SE514068C2 - Rotary power system stabilizer - Google Patents

Rotary power system stabilizer

Info

Publication number
SE514068C2
SE514068C2 SE9904478A SE9904478A SE514068C2 SE 514068 C2 SE514068 C2 SE 514068C2 SE 9904478 A SE9904478 A SE 9904478A SE 9904478 A SE9904478 A SE 9904478A SE 514068 C2 SE514068 C2 SE 514068C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
power
machine
rotor
voltage
control
Prior art date
Application number
SE9904478A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE9904478L (en
SE9904478D0 (en
Inventor
Lars Gertmar
Per-Anders Loef
Arne Nysveen
Nestli Tom Fagernes
Original Assignee
Abb Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from SE9901553A external-priority patent/SE514818C2/en
Priority claimed from SE9903044A external-priority patent/SE521391C2/en
Application filed by Abb Ab filed Critical Abb Ab
Priority to SE9904478A priority Critical patent/SE514068C2/en
Publication of SE9904478D0 publication Critical patent/SE9904478D0/en
Priority to EA200100866A priority patent/EA003265B1/en
Priority to PCT/SE2000/000781 priority patent/WO2000067358A1/en
Priority to CA002367398A priority patent/CA2367398A1/en
Priority to AU47887/00A priority patent/AU4788700A/en
Priority to EP00929985A priority patent/EP1177606A1/en
Publication of SE9904478L publication Critical patent/SE9904478L/en
Publication of SE514068C2 publication Critical patent/SE514068C2/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/36Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
    • H02K19/365Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches with a voltage regulator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/26Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings
    • H02K19/28Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings for self-excitation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/16Synchronous generators
    • H02K19/36Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/105Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for increasing the stability
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P9/30Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

In the invention, electrical machines (2) with variable rotational speed are utilised as stabilisers in an electric power network. The motion of the rotor (10) corresponds to a certain kinetic energy, and this kinetic energy is used as energy storage for the stabiliser. The electrical machine (2) and its rotational speed are regulated by controlling the current that is sent through the rotor (10). The voltage source and the control means (18) for this are supplied by power from a source, which is independent of the voltage of the electric power network. The voltage source comprises preferably a brushless regulating machine (20) arranged at the same shaft (22) as the electrical main machine (2). By further directly monitoring temperatures in stator (14) and rotor (16) windings, the electrical main machine (2) may temporarily be utilised for large power transmissions, which by far exceed the nominal power.

Description

Intill till! »intill m 10 15 20 30 514 068 g '||i»|' 2 Kraftnâtet bör också drivas inom vissa givna spänningsmarginaler. Flera apparater såsom transformatorer och motorer är konstruerade for drift inom givna spänningsområden. Spänningen i ett växelströmskraftnät regleras genom att styra den reaktiva effektbalansen i nätet. Vid brist på reaktiv effekt eller vid ogynnsam fördelning mellan var reaktiv effekt produceras och förbrukas, kan inte nätet vid vissa tillfällen klara av att upprätthålla spänningen och man får en så kallad spänningskollaps, varefter nätet bryter samman. Next to! »Intill m 10 15 20 30 514 068 g '|| i» |' 2 The power grid should also be operated within certain given voltage margins. Several devices such as transformers and motors are designed for operation within given voltage ranges. The voltage in an AC power network is regulated by controlling the reactive power balance in the network. In the event of a lack of reactive power or in the event of an unfavorable distribution between where reactive power is produced and consumed, the network cannot at certain times be able to maintain the voltage and a so-called voltage collapse is obtained, after which the network breaks down.

Synkronmaskiner används, förutom för energiomvandling, också som synkronkompensatorer utan att de är kopplade till någon drivmaskin eller mekanisk last och de utför därför ingen energiomvandling. Dessa maskiner roterar synkront med kraftnätet och kan leverera/ förbruka reaktiv effekt. De bidrar dessutom till att stabilisera kraftnätet vid driftstörningar genom att maskinens magnetisering regleras och genom att synkronkompensatorn ökar kraftnätets kortslutningseffekt. En synkronmaskins förmåga till Stabilisering av kraftnätet genom att modulera aktiv effekt begränsas av att den aktiva effekt som kan regleras måste tillhandahållas från den magnetiska energin i maskinens luftgap eller från roterande massa genom en transient varvtalsvariation då maskinens lastvinkel ändras.In addition to energy conversion, synchronous machines are also used as synchronous compensators without being connected to any drive or mechanical load and therefore do not perform any energy conversion. These machines rotate synchronously with the power grid and can deliver / consume reactive power. They also help to stabilize the power grid in the event of malfunctions by regulating the magnetization of the machine and by increasing the synchronous compensator's short-circuit power of the power grid. The ability of a synchronous machine to stabilize the power grid by modulating active power is limited by the fact that the active power that can be regulated must be provided from the magnetic energy in the machine's air gap or from rotating mass through a transient speed variation when the machine's angle changes.

ASH betecknar Asynchronous Hydro (också känd som ASG - Asynchronous Generator) och är en asynkronmaskin där rotorlindningen matas via släpringar från en strömriktare som är ansluten till samma kraftnät som maskinens statorpoler. Dessa maskiner har fått sin användning först och främst i samband med pumpkraftverk. Fördelarna är flera, bland annat att kraftverkets verkningsgrad förbättras och att man kan göra så kallad lastföljd i pumpdrift, dvs. att effektuttaget från kraftnätet kan regleras i pumpdrift. Sådana maskiner finns i drift på flera platser i Japan och beskrivs av Takao Kuwabars et. al i ”Design and dynamic response characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi power station” i IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 10 15 20 30 514 068 |f||.|' 3 11, nr. 2, juni 1996, sid. 376 - 384. En ASH kan också drivas som en synkronmaskin genom att likström matas till rotorn. Emellertid bör man vara uppmärksam på att detta kan ge termisk överlast på en fas om denna stationärt leder full magnetiseringsström.ASH stands for Asynchronous Hydro (also known as ASG - Asynchronous Generator) and is an asynchronous machine where the rotor winding is fed via slip rings from a converter that is connected to the same power network as the machine's stator poles. These machines have been used primarily in connection with pumped storage power plants. The advantages are fl yours, including that the power plant's efficiency is improved and that you can make a so-called load sequence in pump operation, ie. that the power output from the power grid can be regulated in pump operation. Such machines are in operation at your locations in Japan and are described by Takao Kuwabars et. al i ”Design and dynamic response characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi power station” in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 10 15 20 30 514 068 | f ||. | ' 3 11, no. 2, June 1996, p. 376 - 384. An ASH can also be operated as a synchronous machine by supplying direct current to the rotor. However, one should be aware that this can cause thermal overload on a phase if this stationary conducts full excitation current.

En ASH kan utnyttjas för att förbättra nätets stabilitet genom att man snabbt kan reglera avgiven aktiv effekt till nätet från maskinen vid driftsstörningar och fel i nätet. Till skillnad från en synkronmaskin kan man reglera aktiv och reaktiv effekt oberoende av varandra. Förbättringen av kraftnätets stabilitet möjliggör högre utnyttjande av kraftnätet genom att större effektmängder kan överföras. Detta beskrivs av Jan O. Gjerde et. al. i "Integration of Adjustable Speed Hydro Machines in Established Networks", Proc. of Hydropower into the Next Century - III (Hydropower '99), Gmunden, Österrike, 1999, sid. 559-567. En annan fördel med ASH-maskiner är att arbetseffekten på strömriktaren är liten i förhållande till maskinens totala arbetseffekt, typiskt 15-30 % i anläggningar som har satts i drift.An ASH can be used to improve the stability of the network by being able to quickly regulate the active power delivered to the network from the machine in the event of malfunctions and faults in the network. Unlike a synchronous machine, you can regulate active and reactive power independently of each other. The improvement of the power grid's stability enables higher utilization of the power grid by allowing larger amounts of power to be transmitted. This is described by Jan O. Gjerde et. al. i "Integration of Adjustable Speed Hydro Machines in Established Networks", Proc. of Hydropower into the Next Century - III (Hydropower '99), Gmunden, Austria, 1999, p. 559-567. Another advantage of ASH machines is that the working power of the converter is small in relation to the total working power of the machine, typically 15-30% in plants that have been put into operation.

Ett problem med dagens ASH-maskiner är att frekvensomformaren som är kopplad till kraftnätet snabbt kommer att kopplas ur vid driftstörningar.A problem with today's ASH machines is that the frequency converter that is connected to the power grid will quickly be disconnected in the event of a malfunction.

Maskinen blir därför känslig för fel i kraftnätet. Detta gäller speciellt när den del av omformaren som är kopplad till kraftnätet behöver reaktiv effekt för att kommutera och i synnerhet när omformaren är en cyklo-converter, där även nätspänningen bör ha en god symmetri mellan faserna. I två amerikanska patent 4,8l2,73O och 4,870,339 beskrivs olika metoder för att upprätthålla en styrbar växelspänning i maskinens stator vid bortfall av det anslutna kraftnätet. Detta är helt nödvändigt för att upprätthålla maskinens magnetisering så att den kan fasas in igen när spänningen i kraftnätet kommer tillbaka.The machine therefore becomes sensitive to faults in the power grid. This is especially true when the part of the converter that is connected to the power grid needs reactive power to commutate and in particular when the converter is a cyclo-converter, where the mains voltage should also have a good symmetry between the phases. Two U.S. Patents 4,812,773 and 4,870,339 disclose various methods for maintaining a controllable alternating voltage in the stator of the machine in the event of failure of the connected power grid. This is absolutely necessary to maintain the magnetization of the machine so that it can be phased in again when the voltage in the power grid returns.

FACTS - en akronym för “Flexible AC Transmission System” är en samlingsbeteckning för flera olika komponenter som innefattar kraftelektronik och som används för att reglera effektflödet och 1 ll. l lill) U) 10 15 20 3G 514 068 |||;-| 4 spänningsfördelningen i ett kraftnät. Den av IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) uppsatta definitionen säger att FACTS är: “Alternating current transmission systems incorporating power electronic-based and other static controllers to enhance controllability and increase power transfer capability. “ Förenklat kan FACTS-komponenter beskrivas som utrustningar, i vilka det i de flesta fallen ingår kraftelektroniska ventilelement (tyristorer och transistorer), för att snabbt och precist kunna variera spänningen, strömmen, impedansen och/ eller fasvinkeln i eller mellan de knutpunkter (noder) till vilka komponenten är ansluten. Eftersom införandet av dessa komponenter skapar möjligheter att styra effektflödet kan de utnyttjas för att öka kraftsystemets överföringsförmåga mellan olika områden eller punkter.FACTS - an acronym for “Flexible AC Transmission System” is a collective term for several different components that include power electronics and are used to regulate power output and 1 ll. l lill) U) 10 15 20 3G 514 068 |||; - | 4 the voltage distribution in a power grid. The definition set by the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) states that FACTS is: “Alternating current transmission systems incorporating power electronic-based and other static controllers to enhance controllability and increase power transfer capability. In simple terms, FACTS components can be described as equipment, which in most cases includes power electronic valve elements (thyristors and transistors), in order to be able to quickly and accurately vary the voltage, current, impedance and / or phase angle in or between the nodes (nodes) to which the component is connected. Since the introduction of these components creates opportunities to control the power fl fate, they can be used to increase the power system's transmission capacity between different areas or points.

Dessutom kan införandet av komponenterna minska överföringsförlusterna i transmissionssystemet genom att bättre fördela effektflödet mellan olika transmissionsvägar.In addition, the introduction of the components can reduce the transmission losses in the transmission system by better distributing the power output between different transmission paths.

FACTS-komponenter kan vara kopplade till kraftnätet genom shuntkoppling, seriekoppling eller en kombinerad shunt- och seriekoppling.FACTS components can be connected to the power grid by shunt connection, series connection or a combined shunt and series connection.

Shuntkopplade enheter används huvudsakligen for in- /utmatning av reaktiv effekt och kraftelektroniska komponenter utnyttjas då för en snabb reglering av reaktiv effektinmatning/-utmatning. Ett exempel är SVC - “Static Var Compensator” som består av parallellkopplade reaktorer (spolar) och kondensatorer och där kraftelektroniken används för att styra den reaktiva effektproduktionen/ förbrukningen till enheten. Detta görs vanligtvis genom att styra strömmen genom reaktorerna. Önskas full styrbarhet, dvs- i 100% av effekten till SVC-enheten, bör de kraftelektroniska delarna dimensioneras för enhetens totala reaktiva effekt. Emellertid så generar en SVC övertoner och filtrering år därför nödvändig. Vidare så kommer förmågan hos en SVC att injicera reaktiv ström i kraftnätet att reduceras med spänningen, dvs. när 10 15 20 30 3 514 068 11' 5 behovet ofta är som störst. En "Static Synchronous Compensator" (STATCOM) har emellertid inte detta problem eftersom shuntkopplade kondensatorer och reaktorer inte ingår i den reaktiva effektproduktionen/ förbrukningen. Den reaktiva effekten genereras direkt av kraftelektroniska ventilelement och enheten fungerar i verkligheten som en synkronkompensator utan roterande massa och med kontrollerbar och begränsad kortslutningseffekt. Emellertid bör all reaktiv effekt gå genom strömriktaren, så denna måste alltså dimensioneras för full effekt.Shunt-coupled units are mainly used for input / output of reactive power and power electronic components are then used for a quick control of reactive power input / output. An example is SVC - “Static Var Compensator” which consists of parallel connected reactors (coils) and capacitors and where the power electronics are used to control the reactive power production / consumption to the unit. This is usually done by controlling the current through the reactors. If full controllability is desired, ie in 100% of the power to the SVC unit, the power electronic components should be dimensioned for the unit's total reactive power. However, an SVC generates harmonics and filtering is therefore necessary. Furthermore, the ability of an SVC to inject reactive current into the power grid will be reduced with voltage, ie. when 10 15 20 30 3 514 068 11 '5 the need is often greatest. However, a "Static Synchronous Compensator" (STATCOM) does not have this problem because shunt-connected capacitors and reactors are not included in the reactive power production / consumption. The reactive power is generated directly by power electronic valve elements and the unit actually functions as a synchronous compensator without rotating mass and with controllable and limited short-circuit power. However, all reactive power should pass through the inverter, so this must be dimensioned for full power.

Seriekopplade element i transmíssionssammanhang består huvudsakligen av kondensatorer och används huvudsakligen för att kompensera för en kraftlinjes reaktans, och således för att reducera linjens “elektriska längd”.Series-connected elements in transmission contexts consist mainly of capacitors and are used mainly to compensate for the reactance of a power line, and thus to reduce the "electrical length" of the line.

En seriekopplad kondensator injicerar en spänning som är fasförskjuten 90 elektriska grader mot strömmen i kraftlinjen. Amplituden på den injicerade spänningen kan styras, såsom till exempel i en tyristorkontrollerad seriekondensator (TCSC).A series-connected capacitor injects a voltage that is phase-shifted 90 electrical degrees against the current in the power line. The amplitude of the injected voltage can be controlled, such as in a thyristor controlled series capacitor (TCSC).

En UPFC - "Universal Power Flow Controller" - består av två strömriktare, den ena i serie och den andra kopplad i shunt med transmissionssystemet.A UPFC - "Universal Power Flow Controller" - consists of two inverters, one in series and the other connected in shunt with the transmission system.

Detta leder till att en UPFC såväl kan reglera en reaktiva effekt som kan injiceras i shunt med elkraftledningen som en styrbar spänning som kan injiceras i serie, vilket leder till att spänningen både kan regleras till amplitud och fas. En UPFC kan således samtidigt, och oberoende, styra både det aktiva och reaktiva effektilödet i en transmissionslinje, och kombinerar därigenom möjlighet till effektstyrning och spänningsreglering. UPFC utgör ett flexibelt redskap för styrning av effektflöden, till priset av en komplicerad kretslösning med dyra strömriktare.This means that a UPFC can both regulate a reactive power that can be injected in shunt with the electric power line as well as a controllable voltage that can be injected in series, which means that the voltage can be regulated both to amplitude and phase. A UPFC can thus simultaneously, and independently, control both the active and reactive power lines in a transmission line, thereby combining the possibility of power control and voltage regulation. UPFC is a flexible tool for controlling power flows, at the price of a complicated circuit solution with expensive converters.

FACTS har stor dynamik, vilket gör det möjligt att använda dem för att förbättra kraftnätets dynamiska egenskaper. De kan också kompensera för osymmetrisk drift, t.ex. när spänningen mellan de olika faserna skiljer sig.FACTS have great dynamics, which makes it possible to use them to improve the dynamic properties of the power grid. They can also compensate for asymmetric operation, e.g. when the voltage between the different phases differs.

En översikt över de olika FACTS-komponenterna och deras användning och 10 15 20 3G i 514 068 1|| 6 tekniska ståndpunkt ges i artikeln “FACTS - powerful systems for flexible power transmission” av R. Grünbaum et. al. i ABB Review, nr. 5, 1999, sid. 4-17.An overview of the various FACTS components and their use and 10 15 20 3G i 514 068 1 || 6 technical positions are given in the article “FACTS - powerful systems for exable power transmission” by R. Grünbaum et. al. in ABB Review, no. 5, 1999, p. 4-17.

