CN1062684C - 具有不同的输电相位角提前和延迟的输电线路功率潮流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明将一偏压(Vα)矢量迭加到可控电压(Vpq)上，然后一起加载到一输电线路(3)的电压(V0)上，可以减少一个标准功率潮流控制器(UPFC)所需要的MVA额定功率，它适用于：(1)当输电线路(3)中的功率只是单向流动时，或者(2)其传输相角的变化范围不以零相角对称时。

Description

具有不同的输电相位角提前和延迟的输电线路功率潮流控制器
本发明涉及控制交流输电线路的功率潮流的装置，特别涉及这样一种装置，即通过控制输电线路阻抗、输电线路上的电压幅度和/或电压相位角，为输电线路上双向传输的最大功率潮流提供不同程度的控制，以及提供单向的功率潮流控制。
美国专利5343139号中描述了一种通用功率潮流控制器，也称“标准功率潮流控制器(UPFC)”。该控制器通过在输电线路上串联注入一个幅度和相位角可控的电压，来改变其有效输电线路电压、阻抗和相位角，从而达到控制线路中的有功和无功潮流的目的。
标准功率潮流控制器(美国专利号5343139)可以在一个-σmax≤σ≤+σmax的范围内将现有的输电相位角既可以提前也可以延迟一个相位移动角。尽管在一些实际应用中例如在许多要求功率潮流方向改变及传输相位角的单向改变、提前和延迟的实际应用中，UPFC的一般性能可以满足需要，比较令人满意。但在这些应用中，UPFC的固态逆变换器并没有得到很好的使用。因为在给定的额定功率MVA下，相位角的可控范围是σmax≤σ≤+σmax，也就是相位角的最大改变可以达到σmax的两倍，但是实际上用来仅仅在正范围0≤σmax或负范围σmin≤0内控制相位角，也就是说，相位角的最大改变仅为σmax。因为所需的额定功率MVA与可控制的范围是成正比的，很容易看出UPFC的固态变换器只使用了50％。
因此，需要一个经过改进的更有效的UPFC应用于输电线路功率潮流控制，尤其是在一些实际应用中，只要求单向传输功率潮流相位角提前和延迟或者双向传输功率潮流最大提前和延迟相位角程度不同，必须考虑UPFC在相位角最大控制范围内的完全利用。
本发明的目的是提供一种输电线路功率潮流控制器，提高UPFC的固态变换器的效率，充分，完全地利用UPFC。
本发明满足了在要求单向输电相位角提前和延迟或者最大提高和延迟相位角不同的实际应用中，在相位角的全部控制范围内，UPFC可以得到完全利用。本发明中的功率潮流控制器的基本构思是提供一个固定或可选的相位提前或延迟，使用UPFC在所要求全部控制范围内改变(增加或减少)该固定相位角。本发明的功率流量控制器包括：转换功率变换器，可以产生一个相对于输电线路电压幅度和相位角可控的电压；偏压产生装置，可以产生一个相对于输电线路电压具有预定相位角的偏压；耦合装置，可以把功率变换器产生的可控电压和偏压进行矢量叠加，其合成电压与输电线路电压串联地加到输电线路上。
一种功率潮流控制器，用于对在一交流输电线路的两端之间流动的电功率潮流进行控制，该输电线路以一选定的输电线路电压和一基础频率传输交流电；所述控制器包括：转换功率变换器装置，产生一个以所述交流电的所述基频为频率、具有和所述输电线路电压相关的可控幅度及相位角的可控交流电压；其特征在于，偏压发生装置，产生一个以所述交流电的所述基频为频率、具有一个与所述输电线路电压的相位角相关的预定相位角的交流偏压，该交流偏压具有一个预定的幅度值；耦合装置，用于对所述可控交流电压和所述交流偏压进行矢量叠加，以产生一个合成电压，并将该合成电压串联加载到所述输电线路的所述输电线路电压上；以及控制装置，在所述基频上对由所述转换功率变换器产生的可控交流电压的可控幅度和相位角进行控制，使之达到与所述输电线路电压相关的某一幅度和任意相角，同时还可以和所述偏压一起或单独使用，选择地调整所述输电线路的有效阻抗、所述输电线路的所述两端电压的有效相位角以及输电线路电压的幅度，从而实现在两个不相等的最大功率潮流控制边界值之间对所述输电线路中的功率潮流进行控制。
