CN1175324A - 用于阻抗阻尼功率振荡的串联补偿器 - Google Patents

Abstract

一种用于抑制电力传输系统(1)中的功率振荡的串联补偿器(11),包括开关功率变换器(13),用于向传输线(5)中注入一个电压,所述电压具有可控制的相对于传输线电流的相角,从而向传输线提供无功补偿并注入有效的有功阻抗。开关功率变换器(13)是一种dc－ac变换器,它通过其中包括的和其dc端(29)相连的功率交换装置(27),能够向传输线内注入有效的有功阻抗。其中的功率交换装置(27′)是一个电阻装置(37),开关功率变换器(13)在传输线(5)出现功率波动时能够吸收有功功率。此外,功率交换装置(27)是一种存储装置(31),例如电池组或超导磁体,在这种情况下,开关功率变换器(13)可以提供有效的正、负有功阻抗。

Description

用于阻尼功率振荡的串联补偿器

本发明涉及一种用于阻尼电力系统中功率振荡的装置，特别涉及一种可以在传输线内插入有功和无功阻抗以便阻尼功率振荡的串联补偿器。

由于干扰，例如传输线故障，线路和负载的变化、设备故障以及其它引起系统快速变化的事件，在电力系统中经常发生功率振荡。这种功率振荡具有限制系统的最大传输功率的不希望的效果。专利号为5,198,746的美国专利披露了一种串联补偿器，它注入一个可控的60Hz的和传输线电流正交的电压。这一可变电压具有和通过利用与线路串联的可变电容或电感而获得的相同的补偿效果。通过合适地调制由与线路串联的补偿器注入的有效的60Hz无功阻抗实现功率振荡的阻尼。这就是说，当由于在线路“发送端”的发电机加速以及相继的传输角的增加而使线路中的功率增加时，通过增加插入的滞后线路电流90电角度的60Hz的电压的幅值，使补偿器的容性阻抗增加，从而增加串联补偿的程度，借以增加可传输的功率。相反，当由于“发送端”发电机减速并相继减少传输角时，使插入的电压超前线电流，以便在效果上产生一个感性输出阻抗借以增加传输线的总的感性阻抗。

专利号为5,198,746的美国专利用dc-ac转换器产生正交电压。逆变器的ac端通过耦合变压器和传输线串联，跨接在dc端的电容器为变换器提供dc输入电压。固为该变换器在理论上只和传输线交换无功功率，在电容器上没有功率消耗。不过实际上在逆变器的开关电路中具有损耗。用于补偿这些损耗的有功功率借助于产生略小于90°的相角的补偿电压提供。

专利号为5,343,139的美国专利披露了一种综合的功率流控制器，用于在持续的基础上控制通过传输线的功率流。这种功率流控制器也利用与传输线电压串联注入电压的dc-ac逆变器。然而，注入电压相对于线电流的相角不限于美国专利5,198,746的补偿器中规定的基本上为90°，而是可在0°和360°之间进行控制。可以选择特定的相位角和注入电压的幅值，以便调节任何的或全部的传输线有效阻抗，在传输线两端电压之间的有效相位角、以及传输线电压幅值。这导致调整有功和无功的线路阻抗。调整阻抗的实部分量所需的有功功率通过ac-dc变换器提供给dc-ac变换器，所述ac-dc变换器具有和输电线路并联的ac端以及通过包括电容器的dc线路连接于补偿器变换器的dc端的dc端。这种功率流控制器的响应足够快，使得可以提供功率流的动态控制，并且也适用于抑制在电力系统中可能发生的振荡。不过，这种主要为功率流的控制而设计的设备比美国专利5,198,746中所述的串联补偿器更加复杂和昂贵。

