CN1682420A - 具有功率流控制器的低阻抗输电线 - Google Patents

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Abstract

一种多线路输电系统(10)包括：具有第一阻抗特性的第一输电线(14)；第二输电线(50)，与第一输电线(14)并联和具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性；和功率流控制器(52)，与第二输电线(50)联结，用于控制通过第二输电线(50)的功率的量值和功率流的方向中的至少一个。

Description

具有功率流控制器的低阻抗输电线
本申请要求2002年9月9日申请的美国临时的申请No.60/409,286的权益，其内容合并在此作为参考。
技术领域
本发明涉及用于公用电力系统的功率流调节。
背景技术
输电线用来将电能从公用网络中的一个点传输至另一点(例如从发电站传输到变电站)。输电线具有相关的电阻抗，其典型地用欧姆表示。输电线的阻抗越高，则沿线路的长度耗散的有效和无功功率的量越大。因此，当输电线的阻抗下降时，输电线的效率和传输能量的能力增大了。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种多线路输电系统包括：第一输电线，具有第一阻抗特性；第二输电线，与第一输电线并联和具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性；和功率流控制器，与第二输电线联结(couple)，用于控制通过第二输电线的功率的量值和功率流的方向中的至少一个。
本发明的实施例可以包括一个或多个下列的特征。第二输电线包括超导体，例如高温超导体。超导体由低阻抗冷绝缘高温超导电缆构成，其使用由高温超导体构成的导体，例如：铊-钡-钙-铜-氧化物；铋-锶-钙-铜-氧化物；汞-钡-钙-铜-氧化物；钇-钡-铜-氧化物；或镁-硼化物。
制冷系统将冷绝缘高温超导电缆保持在工作温度上，其低至足以使冷绝缘高温超导电缆能够具有超导特性。
功率流控制器可以是电抗器。此外，例如相角调节器的双向功率流控制器可以用来调节通过冷绝缘高温超导电缆传送的功率流的方向。可以使用多个电抗器或多个相角调节器且以诸如并联和串联的各种结构连接。通过改变这些设备的数目和结构，可以调整电抗和/或相角变化的水平，因而调整功率流和方向的调节水平。
多线路系统可以包括一个或多个非超导输电线以及一个或多个超导输电线。
根据本发明的又一方面，一种方法包括下列步骤。具有第一阻抗特性的第一输电线连接至具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性的第二输电线。功率被提供给第一和第二输电线。用于第二输电线的功率流的水平被确定。通过第二输电线传送的功率量被调节。
本发明的这个方面可以包括一个或多个下列的特征。通过超导输电线传送的功率流的方向也被调节。第二输电线包括超导体，例如高温超导体。
冷绝缘高温超导体的工作温度被保持在低至足以使冷绝缘高温超导电缆能够具有超导特性的水平上。
非超导输电线可以是传统的高架输电线或地下电缆(例如交联聚乙烯输电电缆)。
根据上述本发明的上述各方面提供了一个或多个下列优点。功率可以更加有效地在各位置之间传送，使得功率损耗降低和压降降低。与高温超导体系统有关的无功功率损耗的降低也降低了对无功功率补偿的需要和允许系统两端的更加统一的电压分布。通过利用诸如一个合并的冷绝缘高温超导体的超导输电线进一步提高了效率。通过使用功率流控制器，例如电抗器和/或相角调节器，经过超导输电线的有效功率的量和功率流的方向可以被调节。这种调节进一步允许这种输电线被合并入合并了传统的输电线的电力网或系统中，其中传统的输电线例如为传统的高架输电线或地下电缆(例如交联聚乙烯输电电缆)。此外，由于超导输电线的低阻抗，价格比较低廉的相角调节器可用于提供相同水平的电流调节(当与非超导输电线相比时)。
本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中给出。本发明的其他特征、目标和优点从下面的描述和附图以及权利要求变得显而易见。
附图说明
图1是使用传统输电线的输电系统的示意图；
图2是输电线的示意图；
图2A是示出了发送和接收电压之间的角度关系的矢量图；
图3是使用超导输电线的输电系统的示意图；和
图4是多线路输电方法的流程图。
各种附图中的相同的参考符号表示相同的元件。
具体实施方式
参考图1，输电系统10示出为包括多个输电线12、14和16，用于在典型地分开许多英里的第一发电站18和第二发电站20之间传送电能。发电站18和20还可以是发电厂或变电所。
输电线典型地以115,000伏特和765,000伏特之间的高电压传送功率。这些高电压通过变电站逐步降低至较低的电压(例如69,000至138,000伏特)，和后来可以在发送给用户之前通过配电站(未示出)再次逐步降低。这些值是典型的且根据应用和位置而变化。
每个输电线12、14和16具有阻抗值(Z)，表示每单位长度的阻抗，典型以欧姆欧姆为单位。为了降低损耗和增大效率，这些阻抗应该最小化。当功率通过输电线12、14和16传送时，功率流在三条线路之间分配，使得通过每条线路的功率的水平与它的阻抗成反比。因此，如果线路12、14和16分别具有2欧姆、4欧姆和6欧姆的阻抗，和300兆瓦正被分配给输电线，则功率流将如如下的分布：
输电线  阻抗 功率流分配比率 功率流(兆瓦)
线路12  2欧姆 (2+4+6)/2→54.55％ 163.65兆瓦
线路14  4欧姆 (2+4+6)/4→27.27％ 81.81兆瓦
线路16  6欧姆 (2+4+6)/6→18.18％ 54.54兆瓦
由于输电线12的阻抗是输电线14的阻抗的一半，所以有两倍的功率被通过输电线12传送。输电线12、14和16具有在2欧姆至6欧姆的范围内的阻抗值，其被认为对于69kV、115kV和138kV的高架输电线是在正常范围之内。
参考图2，示出了输电线的示意模型30。输电线可以被建模(modeled)为一系列电阻器(例如电阻器32)、电容器(例如电容器34)和电感器(例如感应器36)。输电线的阻抗使用下列通式来计算：
Z = R 2 + X 2