För alla FACTS-komponenter gäller generellt att de traditionellt inte innehåller något nämnvärt energilager. Energin som lagras i kondensatorer och reaktorer är starkt begränsad i förhållande till enhetens arbetseffekt och dessa enheterna kan därför inte tillföra eller dra bort aktiv effekt från kraftnätet. Genom att exempelvis koppla in en energikälla till DC-sidan i en STATCOM kan man emellertid realisera detta. I befintliga experimentella anläggningar utnyttjas antingen batterier (Battery Energy Storage - BES) eller supraledande spolar (Superconductive Magnetic Energy Storage - SMES) som energilager. I en artikel av Y. Mitani et. al. "Application of Superconductive Magnet Energy Storage to Improve Power System Dynamic Performance", IEEE Transactions on Power Systems, vol. 3, nr. 4, nov. 1988, sid. 1418-1425, visas det hur en sådan enhet kan brukas till att förbättra kraftnätets stabilitet. En nackdel både med SMES och BES är att strömriktaren måste designas för full effekt samt att energilagren är dyrbara och att en del typer av batterier innehåller tungmetaller och andra milj öskadliga material.For all FACTS components, it generally applies that they traditionally do not contain any significant energy storage. The energy stored in capacitors and reactors is severely limited in relation to the unit's operating power and these units can therefore not supply or subtract active power from the power grid. However, by connecting an energy source to the DC side of a STATCOM, for example, this can be realized. In existing experimental facilities, either batteries (Battery Energy Storage - BES) or superconductive coils (Superconductive Magnetic Energy Storage - SMES) are used as energy storage. In an article by Y. Mitani et. al. "Application of Superconductive Magnet Energy Storage to Improve Power System Dynamic Performance", IEEE Transactions on Power Systems, vol. 3, no. 4, nov. 1988, p. 1418-1425, it is shown how such a unit can be used to improve the stability of the power grid. A disadvantage of both SMES and BES is that the converter must be designed for full power and that energy storage is expensive and that some types of batteries contain heavy metals and other environmentally harmful materials.

Placeringen av olika typer av kompensatorer i kraftnätet är mycket viktigt för att de ska ha den önskade effekten. För att stabilisera elektromekaniska svängningar mellan generatorer eller grupper av generatorer bör till exempel shuntkopplade reaktiva kompensatorer placeras på lika elektriskt avstånd till de två generatorerna (eller grupperna av generatorer) för att ha en god verkan. För att förbättra kraftnätets reaktiva balans bör emellertid dessa enheterna placeras i närheten av eller i stora lastområden. Shuntkopplade enheter som kan reglera aktiv effekt, såsom en ASH, bör placeras nära andra effektproducenter för att verka stabiliserande. 10 15 20 25 30 'i 514 068 7 För alla kraftelektroniska omforrnare gäller generellt att deras överlastförrnåga begränsas av korta "terrniska" tidskonstanter. En strömriktare har till exempel en mycket liten förmåga till att tåla överlast. En strömriktare bör därför dimensioneras för maximal belastning i ström och spänning.The placement of different types of compensators in the power grid is very important for them to have the desired effect. To stabilize electromechanical oscillations between generators or groups of generators, for example, shunt-coupled reactive compensators should be placed at equal electrical distances from the two generators (or groups of generators) in order to have a good effect. However, in order to improve the reactive balance of the power grid, these units should be located near or in large load areas. Shunt-connected devices that can regulate active power, such as an ASH, should be placed close to other power producers to have a stabilizing effect. 10 15 20 25 30 'i 514 068 7 For all power electronic converters, it generally applies that their overload capacity is limited by short "ternary" time constants. A converter, for example, has a very small ability to withstand overload. A converter should therefore be dimensioned for maximum load in current and voltage.

Ett kraftnät som innehar stor andel icke-termisk kraft, t.ex. hydrokraftnät eller vindkraftnät, kan kunna uppleva stora säsongs- eller dygnsvariationer i kraftnätets effektflöde. Det finns således ett behov av att kunna använda stabilisatorer som både kan kompensera reaktiv och/ eller aktiv effekt “så att de kan utnyttjas under olika driftsförhållanden i kraftnätet.A power grid that holds a large proportion of non-thermal power, e.g. hydro power grids or wind power grids, may experience large seasonal or daily variations in the power grid's power fl fate. There is thus a need to be able to use stabilizers which can compensate for both reactive and / or active power ”so that they can be used under different operating conditions in the power grid.

En speciell utföringsform av roterande elmaskiner visas i WO 97/ 45919, där den högspända statorlindningen är baserad på kabelteknik. Någon transformator för anslutning till ett högspänningsnät behövs då inte.A special embodiment of rotary electric machines is shown in WO 97/45919, where the high-voltage stator winding is based on cable technology. No transformer for connection to a high-voltage network is then required.

Maskiner utförda med denna typ av statorlindning kännetecknas av att den har mycket låg strörntäthet i statorledarna och av att kylningen väsentligen sker på jordpotential i statorns plåtpaket. Maskinerna har, genom lämpligt utförande av rotorns lindningars area och/eller skydd, god förmåga att tillfälligt, under tiotals minuter ja enstaka timmar, generera mycket stor reaktiv effekt. Ett utförande av skydd beskrivs i WO 98 / 34312, där rotorns temperatur avbildas i ett reläskydd stationärt placerat i anläggningen.Machines made with this type of stator winding are characterized by the fact that it has a very low current density in the stator conductors and by the fact that the cooling takes place substantially at ground potential in the stator plate package. The machines have, by suitable design of the area and / or protection of the rotor windings, a good ability to temporarily, for tens of minutes and even individual hours, generate very large reactive power. An embodiment of protection is described in WO 98/34312, where the temperature of the rotor is imaged in a relay protection stationary located in the plant.

Ett gemensamt problem med stabilisatorer enligt teknikens ståndpunkt är att det är svårt att tillhandahålla stabilisatorer med tillräckliga energilagringsresurser. Kostnaderna och komplexiteten för stabilisatorer med stor kapacitet är mycket stora, och man väljer istället medvetet att endast använda sig av mindre stabilisatorer och istället stänga av delar av elkraftnätet om felsituationerna blir tillräckligt allvarliga. Ett annat gemensamt problem med stabilisatorer enligt teknikens ståndpunkt är att de inte på ett flexibelt sätt kan användas för att kompensera både reaktiv och aktiv effekt. 10 15 20 25 30 _* 514 068 SUMMERING Det är alltså ett allmänt syfte med den föreliggande uppfinningen att tillhandahålla stabilisatorer för elkraftsystem som tillhandahåller större energilagringskapaciteter. Ytterligare ett allmänt syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla stabilisatorer som är mindre, mer flexibla och enklare än dagens anläggningar.A common problem with prior art stabilizers is that it is difficult to provide stabilizers with sufficient energy storage resources. The costs and complexity of large-capacity stabilizers are very high, and people deliberately choose to use only smaller stabilizers and instead switch off parts of the electricity grid if the fault situations become sufficiently serious. Another common problem with prior art stabilizers is that they cannot be used in a flexible way to compensate for both reactive and active power. It is thus a general object of the present invention to provide stabilizers for electric power systems which provide greater energy storage capacities. A further general object of the present invention is to provide stabilizers which are smaller, more flexible and simpler than today's plants.

De ovanstående syftena åstadkoms genom anordningar och förfaranden enligt de medföljande patentkraven. I allmänna termer avser uppñnningen en roterande kraftsystemsstabilisator, innefattande en huvudmaskín i form av en asynkronmaskin med lindad rotor. Rotorns varvtal kan varieras för att ändra mängden lagrad energi. Kraftsystemsstabilisatorn kännetecknas av att huvudmaskinens stator är kopplad till ett kraftnät, att huvudmaskinens rotorlindning är kopplad till en strömriktare samt att strömriktaren hämtar sin aktiv effekt från en spänningskälla som företrädesvis är oberoende av kraftnätet. Spänningskällan utgörs företrädesvis av en roterande elektrisk reglermaskin som har en gemensam axel med asynkronmaskinen.The above objects are achieved by devices and methods according to the appended claims. In general terms, the invention relates to a rotary power system stabilizer, comprising a main machine in the form of an asynchronous machine with a wound rotor. The rotor speed can be varied to change the amount of stored energy. The power system stabilizer is characterized in that the stator of the main machine is connected to a power grid, that the rotor winding of the main machine is connected to a converter and that the converter derives its active power from a voltage source which is preferably independent of the power grid. The voltage source is preferably a rotating electrical control machine having a common axis with the asynchronous machine.

Strömriktaren är anordnad för styrning och reglering av huvudmaskinens aktiva och reaktiva effektproduktion/-förbrukning. Strömriktaren reglerar varvid maskinens magnetisering och strömmen i rotorlindningen effektomvandling regleras. Strömriktaren är företrädesvis placerad medroterande med den gemensamma axeln till huvudmaskinen och reglerrnaskinen.The converter is arranged for control and regulation of the main machine's active and reactive power production / consumption. The converter regulates whereby the magnetization of the machine and the current in the rotor winding power conversion is regulated. The converter is preferably located co-rotating with the common axis of the main machine and the control machine.

Kraftsystemsstabilisatorns axel kan kopplas ett svänghjul för att förstärka rotorns energilagringskapacitet. Kraftsystemsstabilisatorn ska främst kunna dämpa svängningar i kraftnät under och efter driftstörningar, alltså förbättra nätets transienta stabilitet, och arbetar därför aktivt endast i korta perioder.The shaft of the power system stabilizer can be coupled to a flywheel to strengthen the energy storage capacity of the rotor. The power system stabilizer must primarily be able to dampen fluctuations in the power grid during and after operational disturbances, ie improve the network's transient stability, and therefore work actively only for short periods.

Kraftsystemsstabilisatorn enligt den föreliggande uppfinningen kan överlastas under en sådan kortare tid, vilket möjliggör att hålla dess 10 15 20 25 i 514 068 9 nominella effekt, och därmed kostnad, låg. Genom att direkt övervaka temperaturer i stator- och/ eller rotorlindníngar, kan överlastutnyttjandet av den elektriska huvudmaskinen ske temporärt vid stora effektöverföringar, som vida överstiger märkeffekten, utan att riskera några skador på maskinen.The power system stabilizer according to the present invention can be overloaded for such a shorter time, which makes it possible to keep its nominal power, and thus cost, low. By directly monitoring temperatures in the stator and / or rotor windings, the overload utilization of the main electrical machine can take place temporarily during large power transmissions, which far exceed the rated power, without risking any damage to the machine.

Kraftsystemsstabilisatom kan användas pä flera sätt. Den kan användas som ett shuntkopplat element i kraftnätet, där den under driftstörningar och vid feltillstånd i kraftnätet stabiliserar kraftnätet genom att tillföra/ förbruka aktiv och reaktiv effekt. Den aktiva effekten tas upp/ avges genom att ändra varvtalet för maskinens rotor, där mekanisk energi lagras p.g.a. rotorns tröghetsmoment. Vid normal drift kan den roterande kraftsystems- stabilisatorn kompensera för reaktiv effekt och arbetar då huvudsakligen som en roterande synkronkompensator. Kraftsystemsstabilisatorn kan vidare användas som effektomvandlare, där maskinen, förutom funktionerna ovan, omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi, eller elektrisk energi till mekanisk energi, genom att kraftstabilisatorns axel kopplas till en turbin respektive mekanisk last.The power system stabilizer can be used in several ways. It can be used as a shunt-coupled element in the power grid, where it stabilizes the power grid during malfunctions and in the event of a fault condition in the power grid by supplying / consuming active and reactive power. The active power is absorbed / emitted by changing the speed of the machine's rotor, where mechanical energy is stored due to the moment of inertia of the rotor. During normal operation, the rotary power system stabilizer can compensate for reactive power and then works mainly as a rotating synchronous compensator. The power system stabilizer can also be used as a power converter, where the machine, in addition to the functions above, converts mechanical energy into electrical energy, or electrical energy into mechanical energy, by connecting the shaft of the power stabilizer to a turbine or mechanical load.

Kraftsystemsstabilisatorn drivs normalt nära sitt synkrona varvtal. Den aktiva elektriska effekten som matas från strömríktaren till/frän rotorlindningen utgör därför endast en liten andel av den aktiva elektriska effekt som kraftsystemsstabilisatorn matar till/från kraftnätet. Den roterande asynkronmaskínen utgör därför en aktiv effektförstärkare för strömriktaren som är kopplad till maskinens rotor.The power system stabilizer is normally operated close to its synchronous speed. The active electrical power supplied from the inverter to / from the rotor winding therefore constitutes only a small proportion of the active electrical power supplied by the power system stabilizer to / from the power grid. The rotating asynchronous machine therefore constitutes an active power amplifier for the converter which is connected to the rotor of the machine.

Uppfinningen avser även ett förfarande för Stabilisering av ett kraftsystem, innefattande huvudstegen att överföra elektrisk effekt mellan en kraftledning och en roterande huvudmaskin samt att reglera denna elektriska effekt genom ändring av huvudmaskinens varvtal. 10 15 20 25 30 e 514 oss lO En anordning och förfarande enligt den föreliggande uppfinningen har en mängd fördelar. Den roterande stabilisatorn har till skillnad från statiska kompensatorer ett stort energilager i den roterande axeln, som kan användas till transient in- och utmatning av aktiv effekt för dämpning av effektpendlingar i elkraftnätet. Vid transient överlast av maskinen kan dennas egenskaper ökas betydligt. Energilagret kan förstärkas på ett kostnadseffektivt sätt genom att använda svänghjul. Den roterande stabilisatorn kan till skillnad från traditionella roterande kompensatorer kompensera för osymmetrisk drift (minusföljdsystem). Använd som en shunt-kopplad reaktiv kompensator kan maskinen i begränsade perioder av t.ex. 5 - 60 minuter överlastas betydligt med reaktiv effekt genom att isolationens temperaturmarginaler kan utnyttjas kontrollerat genom att mäta temperaturen i stator- och/ eller rotorlindningen. En maskin med högspänd kabellindning har dessutom en stor termisk tidskonstant som medför att perioden där maskinen inte är i termisk jämvikt ökar. Under denna period kan belastningen ökas ytterligare. Överlastbarhet medför att maskinens nominella effekt kan reduceras. Den roterande stabilisatorn har en inre emk som i princip är styrbar även vid fel i kraftnätet så länge reglermaskinen kan leverera effekt till strömriktaren. Maskinen kan därmed ha en styrd inmatning av aktiv och/ eller reaktiv effekt under transienta förlopp vid fel i kraftnätet. Maskinen har därför en kontrollerbar kortslutningseffekt. Rotorlindningen kan utformas med frekvensberoende resistans så att maskinens förmåga till att tåla stora nätstörníngar ökar.The invention also relates to a method for stabilizing a power system, comprising the main steps of transmitting electrical power between a power line and a rotating main machine and of regulating this electrical power by changing the speed of the main machine. An apparatus and method according to the present invention has a number of advantages. The rotary stabilizer, unlike static compensators, has a large energy storage in the rotating shaft, which can be used for transient input and output of active power for damping power oscillations in the electricity grid. In the event of transient overload of the machine, its properties can be significantly increased. The energy storage can be strengthened in a cost-effective way by using flywheels. Unlike traditional rotary compensators, the rotary stabilizer can compensate for asymmetric operation (minus sequence system). Used as a shunt-coupled reactive compensator, the machine can for limited periods of e.g. 5 - 60 minutes is significantly overloaded with reactive power in that the temperature margins of the insulation can be used in a controlled manner by measuring the temperature in the stator and / or rotor winding. A machine with high-voltage cable winding also has a large thermal time constant, which means that the period when the machine is not in thermal equilibrium increases. During this period, the load can be further increased. Overloadability means that the nominal power of the machine can be reduced. The rotary stabilizer has an internal emf which in principle can be controlled even in the event of a fault in the power grid as long as the control machine can deliver power to the converter. The machine can thus have a controlled input of active and / or reactive power during transient processes in the event of a fault in the power grid. The machine therefore has a controllable short-circuit effect. The rotor winding can be designed with frequency-dependent resistance so that the machine's ability to withstand large network disturbances increases.

