CN1382319A - 电网中的无功功率调节方法和产生电能的装置 - Google Patents

电网中的无功功率调节方法和产生电能的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电网中的无功功率调节方法,其中电功率由发电机产生,该发电机最好由风力设备的转子驱动并由发电机与网络之间的用于补偿无功功率的补偿装置适当地调节。本发明还涉及一种在电网中产生电能的装置,包括一个最好由风力设备的转子驱动的发电机和一个在发电机与网络之间的用于补偿无功功率的补偿装置。在本发明是对补偿装置进行控制,其控制方式使得向耗电装置提供的电功率具有无功功率分量,它在相位、幅度和/或频率上适配于耗电装置,以便补偿耗电装置的无功功率。

Description

电网中的无功功率调节 方法和产生电能的装置
                         技术领域
本发明涉及电网中的无功功率(reactive power)调节方法，其中电功率由发电机产生，该发电机最好由风力设备的转子驱动并由发电机与网络之间的用于补偿无功功率的补偿装置适当地调节。本发明还涉及一种在电网中产生电能的装置，包括一个最好由风力设备的转子驱动的发电机和一个在发电机与网络之间的用于补偿无功功率的补偿装置。
                         背景技术
许多与电网相连的耗电装置要求感性无功功率。这样的感性无功功率部件的补偿通过使用电容器来实现，这些电容器也称为移相电容器，其容抗与感抗大约相等。然而，通过移相电容器的感性无功功率的完全补偿当包含高功率波动时在实际中不可能。还有一个不足是所需要的移相电容器在电网的稳定性方面具有副作用，这些电容器经常被结合在一起来构成所称的电容电池而且它们占用了很大的空间。
                         发明内容
本发明的目的是以简单的方式避免当前技术中的上述不足并补偿电网中的无功功率。
在本说明书的开始部分提出的方法和装置中，所述目的可以通过下列方式来达到，即，调节补偿装置使得向耗电装置提供的电功率具有无功功率分量，它在相位、幅度和/或频率上适配于耗电装置，以便补偿耗电装置的无功功率。
按照本发明，通过补偿装置“产生”无功功率，它用来补偿耗电装置的无功功率。例如，通过按照本发明的补偿装置，可以产生容性无功功率分量，它适配于耗电装置要求的感性无功功率分量，以便基本上完全补偿耗电装置的无功功率。本发明的优点因此实质上是提供了一种调节系统，它尤其是对于经常发生的高功率波动迅速反应以便基本上保持完全的无功功率补偿。因此，感性或容性无功功率可以有选择地被引入电网中，它按照本发明通过补偿装置的调节来实现。
在这一方面，通过按照本发明的调节，最好，所产生的电功率的频率对应于耗电装置的频率或者是耗电装置的频率的倍数。相应地讲，在前一种情况下，无功功率可以以耗电装置的频率或电网的网络频率提供。在后一种情况下，例如，所期望的谐波无功功率可以馈入电网。例如，五次谐波可以作为容性谐波以250Hz的频率馈入网络。随后这将补偿连接到诸如电视、节能灯等的电网的耗电装置的谐波无功功率。
所期望的是，补偿装置具有一个逆变器，利用它电压和/或电流特性的相位、幅度和/或频率特别容易被调节或调节，以便产生适合于适当地补偿耗电装置的无功功率的无功功率分量。
最好，补偿装置有一个测量装置，用于检测电网中的电压和/或电流变化，该检测最好在馈入点进行。在所研究的一个实施例中，补偿装置包含一个逆变器，该补偿装置根据测量装置的测量结果控制逆变器。
最好，由发电机产生的电压基本上被调节为一个预定参考值，能适合地适配提供给耗电装置的电功率中的无功功率分量。在这种情况下，无功功率分量的适配可以通过适当地控制由发电机产生的电流的功率因数(cos)或相位而获得。如果发电机通过线路和/或变换器与电网相连接，那么发电机产生的电压被期望调节成其值是大约网络电压值的量级或与之对应。这避免了所不期望的在发电机一侧的高或低电压。通常，如果网络涉及到坚固(rigid)网络，则网络电压基本上恒定。
                         附图说明
以下参照附图详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1到4示出了各种电压和电流配置；
图5示出了图4的电流配置的谐波分量；
图6图示了一个网络支路，其中风力设备和耗电装置与该支路相连；
图7示出了电力线路的一个等效电路；
图8示出了电网的一个等效电路(a)，该电网包含与风力设备的发电机相连接的一个变换器和电力架空线，以及表示各种运行情况的向量图(b到e)；
图9示出了用于补偿抽头线中的谐波电流的配置的示意电路图；和