在本发明的最佳实施例中，偏压与输电线路电压相位正交，这可以通过一个并联变压器来实现，该变压器有三相的三角形连接的初级线圈，和三条输电线路的相导线相连，所以，次级线圈的相电压与输电线路中相应的相与零线之间的电压正交。另一个理想的情况是，耦合装置是一个变压器，来自功率变换器的可控电压和偏压串联于次级三相绕组上，初级线圈与输电线路串接。
控制装置用来控制由功率变换器产生的可控电压的可控幅度和相位角，使之达到某一个幅度值和与输电线路电压相关的任意相位角，在偏压设定的范围内和范围偏压一起或单独使用，有选择地调整输电线路两端电压之间的有效阻抗、输电线路电压幅度和相位角。在本发明最佳实施例中，偏压与输电线路电压相位正交，控制装置控制由功率变换器产生的可控电压的幅度，使之不大于偏压的幅度，从而使变换器在控制单向功率潮流中得到完全使用。
结合以下附图，阅读下列对最佳实施例的描述，可以充分理解本发明。
图1是根据本发明所作的与输电线路相连的功率潮流控制器的单线图例。
图1A是图1功率潮流控制器的三相实现图解。
图2是图1功率潮流控制器的工作相位图。
图3是图1功率潮流控制器提供完全串联补偿的相位图。
图4是图1功率潮流控制器提供部分串联补偿的相位图。
图5是当图1的功率潮流控制器提供β相位移动和串联电容补偿时一般情况下的相位角和阻抗控制相位图。
图6是当变换器电压幅度大于偏压时图1功率潮流控制器的工作相位图。
图7是当变换器电压幅度小于偏压时图1功率潮流控制器的工作相位图。
图1中示出了本发明的功率潮流控制器1，它连接在输电线路3上，控制输电线路3上的第1端5和第2端7之间的功率潮流，控制器1和输出线路3都是三相的，在图中，为显示清楚，画成了单相。
功率潮流控制器1包括一个功率变换器，其合适形式是以电压为电源的直流到交流的变换器9。这个变换器包括一固态开关阵列，如大家所熟知的门控开关(GTO)11。变换器9在交流端13产生一个可控交流电压Vpq，加在输电线路3上，与输电线路电压V0通过耦合变压器15串联。电压Vpq因此被加到输电线路电压V0上，产生调整后的输电线路电压V0′。
如美国专利5343139号(已列入索引)详细所述的那样，可以控制所注入电压Vpq的幅度和相位角，来调整输电线路3上的阻抗、输电相位角和电压幅度中的一个或它们的组合，从而控制通过输电线路3的功率潮流。控制装置17为门控开关提供门控制信号，用以控制电压Vpq的幅度和相位。控制装置17在已测变量、参数设置和输电线路电压参考值Vref、输电线路阻抗参考值Zref、输电相位角参考值φRef及并联无功功率补偿基准值QRef等输入量的基础上，为门控开关提供触发信号。美国专利5343139号中再次描述了这种合适的控制方法。
注入电压Vpq的幅度由加在变换器9的直流端19的直流电压Vdc决定。如果只需要串联的无功补偿，加在直流端19的电压可以由电容器21提供，这在美国专利5198746号中已提及。在这种情况下，注入电压Vpq与输电线路电流Ⅰ保持相位正交，只有无功功率通过变换器9与输电线路交换。然而在瞬间情况下，注入电压Vpq的相位角根据输电线路电压V0控制，因此，相应于输电线路电流可以是任何一个相位角，变换器9也必须能够和输电线路除了无功功率外还能交换有功功率，这要求一种装置用于提供有功功率到变换器9以及从变换器9吸收有功功率，这可以由一个功率源或者一个实际阻抗来实现，如相互参照的相关申请所解释的那样。在本发明的示例性实施例中，最好以电压为源的另一个变换器23通过由连接在变换器23的直流端25的电容器21形成的直流通路和变换器9背靠背相连。变换器23通过一个并联变压器27与输电线路3相连，变压器27的初级线圈29连在输电线路3上，其第一次初级线圈31连接在变换器23的交流端33上。
在这点上，功率潮流控制器1与美国专利5343139中所描述的相似。该控制器可以在输电线路3上提供双方向的全部功率潮流控制。然而，正如人们所注意到的，在所有装置上都提供双方向的全部功率潮流控制是没有必要的。这样，本发明就附加了一个偏压在注入电压Vpq上，以调整双方向的功率潮流限度。可以看出，可以设置这些功率潮流限度来提供每一方向上程度不同的最大功率潮流控制限度，甚至把功率潮流限制在一个方向上。
