CN1175323A - 用于交流输电线路的动态功率和电压调节器 - Google Patents

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Abstract

用以向电力输电系统(1)提供无功补偿及正的有功功率补偿的设备(9),它采用固体逆变器(11)向输电线引入一个串联补偿电压,该电压有可控幅值和在相对输电线电流的+90到－90电气度之间的一个可控相位角。逆变器(11)所需要的正有功功率是由与线路(3)并联的一个整流装置(19)从输电线(3)抽取的。

Description

用于交流输电线路的动态功率和电压调节器
本发明涉及控制交流输电线路上功率潮流和动态电压调节的设备，更具体地，涉及到向此类交流输电线路提供无功和正的有功功率补偿的经济的设备。
传统上，电力系统工程师可用于控制输电线路上功率潮流的方向和角度的唯一设备是相角调节器(PAR)。典型的PAR由互联的变压器组成，其中之一基本上是一个大的带负荷抽头切换装置。
尽管PAR为系统调度员提供了灵活性，但是却从未获得广泛的应用，这是因为它们动作很慢，可靠性的信誉也相对比较差。另外，它们还在线路中引入很大的串联阻抗。速度慢和可靠性差主要归因于使用了机械式带负荷抽头切换装置。最近对负荷抽头切换装置的改进看来已经改进了可靠性的感受，但是慢速(每个抽头切换需几秒钟，大的角度变化需一分钟或更长)，使这些设备只用于稳态目的。两名变压器的连接造成了高串联阻抗。当PAR在运行时，串联绕组的漏电抗总是串联在供电的输电线路上。励磁绕组的漏电抗也串联在供电的输电线路上，只是随角度位移而变化。
由于移相器插入线路中的电抗可以是很大的，特别是在电缆回路中，PAR的电抗超过它所串联线路的电抗的情况确实不是罕见的。PAR相对高的阻抗的另一结果是在高功率传输水平时，消耗大量无功功率；一般而言，在靠近PAR的地方，须接有大的无功电源，以保证故障中有足够的电压调节能力。
由于它的慢速控制和相对高的阻抗，PAR存在于系统中在涉及到暂态或动态稳定性的事故中被认为是有害的。尽管最近有一些考虑来提高切换速度(采用可控硅切换)，以适用暂态和动态稳定性情况，PAR的固有高阻抗还是一个主要的问题。考虑到这些问题，相角调节器未能经常用于输电系统中便不奇怪了，尽管它们为系统调度员提供了现有任何其它装置所不能比拟的控制输电线潮流的能力。
最近提出了采用一台三相逆变器，将电压通过一台串联变压器串插入输电线，以利于功率传输的建议。实质上，激磁变压器由三相逆变器替代。逆变器采用门断开(GTO)可控硅，不但能向输电线提供无功，也可以从输电线吸收无功，如同一台独立的装置。当逆变器被如此应用时，该装置称为串联功率潮流控制器(SPFC)。该控制器在美国专利号5198746中公布。
SPFC注入一个与线路电流成90度的电压。因此，SPFC只能提供无功补偿，它不能吸收或产生有功功率。尽管可以简便认为SPFC如同一个可变串联电容或电抗，但是它要比它们强有力得多，但是，SPFC也有可变串联电容同样缺点，即它在非常小的系统角的情况下，其传输有功功率的能力是很小的，这是由于在小系统角情况下，其导致相位移的能力是有限的。
为了引入相位移，需要另一个维数，特别是有功必须由该串联逆变器引入。就有功和无功功率的加入与线路的有功和无功消耗不同来说，该差别表现为注入相位角。如果可以从两个方向影响有功功率交换(即从装置到系统及反之从系统到装置)，这一装置称为统一功率潮流控制器(UPFC)。该装置在美国专利号5343139中公布。该装置具有控制无功功率潮流、输电线路阻抗、输电线电压幅值及输电线电压相位角的能力。用一个交流变直流的换流器从输电线抽取有功功率，并通过一个直流环节供给串联的逆变器。UPFC提供了很灵活的功率潮流控制；但是，并联的交流变直流的换流器大大增加了设备的造价和复杂性。
