CN102007663B - 用于输电线控制的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种设备，该设备包括：转换器(118)，其具有AC侧和DC侧；开关(112)，其适合于在第一侧连接到输电线(104)，并且在第二侧连接到负载(122)，第二侧还连接到转换器的AC侧；以及能量存储装置(120)，其连接到转换器的DC侧。在第一操作模式下，开关被关闭，使得对于AC和DC之间的任何必要转换使用转换器，能量存储电流流向能量存储装置或者从其流出，以分别对其进行充电或放电。在第二操作模式下，开关被打开，防止电流从输电线流向转换器，并且能量存储装置供应直流电流，其被转换器转换成交流电流。此外，在第一操作模式下，该设备被配置成使得通过影响能量存储电流，输电线上的电力传递对应于输电线的浪涌阻抗负荷。还提供了相应的方法。

Description

用于输电线控制的设备和方法
技术领域
本发明一般涉及电力传输，并且更加具体地涉及提高输电线的效率。
背景技术
输电线已被使用了一个多世纪，用于将电力从发电源传输到电力消耗源。
随着时间的过去，输电线已被修改，以减少输电线自身所消耗的电力，尤其是在长距离输电线的情况下。
美国专利US7,265,521B2公开了一种系统和方法，用于当无功功率源(例如电容器组)瞬间连接到公用事业电力时，使如公用事业客户看到的那样的阶跃电压变化最小化，而且使公用事业电力网上承载的正常电压的基本波形上强加的过渡过程最小化。无功功率源适合于将第一极性的无功功率(例如电容性无功功率)传递到公用事业电力网。该系统包括：无功功率补偿装置，其配置成将可变量的第二相反极性的无功功率传递到公用事业电力网；以及控制器，其响应于将旁路无功功率源连接到公用事业电力网的需要，激活无功功率补偿装置，并且基本上同时地使旁路无功功率源连接到公用事业电力。
虽然如上所述使用无功功率源确实提高了输电线的效率，但是输电线的性能会从更多提高中受益，特别是提高长距离输电线之上的传输。
发明内容
本发明的目的是要提供一种设备和方法以提高长距离输电线的性能。
本发明基于如下现实：使用连接和断开的能量存储装置，可以以连接时的浪涌阻抗负荷来操作输电线。
根据本发明，提供了一种用于输电线控制的设备，该设备包括：
转换器，其具有AC侧和DC侧；
开关，其适合于在第一侧连接到输电线，并且所述开关适合于在第二侧连接到负载，所述第二侧还连接到所述转换器的所述AC侧；
能量存储装置，其连接到所述转换器的所述DC侧；以及
控制器，
其中，在第一操作模式下，所述开关被关闭，使得对于AC和DC之间的任何必要转换使用所述转换器，能量存储电流流向所述能量存储装置或者从所述能量存储装置流出，以分别对所述能量存储装置进行充电或放电，并且
在第二操作模式下，所述开关被打开，防止电流从所述输电线流向所述转换器，并且所述能量存储装置供应直流电流，该直流电流被所述转换器转换成交流电流，
其特征在于，
所述控制器被配置成在所述第一操作模式下，通过控制所述能量存储装置被充电至何种比率以影响所述能量存储电流，控制所述输电线上的电力传递以对应于所述输电线的浪涌阻抗负荷。
通过在第一操作模式下对能量存储装置进行充电，充电电流和到达负载的电流都需要通过输电线来自电力源。因此，这种通过输电线的电流的增加允许输电线以浪涌阻抗负荷操作。通过以浪涌阻抗负荷操作输电线，输电线的无功功率被平衡，允许显著更长的输电线距离。以浪涌阻抗负荷操作输电线还减少了对无功旁路补偿的需要，所述无功旁路补偿通常沿着输电线施加，以管理由负载转移的变化所造成的电压变化。
本发明主要适用于1kV和1MW以上的电力传递，其中能量存储大于1kWh。
该设备可以配置成使得仅在第一操作模式下输电线上的电力传递对应于输电线的浪涌阻抗负荷。
在第一操作模式下，该设备可以处于这样的状态下：能量存储电流仅对能量存储装置进行充电。
该设备可以进一步包括控制器。
该控制器可以配置成在第一操作模式下，控制输电线上的电力传递以对应于浪涌阻抗负荷。
在第二操作模式下，该控制器可以配置成控制向负载提供的交流电流的频率和电压。该设备可以进一步包括电压表和电流表，这两个表适合于向控制器提供测量值。
转换器可以包括串联连接的高压电路，其中用脉宽调制电路来控制嵌入的短路故障模式。
开关可以是无暂态转换开关。
该设备可以配置成当能量存储装置被确定为充满时从第一操作模式切换到第二操作模式。
该设备可以配置成当能量存储装置被确定为处在阈值充电水平以下时从第二操作模式切换到第一操作模式。
控制器可以配置成控制该设备在第一和第二操作模式之间的切换。
本发明的第二方面是一种用于操作用于输电线控制的设备的方法，该设备包括：
转换器，其具有AC侧和DC侧；
开关，其适合于在第一侧连接到输电线，并且所述开关适合于在第二侧连接到负载，所述第二侧还连接到所述转换器的所述AC侧；以及
能量存储装置，其连接到所述转换器的所述DC侧；
所述方法包括以下步骤：