因此，需要一种改进的用于阻尼电力系统中的振荡的补偿器。

特别是需要一种可以提供有功功率调制和无功功率调制从而抑制电力系统的振荡的改进的补偿器。

这些和其它的要求被本发明满足了。本发明提供了一种增强的装置，用来提供串联补偿，通过和电力系统进行有功功率与无功功率的交换，抑制电力传输线中的振荡。本发明的特定的特征在于，它可以提供和传输线串联的有效正的有功阻抗的注入，从而在发电机加速时，在功率振荡期间吸收有功功率。在这些振荡周期期间，当传输线上的有功功率减小时，则和传输线串联插入有效的负的有功阻抗，从而向系统提供有功功率。有效的正有功阻抗可以用电阻提供，它被选择地连接，用来吸收传输线的有功功率，而用来提供有功功率的有效的负有功阻抗可以用能量存储装置提供。能量存储装置，例如电池或超导磁体可通过吸收有功功率或通过供出有功功率而被用来提供有效的正的有功阻抗和有效的负有功阻坑。有效的正的或负的有功阻抗和无功补偿一道被注入传输线中。开关功率变换器产生相对于传输线电流具有一定幅值和相位的补偿电压，该补偿电压提供所需的无功和有效的有功阻抗。这电压通过耦合变压器和传输线电压串联注入。

开关功率变换器产生内部需要的正负无功功率。有功功率通过和开关功率变换器的dc端相连的功率交换装置供给与吸收。

虽然通过在传输线中注入正负两种有功阻抗可以实现更精确的控制，但是不一定需要提供正负两种有功阻抗。按照本发明不一定需要在传输线中注入正负两种有功阻抗是有利的，因为提供正有功阻抗比提供负有功阻抗容易且成本低。

特别是，本发明提供：

一种具有增强能力的用来提供串联线路补偿的装置，用来抑制在一个选择的传输线电压和基波频率下输送ac电流的电力传输线中的振荡，所述装置包括：

补偿装置，和所述输电线串联连接，用于向所述输电线在所述基波频率下以可控的幅值和相对于所述输电线的所述ac电流的可控的相位注入补偿电压；

功率交换装置，它只通过所述补偿装置和所述输电线选择地连接；以及

控制装置，用于控制所述补偿电压的可控的幅值和相角，从而在所述输电线中插入选择的无功阻抗和有效的有功阻抗，以便抑制所述振荡，并使所述功率交换装置和所述补偿装置选择地相连，从而使所述补偿装置能够提供所述有效的有功阻抗。

通过结合附图阅读以下的最佳实施例的说明可以充分地理解本发明，其中：

图1是简单的电力系统的示意图。

图2是关于图1所示的电力系统传输的电功率对于传输角的曲线。

图3A是包括本发明的图1的电力系统的部分示意图。

图3B是按照本发明在图1所示的电力系统中注入的补偿电压的相量图。

图4A-4D是说明用于理解本发明的操作的波形图。

图5是按照本发明的一个实施例用于图1所示的电力系统的串联补偿器的原理图。

图6是在图1的电力系统中用于抑制功率振荡的串联补偿器的第二实施例的原理图。

图7是在图1的电力系统中用于抑制功率振荡的本发明的串联补偿器的一般形式的原理图。

图8是按照本发明的串联补偿器的方块图。

图9是本发明的串联补偿器的内部控制方块图。

图10是图9的内部控制系统的更详细的方块图。

本发明提供一种用于抑制电力系统中的功率振荡的新的串联补偿器。下面参照图1解释这种新型串联补偿器的操作与控制。这一系统1包括发送端发电机3，传输线5，由串联的感性阻抗X表示，以及可以认为是一种有限容量的动力母线的接收端电源系统7。如果在传输线5的发送端电压相量是s而在接收端为r，则传输的电功率Pe可用下式表示：

       P_e＝{V_s·V_r/X}sinδ    (1)

其中V_s和V_r分别是

和 的幅值，δ是

和

之间的角度。图2是在固定的V_s，V_r和x下对于角δ的功率P_e的曲线。可以看出在δ＝90度时获得的最大可传输功率为

        P_emax＝V_s·V_r/X    (2)

