CN104350660B - 功率补偿器 - Google Patents

Abstract

一种用于补偿沿功率传输线的位置处的电压的功率补偿器，所述补偿器具有用于控制在所述补偿器两端生成的电压的控制器，其中所述电压被控制以把功率传输线的电压维持在依赖于所述功率传输线的位置的值。

Description

功率补偿器

技术领域

本发明设计功率补偿器。

背景技术

在传统电力系统中，功率流由发电设备控制，并且发电的速率遵循城市的负载需求。在未来的电网中，越来越多的可再生能源将以分布式方式被安装在全城（并且因此全电网）。因为难以确定可再生功率源（诸如风能和太阳能系统）的整体发电速率，所以希望越来越多地使用间歇性可再生能源以把动态稳定性引入到ac电力供应或通常所谓的ac干线。在未来的电网中，必须改变控制样式，以使得：代替如在传统电力系统情况中那样使发电遵循负载需求，负载需求应当遵循发电。

对于电压补偿，已提出了无功功率控制器用于支持沿传输线的电压。图1a图示了使用无功功率控制器（100）作为串联无功功率补偿器（控制器）的基本原理。当功率从功率源（102）沿着传输线（104）被传输时，由于绕组阻抗（106）和电阻（108）两端的电压降，输出电压V₂小于输入电压V₁。串联无功功率控制器可以被插入传输线的输出中。通过生成补偿电压V_comp，可以增加新的输出电压V₂’ 以补偿沿传输线的功率传输的电压降。为了不消耗功率，由无功功率控制器生成的补偿电压的电压矢量垂直于功率流的电流，如在图1b的矢量图中指示的那样，其中V_comp的矢量垂直于电阻性电压降IR（其与电流矢量I具有相同的方向）。使用无功功率控制器或补偿器来升高输出电压是现有技术。然而，应当注意的是，在这样的现有技术中，无功功率控制器的输出电压（即输出电压V2’）被调节。

无功功率控制器对于有技能的读者将是已知的，并且是包含电子开关和能量存储元件（诸如电感器和/或电容器）的电力电子电路。它们可以被用于利用存储能量来控制电力系统中的电流和电压。参见图2，无功功率控制器200的使用示例包括串联无功功率补偿器202，分流（并联）无功功率补偿器204和统一功率流控制器（其使用串联和分流无功功率控制器的组合）。对于高功率高电压应用（例如大于11kV），隔离变压器通常被用于提供高电压传输线和无功功率控制器的电子电路之间的电气隔离，如图2中所示。然而，对于处于110V或230V的干线电压的应用，隔离变压器不是强制的。例如，如图3中所示的，专利[GB2405540.B和US专利US2007057640]中提出的串联无功功率控制器300已被用作针对照明系统306的中央调光系统，照明系统306由干线电压馈电而不使用隔离变压器。无功功率控制器302的这种使用再次使用标准“输出电压反馈控制”来调节串联无功控制器的输出电压。

在针对电压调节的串联复制无功功率控制器的传统使用中，通常调节功率控制器的输出电压。这样的“输出电压控制”是公知的并且其控制方案在图3中图示，其中在传统“输出反馈控制”的帮助下，输出电压V_o被调节到参考电压V_o ^*。

然而，在进一步的发展中，最近在由HUI，LEE和WU提出的专利申请[US专利申请61/389489，“Power Control Circuit and Method for Stabilizing a Power Supply”以及要求其优先权的PCT申请]（这两个申请通过引用以其整体为被合并的水平）中已经指出：如果“V_o的输出电压控制”被改变为图4中所示的“V_s的输入电压控制”，则控制环路中的细微改变可以提供无功功率控制器400的新颖特征，其包括（i）调节输入电压V_s，（ii）允许输出电压V_o波动以使得输出负载（R_I）中的负载功率可以遵循来自提供干线电压的ac功率源的可用的功率分布图。