Maskinen kan till skillnad från statiska kompensatorer exempelvis användas som kombinerad effektomvandlare och kompensator i en kraftstation för att dämpa svängningar både i kraftnät och t.ex. vattenvägar.Unlike static compensators, the machine can, for example, be used as a combined power converter and compensator in a power station to dampen oscillations both in power grids and e.g. waterways.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppñnningen samt ytterligare syftemål och fördelar som uppnås därmed förstås bäst genom hänvisning till nedanstående beskrivning och de bifogade ritningarna, i vilka: 10 15 20 30 _ 514 068 11 Fig. la är en schematisk illustration av en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen, innefattande en transformator, men utan koppling till drivmaskin eller last; Fig. lb är en schematisk illustration av en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen, innefattande högspända kabellindningar, men utan koppling till drivmaskin eller last; Fig. 2a är en schematisk illustration av en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen, innefattande en transformator och kopplad till drivmaskin eller last; Fig. 2b är en schematisk illustration av en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen, innefattande högspända kabellindningar och kopplad till drivmaskin eller last; Fig. 3 är en schematisk illustration av en första utföringsform av en stabilisator enligt den föreliggande uppfinningen, innefattande en borstlös huvudmaskin; Fig. 4 är en schematisk illustration av en andra utföringsform av en stabilisator enligt den föreliggande uppfinningen, innefattande en huvudmaskin med borstar; Fig. Sa är ett ekvivalensschema per fas för huvudmaskinen i ñg. 3; Fig. Sb är ett omformulerat ekvivalensschema motsvarande det i fig. 5a; Fig. 6 är ett visardiagram för en driftsituation där stabilisatorn enligt den föreliggande uppfinningen stationärt arbetar som en synkronkompensator; Fig. 7 visar statorflödets position refererat till stator- och rotorlindningarnas lindningsaxlar; Fig. 8 är ett blockdiagram för styrning av stabilisatorn i ett statorflödesorienterat system med strömriktaren kopplad till huvudmaskinens rotor; Fig. 9a är ett diagram som visar effektpendlingar mellan en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen och ett Clkraftnåt; lll 10 15 20 37) ' 514 068 12 Fig. 9b är ett diagram som visar varvtalsvariationer som uppkommer i en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen vid effektpendlingarna i fig. 9a; Fig. 10 är ett diagram som visar icke-periodiska effektpendlingar mellan en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen och ett elkraftnät; Fig. 11 illustrerar schematiskt ett kraftnät med ett produktíonsområde och ett lastområde; Fig. 12 illustrerar schematiskt ett kraftnät med två produktions- områden och ett lastområde, där en kraftsystemsstabilisator är ansluten till ett av produktionsområdena; Fig. 13 illustrerar schematiskt ett kraftnät med två produktions- områden och ett lastornråde, där en kraftsystemsstabilisator är ansluten till lastområdet; Fig. 14 visar hur reglersystemet för spännings- och effektregulatorerna som visas i fig. 8 utvidgas till att kunna utföra aktiv och reaktiv effektmodulering; samt Fig. 15 är ett flödesdiagram som illustrerar ett stabiliseringsförfarande enligt den föreliggande uppfinningen.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention and further objects and advantages thereby achieved are best understood by reference to the following description and the accompanying drawings, in which: Fig. 1a is a schematic illustration of a power system stabilizer according to the present invention. , comprising a transformer, but without connection to drive machine or load; Fig. 1b is a schematic illustration of a power system stabilizer according to the present invention, comprising high voltage cable windings, but without connection to drive machine or load; Fig. 2a is a schematic illustration of a power system stabilizer according to the present invention, comprising a transformer and connected to a drive machine or load; Fig. 2b is a schematic illustration of a power system stabilizer according to the present invention, comprising high voltage cable windings and connected to drive or load; Fig. 3 is a schematic illustration of a first embodiment of a stabilizer according to the present invention, comprising a brushless main machine; Fig. 4 is a schematic illustration of a second embodiment of a stabilizer according to the present invention, comprising a main machine with brushes; Fig. Sa is an equivalence diagram per phase for the main machine in ñg. 3; Fig. Sb is a reformulated equivalence scheme corresponding to that in fi g. 5a; Fig. 6 is a view diagram of an operating situation in which the stabilizer according to the present invention operates stationary as a synchronous compensator; Fig. 7 shows the position of the stator fl destiny referred to the winding axes of the stator and rotor windings; Fig. 8 is a block diagram for controlling the stabilizer in a stator fl fate-oriented system with the converter connected to the rotor of the main machine; Fig. 9a is a diagram showing power oscillations between a power system stabilizer according to the present invention and a Cl power net; Fig. 9b is a diagram showing speed variations occurring in a power system stabilizer according to the present invention during the power oscillations in fi g. 9a; Fig. 10 is a diagram showing non-periodic power oscillations between a power system stabilizer according to the present invention and an electric power grid; Fig. 11 schematically illustrates a power grid with a production area and a load area; Fig. 12 schematically illustrates a power grid with two production areas and a load area, where a power system stabilizer is connected to one of the production areas; Fig. 13 schematically illustrates a power grid with two production areas and a loader area, where a power system stabilizer is connected to the load area; Fig. 14 shows how the control system for the voltage and power regulators shown in fi g. 8 is extended to be able to perform active and reactive power modulation; and Fig. 15 is a flow chart illustrating a stabilization method according to the present invention.

DETALJERAD BESKRIVNING Som angetts ovan så består en föredragen utföringsform av uppfinningen sammanfattningsvis av en kraftsystemsstabilisator uppbyggd av en roterande elektrisk maskin (huvudmaskin) där statorlindningen är shuntkopplad till ett kraítnät. Maskinens rotorlindning är utförd som en flerfasig växelströmslindning och denna matas från en strömriktare.DETAILED DESCRIPTION As stated above, a preferred embodiment of the invention consists in summary of a power system stabilizer built up of a rotating electric machine (main machine) where the stator winding is shunt-connected to a power grid. The machine's rotor winding is designed as a as phase AC winding and this is fed from a converter.

Strömriktaren är vidare kopplad till en roterande maskin (reglerrnaskin) monterad på samma axel som huvudmaskinen.The converter is further connected to a rotating machine (control machine) mounted on the same shaft as the main machine.

Inledningsvis beskrivs kort hur stabilisatorn kopplas till ett kraftnät och vilka effekter som kan styras för att stabilisera kraftnätet. Därnäst beskrivs 10 15 20 514 068 13 först de effektförande delarna i den roterande stabilisatorn, dvs. stator och rotor till huvudmaskin och reglerrnaskin, samt strömriktaren, vilken är kopplad mellan reglermaskinen och huvudmaskinens rotorlindning. Efter det beskrivs styrningen och övervakningen av stabilisatorn och hur detta görs med sensorer och digitala styrenheter placerade i maskinens rotor och/ eller stator. Till slut anges det närmare hur stabilisatorn kan drivas och användas i ett kraftnät.Initially, a brief description is given of how the stabilizer is connected to a power grid and what effects can be controlled to stabilize the power grid. Next, the power-carrying parts of the rotary stabilizer are first described, i.e. stator and rotor for main machine and control machine, and the converter, which is connected between the control machine and the rotor winding of the main machine. After that, the control and monitoring of the stabilizer is described and how this is done with sensors and digital control units placed in the rotor and / or stator of the machine. Finally, it is specified how the stabilizer can be operated and used in a power grid.

För växelströmsmaskiner gäller generellt att de är gjorda för energiomvandling, dvs. att de arbetar antingen som motorer eller generatorer. Maskinens axel är då kopplad till en mekanisk last eller en drivmaskin.For AC machines, it generally applies that they are made for energy conversion, ie. that they work either as motors or generators. The shaft of the machine is then connected to a mechanical load or a drive machine.

Enligt en första utföringsform är kraftsystemsstabilisatorns huvudmaskin, såsom visas i ñg. la, i princip en asynkronmaskin 2, där statorlindningen är en 3-fas växelströmslindning som är kopplad till ett kraftnät 1 via en transformator 3 och ett kopplingsorgan 4. I fig. la är huvudmaskinen inte kopplad till någon drivmaskin ("prime mover") eller mekanisk last och dess möjliga effektutväxling med kraftnätet är då: Q: Stabilisatorn kan stationärt tillföra/ förbruka reaktiv effekt till/ från kraftnätet. Detta värde kan raskt ändras från ett stationärt värde Ql till ett nytt stationärt värde Q2. Den maximala effekten ges av stationära termiska gränser i huvudmaskinen.According to a first embodiment, the power system stabilizer is the main machine, as shown in ñg. 1a, in principle an asynchronous machine 2, where the stator winding is a 3-phase alternating current winding which is connected to a power grid 1 via a transformer 3 and a coupling means 4. I fi g. 1a, the main engine is not connected to any prime mover or mechanical load and its possible power exchange with the power grid is then: Q: The stabilizer can stationary supply / consume reactive power to / from the power grid. This value can be quickly changed from a stationary value Q1 to a new stationary value Q2. The maximum power is given by stationary thermal limits in the main machine.

AQ: Detta symboliserar stabilisatorns möjlighet, att under en begränsad tidsrymd, vid en driftstörning eller fel leverera/ absorbera en reaktiv effekt som kan vara större än vad som stationärt är termiskt tillåtet. Detta redogörs det för mer i detalj nedan.AQ: This symbolizes the ability of the stabilizer, for a limited period of time, in the event of a malfunction or fault to deliver / absorb a reactive power that may be greater than what is stationary thermally permissible. This is explained in more detail below.

AP: Detta symboliserar maskinens möjlighet, att under en begränsad tidsrymd, avge/motta aktiv elektrisk effekt som avviker från axeleffekten 10 15 20 514 068 14 genom att låta maskinens varvtal ändras. Energi kan då hämtas från roterande massa genom att varvtalet reduceras eller lagras i roterande massa genom att varvtalet ökas. Detta beskrivs mer i detalj nedan.AP: This symbolizes the ability of the machine, for a limited period of time, to emit / receive active electrical power that deviates from the shaft power by allowing the machine's speed to change. Energy can then be obtained from rotating mass by reducing the speed or stored in rotating mass by increasing the speed. This is described in more detail below.

I utföringsformen i fig. lb är kraftsystemsstabilisatorns huvudmaskin en asynkronmaskin 2', där statorlindningen är en högspänd kabellindning.In the embodiment in fi g. 1b, the main machine of the power system stabilizer is an asynchronous machine 2 ', where the stator winding is a high-voltage cable winding.

Lindningen är då kopplad direkt via kopplingsorganet 4 till kraftnätet utan mellanliggande transformator. I ñg. lb är huvudmaskinen inte heller kopplad till någon drivmaskin ("prime mover") eller mekanisk last och dess möjliga effektutväxling med kraftnätet är då analogt med vad som angetts i samband med fig. la.The winding is then connected directly via the coupling means 4 to the power grid without an intermediate transformer. I ñg. lb, the main machine is also not connected to any drive machine ("prime mover") or mechanical load and its possible power exchange with the power grid is then analogous to what is stated in connection with fi g. la.

Stabilisatorn kan, såsom i ñg. 2a, kopplas till en last/drivmaskin 5.The stabilizer can, as in ñg. 2a, connected to a loader / drive machine 5.

Drivmaskinen tillför mekanisk energi till axeln ("prime mover"). En mekanisk last hämtar istället ut mekanisk energi från stabilisatorns axel.The drive machine supplies mechanical energy to the shaft ("prime mover"). Instead, a mechanical load draws mechanical energy from the stabilizer shaft.

Drivmaskinen kan till exempel vara en turbin (vatten-, äng- eller gasturbin), en förbränningsmaskin (kolvmotor eller Stirling-maskin) eller en elektrisk motor. Den mekaniska lasten kan vara en pump, en elektrisk generator eller broms. När en sådan maskin är kopplad till stabilisatorns axel, kan den förutom de tidigare nämnda storheterna stationärt tillföra eller ta emot aktiv effekt från kraftnätet, dvs. arbeta som en generator eller motor.The drive machine can be, for example, a turbine (water, meadow or gas turbine), an internal combustion engine (piston engine or Stirling engine) or an electric motor. The mechanical load can be a pump, an electric generator or a brake. When such a machine is connected to the shaft of the stabilizer, it can, in addition to the previously mentioned quantities, stationary supply or receive active power from the power grid, ie. work as a generator or motor.

I ñg. 2b illustreras en asynkronmaskin med högspänd kabellindning, kopplad till en last/drivmaskin 5. Denna konfiguration kan på samma sätt som ovan tillföra eller ta emot aktiv effekt från kraftnätet.I ñg. 2b illustrates an asynchronous machine with high-voltage cable winding, connected to a load / drive machine 5. This configuration can supply or receive active power from the power grid in the same way as above.

Fig. 3 visar en utföringsform av en kraftsystemsstabilisator enligt den föreliggande uppfinningen. En huvudmaskin 2 är här en asynkronmaskin med lindad rotor 10. Huvudmaskinens stator 12 har en 3-fas-lindning 14 kopplad via en transformator 3 till ett kraftnät. Rotorlindningen 16 kan i princip ha ett fastal större än eller lika med två. Det synkrona varvtalet som sätts upp av S-fas-lindningen 14 i statorn 12 bestäms av frekvensen i 10 15 20 514 068 15 kraftnätet och av antalet poler som lindningen 14 är gjord med. Rotorns 10 varvtal kan ändras i förhållande till detta genom att det flyter en växelström i huvudmaskinens 2 rotorlindning 16. Denna ström matas av en strömriktare 18. Frekvensen för denna ström bestäms av skillnaden mellan det synkrona varvtalet, rotorns varvtal och maskinens poltal. En reglermaskin 20 är monterad på samma gemensamma axel 22. Reglermaskinen 20 är i detta exempel en synkronmaskin där ankarlíndningen 24 sitter i rotorn 26. Den medroterande strömriktaren 18 kan därför överföra effekt mellan reglermaskinens rotor 26 och huvudmaskinens rotor 10. När huvudmaskinen 2 roterar med synkron hastighet överförs all effekt mellan maskinens rotor 10 och stator 12 genom rotationsinduktion. Det tillförs därför ingen aktiv elektrisk effekt till rotorlindningen 16 vid detta tillfälle (om man bortser från förluster). När maskinen 2 roterar asynkront, kommer en viss andel av effekten i statorn 12 överföras från rotorn 10 transformatoriskt.Fig. 3 shows an embodiment of a power system stabilizer according to the present invention. A main machine 2 is here an asynchronous machine with wound rotor 10. The stator 12 of the main machine has a 3-phase winding 14 connected via a transformer 3 to a power grid. The rotor winding 16 can in principle have a constant greater than or equal to two. The synchronous speed set up by the S-phase winding 14 in the stator 12 is determined by the frequency in the power grid and by the number of poles with which the winding 14 is made. The speed of the rotor 10 can be changed in relation to this by providing an alternating current in the rotor winding 16 of the main machine 2. This current is supplied by a converter 18. The frequency of this current is determined by the difference between the synchronous speed, the rotor speed and the machine pole. A control machine 20 is mounted on the same common shaft 22. In this example, the control machine 20 is a synchronous machine where the anchor winding 24 is located in the rotor 26. The co-rotating converter 18 can therefore transmit power between the control machine rotor 26 and the main machine rotor 10. When the main machine 2 rotates synchronously speed, all power is transferred between the rotor 10 of the machine and the stator 12 by rotation induction. Therefore, no active electrical power is applied to the rotor winding 16 at this time (disregarding losses). When the machine 2 rotates asynchronously, a certain proportion of the power in the stator 12 will be transmitted from the rotor 10 transformatively.

Denna elektriska energi bör därför tillföras rotorlindningen 16 från strömriktaren 18. Strömriktaren 18 sörjer alltså för magnetiseringen av huvudmaskinen 2 och för att tillföra/motta reglereffekt (aktiv elektrisk effekt) till/ från rotorlindningen 16 från/ till huvudmaskinen 2.This electrical energy should therefore be supplied to the rotor winding 16 from the converter 18. The converter 18 thus provides for the magnetization of the main machine 2 and for supplying / receiving control power (active electric power) to / from the rotor winding 16 from / to the main machine 2.

Reglermaskinens 20 uppgift är att fungera som en spänningskälla för strömriktaren 18 så att denna kan magnetisera huvudmaskinen 2 och att överföra reglereffekten till mekanisk effekt på den gemensamma axeln 22 genom att den växelvis arbetar som motor eller generator. I en föredragen utföringsform arbetar reglermaskinen 20 i drift som synkronmaskin.The task of the control machine 20 is to function as a voltage source for the converter 18 so that it can magnetize the main machine 2 and to transmit the control power to mechanical power on the common shaft 22 by alternately operating as a motor or generator. In a preferred embodiment, the control machine 20 operates in operation as a synchronous machine.

Reglermaskinen 20 kan ha ett annat poltal än huvudmaskinen 2 så att frekvensen i denna kan ökas. Reglermaskinen 20 uppvisar likströmsmatade fältlindningar 34 i statom 28. Dessa försörjs i normal drift via en växelström-likström-omvandlare 42 ansluten till samma trefasledningar som huvudmaskinens statorlindningar 14, via en transformator 44. Vid frånfall av det anslutna kraftnätet eller andra typer av driftstörningar kan fältlindningen till reglermaskinen förses frän en batteri-backup 65 eller genom att reglermaskinen 20 förses med permanentmagneter. I det första fallet kommer omformaren vara en UPS (Uninterruptable Power Supply). 10 15 20 514 068 16 I fig. 5a visas ekvivalensschemat för huvudmaskinen per fas. Man bortser här från resistansen i stator- och rotorlindningen. XM är magnetiseringsreaktansen, medan XLs betecknar läckreaktansen i statorlindningen och XLR är läckreaktansen i rotorlindningen. IM betecknar magnetiseringsströmmen, Is strömmen genom statorlindningarna och IR strömmen genom rotorlindningama. s betecknar rotorns eftersläpning i förhållande till statorflödets synkrona varvtal. Statorn har generatorisk referens, medan rotorn har motorisk referens.The control machine 20 may have a different pole number than the main machine 2 so that the frequency therein can be increased. The control machine 20 has DC-supplied field windings 34 in the stator 28. These are supplied in normal operation via an AC-DC converter 42 connected to the same three-phase lines as the stator windings 14 of the main machine, via a transformer 44. In the event of failure of the connected power grid or other types of malfunctions, the field winding to the control machine is provided from a battery backup 65 or by providing the control machine 20 with permanent magnets. In the first case, the inverter will be a UPS (Uninterruptable Power Supply). 10 15 20 514 068 16 I fi g. 5a shows the equivalence diagram for the main machine per phase. The resistance in the stator and rotor windings is disregarded here. XM is the excitation reactance, while XLs denotes the leakage reactance in the stator winding and XLR is the leakage reactance in the rotor winding. IM denotes the excitation current, the ice current through the stator windings and the IR current through the rotor windings. s denotes the lag of the rotor in relation to the synchronous speed of the stator. The stator has a generic reference, while the rotor has a motor reference.

