CN117882260A - 电容器补偿晶闸管控制的制动电阻器 - Google Patents

电容器补偿晶闸管控制的制动电阻器 Download PDF

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Abstract

一种用于稳定电网(102)的系统(100)，包括：发电机(104)，该发电机被配置为向电网(102)提供电力，该电力具有有功功率分量和无功功率分量；以及电力线(106)，该电力线被配置为将电力从发电机(104)传输到电网(102)。系统(100)包括：晶闸管控制制动电阻器(TCBR)(108)，该晶闸管控制制动电阻器布置在电力线(106)上；以及电容器(110)，该电容器与TCBR(108)串联电连接。TCBR(108)在电力线(106)上的故障期间吸收来自发电机(104)的无功功率分量的至少一部分，并且电容器(110)被配置为补偿由TCBR(108)吸收的无功功率分量的至少一部分。

Description

电容器补偿晶闸管控制的制动电阻器
技术领域
本公开涉及电网中的容错。更特别地，本公开涉及用于在电网中的故障期间使用的晶闸管控制的制动电阻器。
背景技术
电气电网包括为负载提供电力的电气发电机。发电机通常利用电力线(powerline)(即电缆，其将电力从发电机传输到电网的负载)连接到电网。例如，在辐射状网络(radial networks)中，单个发电机经由单个电力线向负载进行馈电。
尽管电力线通常被配置为具有弹性，但是如果发生电力线故障，发电机的负载可能很快丢失。在这种情况下，发电机可能跳闸、被损坏和/或被要求关闭。
在故障的情况下，制动电阻器可以用作发电机的临时负载，以避免发电机跳闸，直到电力线得到修复和/或重新连接。如果要关闭发电机，可以通过使用晶闸管控制的制动电阻器(thyristor controlled braking resistor，TCBR)斜降电力以受控方式来完成。
由于电阻器的内部电感、晶闸管延迟触发运行时的无功功率消耗，以及变压器(如果使用)的无功功率消耗，TCBR运行时会消耗无功功率。这种无功功率消耗可以降低电网上的电压，这又可能迫使发电机在电压不足(undervoltage)时跳闸。美国专利号5,198,745中公开了这种TCBR的示例。
由TCBR吸收的无功功率可以通过机械开关或晶闸管开关的并联电容器组进行补偿，从而降低发电机跳闸的风险。
发明内容
提供本公开的各方面以使用TCBR提高电网的稳定性。
根据本公开的一方面，提供了一种用于稳定电网的系统，该系统包括：发电机，该发电机被配置为向电网提供电力；以及电力线，该电力线配置为从发电机向电网传输电力。
电网可以是放射式电网，例如具有各自经由单个电力线向电网的负载进行馈电的单个发电机。可替代地，电网可以是环形或网状网络。电网向负载提供电力，该负载可以由负载的组合构成，诸如城市的电力网络、商业地产、或一些其他负载、或它们的组合。
发电机可以是适于向负载提供电力以满足负载的需求的任何发电机，该负载的需求在一天或一年的过程中可能变化很大。发电机可以由可再生能源(诸如风力涡轮机或水力发电系统)或一些其他电气电力源驱动。电力线被配置为以便将由发电机生成的电力递送到电网，更具体地说，递送到电网上的负载。
根据本公开的这个方面，该系统还包括晶闸管控制的制动电阻器(TCBR)，该晶闸管控制的制动电阻器布置在电力线上，并且被配置为在电力线上的故障期间吸收来自发电机的电力。TCBR可以包括：制动电阻器，该制动电阻器被配置为从发电机吸取电负载；以及晶闸管，该晶闸管与电阻器串联电连接，该晶闸管被配置为控制由制动电阻器吸取的电负载。一般而言，TCBR有利地提供了从发电机吸取的电流和电力的可控性，这可以被控制到期望的设定点(例如，通过与控制单元或一些其他装置的连接)。
由发电机生成的电力具有有功分量和无功分量，并且TCBR被配置为在其运行中吸收由于电阻器的内部电感和/或晶闸管在触发时以延迟进行运行时的无功功率消耗引起的无功功率分量中的至少一部分。
因此，为了补偿由TCBR进行的这种无功功率吸收，作为本公开的这个方面的一部分，提出了提供与TCBR串联电连接的电容器，其中电容器被配置为补偿由TCBR吸收的无功功率分量的至少一部分。根据TCBR中的电流，无功功率可以被补偿到所需的程度。
由TCBR消耗的无功功率取决于多个因素，诸如变压器电抗、TCBR电路中的电感、以及晶闸管的控制。从通常的角度看，由电容器提供的补偿可以表示为其中XC是电容器的电抗，以及XL是负载的感抗。由TCBR吸收的无功功率和由电容器补偿的无功功率之间的数学关系的具体细节在实施方式之间会有所不同。
以这种方式提供串联电容器改进了以前的解决方案，诸如并联电阻器，因为并联电阻器的缺点是无功功率将以离散的阶跃进行补偿，从而导致电网电压中的不期望的阶跃。电容器的使用不会导致电网电压中的这种阶跃，因为补偿是根据TCBR中的电流进行缩放。