共同拥有的美国专利申请序列号08/368947申请于1995年1月5日，建议对于要求非同步控制的应用场合，串联的逆变器和并联的换流器的兆伏安容量可以通过在串联逆变器产生的电压上向量地加入一个偏压来降低。但是，这种安排仍需要串联逆变器和一个并联交流变直流的换流器。共同拥有的美国专利申请系列号-申请于-(代理人卷号58319)公布了一个除了提供无功功率补偿外，还可以提供正的和负的有功功率以控制输电线上功率振荡的串联逆变器。有功功率的需要由独立于输电线的装置提供。正的和负的有功功率都可以由储能装置，例如蓄电池或一个超导磁体来提供。如果只需要较少的动态补偿来控制振荡，在正的有功功率波动时，可以只用电阻阻抗形式的正的实部阻抗从输电线路吸收有功功率。这些装置需要切换控制以调节有功功率潮流。
美国专利号5,329,222公布了一个动态电压恢复器，其中，一串联逆变器注入电压到输电线以补偿电压降低。产生这一注入电压所需要的有功功率由一个储能装置，如电容器来提供，在电容器和该换流器之间最好用一个换流器，例如斩波器，向串联逆变器提供一个恒定的直流输入。
有一些应用中，只需注入正的有功功率，以控制功率潮流或用于动态电压调节。
因此，需要一种设备，可用于控制交流输电系统中的功率潮流，它不需要并联换流器或带有投切装置的储能设备，以提供有功功率补偿。
相应的要求是该改进的设备是经济的。
本发明能满足这些及其它一些要求，本发明的目的是一个用于输电线的动态功率和电压调节器(DP/VR)，除能经济地提供输电线无功功率补偿以外，还能提供经济的有功功率补偿的注入。在其最佳实施方式中，本发明由与交流输电线串联的有功功率源供电的逆变器组成。供给该逆变器的有功功率是通过一个并联整流器的运行，从线路上抽取的。该串联逆变器本身有能力向线路提供可变的无功功率串联补偿。当由一有功功率源供电时，本发明中的逆变器有一个辅助能力向线路提供有功功率串联补偿(即补偿因电流流过线路的串联电阻引起的电阻性电压降)。因为线路的有功功率损耗总是正的，由电阻性补偿器提供的功率也总是正的，因此本发明的设备表现为在运行中为线路提供“负电阻性”特性。本发明的另一应用是当系统动态电压波动时(即系统电压下降)，提供串联电压调节。由于有功功率是通过整流器取自线路的，因此不需要储能装置。
更为特别地是，本发明的目的是控制包括在选定输电线路电压下承载交流电流的输电线的交流输电系统的设备，所述的设备包括：
产生在所述交流电流的所述基本频率下的，具有可控幅值及可控相对所述交流电流的相位角的交流电压的切换式功率变换器装置；
将由所述切换式功率变换器装置产生的所述交流电压耦合到与所述输电线电压串联的所述输电线中的装置；
控制可控交流电压幅值及控制可控交流电压的相位在相对于所述交流电流的电气角在-90度到+90度之间的任何相位角，以将可调节的无功补偿和可调节正有功功率注入到所述输电线的控制装置；以及
与所述输电线并联，并与所述切换式功率变换器并联，以提供正有功功率给所述切换式功率变换器以给所述投切式功率变换器提供所述正有功功率的整流装置。
阅读附图，并结合下述最佳实施例的叙述可以获得对本发明的全面理解，附图中：
图1为本发明的动态功率/电压调节器的原理图。
图2为相位图，示出图1所示动态功率/电压调节器的运行。
图3给出图1所示动态功率/电压调节器的等值回路。
图4为相位图，示出图1的调节器用于动态电压调节的运行。
图1示出交流输电系统1，它包括输电线路3，通常它是三相线路，为了更清楚地叙述，这里仅以单线画出。输电线在电压Vs下，在输电线3的两端5和7之间承载电流I。在输电线3上进行功率潮流控制或动态电压控制是由本发明的动态功率/电压调节器(DP/VR)9提供的。DP/VR 9包括一个由电压供电的如同美国专利号5343139所公布的固体逆变器11，该专利在此做为参考文献引入。逆变器11产生一电压Vpq，该电压具有可控幅值及相对输电线3上电流I的可控相位角。该补偿电压Vpq通过串联变压器13与输电线电压Vs串联注入，该串联变压器13的原边绕组15与输电线3串联，其付边绕组17连到逆变器11的输出。如上所述，该逆变器11用串联变压器13串联接入输电线35，它本身就能对输电线3提供可变的无功串联补偿。