在本发明的示例性实施例中，偏压Vα由并联变压器27的第二次级线圈35提供。这个偏压Vα也可以由其它电源如一个并联在输电线路上的独立变压器或者另外一个独立于输电线路3但相位锁定的电源提供。不论何种情况，偏压Vα和变换器9产生的可控电压Vpq矢量叠加，其合成电压注入到输电线路中。在本发明的示例性实施例中，该合成电压通过耦合变压器15串联注入到输电线路电压上。耦合变压器15的初级线圈39串联于输电线路3上，其次级线圈41串联于变换器9的交流端13和并联变压器27的次级线圈35上。
许多电路设计可以产生三相正交偏压，图1A是并联变压器27的绕组的典型三相三角形结构，并联变压器27可以在第二次级线圈35a、35b和35c上产生三相正交偏压Vαa，Vαb和Vαc。每一相的偏压被以矢量相加的形式加在变换器9产生的相应相电压上，并通过变压器15a，15b，15c注入到相应的输电线圈相电压上。并联变压器27具有呈三角形连接的初级线圈29a，29b，29c以及第一次级线圈31a，31b，31c，所述的第一次级线圈31a、31b、31c连接到变换器23上。
图2描述了本发明提供的功率潮流控制器1的工作情况。如前所述，用来控制输电线路功率潮流的总注入电压由两部分组成：电压分量Vα，该电压分量相位正交且固定，由并联连接的变压器提供，把输电线路已知相位角提前(或延迟)一个固定角度α；以及可控电压Vpq，由功率潮流控制器1提供。Vpq的幅度在0＜Vpq≤︱Vpq︱max(=︱Vα︱)之间变化，其相位角p在0≤ρ≤2π之间变化，而Vα的相位角固定为π/2。控制后的输电线路电压V0′的幅度和相位角由将总注入电压Vα+Vpq矢量叠加在现有输电线路电压V0上而获得。当ρ=0时，Vpq直接加在Vα上(代数相加)，使正交注入电压加倍，相位角的移动从σ=α增加到α=σmax(正交)，可获得正交的注入电压。如果ρ=π，那么Vpq=-Vα，Vα+Vpq=0。这意味着有效注入电压等于0，V0=V0′。传输相位角为其原值，相位角控制为最小，即σ=σmin。由此可知，相位角可以由正交注入电压来控制，其范围是σmin≤σ≤σmax(正交)。注意大于σmax(正交)的输电线路相位角的提前，可以由电压矢量Vpq的相位角ρ的合适值来获得，如图2所示。
在所要求的相位角控制范围为0到σmax时，从变换器9和23的额定功率MVA和UPFC变换器的额定功率MVA相比可以看出，本发明的最佳实施例中的功率潮流控制1的使用的增加是很明显的。
在功率潮流控制装置1的电路中，当将串联电压加载到输电线路上时，与变换器9(或者更直接地，与并联变压器27)之间交换的、对应于传输相角最大提前(或延迟)的总最大功率MVA等于：
MVA交换=(︱Vα︱+︱Vpq︱最大)·I=2︱Vα︱·I=2 ︱Vpq︱最大·I
与变换器9交换的最大功率MVA决定着变换器9所需的额定功率，该功率等于：
MVA变换器9=︱Vpq︱最大·I
当︱Vpq︱最大=︱Vα︱时，该功率等于总的最大功率MVA交换的一半。
在美国专利5，34 3，139所述的UPFC电路中，与变换器9对应的变换器相交换的最大功率MVA和将串联电压加载到输电线路上时与该输电线路3交换的最大功率显然是相等的，因为在这一过程中(即将串联电压加载到输电线路3上)，只有变换器9进行功率交换。因此，在专利5，343，147的UPFC电路中对应于变换器9的变换器的额定功率必须是本发明实施例中提供的功率潮流控制装置1所示电路的两倍。由于变换器23的额定功率MVA与变换器9的额定功率成正比，上述对比关系对于变换器23也成立。
值得注意的是，功率潮流控制器1还能提供对输电线路阻抗进行控制所需要的串联补偿。这是通过选择电压Vpq的相位角ρ使得加载的总电压(Vα+Vpq)或其中的一个分量与输电线路电流成正交关系来实现的。图3所示为完全串联补偿，图4所示为部分串联补偿(传输相位提前α角)。
图5所示为对传输相角进行控制并提供输电线路阻抗控制所需要的串联补偿的一般性例子。Vpq的电压分量Vpqα用于抵消一部分正交电压Vα，分量Vpqα用于提供串联电容补偿，以降低输电线路中存在的无功线路阻抗。