在一些示例中，系统还可以包括连接在发电机和电网之间的电力线上的变压器。
在这样的示例中，电容器可以布置在变压器和电网之间，即在变压器的初级侧上。当电容器布置在变压器的初级侧上时，变压器上的电压可以随电流增加，并且变压器额定电压也可以增加。对于电网的高电压水平，串联电容器可以优选地是绝缘的。
可替代地，电容器可以布置在变压器和TCBR之间，即在变压器的次级侧上。当电容器布置在变压器的次级侧上时，这有利地给出了串联电容器和变压器的较低绝缘要求，但是晶闸管阀的电压可能随着电流增加。晶闸管阀和电阻器的优化可能变得更加复杂。
电容器相对于变压器的特定放置可能取决于系统。也可以由不包括变压器的TCBR系统的串联电容器提供无功功率补偿。
根据一些示例实施方式，为了系统的进一步可靠性，系统还可以包括被配置为旁路电容器的旁路开关和/或与电容器并联电连接的变阻器。
虽然本发明可以有各种修改和可替代形式，但是如本文详细描述的那样，在附图中以示例的方式示出了具体实施例。然而，应该理解，本文中的详细描述和附于其上的附图并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式。相反，其目的是覆盖落入所附权利要求的范围内的所有修改、等同物和可替代方案。
本说明书中对现有技术文献或对比实施例的任何引用不应被认为是承认这种现有技术是众所周知的或构成本领域公知常识的一部分。
如在本说明书中所使用的那样，词语“包括”、“包含”以及类似词语不应以排他性或穷尽性的含义进行解释。换句话说，它们旨在表示“包括，但不限于”。
附图说明
将仅通过示例的方式并参考以下附图来描述一个或多个实施例，在附图中：
图1示意地示出了根据实施例的用于稳定电网的系统；
图2示意地示出了用于在图1的系统中使用的电容器的示例配置；以及
图3示意地示出了用于在图1的系统中使用的晶闸管控制的制动电阻器的示例配置。
具体实施方式
下面通过多个说明性示例来描述本发明。应当理解的是，这些示例仅被用于说明和解释，并不旨在限制本发明的范围。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。另外，尽管可以以单独的实施例的形式呈现示例，但是将认识到，本发明还涵盖本文描述的实施例的组合。
图1示出了根据实施例的用于稳定电网102的示例系统100。
所示的系统100至少在以下方面是相似的：它们包括被配置为向电网102提供电力的发电机104，该电力具有有功功率分量和无功功率分量。发电机104经由电力线106连接到电网102，根据特定的实施方式，该电力线可以是一条或多条电力线。
布置在电力线106上与发电机104串联的是晶闸管控制的制动电阻器(TCBR)108。TCBR 108的示例配置将在下面结合图3进行描述。
TCBR 108作为用于发电机104的临时负载，例如在电力线106发生故障的情况下，这导致与电网102断开。TCBR 108是可控的(例如，经由连接到TCBR 108的晶闸管的控制单元)，以便根据系统100的特定要求，控制从发电机104吸取的电力，例如控制到期望的最大或最小设定点。
如将理解的那样，来自发电机104的电力将具有有功功率分量和无功功率分量，并且被包括在TCBR 108中的制动电阻器主要被配置为消耗有功功率分量。如果太多无功功率分量被TCBR 108的部件或系统100中的其他部件消耗(或被存储而不返回)，则电网102上的电压可能会不期望地降低。这又导致发电机104在电压不足时跳闸。
系统100还包括与TCBR 108串联电连接的电容器110。以这种方式串联放置的电容器110允许电容器110补偿由TCBR 108的部件消耗的无功功率。因此，电网102上的电压不会不期望地降低，并且发电机104在电压不足时跳闸的风险减小。因此，系统100变得更加稳健和可靠。
将在下面结合图2更详细地讨论电容器110的配置。
在一些示例中，系统可以包括连接在发电机104和电网102之间的电力线106上的变压器112。两个所示的系统100的不同之处在于电容器110相对于变压器112的潜在放置。变压器112可以具有高压(HV)初级侧和中压(MV)次级侧，电压在被分配到电网102之前从MV次级侧步升到HV初级侧。
电容器110可以串联布置在变压器112的初级HV侧上，或者串联布置在变压器112的次级MV侧上。换句话说，电容器110可以布置在变压器112和电网102之间，或者布置在变压器112和TCBR 108之间。
在电容器110串联布置在变压器112的初级侧上的情况下，变压器112上的电压可以随着电流增加，并且变压器112的额定电压可以相应地增加。
优选地，为了适应电容器110在变压器112的HV侧上的放置，串联电容器110可以针对电网102的HV水平进行绝缘。
