典型地，SVC包括可以通过半导通开关(例如晶闸管)的组来分别地接入电路和从电路断开的可控电容器组。每个开关由基于线路条件生成的电选通信号来驱动，从而允许对应的电容器以受控的方式放电和导通。当使用能够对亚周期(例如在若干毫秒的量级上)内的选通信号进行响应的晶闸管开关时，SVC能够提供近乎瞬时的电抗流，以补偿公用网络上的电压/电流波动。 
由于变压器和长传输线路的存在，电力系统的源阻抗通常是感生的。因此，当电容器被接入该系统的传输线路上时，可能产生不期望的谐振条件。大量的谐振电流可能不期望地导致电路元件(例如电容器)中的过热以及公用线路中的电流失真。因此，在某些SVC中，提供失谐电抗器/电感器，以防止电容器在正常工作条件下(例如在额定电平的95％-105％内的线路电压)与线路电感谐振。然而，该电抗器-电容器耦合并不防止在低电压条件下(例如，当来自SVC的无功功率在临时停电或电压骤降之后被期望用于重建公用线路电压时)发生谐振。 
发明内容
在本发明的一个一般方面中，提供了一种用于向公用电力网络提供无功功率补偿的系统。该系统包括：耦合到该公用电力网络的第一开关；与该第一开关相耦合的电容器，以用于基于该公用电力网络的条件来提供受 控的量的无功电流。该系统还包括：与该电容器相串联耦合的可切换的功耗装置，被配置用于在该公用电力网络的线路电压下降到低于阈值时，在预定的持续时间内提供针对该无功电流的预先选定的量的阻抗。 
本发明的该方面的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。 
控制器被耦合到公用电力网络，并被配置用于基于该公用电力网络的线路条件来控制该第一开关。该控制器还可以检测该公用电力网络上的线路电压。当该线路电压处于期望的标称电压的95％到105％之间的范围内时，该控制器控制该第一开关以第一模式工作；当该线路电压低于该阈值时，该控制器控制该第一开关以第二模式工作。 
该第一开关可以包括：与可通过选通信号来切换的晶闸管相反向并联的二极管。替代性地，该第一开关可以包括：反向并联的第一晶闸管和第二晶闸管，该第一晶闸管和第二晶闸管中的每个可通过选通信号来切换。感性电抗器可以与该电容器相耦合，并被配置用于减少通过以第一模式操作该第一开关而产生的谐振。 
功耗装置可以包括与第二开关相并联耦合的电阻性元件。当线路电压低于阈值时，第二开关在预定的持续时间内断开，以允许电流通过该电阻性元件。在该预定的持续时间的结束时，第二开关导通以旁路该电阻性元件。 
在本发明的另一一般方面中，提供了一种用于控制连接到公用电力网络的无功功率补偿装置的方法。该方法包括：检测该公用电力网络上的低电压条件；响应于该低电压条件，使该无功功率补偿装置中的电容性元件在第一持续时间内对该公用电力网络进行放电；将可切换的功耗装置连接到该公用电力网络，以抑制通过该电容性元件的放电而产生的谐振。 
本发明的该方面的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。 
该电容性元件可以与第一开关相串联耦合。响应于该低电压条件，该第一开关在第一持续时间内导通，以允许该电容性元件将无功功率提供给该公用电力网络。 
可切换的功耗装置可以在预定的第二持续时间内与公用电力网络相连接，以抑制通过该电容性元件的放电而产生的谐振。该预定的第二持续时间可以小于第一持续时间。该可切换的功耗装置可以包括与第二开关相并联耦合的电阻性元件。该第二开关在该预定第二持续时间内断开，使得该电容性元件通过该电阻性元件而向该公用电力网络放电。 
可以通过以下操作来确定该低电压条件：检测该公用电力网络上的线路电压并将该线路电压与预定的低电压阈值进行比较，或者可替代地，检测该公用电力网络上的线路电流并将该线路电流与预定的电流阈值进行比较。 
在本发明的另一一般方面中，提供了一种用于向公用电力网络提供无功功率补偿的方法。该方法包括：在第一线路条件下，提供可变数量的电容器，以将受控的量的无功电流供应给该公用电力网络；在第二线路条件下，在预定的持续时间内连接功耗装置，以提供针对该无功电流的阻抗。 
本发明的该方面的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。 
第一线路条件可以在线路电压处于期望的标称电压的95％到105％之间的范围内时发生。第二线路条件可以在线路电压下降到低于预设的低电压阈值时发生。为了确定第一线路条件和第二线路条件，可以检测公用电力网络上的电信号。 
每个电容器可以与多个开关之一相耦合。通过控制该多个开关中的至少一些开关，可以使选定的数量的电容器与该公用电力网络相连接。 
