CN102474099A

CN102474099A - 用于控制ac系统的方法和设备

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Publication number: CN102474099A
Application number: CN2009801599597A
Authority: CN
Inventors: S·索伯恩; L·利尔杰斯特兰德; A·佩特森
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: US20120112559A1; BRPI0925295A2; EP2449646A1; CN102474099B; AU2009349193A1; MX2011013514A; CA2765105C; CA2765105A1; AU2009349193B2; US8569909B2; WO2011000425A1; EP2449646B1

Abstract

一种用于控制中压或者高压AC系统的电性质的设备，该AC系统包括数目为n的相(11-13)而n至少为二，该设备包括数目为n的相(14-16)，每相包括至少两个电元件(17)的串联连接，而中间连接点(18)在至少两个电元件中的每对电元件之间，其中该设备的n相(14-16)中的每相在一侧上连接到原共同中性点(19)而在另一侧上连接到AC系统的n相(11-13)之一。该设备还包括：数目为[n-1]的第一可切换互连(20，21)，其中第一可切换互连各自设置于该设备的n相(14-16)中的两相的两个中间连接点(18)之间；以及至少一个控制单元(30)，设置成控制第一可切换互连(20，21)使得第一可切换互连(20，21)闭合，每个第一可切换互连在该设备的n相(14-16)中的两相的两个中间连接点(18)之间、由此连接该设备的所有n相并且由此产生由闭合的第一可切换互连(20，21)构成的新共同中性点(26)。

Description

用于控制AC系统的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制中压或者高压AC系统的电性质的方法和设备，该AC系统包括数目为n的相而n至少为二。该设备包括数目为n的相，每相包括至少两个电元件的串联连接，而中间连接点在至少两个电元件中的每对电元件之间，其中该设备的n相中的每相在一侧上连接到原共同中性点而在另一侧上连接到AC系统的n相之一。

背景技术

本发明源于AC功率传输或者配送系统中的无功功率补偿和电压控制领域、具体源于并联补偿领域，其中在本领域中已知以下内容。在H.K.Tyll在IEEE/PES关于FACTS的专题讨论(2004年11月8-11日、圣保罗)中的论文“FACTS Technology for Reactive PowerCompensation and System Control”)中示出了不同类型的并联补偿解决方案。一方面有机械切换的电容器(MSC)和机械切换的电抗器(MSR)，这些电容器和电抗器是提供稳态电压支持并且以慢速响应时间和在减少的精确度水平工作的不连续控制为特征的成本有效解决方案。作为缺点，高瞬态电流和电压可能在切换操作期间出现。另一方面有基于功率电子切换的如下解决方案(比如并联连接的静态VAR补偿器(SVC)和静态同步补偿器(STATCOM))，这些解决方案提供动态电压支持并且以快速响应时间和在更高精确度水平连续执行的控制为特征。这里主要弊端在于出现换向损耗。

关于MSC，根据C.W.Taylor和A.L.Van Leuven在关于功率递送的IEEE学报1996年4月第11卷第2期中的“CAPS：Improvingpower system stability using the time-overvoltage capability of largeshunt capacitor banks”进一步已知以下内容。在论文中描述了一种称为CAPS的电抗并联补偿设备，其中在低电压紧急情况期间短接串联的若干组星型连接电容器排以增加电抗功率输出。CAPS设备包括一起执行切换动作的真空断路器和限流电抗器以及磁电势变压器作为主要部件以便对俘获电荷放电。CAPS(电容器排串联组短接)设备用来在紧急情形中(即在电压降至阈值以下持续十二秒时)产生一个单个高电压步进。在这一情况下，将若干组电容器排短路，由此将电抗功率输出增加27％。由于使用机械开关，所以设备的响应时间明显低。例如在论文中给出用于打开真空断路器的时间常数为140ms。