具体来说，如图4中可以看见的，功率线的电压V_s包括给控制器402的控制变量，控制器402连同同步网络输入408向脉宽调制（PWM）生成器406提供输入，到达脉宽调制器逆变器410，以使得电压V0波动，允许非临界负载412中的功率变化，从而使得电压V_s可以维持恒定。因为具有输入电压控制的无功功率控制器可以为ac干线提供电压支持，所以它被称为“电压弹簧（voltage spring）”或“电弹簧（electric spring）”。针对传输线中的电压支持（图5a）的传统输出控制和针对中央调光系统（图5b）的传统输出控制的差别在电路图中被图示，并且与图5c中的针对控制器的输入电压控制相比较。例如，在图5a中，针对输出电压支持的串联无功功率补偿被示出为由输出电压V0调节，而在图5b中，针对与有功功率流相关的调光照明负载的串联无功功率补偿被示出为由V0调节。在两种情况中，适当的脉宽调制功率变换器502被示出为由具有并联负载506的V0调节控制器控制。然而，参考图5c，其中无功功率补偿被用作由Vs调节的“电弹簧”，有功功率流510被示出为在非临界负载512两端耗散，无功控制器514由控制器516控制从而调节Vs和维持临界负载518两端的期望电压。

为了图示这种电弹簧的这些特征，参照图6a，

其中P_in是来自电力供应600（诸如风轮机）的输入功率，V_s是由控制器608调节的AC干线电压，V_o是非临界负载R_I 602两端的电压，V_a是无功功率控制器 604（即电弹簧）两端生成的电压。R₂是需要稳定V_s的临界负载606。P_R1和P_R2分别是由R₁和R₂消耗的功率。

通常，由电力系统利用基本可再生能源（具有间歇性）生成的功率P_in不是恒定的。它可以根据随时间生成的可再生功率的可用性而变化，如图6b中示出的。通过使用输入电压控制，V_s的均方根值可以保持恒定。因此，如果在等式（1）中V_s是恒定的，则P_R2是恒定的，P_R1将变化以遵循P_in的分布图，因为“V_s的输入电压控制”将允许V_a波动以使得P_R1变为变量。

然而，发现在实际实施中，还希望进一步的改进。

发明内容

本发明在权利要求中阐述。

附图说明

现在将通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1a和1b示出了根据已知布置的针对AC干线电压及其传输线阻抗的、具有串联无功功率补偿的电路及其等价矢量图；

图2示出了根据已知方法的、基于组合使用共享同一DC电压源的分流和串联无功功率控制器来控制的统一功率流；

图3是根据已知方法的针对大规模照明网络的中央调光系统的示意图；

图4示出了根据已知方法的所提出的“串联类型”功率线的电压控制方案的示意图；

图5a示出了V0调节串联无功功率补偿器的控制示意图；

图5b示出了针对中央调光系统的V0调节串联无功功率补偿器的示意图；

图5c示出Vs调节串联无功功率补偿的示意图；

图6a示出根据已知方法的串联无功功率控制器的示意图；

图6b示出不同部件间的功率变化；

图7示出沿传输线的逐渐电压降；

图8a示出根据本发明的针对单相应用的半桥功率变换器；

图8b示出根据本发明的针对单相应用的全桥变换器；

图9a、b和c示出通过调制指数控制的变换器的正弦PWN切换波形的量值控制，用于在低通滤波之后创建可控正弦输出电压；

图10a到10d示出中性、电压减小、电压升高和电压减小（能量吸收）模式；

图11示出与调制指数M有关的无功功率控制器的操作模式；

图12a和12b示出与无功功率和沿传输线的干线电压的减小有关的无功功率控制器的操作模式；

图13示出位于沿传输线的不同位置的根据本发明的无功控制器的理想特性；

图14示出位于沿传输线的不同位置的无功控制器的与电压有关的理想特性；

图15示出用于提供可自动调整参考电压的控制方案；

图16示出针对无功控制器的控制方案，具有针对沿传输线的位置的可自动调整干线电压参考。

具体实施方式

总体来说，本发明涉及用于稳定ac电力供应的无功功率控制器的控制方法。其提供了用于允许无功功率控制器在ac电力供应的传输线的不同位置工作以及用于这些无功功率控制器在传输线的它们的相应位置处支持并且稳定ac干线电压水平的方法。提议中的控制方案允许这些无功功率控制器具有根据传输线的各位置处的干线电压水平的可自动调整电压参考。该控制方法可以被施加到（但不限于）嵌入在分布于电网中的智能电负载中的无功功率控制器，以用于沿传输线稳定和支持ac电力供应。一种方法是例如对于稳定具有可再生功率源的基本穿透的电网或弱调节ac电网有用的。