该功耗装置可以包括与开关相耦合的电阻性元件。该开关在预定的持续时间内断开，以允许电容器通过该电阻性元件而将无功电流供应给该公用电力网络。 
在其它的优点和特征中，提供了一种能够将可控的量的电抗提供给公用网络的功率补偿系统。当线路电压呈现处于正常范围内时，该系统以稳态模式工作，并供应无功功率，以调节线路电压、校正功率因数、和/或改善其它的稳态线路性能。在电压降的情况下，通过快速切换为提供连续电抗流的瞬态模式，该系统能够有助于在不产生大的电流浪涌或不显著存在不期望的谐波的情况下重建公用线路。 
从以下的描述以及权利要求来看，本发明的其它的特征和优点是明显的。 
附图说明
图1示出了用于向交流(AC)传输线路提供无功功率补偿的静止无功校正器。 
图2示出了包括主阀和阻尼阀的SVC的示例性实施方式。 
图3A是示出了基于线路条件的图2的SVC的操作的流程图。 
图3B示出了在操作图2的SVC的主阀和阻尼阀时的命令序列。 
图4A和图4B是分别示出了在低电压故障之后传统的SVC和具有阻尼阀的SVC的电流瞬态的仿真结果。 
图5示出了SVC的替代性实施方式。 
具体实施方式
系统概述 
参照图1，示出了与公用电力网络上的三相交流(AC)传输线路110相连接的功率补偿系统100。通常，AC传输线路110以固定频率(例如60Hz)在三相A、B和C中的每个相中传送正弦波形式的电信号，并且线路电压Vline典型地处于4.1kV到34.5kV的工作范围内。 
功率补偿系统100包括静止无功校正器120和开关控制器150。很常见的是SVC 120被配置用于以通常由开关控制器150基于线路条件确定的受控的量来将功率补偿提供给传输线路110。这里，取决于具体应用，SVC 120可以提供受控的功率流，以用于调节公用线路电压、改善网络稳定性、和/或校正传输线路110上的功率因数。为了说明性的目的，主要在使用SVC 120以响应于各种稳态条件(例如当线路电压在额定电平的95％-105％内波动时)和瞬态条件(例如在停电或电压突降的情况下)而调节线路电压的情景中来进行下面的描述。 
在该示例中，SVC 120包括以三相Y型/星型配置而耦合在传输线路110与中性点170之间的电控开关130的组、受开关控制的电容器140和失谐电感器120。每个电容器140可以通过对应的开关130而被接入电路，以将电容性电抗(例如直到250MVAR)提供给线路110。电控开关的示例包括具有可通过适当的选通信号152来控制的ON(导通)状态和OFF(未导通)状态的硅控整流器(SCR)和门极关断晶闸管(GTO)130，这将在稍后更详细地描述。每个失谐电感器120具有被配置用于防止电容器与现有的线路电感谐振并生成可能又导致过热和电流/电压失真的大的瞬时电流的、预先选定的电感水平。 
优选地，功率补偿系统100还包括耦合在SVC 120与传输线路110之间的输入滤波器120(例如低通滤波器)的组，以用于去除可能例如由 开关130的动作和特定的线路故障而导致的高频噪声。 
电控开关 
参照图2，电控开关130的示例性实施方式包括分别受控于由开关控制器150提供的选通信号152和154的主阀132和阻尼阀136。注意，为了简明起见，在该图中仅示出了功率补偿系统100的三相之一。 
主阀132包括与晶闸管132b反向相并联的二极管132a，晶闸管132b可以通过选通信号152而被导通和关断。当主阀132导通时(即，晶闸管132b被选通为ON)，该二极管-晶闸管对以交替的半周期而双向传导AC信号。典型地，可以通过各种选通信号(包括例如电流脉冲或直流电流)将晶闸管132b触发为导通状态。一旦被触发，电流就连续流过晶闸管132b，直到达到过零点，在过零点时对于晶闸管132b而言停止导通，以在下个电气周期被再次启动。优选地，经由快速通信装置(例如通过光纤链路或脉冲变压器)将选通信号152传送到晶闸管132b的触发电极，以最小化时延。 
阻尼阀136包括与阻尼开关134相并联的阻尼电阻器135。阻尼开关134包括例如具有所描述的主阀132中的配置相类似的配置的二极管134a和晶闸管134b的对。这里，阻尼开关134的电气状态确定了电阻器135在电路中的作用。例如，当晶闸管134b处于未导通状态时，阻尼开关134对于输入的电流呈现出接近于无限量的阻抗。结果，电阻器135与电容器140有效地相串联耦合，从而对于通过电容器140到达线路111的电流呈现出预先选定的量的阻抗并耗散了有效功率。当通过选通信号154导通晶闸管134b时，阻尼开关134在电阻器135周围形成短路。在此情况下，电容器电流经过阻尼开关134而不会经受电阻器135的阻抗。 