图10示出了用于补偿电网中的谐波电流的配置的示意电路图。
                       具体实施方式
电网中会发生基谐波振荡无功功率，这一点已经长期为人所知。图1到3示出了各种电压和电流配置。
图1示出了一种情况，其中没有无功功率，也就是说电压U和电流I没有相移。电流既不超前也不滞后电压。因此没有基谐波振荡无功功率。
图2示出了一种情况，其中电流I在时间上滞后于电压U。在这种情况下，需要感性无功功率，这是对于大多数耗电装置的情况，因为它们——例如电动机——具有电感器。
图3示出了一种情况，其中电流I在时间上超前于电压U。在这种情况下，需要容性无功功率。
图6示出了一种配置，其中风力设备2与网络支路相连接。各个耗电装置6从网络支路或电力线路4的起点(点A)到终点(点E)相连接。如果风力设备2未馈入网络，那么电压从电力线路4的起点(点A)到终点(点E)逐步下降；在该电力线路4上，因此，在点E和其最近相邻耗电装置6的电压小于点A和与点A最近相邻的第一耗电装置6的电压。如果现在风力设备2或一个大的风力装置在图6中在点E与电力线路4的终点连接，并且电流被馈入电力线路4，则在电力线路4的点E的连接电压急剧上升。现在所发生的情况是，没有风力设备2在电力线路4的终点相连接的相反情况。
对于电力线路的形式为空闲线或架空线(无地下电缆)的情况，这样的线路实际上代表电感器。作为对比，地下电缆一般代表阻尼电容。在此方面，注意力放在如图7所示的线路的等效电路图上。
在馈入点的电压(图6中的点E)可以通过在风力设备的无功功率调节来调节。最好使用逆变器来达到此目的。
图8a示出了一个等效电路，其中风力设备2的发电机3通过线路和变换器与通常为固定网络的电网(未示出)相连接。图8b到8e示出了与各种运行条件相关的多个向量图。在图8b所示的情况A中，风力设备2的发电机3仅仅向电网10馈入有功功率；可以马上看出在馈入点(点E)的电压Uline高于在点A的电压Unetwork。在图8c所示的情况B中，除了有功功率外，一个感性无功功率分量被馈入网络，并且可以看出在终点E和起点A的电压Uline和Unetwork相等。相比而言，图8d所示的情况C中有太多的感性无功功率被馈入网络；其结果是在点E的电压Uline变得太低。在图8e的情况D示出了当过量的容性无功功率被馈入网络时的情况；因此，在馈入点/点E的电压Uline与电压Unetwork相关地大幅上升。后一种情况绝对要避免。
为了提供无功功率补偿，一个逆变器(未示出)在发电机3和点E之间连接，如图8a所示。现在这样的一个逆变器的功能是精确地跟随一个预定电压值，使得输出电流的cos被相应地迅速和动态地调节。
另外，谐波无功功率发生在电网中。更具体来说，耗电装置越来越多地需要包括谐波的电流或在电网中产生谐波，例如在输入端具有整流器的电视机，或者是操作被调节的整流器驱动器的工业性作业。图4示出了一种情况，其中需要谐波无功功率。电压配置U实质上是正弦的，而包括基谐波振荡的电流I也包括谐波。在这里可以清楚地看到五次谐波。图5示出了所需的作为电流I的单独分量的五次谐波。
在当前配置中的这样的谐波(电流谐波)导致电网电压谐波，它给电网中的电压质量造成不利影响。因此也有必要补偿这样的谐波无功功率。
图9示出了一个抽头线11，它的一端(在图9的左面)与电网连接，同时各个耗电装置6与其另一端连接(在图9的右面)。这样的一个抽头线11可以例如向一个工业区域或场所或一个或多个村提供电流。流向耗电装置6的电流通过电流变换器12来测量。来自变换器12的测量信号被传递到评估电路14，它连续地在线分析在抽头线11上的电流中包含哪些电流谐波。该测量结果作为参考值，它作为输出信号馈入到逆变器16，随后，逆变器16基本上同时产生所需的谐波并将其馈入到电力线路11的变换器12的上游段。这保证了所需要的谐波无功功率由逆变器16产生，用于补偿在电网中存在的谐波无功功率，并且不是从电网中得到的。
图10图解了电网10，其电压通过变压器18来测量。来自变压器18的测量信号被馈入评估装置20。还有一个预定所期望的电压配置的参考值装置22。电压装置20的输出信号由减法装置24从参考值装置22的输出信号中被减去，并且由此得到的来自减法装置24的差输出信号被馈入到逆变器10，它随后基本上同时产生所需的谐波以便补偿电网中的谐波无功功率。因此在此配置中，网络电压由变压器18测量，并且评估装置20测量在电压配置中包含哪些谐波。更具体地说，在电网10中的谐波电流产生与其频率和幅度相对应的网络阻抗压降。以这种方式测量和计算的值作为预定给逆变器16的电流参考值。随后，逆变器16按照这些参考值产生具有所需的频率、幅度和相位关系的电流谐波。