具体来说，被认识到的是，当使用多于一个无功功率控制器时，具有恒定参考V_{s_ref}的控制环路是不适合的。现在描述进一步改进的控制方案，使得当电弹簧在电力系统中分布时，它们可以一起工作。

如上面描述的，这里描述的控制器可以分布在电网上，用于嵌入电设施中，诸如电水加热器、电冰箱和道路照明系统。这些是合适的“非临界负载”，可以与可变干线电压一起工作。图7示出了具有沿传输线连接的电负载1300a、1300b、1300c的示例。由于沿传输线的逐渐的电压降（即，传输线的阻抗和电阻两端的电压降），沿这些线的干线电压水平是不同的。通常，干线电压在电力供应源1302处最高并且朝向传输线的末端逐渐减小。在不同位置（即1304a、1304b、1304c、Vs1、Vs2、…、Vsn等）的干线电压是确实不同的。例如，如果功率变压器1302向住宅区中的许多房子供电，最接近变压器的干线电压可以是230V（其是标称电压）并且最远离变压器的干线电压可以是210V，这是因为沿沿着街道的长电缆的电压降。也即是说，Vs1>Vs2>…>Vsn是固有的。

这个沿传输线的逐渐电压改变的固有现象暗示针对许多控制器使用参考电压Vs*的“单个”值可以被进一步改进。在实践中，控制器的参考电压Vs*值可以不设置为相同值，因为各个控制器需要调节或支持的实际干线电压值是依赖于位置的。因此，提出控制方案以如下方式实施：即电压参考Vs*值可自动调整以匹配控制器被嵌入其中的电负载的特定位置处的实际干线电压值。本发明涉及这样的控制方案，即，使得电弹簧能够使它们合适的电压参考Vs*可自动调整以便它们能够适当工作而不管它们沿传输线的位置如何。

该方法被实施为与上面连同改进的控制方案一起描述的、使用可自动调整的干线电压参考Vs*的无功功率控制器的电力电子电路相关。这容许大量部署无功功率控制器作为稳定电网的分布式电弹簧。

图8a和8b示出了PWM全桥功率变换器（图8b）和半桥功率变换器（图8a）的电路，其可以用作干线功率电路。二极管1402、1404表现得像二极管整流器，通过这些二极管，dc电容器（1406、1408）可以被充电从而向功率变换器提供DC电压源。参照图9a、9b和9c，通过控制脉宽调制（PWM）变换器的调制指数（M），可以生成处于干线频率的高品质PWM电压波形（1500、1502、1504）。使用包括电感器和电容器的低通滤波器（1410、1412），可以生成根据对调制指数（M）的控制具有可控量值的、处于干线频率的正弦电压（V_a）（1500、1502、1504）作为LC滤波器的输出，其也是由无功功率控制器（或电弹簧）提供的电压。此外，可以控制V_a相对于V_s的相位关系。为了确保功率变换器充当无功功率控制器，通过控制器的电流矢量和控制器两端的电压矢量理想地应当彼此垂直。

在一个实施例中，为了把可自动调整干线电压参考引入到针对每个无功功率控制器的控制环路中，可以采用“下垂控制”概念方法或其等价物。

例如，可以采用在几个发电机被用于发电[B.W. Weedy & B.J. Cory, "ElectricPower Systems", 4^th Edition, New York, Wiley, 1998]或用于并联功率变换器的控制[Karel De Brabandere et al, "A voltage and frequency droop control method forparallel inverters", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.22, No.4,July 2007, pp.1107-1115]的电力系统中使用的类型的下垂控制。电压和频率下垂控制方法使发电机能够并行工作以便在频率上被同步并且实现稳定操作。