开关控制器 
如先前所述，开关控制器150生成既控制主阀132的操作又控制阻尼阀136的操作的选通信号，使得可以通过将电容性电抗注入传输线路110/从传输线路110吸收电容性电抗来调节线路电压。 
在该示例中，开关控制器150包括：1)使用一个或多个传感器来监测线路条件并测量要控制的线路电压的传感器系统155；2)接受作为输入的电压误差(即，目标电压与所测量的工作电压之间的差)并确定需要对该电压差进行弥补的功率量的电压调节器156(例如比例积分调节器)。3)生成适当的选通信号152和154的选通电路157，其中选通信号152 和154控制SVC 120传送期望量的功率流。 
在以下的部分中描述开关控制器150的操作。 
工作模式 
功率补偿系统100能够工作用于：在正常条件下(例如当线路电压在额定电平的95％-105％内波动时)以稳态模式调节线路电压，以及响应于线路故障(例如在停电或电压突降的情况下)而以瞬态模式调节线路电压。 
在正常工作条件下(例如线路电压在额定电平的95％-105％之内)，结合开关控制器150的SVC 120实质上用作稳态调节装置，并注入/吸收无功功率，以用于调节目标电平附近的电压和改善公用网络的其它稳态行为。主阀132在ON与OFF之间切换，以允许电容器以受控的占空比来提供电抗，而阻尼阀136被连续地选通为ON，以使阻尼电阻器135短路和防止显著的功率损耗。 
在发生临时停电(或线路弧垂)时，尽管线路电压已大大下降，但是电容器140两端的电压可能仍呈现为处于预弧垂电平(pre-sag level)处。导通主阀120以允许电容器140放电可以由此将大的瞬时电流注入到公用电网中并生成可以在很多周期内连续在欠阻尼电路中振荡的高阶谐波。由于这些瞬态效应可能在公用线路上导致进一步的不稳定性并损坏电路元件，因此通常防止传统的SVC在受抑制的电压下工作。 
这里，功率补偿系统100能够如下地以瞬态模式在减小的电压下工作。一旦出现电压降，就在预先选定的时间窗(例如一个或两个电气周期)内切换与电容器140和电感器150相串联的阻尼电阻器136。电路电阻的存在导致了不期望的谐波的快速衰减。在窗的结束处，阻尼阀136被导通，以从电流通路移除(短路的)阻尼电阻器136，这防止了进一步的功率损耗。 
现在参照图3A和3B，流程图300示出了开关控制器150如何协调上述的两种工作模式。初始地，开关控制器150基于来自传感器系统155的反馈信号来监测线路条件，以确定传输线路是工作在正常条件下还是已发生低电压故障(步骤314)。 
如果所测量的线路电压处于正常范围(例如额定电平的95％到105％)内，则开关控制器150生成选通信号，以便以稳态模式操作主阀132。具体地，通过计算为了朝目标调节线路电压而需要的电抗功率的量来确定要切换的电容器的数量和持续时间，并且对应地，阻尼阀136被导 通以旁路阻尼电阻器135，并且主阀132被导通以将电容器140连接到公用线路(分别是步骤318、319和320)。通常，当开关控制器150检测到线路电压中的负峰值的出现或替代性地检测到线路电流中的过零点时，在负周期的结束时主阀中的晶闸管132b被选通为ON。 
在感测到电压异常或电流异常时(例如，当所测量的线路电压已下降到预设的阈值之下或所测量的线路电流已超过预设的瞬时电平时)，可以通过开关控制器150来检测线路故障。在某些示例中，作为检测弧垂事件的装置，开关控制器150也可以监测线路电压和/或线路电流的变化率。 
如图3B所示，一旦检测到电压降，开关控制器150就快速地使阻尼阀136在预先选定的时段ΔT内关断(步骤322)，并导通主阀132(步骤324)。作为响应，电容器140开始通过阻尼电阻器135和主阀132来进行放电，从而将电抗注入低电压公用线路。在ΔT(其典型地持续一个或若干电气周期)期间，电流通路中的电抗的存在减少了由主阀132的导通而导致的电流瞬态，由此改善了供应给公用网络的电抗的质量。在时段ΔT的结束时，阻尼阀136再次被选通为ON，以使阻尼电阻器短路(步骤328)，并通过导通的阻尼开关134而将电容性电流重定向到线路。 
当以瞬态模式工作时，开关控制器150通过传感器系统155中的电压/电流传感器来连续地监测线路条件。在接收到指示完全恢复(例如线路电压回到额定电平的95％)的反馈信号时，开关控制器150快速地关断主阀132中的一个或多个(步骤332)，并且SVC 120很快返回到稳态工作。 