从以上结合图2至图5所述的例子中，可以看出：一般来说，本发明提供的功率潮流控制装置能串联加载到输电线路上的可控电压分量处在以矢量Vα的端点为圆心，以︱Vpq︱最大值为半径的圆圈所限定的范围内。总注入电压等于Vpq(其是一矢量，幅度为︱Vpq︱，相角p为从圆心指向周围上某一点)和固定矢量Vα(其端点为圆心)的矢量和，即V加载=Vα+Vpq，当︱Vpq︱最大值≥︱Vα︱以及︱Vpq︱最大值≤︱Vα︱时，其加载电压分别如图6和图7所示。这些数字表明，本发明中的功率潮流控制装置能够在定义的边界范围内能对所有输电线路参量(电压、阻抗、相角)进行控制，从而实现按引用专利申请中描述的方式对在输电线路中功率潮流进行测定。
本发明中提供的具体实例和详细说明，并不影响本领域专利技术人员在本发明的总体思想下对其做出各种修改和变化。因此，本文中所披露的具体例子只是用来说明本发明的技术方案，而不限制其使用范围；本发明涉及的范围应以所附权利要求界定的范围为准。

Claims (17)

1．一种功率潮流控制器(1)，用于对在一交流输电线路(3)的两端(5，7)之间流动的电功率潮流进行控制，该输电线路(3)以一选定的输电线路电压(V0)和一基础频率传输交流电(I)；所述控制器包括：
转换功率变换器装置(9)，产生一个以所述交流电(I)的所述基频为频率、具有和所述输电线路电压(V0)相关的可控幅度及相位角的可控交流电压(Vpq)；其特征在于，
偏压发生装置(27)，产生一个以所述交流电(Ⅰ)的所述基频为频率、具有一个与所述输电线路电压(V0)的相位角相关的预定相位角(ρ)的交流偏压(Vα)，该交流偏压(Vα)具有一个预定的幅度值；
耦合装置(15)，用于对所述可控交流电压(Vpq)和所述交流偏压(Vα)进行矢量叠加，以产生一个合成电压(Vpq+Vα)，并将该合成电压串联加载到所述输电线路(3)的所述输电线路电压(V0)上；以及
控制装置(17)，在所述基频上对由所述转换功率变换器(9)产生的可控交流电压(Vpq)的可控幅度和相位角进行控制，使之达到与所述输电线路电压(V0)相关的某一幅度和任意相角(ρ)，同时还可以和所述偏压(Va)一起或单独使用，选择地调整所述输电线路的有效阻抗、所述输电线路(3)的所述两端(5，7)电压的有效相位角以及输电线路电压的幅度，从而实现在两个不相等的最大功率潮流控制边界值之间对所述输电线路(3)中的功率潮流进行控制。
2．如权利要求1中所述的功率潮流控制器，其特征在于，所述偏压发生装置(27)产生所述交流偏压(Va)，所述控制装置(17)对所述可控交流电压(Vpq)进行控制，使得在朝向所述输电线路(3)的所述端(5，7)的一端的方向上，通过调整用于功率潮流的可控交流电压(Vpq)的可控幅度和相位角(ρ)来提前或延迟功率潮流。
3．如权利要求1中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述偏压发生装置(27)包括一个产生与所述输电线路电压(V0)正交(即相差四分之一周期)的偏压(Vα)的装置。
4．如权利要求1中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述耦合装置(15)包括一个第一变压器，其进一步包括次级线圈(41)和初级线圈(39)，次级线圈(41)将所述转换功率变换器(9)所产生的所述可控交流电压(Vpq)和所述交流偏压(Vα)串联起来；初级线圈(39)与所述输电线路(3)串联。
5．如权利要求4所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述偏压发生装置(27)还包括一个与所述输电线路(3)并联的第二变压器。
6．如权利要求5中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述输电线路(3)包括三相导线，所述转换功率变换器装置(9)为一个三相变换器，所述第一、第二两个变压器均为三相变压器，其中第二变压器与所述输电线路的三相导线呈三角形连接，从而产生一个与所述输电线路电压(V0)正交的三相偏电压(Vαa，Vαb，Vαc)。