Kraftsystemstabilisatorn arbetar normalt med ett varvtal som är nära det synkrona. Av ekvivalensschemat ser man då att spänningen i rotorlindningen är låg, eftersom eftersläpningen s är mycket liten. Om stabilisatorn ska drivas inom ett varvtalsområde, såsom :10% av det synkrona, kommer andelen aktiv elektrisk effekt som ska tillföras till rotorlindningen 16 inte att överstiga 10% av huvudmaskinens. Detta betyder att effekten till strömriktaren blir liten i förhållande till huvudmaskinens (och därmed stabilísatorns) totala effekt. Dessutom bör strömriktaren kunna magnetisera stabilisatorns huvudmaskin, vilket betyder att strömriktarens effekt måste vara något större. Reglermaskinens effekt bestäms därför av maximal reglereffekt och av strömriktarens reaktiva effektbehov.The power system stabilizer normally operates at a speed that is close to the synchronous. From the equivalence scheme it is then seen that the voltage in the rotor winding is low, since the lag s is very small. If the stabilizer is to be operated within a speed range, such as: 10% of the synchronous, the proportion of active electrical power to be applied to the rotor winding 16 will not exceed 10% of that of the main machine. This means that the power to the inverter is small in relation to the total power of the main machine (and thus the stabilizer). In addition, the inverter should be able to magnetize the main engine of the stabilizer, which means that the power of the inverter must be slightly greater. The power of the control machine is therefore determined by the maximum control power and by the reactive power requirements of the inverter.

Fig. 4 visar en altemativ utföringsform enligt den föreliggande uppfinningen.Fig. 4 shows an alternative embodiment according to the present invention.

Den liknar i stora drag den tidigare beskrivna utföringsformer och gemensamma delar kommer inte ånyo att beskrivas. Reglermaskinens 20' ankarlindning 24' sitter detta fall i statorn 28. Strömriktaren 18' är stationär och kopplad till huvudmaskinens 2 rotorlindning 16 via borstar 30 och släpringar 32. Reglermaskinens 20' fältlindning 36 är följaktligen anordnad vid rotorn 26 och strömförsörjs genom från 'växelström-likström- omvandlaren via borstar 38 och släpringar 40. 10 15 20 [\1 UT 514 068 17 Fig. Sb visar ett omformulerat ekvivalensschema för asynkronmaskinen med lindad rotor där XM är magnetiseringsreaktansen, medan XLs betecknar läckreaktansen i statorlindningen. Summan av dessa utgör statorlindningens reaktans och betecknas XA. Rotorströmmens IR värde och fas relateras till maskinens statorsida.It is broadly similar to the previously described embodiments and common parts will not be described again. The anchor winding 24 'of the control machine 20' is located in the stator 28 in this case. The inverter 18 'is stationary and connected to the rotor winding 16 of the main machine 2 via brushes 30 and slip rings 32. The field winding 36 of the control machine 20' is consequently arranged at the rotor 26. the DC converter via brushes 38 and slip rings 40. Fig. Sb shows a reformulated equivalence scheme for the asynchronous machine with wound rotor where XM is the excitation reactance, while XLs denotes the leakage reactance in the stator winding. The sum of these constitutes the reactance of the stator winding and is denoted XA. The IR value and phase of the rotor current are related to the stator side of the machine.

Fig. 6 visar ett visardiagram för en driftsituation där stabilisatorn stationärt arbetar som en synkronkompensator. Ingen mekanisk drivmaskin eller last är kopplad till axeln. Gränsen för den maximalt avgivna stationära reaktiva effekten ges då normalt av den termiska påkänningen i rotorn. Det är därför normalt behovet av magnetomotorisk kraft (MMK) i rotorn som bestämmer maskinens huvuddímensioner. När stabilisatorn arbetar som en kompensator för reaktiv effekt kan rotorns ström ur fig. 5b härledas till: Lwigiaflyfi) XM (JS XM Av detta ser man att magnetiseringsbehovet (rotorströmmen IR) blir lägre ju högre magnetiseringsreaktansen XM är. Utgående från detta bör maskinen ha hög magnetiseringsreaktans och låg läckreaktans i stator. Jämfört med en konventionell synkronkompensator baserad på en konventionell synkronmaskin, ser man att MMK-behovet blir lägre än vad som normalt tillåts i en konventionell synkronmaskin. Detta beror bland annat på kraven på stabilitet vid störningar i kraftnätet. Eftersom man, via strömriktaren 18 som är kopplad till rotorlindningen 16, kan styra rotorströmmen i amplitud och fas, kommer inte rotor- och statorflödet i denna maskin att bli asynkrona. Man förlorar därför inte synkronism såsom i en konventionell synkronmaskin, och kraven på stabilitet kan modereras och därmed reducerar man MMK-behovet i rotorn jämfört med en konventionell synkronkompensator. Detta betyder att för att dimensionera stabilisatorn för stationär reaktiv effektkompensering, kan man, jämfört med en konventionell synkronmaskin, tillverka maskinen med mindre dimensioner. 10 15 20 514 068 18 Detta kommer sig av att det är rotorn som är dimensionerande för maskinen och/ eller av att man kan reducera förlusterna i rotorn genom att reducera strömtätheten i rotorlindningen.Fig. 6 shows a pointer diagram for an operating situation where the stabilizer acts stationary as a synchronous compensator. No mechanical drive or load is connected to the shaft. The limit of the maximum emitted stationary reactive power is then normally given by the thermal stress in the rotor. It is therefore normally the need for magnetomotor power (MMK) in the rotor that determines the main dimensions of the machine. When the stabilizer acts as a compensator for reactive power, the rotor current can go out fi g. 5b is derived from: Lwigia fl yfi) XM (JS XM From this it is seen that the magnetization requirement (rotor current IR) becomes lower the higher the magnetization reactance XM is. conventional synchronous machine, it is seen that the MMK requirement will be lower than what is normally allowed in a conventional synchronous machine, this is partly due to the requirements for stability in the event of disturbances in the power grid.Because, via the converter 18 connected to the rotor winding 16, the rotor current can be controlled in amplitude and phase, the rotor and stator fate in this machine will not be asynchronous, therefore synchronism is not lost as in a conventional synchronous machine, and the stability requirements can be moderated, thus reducing the MMK requirement in the rotor compared to a conventional synchronous compensator. This means that to dimension the stabilizer for stationary reactive power compensations compared to a conventional synchronous machine, one can manufacture the machine with smaller dimensions. This is due to the fact that it is the rotor that is dimensioning for the machine and / or that the losses in the rotor can be reduced by reducing the current density in the rotor winding.

Fel i kraftnätet, såsom en kortslutning eller jordfel, kommer normalt leda till en störning i kraftnätets drift. När felet fortfarande ligger kvar i nätet, kommer strömmarna öka och spänningar-na sjunka i kraftnätet. Störst är naturligtvis ändringen nära felstället. Under tiden felet är närvarande kommer synkronmaskiner i kraftnätet få sin momentbalans ändrad genom att det elektriska lastmomentet ändras medan det mekaniska är ungefär oförändrat. De transienta förloppen i ett kraftnät är mycket komplicerade så att det till exempel kan vara önskvärt att medan felet ligger kvar förse nätet med reaktiv effekt, för att upprätthålla en bästa möjlig momentbalans. Vid andra tillfällen är detta inte önskvärt eftersom felströmmarna då kommer att bli för stora. Man kan då tvärtom ha ett önskemål om att begränsa både aktiv och reaktiv effekt (ström) som matas in vid fel. Eftersom strömriktaren 18 i figur 3 matas från reglermaskinen 20 kommer inte mätningen till strömriktaren 18 att påverkas av felet. Strömriktaren 18 kan därför själv under fel i kraftnätet förse rotorlindningen 16 med önskad ström och spänning. På detta sätt kan man styra inmatad reaktiv effekt från stabilisatorn under felsituationer. l traditionell ASH, som beskrivits tidigare, kommer strömriktaren att koppla ur vid en för stor reduktion av spänningen i kraftnätet och/ eller vid stor osymmetri. I stabilisatorn enligt uppfinningen har man däremot en styrbar kortslutningseffekt under hela felförloppet. I en traditionell synkronkompensator kommer man vidare normalt bara kunna styra kortslutningsströmmen efter det att det subtransienta förloppet avslutats.Faults in the power grid, such as a short circuit or earth fault, will normally lead to a disturbance in the operation of the power grid. When the fault still remains in the mains, the currents will increase and the voltages will drop in the mains. The biggest change, of course, is near the wrong place. While the fault is present, synchronous machines in the power grid will have their torque balance changed by changing the electrical load torque while the mechanical one is approximately unchanged. The transient processes in a power grid are very complicated, so that it may be desirable, for example, that while the fault remains, provide the grid with reactive power, in order to maintain the best possible torque balance. At other times this is not desirable because the fault currents will then be too large. On the contrary, one may then have a desire to limit both active and reactive power (current) which is input in the event of a fault. Since the converter 18 in Figure 3 is fed from the control machine 20, the measurement to the converter 18 will not be affected by the error. The converter 18 can therefore itself, in the event of a fault in the power network, supply the rotor winding 16 with the desired current and voltage. In this way, the input reactive power from the stabilizer can be controlled during fault situations. In traditional ASH, as described earlier, the inverter will switch off in the event of an excessive reduction of the voltage in the power grid and / or in the event of excessive asymmetry. In the stabilizer according to the invention, on the other hand, there is a controllable short-circuit effect during the entire fault process. Furthermore, in a traditional synchronous compensator, it will normally only be possible to control the short-circuit current after the subtranscent process has ended.

Också efter detta begränsas dynamiken i styrningen i en synkronmaskin p.g.a. fältlindningens stora tidskonstant. Sammanhanget mellan fältlindningens spänning och maskinens inre spänning kan betraktas som ett första ordningens system med en karakteristisk tidskonstant. Denna 10 15 20 514 068 19 tidskonstant är maskinens transienta reaktans vid öppna statorpoler och bestäms huvudsakligen av fältlindningen. Denna betecknas i litteraturen som Tho. Denna har en storlek av 1-8 sekunder för stora synkronmaskiner.Even after this, the dynamics of the control in a synchronous machine are limited due to the large time constant of the field winding. The relationship between the field winding voltage and the internal voltage of the machine can be considered as a first order system with a characteristic time constant. This time constant is the transient reactance of the machine at open stator poles and is mainly determined by the field winding. This is referred to in the literature as Tho. This has a size of 1-8 seconds for large synchronous machines.

Eftersom huvudmaskínen i den roterande stabilisatorn är en asynkronmaskin är rotorlindningen till skillnad från en synkronmaskin utförd som en växelströmslindning. Denna har lägre tidskonstant och man kan förutom att ändra strömmens amplitud även ändra dess fas.Since the main machine in the rotary stabilizer is an asynchronous machine, the rotor winding, unlike a synchronous machine, is designed as an alternating current winding. This has a lower time constant and in addition to changing the amplitude of the current, it can also change its phase.

För att ytterligare öka stabilisatorns robusthet vid fel och för att öka dess därnpningsförmåga, kan rotorlindningen 16 utföras så att dess resistans ökar med strömmens frekvens. Detta görs genom att läckflödet i rotorn utnyttjas till att ge en strömförträngning, dvs. att strömmen i rotorlindningen 16 inte fördelar sig homogent över dess tvärsnitt, utan trängs ihop mot den del av lindningen 16 som ligger närmast luftgapet i maskinen. Denna effekt ökar med frekvensen.To further increase the robustness of the stabilizer in the event of a fault and to increase its tightening capacity, the rotor winding 16 can be designed so that its resistance increases with the frequency of the current. This is done by using the leakage i in the rotor to give a current displacement, ie. that the current in the rotor winding 16 is not distributed homogeneously over its cross section, but is compressed against the part of the winding 16 which is closest to the air gap in the machine. This effect increases with frequency.

Vanligtvis kommer man koppla bort den linje där det finns ett fel. Den roterande stabilisatorn kommer inte längre att vara ansluten till kraftnätet om den är ansluten till den kraftlinje som kopplas ur. Kraftnätets styrsystemet kommer som regel att försöka utföra en snabb äterinkoppling, efter det att linjen först blivit urkopplad. Det är då viktigt att stabilisatorn kan uppföra sig analogt med en traditionell synkrongenerator, så att den återigen kan fasas in på nätet. Stabilisatorn enligt uppfinningen har ett eget separat kraftnät i rotorn, bestående av rotorlindningen 16 i huvudmaskinen 2, strömriktaren 18 och reglermaskinen 20. Eftersom reglermaskínen 20 inte förlorar sin magnetisering, kan kinetisk energi i de roterande delarna utnyttjas för att magnetisera systemet och för att tillföra effekt till själva huvudmaskinens rotor om det yttre kraftnätet är bortkopplat.Usually the line where there is an error will be disconnected. The rotary stabilizer will no longer be connected to the power grid if it is connected to the power line that is disconnected. The power grid control system will usually try to make a quick reconnection, after the line has first been disconnected. It is then important that the stabilizer can behave analogously to a traditional synchronous generator, so that it can be phased in again on the network. The stabilizer according to the invention has its own separate power network in the rotor, consisting of the rotor winding 16 in the main machine 2, the converter 18 and the control machine 20. Since the control machine 20 does not lose its magnetization, kinetic energy in the rotating parts can be used to magnetize the system. to the rotor of the main machine itself if the external power grid is disconnected.

Reglerrnaskinens magnetisering kräver inte särskilt mycket effekt och den kan såsom tidigare nämnts dessutom säkras genom att försörjningen till denna förses med batteri-backupen 65, eller genom att reglermaskinen 20 utförs med permanentmagneter. Även om det yttre kraftnätet skulle falla 10 15 20 514 068 20 bort under en viss tid (i värsta fall någon minut) kan spänningen i stabilisatoms huvudmaskin 2 regleras till korrekt frekvens och fas så att automatisk inkoppling kan göras. När det detekterats att urkoppling har ägt rum, kan man låta stabilisatorns kontrollsystem (vilket beskrivs mer i detalj nedan) generera ett referensvärde för statorflödet, till exempel att den roterar med samma hastighet som före felet.The magnetization of the control machine does not require very much power and it can, as previously mentioned, also be secured by supplying it with the battery backup 65, or by making the control machine 20 with permanent magnets. Even if the external power grid should fall off for a certain time (in the worst case a few minutes), the voltage in the main engine 2 of the stabilizer can be regulated to the correct frequency and phase so that automatic connection can be made. Once it has been detected that disconnection has taken place, the stabilizer control system (which is described in more detail below) can be allowed to generate a reference value for the stator flow, for example that it rotates at the same speed as before the fault.

Från fig. 6 ser man att när stabilisatorn arbetar som en kompensator nära sin nominella effekt, kommer en ökning i aktiv effekt AP eller i reaktiv effekt AQ lätt leda till en överlast av maskinen. Nominella effekter sätts idag normalt efter tillverkarens rekommendationer, eventuellt med en viss marginal. Tillverkarens rekommendationer brukar dessutom gälla stationära situationer, där omgivningstemperaturer etc. antas vara högre än normalt.From fi g. 6 it is seen that when the stabilizer acts as a compensator close to its nominal power, an increase in active power AP or in reactive power AQ will easily lead to an overload of the machine. Nominal effects are normally set today according to the manufacturer's recommendations, possibly with a certain margin. The manufacturer's recommendations also usually apply to stationary situations, where ambient temperatures etc. are assumed to be higher than normal.

Dessutom brukar tillverkarna själva ange rekommendationerna med vissa marginaler. I de flesta elektriska maskiner och transformatorer idag finns alltså normalt sett vissa termiska marginaler som kan utnyttjas till att överlasta en elektrisk maskin, åtminstone temporärt. För att hindra att huvudmaskinen skadas när detta görs, så kan temperaturen i rotor- och/ eller statorlindningen övervakas under drift med temperatursensorer. I fig. 3 är sålunda huvudmaskinen försedd med en temperatursensor 60 på rotorlindningen 16 och en temperatursensor 64 på statorlindningen.In addition, manufacturers usually set the recommendations themselves with certain margins. In most electrical machines and transformers today, there are normally certain thermal margins that can be used to overload an electrical machine, at least temporarily. To prevent the main machine from being damaged when this is done, the temperature in the rotor and / or stator winding can be monitored during operation with temperature sensors. I fi g. 3, the main machine is thus provided with a temperature sensor 60 on the rotor winding 16 and a temperature sensor 64 on the stator winding.

Maskinen i fig. 4 är på liknande sätt försedd med temperatursensorer 60, 64. Detta gör det då möjligt att under en begränsad period arbeta utanför maskinens nominella kapabilitet, såsom anges i fig. 6.The machine i fi g. 4 is similarly provided with temperature sensors 60, 64. This then makes it possible to work outside the nominal capacity of the machine for a limited period, as stated in fi g. 6.