Claims (17)

1.一种用在电网(10)中的无功功率调节方法，其中电功率由发电机(3)产生，该发电机最好由风力设备(2)的转子驱动，并且由发电机(3)与网络(10)之间的用于补偿无功功率的补偿装置(16)适当调节，其特征在于，
对所述补偿装置(16)进行调节，使得提供到耗电装置(6)的电功率具有无功功率分量，该无功功率分量在相位、幅度和/或频率上适配于耗电装置(6)，以便补偿耗电装置(6)的无功功率。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，对补偿装置(16)进行进一步调节，使得发电机(3)产生容性无功功率，以便补偿在耗电装置(6)中的感性无功功率。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所提供的电功率的频率对应于耗电装置(6)的频率，或者表示耗电装置频率的倍数。
4.按照权利要求1到3中的任意一个所述的方法，其特征在于，补偿装置作为逆变器(16)运行。
5.按照权利要求1到4中的任意一个所述的方法，其特征在于，补偿装置(16)在馈入点(E)测量在电网(10)中的电压和/或电流配置，并且根据测量结果，调节在由发电机(3)产生的电功率中的无功功率分量。
6.按照权利要求1到5中的任意一个所述的方法，其特征在于，将发电机(3)产生的电压调节为一个预定参考值，该预定参考值与提供给耗电装置(6)中的电功率中的无功功率分量相适配。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，无功功率分量的适配可以通过适当地控制由发电机(3)产生的电流的功率因数(cos)或相位而获得。
8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，发电机(3)通过线路和/或变换器与电网相连接，并且，对发电机(3)产生的电压进行调节，使该电压的值处于网络电压值的量级，或者与网络电压值相对应。
9.一种在电网(10)中产生电能的装置，包括一个最好由风力设备(2)的转子驱动的发电机(3)和一个在发电机(3)与网络之间的用于补偿无功功率的补偿装置(16)，其特征在于，
所述在电网中产生电能的装置包括一个调节装置(14；20，22，24)，用来调节补偿装置(16)，其调节方式使得提供给耗电装置(6)的电功率具有一个无功功率分量，该无功功率分量的相位、幅度和/或频率适配于耗电装置(6)，因而能够补偿耗电装置(6)中的无功功率。
10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，调节装置(14；20，22，24)对补偿装置(16)进行进一步调节，其调节方式使得发电机(3)产生容性无功功率，以便补偿耗电装置(6)中的无功功率。
11.按照权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所提供的电功率的频率对应于耗电装置(6)的频率，或者表示耗电装置频率的倍数。
12.按照权利要求9到11中的任意一个所述的装置，其特征在于，补偿装置(16)有一个逆变器(16)。
13.按照权利要求9到12中的任意一个所述的装置，其特征在于，调节装置(14；20，22，24)有一个测量装置(12；18)，用于在馈入点(E)检测在电网(10)中的电压和/或电流配置。
14.按照权利要求12或13所述的装置，其特征在于，调节装置(14；20，22，24)根据测量装置(12；18)的测量结果来控制逆变器(16)。
15.按照权利要求9到14中的任意一个所述的装置，其特征在于，调节装置(14；20，22，24)通过控制提供给耗电装置(6)的电功率中的无功功率分量，将发电机(3)产生的电压调节为一个预定参考值。
16.按照权利要求15所述的装置，其特征在于，调节装置(14；20，22，24)通过适当地控制由发电机(3)提供的电流的功率因数(cos)或相位，来实现无功功率分量的适配。
17.按照权利要求15或16所述的装置，其特征在于，发电机(3)通过线路和/或变换器与电网相连接，并且，调节装置调节由发电机(3)产生的电压，使该电压的值处于最后电压值的量值，或者与最后电压的值相对应。
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