令人惊讶地，虽然无功功率控制器理论上不处理有功功率，以使得它们的行为不同于发电机和功率变换器，但是发现这个性质的控制方案适合于本发明。现在将参考图6中示出的配置更详细描述其中Vs*可以针对个体控制器被设置的方式。如图6中可以看见的，功率源600（诸如风轮机601）在AC-DC整流器603处被整流并且经由电网连接变换器607供应功率线605。串联无功功率控制器604和负载602两端的电压Vs允许控制器604两端的Vs连同负载602两端的Vs变化以便通过在控制器608处把Vs维持在Vs-ref来提供临界负载606两端的期望电压。

图6的应用示例中的控制器的目标是把v_s恢复到干线电压的标称值v_s-ref。使P_w成为动态改变的风能和由AC功率源（诸如AC发电机）生成的某个基本功率的和。针对图6中的系统的一般功率平衡等式是：

其中Re（Z）是Z的实部，表示电阻性元件R。Z₁是“非临界”负载的阻抗，并且Z₂是“临界”负载的阻抗。

针对控制器（1608）的矢量等式是：

如上面讨论的，等式（3）示出：如果干线电压被控制器调节在标称值V_{s_ref}，则对于临界负载，第二功率项P₂应当保持恒定。如果生成的功率Pin不能满足P₁和P₂两者的总功率，则控制器的输入电压控制将生成电压矢量V_a以保持V_s被调节在V_{s_ref}。根据（3），Z₁两端的电压矢量v_o将被减小并且因此Z₁的功率消耗（P₁）也将减小。因此，如果控制器运行良好，则针对临界负载的P₂应当如期望那样保持恒定，并且针对非临界负载的P₁应当遵循功率生成分布图。

继续上面呈现的机械弹簧模拟，其中这样的弹簧不能延伸超过特定位移，控制器也具有其操作限制。图10a-10d示出了在四个操作模式下的具有控制器的系统（图6）的矢量图。矢量图中的圆表示干线电压的标称值V_{s_ref}（例如220V）。假定矢量沿逆时针方向以干线频率（例如50Hz）旋转。图10a描绘了控制器处于“中性”位置中的情况，其中v_a=0。这表示由可再生功率源（600）（诸如风力发电厂）生成的功率足以满足负载需求并且同时维持v_s处于V_{s_ref}的标称值的情况。图10b表示需要Z₁中的功率减小以便保持v_s处于V_{s_re f}的情况。这里v_a是正的，以便在电弹簧的电容性模式下提供“电压升高”功能。如果生成的功率比负载需求的高，则v_s将超过V_{s_ref}，导致过电压情况。为了调节v_s处于V_{s_ref}，图10c示出了控制器可以通过在电感性模式下操作来提供“电压减小”功能。这里v_o相对于图10b中它的值被增加，以便负载Z₁可以消耗更多由可再生能源生成的功率，从而保持功率平衡。在电容性模式（图10b）和电感性模式（图10c）下的针对电弹簧电压矢量v_a的标量等式被给出（3）：

其中v_c是功率变换器的滤波电容器的电压。

在图10a-10c中描述的三个操作模式中，控制器以无损耗方式操作并且不消耗能量。然而，如果生成的功率过量，则Z₁两端的电压（即v_o）可以超过V_{s_ref}，如图10d中所示的，在电容性（图10b）和电感性（图10c）模式下，控制器不能维持v_s处于V_{s_ref}。在电容性或电感性操作模式下，电弹簧电压矢量v_a（其针对无功功率操作必须与v_R1垂直（或与矢量v_L1平行））不能到达圆，并且因此把v_s减小到V_{s_ref}。在这种情况下，控制器（1604）必须吸收实功率并且将它传递到其它某处，诸如能量存储元件（未示出），该能量存储元件可以是任何适当的元件，诸如通过另一路径的电池。在图10d中的这个操作中，矢量v_a不再垂直于v_R1。因此，在其自身上没有有功功率吸收装置的控制器在电压升高方面比电压减小更有效。