在此电力系统中，发电机3是一种旋转的电磁机械，它把通常由蒸气机或气轮机9提供的机械输入功率Pm转换为送给传输线5的电功率P_e。在稳态运行条件下，机械输入功率P_m等于电输出功率P_e(忽略损耗)，此时涡轮发电机组3，9在恒速下运行，使得维持为满足P_m＝P_e而所需的恒定的传输角δ₀(图2)。功率振荡是由如下的事实产生的：虽然在传输线上的电功率P_e几乎可以同瞬时地变化(通常由不可预见的和偶然事件例如传输线路障和设备故障)，但由于机械控制的性质以及和旋转系统有关的大的惯性，机械输入功率P_m只能很慢地变化。因此，在传输线故障的情况下，或在电力系统1的其它干扰下，发电机3接收的机械输入功率大于由故障的传输系统可以传输的电功率。结果，发电机3开始加速，使传输角大于稳态的传输角δ_o。当然加速的过程意味着过量的机械能由涡轮发电机组的旋转惯性存储起来。为了在故障排除之后重新建立稳态平衡，所存储的能量必须从旋转的机械系统吸收。根据整个机电系统的总Q(品质)因数，这过剩能量的吸收可能占用若干振荡周期，在此期间传输系统中的电功率可能出现大的波动。在某些情况下，当整个系统具有负阻尼时，振荡的幅值保持增大，直到系统保护切断受干扰的发电机为止。

很清楚，从原理上说，振荡能量可以用两种方式从受影响的系统中被消除。其一是和发电机的加速与减速同步地增加与减少传输功率，因而使电功率同步地发出正负摆动。另一种方法是当发电机加速时直接从传输系统中减去过剩能量，而在发电机减速的间隔内则消耗所述过剩能量或使其从暂时存储装置返回系统。

美国专利5,198,746提出了一种用于实现第一个措施的新方法。即串联补偿器被控制，借以在发电机加速期间减少传输线阻抗，增加传输功率，以及在减速期间增加传输线阻抗，借以减少传输功率。这通过在传输线中注入基波频率(60Hz)的并和流过传输线的电流正交的电压来实现。对于容性阻抗，注入的电压滞后于电流90°，对于感性阻抗则超前90°。显然，在5,198,746号专利中披露的功率振荡抑制方法基于串联补偿器的输出的一维调制。即注入的电压基本上和线电流保持正交，从而使得串联补偿器和ac系统之间的功率交换基本上是无功的。

本发明基于串联补偿器输出的二维调制。即注入的基波(60Hz)电压和传输线电流之间的相角被这样选择，使得在串联补偿器和ac系统之间强制进行无功和有功功率的交换。这用图3A和图3B进行说明。如图3A所示，串联补偿器11通过耦合变压器12在传输线5中和线电压V_l串联注入补偿电压V_c。图3B是相量图，表示注入电压V_c、线电流I_L和系统电压V_sys相量。可以看出，注入电压V_c具有和线电流正交的一个分量Vci和与线电流I_L同相的另一个分量V_cr。正交电压分量V_ci表示串联补偿器按照5,198,746号专利披露的方法提供用于补偿无功线路阻抗的有效无功阻抗。电压V_cr的有功分量表示和线路串联的有效正有功阻抗(电阻)或有效负有功阻抗(电源)。

注入的无功阻抗或注入的有功阻抗随传输角的改变而改变，这对实现功率振荡阻尼是有效的。用无功阻抗注入进行抑制振荡的机理在5,198,746号的美国专利中说明了，在此将其列为参考。可以理解，除去由无功串联补偿提供的增加的功率传输之外，通过在发送端发电机3由于过剩的机械功率而加速时的时刻在线路中注入有功正阻抗(电阻)，使过剩的有功功率部分被消耗，借以帮助建立机械输入功率和为稳定的系统操作所需的电输出功率之间的平衡。类似地，当发送端发电机不能满足暂时的电功率要求而减速时，注入有功负阻抗(实际上是有功电源)将显然可以解除发电机的一部分负担从而帮助系统稳定。