7．如权利要求6中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述转换功率变换器装置(9)包括：一个直流/交流变换器，以产生所述可控交流电压(Vpq)，该变换器的交流端(13)与所述第一变压器的次级线圈(41)相连；一个交/直流变换器(23)，用一直流连接装置将该交/直流变换器(23)的直流端(25)与所述直/交流变换器的直流端(19)连接起来，向所述直/交流变换器提供有功功率，其中所述第二变压器还包括一个三相的次级线圈(31a，31b，31c)，其与所述交/直流变换器(23)的交流端(33)连接。
8．如权利要求4中所述的功率潮流控制器，其特征在于，所述偏压发生装置(27)产生所述交流偏压(Va)，所述控制装置(17)对所述可控交流电压(Vpq)进行控制，使得在朝向所述输电线路(3)的所述端(5，7)的一端的方向上，通过调整用于功率潮流的可控交流电压(Vpq)的可控幅度和相位角(ρ)来增加或减少功率潮流。
9．如权利要求1中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述转换功率变换器装置(9)包括：一个直/交流变换器，以产生所述可控交流电压(Vpq)；和一个交/直流电流变换器(23)，它与所述直流/交流变换器(9)的直流端(19)连接，向该变换器(9)提供有功功率。
10．如权利要求9中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述交/直流电源变换器(23)包括：一个交流/直流变换器，其中直流连接装置与所述直/交流变换器的直流端(19)连接；和一个并联变压器装置，其进一步包括：初级线圈(29)，与所述输电线路(3)并联；第一次级线圈(31)，构成所述偏压发生装置；以及第二次级线圈(35)，与所述交/直流变换器(23)的交流端(33)相连。
11．如权利要求1中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述偏压发生装置(27)包括一个并联变压器，其进一步包括：初级线圈(29c)，与所述输电线路并联；次级线圈(35c)，提供所述交流偏压(Vα)。
12．如权利要求11中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述转换功率变换器装置(9)有选定的正、负电压最大值；所述控制装置(17)对处在所述正、负电压最大值之间的可控交流电压(Vpq)的可控幅度值进行控制；其中所述负电压最大值不超过所述交流偏压(Vα)的预定幅值。
13．如权利要求11中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述并联变压器用于产生一个与所述输电线路电压(V0)正交的所述交流偏压(Vα)。
14．如权利要求1 3中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述输电线路(3)和所述并联变压器均为三相结构，并且，所述并联变压器呈三角形连接，以产生一个与所述输电线路电压(V0)正交的三相交流偏压(Vαa，Vαb，Vαc)。
15．如权利要求1的功率潮流控制器，其特征在于，还包括：
装置(23)，为所述转换功率转换装置提供有功功率。
16．如权利要求15中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述偏压发生装置(27)包括一个并联变压器，其与所述输电线路(3)并联。
17．如权利要求16中所述的功率潮流控制器(1)，其特征在于，所述耦合装置(15)包括一个串联变压器，其进一步包括：一个初级线圈(39)，与所述输电线路(3)相连；一个次级线圈(41)，将所述交流偏压(Vα)和所述可控交流电压(Vpq)串联起来。
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