本发明人已经认识到在实践中仅有限数目的中压或者高压AC系统需要如SVC和STATCOM提供的连续无功功率补偿和控制，从而证实在可能仅偶然需要这样的补偿和控制的所有地方安装这些高级系统经常在经济上未必合理。然而对MSC的运用由于它们大的步进响应时间以及不可避免的瞬态而未总是赋予所需灵活性。

发明内容

因此本发明的目的在于发现一种用于将在引言中描述的这种中压或者高压AC系统无功功率补偿和控制中使用的设备的替代解决方案。

这一目的由根据独立权利要求的方法和设备实现。

提供一种用于经由设备控制中压或者高压AC系统的电性质的方法，其中AC系统和该设备各自包括数目为n的相而n至少为二，并且其中该设备的n相中的每相包括至少两个电元件的串联连接，而中间连接点在至少两个电元件中的每对电元件之间，并且其中该设备的n相中的每相在一侧上连接到所谓的原共同中性点而在另一侧上连接到AC系统的n相之一。

AC系统是操作电压电平分别在1kV与50kV之间或者高于50kV的中压或者高压AC系统，并且它可以例如是AC输电或者配电网络、风电场或者任何其它发电设施、变压器、中压或者高压AC负载(比如电动机或者发电机)等。控制的AC系统的电性质可以例如是AC系统的有功或者无功功率、磁通、电压或者电流。在该设备的每相中串联连接的至少两个电元件可以是包括电阻器、电容器和电感器的任何类型的阻抗。原共同中性点可以连接到接地或者可以自由浮动。

根据本发明，上述设备包括：数目为[n-1]的第一可切换互连，其中第一可切换互连各自设置于该设备的n相中的两相的两个中间连接点之间；以及至少一个控制单元，设置成根据以下方法控制第一可切换互连：闭合数目为[n-1]的第一可切换互连、由此连接所有n相并且由此产生由闭合的第一可切换互连构成的新共同中性点。因而AC系统的一个或者若干电性质由于该设备的总阻抗的一个步进而改变，其中电性质种类及其改变数量依赖于电元件的类型。

在已知CAPS设备中，若干串联连接的电元件在一相中短路，其中这些短路的电元件可以位于该相的所有电元件的串联连接内的任何处。对于多相AC系统和设备，如这里看待的那样，这意味着对于每相而言需要单独短路设备。与此对照，本发明的主要思想在于将该设备的多相相互短路。由此朝着AC系统上移原共同中性点，并且中性化的电元件是位于原共同中性点与新共同中性点之间的电元件。由于这一设计，所需短路开关的数目被减少了一个，其中更少的切换部分就可靠性、成本、控制和维护工作而言总是有利的。又一优点在于如下事实：待切换的电压电平比AC系统中的电压电平低得多，从而在用于高压AC系统的设备中仅需为可切换互连提供中压设备。与SVC和STATCOM比较，本发明具有的优点在于解决方案便宜得多，因为需要更少部件、特别是切换部件。

根据该设备的一个优选实施例，该设备包括数目为m的[n-1]个可切换互连的另外的组，而m≥1，其中[n-1]个可切换互连的组m中的每组被设置成互连所有n相并且连接到与连接到第一可切换互连之一或者其它组可切换互连的中间连接点不同的中间连接点，并且至少一个控制单元被设置成根据下述方法的实施例控制可切换互连的第一组和另外的组。

根据该方法的一个优选实施例，通过逐一闭合[n-1]可切换互连的另外的组m来以步进方式从原共同中性点朝着AC系统移动新共同中性点。通过在该设备的多相之间引入更多互连并且通过接连闭合它们使得进一步上移新共同中性点，AC系统的电性质按照若干更小步进的改变变得可能。因而在电元件包括电容器和/或电抗器的情况下，可以用根据这一优选实施例的比SVC和STATCOM更低成本、具有更简单布局和更小覆盖区的设备执行无功功率补偿和控制。与MSC和MSR以及与CAPS设备比较，提出的解决方案提供不仅以稳态方式而且以准连续步进方式动作并且就AC系统的电性质的最小以及最大可能改变而言覆盖更宽控制范围的能力