关闭所述开关，使得对于AC和DC之间的任何必要转换使用所述转换器，能量存储电流流向所述能量存储装置或者从所述能量存储装置流出，以分别对所述能量存储装置进行充电或放电，以及
打开所述开关，防止电流从所述输电线流向所述转换器，并且所述能量存储装置供应直流电流，该直流电流被所述转换器转换成交流电流，
其特征在于，
当所述开关被关闭时，通过控制所述能量存储装置被充电至何种比率以影响所述能量存储电流，控制在所述输电线上传递的电力以对应于所述输电线的浪涌阻抗负荷。
使输电线上的电力传递对应于浪涌阻抗负荷在一个实施例中可以仅当开关被关闭时发生。
开关的关闭和打开可以重复。
在关闭开关时，该方法可以配置成使得能量存储电流仅对能量存储装置进行充电。
可以在能量存储装置被确定为充满时执行开关的打开。
可以在能量存储装置被确定为处在阈值充电水平以下时执行关闭。
要注意的是，第一方面的任何特征都适用于第二方面，反之亦然。
一般而言，除非在此另外明确定义，权利要求中使用的所有术语都将根据它们在技术领域中的普通意义加以解释。除非另外明确陈述，对“一个/所述/该元件、装置、部件、手段、步骤等等”的所有引用都将公开地被解释为指的是元件、装置、部件、手段、步骤等等的至少一个实例。除非明确陈述，在此公开的任何方法的步骤都不必按照公开的确切顺序执行。
附图说明
现在参考附图经由例子来描述本发明，其中：
图1是示出其中使用了本发明的实施例的系统的示意图；
图2示出了其中还施加了电压控制的图1的系统；以及
图3示出了用于三相系统的三套图1的系统。
具体实施方式
在下文中参考其中示出了本发明的某些实施例的附图，现在更加充分地来描述本发明。然而，本发明可以用许多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于在此阐述的实施例；相反地，这些实施例被作为例子提出，以便本公开将会是彻底而完整的，并且将会向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿说明书，相同的标号指示相同的要素。
图1是示出其中对于一相使用了本发明的实施例的环境的示意图。
电力源102提供交流电流。如本领域中已知的那样，电力源可以包括发电机、变压器等(未示出)，以提供适合于通过输电线104进行分配的电力。在输电线104的另一侧，提供有用于测量电流的电流表106和用于测量电压的电压表108。
代替地，在输电线104的另一侧提供电流表106和电压表108，并且使用信号传输装置(未示出)来传送测量值。这还允许所谓的自行起动能力，意即可以根据存储的能量使负载侧通电，并且可以根据存储的能量建立栅格操作。
如稍后会更加详细地说明的那样，开关112使电力源连接到负载122和能量存储系统114或者与它们断开。典型地，如本领域本身已知的那样，变压器124将电压变换成适合于负载122的电压。负载122可以是消耗电力的任何元件或系统，例如用于城市或市镇的工业单位或电力网。负载122进而可以包括负载需求的生成、产生部分。
能量存储系统114可选地包括变压器116，该变压器116在必要时对输电线104和转换器118之间的电压进行转换，以确保转换器118被提供以合适的电压。转换器118具有交流(AC)侧和直流(DC)侧。能量存储装置120如大容量可再充电电池120连接到转换器118的DC侧。可选地，能量存储系统114包括必要的控制器和装置以维持负载侧的预定AC频率和AC电压(如果没有其它设备存在于具有这种职责的负载表达中的话)。
转换器118可以通过换流器和整流器来实现。可选地，转换器118装备有串联连接的高压电路，其中用脉宽调制(PWM)电路来控制嵌入的短路故障模式。电池可以包括大量的单元，以满足对电池120的容量需求。
控制器110接收来自电流表106和电压表108的输入，并且提供输出给开关112和能量存储系统114。控制器110可以是中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)或任何其它电子可编程逻辑装置。在一个实施例中，控制器110嵌入在具有相关的存储、输入/输出等的传统服务器或个人计算机中。
现在来说明浪涌阻抗负荷(SIL)的概念以及它如何在本发明的实施例中使用。
当达到自然无功功率平衡时，达到SIL。在这个负载下，输电线104既不吸收也不产生无功功率。可以用以下公式表达SIL：
SIL = V 2 Z 0 - - - ( 1 )
其中，V是线间电压，而Z0则是输电线104的特性阻抗。特性阻抗Z0具有无功分量。
当以SIL操作时，可以使输电线104显著更长，因为输电线104的任何无功不平衡的限制都被去除。这允许给定规格的给定输电线104被更加有效地使用，亦即以更高的额定值和更长的距离来使用。还可以减少以前需要的旁路和/或串联连接的无功功率补偿的需要量。
另外，本发明的实施例适用于减少所谓的费兰梯(Ferranti)效应。当输电线的接收端的负载显著减少或被去除时，费兰梯效应增加接收端的电压。在来自控制器110的适当控制和使用能量存储系统114的情况下，电压被保持在可接受的水平之内。