现在参照图4A和4B，分别在具有阻尼阀的情况下和在无阻尼阀的情况下对SVC中的作为低电压线路故障的结果的电流瞬态进行仿真。图4A示出了在稳态下已被失谐到第2.8阶谐波的传统的SVC的三相电流波形。在显著的电压降(例如50％)的情况下，主阀被按阶跃函数而快速导通，以排放电容性功率，以便有助于重建公用线路。这种操作感生了第一电气周期中的大的电流峰值、以及电容器电流412、414和416的三相中的每一相中的新的168Hz(第2.8阶谐波)谐振。这些谐波与60Hz(即，传输线路上的AC电流的典型工作频率)的本征电流分量的结合导致了波失真，该波失真可能在延长的时段内连续地存在于无阻尼(或欠阻尼)电路中，并使得SVC中的瞬态性能以及沿着传输线路的瞬态性能恶化。更高阶的谐波还可能感生出特定类型的晶闸管的过早关断，这可能损坏电路硬件。 
作为比较，图4B示出了通过在传统的SVC中并入可控阻尼阀而获得的电流瞬态的改善。在初始的电压骤降之后，阻尼阀被选通为在一个电气周期内关断，在这段时间期间，阻尼电阻器被耦合在电路中以提供电阻。结果，波形422、424和426上的更高阶谐振的效果远不如412、414和416显著。随着这些谐波由于阻尼而快速衰减，电流瞬态在第四周期的结束时已经稳定，从而产生了平滑的稳态波形。 
替代性的实施例 
应当理解，图1和2所示的功率补偿系统100的配置旨在示出本发明的范围，而不是要限定本发明的范围。可以存在许多的设计替代。 
例如，参照图5，在替代性实施方式中，主阀132包括一系列开关电路，这一系列开关电路中的每个均受控于来自开关控制器150的选通信号。一个开关电路可以包括：晶闸管/二极管开关502，吸收开关能量并控制开关502两端的电压的升高率的传统的RC电路504，以及附加的提供泄漏通路以平衡多个晶闸管两端的电压的泄漏电阻器506。阻尼阀136也可以包括具有相似配置的开关电路。 
除了图1所示的特定的Y型/星型连接之外，适合于随传输线路一起使用的SVC可以具有以中性点接地或不接地的Y型/星型连接的三相、或者替代性地具有以德尔塔(delta)连接的三相。在某些应用中，SVC通过降压变压器而耦合到配电线路，使得在相对低的电压(例如480V而非25kV)下执行电抗补偿，这可以减少硬件成本。在某些应用中，SVC通过升压变压器而耦合到传输线路，使得在相对中等的电压(例如4.1kV至34.5kV)下执行电抗补偿，这可以减少硬件成本并允许连接到高得多的电压(例如69kV到256kV)。 
很多类型的电控开关可以被用在SVC中。例如，主阀和/或阻尼阀中的每个可以包括二极管/晶闸管对，或替代性的晶闸管/晶闸管对，当对中的二者均处于“ON”状态时允许对AC电流的完全传导。在晶闸管-晶闸管对的情况下，晶闸管中的每一个可受控于选通信号，并且该类型的开关可以与二极管/晶闸管对(其通常仅在负周期的结束时被导通)相比更快地被导通(例如在正周期或负周期的结束时)。此外，各种晶闸管适合于与二极管、晶闸管或其它非晶闸管固态器件(例如晶体管)相结合地用作电控开关的组件。例如，能够通过选通控制(而不是电流零点)来关断的晶闸管在使用时可以与被配置用于提供这种选通控制信号的开关控制器相耦合。选通控制晶闸管的示例包括门极关断晶闸管(GTO)和集成门 极换流晶闸管(IGCT)。 
在该应用中，尽管主要在使用功率补偿来调节线路电压的情景中描述SVC，但是存在其中SVC有益于提供功率补偿的很多应用。例如，在传送网络中，SVC可以在电网连接点或传输线路之前被耦合到发电系统，以用于改善被发送的电力的功率因数。在此情况下，可以调节SVC以提供受控的量的电容性电抗，而不执行电压校正，以便使工作的功率因数(PF)达到目标水平(例如接近于单位1)。 
很多控制技术可以被用于控制SVC中的开关的操作，包括例如积分周期开关(integral-cycle switching)技术、相位受控开关技术或这二者的结合。在某些系统中，可以通过操作分别执行粗略电压调整和精细电压调整的多层控制电路来实现电压校正(或PF校正)。 
在某些应用中，SVC还可以包括受控于晶闸管的电抗器/电感器的组，用于提供精细电压控制。可变数量的电抗器可以在给定时间被接入电路，以向电力网提供连续可变的MVAR注入(或吸收)。 
在期望时可以通过改变阻尼电阻器的电阻值而方便地将SVC的若干瞬态特性(例如阻尼比和稳定时间)调谐到期望的范围。例如，取决于设计目的，SVC可以被配置为：当在低电压条件下工作时，要么具有严格阻尼的阶跃响应，要么具有欠阻尼的阶跃响应。此外，SVC可以被失谐到包含电路中的需要被衰减的最显著的谐波分量的频带。 
在期望时可以将不同量的电抗补偿应用于每个单独的相，以使不平衡的公用线路电压重新平衡。 