根据优选实施例的进一步发展，通过逐一打开m组可切换互连、继而打开第一可切换互连来以步进方式从AC系统朝着原共同中性点移动新共同中性点。以这一方式，AC系统的电性质改变可以再次完全或者部分反向，从而AC系统的电性质可以反复地呈现整个可能控制范围内的任何可能状态。

在一个特殊实施例中，在如下序列中分别接连打开或者闭合所述可切换互连，该序列在AC系统上的AC电流的正序列之后而在两个序列之间有预定时间差。在基频为50Hz的三相AC系统的情况下，该时间将有利地设置成等于90度、即20ms时间周期的四分之一，即为5ms。

在又一实施例中，可切换互连各自包括至少一个切换器件，该切换器件为功率电子开关和/或机械开关，其中接通和/或切断切换器件使得无瞬态电流或者瞬态电压出现于该设备中。瞬态电流作为对切换(即对更早存在的电流骤然中断或者更早未存在的电流路径骤然闭合)的反应而出现。可以通过考虑可切换互连和电元件的阻抗类型来避免这些瞬态电流。例如，如果总体性质为电容性的，则优选地在经过相应可切换互连的AC电流穿过零点时执行打开，而如果总体性质为电感性的，则相应AC电压的穿过零点是用于切换操作的优选时间点。

根据又一实施例，通过操作连接于该设备的n相的至少两相之间的辅助切换器件来补偿在n相的至少两相之间的电流或者电压中的不平衡。在对应设备中，至少一个辅助切换器件(比如闸流管、二极管或者机械变压器)连接于两个中间连接点之间。通过以适当方式并且如果必要则若干次闭合和打开辅助切换器件，可以通过允许附加循环电流在相之间流动来使不平衡电压或者电流达到平衡。一旦不平衡已经消失，就最终再次打开辅助切换器件。

在该设备的一个实施例中，每个可切换互连包括至少一个切换器件，该至少一个切换器件为功率电子开关和/或机械开关，其中功率电子开关可以是有或者无切断能力的任何开关(比如闸流管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))，并且其中机械开关是任何如下切换器件，该切换器件的物理(优选金属)触点将由可移动传导元件互连。这些类型的开关与如根据CAPS设备已知的真空断路器相比具有优点，因为它们由于它们的高操作频率而允许快速动态控制动作而不仅仅是稳态控制。此外，它们允许无瞬态的切换。与此对照，常用断路器由于需要向它的弹簧元件重新赋能而可能以低得多的操作频率操作。另外，再撞击和/或预撞击的可能性存在于多数机械断路器配置中。

在该实施例的特殊发展中，机械开关与功率电子元件并联连接，该功率电子元件为前述类型的功率电子开关或者二极管。通过使用机械和功率电子这两类开关，可以通过同时使用它们的优点来补偿它们的缺点。功率电子开关独自具有快速反应的优点，从而切换时间短而切换频率高的精确切换变得可能。通过适当选择切换时间点，可以避免瞬态电压和/或电流。如果功率电子开关闭合持续更长一段时间，则开关的缺点是必须考虑的明显损耗。另一方面，机械开关更慢反应，从而不能用与功率电子开关相同的精确度满足实际切换应当出现的时间点，这造成瞬态电压和/或电流。机械开关的优点在于仅少量损耗出现于它的闭合状态中的这样的事实。因而如果首先在所需时间点打开功率电子开关(其中可以比用机械开关更准确得多地满足这一时间点)、此后打开或者闭合机械开关以便实现可切换互连的所需状态-状态的切换状态，则可以避免瞬态电压和/或电流。二极管用作也给出无瞬态的响应的成本有效的替代功率电子元件，尽管它未提供与功率电子开关相同的高切换自由度。