这意味着在Z0是常数的假定之下，对于要发生的SIL而言，或者是电压或者是电流需要被调整。
现在，在图1所示的系统中，当开关112被关闭时，通过控制电池120被充电至何种比率，可以影响电流。换言之，控制器110从电压表108接收电压的测量值。在已知或确定Z0的情况下，控制器110可以确定应当流过输电线104以对应于SIL的电流或相应的功率。通过从电流表106获得电流的测量值，控制器110从而可以确定对于将要达到的SIL而言，到达能量存储系统114的电流是需要增加还是减少。控制器110然后对能量存储系统114发出指令，以相应地调整对电池120的充电。在一个实施例中，控制器110发送命令给能量存储系统114，以便以特定的功率(瓦特)或特定的电流(安培)对它的电池进行充电。
类似地，控制器110可以控制能量存储系统114以对电池120进行放电，以在输电线上实现SIL。
在一个实施例中，可以在装置118中每秒许多次地(例如以高达kHz的切换)重复调整通过输电线104的电流的这个过程，以迅速减少输电线104上从SIL的任何偏离。要注意的是，当开关112被关闭时的操作模式在这里被指示为第一操作模式。
可选地，如果输电线104装备有离散旁路和/或串联补偿，则可以计算等效波阻抗，如从输电线终端看到的那样。等效阻抗履行与理想线路相同的需求，亦即，在线路之上没有净无功功率传递。这个等效值然后在控制器中使用。
当控制器110确定电池120达到充满的状态时，控制器110影响开关112的打开。当开关112被打开时的操作模式在这里被指示为第二操作模式。
开关112可以是无暂态转换开关，以便当开关112被打开或关闭时，使负载122或发电机102上的电压应力最小化。
当开关112被打开时，不再有电流从电力源102流向负载122。代替地，从能量存储系统114提供到达负载122的电力。以前在电池120中充电的电荷现在被释放为直流电流，并且由转换器118转换成交流电流。如果必要的话，变压器116将来自转换器118的交流电流变换成与以前通过输电线提供的电压相对应的电压。因此，当从负载122观察时，即使电力的来源已从电力源102改变为能量存储系统114，也是连续且均匀的电力被供应。由于在第二操作模式下没有电力流过输电线104，所以没有无功(也没有有功)功率丧失。
要注意的是，这种布置还允许能量存储单元在电力源102或输电线104造成电力供应中断的情况下起到对于负载122的后备电源的作用。
当确定电池120降至阈值水平以下时，例如如果接近于空态，则控制器110影响开关112的关闭。系统然后再次处于第一操作模式下，并且如上所述，电力通过输电线104流向负载122并且可控地流向能量存储系统114，以在输电线104上达到SIL。再一次，当从负载122观察时，被提供以连续且均匀的电力供应。然后连续地重复开关112的打开和关闭。
由于对于开关112的打开和关闭的频率而言的仅有的实际限制因素是电池的容量，所以电池可以分别被连接和断开相对长的时间。更加具体地，连接和断开不需要交流电流的每一个周期都发生。例如，取决于电池容量，开关112可以分别被关闭或打开达到分钟乃至小时的量级。然而，如果因为其它原因而希望的话，控制器110可以将开关112的打开和关闭控制到短得多的时间，直至毫秒级。
如果期望比用图1的系统可能达到的长度更长的输电线，则可以分段串联连接多个图1所示的系统(未示出)。对于电力传递方向由于季节性或其它原因而改变的情况，还可以使存储装置处于线路的两端(未示出)。
图2示出了其中还施加了电压控制的图1的系统。电力源102、输电线104、控制器110、开关112和能量存储系统114与上面结合图1描述的那些相同。为了使图2清楚起见，省略了图1的其它部件。
如上面在方程(1)中看到的那样，SIL不仅可以通过调整通过输电线104的电流来达到；电压控制也可以用于实现这个目的。这已在国际专利申请WO2005/031940中进行了详细的描述。原理是使用在输电线104的任一侧的具有抽头切换可能性的两个变压器203和205，以在不影响来自电力源102或到达负载122的所需电压的情况下控制输电线104中的电压。控制器110可以在这种情况下使线路的间歇操作优化至能量存储的可用大小，而仍然在输电线104上以浪涌阻抗水平输送电力。当使用具有充电/放电速率方面的约束的电池技术时，这可能是有益的。它还可以用于使线路、转换器和电池系统安装的总欧姆损耗最小化。
这个实施例中的控制器110因而不仅可以用于影响流过输电线104的电流，而且还可以用于影响输电线104的电压。控制器110可以用于或者影响电流或者影响电压，也可以用于同时既控制电压又控制电流，以提供改进的灵活性。
图3示出了用于三相系统的三套图1的系统。存在三个电力源102a-c、三个输电线104a-c、三个控制器110a-c、三个开关112a-c和三个能量存储系统114a-c，它们与上面结合图1描述的那些相同。为了使图3清楚起见，省略了图1的其它部件。换言之，存在如上面结合图1描述的那样的三套完整的设置，针对三相系统中的每一相提供一套设置。要注意的是，尽管未示出，在图3的三相设置中同样可以包括图2的电压控制。