为了还要提供有功功率串联补偿，该逆变器11必须有有功功率输入。根据本发明，由一个并联整流器19从输电线3抽取有功功率。整流器19由一个并联变压器21与输电线并联。整流器19由电容25组成的直流环节接到逆变器11的直流端23。由于只有整流器19从输电线抽取功率，逆变器11只能通过串联变压器13供给正的有功功率；它不能像专利号5343139的统一功率潮流控制器(UPFC)那样能够吸收有功功率。但是，UPFC需要一个交流变直流的换流器或其它装置代替整流器19提供或吸收有功功率。但是，整流器19比交流变直流的换流器和其它装置便宜得多。整流器19最好是如图1所示的相位控制整流器，或者可以是不控制的整流器，它有一个斩波器，控制供给整流器的电压。
图2为一相位图，示出图1中DP/VR的运行。逆变器11自身可以产生与电流I成90度相位差的电压Vpq。由于增加了向输电线提供正的有功功率的能力，逆变器可以产生相对于电流I的-90电度和+90电度的范围内任何值的相位角p的电压Vpq。由于串联变压器13注入电压Vpq与输电线电压Vs串联，总的输电线电压Vs＇是Vs和Vpq的向量和。
在专利号5198746中叙述的固体串联电抗补偿器只能产生与电流I成90度电气角的电压Vpq，而专利号5343139中的UPFC能产生相对于电流I的O-360电气度范围内的任何一角度的电压Vpq。这样可以看到，本发明的DP/VR能完成专利号5198746中固体串联电抗补偿器的功能，也能提供由UPFC提供的部分功能。对大多数情况而言，将DP/VR的特性叙述成如同一个固体串联电抗补偿器，并且具有从其有功功率源提供电阻性串联补偿的附加能力是合理的。电阻性补偿能力对于相对低串联电抗对串联电阻比(如X/R比＞10)的电力线就变为重要了，此处，由控制并联无功电源的输出来调节电压。这对于输电、次输电或配电供电回路是具有典型代表性的。例如一条X/R之比为5的线路供电给功率因数为1的负荷，由电阻造成的端电压的压降为由电抗造成的压降的4倍。为了将电压控制到接近额定数值(电力系统的正常要求)，或者大量的无功功率必须通过线路循环，或者必须采用如本发明的有功功率补偿。需要的有功串联补偿量比起进行电压控制功能所需要的并联无功功率要小。例如，一条具有串联阻抗(.02+j.1)的短电力线，供电给1个标么值的有功功率，只要用0.02标么值电阻补偿，或者用0.4标么值端部无功补偿(在负荷端为0.25标么电容性，在电源端为+.15电感性)。便可以保持单位端电压在±0.5％之内。显然，用于电压控制的目的时，少量的有功功率补偿可以代替大量端部无功功率的作用。
尽管可以简便认为DP/VP如同一个串联补偿器，它能够独立地同时补偿电力线的串联电抗和电阻，DP/VR还能输送有功或无功功率通过一条线，并且其两端电压的幅值和相位均相同。这一特性是纯串联阻抗补偿器达不到的。由阻抗补偿器插入的电压正比于通过它的电流；如果没有端电压差，就没有电流流动，没有插入电压，因此没有功功率或无功功率潮流。由DP/VR插入的串联电压Vpq由逆变器11产生，所以它不依赖于通过它的电流。在商业化常规潮流控制装置中，只有相位角调节器具有类似的能力，它能通过一条线传输有功功率，并保持线路端电压不变。而“动态功率/电压调节器”叙述一种装置，它能同时，独立地向输电线提供串联阻抗补偿、有功功率潮流控制及无功功率潮流控制，甚至可使线路上没有端电压差。图3示出用于功率潮流控制的DP/VR的等值回路模型。该DP/VR等值回路27包括串联变压器13的漏抗XL、串联无功补偿XC、串联电阻补偿Rc及理想相位调节器29，它与由串联感性阻抗LL和电阻RL，及线路对地容抗CL表示的线路3串联，无功和电阻补偿XC和RC由理想相位角调节器29补充。为了坚持进入DP/VR的有功功率等于流出的有功功率(忽略损耗)的要求，有功功率补偿由负电阻反映(即RC必须小于或等于零)，并联负荷幅值等于线路电阻补偿瓦数。理想相角调节器29只有在端电压差为零的少数情况下才起作用，否则它可以补忽略。