应当理解，前面的描述旨在举例说明本发明的范围，而不是要限定本发明的范围，本发明的范围是由所附权利要求的范围所限定的。其它的实施方式在所附权利要求的范围之内。 

Claims (20)

1.一种用于向公用电力网络提供无功功率补偿的系统，所述系统包括：
耦合到所述公用电力网络的第一开关；
与所述第一开关相耦合的电容器，用于基于所述公用电力网络的条件来提供受控的量的无功电流；
与所述电容器相串联耦合的可切换的功耗装置，被配置用于在所述公用电力网络上的线路电压下降到低于阈值时，在预定的持续时间内提供针对所述无功电流的预先选定的量的阻抗。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：耦合到所述公用电力网络的控制器，被配置用于基于所述公用电力网络的线路条件来控制所述第一开关。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器还被配置用于检测所述公用电力网络上的线路电压。
4.根据权利要求3所述的系统，其中在所述线路电压处于期望的标称电压的95％到105％之间的范围内时，所述控制器控制所述第一开关以第一模式工作。
5.根据权利要求3所述的系统，其中在所述线路电压低于阈值时，所述控制器控制所述第一开关以第二模式工作。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述功耗装置包括与第二开关相并联耦合的电阻性元件。
7.根据权利要求6所述的系统，其中在所述线路电压低于所述阈值时，所述第二开关在预定的持续时间内断开，以允许电流通过所述电阻性元件。
8.根据权利要求7所述的系统，其中在所述预定持续时间的结束时，所述第二开关被导通以旁路所述电阻性元件。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一开关包括与能够通过选通信号来切换的晶闸管反向并联的二极管。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一开关包括：反向并联的第一晶闸管和第二晶闸管，每个晶闸管能够通过选通信号来切换。
11.根据权利要求4所述的系统，还包括：与所述电容器相耦合的感性电抗器，被配置用于减少通过以所述第一模式操作所述第一开关而产生的谐振。
12.一种用于控制与公用电力网络相连接的无功功率补偿装置的方法，所述方法包括：
检测所述公用电力网络上的低电压条件；
响应于所述低电压条件，使所述无功功率补偿装置中的电容性元件在第一持续时间内对所述公用电力网络进行放电；
将可切换的功耗装置连接到所述公用电力网络，以抑制由所述电容性元件的放电而产生的谐振。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电容性元件与第一开关相串联耦合。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：响应于所述低电压条件，使所述第一开关在所述第一持续时间内导通，以允许所述电容性元件向所述公用电力网络提供无功功率。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述将可切换的功耗装置连接包括：使所述可切换的功耗装置在预定的第二持续时间内连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定的第二持续时间小于所述第一持续时间。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述可切换的功耗装置包括与第二开关相并联耦合的电阻性元件。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：在所述预定的第二持续时间期间断开所述第二开关，使得所述电容性元件通过所述电阻性元件而向所述公用电力网络放电。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测低电压条件包括：检测所述公用电力网络上的线路电压，并将所述线路电压与预定的低电压阈值进行比较。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述检测低电压条件包括：检测所述公用电力网络上的线路电流，并将所述线路电流与预定的电流阈值进行比较。
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