总体说来，由本发明提供的整个方法是通过同时注入和线路串联的无功与有功阻抗，从而高效率地抑制功率振荡。无功和有功阻抗按照传输角(因而是相应的功率)的变化被控制。控制无功阻抗，从而当发电机加速时增加传输的电功率，而当发电机减速时，减少传输的电功率。当发电机加速时，控制有功阻抗使其为正，从而消耗有功功率，而当发电机减速时，控制有功阻抗为负，从而产生有功功率。

图4A-D说明所提出的用于抑制电力系统中功率振荡的方法，其中分别表示传输角δ，传输的电功率P，以及串联补偿器的无功阻抗X_c和有功阻抗R_c随时间变化的曲线，它们分别在其最大有效容抗和最大有效感抗之间以及最大有效正、负有功阻抗值之间进行控制。传输相角和传输功率曲线中的虚线表示未阻尼的振荡状态。而实线说明按照本发明的阻尼效果。应当说明，在最大的正值和最大的负值之间有功(或无功)输出的改变对于实现有效的阻尼并不是必须要求的。例如，即使插入的有功或无功阻抗在零和正的或负的最大值之间改变也可以实现有效的抑制。正如将要讨论的，这是一个重要的实际问题。因为要实现一种除去能注入容性或感性无功阻抗还能注入有效正有功阻抗的串联补偿器是相对简单和廉价的，而要实现一种还可以注入有效负有功阻抗的串联补偿器则相当复杂和昂贵。只提供有效的正有功阻抗的后一种情况用图4D说明，其中有效负有功阻抗用虚线表示。

如前所述，本发明的串联补偿器能够同时注入和线路串联的有效无功和有效有功阻抗，这些有效阻抗的大小在串联补偿器的VA定额内是可以独立地控制的。这一灵活性使得串联补偿器在不同的系统条件下可以选择不同的操作方式。因而，可以实现各种控制策略以满足特定系统要求。在最佳运行方案中，所提出的串联补偿器用来提供无功线路补偿，其主要作用是实现稳态线路阻抗补偿，并且在并联线路的情况下，实现电流均衡。不过，当遇到动态系统干扰时，串联补偿器也可以实现注入和线路串联的有效有功阻抗。注入的有效有功和有效无功阻抗被这样控制，使得在发电机的第一次以及相继的加速周期期间使其负载增大，而在减速期间使其负载减小。这一策略除去实现所需的稳态线路补偿要求外，还可以改善瞬态(第一摆动)稳定性和动态稳定性(振荡阻尼)。

按照本发明的一种能够产生无功和有功阻抗输出的串联补偿器如图5所示。串联补偿器11包括开关功率变换器，它采取作为电压源的dc-ac逆变器13的型式，其中使用控制极关断可控硅元件15(或其它合适的功率半导体开关)，用来产生有功与无功串联补偿所需的ac电压V_c。逆变器13的ac端17和耦合变压器12相连，后者又和传输线15串联。为清楚起见变压器19和传输线15用单线表示；不过，应当理解，它们代表三相系统。控制装置21通过电流互感器23和电压互感器25分别检测传输线电流和电压(同样指三相系统)。控制装置21利用这些电流和电压连同参数设置和控制输入一起，用来产生由逆变器输出电压V_c代表的有功与无功阻抗的合适的瞬态值。

如前所述，逆变器13能够在内部产生有效的正负无功阻抗。用于在传输线中注入有效有功阻抗所需的有功功率由功率交换装置提供，后者采取和逆变器13的dc端相连的有功阻抗源27的形式。在图5的实施例中，有功阻抗源27包括能量存储装置31和用于为能量存储装置提供充电放电控制的dc-dc变换器33。能量存储装置例如可以是电池组或超导磁体。在这种情况下，能量存储装置从传输线5通过逆变器13吸收有功功率，从而在传输线中插入有效的正有功阻抗，并把有功功率通过逆变器13返回传输线，以便提供有效的负有功阻抗。跨接在dc端29上的电容器35用于稳定供给逆变器13的dc电压。