在这一实施例的又一发展中，如上文已经描述的辅助切换器件与并联连接的功率电子开关和机械开关并联连接以便能够使在该设备的n相之间出现的任何不平衡达到平衡并且以便能够去除在可切换互连的不理想操作之后留在短路的电元件中的俘获电荷。

在又一实施例中，可切换互连朝着接地浮动。这在原共同中性点也朝着接地浮动的情况下有利于避免经过该设备的任何单个线路到接地故障电流路径。

根据更多的又一实施例，该设备包括用于向可切换互连传送控制信号和/或操作功率的装置。可以例如电传送(包括用于以保证所需操作频率或者信号质量的滤波器)或者光传送(比如经由激光器-二极管和光纤)操作功率以及控制信号。

在一种特殊设备中，至少一个辅助变压器在它的初级侧与n相中的第一相的电元件并联连接而在它的次级侧与n相中的第二相的电元件并联连接。这一至少一个辅助变压器用来从电元件去除由于可切换互连的不理想操作而可能留在电元件中的剩余俘获电荷。优选地，至少一个辅助变压器用初级侧上和次级侧上的一个相应端子连接到原共同中性点。

附图说明

本发明的特征和优点根据与以下附图结合的下文具体实施方式将变得更为本领域技术人员所清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术已知的CAPS设备，

图2示出了根据本发明一个实施例的设备，

图3示出了可切换互连的第一实施例，

图4示出了可切换互连的第二实施例，

图5示出了可切换互连的第三实施例，

图6示出了图2的实施例的又一发展，

图7示出了图6的实施例的又一发展，

图8示出了用于朝着AC系统移动共同中性点的方法的流程图，

图9示出了用于从AC系统移开共同中性点的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于提高根据本领域已知的AC系统的系统稳定性的设备，其中示出了AC系统的仅一相(母线1)。并联连接的电容器6的组2在串联连接中设置于母线1与接地8之间。这一设备称为电容器排。

示出了共计电容器6的六个组2。这些组2中的三组被设置成由所谓的CAPS设备3短路，该设备包括真空断路器4和限流电抗器5的串联连接以及磁电势变压器7(其均与三组2并联连接)。真空断路器和限流电抗器旨在于一起执行切换动作，而磁电势变压器旨在于对俘获电荷放电。电容器6三个组2在紧急情况下(即当母线1上的电压下降明显并且持续很长时间时)短路以便减少电容器排的电抗并且由此将电抗功率输出增加27％。

图2中所示设备是根据本发明的一个实施例。该设备连接到在这一示例中由具有相11、12和13的三相传输线表示的三相AC系统。该设备包含三相14、15和16，每相在一侧上连接到AC系统的相11、12和13之一而在另一侧上连接到原共同中性点19，其中可以经由该设备的每相中的断路器29中断在该设备的相与AC系统的相之间的连接。若干电容器17的串联连接是该设备的每相14-16的一部分(包括在每对电容器17之间的中间连接点18)。电容器17一起形成电容器排。电容器排未接地。在图2中示出了若干组所谓的可切换互连，每组包含两个这样的可切换互连、即比相数少一。第一组可切换互连20和21设置于每相14-16的与原共同中性点19最接近地定位的那一对电容器17的中间连接点18之间。第二组可切换互连22和23设置于邻近电容器对(即每相14-16中的与原共同中性点19更远的一个电容器17)的中间连接点18之间；而第三组可切换互连24和25设置于距离甚至更多一个电容器17处。第二和第三可切换互连以及这里未示出的任何另外的组可切换互连与第一组可切换互连相比也称为可切换互连的另外的组。经由用于向每个可切换互连传送控制信号和/或操作功率的装置34连接了控制单元30，其中如果未本地生成操作功率则无需传送操作功率。

可切换互连可以包括不同切换器件(比如功率电子开关40(例如如图3中所示闸流管)或者如图4中所示机械开关50)。在图2的实施例中，每个可切换互连20-25包括根据图5的功率电子开关40和机械开关50的并联连接。