Jämfört med existerande shuntkopplade kompensatorer enligt teknikens ståndpunkt, så betyder detta att stabilisatorns förmåga att leverera/ förbruka reaktiv effekt på ett kostnadseffektivt sätt kan ökas långt utöver stabilisatorns nominella effekt under en kortare period. I en SVC, är inte detta möjligt, utan att hela anläggningen måste dimensioneras upp till sin toppeffekt. Överlastbarhet är där inte möjlig. För en STATCOM- anläggning ska hela den reaktiva effekten levereras genom en 10 15 20 FC (71 Lv.Compared with existing shunt-coupled compensators according to the prior art, this means that the stabilizer's ability to deliver / consume reactive power in a cost-effective way can be increased far beyond the stabilizer's nominal power for a shorter period. In an SVC, this is not possible, without the entire plant having to be dimensioned up to its peak power. Overloadability is not possible there. For a STATCOM system, the entire reactive power must be delivered through a 10 15 20 FC (71 Lv.

F) 514 068 21 kraftelektronisk omforrnare. Denna har däremot en mycket liten överlastbarhet. Detta betyder att anläggningen måste dimensioneras för sin toppeffekt. I kraftsystemstabilisatorn enligt uppfinningen så bör däremot endast frekvensomformaren dimensioneras för att kunna klara den ökade rotoreffekten. Eftersom effekten på denna omformaren är låg i förhållande till stabilisatorns totala effekt, blir omkostnaderna för detta motsvarande lägre.F) 514 068 21 power electronic converter. This, on the other hand, has a very small overloadability. This means that the plant must be dimensioned for its peak power. In the power system stabilizer according to the invention, on the other hand, only the frequency converter should be dimensioned to be able to cope with the increased rotor power. Since the power on this converter is low in relation to the total power of the stabilizer, the overhead costs for this will be correspondingly lower.

Stabilisatorn kan också leverera/ förbruka aktiv effekt till/ från kraftnätet.The stabilizer can also deliver / consume active power to / from the power grid.

Detta kan göras genom att ändra varvtalet för stabilisatorn och/ eller genom att ha en drívmaskin / mekanisk last kopplad till stabilisatorn. Först beskrivs en utföringsform där maskinen inte har någon drívmaskin eller mekanisk last kopplad till sin axel, vilket motsvarar systemen i ñg. la och ñg. lb.This can be done by changing the speed of the stabilizer and / or by having a drive / mechanical load connected to the stabilizer. First, an embodiment is described in which the machine has no drive machine or mechanical load coupled to its shaft, which corresponds to the systems in ñg. la and ñg. lb.

Energin som finns lagrad i stabilisatorns roterande delar bestäms till stor del av tröghetsmomentet och varvtalet. För elektriska maskiner uttrycks det ofta i tídskonstanten H för maskinens tröghet, som ges av: J (og SN H: NI-I där J anger maskinens tröghetsmoment, wo nominell mekaniskt varvtal (rad/ s) och SN maskinens effekt. H anger därför mängden lagrad energi i roterande delar vid nominellt varvtal i förhållande till maskinens effekt. För större elektriska maskiner är denna typiskt i området 2-8 sekunder.The energy stored in the rotating parts of the stabilizer is largely determined by the moment of inertia and the speed. For electric machines it is often expressed in the time constant H for the inertia of the machine, which is given by: J (and SN H: NI-I where J indicates the moment of inertia of the machine, wo nominal mechanical speed (rad / s) and SN power of the machine. H therefore indicates the amount stored energy in rotating parts at nominal speed in relation to the power of the machine, for larger electrical machines this is typically in the range of 2-8 seconds.

Fig. 9a visar ett tidsförlopp för avgiven aktiv effekt P från kraftsystems- stabilisatorn. Effekten varierar mellan Po och -Po, men medelvärdet av effekten är noll. När effekten pendlar efter en sinusfunktion såsom i ñg. 9a, kommer omsatt energi A1 i en halvperiod vara )PT, där P är maximal aktiv effekt och T är svängningens periodtid. Under nästa halvperiod kommer sedan samma energi A2 omsättas igen, men nu i motsatt riktning. 10 15 20 30 514 068 22 Varvtalet vid en sådan process kommer då att få ett förlopp som ges i ñg. 9b.Fig. 9a shows a time course of emitted active power P from the power system stabilizer. The effect varies between Po and -Po, but the mean value of the effect is zero. When the power oscillates after a sine function as in ñg. 9a, the converted energy A1 in a half period will be) PT, where P is the maximum active power and T is the period of oscillation. During the next half period, the same energy A2 will then be converted again, but now in the opposite direction. 10 15 20 30 514 068 22 The speed in such a process will then have a process which is given in ñg. 9b.

En typisk periodtid för effektpendlingar grundade på polhjulssvängningar, som beror på hastighetspendlingar mellan synkronmaskiners varvtal, i synkronmaskiner år 0,5 -2 sekunder. För en sínusvarierande effektvariation såsom i ñg. 9a, blir behovet för ett energilager då mellan 0,32 P och 1,3 P. I artikeln ”Application for Superconducting Magnet Energy Storage to Improve Power System Dynamic Performance”, av Y. Mitani et. al i IEEE Trans. on Power Systems, vol. 3, nr. 4, november 1998, sid. 1418-1425 och i artikeln ”Active-Power Stabilizers for Multimachine Power Systems: Challenges and Prospects” av I. Kamwa et. al. i IEEE Trans. on Power Systems, vol. 13, nr. 4, november 1998, redogörs det närmare för den mängd energi som bör kunna lagras i förhållande till stabílisatorns effekt. Det visas då att till och med med ett energilager för E mätt i Watt, så kan man få en tillräcklig dämpning av pendlingar i kraftnätet. Anta nu att varvtalsvariationen är 110% från det synkrona varvtalet. Detta betyder att cza 20% av den roterande energi kan nyttiggöras för stabilisering, vilket innebär att tröghetskonstanten H bör vara i storleksordningen 1,6 - 6,5 sekunder för detta exempel. Om stabilisatorn inte har tillräckligt naturligt tröghetsmoment, kan detta ökas på ett kostnadseffektivt sätt genom att använda svänghjul på stabilisatorn. Detta visas schematiskt i ñg. 3 med hänvisningsbeteckningen 72. Detta kommer att ha störst nytta för snabbroterande maskiner, alltså där varvtalet är högt eftersom man då lagrar mer energi ett svänghjul med samma fysiska dimensioner. Såsom det framgår av artikeln ”Large-Scale Active-Load Modulation for Angle Stability Improvement” av Kamwa et. al., IEEE Transactions on Power Systems, vol. 14, nr. 2, maj 1999, sid. 582-590, så behöver man typiskt endast modulera 5% av den aktiva effekten. Detta betyder att en effekt på 1000 MW i en kraftlinje kan stabiliseras genom att modulera en effekt på 50 MW. Den roterande stabilisatorn tillhandahåller alltså ett kostnadseffektivt energilager med en kapacitet för E i samma storleksordning som P och när man dessutom tar hänsyn till att stabilisatorn enligt uppfinningen kan överlastas betydligt, inser man hur 10 15 20 b) CD 514 068 23 kraftfull stabilisatorn är i förhållande till sin nominella elektriska effekt. Det är endast strömriktaren som år kopplad till huvudmaskinens rotorlindningar som bör dimensioneras upp i effekt, men denna omformare utgör endast en liten andel av stabilisatorns totala effekt.A typical period time for power oscillations based on pole wheel oscillations, which is due to velocity oscillations between the speeds of synchronous machines, in synchronous machines is 0.5 -2 seconds. For a sine-varying power variation as in ñg. 9a, the need for an energy storage then becomes between 0.32 P and 1.3 P. In the article "Application for Superconducting Magnet Energy Storage to Improve Power System Dynamic Performance", by Y. Mitani et. al i IEEE Trans. on Power Systems, vol. 3, no. 4, November 1998, p. 1418-1425 and in the article “Active-Power Stabilizers for Multimachine Power Systems: Challenges and Prospects” by I. Kamwa et. al. and IEEE Trans. on Power Systems, vol. 13, no. 4, November 1998, the amount of energy that should be able to be stored in relation to the effect of the stabilizer is described in more detail. It is then shown that even with an energy storage for E measured in watts, you can get a sufficient attenuation of oscillations in the power grid. Now assume that the speed variation is 110% from the synchronous speed. This means that about 20% of the rotating energy can be utilized for stabilization, which means that the inertia constant H should be in the order of 1.6 - 6.5 seconds for this example. If the stabilizer does not have sufficient natural moment of inertia, this can be increased in a cost-effective way by using flywheels on the stabilizer. This is shown schematically in ñg. 3 with the reference numeral 72. This will have the greatest benefit for fast-rotating machines, ie where the speed is high because more energy is then stored in a flywheel with the same physical dimensions. As can be seen from the article "Large-Scale Active-Load Modulation for Angle Stability Improvement" by Kamwa et. al., IEEE Transactions on Power Systems, vol. 14, no. 2, May 1999, p. 582-590, you typically only need to modulate 5% of the active power. This means that an output of 1000 MW in a power line can be stabilized by modulating an output of 50 MW. The rotary stabilizer thus provides a cost-effective energy storage with a capacity for E of the same order of magnitude as P and when one also takes into account that the stabilizer according to the invention can be significantly overloaded, one realizes how powerful the stabilizer is in relation to to its rated electrical power. It is only the converter that is connected to the rotor windings of the main machine that should be dimensioned in power, but this converter constitutes only a small proportion of the stabilizer's total power.

För tillfällen där pendlingens frekvens är så låg, att behovet av modulerad energi är stor i förhållande till effekten, kan man utnyttja mekaniska laster. I fig. 4 finns en broms 70 anordnad vid rotoraxeln 22. Denna broms 70 kan användas för att göra sig av med för höga rotationsenergier. Detta ökar flexibiliteten för stabilisatorn ytterligare, genom att låta medelvärdet av uttagen effekt från kraftnätet skilja sig från noll och vid behov göra sig av med överbliven energi via bromsen 70. Bromsen 70 kan vid behov utföras med kylanordningar som gör det möjligt att stationärt under en period av flera minuter utnyttja bromsen 70.For occasions where the frequency of commuting is so low that the need for modulated energy is large in relation to the power, mechanical loads can be used. I fi g. 4 a brake 70 is arranged at the rotor shaft 22. This brake 70 can be used to get rid of too high rotational energies. This further increases the visibility of the stabilizer, by allowing the average value of power taken from the power grid to differ from zero and, if necessary, disposing of residual energy via the brake 70. The brake 70 can, if necessary, be performed with cooling devices which make it stationary for a period of minuter your minutes use the brake 70.

Fig. 10 visar ett annat tidsförlopp för avgiven aktiv effekt P från kraftsystemsstabilisatorn. Effekten varierar ícke-periodiskt, utan effekten styrs vid varje tillfälle enligt behoven. Varvtalet för kraftsystemsstabilisatorn kommer att även det variera icke-periodiskt som följd av effektflödena.Fig. 10 shows another time course for delivered active power P from the power system stabilizer. The effect varies non-periodically, but the effect is controlled at each time according to the needs. The speed of the power system stabilizer will also vary non-periodically due to the power fl fates.

Integralen under effektkurvan motsvarar på samma sätt som ovan den energi som avlämnats till elkraftsystemet. Så länge som denna integral håller sig mindre än den tillåtna varvtalsvariationen i stabilisatorn, behöver ingen energi tillföras eller bortföras från stabilisatorn. Om emellertid effektpendlingarna är för stora måste en drivmaskin eller last kopplas till stabilisatorns axel, för att moderera dess varvtal. huvuddelarna i I fig. 3 illustreras även övervakningssystemen. En statisk styrenhet 48 är anordnad att förse styrnings- och växelström-likström-omvandlaren 42 med styrsignaler via en styranslutning 52. Växelström-likström-omvandlaren 42 förser reglermaskinens fältlindning 34 med lämplig magnetiseringsström. På motsvarande sätt är en roterande styrenhet 46, vilken är anordnad medroterande med den gemensamma axeln 10 15 20 514 068 24 22 och därmed med huvudmaskinens rotor 10, anordnad att förse strömriktaren 18 med lämpliga styrsignaler via en styranslutning 66.The integral below the power curve corresponds in the same way as above to the energy delivered to the electric power system. As long as this integral remains smaller than the allowable speed variation in the stabilizer, no energy needs to be supplied or removed from the stabilizer. However, if the power oscillations are too large, a drive or load must be coupled to the stabilizer shaft to moderate its speed. the main parts of I fi g. 3 also illustrates the monitoring systems. A static control unit 48 is arranged to supply the control and alternating current direct current converter 42 with control signals via a control connection 52. The alternating current direct current converter 42 supplies the field winding 34 of the control machine with suitable excitation current. Correspondingly, a rotating control unit 46, which is arranged co-rotating with the common shaft 10 and thus with the rotor 10 of the main machine, is arranged to supply the converter 18 with suitable control signals via a control connection 66.

Strömriktaren 18 förser därmed huvudmaskinens rotorlindning 16 med ström av lämplig fas, amplitud och frekvens. Hur denna styrning sker beskrivs mer i detalj nedan. Den medroterande styrenheten 46 innefattar vidare ett kommunikatíonsorgan 56 för trådlös kommunikation med ett kommunikatíonsorgan 54 i den statiska styrenheten 48. Styrenheterna 46 och 48 kan således utbyta information. Båda styrenheterna 46, 48 innefattar processenheter 47, 49 för bearbetning av signaler och data.The converter 18 thus supplies the rotor winding 16 of the main machine with current of suitable phase, amplitude and frequency. How this control takes place is described in more detail below. The co-rotating control unit 46 further comprises a communication means 56 for wireless communication with a communication means 54 in the static control unit 48. The control units 46 and 48 can thus exchange information. Both control units 46, 48 comprise process units 47, 49 for processing signals and data.

Den medroterande styrenheten 46 är ansluten till temperatursensorn 60 och förses därigenom med temperaturdata om rotorlindningen. Vidare finns en sensor 58, för mätning av ström/ spänning i rotorlindningen till huvudmaskinen, och en sensor 62, för mätning av ström/ spänning i lindningen till reglermaskinen, anslutna till styrenheten 46, vilka övervakar strömmen och/ eller spänningen till rotorlindningarna 16 resp. strömmen och/ eller spänningen mellan reglermaskinen 20 och strömriktaren.The co-rotating control unit 46 is connected to the temperature sensor 60 and is thereby provided with temperature data about the rotor winding. Furthermore, there is a sensor 58, for measuring current / voltage in the rotor winding of the main machine, and a sensor 62, for measuring current / voltage in the winding of the control machine, connected to the control unit 46, which monitors the current and / or voltage to the rotor windings 16 resp. the current and / or voltage between the control machine 20 and the converter.

Den statiska styrenheten 48 är på liknande sätt ansluten till temperatursensorn 64 för mätning av statorlindningens temperatur. Vidare är en sensor 50 ansluten till styrenheten 48 för mätning av strömmen och/ eller spänningen till/ från huvudmaskinens stator 12. Med kännedom om transformatorns 3 egenskaper avkänner denna sensor 50 indirekt egenskaperna för kraftnätet. Alternativt kan en sensor 51 vara anordnad på kraftnätsidan om transformatorn 3, alltså i den elkraftanläggning i vilken stabilisatorn är placerad, för direkt mätning någonstans i elkraftanläggningen. En sådan lösning kräver dock normalt sett p.g.a. de högre spänningama dyrare tekniska lösningar. Sensorn 50 eller sensorn 51 kan alltså detektera störningar i kraftnätet, t.ex. avseende spänningens effektivvärde, fas och/ eller amplitud och/ eller strömmens effektivvärde, fas och/ eller amplitud, samt deras frekvens. 10 15 20 514 068 25 På detta sätt kan data erhållas såväl rörande elektriska som termiska parametrar, och detta data kommuniceras mellan styrenheterna 46, 48, företrädesvis via en radioförbindelse. Den medroterande styrenheten 46 kan därför förses med aktuell information som underlag för att på ett lämpligt sätt styra rotorströmmen genom strömriktaren 18.The static control unit 48 is similarly connected to the temperature sensor 64 for measuring the temperature of the stator winding. Furthermore, a sensor 50 is connected to the control unit 48 for measuring the current and / or the voltage to / from the stator 12 of the main machine. Knowing the properties of the transformer 3, this sensor 50 indirectly senses the properties of the power grid. Alternatively, a sensor 51 can be arranged on the power grid side of the transformer 3, i.e. in the electric power plant in which the stabilizer is located, for direct measurement somewhere in the electric power plant. However, such a solution normally requires p.g.a. the higher voltages more expensive technical solutions. The sensor 50 or the sensor 51 can thus detect disturbances in the power grid, e.g. regarding the rms value of the voltage, phase and / or amplitude and / or the rms value of the current, phase and / or amplitude, and their frequency. In this way, data can be obtained concerning both electrical and thermal parameters, and this data is communicated between the control units 46, 48, preferably via a radio connection. The co-rotating control unit 46 can therefore be provided with current information as a basis for controlling the rotor current through the converter 18 in a suitable manner.

I ñg. 4 visas motsvarande styrenheter 46, 48. Den roterande styrenheten 46 ansvarar här främst för insamling av data från temperatursensorn 60 och sensorn 58. Detta data bearbetas i processenheten 47 och sänds trådlöst över till den statiska styrenheten 48. Den statiska styrenheten 48 ansvarar här för styrningen av både växelström-likström-omvandlaren 42 och strömriktaren 18'.I ñg. 4 shows the corresponding control units 46, 48. The rotating control unit 46 is here primarily responsible for collecting data from the temperature sensor 60 and the sensor 58. This data is processed in the process unit 47 and transmitted wirelessly to the static control unit 48. The static control unit 48 is here responsible for the control. of both the AC-DC converter 42 and the converter 18 '.