本发明的另一实施例如图6所示，其中有功阻抗源27′包括电阻负载37，它通过和惯性放电二极管41并联的开关39选择地跨接在逆变器13的dc端29。串联补偿器的这个实施例可以提供正负无功阻抗，但只能提供正的有功阻抗。然而，它确实比图5的实施例廉价得多，而且和只提供无功阻抗补偿的5,198,746号的美图专利相比，仍具有相当改进的性能。

图7所示为本发明的一般性的实施例，其中采用有功阻抗源27″形式的功率交换装置包括可由开关45选择地连接以便向逆变器13提供有功功率(负的有功阻抗)的电流源43和由开关49选择地连接用以从逆变器13吸收有功功率(提供正有功阻抗)的电流宿(currentsink)47。为了进行分析，耦合变压器12用在三相传输线5的每相中连接的电压源51a，b和c表示。

串联补偿器11的基本操作在功率逆变器13的合适的控制下完成，从而产生和线路串联的注入电压。因而，整个控制系统具有两个主要功能：一个叫作内部控制功能，用于对固态逆变器13进行同步和合适的控制，从而产生和线路串联的具有合适的幅值和相对于线电流的合适的相位的所需电压，实现所需程度的无功阻抗补偿和有功阻抗插入；另一个叫作外部控制功能，用来确定为最大程度地改进瞬态稳定和功率振荡阻尼所需的无功与有功串联补偿(即被插入电压具有的幅值和相位角)。

外部控制用来测量所需的系统变量，例如线电压、电流和频率或旋转速度，并求出用于逆变器的内部控制的差值信号。关于控制无功阻抗的实际外部控制电路的操作和实现在5,198,746的美图专利中说明了。

外部控制电路的操作通过以下简单的法则可以扩展用于控制有效的有功阻抗插入，从而实现阻尼功率振荡。当串联补偿器要注入容性无功阻抗以便增加传输功率时，补偿器也注入和线路串联的正的有功阻抗。从而从ac系统中吸收有功功率(这意味着从加速的发电机吸收的功率变大——由于串联的容性补偿和串联补偿器吸收附加的有功功率而使线路传输功率增加)。与此相反，当补偿器要注入感性阻抗(无功)以便减少传输功率时，补偿器同时注入负的有功阻抗(如果它具有能量存储能力，如图5所示)或注入零有功阻抗(如果它只具有转换能量吸收装置(电阻)如图6所示)。

逆变器的内部控制用于响应由外部控制确定的系统要求，调节逆变器ac输出电压的幅值和相角。图7定义了每个电变量的极性规定，供在以下所述的内部控制中参考。在图7所示的这种简化的表示中，忽略了系统功率损耗，并把逆变器13总体看成一个三相装置，其端电压和传输线串联。用于把逆变器连接于输电线中的电力变压器12的漏感用与线路串联的附加电感53a，b和c表示。

为了说明内部控制方法，首先必须确定该方法所根据的串联补偿器的数学模型。数学模型使用瞬时矢量的概念表示逆变器ac侧的三相电压和电源参数。使用这一概念，三个线电流利用具有正交分量i_ds和i_qs的一个矢量进行瞬时地描述，根据实际的线电流，定义i_ds和i_qs如下： $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{-1}{2}& \frac{-1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{-\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-----\left(3\right)$ $\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{i_{\mathrm{qs}}}{i_{\mathrm{ds}}}\right)------\left(4\right)$ $i=\sqrt{{i_{\mathrm{ds}}}^2+{i_{\mathrm{qs}}}^2}------\left(5\right)$

在式3-5中，θ是电流矢量相对于坐标系统ds轴的相角，i是电流矢量的瞬时幅值，用同样方式，注入的串联电压在(ds，qs)坐标系统中也用矢量表示，并进而被转换为参考(d，q)的旋转系统，其中d轴总和线电流矢量一致。电压的这种变换定义如下： $\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})\\ -\mathrm{Sin\θ}& -\mathrm{Sin}(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})& -\mathrm{Sin}(\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_d\\ e_c\end{array}\right]---\left(6\right)$