在电容器110串联布置在变压器112的次级侧的情况下，TCBR 108中的晶闸管阀的电压将随着电流增加。因此，TCBR 108中的晶闸管阀和(多个)电阻器的优化可能会变得更加复杂。然而，有利的是，由于串联电容器放置在变压器112的MV侧上，可以存在对串联电容器110的较低绝缘要求。
电容器110放置在变压器112的HV侧上还是MV侧上可以取决于系统。而且，如图1中的虚线所示，系统100中可以不包括变压器112。即使没有变压器112，电容器110仍然可以为具有TCBR的系统100提供无功功率补偿。然而，当包括变压器112时，变压器112可以有助于无功功率的消耗(或存储而不返回)。
图2示意地示出了用于在图1的系统中使用的电容器110的示例配置200。
在所示的配置200中，电容器110可以具有旁路开关114，该旁路开关被布置为旁路电容器110，例如被布置为跨接于在电力线106上的电容器110的端子上。因此，可以通过旁路开关114的控制(例如，远程控制)来添加和移除电容器110的无功功率补偿。
旁路开关114可以采用适于以下情况的任何形式，即在旁路开关114闭合时启用电容器110的电旁路，同时在旁路开关114断开时允许电流流过电容器110。提供旁路开关114可以进一步提高系统100的安全性和/或系统100的可控性。
附加地或可替代地，配置200可以进一步包括与电容器110并联布置的变阻器116。变阻器116可以有利地为电容器110提供进一步的保护，从而进一步提高系统100的安全性和可靠性。
根据系统100所需的规格，例如在安全性、额定值等方面，配置200可以包括旁路开关114和变阻器116中的一者或两者。
图3示意地示出了用于在图1的系统100中使用的TCBR 108的示例配置。
根据所示的示例，TCBR 108可以包括：制动电阻器118，该制动电阻器被配置为从发电机104吸取电负载；以及晶闸管120，该晶闸管与电阻器118串联电连接，并且被配置为控制由制动电阻器118所吸取的电负载。
取决于TCBR 108所需的规格，晶闸管120可以是一个或多个晶闸管。例如，晶闸管120可以包括串联布置以增加电压容量的多个晶闸管120。
如上所述，尽管制动电阻器118在吸取电负载时的主要目的是消耗来自发电机104的有功功率(例如，当TCBR 108用作发电机104的临时负载时)，但是TCBR 108也可以存储或消耗无功功率。
TCBR 108在其运行期间可以消耗相对大量的无功功率(例如，相对于零的理想无功功率消耗)。这可能是由于制动电阻器118的内部电感和/或当在触发TCBR 108中存在延迟时(多个)晶闸管120的无功功率消耗。
由于提供了串联电容器110，由TCBR 108消耗的无功功率的量将被成比例地补偿。因此，由电容器110补偿的无功功率与由TCBR 108消耗的无功功率成比例。因此，可以防止发电机104跳闸，并且电网102的电压不会发生不规则地变化。
在一些示例中，制动电阻器118可以包括另外的电阻器118a，以便由一对电阻器118、118a构成。在这样的示例中，(多个)晶闸管120可以布置并电连接在一对制动电阻器118、118a之间。
在(多个)晶闸管120的另一侧上提供附加电阻器118a允许将电阻分成几部分，即两部分，这有利地限制了(多个)晶闸管120的阀中的短路电流。
在一些另外的示例中，可以包括与(多个)晶闸管120串联的电抗器(未示出)，从而提供附加电抗，以限制通过(多个)晶闸管120的阀的电流的导数。
电阻器118和/或118a可以被有利地选择为具有较低的内部电感(例如，从而降低无功功率消耗)、较小的温度依赖性(例如，从而防止运行期间的过热)、以及高过载能力(例如，以获得更好的弹性)。
尽管仅示出了一个附加电阻器118a，但是应当理解，可以提供更多数量的附加电阻器，例如在(多个)晶闸管120的任一侧上。而且，如图3中的虚线所示，可以不提供附加电阻器118a。
(多个)电阻器118、118a的电阻和电容器110的电容之间的关系可以基于TCBR连接到的所选择的电压(即，变压器112的次级电压)和/或运行期间系统100中可以容许的无功功率来确定。
在一些示例中，TCBR 108还可以包括被配置为控制(多个)晶闸管120的控制单元122。例如，可以为每个晶闸管120提供一个控制单元122。
控制单元122本身可以被本地或远程控制，可以本地或远程控制(多个)晶闸管120，并且当TCBR 108用作发电机104的临时负载时，允许TCBR 108控制从发电机104吸取的电力的量。例如，可以经由通过控制单元122对晶闸管120的控制，将TCBR 108控制到所吸取的电负载的期望设定点。根据系统100的特定要求，这个设定点可以是预定的或由一些计算装置动态确定。
应当理解，除非另外明确说明，否则前面描述中公开的各种部件和特征可以分离地或组合地实施。而且，应该理解的是，前述公开的实施例没有被穷尽地列出，并且在所附权利要求的范围内可以有另外的示例实施例。在任何情况下，旨在由所附权利要求来限定保护范围。