可以看见的是，电容性模式给ac电力系统提供电压支持，而电感性模式提供电压抑制。这样的关系可以被以图形方式图示在图11中，其中x轴表示PWM电压的调制（1800），其有效地是由控制器生成的经滤波的正弦电压波形的量值的指示。以物理术语，电容性和电感性模式可以被表示为对由控制器提供的无功功率Q的参考，如图12a中所示。这里，当控制器提供负无功功率时，它提供电压支持（即正Va）。当它提供正Q时，它生成负Va。

如上面讨论的，由于如下事实：（i）这些控制器将被分布和安装在沿传输线的不同位置，以及（ii）沿传输线存在电压降，所以这些控制器需要维持作为它们相应的参考值的精确干线电压参考值是依赖于位置的，并且因此是不同的。如图12b中示出的，紧邻ac电压源（可以来自降压变压器）安装的控制器的参考干线电压是Vs* 1900。对于距ac电压源距离x安装的控制器，干线电压参考可以降到Vsx* 1920。对于在距ac电压源的传输线末端处的更远安装（即距离n），这样的干线电压参考将被减小到更低的值Vsn*1904。因此，这三个控制器的电压下垂特性在性质上类似，但是在干线电压参考值方面不同，如图13（调制指数M（2000），并且对应的Vs* （2002）、Vsx* （2004）和Vsn* （2006））以及图14（Va （2100），和对应的Vs* （2102）、Vsx* （2104）和Vsn* （2106））中指示的。

参考图15，为了使每个控制器能够产生针对标称干线电压Vs*（2202）（例如230V）的可自动调整干线电压参考值Vsx*（2200），提出了可以实施每个控制器的控制板的控制方案。基本概念由图16中示出的控制框的示意图作为示例图示。然而，应当强调的是，具有相同控制目标的其它控制框也可以被使用。该控制方案可以以模拟或数字形式或两者组合地实施。

不失一般性，假定控制器安装在距ac电压源距离x处，ac电压源具有“标称”干线电压Vs*（2202）（例如230V或110V）。这个电弹簧连接到干线电压，在该处实际（测量的）干线电压是Vsx（2204）。该控制方案生成可调整参考电压Vsx*（2200），其匹配传输或分布线的位置x处的实际干线电压。在减法器（2206）处从Vsx*（2200）减去测量的Vsx（2204），并且差值或误差信号e（2208）被馈送到比例-积分（PI）控制器（2210）。PI控制的输出是调制指数（M）（2212）。M被馈送到增益（2210）K，并且在减法器（2206）处从标称干线电压（2202）Vs*减去信号MK，以形成生成的可调整干线电压参考Vsx*。M的极性提供针对操作的电容性模式或电感性模式的控制信号（2216）。

可以利用下面的控制等式来说明控制方案的原理：

等式（5）指示可调整干线电压参考Vsx*依赖于由恒定增益K表示的下垂特性。因为M是变量，右手侧的-MK项允许这个参考电压根据沿传输线的电压降来调整。

因为PI控制器的功能是保持误差信号（e）为零，等式（6）示出了该控制方案的操作是强制测量的Vsx接近可自动调整参考Vsx*。

针对调制指数M的等式是：

其中k_p是PI控制器的比例系数，并且k_I是PI控制器的积分系数。

当然，将被认识到的是，可以采用其它控制方案并且PI控制器仅是用于实现控制等式（5）、（6）的一个可能的实施方式。

因此，本发明中提出：先前在图6中建议的控制方案被修改为在图16的虚线框中指示的控制方案。以这个方式，许多电弹簧可以独立工作并且还可以按组工作，不管它们在电网中的安装位置如何。

如在图16中可以看见的，图15的控制器作为控制器2201被提供。如讨论的，该控制方案允许控制无功控制器两端的电压以补偿控制器位置处的电压的下垂。因此，代替跟踪功率传输线的起始处的电压，相关位置的校正参考电压是正确的。对增益值K的选择允许合并下垂特性。