Z是高压输电线的阻抗(以欧姆为单位)，R是输电线的电阻(以欧姆为单位)和X是线路的感抗(以欧姆为单位)。当电容器C是到地的分路时，输电线的电容对输电线的阻抗的影响是微不足道的，因此不是所述通式的因素。由于输电线的感抗典型地为输电线的电阻的六倍至二十倍，所以高压输电线的阻抗(Z)基本上等于输电线的感抗(X)。
参考图3，输电系统10′示出为三条输电线之一被替换为超导输电线50和功率流控制器52(将在下面讨论)。典型地，低阻抗多线路高温超导体(HTS)输电线具有的阻抗是同样长度和电压的高架输电线的1/20，或者在这种情况下为大约0.10欧姆。
超导输电线50使用低阻抗冷绝缘高温超导电缆来构造。冷绝缘HTS电缆使用由下列形成的导体：铊-钡-钙-铜-氧化物；铋-锶-钙-铜-氧化物；汞-钡-钙-铜-氧化物；钇-钡-铜-氧化物和镁硼化物。超导输电线具有的阻抗典型地比传统(即非超导)地下电缆或高架输电线低六至二十倍。包括冷绝缘电缆的HTS输电电缆已经且继续由下列公司证实：Pirelli Cavi e Sistemi S.p.A、住友电气工业株式会社和Southwire公司。
由于当在低温下工作时这些低绝缘HTS电缆才实现超导特性，输电系统10′典型地包括制冷系统54。制冷系统54典型地为低温冷却器，其将低阻抗输电线50的工作温度保持在低至足以允许低阻抗HTS导体具有超导特性的工作温度下。
HTS输电线的电阻(R)和感抗(X)分别是大约300和6的因数，小于额定为相同电压的传统非超导地下输电电缆的电阻和感抗。此外，HTS输电线的电阻(R)和感抗(X)分别是大约800和20的因数，小于额定为相同电压的传统高架输电线的电阻和感抗。超导输电线的阻抗降低则降低了电源和负载之间的VAR损耗和压降，其降低了对无功功率补偿的需要和提供了网络两端的更加统一的电压分布。
使用超导体输电线的另一个优点是发电机和负载之间的有效电距离(electrical distance)。这降低了对于角度和电压不稳定性问题的潜在性。例如，如果电源和负载距离二十英里，则HTS输电线的相对低阻抗将有效电距离从二十英里降低到一英里。这种降低是由于前面提到的高架输电线和HTS输电线的阻抗为20∶1的比率。有效电距离的降低对于例如远离市中心区的发电机是有利的。
感抗(X)的降低比电阻的降低相对更加重要，由于是感抗确定通过每个并联输电线的功率流的比例。
例如，继续上述的示例，如果300兆瓦的功率正在发电站18和20之间传送，和输电线12具有2欧姆的阻抗，输电线14具有4欧姆的阻抗，和冷绝缘超导电缆50具有0.1欧姆的阻抗，则功率流将如如下的分布：
输电线  阻抗 功率流分配比率 功率流(兆瓦)
线路12  2欧姆 (2+4+0.1)/2→4.650％ 13.94兆瓦
线路14  4欧姆 (2+4+0.1)/4→2.325％ 6.97兆瓦
线路50  0.1欧姆 (2+4+0.1)/0.1→93.025％ 279.09兆瓦
超导输电线的使用允许从非超导输电线减少或转移电流负载。由于种种原因(例如，负载平衡，合同安排，功率流最佳化，等等。)限制和/或调节被允许通过超导输电线50的电流量是合乎需要的。因此，功率流控制器52与超导输电线50联结，以通过超导输电线控制阻抗或相角(因此是有效功率)。
如上面的表所示，用超导输电线置换″非超导″输电线导致所有传输功率的大约百分九十三被通过超导输电线50传送。这转化为三百兆瓦中有两百七十九兆瓦在超导输电线50上传送。
功率流控制器52可以是一个或多个电抗器55、56和57。电抗器是通过将它们自己的阻抗添加到输电线的标准阻抗中来限制可以在输电线(即超导输电线50)上传送的电流量的设备。通过激活或去激活一个或多个电抗器55、56和57，可以实现所需的阻抗特性(即功率流控制)。电抗器可以从各种供应商获得，例如加拿大安大略省斯卡伯勒市的Trench有限公司。
功率流控制器52也可能是双向的；也就是说，它也控制流过输电线的电流(因此和功率)的方向。如果双向控制或微递增流量变化是所需的，则相角调节器58能够与超导线50联结。
相角调节器(也称为功率角调节器或移相器)引入循环功率流，其经过调节的输电线和通过或多或少与调节的输电线并联的所有输电线返回。参考图2和2A，通过改变循环功率流，相角调节器58改变例如位置18上的电压的发送端电压(Vs)和例如位置20上的电压的接收端电压(Vr)之间的相角(θ)。这反过来依照下列方程式控制通过超导输电线50的功率流(P)的量值和方向：其中(θ)是发送和接收端电压之间的角度差。
P = ( V s ) ( V r ) ( sin θ ) Z
其中θ是发送电压(Vs)和接收电压(VR)之间的角度差(参看图2A)。
如上述方程式所示，功率流(P)可以随着阻抗值(Z)的变化而变化。由于超导输电线50具有极低阻抗(Z)，所以上述方程式的灵敏度由于作为分母的极低阻抗(Z)而增大。通过改变发送端电压(Vs)和接收端电压(Vr)之间的相角(θ)，可以调整电流(即功率流P)的量和方向。此外，由于超导输电线的阻抗(Z)极低，对于相角(θ)的任何预定变化，可以实现功率流的更大的变化(当与非超导输电线相比时)。相角调节器由许多供应商制造，例如德国纽伦堡的西门子公司。
虽然上面对输电系统10′的描述是使用或者单个电抗器56或者相角调节器58进行的，但是其他布置也是可以的。例如，可以使用多个电抗器或多个相角调节器且以诸如并联混联的各种结构连接。通过改变这些设备的数目和结构，可以调整电抗和/或相角变化的水平，因而调整功率流和方向的调节水平。
虽然上面对系统的描述是使用冷绝缘高温超导电缆进行的，但是其他结构是可以的，例如热绝缘高温超导电缆。
参考图4，多线路输电方法100包括通过至少一条标准阻抗输电线在间隔的位置之间传送102电功率。低阻抗输电线在各位置之间传送104电功率。通过低阻抗输电线传送的功率数量被调节106。
通过低阻抗输电线传送的功率流的方向也被调节108。低阻抗输电线是超导输电线，例如冷绝缘高温超导电缆。
冷绝缘高温超导电缆的工作温度保持110在低至足以使冷绝缘高温超导电缆能够具有超导特性的水平上。
至少一条标准阻抗输电线是传统的高架输电线或地下输电电缆。
已经描述了本发明的许多实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (15)