Claims (8)

1.一种用于稳定电网的系统，包括：
发电机，所述发电机被配置为向所述电网提供电力，所述电力具有有功功率分量和无功功率分量；
电力线，所述电力线被配置为将电力从所述发电机传输到所述电网；
晶闸管控制的制动电阻器TCBR，所述晶闸管控制的制动电阻器被布置在所述电力线上；以及
电容器，所述电容器与所述TCBR串联电连接；
其中：
所述电容器被配置为补偿由所述TCBR吸收的无功功率分量的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
变压器，所述变压器连接在所述发电机和所述电网之间的所述电力线上；
其中：
所述电容器被布置在所述变压器和所述TCBR之间，或者被布置在所述变压器和所述电网之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，还包括：
旁路开关，所述旁路开关被配置为旁路所述电容器。
4.根据任一前述权利要求所述的系统，还包括：
变阻器，所述变阻器与所述电容器并联电连接。
5.根据任一前述权利要求所述的系统，其中所述TCBR包括：
制动电阻器，所述制动电阻器被配置为从所述发电机吸取电负载；
晶闸管，所述晶闸管与所述电阻器串联电连接，并且被配置为控制由所述制动电阻器所吸取的所述电负载。
6.根据权利要求5所述的系统，其中：
所述晶闸管被配置为由控制单元控制。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的系统，其中：
所述制动电阻器由至少两个电阻器构成；以及
所述晶闸管被布置在所述至少两个电阻器之间。
8.一种电网，包括根据权利要求1至7中任一项所述的系统。
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