在这种参考系统中，串联电压矢量的分量e_d和e_q分别代表由线路吸取的瞬时有功和瞬时无功功率。这些功率分别表示如下：有功功率 $\left(P\right)=\frac{3}{2}{i}_{\mathrm{ed}}------\left(7\right)$ 无功功率 $\left(Q\right)=\frac{3}{2}{i}_{\mathrm{eq}}------\left(8\right)$

在图8中，使用这些规定建立串联补偿器的方框图(即要被控制的系统)。在这图中，由逆变器13产生的谐波电压被忽略了，并假定在逆变器ac侧和dc侧之间在功率瞬时平衡。常数K_I确定dc电容器电压V_c和用53、55、57和59所示的逆变器的ac侧上的峰值相电压e_d，e_q之间的比。控制角β定义为逆变器电压矢量(即注入的串联电压矢量)超前于线电流欠量的角度。该角度由控制系统设定，并可以快速地任意改变。如图8所示，它建立了在53和57注入的电压的瞬时值。

e_q对线电流矢量的幅值i的比构成由补偿器向线路提供的瞬时“感抗”，e_d对i的比构成瞬时“电阻”。还假定线电流由外部因素决定，因此电流被视为系统的独立的输入。

在图8中可以看出控制角β通过它直接影响e_d，如在57和59所示，而影响在61和63由e_d和线电流i确定的逆变器ac端的功率P_ac。逆变器ac侧功率和一个相等的dc侧功率平衡，所述dc侧功率在65确定一个瞬时电容充电电流i₁。附加的充电电流i₂由dc有功功率源/宿27提供。这些充电电流的和由电容35取得，如在67所示，从而引起dc电容电压的变化，并因而使e_d和e_q相应地变化。

图9是所提出的内部控制方法的方块图。外部控制69根据其对传输线状态的观察(由传输线电流和电压的测量确定)和电力系统的情况而产生电抗指令X^*和电阻指令R^*。它们在71组合形成阻抗幅值指令Z^*。电抗指令X^*和被调节的电阻指令R₁ ^*被用于计算控制角β。阻抗幅值指令在73乘以线电流矢量的幅值i，从而得到所需的串联电压的幅值e^*。因为dc电容电压V_c的幅值直接地确定串联ac电压的幅值，所有提供反馈控制环75用以调节V_c的值。在77计算误差信号，它是e^*和V_c在79乘以常数K₁之间的差，并被送到控制器81，控制器81视情况或者启动dc功率源43或功率宿47，以便校正和所需的dc电容电压之间的任何偏差。在图9中，控制器81被示为一个简单的磁滞型(开关型)，但在实际中可以使用线性控制器。

除去这个主控制作用之外，还提供有附加的控制作用，以便考虑到只有功率宿47或只有功率源45而不是两者同时都有的情况。当直流电压误差信号超过设定的门限时，便在83产生一个放大的信号，在85通过除以电流被换算成阻抗。除得的商在87进行比例放大并在89和电阻指令R^*相加从而形成被调节的电阻指令R₁ ^*。这确保总能和传输线交换有功功率，以便当通过dc源与/或宿不能进行调节时，调节dc电压。实际上，这个附加作用将超过来自外部控制的电阻指令一个如此的程度，以致使得不需要比逆变器可以供出或吸收的功率更多的有功功率。

在91把角β加于线电流矢量的角θ，从而得到用于串联电压矢量的总角φ，它在93被用于确定逆变器13中开关15的状态。开关状态选择借助于查开关状态表来实现，开关状态表中按顺序根据串联电压矢量的所需角度中存储着开关状态，并且只根据φ进行访问。查表的内容对于不同的逆变器结构和谐波减少方法自然是不同的，但是在所有情况下，输入是角度(φ)，输出是被送到控制开关元件15的控制极驱动电路的一组开关状态。反馈信号i和θ从实际的电流测量产生。矢量锁相环95通过一个矢量的正交分量i_ds和i_qs计算角θ，所述的一个矢量代表通过矢量分解器97由三个相电流产生的三相电流。正交分量i_ds和i_qs也被矢量幅值计算器99用来计算电流幅值i。方块101是一个限制器，用来在幅值i被送到驱动块85之前使其限制为一个较低的值，从而防止块85的输出过大。