对照图1的CAPS设备，图2的设备不能仅仅被用来利用电容器排的无功功率输出的一次大改变步进对紧急情形有反应。相反，图2的设备可以在约10-20％的控制范围内执行对三相AC系统的以步进方式的无功补偿和控制。这通过以适当方式在原共同中性点19与AC系统之间移动电容器排的共同中性点、由此将电容器排的电抗调节至所需水平来实现。通过连续闭合可切换互连的组，从第一组开始、继而为另外的组，并且按照相反顺序再次打开这些组来实现对共同中性点的移动。

在图8和图9的流程图中描绘了用于如何可以一直移动并且再次返回共同中性点的示例。步骤都由如下控制单元30发起和控制，这些控制单元经由未示出的信号连接向相应开关发送适当控制信号并且接收关于AC系统中以及电容器排中的电流和电压的信息。首先在图8的步骤70中接通互连20的闸流管40、由此闭合互连20。在相14与15之间的电压差为零时的时间点接通闸流管40，从而避免瞬态电流。此后，在步骤71中闭合机械开关50，从而已经流过并联连接的闸流管40的电流换向至机械开关50。自然电流阻塞(即切断)在电流随后反向并且穿过零点时出现于闸流管40中。在后续步骤72和73中，针对可切换互连21执行闸流管40在适当时间点的闭合或者接通，继而为机械开关50的闭合。因而第一组可切换互连20和21形成新共同中性点26、由此将图2的设备的无功功率输出增加第一步进。步骤70、71、72和73的序列A在后续步骤74中应用于第二组可切换互连22和23、由此向新共同中性点27并且由此进一步向上朝着AC系统移动共同中性点。假如电容器17具有相同规格，该设备的无功功率输出增加因而被增加与第一步进相同水平的第二步进。通过针对第三组可切换互连24和25执行序列A来获取无功功率输出中的第三步进(步骤75)。

反言之，可以通过按照相反顺序打开可切换互连从AC系统朝着原共同中性点19往回移动共同中性点。为了避免电容器17中的俘获电荷，应当在经过电容器17的电流处于峰值时执行打开。根据图9，打开第一和第三组可切换互连24和25，这是在包含步骤80-83的序列B中执行的。在每个可切换互连20-25中首先接通闸流管40以接管流过对应机械开关50的电流、继而打开机械开关50。当电流反向并且穿过零点时再次切断闸流管40。因而将该设备的无功功率输出减少三个连续步进直至它再次回到原功率水平。

如上文所述，可以按照任何适当顺序打开和闭合可切换互连的组以在三个正和负功率步进的整个范围内实现无功补偿和控制，其中数目三仅为示例。

在图6中所示的图2的设备的又一发展中，辅助开关32并联连接到每个可切换互连20-25。在检测到电容器排的相14-16之间的电流或者电压不平衡的情况下以适当方式打开和闭合辅助开关32以便允许使不平衡达到平衡的循环电流流动。这些不平衡主要由于在操作可切换互连之后在短路的电容器17中留下的俘获电荷。

除了辅助开关32之外或者取而代之作为单个辅助部件，辅助变压器36、37还可以在它的初级侧与相14、15或者16之一的电容器17并联连接而在它的次级侧与相14、15或者16中的另一相的电容器17并联连接，如图7中所示。在这一附图中，第一辅助变压器36连接于一对相14与15之间，而第二辅助变压器36连接于另一对相15与16之间并且就与原共同中性点19的距离而言在与第一辅助变压器36相同的水平。事实上，两个辅助变压器36和37放置于最低水平而它们的相应端子之一与原共同中性点19直接电接触。

Claims

1.一种用于经由设备控制中压或者高压AC系统的电性质的方法，其中所述AC系统和所述设备各自包括数目为n的相(11-13；14-16)而n至少为二，并且所述设备的n相中的每相：