增益值K可以按设备被预先设置，在安装时设置或可以例如经由跨越分布式网络的有线或无线装置来远程设置。可以视需要采用设置参考电压值的控制方案和方法。

在实践中，所提出的控制方案提供了附加的益处。使用控制器但是不使用所提出的控制方案，重要的是注意最上游的控制器提供最大的正无功功率（即最大的和正的Qa1），意味着它正在其电感模式中操作以把其干线电压“抑制”在标称水平Vs1。同时，通过根据保持低于标称电压的Vs3的瞬时值来主要生成负无功功率（即最大的负无功功率Qa3）支持干线电压Vs3，最下游的控制器主要操作在电容性模式中。因此，可以看见的是，控制器彼此“相反”地工作，而不是“与”彼此协作。中间控制器的动作在两个极端之间波动。

在上面的示例中，即使它们中的一些冲突，不具有所提出的控制方案的控制器仍能够调节干线电压，这是因为无功功率容量足以补偿该配置中电压调节所要求的无功功率。然而，在控制器的无功功率容量更小的情况下，这可能无法实现。

在所提出的补偿控制方案下，所有控制器以类似的方式生成无功功率以补偿电压波动。这意味着它们“协作”以调节在传输线的它们相应位置处的干线电压水平。

因此，即使个体控制器可能具有有限的无功功率容量，但是所提出的控制方案使它们能够一起工作以便最大化它们针对无功功率补偿的效果，这是在电网中提供电压调节的有效方式。虽然传统无功功率控制器仅提供无功功率补偿，但是根据本发明的控制器的附加的“非临界负载切断”功能提供了自动功率流控制，这给频率稳定控制带来了附加的益处。

将认识到的是，这里描述的方法可以关于分布的任何量值和水平的功率传输系统来使用，并且连同任何合适的非临界负载一起使用控制器并且以任何合适的方式实现，从而容许以所描述的方式进行电压补偿。

虽然已参考特定示例描述了本发明，但是将被本领域技术人员认识到的是，本发明可以被体现在许多其它形式中。还将被本领域技术人员认识到的是，描述的各种示例的特征可以被组合在其它组合中。

Claims (12)

1.一种用于补偿沿功率传输线的位置处的电压的功率补偿器，所述补偿器具有用于控制在所述补偿器两端生成的电压的控制器，其中所述电压被控制以把功率传输线的电压维持在依赖于所述功率传输线的位置的值，

其中待维持的所述功率传输线的电压按照沿着所述功率传输线的、具有恒定增益的下垂特性的电压降而自动地调节。

2.如权利要求1中所述的补偿器，包括无功功率补偿器。

3.如权利要求1或2中所述的补偿器，其中所述控制器被布置为根据增益值提供控制。

4.如权利要求3中所述的补偿器，其中所述增益值在本地被设置。

5.如权利要求3中所述的补偿器，其中所述增益值被远程设置。

6.如权利要求3所述的补偿器，还包括与所述补偿器并联的临界负载，其中，所述补偿器进行补偿以把所述临界负载两端的电压提供为依赖于所述功率传输线的位置的值。

7.一种功率补偿系统，包括如权利要求1-6中任一项所述的功率补偿器和至少一个负载。

8.如权利要求7中所述的系统，其中所述负载包括设施。

9.如权利要求7或8中所述的系统，其中所述负载包括过载负载。

10.一种功率传输系统，包括：功率传输线和在功率传输线的相应位置处的多个权利要求1-9中任一项所述的补偿器或系统，功率传输线在每个位置处具有相应的电压值。

11.如权利要求10中所述的系统，其中所述功率传输线包括分布线。

12.一种在沿功率传输线的位置处提供功率补偿的方法，包括：控制在所述位置处的功率补偿器两端生成的电压，以便把功率传输线的电压维持的在依赖于所述位置的值，

其中待维持的所述功率传输线的电压按照沿着所述功率传输线的、具有恒定增益的下垂特性的电压降而自动地调节。