图10更详细地说明矢量分解器97、矢量锁相环95和矢量幅值计算器99的元件。矢量分解器97通过测量的相电流i_a，i_b和i_c在旋转参考系统中产生电流矢量的实部分量i_ds和虚部分量i_qs。这通过执行上述式(3)来完成。矢量幅值计算器99通过执行上述的式(5)产生一个电流矢量的幅值i。

线电流的角度θ在本发明的最佳实施例中不是通过式4的反正切计算得到的，而是通过矢量锁相环95得到的，矢量锁相环95精确地跟踪用矢量分解器97提供的分量i_ds和i_qs表示的电流矢量的角度关系。实部分量i_ds和103被乘以在105导出的角θ的正弦。所得的积在减法节点107从通过在109使电流的虚部分量iqs乘以在111导出的角θ的余弦的所得的积中减去。对所得之差在113进行比例积分控制，并在115被积分，从而产生角θ。

本发明提供了一种可控的串联无功线路补偿和有效的有功阻抗插入，这导致了电力系统中的瞬态稳定性和振荡阻尼的极大的改善。

虽然已对本发明的特定实施例进行了详细说明，但是应当理解，本领域的技术人员根据所披露的全部教导可以作出对这些细节的改型和替代。因而，所披露的具体结构只是说明性的，而并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的整个宽度及其全部的等效物限定。

Claims (18)

1.一种用于提供串联线路补偿的装置(11)，该装置具有增强的能力，以便抑制在选定的传输线电压和基波频率下输送ac电流的电力传输线(5)中的振荡，所述装置包括：

补偿装置(13)，它和所述传输线串联，用于向所述传输线(5)注入具有所述基波频率的补偿电压，所述补偿电压具有可控的幅值和相对于所述传输线中的所述ac电流的可控的相角；

功率交换装置(5)，它只通过所述补偿装置(13)选择地和所述传输线(5)相连；以及

控制装置(21)，用于控制所述补偿电压的可控的幅值和相角，从而在所述传输线中插入所选的无功阻抗和有效的有功阻抗，以便抑制所述振荡，并使所述功率交换装置(27)选择地和所述补偿装置(13)相连，从而使所述补偿装置(13)提供所述有效的有功阻抗。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述功率交换装置(27)至少包括正的有功阻抗(37)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述正的有功阻抗装置(37)包括电阻装置。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的功率交换装置(27)包括正有功阻抗装置和负有功阻抗装置，并且其中所述控制装置(21)使所述正、负有功阻抗装置选择地和所述补偿装置(13)相连，从而使所述补偿装置向所述传输线提供有效的正有功阻抗和有效的负有功阻抗。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述功率交换装置(27)至少包括负的有功阻抗装置。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述功率交换装置(27)包括存储装置(31)，用于在所述传输线(5)的功率振荡期间，当所述传输线(5)上的功率正向波动时，存储由所述补偿装置(13)从所述传输线(5)吸取的有功功率，而当所述传输线(5)上的功率负波动时，通过所述补偿装置(13)把所述有功功率返回所述传输线(5)。

7.一种具有增强能力的用于提供串联线路补偿的装置(11)，用于抑制在选定的电压和基波频率下转送ac电流的电力传输线(5)中的振荡，所述装置包括：

开关功率变换装置(13)，和所述传输线(5)串联，用于向所述传输线(5)注入具有所述基波频率的补偿电压，所述补偿电压具有可控的幅值和相对于所述传输线中的所述ac电流的可控的相角；