1.一种多线路公用输电系统，包括：
第一输电线，具有第一阻抗特性；
第二输电线，与第一输电线并联和具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性；和
功率流控制器，与第二输电线联结，用于控制通过第二输电线的功率的量值和功率流的方向中的至少一个。
2.如权利要求1所述的多线路输电系统，其中第二输电线包括超导体。
3.如权利要求2所述的多线路输电系统，其中第二输电线包括高温超导体。
4.如权利要求3所述的多线路输电系统，其中高温超导体选自下列组成的组：铊-钡-钙-铜-氧化物；铋-锶-钙-铜-氧化物；汞-钡-钙-铜-氧化物；和钇-钡-铜-氧化物。
5.如权利要求3所述的多线路输电系统，进一步包括：制冷系统，用于将高温超导体冷却至低至足以具有超导特性的温度。
6.如权利要求1所述的多线路输电系统，其中第一输电线是交联聚乙烯输电线。
7.如权利要求7所述的多线路输电系统，其中功率流控制器是电抗器。
8.如权利要求1所述的多线路输电系统，其中功率流控制器是双向功率流控制器，其调节通过第二输电线传送的功率流的方向。
9.如权利要求8所述的多线路输电系统，其中双向功率流控制器是相角调节器。
10.一种方法，包括：
并联连接具有第一阻抗特性的第一输电线和具有比第一阻抗特性小的第二阻抗特性的第二输电线；
提供功率给第一输电线和第二输电线；
确定用于第二输电线的功率流的水平；和
调节通过第二输电线传送的功率量。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：调节通过第二输电线传送的功率流的方向。
12.如权利要求10所述的方法，进一步包括：用超导体形成第二输电线。
13.如权利要求12所述的方法，其中超导输电线是高温超导体。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括：将高温超导体保持在低至足以使高温超导体具有超导特性的工作温度。
15.如权利要求10所述的方法，进一步包括：用交联聚乙烯形成第一输电线。
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