■包括至少两个电元件(17)的串联连接，而中间连接点(18)在所述至少两个电元件(17)中的每对电元件之间，并且

■在一侧上连接到原共同中性点(19)而在另一侧上连接到所述AC系统的n相(11-13)之一，

其特征在于：

数目为[n-1]的第一可切换互连(20，21)闭合，每个第一可切换互连在所述设备的n相(14-16)中的两相的两个中间连接点(18)之间、由此互连所述设备的所有n相并且由此产生由闭合的第一可切换互连(20，21)构成的新共同中性点(26)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过逐一闭合数目为m的[n-1]个可切换互连的另外的组(22，23；24，25)来以步进方式从所述原共同中性点(19)朝着所述AC系统移动所述新共同中性点(26)，而m≥1，其中[n-1]个可切换互连的组m中的每组互连所述设备的所有n相(14-16)并且连接到与连接到所述第一可切换互连(20，21)之一或者其它组可切换互连的所述中间连接点不同的中间连接点(18)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中通过逐一打开所述可切换互连(24，25；22，23)的另外的组m、继而打开所述第一可切换互连(20，21)来以步进方式从所述AC系统朝着所述原共同中性点移动所述新共同中性点(28，27，26)。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在序列中分别接连打开或者闭合所述可切换互连，所述序列在所述AC系统上的AC电流的正序列之后而在两个序列之间有预定时间差。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述可切换互连各自包括至少一个切换器件，所述切换器件为功率电子开关(40)和/或机械开关(50)，其中接通和/或切断所述切换器件，从而无瞬态电流或者瞬态电压出现于所述设备中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过操作连接于所述设备的n相中的至少两相之间的辅助切换器件(32)来补偿在所述n相中的所述至少两相之间的电流或者电压中的不平衡。

7.一种用于控制中压或者高压AC系统的电性质的设备，所述AC系统包括数目为n的相(11-13)而n至少为二，其中所述设备包括：

■数目为n的相(14-16)，每相包括至少两个电元件(17)的串联连接，而中间连接点(18)在所述至少两个电元件中的每对电元件之间，其中

■所述设备的n相(14-16)中的每相在一侧上连接到原共同中性点(19)而在另一侧上连接到所述AC系统的n相(11-13)之一，

其特征在于所述设备包括：

■数目为[n-1]的第一可切换互连(20，21)，其中所述第一可切换互连各自设置于所述设备的n相(14-16)中的两相的两个中间连接点(18)之间，以及

■至少一个控制单元(30)，设置成根据权利要求1所述的方法控制所述第一可切换互连(20，21)。

8.根据权利要求7所述的设备，包括数目为m的[n-1]个可切换互连的另外的组(22，23；24，25)，而m≥1，其中每个可切换互连的另外的组被设置成互连所述设备的所有n相并且连接到与连接到所述第一可切换互连(20，21)之一或者其它组可切换互连的所述中间连接点不同的中间连接点(18)，以及其中所述至少一个控制单元(30)被设置成根据权利要求2至6所述的方法中的任何方法控制所述可切换互连的第一组和另外的组。

9.根据权利要求7或者8所述的设备，其中每个可切换互连包括至少一个切换器件，所述至少一个切换器件为功率电子开关(40)和/或机械开关(50)。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述机械开关(50)与功率电子元件并联连接，所述功率电子元件为所述功率电子开关(40)或者二极管。

11.根据权利要求7至10中的任一权利要求所述的设备，其中所述可切换互连朝着接地浮动。

12.根据权利要求11所述的设备，还包括用于向所述可切换互连传送控制信号和/或操作功率的装置(34)。

13.根据权利要求7至12中的任一权利要求所述的设备，其中至少一个辅助变压器(36，37)在它的初级侧与所述n相(14-16)中的第一相的电元件(17)并联连接而在它的次级侧与所述n相(14-16)中的第二相的电元件(17)并联连接。

14.根据权利要求7至13中的任一权利要求所述的设备，其中至少一个辅助切换元件(32)连接于所述中间连接点(18)的两个中间连接点之间。