Stabilisatorn enligt fig. 3 har sålunda ett integrerat styr- och reglersystem som innefattar roterande 47 och stationära 49 digitala processorer med borstlös digital kommunikation 54, 56 samt givare 50, 51, 58, 60, 62, 64 för mätning och övervakning av aktuella storheter. Processorerna 47, 49 arbetar normalt i ett master/slav-förhållande med den roterande processorn 47 som slav. I huvudsak styr den stationära processorn 49 effektomvandlingen, mäter och övervakar storheter associerade med den elektriska maskinens stator 12 samt kommunicerar med andra yttre styr- och reglersystem. Den roterande processorns 47 huvuduppgift är att styra den med den elektriska maskinens axel roterande strömriktaren 18 samt mäta och övervaka storheter associerade med maskinens rotor 10.The stabilizer according to fi g. 3 thus has an integrated control and regulation system which includes rotating 47 and stationary 49 digital processors with brushless digital communication 54, 56 and sensors 50, 51, 58, 60, 62, 64 for measuring and monitoring current quantities. The processors 47, 49 normally operate in a master / slave relationship with the rotating processor 47 as a slave. Essentially, the stationary processor 49 controls the power conversion, measures and monitors quantities associated with the stator 12 of the electrical machine, and communicates with other external control systems. The main task of the rotating processor 47 is to control the converter 18 rotating with the axis of the electric machine and to measure and monitor quantities associated with the rotor 10 of the machine.

Den roterande processorn 47 är programmerad så att den vid upprepade och svåra störningar i den trådlösa digitala kommunikationen 54, 56 under en tid autonomt kan styra och reglera stabilisatorn.The rotary processor 47 is programmed so that in the event of repeated and severe disturbances in the wireless digital communication 54, 56, it can autonomously control and regulate the stabilizer for a period of time.

Huvudmaskinen kan regleras efter samma principer som normalt utnyttjas för ASH-maskiner. Regleringsmetoden kan baseras på en så kallad ot-ß- transformation, där maskinens dynamiska ekvationssystem och fysiska 10 15 20 30 514 068 26 strömmar och spänningar i rotor och stator transformeras till ett system bestående av fiktiva rotor- och statorlindningar som är orienterade på ett bestämt sätt i förhållande till statorns flöde. Man kan då visa att en komponent av rotorströmmen styr moment och därmed aktiv effekt P medan den andra komponenten styr statorns polspänning och därmed reaktiv effekt Q. Regulatorstrukturen för detta visas i fig. 8, där 91 är en spänningsregulator eller regulator för reaktiv effekt och 92 är en regulator för aktiv effekt. Strömregulatorn betecknas med 90. Spänningarna uar, ubf, um är anslutna till en modulator i omformaren. En närmare beskrivning ges i ”Consequences of introducing Adjustable Speed Hydro (ASH) in Established Power Networks”, Proc. of PSCC'99, vol. 1, sid. 150-156, Norwegian Univ. for Technology and Science, Trondheim, 1999 av Jan O Gjerde et. al. När stabilisatorn är kopplad till en turbin och arbetar som generator är varvtalet styrt av turbinen som har ett eget styrningssystem. Exempel på detta visas i publikationen ”Design of dynamic response Characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi Power Station”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. ll, nr. 2, juni 1996, sid. 376-384, av T.The main machine can be regulated according to the same principles that are normally used for ASH machines. The control method can be based on a so-called ot-ß transformation, where the machine's dynamic system of equations and physical currents and voltages in the rotor and stator are transformed into a system consisting of fictitious rotor and stator windings which are oriented on a specific in relation to the fate of the stator fl. It can then be shown that one component of the rotor current controls torque and thus active power P, while the other component controls the pole voltage of the stator and thus reactive power Q. The regulator structure for this is shown in fi g. 8, where 91 is a voltage regulator or regulator for reactive power and 92 is a regulator for active power. The current regulator is denoted by 90. The voltages uar, ubf, um are connected to a modulator in the converter. A more detailed description is given in "Consequences of introducing Adjustable Speed Hydro (ASH) in Established Power Networks", Proc. or PSCC'99, vol. 1, p. 150-156, Norwegian Univ. For Technology and Science, Trondheim, 1999 by Jan O Gjerde et. al. When the stabilizer is connected to a turbine and works as a generator, the speed is controlled by the turbine which has its own control system. Examples of this are shown in the publication “Design of dynamic response Characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi Power Station”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. ll, no. 2, June 1996, p. 376-384, by T.

Kuwabara et.al.Kuwabara et.al.

Beräkning av tänd- och släcktidpunkter för strömriktaren kopplad till rotorn kan göras såsom visas i ñgur 7. Statorflödets (WS) position i förhållande till statorlindningarna os kan bestämmas på flera sätt, till exempel genom att montera sensorer i maskinens luftgap eller genom att integrera mätt statorspänning. Genom att integrera det mätta varvtalet erhålles rotorns position o i förhållande till stator. Därmed kan of beräknas och ot- och ß- komponenten av rotorströmmen kan transformeras till verkliga fasströmmar i rotorn. Varvtalet på maskinen kan till exempel mätas/ beräknas genom integrering av spänningen från reglermaskinen.Calculation of on and off times for the inverter connected to the rotor can be done as shown in Figure 7. Stator position (WS) in relation to the stator windings os can be determined in several ways, for example by mounting sensors in the machine air gap or by integrating measured stator voltage . By integrating the measured speed, the position o of the rotor in relation to the stator is obtained. Thus, of can be calculated and the ot and ß component of the rotor current can be transformed into real phase currents in the rotor. The speed of the machine can, for example, be measured / calculated by integrating the voltage from the control machine.

Mätning av spänningsvärden i högspänningsutrustningar är kostsamt eftersom man behöver mätutrustning som kopplas till högspända ledare och som därför behöver isoleras mot dessa spänningar. För elektriska maskiner 10 15 20 514 oesi 27 med högspänd statorlindning är det kostsamt att utrusta maskinen med egna spänningstransformatorer för mätning av polspänning, medan mätning av ström är billigt eftersom det inte är nödvändigt att koppla in sig galvaniskt. Detta behövs normalt en spänningsmätning på maskinens poler för att kunna fasa in den på kraftnätet när den ska fungera som generator.Measuring voltage values in high voltage equipment is costly because you need measuring equipment that is connected to high voltage conductors and that therefore needs to be insulated against these voltages. For electrical machines 10 15 20 514 oesi 27 with high voltage stator winding, it is expensive to equip the machine with its own voltage transformers for measuring pole voltage, while measuring current is cheap because it is not necessary to connect galvanically. This normally requires a voltage measurement on the machine's poles in order to be able to phase it into the power grid when it is to function as a generator.

På samlingsskenan kommer det alltid vara spänningsmätning eftersom detta är nödvändigt för infasning av andra linjer och maskiner etc. Stabilisatorn enligt uppfinningen kan fasas in mot ett yttre kraftnät utan egen mätning av spänningen på maskinens poler. Mätningen av den spänning som maskinen ska fasas in mot överförs till t.ex. den stationära datorn. Denna dator beräknar sedan positionen för statorflödet för att spänningen ska ligga i fas med den mätta spänningen. Därefter kan man genom att styra amplitud och frekvens och fas till rotorströmmen generera en spänning ut från maskinen som är i fas med den mätta. Detta representerar en klar förbättring i förhållande till teknikens ståndpunkt eftersom man inte behöver egna spänningstransformatorer för infasning. Eftersom dynamiken i maskinen är betydligt snabbare än till drivmaskinen behöver denna inte gå stabilt på ett varvtal som sammanfaller med det synkrona, eftersom differensen mellan det synkrona varvtalet och stabilisatorns verkliga varvtal kan kompenseras för genom att styra frekvensen på rotorströmmarna. Detta är inte möjligt för en synkronmaskin.There will always be voltage measurement on the busbar as this is necessary for phasing in other lines and machines, etc. The stabilizer according to the invention can be phased in against an external power network without its own measurement of the voltage at the machine's poles. The measurement of the voltage to which the machine is to be phased in is transferred to e.g. the desktop computer. This computer then calculates the position of the stator fl for the voltage to be in phase with the measured voltage. Then, by controlling the amplitude and frequency and phase of the rotor current, you can generate a voltage out of the machine that is in phase with the measured one. This represents a clear improvement in relation to the state of the art because you do not need your own voltage transformers for phasing. Since the dynamics of the machine is significantly faster than that of the drive machine, it does not have to run stably at a speed that coincides with the synchronous one, since the difference between the synchronous speed and the actual speed of the stabilizer can be compensated for by controlling the frequency of rotor currents. This is not possible for a synchronous machine.

Genom att ha en roterande digital styrenhet och en kommunikationslinje mellan rotor och stationära delar av stabilisatorn kan man använda avancerade övervakningssystem i rotorn, även om dessa kräver omfattande Signalbehandling. Partiella urladdningar i isolationen kan när urladdningsnivån blir för stor ödelägga isolationen vilket kan leda till haveri.By having a rotating digital control unit and a communication line between the rotor and stationary parts of the stabilizer, you can use advanced monitoring systems in the rotor, even if these require extensive signal processing. Partial discharges in the insulation can, when the discharge level becomes too great, destroy the insulation, which can lead to a breakdown.

I publikationen "Continuous On-line Partial Discharge Monitoring of Power Generators", 1996 IEEE Annual Report - Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, sid. 496-499 av A. Kheirmand et. al., beskrivs ett system INTECH som under drift ska kunna övervaka nivån av partiella urladdningar i statorlindningen till en roterande växelströmsmaskin. Ett 10 15 20 30 514 068 28 liknande system kan, när man har en roterande digital styrenhet, också utnyttjas för att övervaka isolationen i rotorn.In the publication "Continuous On-line Partial Discharge Monitoring of Power Generators", 1996 IEEE Annual Report - Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, p. 496-499 by A. Kheirmand et. al., describes an INTECH system which during operation must be able to monitor the level of partial discharges in the stator winding of a rotating AC machine. A similar system, when having a rotating digital control unit, can also be used to monitor the insulation in the rotor.

Den roterande stabilisatorn enligt uppfinningen är flexibel i sin användning.The rotary stabilizer according to the invention is flexible in its use.

För att exemplifiera detta kommer det ges en närmare redogörelse för hur den används i ett kraftnät. I ñg. 11 visas ett kraftnät bestående av huvudsakligen ett produktionsområde 80 och ett lastområde 82. För att effektivt kunna stabilisera effektpendlingar mellan dessa områden kan ett pådragsorgan 84A, 84B anslutas till kraftnätet. Modulering av aktiv effekt kommer vara mest effektiv när pådragsorganet är placerat nära en producent 88, såsom pådragsorganet 84A, eller en förbrukare 86 av aktiv effekt, såsom pådragsorganet 84B. Stabilisatorn kan då placeras antingen i produktionsområdet 80 eller i lastområdet 82. Om stabilisatorn 84A är placerad i produktionsområdet 80 kan den också dessutom användas som effektomvandlare genom att den kopplas till en turbin. Om stabilisatorn 84B är placerad i lastområdet 82 kan den till exempel dessutom arbeta som synkronkompensator. Dess förmåga till överlastbarhet gör att den vid fara för spånningskollaps kan överlastas betydligt under en kritisk period på typiskt 1 - 30 minuter.To exemplify this, a more detailed account will be given of how it is used in a power grid. I ñg. 11 shows a power network consisting essentially of a production area 80 and a load area 82. In order to be able to effectively stabilize power oscillations between these areas, a tensioning means 84A, 84B can be connected to the power network. Active power modulation will be most effective when the actuator is located near a producer 88, such as the actuator 84A, or a consumer 86 of active power, such as the actuator 84B. The stabilizer can then be placed either in the production area 80 or in the load area 82. If the stabilizer 84A is located in the production area 80, it can also be used as a power converter by connecting it to a turbine. For example, if the stabilizer 84B is located in the load area 82, it may also act as a synchronous compensator. Its ability to overload means that in the event of a voltage collapse, it can be significantly overloaded during a critical period of typically 1 - 30 minutes.

Effektpendlingar kan uppstå i elkraftnät till följd av dåligt dämpade lågfrekventa (exempelvis 0,1 till 2 Hz) oscillationer mellan rotorerna på generatorer. Det ñnns två huvudgrupper av oscillatoriska problem kännetecknade av att pendlingarna sker antingen mellan olika områden (eng. inter-area) eller mer lokalt (eng. intra-area). Införandet av kraftsystemstabilisatorer (PSS, Power System Stabilizer) på generatorer kan aktivt medverka till att dämpa effektpendlingar. En stor del av det dämpande momentet, avseende effektpendlingar mellan områden, tillkommer via en modulering av elkraftnätets laster.Power fluctuations can occur in electric power grids as a result of poorly attenuated low-frequency (eg 0.1 to 2 Hz) oscillations between the rotors on generators. There are two main groups of oscillatory problems, characterized by the fact that the oscillations take place either between different areas (inter-area) or more locally (intra-area). The introduction of power system stabilizers (PSS) on generators can actively contribute to dampening power oscillations. A large part of the damping moment, regarding power oscillations between areas, is added via a modulation of the loads of the electricity power grid.

Dämpning av (inter-area) oscillationer sker genom att öka dämpningen för de pendlingsmoder som är av intresse, vilket idealt sker genom att applicera ett lO 15 20 w LW 514 068 29 bromsande moment proportionellt mot hastighetsavvikelsen i maskinen. Två praktiska alternativ att stabilisera via magnetiseringsregleringen av elektriska maskiner är att modulera det elektriska eller mekaniska momentet. I praktiken kan förbättrad dämpning erhållas genom att en kraftsystemstabilisator, PSS, får ge en tilläggssignal till maskinens magnetiseringssystem. Insignalerna till en PSS kan exempelvis utgöras av hastighetsavvikelsen på rotoraxeln, frekvensen vid generatorns terminal eller integralen av den elektriska effekten.Attenuation of (inter-area) oscillations takes place by increasing the attenuation of the oscillating modes of interest, which ideally takes place by applying a braking torque proportional to the speed deviation in the machine. Two practical alternatives to stabilize via the excitation control of electrical machines are to modulate the electrical or mechanical moment. In practice, improved attenuation can be obtained by allowing a power system stabilizer, PSS, to provide an additional signal to the machine's excitation system. The inputs to a PSS can be, for example, the speed deviation of the rotor shaft, the frequency at the generator terminal or the integral of the electrical power.

Placering av anordningar för Stabilisering av kraftnätet är ett komplicerat ämne som vid varje tillfälle kräver en omfattande analys. Emellertid kan man baserat på förenklade modeller förstå hur man bör försöka att använda olika anordningar. I artikeln "Utilising HVDC to Damp Power Oscillations" av T.Placement of devices for Stabilization of the power grid is a complicated subject that requires a comprehensive analysis at every opportunity. However, based on simplified models, one can understand how one should try to use different devices. In the article "Utilizing HVDC to Damp Power Oscillations" by T.

Smed och G. Andersson, IEEE-Transactions on Power Delivery, vol. 8, nr. 2, april 1993, sid. 620-627 ges en del anvisningar. Anordningar som huvudsakligen kan modulera aktiv effekt bör placeras nära förbrukare eller producenter av aktiv effekt, medan anordningar som huvudsakligen kan modulera reaktiv effekt bör sättas i en elektrisk mittpunkt mellan producenter/ förbrukare av aktiv effekt. Nätfrekvensen utgör enligt artikeln en lämplig insignal för styrningen av den aktiva effektmoduleringen medan derivatan av spänningens amplitud utgör en lämplig insignal för den reaktiva effektmoduleringen.Smed and G. Andersson, IEEE-Transactions on Power Delivery, vol. 8, no. 2, April 1993, p. 620-627 gives some instructions. Devices that can mainly modulate active power should be placed close to consumers or producers of active power, while devices that can mainly modulate reactive power should be placed in an electrical midpoint between producers / consumers of active power. According to the article, the mains frequency constitutes a suitable input signal for the control of the active power modulation, while the derivative of the amplitude of the voltage constitutes a suitable input signal for the reactive power modulation.

Momentanvärdet för aktiv elektrisk effekt från stabilisatorns huvudmaskin kan till exempel beräknas genom multiplikation av mätta momentanvärden av ström och spänning tillhörande samma fas. Den reaktiva effekten från stabilisatorns huvudmaskin kan beräknas genom mätning av effektivvärdena för ström och spänning samt fasvinkeln mellan ström och spänning tillhörande samma fas.The instantaneous value for active electrical power from the stabilizer's main machine can be calculated, for example, by multiplying the measured instantaneous values of current and voltage belonging to the same phase. The reactive power from the stabilizer's main machine can be calculated by measuring the efficiency values for current and voltage as well as the phase angle between current and voltage belonging to the same phase.

Fig. 14 visar hur reglersystemet i fig. 8 kan ändras för detta ändamål.Fig. 14 shows how the control system in fi g. 8 may be amended for this purpose.