功率交换装置(27′)，它至少包括正有功阻抗装置(37)；以及

控制装置(21)，用于控制所述补偿电压的可控的幅质和相角，以便在所述传输线(5)中插入选择的无功阻抗和有效的有功阻抗，从而抑制所述振荡，所述有效的有功阻抗由所述功率交换装置(27′)提供，所述无功阻抗在所述开关功率变换装置内被产生。

8.如权利要求7所述的装置(11)，其特征在于所述正的有功阻抗装置(37)包括电阻装置。

9.如权利要求7所述的装置(11)，其特征在于所述功率交换装置(27′)包括正、负有功阻抗装置(47，43)。

10.如权利要求9所述的装置(11)，其特征在于所述控制装置(21)使所述正、负有功阻抗装置(47、43)交替地和所述开关功率变换装置(13)相连。

11.如权利要求9所述的装置(11)，其特征在于所述功率交换装置(27′)包括存储装置(31)，用来在所述传输线(5)出现正的功率波动时，通过所述开关功率变换装置吸收来自所述传输线(5)的有功功率，在所述传输线(5)出现负的功率波动时，通过所述开关功率交换装置(13)向所述传输线(5)供给有功功率。从而提供负的有功阻抗。

12.如权利要求11所述的装置(11)，其特征在于所述存储装置(31)包括电池装置。

13.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述存储装置(31)包括超导磁体装置。

14.一种具有增强能力的用于提供串联线路补偿的方法，用于抑制在选定的电压和基波频率下传送ac电流的电力传输线(5)中的振荡，所述方法包括以下步骤：

把所述补偿装置(13)和所述传输线(5)串联，从而向所述传输线(5)注入具有所述基波频率的补偿电压，所述补偿电压具有可控的幅值和相对于所述传输线中的所述ac电流的可控的相角；

把功率交换装置(27)只通过所述补偿装置(13)选择地和所述传输线(5)相连；以及

控制所述补偿电压的可控的幅值和相角，从而向所述传输线(5)插入选择的无功阻抗和有效的有功阻抗，以便抑制所述振荡，并使所述功率交换装置(27)选择地连接于所述补偿装置(13)，从而使所述补偿装置(13)能够提供所述有效有功阻抗。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述选择地连接所述功率交换装置(27)的所述步骤包括只通过所述补偿装置(13)选择地把电阻装置(37)连接于所述传输线(5)的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述选择地连接所述功率交换装置(27)的步骤包括把正、负有功阻抗装置(47，43)选择地连接于所述补偿装置(13)，从而使所述补偿装置(13)能够向所述传输线(5)提供有效的正有功阻抗和有效的负有功阻抗的步骤。

17.一种具有增强能力的用于提供串联线路补偿的方法，用于抑制在选定的电压和基波频率下传送ac电流的电力传输线(5)中的振荡，所述方法包括以下步骤：

把开关功率变换装置(13)和所述传输线(5)串联，从而向所述传输线(5)注入具有所述基波频率的补偿电压，所述补偿电压具有可控的幅值和相对于所述传输线中的所述ac电流的可控制相角；

提供包括正的有功阻抗装置的功率交换装置(27)；以及

控制所述补偿电压的可控的幅值和相角，从而在所述传输线(5)中插入所选的无功阻抗和有效的有功阻抗，以便抑制所述振荡，所述有效的有功阻抗由所述功率交换装置(27)提供，所述无功阻抗在所述开关功率变换装置(13)中被产生。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述提供功率交换装置(27)的步骤包括提供能量存储装置(31)，并且其中所述控制步骤包括这样控制所述补偿电压的幅值和相角，使得在所述传输线(5)上出现正的功率波动时，所述存储装置(31)通过所述开关功率变换装置(13)吸收来自所述传输线(5)的有功功率，以便提供正的有功阻抗，当所述传输线(5)上出现负的功率波动时，所述存储装置(31)通过所述开关功率变换装置(27)向所述传输线(5)供应有功功率，以便提供负的有功阻抗。

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