上面主要参考几个实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易意识到的那样，在本发明的范围之内，如所附权利要求所限定的那样，除了上面公开的实施例之外的其它实施例同样是可能的。

Claims (12)

1.一种用于输电线控制的设备，包括：
转换器(118)，其具有AC侧和DC侧；
开关(112)，其适合于在第一侧连接到输电线(104)，并且所述开关(112)适合于在第二侧连接到负载，所述第二侧还连接到所述转换器(118)的所述AC侧；
能量存储装置(120)，其连接到所述转换器(118)的所述DC侧；以及
控制器(110)，
其中，在第一操作模式下，所述开关(112)被关闭，使得对于AC和DC之间的任何必要转换使用所述转换器(118)，能量存储电流流向所述能量存储装置(120)或者从所述能量存储装置(120)流出，以分别对所述能量存储装置(120)进行充电或放电，并且
在第二操作模式下，所述开关(112)被打开，防止电流从所述输电线(104)流向所述转换器(118)，并且所述能量存储装置(120)供应直流电流，该直流电流被所述转换器(118)转换成交流电流，
其特征在于，
所述控制器(110)被配置成在所述第一操作模式下，通过控制所述能量存储装置(120)被充电至何种比率以影响所述能量存储电流，控制所述输电线(104)上的电力传递以对应于所述输电线(104)的浪涌阻抗负荷。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述第二操作模式下，所述控制器(110)被配置成控制向所述负载(122)提供的所述交流电流的频率和电压。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括电压表(108)和电流表(106)，这两个表适合于向所述控制器(110)提供测量值。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述转换器(118)包括串联连接的高压电路，其中用脉宽调制电路来控制嵌入的短路故障模式。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开关(112)是无暂态转换开关(112)。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置成当所述能量存储装置(120)被确定为充满时从所述第一操作模式切换到所述第二操作模式。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置成当所述能量存储装置(120)被确定为处在阈值充电水平以下时从所述第二操作模式切换到所述第一操作模式。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的设备，其中，所述控制器(110)被配置成控制所述设备在所述第一和第二操作模式之间的切换。
9.一种用于操作用于输电线控制的设备的方法，所述设备包括：
转换器(118)，其具有AC侧和DC侧；
开关(112)，其适合于在第一侧连接到输电线(104)，并且所述开关(112)适合于在第二侧连接到负载，所述第二侧还连接到所述转换器(118)的所述AC侧；以及
能量存储装置(120)，其连接到所述转换器(118)的所述DC侧；
所述方法包括以下步骤：
关闭所述开关(112)，使得对于AC和DC之间的任何必要转换使用所述转换器(118)，能量存储电流流向所述能量存储装置(120)或者从所述能量存储装置(120)流出，以分别对所述能量存储装置(120)进行充电或放电，以及
打开所述开关(112)，防止电流从所述输电线(104)流向所述转换器(118)，并且所述能量存储装置(120)供应直流电流，该直流电流被所述转换器(118)转换成交流电流，
其特征在于，
当所述开关(112)被关闭时，通过控制所述能量存储装置(120)被充电至何种比率以影响所述能量存储电流，控制在所述输电线(104)上传递的电力以对应于所述输电线(104)的浪涌阻抗负荷。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述开关(112)的所述关闭和打开被重复。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述能量存储装置(120)被确定为充满时执行所述开关(112)的所述打开。
12.根据权利要求9至11中任何一项所述的方法，其中，在所述能量存储装置(120)被确定为处在阈值充电水平以下时执行所述关闭。
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