Signalerna AU och Aw bearbetas i egna filter/signalbehandlare beteckmed 10 15 20 514 068 30 sina transferfunktioner Gp och Gu. Dessa genererar då en signal AQ som representerar en transient ändring av den stationära referensen för stabilisatorns spänning/ reaktiva effekt, och en signal AP som representerar en transient ändring av referensen för maskinens aktiva effekt.The signals AU and Aw are processed in their own filters / signal processors denoted by their transfer functions Gp and Gu. These then generate a signal AQ representing a transient change of the stationary reference of the stabilizer voltage / reactive power, and a signal AP representing a transient change of the reference of the active power of the machine.

I fig. 12 har man ett kraftnät med två produktíonsområden 80A och 8OB samt ett lastområde 82. Anta nu att dessa produktionsområden 80A, 8OB skiljer sig i dygns- och/ eller säsongsvariation. Om produktionsområdet 80A baseras på vattenkraft med stora magasin, kommer detta att vara dominerande om vintern. Kraften kommer då huvudsakligen att flyta från produktionsområdet 80A till lastområdet 82. Produktionsområdet 8OB kan vara baserat på till exempel vattenkraft med älvkraftverk. Dess produktion är då störst vid stor vattenföring i vattendragen t.ex. om våren. Man kommer då huvudsakligen ha ett effektflöde från området 8OB till lastområdet 82.I fi g. 12, there is a power grid with two production areas 80A and 8OB and a load area 82. Suppose now that these production areas 80A, 8OB differ in diurnal and / or seasonal variation. If the production area 80A is based on hydropower with large reservoirs, this will be dominant in the winter. The power will then mainly fl surface from the production area 80A to the load area 82. The production area 8OB can be based on, for example, hydropower with river power plants. Its production is then greatest at large watercourses in watercourses, e.g. in the spring. It will then mainly have an effect fl fate from the area 8OB to the load area 82.

Genom att placera en stabilisator 84 i området 8OB kan denna själv utnyttjas om man har säsongsvariationer i effektflödet såsom beskrivits. När produktionsområdet 80A dominerar, kommer stabilisatorn 84 kunna leverera reaktiv effekt till kraftnätet för att uppnå en optimal spänningsfördelning i kraftnätet. Vid fel kan stabilisatorn leverera en reglerad temporär reaktiv effekt AQ för att stabilisera aktiva effektpendlingar mellan produktionsområdet 80A och lastområdet 82. När produktionsområdet 8OB är dominerande kan man såsom i figur 11 modulera den aktiv effekten för att stabilisera pendlingar mellan produktionsområdet 8OB och lastområdet 82.By placing a stabilizer 84 in the area 8OB, this can be used itself if one has seasonal variations in the power output as described. When the production area 80A dominates, the stabilizer 84 will be able to deliver reactive power to the power grid to achieve an optimal voltage distribution in the power grid. In case of failure, the stabilizer can supply a regulated temporary reactive power AQ to stabilize active power oscillations between the production area 80A and the load area 82. When the production area 8OB is dominant, the active power can be modulated as in Figure 11 to stabilize oscillations between the production area 8OB and the load area 82.

Fig. 13 beskriver ett kraftnät med två dominerande produktionsomräden 8OC, 80D som matar in effekt till ett större lastområde 82. Här kan stabilisatorn 86 utnyttjas stationärt som synkronkompensator och leverera reaktiv effekt i lastområdet 82, leverera en temporär reaktiv effekt AQ för Stabilisering av pendlingar mellan de två produktionsområdena 8OC, 80D, samt leverera en temporär aktiv effekt AP för att stabilisera pendlingar mellan lastområdet 82 och ett av produktionsområdena 8OC eller 80D. Ett lO 15 20 514 068 31 exempel på detta ges i artikeln "Large-Scale Active-Load Modulation for Angle Stability Improvement" av I. Kamwa et. al., IEEE Transactions on Power Systems, vol. 14, nr. 2, maj 1999, sid. 582-590.Fig. 13 describes a power grid with two dominant production areas 8OC, 80D which supply power to a larger load area 82. Here the stabilizer 86 can be used stationary as a synchronous compensator and deliver reactive power in the load area 82, delivering a temporary reactive power AQ for the two production areas 8OC, 80D, and deliver a temporary active power AP to stabilize oscillations between the load area 82 and one of the production areas 8OC or 80D. An example of this is given in the article "Large-Scale Active-Load Modulation for Angle Stability Improvement" by I. Kamwa et. al., IEEE Transactions on Power Systems, vol. 14, no. 2, May 1999, p. 582-590.

Fig. 15 visar ett flödesschema som pà ett enkelt sätt sammanfattar styrningsförfarandet enligt uppfinningen. Processen startar i steg 100. I steg 102 överförs en effekt antingen från stabilisatorns huvudmaskin till kraftnätet eller från kraftnätet till stabilisatorns huvudmaskin. I steg 104 regleras denna effektöverföring. Regleringen sker genom att ändra huvudmaskinens varvtal. Detta åstadkoms genom att en ström med lämplig frekvens, fas och amplitud sänds genom huvudmaskinens rotorlindningar.Fig. 15 shows a flow chart summarizing in a simple manner the control method according to the invention. The process starts in step 100. In step 102, an effect is transmitted either from the main engine of the stabilizer to the power grid or from the power grid to the main engine of the stabilizer. In step 104, this power transfer is regulated. The control is done by changing the speed of the main machine. This is accomplished by transmitting a current of suitable frequency, phase and amplitude through the rotor windings of the main machine.

Processen avslutas i steg 106.The process ends in step 106.

Fackmannen inser att olika modifieringar och förändringar kan göras vid föreliggande uppfinning utan avvikelse från uppñnningens omfattning, som definieras av de bifogade patentkraven. Det är t.ex. möjligt att istället för en medroterande reglermaskin använda en annan typ av spänningskälla. För att stabilisatorn ska kunna behålla sina goda egenskaper vid fel i kraftnätet bör denna spänningskälla vara oberoende av kraftnätet. Spänningskällan kan t.ex. utgöras av något energilager eller separat maskin. Den separata maskinen kan vara av vilken typ som helst som klarar av att ge erforderliga strömmar och spänningar för att styra huvudmaskinens rotor. Den kan mycket väl ha en axel som är separerad från huvudmaskinen, även om vissa finesser då omöjliggörs.Those skilled in the art will recognize that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. It is e.g. possible to use a different type of voltage source instead of a co-rotating control machine. In order for the stabilizer to be able to maintain its good properties in the event of a fault in the power grid, this voltage source should be independent of the power grid. The voltage source can e.g. consists of some energy storage or separate machine. The separate machine can be of any type capable of providing the necessary currents and voltages to control the rotor of the main machine. It may well have a shaft that is separated from the main machine, although some features are then impossible.

Claims (62)