用于DP/VR11的控制基本上与专利号5343139中公布的UPFC的控制相同，详细情况可参考该专利，只是DP/VR没有并联电压控制功能，并且在DPR中从并联装置21输到串联装置13的有功功率必须永远大于或等于零。与UPFC比较，UPFC有端电压控制及从串联装置13到并联装置21的双向功率传输。因此，DP/VR的特性是UPFC的一部分。DP/VR 9保留了UPFC的全部有功功率传输能力，以及大部分无功功率传输能力。尽管它不具有UPFC的对端电压控制功能。该电压控制能力在许多情况下可能是不必须的，或可用其它装置更为经济地提供。
当用于串联动态电压调节时，DP/VR的控制基本上为美国专利号5329222中叙述的动态电压恢复器(DVR)的控制，该专利在这里作为参考文献，只是用并联整流装置19取代了储能装置。在本应用中控制的作用是在动态事故期间引入串联电压Vpq，使DP/VR的负荷侧能保持一个可以接受的电压幅值水平。图4的相位图示出在一个三相系统中当A相和B相电压降低时，一个有代表性的电压引入。例如图4所描述的系统A相电压(Vsa)降低到额定值的50％，B相电压(Vsb)降低到额定值的70％，C相保持在100％额定电压。DPR/VR的整流装置19从系统1抽取功率，并且引入描述为向量Via和Vib的串联电压波形，它们大体上与降低的相应系统电压同相位，以保持额定负荷电压，直到电压降低被消除。由整流装置19所抽取的功率取决于引入电压的相位和幅值，以及通过串联引入变压器13的电流。
当详细叙述本发明的特有实施例时，熟悉本专业技术人将理解借助于全面讲解本发明可对其中的详细部分做进一步发展。对此，所公开的特别安排只是为了示意说明，并不限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求的全部内容和它的任一或全部等效给出。

Claims (3)

1.用以控制包括在所选输电电压及基本频率下承载交流电流的输电线(3)的交流输电系统(1)的设备(9)，包括：
投切式功率变换器装置(11)，它产生在所述交流电流的所述基本频率下的交流电压，该电压具有可控幅值和在相对于所述交流电流的-90电气度到+90电气度之间的一个可控相位角，该电压提供可调无功补偿及可调正有功功率；
装置(13)，它将由所述切换式功率变换器装置(11)产生的所述交流电压耦合到所述输电线，以向所述输电线(3)引入所述可调节无功补偿和可调正有功功率；该装置与所述输电线电压串联；
与所述输电线(3)及所述切换式功率变换器(11)并联的整流装置(19)，它向所述切换式功率变换装置(11)提供所述正的有功功率。
2.权利要求1的设备，其中，所述切换式功率变换装置(11)控制交流电压的可控幅值和控制交流电压的可控相位角到相对所述交流电流-90电气度至+90电气度之间的任何一个相位角上，以进行独立地调节输电线串联阻抗和所述输电线电压的相位角。
3.权利要求1的设备，其中所述切换式功率变换装置(11)控制交流电压的可控幅值及控制交流电压的可控相位角到相对于所述交流电流-90电气度到+90电气度之间的任何一相位角上，其工作方式为响应所述输电线电压的动态变化，进行对所述输电线电压的动态调节。
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