10 15 20 7.5 30 514 068 32 PATENTKRAV10 15 20 7.5 30 514 068 32 PATENT REQUIREMENTS 1. Kraftsystemsstabilisator innefattande en roterande elektrisk huvudmaskin (2, 2') med kraftledningsanslutningar, en strömriktare (18, 18') och en spänningskâlla, kännetecknad av att lindningar (14) i en stator (12) i den elektriska huvudmaskinen (2, 2') är ansluten till elkraftnâtanslutningarna; en rotor (10) i den elektriska huvudmaskinen (2, 2') innefattar växelströmslindningar ( 16); strömriktarens (18, 18') ena terminal är ansluten till rotorns växelströmslindningar (16); strömriktarens (18, 18') andra terminal är ansluten till spänningskällan; varvid elektrisk effekt utbytes via kraftledningsanslutningarna genom att rotorns (10) varvtal ändras.Power system stabilizer comprising a rotary electric main machine (2, 2 ') with power line connections, a converter (18, 18') and a voltage source, characterized in that windings (14) in a stator (12) in the electric main machine (2, 2 ') is connected to the power grid connections; a rotor (10) in the main electric machine (2, 2 ') comprises alternating current windings (16); one terminal of the inverter (18, 18 ') is connected to the AC windings (16) of the rotor; the second terminal of the converter (18, 18 ') is connected to the voltage source; whereby electrical power is exchanged via the power line connections by changing the speed of the rotor (10). 2. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 1, kännetecknad av att spänningskällan är en från kraftledningarna oberoende spänningskälla;Power system stabilizer according to claim 1, characterized in that the voltage source is a voltage source independent of the power lines; 3. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att spänningskällan är en reglermaskin (20, 20').Power system stabilizer according to Claim 1 or 2, characterized in that the voltage source is a control machine (20, 20 '). 4. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 1, 2 eller 3, kännetecknad av att reglermaskinen (20, 20') och huvudmaskinen (2, 2') har en gemensam axel (22).Power system stabilizer according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the control machine (20, 20 ') and the main machine (2, 2') have a common axis (22). 5. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 4, kännetecknad av att strömriktaren (18') är anordnad vid huvudmaskinens statiska delar och ansluten till huvudmaskinens rotorlinclningar (16) via borstar (30) och slåpringar (32). 10 15 20 3G 514 068 33Power system stabilizer according to Claim 4, characterized in that the inverter (18 ') is arranged at the static parts of the main machine and is connected to the rotor line connections (16) of the main machine via brushes (30) and slip rings (32). 10 15 20 3G 514 068 33 6. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 5, kännetecknad av ett styrsystem, vilket innefattar en första styrenhet (48) för styrning av den statiska strömriktaren (18').Power system stabilizer according to claim 5, characterized by a control system, which comprises a first control unit (48) for controlling the static converter (18 '). 7. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 6, kännetecknad av att styrsystemet innefattar en andra styrenhet (46) som är anordnad medroterande med den gemensamma rotorn (22).Power system stabilizer according to claim 6, characterized in that the control system comprises a second control unit (46) which is arranged co-rotating with the common rotor (22). 8. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 6 eller 7, kännetecknad av att den första styrenheten (48) är anordnad för styrning av spänningskällan.Power system stabilizer according to Claim 6 or 7, characterized in that the first control unit (48) is arranged for controlling the voltage source. 9. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 4, kännetecknad av att reglermaskinen (20) och huvudmaskinen (2) är borstlösa och att strömriktaren (18) är anordnad medroterande vid rotorns axel (22).Power system stabilizer according to claim 4, characterized in that the control machine (20) and the main machine (2) are brushless and that the converter (18) is arranged co-rotating at the axis (22) of the rotor. 10. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 9, kännetecknad av ett styrsystem, vilket innefattar en första styrenhet (46). för styrning av strömriktaren ( 18), vilken första styrenhet (46) är anordnad medroterande vid rotorns axel (22).Power system stabilizer according to claim 9, characterized by a control system, which comprises a first control unit (46). for controlling the converter (18), which first control unit (46) is arranged co-rotating at the axis (22) of the rotor. 11. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 10, kännetecknad av att styrsystemet innefattar en andra styrenhet (48) som är anordnad för styrning av spânningskällan.Power system stabilizer according to claim 10, characterized in that the control system comprises a second control unit (48) which is arranged for controlling the voltage source. 12. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 8 eller 11, kännetecknad av att styrsystemet (46, 48) innefattar en elkraftnätsensor (50; 51) för avkânning av en elektrisk störning i elkraftnätet.Power system stabilizer according to claim 8 or 11, characterized in that the control system (46, 48) comprises an electric power grid sensor (50; 51) for sensing an electrical disturbance in the electric power grid. 13. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 12, kännetecknad av att den elektriska störningen är en störning av åtminstone en storhet vald ur gruppen: spänningens amplitud; 10 15 20 25 3 C- 514 068 34 spånningens effektivvârde; spänningens fas; spånningens frekvens; strömmens amplitucl; strömmens effektivvårde; strömmens fas; samt strömmens frekvens.Power system stabilizer according to claim 12, characterized in that the electrical disturbance is a disturbance of at least one quantity selected from the group: the amplitude of the voltage; 10 15 20 25 3 C- 514 068 34 the effective value of the voltage; the phase of voltage; the frequency of the voltage; current amplitude; the efficiency of the current; phase of the current; and the frequency of the current. 14. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 12 eller 13, kännetecknad av att styrsystemet innefattar en första temperatursensor (64) för avkânning av statortemperaturen.Power system stabilizer according to claim 12 or 13, characterized in that the control system comprises a first temperature sensor (64) for sensing the stator temperature. 15. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 14, kännetecknad av att styrsystemet innefattar en andra ternperatursensor (60) för avkänning av rotortemperaturen, vilken andra ternperatursensor (60) är ansluten till den medroterande styrenheten (46).Power system stabilizer according to claim 14, characterized in that the control system comprises a second temperature sensor (60) for sensing the rotor temperature, which second temperature sensor (60) is connected to the co-rotating control unit (46). 16. Kraftsystemsstabílisator enligt patentkrav 14 eller 15, kännetecknad av att styrsystemet innefattar komrnunikationsorgan (54, 56) för trådlös kommunikation mellan styrenheterna (46, 48).Power system stabilizer according to claim 14 or 15, characterized in that the control system comprises communication means (54, 56) for wireless communication between the control units (46, 48). 17. Kraftsystemsstabílisator enligt något av patentkraven 12 till 16, kännetecknad av en transformator (3) anordnad mellan statorlindningen (14) och kraftledningsanslutningama.Power system stabilizer according to one of Claims 12 to 16, characterized by a transformer (3) arranged between the stator winding (14) and the power line connections. 18. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 17, kännetecknad av att styrsystemets elkraftnätsensor (50) år anordnad för avkänning av spänning och/ eller ström i anslutningen mellan transformatorn (3) och statorlindningen (14). 10 15 20 30 1514 oss 35Power system stabilizer according to Claim 17, characterized in that the control system's electrical mains sensor (50) is arranged for sensing voltage and / or current in the connection between the transformer (3) and the stator winding (14). 10 15 20 30 1514 oss 35 19. Kraftsystemsstabilisator enligt något av patentkraven 1 till 18, kännetecknad av ett svänghjul anordnat vid den elektriska huvudmaskinens axel (22).Power system stabilizer according to one of Claims 1 to 18, characterized by a flywheel arranged on the shaft (22) of the main electric machine. 20. Kraftsystemsstabilisator enligt något av patentkraven 1 till 19, kännetecknad av ett drivande organ anordnat för påföring av en kraft till den elektriska huvudmaskinens axel (22).Power system stabilizer according to one of Claims 1 to 19, characterized by a driving means arranged for applying a force to the shaft (22) of the main electric machine. 21. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 20, kännetecknad av att det drivande organet är en turbin.Power system stabilizer according to claim 20, characterized in that the driving means is a turbine. 22. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 20, kännetecknad av att det drivande organet är en förbränningsmotor.Power system stabilizer according to claim 20, characterized in that the driving means is an internal combustion engine. 23. Kraftsystemsstabilisator enligt något av patentkraven 1 till 22, kännetecknad av ett lastorgan anordnat för upptagande av den drivande kraften hos den elektriska huvudmaskinens axel (22).Power system stabilizer according to one of Claims 1 to 22, characterized by a loading means arranged for absorbing the driving force of the shaft (22) of the main electric machine. 24. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 23, kännetecknad av att lastorganet är en broms (70).Power system stabilizer according to claim 23, characterized in that the loading means is a brake (70). 25. Kraftsystemsstabilisator enligt patentkrav 23, kännetecknad av att lastorganet är en elektrisk generator.Power system stabilizer according to claim 23, characterized in that the load means is an electric generator. 26. Kraftsystemsstabilisator enligt något av patentkraven 1 till 25, kännetecknad av att rotorlindningen (16) är anordnad för att ha en strömförträngning, som beror av rotorströmmens frekvens.Power system stabilizer according to one of Claims 1 to 25, characterized in that the rotor winding (16) is arranged to have a current constriction which depends on the frequency of the rotor current. 27. Kraftnät innefattande kraftledningar och en shuntstabilisator (84, 84A, 84B), vilken shuntstabilisator innefattar en roterande elektrisk huvudmaskin (2, 2') ansluten till kraftledningarna, en strömriktare (18, 18') och en spänningskälla, kännetecknat av att 10 15 20 25 30 514 068 36 lindningar (14) i en stator (12) i den elektriska huvudmaskinen (2, 2') är ansluten till kraftledningar-na; en rotor (10) i den elektriska huvudmaskinen (2, 2') innefattar växelströmslindningar (16); strömriktarens (18, 18') ena terminal år ansluten till rotoms växelströmslindningar (16); strömriktarens (18, 18') andra terminal är ansluten till spänningskållan; varvid elektrisk effekt utbytes mellan kraftledningarna och shuntstabilisatorn (84, 84A, 84B) genom att rotorns ( 10) varvtal ändras.Power network comprising power lines and a shunt stabilizer (84, 84A, 84B), said shunt stabilizer comprising a rotary electric main engine (2, 2 ') connected to the power lines, a converter (18, 18') and a voltage source, characterized in that Windings (14) in a stator (12) in the main electrical machine (2, 2 ') are connected to the power lines; a rotor (10) in the main electric machine (2, 2 ') comprises alternating current windings (16); one terminal of the inverter (18, 18 ') is connected to the AC windings (16) of the rotor; the second terminal of the converter (18, 18 ') is connected to the voltage source; electrical power being exchanged between the power lines and the shunt stabilizer (84, 84A, 84B) by changing the speed of the rotor (10). 28. Kraftnät enligt patentlaav 27, kännetecknat av att spänníngskâllan är en från kraftledningarna oberoende spârinirigskälla;Power grid according to Claim 27, characterized in that the voltage source is a source of voltage independent of the power lines; 29. Kraftnät enligt patentkrav 27 eller 28, kännetecknat av att spänningskällan är en reglermaskin (20, 20').Power network according to Claim 27 or 28, characterized in that the voltage source is a control machine (20, 20 '). 30. Kraftnät enligt patentln-av 27, 28 eller 29, kännetecknat av att regler-maskinen (20, 20') och huvudmaskinen (2, 2') har en gemensam axel (22).Power grid according to Claim 27, 28 or 29, characterized in that the control machine (20, 20 ') and the main machine (2, 2') have a common axis (22). 31. Kraftnät enligt patentkrav 30, kännetecknat av att strömrilctaren (18') är anordnad vid huvudmaskinens statiska delar och ansluten till huvudmaskinens rotorlindningar (16) via borstar (30) och släpringar (32).Power grid according to Claim 30, characterized in that the current generator (18 ') is arranged at the static parts of the main machine and is connected to the rotor windings (16) of the main machine via brushes (30) and slip rings (32). 32. Kraftnät enligt patentkrav 31, kännetecknat av ett styrsystem, vilket innefattar en första styrenhet (48) för styrning av den statiska strömriktaren (18').Power grid according to claim 31, characterized by a control system, which comprises a first control unit (48) for controlling the static converter (18 '). 33. Kraftnät enligt patentkrav 32, kännetecknat av att styrsystemet innefattar en andra styrenhet (46) som år anordnad medroterande med den gemensamma rotom (22). 10 15 20 3G 514 oss 37Power grid according to claim 32, characterized in that the control system comprises a second control unit (46) which is arranged co-rotating with the common rotor (22). 10 15 20 3G 514 oss 37 34. Kraftnät enligt patentkrav 32 eller 33, kännetecknat av att den första styrenheten (48) är anordnad för styrning av spänningskållan.Power network according to Claim 32 or 33, characterized in that the first control unit (48) is arranged for controlling the voltage source. 35. Kraftnät enligt patentkrav 30, kännetecknat av att reglermaskinen (20) och huvudmaskinen (2, 2') är borstlösa och att strömriktaren (18) är anordnad medroterande vid rotorns axel (22).Power grid according to Claim 30, characterized in that the control machine (20) and the main machine (2, 2 ') are brushless and in that the converter (18) is arranged co-rotating at the axis (22) of the rotor. 36. Kraftnät enligt patentkrav 35, kännetecknat av ett styrsystem, vilket innefattar en första styrenhet (46) för styrning av strömriktaren (18), vilken första styrenhet (46) är anordnad medroterande vid rotorns axel (22).Power grid according to claim 35, characterized by a control system, which comprises a first control unit (46) for controlling the converter (18), which first control unit (46) is arranged co-rotating at the axis (22) of the rotor. 37. Kraftnät enligt patentkrav 36, kännetecknat av att styrsystemet innefattar en andra styrenhet (48) som är anordnad för styrning av spänningskällan.Power network according to claim 36, characterized in that the control system comprises a second control unit (48) which is arranged for controlling the voltage source. 38. Kraftnät enligt patentkrav 34 eller 37, kännetecknat av att styrsystemet (46, 48) för styrning av spänningskällan och strömriktaren, innefattar en elkraftnätsensor (50; 51) för avkänning av en elektrisk störning i elkraftnätetPower grid according to Claim 34 or 37, characterized in that the control system (46, 48) for controlling the voltage source and the converter comprises an electric power grid sensor (50; 51) for sensing an electrical disturbance in the electric power grid. 39. Kraftnät enligt patentkrav 38, kännetecknat av att den elektriska stömingen är en störning av åtminstone en storhet vald ur gruppen: spänningens amplitud; spänningens effektivvärde; spänningens fas; spänningens frekvens; strömmens amplitud; strömmens effektivvärde; strömmens fas; samt strömmens frekvens. 10 15 20 3 C- 514 068 38Power grid according to claim 38, characterized in that the electric disturbance is a disturbance of at least one quantity selected from the group: the amplitude of the voltage; the effective value of the voltage; the phase of voltage; voltage frequency; current amplitude; the efficiency value of the current; phase of the current; and the frequency of the current. 10 15 20 3 C- 514 068 38 40. Kraftnät enligt patentkrav 39, kännetecknat av att styrsystemet innefattar en första temperatursensor (64) för avkänning av statortemperaturen.Power grid according to claim 39, characterized in that the control system comprises a first temperature sensor (64) for sensing the stator temperature. 41. Kraftnät enligt patentkrav 40, kännetecknat av att styrsystemet innefattar en andra temperatursensor (60) för avkänning av rotortemperaturen, vilken andra temperatursensor (60) är ansluten till den medroterande styrenheten (46).Power grid according to claim 40, characterized in that the control system comprises a second temperature sensor (60) for sensing the rotor temperature, which second temperature sensor (60) is connected to the co-rotating control unit (46). 42. Kraftnät enligt patentkrav 40 eller 41, kännetecknat av att styrsystemet innefattar kommunikationsorgan (54, 56) för trådlös kommunikation mellan styrenheterna (46, 48).Power network according to claim 40 or 41, characterized in that the control system comprises communication means (54, 56) for wireless communication between the control units (46, 48). 43. Kraftnät enligt något av patentkraven 38 till 42, kännetecknat av en transformator (3) anordnad mellan statorlindningen (14) och kraftledningarna.Power network according to one of Claims 38 to 42, characterized by a transformer (3) arranged between the stator winding (14) and the power lines. 44. Kraftnät enligt patentkrav 43, känna-tecknat av att styrsystemets elkraftnätsensor (50) är anordnad för avkänning av spänningen i anslutningen mellan transformatorn (3) och statorlindningen (14).Power network according to Claim 43, characterized in that the control system's electrical power network sensor (50) is arranged for sensing the voltage in the connection between the transformer (3) and the stator winding (14). 45. Kraftnät enligt något av patentkraven 27 till 44, kännetecknat av ett svänghjul anordnat vid den elektriska huvudmaskinens axel (22).Power grid according to one of Claims 27 to 44, characterized by a flywheel arranged on the shaft (22) of the main electric machine. 46. Kraftnät enligt något av patentkraven 27 till 45, kännetecknat av ett drivande organ anordnat för päföring av en kraft till den elektriska huvudmaskinens axel (22).Power grid according to one of Claims 27 to 45, characterized by a driving means arranged for applying a force to the shaft (22) of the main electric machine. 47. Kraftnät enligt patentkrav 46, kännetecknat av att det drivande organet är en turbin. 10 15 20 30 514 068 39Power grid according to claim 46, characterized in that the driving means is a turbine. 10 15 20 30 514 068 39 48. Kraftnät enligt patentkrav 46, kännetecknat av att det drivande organet är en förbränningsmotor.Power grid according to claim 46, characterized in that the driving means is an internal combustion engine. 49. Kraftnät enligt något av patentkraven 27 till 48, kännetecknat av ett lastorgan anordnat för upptagande av den drivande kraften hos den elektriska huvudmaskinens axel.Power grid according to one of Claims 27 to 48, characterized by a load means arranged for absorbing the driving force of the shaft of the main electric machine. 50. Kraftnät enligt patentkrav 49, kännetecknat av att lastorganet är en broms (70).Power grid according to claim 49, characterized in that the loading means is a brake (70). 51. Kraftnät enligt patentkrav 49, kännetecknat av att drivorganet är en elektrisk generator.Power grid according to claim 49, characterized in that the drive means is an electric generator. 52. Kraftnät enligt något av patentkraven 27 till 51, kännetecknat av att rotorlindningen (16) är anordnad för att ha en strömförträngning, som beror aV TOÉOTSÉTÖIDITICHS ffCkVCnS.Power network according to one of Claims 27 to 51, characterized in that the rotor winding (16) is arranged to have a current constriction which is due to the TOÉOTSÉTÖIDITICHS ffCkVCnS. 53. Förfarande för Stabilisering av spänningen i ett kraftsystem, innefattande steget: överföring av elektrisk effekt mellan en kraftledning och en roterande elektrisk huvudmaskin (2, 2'), kännetecknat av steget: reglering av den elektriska huvudmaskinens (2, 2') avgivna/ tillförda elektriska effekt genom ändring av den elektriska huvudmaskinens varvtal.53. A method for stabilizing the voltage in a power system, comprising the step of: transmitting electrical power between a power line and a rotating electric main machine (2, 2 '), characterized by the step: regulating the output of the electric main machine (2, 2') applied electrical power by changing the speed of the main electric machine. 54. Förfarande enligt patentkrav 53, kännetecknat av att regleringssteget innefattar stegen: tillhandahållande av en rotorström genom rotorlindningar (16) på den elektriska huvudmaskinen (2, 2'); styrning av rotorspänningens amplitud, fas och frekvens för erhållande av önskvärd amplitud, fas och frekvens för spänningen över statorlindningar (14) på den elektriska huvudmaskinen (2, 2'). 10 15 20 3 C' 514 068 40A method according to claim 53, characterized in that the regulating step comprises the steps of: providing a rotor current through rotor windings (16) on the main electric machine (2, 2 '); controlling the amplitude, phase and frequency of the rotor voltage to obtain the desired amplitude, phase and frequency of the voltage across stator windings (14) on the main electrical machine (2, 2 '). 10 15 20 3 C '514 068 40 55. Förfarande enligt patentkrav 54, kännetecknat av att reglereffekten för huvudmaskinens rotorlindning tillhandahålls genom en reglermaskin (20, 20).Method according to claim 54, characterized in that the control power for the rotor winding of the main machine is provided by a control machine (20, 20). 56. Förfarande enligt patentkrav 55, kännetecknat av att en axel till reglerrnaskinen (20, 20') drivs mekaniskt av en axel (22) till den elektriska huvudmaskinens (2, 2').Method according to Claim 55, characterized in that a shaft of the control machine (20, 20 ') is driven mechanically by a shaft (22) of the main electric machine (2, 2'). 57. Förfarande enligt något av patentkraven 53 till 56, kännetecknat av steget: avkänning av kraftledningens spånning/ ström för detektering av störningar i dess amplitud, effektivvärde, fas eller frekvens; varvid regleringen sker grundat på minst en av de detekterade störningama.A method according to any one of claims 53 to 56, characterized by the step of: sensing the voltage / current of the power line to detect disturbances in its amplitude, rms value, phase or frequency; wherein the regulation takes place based on at least one of the detected disturbances. 58. Förfarande enligt patentkrav 57, kännetecknat av steget: avkänning av temperaturen för huvudmaskinens statorlindningar (l4); varvid regleringen sker grundat även på statortemperaturen.A method according to claim 57, characterized by the step of: sensing the temperature of the stator windings (14) of the main machine; whereby the regulation takes place based also on the stator temperature. 59. Förfarande enligt patentkrav 57 eller 58, kännetecknat av steget: avkänning av temperaturen för huvudmaskinens rotorlindningar (l6); varvid regleringen sker grundat även på rotortemperaturen.A method according to claim 57 or 58, characterized by the step of: sensing the temperature of the rotor windings (16) of the main machine; whereby the regulation takes place based also on the rotor temperature. 60. Förfarande enligt patentkrav 59, kännetecknat av att regleringssteget under en begränsad tid ger elektriska effekter som överskrider märkeffekt, gällande för kontinuerlig drift, för den elektriska huvudmaskinen (2, 2').Method according to Claim 59, characterized in that the control step produces electrical effects in excess of rated power, valid for continuous operation, for the main electrical machine (2, 2 ') for a limited time. 61. Förfarande enligt något av patentkraven 53 till 60, kännetecknat av steget: överföring av styrinformation mellan huvudmaskinens stationära och roterande delar. 514 068 41Method according to one of Claims 53 to 60, characterized by the step of: transmitting control information between the stationary and rotating parts of the main machine. 514 068 41 62. Förfarande enligt något av patentkraven 53 till 61, kännetecknat av steget: transformering av spänningen över huvudmaskínens statorlindningar (14) till lämplig nâtspänning.A method according to any one of claims 53 to 61, characterized by the step of: transforming the voltage across the stator windings (14) of the main machine into a suitable mains voltage.
SE9904478A 1999-04-30 1999-12-08 Rotary power system stabilizer SE514068C2 (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE9904478A SE514068C2 (en) 1999-04-30 1999-12-08 Rotary power system stabilizer
EA200100866A EA003265B1 (en) 1999-04-30 2000-04-26 Rotating power system stabilizer
PCT/SE2000/000781 WO2000067358A1 (en) 1999-04-30 2000-04-26 Rotating power system stabilizer
CA002367398A CA2367398A1 (en) 1999-04-30 2000-04-26 Rotating power system stabilizer
AU47887/00A AU4788700A (en) 1999-04-30 2000-04-26 Rotating power system stabilizer
EP00929985A EP1177606A1 (en) 1999-04-30 2000-04-26 Rotating power system stabilizer

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE9901553A SE514818C2 (en) 1999-04-30 1999-04-30 Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machine
SE9903044A SE521391C2 (en) 1999-04-30 1999-08-27 AC machine has converter connected in between main and regulating machines, operated as an AC polyphase coupler or AC phase angle/voltage regulator or AC short circuit coupler during starting
SE9904478A SE514068C2 (en) 1999-04-30 1999-12-08 Rotary power system stabilizer

Publications (3)

Publication Number Publication Date
SE9904478D0 SE9904478D0 (en) 1999-12-08
SE9904478L SE9904478L (en) 2000-10-31
SE514068C2 true SE514068C2 (en) 2000-12-18

Family

ID=27355972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE9904478A SE514068C2 (en) 1999-04-30 1999-12-08 Rotary power system stabilizer

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1177606A1 (en)
AU (1) AU4788700A (en)
CA (1) CA2367398A1 (en)
EA (1) EA003265B1 (en)
SE (1) SE514068C2 (en)
WO (1) WO2000067358A1 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6670721B2 (en) 2001-07-10 2003-12-30 Abb Ab System, method, rotating machine and computer program product for enhancing electric power produced by renewable facilities
PL374861A1 (en) 2002-07-31 2005-11-14 Sydkraft Ab Electric machine
WO2007084037A1 (en) * 2006-01-23 2007-07-26 Abb Technology Ltd. A converter station and a method for control thereof
US8384319B2 (en) * 2010-04-28 2013-02-26 General Electric Company Systems and methods for controlling an inertia of a synchronous condenser
US9325229B2 (en) * 2013-03-15 2016-04-26 Hamilton Sundstrand Corporation Generator architecture with PMG exciter and main field rotating power converter
AT518513A1 (en) * 2016-03-24 2017-10-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Og Electric generator

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3671850A (en) * 1970-11-19 1972-06-20 Walter E Mehnert Electric generator control system with radio feedback loop
JPH0695840B2 (en) * 1986-04-07 1994-11-24 関西電力株式会社 Control device for wire wound induction machine
US4723106A (en) * 1986-08-29 1988-02-02 General Electric Company Brushless generator exciter using hybrid rectifier
SE9704431D0 (en) * 1997-02-03 1997-11-28 Asea Brown Boveri Power control of synchronous machine

Also Published As

Publication number Publication date
EP1177606A1 (en) 2002-02-06
SE9904478L (en) 2000-10-31
WO2000067358A1 (en) 2000-11-09
EA200100866A1 (en) 2002-04-25
SE9904478D0 (en) 1999-12-08
EA003265B1 (en) 2003-02-27
AU4788700A (en) 2000-11-17
CA2367398A1 (en) 2000-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeng et al. Use of battery energy storage system to improve the power quality and stability of wind farms
Awadallah et al. Energy storage in flywheels: An overview
Zhou et al. Use of large capacity SMES to improve the power quality and stability of wind farms
US8558405B2 (en) Method and system for operating and controlling a wind turbine to prevent excitation of subsynchronous oscillations within the wind turbine
CA2780327C (en) Power oscillation damping employing a full or partial conversion wind turbine
CN102869515A (en) Method and system for damping subsynchronous resonant oscillations in a power system using a wind turbine
JP2012516666A (en) Frequency inertia of wind turbine power system
Qiao et al. Effects of FACTS devices on a power system which includes a large wind farm
CN100505469C (en) Flexible AC double-feed type wind generating and transmitting system
CN100505470C (en) Flexible AC transmitting system based on flywheel energy storage
WO2009016340A1 (en) Control methods for vsc active rectifier/inverters under unbalanced operating conditions
JP2012516667A (en) Power system frequency inertia for power generation system
Chen et al. STATCOM controls for a self-excited induction generator feeding random loads
CN103219736B (en) Control method of suppressing double-frequency fluctuation on direct current side of permanent magnetic direct-drive wind power generation system through flywheel energy-storing unit
CN101917013A (en) Double-feed wind power generating system with energy storage function
Park Simple flywheel energy storage using squirrel-cage induction machine for DC bus microgrid systems
SE514068C2 (en) Rotary power system stabilizer
Tremblay et al. Study of grid-side converter control for grid-connected DFIG wind turbines under unbalanced load condition
Hossain et al. Power system voltage stability and models of devices
CN201041943Y (en) Flexible AC double-feeder wind power generation and transmission system
Meenakshi et al. Doubly fed induction generator for wind energy conversion system-A survey
CN113852318B (en) New energy power generation direct-drive system
CN100377478C (en) Energy-storing phase modulation motor
Abu-Siada et al. Application of a superconducting magnetic energy storage unit to improve the stability performance of power systems
Jin et al. Application of static compensators in small AC systems with constant power loads

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed