電功率流控制的製作方法
2023-06-02 21:17:26 1
專利名稱：電功率流控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制AC傳輸系統中的功率流的設備和方法。更精確地，本發明涉及一種包括相移變壓器(PST)的控制設備。在此上下文中，相移變壓器應該理解成包括單芯及多芯變壓器，二者均可以包括對稱或非對稱的設計。相移變壓器還可以包括附加的電壓調整裝置。
背景技術：
先前已公知用於控制AC傳輸線中的功率流的相移變壓器。這種PST包括串聯地連接或斷開變壓器的附加繞組的抽頭變換器。由此控制相量取向。於是功率通過由磁路的不同部分激勵的繞組之間的連接而從相鄰相轉移到單個相。在純相移變壓器中，與源電壓正交的電壓被注入到線中。
相移變壓器可以用於控制並行線之間的負載分配以增大總的功率傳遞。有利的是，相移變壓器能夠阻止饋送網絡中由相角差引起的寄生功率流。功率可以以限定的方式分配給用戶，並且可避免循環功率流。
使用PST的優勢在於其具有較低的無功功率消耗。沒有次同步諧振(SSR)的風險，並且在小電流狀況下也是強有力的。
但是，PST的使用提供低控制速度。抽頭變換器必須按順序遍歷每個抽頭位置。每次抽頭變換在3-5秒量級內實現。因此，在功率擾動後的過渡期中，PST不能以決定性的方式參與。更頻繁的抽頭變換尤其是在大電流狀況下增加了維護需求。
抽頭變換器是機械裝置，因此工作慢並且是機械磨損對象。其具有150kV的最大調整電壓範圍和少於35個的最大工作位置數目。最大抽頭電壓在4000-5000V/抽頭的量級內並且最大額定通過電流約是3000-4500A。最大功率處理容量(power handling capacity)是6000-8000kVA/抽頭並且存在短路發熱極限。小的電壓階躍構成許多操作。
控制AC傳輸線中的功率流的另一方法是使用靜止串聯補償器，尤其是靜止同步串聯補償器(SSSC)。這種SSSC通常包含電壓源轉換器(VSC)。在SSSC中，與線電流正交的電壓被注入到線中。
在幾個基頻周期內，SSSC從全電感性調整到全電容性調整是可控的，反之亦然，因此在功率擾動後的過渡期中能夠是強有力的控制設備。與PST的抽頭變換器相比，SSSC對頻繁的控制動作不維持敏感。因此SSSC適用於閉合環路控制。但是，SSSC相比PST在無功功率產生/消耗方面具有較大的變化。在電感性工作中，SSSC消耗無功功率，在電容性工作中，SSSC產生無功功率。而且，SSSC比PST昂貴。
發明內容
本發明的首要目的是提供AC電力傳輸的功率流控制，其快速並且不涉及單獨使用PST或SSSC的缺點。
根據本發明，這個目的通過特徵在於獨立權利要求1中的特徵的控制設備或者特徵在於獨立權利要求14中的步驟的方法來實現。優選實施例在從屬權利要求中描述。
根據本發明，包含抽頭變換器的PST、包含VSC的SSSC以及控制PST和VSC二者的控制單元相組合形成用於控制高電壓網絡中的功率流的控制設備。作為對負載狀況變化的響應，通過首先調整SSSC的VSC其次用抽頭變換器調整PST，來控制功率流。在第一時間段內，控制受SSSC單獨影響，而在第二時間段內，控制受SSSC和PST二者的組合調整的影響。通過該控制，由SSSC的快速能力對PST的慢控制能力進行補償。在一個實施例中，每當抽頭變換器從一個抽頭到另一個抽頭地改變時，SSSC被控制為補償新的抽頭位置。在另一實施例中，在維持SSSC的穩定調整的同時，實現抽頭變換器從一個抽頭到另一個抽頭的改變。因此，該設備的優選工作條件可以在PST和SSSC的控制範圍內獲得。在本發明的實施例中，SSSC包括串聯電壓源轉換器。
在本發明的第一方面中，所述目的通過控制設備來實現，該控制設備包括包括抽頭變換器的PST、包括可控VSC的SSSC以及包括計算機裝置的控制系統，其中該計算機裝置包括用於控制相協調的PST和SSSC的VSC的處理器。在又一實施例中，該控制系統包括通信單元，操作員或用戶用該通信單元來對控制進行監督、控制或超馳控制(overriden)。
在本發明的第二方面中，所述目的通過用於控制AC傳輸線中的功率流的方法來實現，該方法包括第一步驟，其中，由SSSC的VSC對新的負載需求進行快速調整；以及第二步驟，其中，對PST和SSSC的VSC二者的組合調整進行評估。在又一步驟中，通過調整與SSSC的VSC協調的PST，實現針對PST和SSSC二者的優選工作點的內部調整，使得外部功率流控制不受影響。
根據本發明，由抽頭變換器以順序步驟進行調整的PST與由VSC調整的SSSC相組合，來由普通控制系統提供快速且適應性的功率流控制。PST的慢控制能力由VSC的快速控制來補償。因此，在調整時，PST由SSSC的VSC動態地支持。在下文中，這個被動態支持的PST稱為DSPST，其包括與包含可控VSC的SSSC相組合的標準抽頭變換器受控的PST。PST的動態輔助減少了由抽頭變換器進行的控制動作的數目，這極大地增大了抽頭變換器的壽命周期。
根據本發明，功率流控制器(PFC)的所需定額分為兩部分，一部分由PST構成，而另一部分由包含VSC的SSSC構成。協調SSSC和PST的控制的可能性使得兩個單元的定額比每個單元單獨工作的電路中的定額小。相比之下，單個PST調整單元將必須具有大的定額，並且單個SSSC單元也將必須具有大的定額。相比單個PST和單個SSSC二者，組合將獲得整體的性能改善。
根據下述說明，結合附圖，本發明的其它特徵和優點將對於本領域技術人員變得更明顯。在附圖中圖1是根據本發明的控制設備的主電路；圖2是包括所述設備的簡單網絡；圖3是用串聯電壓和通過量電流(throughput current)表示的工作範圍；圖4是純SSSC模式下的工作範圍；圖5是純PST模式下的工作範圍；圖6是該設備的穩態工作範圍；圖7是PST處於最大抽頭位置的所述設備時的動態範圍；圖8是PST處於最小抽頭位置時的動態範圍；
圖9是與分流補償裝置相組合的設備；以及圖10是該設備的概念上的控制機構。
具體實施例方式
一種根據本發明的控制功率流的設備如圖1所示。該設備包括抽頭變換器受控相移變壓器(PST)1、受控靜止同步串聯補償器(SSSC)2和控制單元3。SSSC包括電壓源轉換器(VSC)4和DC電容器5。在一個實施例中，DC電容器包括多個電容器單元。VSC包括二電平橋，該二電平橋(two level bridge)包括多個串聯連接的開關器件。每個開關器件包括反並聯連接有二極體的半導體元件。轉換器拓撲與STATCOM的轉換器拓撲類似並且可從文獻中得知。在一個實施例中，VSC直接連接到AC線電勢。在另一實施例中，VSC通過串聯變壓器連接到線。
SSSC注入連續可變的串聯補償電壓，其與線電流正交，即，超前或滯後該電流90電度。可以獨立於線電流的大小而控制電壓的量值。
PST對功率流的控制通過抽頭變換器的控制來實現。由於這是機械裝置並且控制必須以順序步驟進行，所以該控制是慢的。
由於連續可控的SSSC，使得根據本發明的設備的控制解析度(抽頭變換器和SSSC控制動作的組合效果)在整個組合控制範圍內是無限的。
為了說明DSPST的工作範圍，使用了如圖2所示的簡單網絡。該網絡包括根據本發明的與第一節點14和第二節點15之間的等價電抗並聯連接的DSPST。DSPST的目的是控制一方面的其中安裝有DSPST的路徑與另一方面的並行路徑之間的功率分配。在圖2中，並行路徑由與DSPST並聯連接的等價感抗Xeq來表示。通過控制串聯電壓Vseries，可以控制功率流的分配。
在圖2中，粗體的量表示相量(具有量值和相位)。電流以I表示，且電壓以V表示。
利用這個簡單的網絡，工作範圍可以在圖3所示的圖中描繪，其中，通過DSPST的電流在x軸上，而串聯電壓在y軸上。
左半平面對應於從第二節點15流到第一節點14(稱為輸入)的電流(功率)，且右半平面對應於從第一節點流到第二節點(稱為輸出)的電流(功率)。第一和第三象限對應於電流(功率)的量值的減小，而第二和第四象限對應於電流(功率)的量值的增大。
包括PST和SSSC的DSPST可以以其中相移變壓器(PST)處於零抽頭位置的純靜止同步串聯補償器(SSSC)模式工作。零抽頭位置意味著只有PST的短路電抗對串聯電壓有貢獻。
圖4圖示了純SSSC模式下的工作範圍。沿著SSSC的零電壓線，SSSC對於網絡是中性的。因此，沿著該線，SSSC不注入串聯電壓。該線的斜率依賴於PST的短路電抗。
從零電壓線開始，在第一象限中的額定電流處，跨SSSC的電壓沿正的、電感性的方向增大，並因此通過DSPST的電流減小。因此，工作點將沿著與圖4中的箭頭平行的線移動。箭頭的斜率將依賴於Xeq的大小。SSSC的尺度通常確定為使得僅對於比指定的跨SSSC的串聯電壓小的電壓，才允許工作。類似地，SSSC的尺度通常確定為容許低於指定極限的通過量電流。當電壓增大到額定極限時，不能通過使SSSC工作來實現電流的進一步減小。於是如果電流減小，則跨DSPST的電壓將減小，原因是跨PST的電壓由於其短路電抗而將減小。一旦零電流線被越過，相對於電流，電壓將變成電容性的，這不是因為跨SSSC的電壓改變，而是因為電流改變方向。工作區在第二象限中受額定電流限制。從圖4中可以看出，通過以負電壓使SSSC工作來擴展工作區。
通過使SSSC部分以零電壓工作，DSPST可以以純PST模式工作。於是工作範圍看起來如圖5所示。
零抽頭線與圖4中的零電壓線相同，即其斜率依賴於PST的短路電抗。從零抽頭線開始，當抽頭變換器朝最正的位置移動時，串聯電壓沿正的方向增大，且當抽頭變換器朝最負的位置移動時，串聯電壓的量值沿負的方向增大。
圖6圖示了當PST和SSSC範圍被組合時的DSPST穩態控制範圍。顯然，與僅僅PST或SSSC相比，PST和SSSC的組合效果將工作範圍在所有四個象限中擴展。
動態工作範圍意味著可以被足夠快地控制以減輕電力系統中的電子-機械過渡的後果的工作範圍部分。因為在一秒鐘的一小部分內，SSSC可以容易地將工作點從額定正電壓改變到額定負電壓，反之亦然，所以，其非常適於例如對源自同步機器如發生器中的電子-機械振蕩的功率振蕩的阻尼作出貢獻。另一方面，在PST中，每個步驟花費五秒量級並且每個步驟必須依次經過，從而PST太慢以致於不能在過渡期中積極地作出貢獻。換句話說，DSPST的工作範圍的動態部分對應於SSSC部分。
但是，通過在預擾動情況下控制抽頭變換器，可以改變DSPST的總體特性。當然，圖4給出了PST處於零抽頭位置時的動態範圍。在圖7中，PST處於最大抽頭位置。可能會注意到，在輸出情況下(正的通過量電流)，DSPST的整個動態工作範圍(正的和負的SSSC電壓兩者)具有減小功率流的總體動態特性。類似地，在輸入情況下(負的通過量電流)，DSPST的整個動態工作範圍(正的和負的SSSC電壓兩者)具有增大功率流的總體動態特性。當然，通過將PST設置在例如最小抽頭位置，可以獲得類似特徵，如圖8所示。
因此，可以改變DSPST的能力以動態增大或減小功率流。
主要的控制目的，即安裝可以用動態支持的相移變壓器DSPST表示的控制設備的原因，包括以下一個或多個·慢/準穩態功率流控制·功率振蕩阻尼·通過傳輸通道特性的快速變化，提高過渡性能慢/準穩態功率流控制是一方面的其中安裝有DSPST的傳輸路徑與另一方面的並行路徑之間的功率分配的慢控制。滿足該目的的控制速度要求低得足以由PST和SSSC部分兩者來滿足。
功率振蕩阻尼是用以減輕電力系統中通常在擾動之後的功率振蕩的DSPST的快速控制。這些振蕩的頻率通常在0.1-2.0Hz範圍內並且很大程度上依賴於參與振蕩的機器組或同步機器(通常是發生器)的慣性常數。滿足該目的的控制速度要求僅可以由DSPST的SSSC部分來滿足。
在擾動之後的過渡期的一小部分內，通過快速改變DSPST的SSSC部分的工作點，可以改變其上安裝有DSPST的傳輸互連的特性。在其最電感性的(減小)位置，傳輸互連上的角度差處於其最大值，導致互連上的功率傳遞減小並且並行路徑上的功率傳遞增大。在其最具電容性的(增大)位置，互連上的總角度處於其最小值，導致互連上的功率傳遞增大並且並行路徑上的功率傳遞減小。
特別地，如果安裝了若干DSPST並且協調了它們的控制，則系統的遇到例如穩定性問題的被擾動部分可以被快速免除功率傳遞，而系統的未被擾動部分拾起功率傳遞。通過擁有在擾動發生之後的例如少於0.5秒內在端位置之間通過的能力，總體互連繫統的過渡性能可以因而顯著提高。PST部分太慢以致於不能在這個時間幀內動作，但是，其預擾動工作點將影響DSPST的總體特性乃至傳輸互連。
通過協調抽頭變換器和晶閘管的控制，還可以包括控制策略中的以下有利控制目的中的一個或多個·以儘可能最小的電流使抽頭變換器工作·儘可能最少數目的抽頭變換器操作·無功功率消耗控制(限制)·動態範圍控制通過控制大電流狀況下的DSPST，使得首先主要是SSSC部分動作以減小電流，接著主要是PST部分在小電流狀況下動作，抽頭變換器上的壓力得以減輕並且維護需求減少。
通過使SSSC部分儘可能快並且使PST部分減慢，甚至多於其自身固有的情況，可以減少抽頭變換器操作的數目。這是當以短持續時間加載的變化由SSSC部分處理並且PST部分僅作用於較長持續時間的變化時實現的。
PST部分由於其短路電抗而消耗無功功率，其與由於其本性而具有大很多的變化的SSSC相比，由於抽頭變換器位置而僅僅具有小的變化。SSSC可因此依賴於所注入的電壓是電感性的還是電容性的而消耗或產生相當量的無功功率。表現出電感性或電容性是由電壓是超前還是滯後電流90電度而實現的。因為利用PST和SSSC控制動作的不同混合可以達到幾乎整個工作範圍，所以可影響無功功率的總消耗或產生。如果例如電力系統由於某個原因而在電壓支持方面弱，即電壓低，則產生無功功率或者至少限制DSPST的無功功率的總消耗是有利的。
如果期望的串聯電壓可以通過電容性的SSSC電壓和PST的組合動作來獲得，則儘量大的SSSC動作和儘量小的PST動作是有利的。如果期望的串聯電壓僅可以通過電感性的SSSC電壓和PST動作的組合來獲得，則儘量大的PST動作和儘量小的SSSC動作是有利的。類似地，如果電壓高，則消耗無功功率或者至少限制DSPST的無功功率的總產生是有利的。顯然，相反的控制策略將是優選的，即如果期望的串聯電壓可以通過電感性的SSSC電壓和PST的組合動作來獲得，則儘量大的SSSC動作和儘量小的PST動作是有利的。如果期望的串聯電壓僅可以通過電容性的SSSC電壓和PST動作的組合來獲得，則儘可能大的PST動作和儘可能小的SSSC動作是有利的。另外，如果用於無功功率分流補償的裝置被加到DSPST，則可以控制總的無功功率平衡。
圖9示出了一種包括PST 1、SSSC 2、控制單元3並且還包括分流補償裝置25的控制設備。因此，在本發明的這個實施例中，包括了用於無功功率分流補償的裝置，使得DSPST的無功功率平衡可以被定製以滿足特定電力系統要求。這些裝置包括這樣的器件，例如連接了斷路器的電容器組和電抗器、靜止無功補償器(SVC)和STATCOM。
圖10示出了根據本發明的控制功率流的DSPST的控制機構。在示出的實施例中，DSPST包括布置在電力傳輸線10上的PST和SSSC、第一閉合環路11和第二閉合環路12。第一閉合環路包括傳感器13，傳感器13用於感測第一節點14和第二節點15之間的線10上的功率流。而且，第一環路包括第一比較器16、PI(比例積分)控制器17和第二比較器18。
將測得的有功功率流Pm與對應於期望的有功功率流的設置值Pset相比較。差信號被發送到具有限制的PI控制器。PI控制器產生與所需電壓成比例的信號，該信號被發送到SSSC的控制端，SSSC通過這些裝置來被控制以滿足有功功率流的設置值。
用於功率振蕩阻尼(POD)的補充信號可以添加在PI控制器之後，使得快速電子-機械功率振蕩可以由SSSC動作來減輕。
用於控制PST的第二閉合環路包括低通濾波器19、比較器20和PI控制器21。與所需電壓成比例的信號被發送通過低通濾波器19，用於與電壓的設置值 進行比較。該低通濾波器將阻擋進入的V的短持續時間的變化。V的實際值與期望值 的差被發送到具有限制的PI控制器，PI控制器產生與期望的抽頭成比例的信號t，該信號被發送到抽頭變換器控制端。
通過應用圖10中的控制機構，可以實現以上列出的所有控制目的。
·慢/準穩態功率流控制顯然得以實現。
·功率振蕩阻尼通過引入補充POD信號得以實現。
·傳輸通道特性的快速改變可以通過快速改變設置點Pset、可能結合改變第一PI控制器的增益得以實現。
·大電流狀況下的抽頭變換器的操作按以下方式避免。如果電流突然增大，尤其進入過載範圍，則SSSC將首先動作以減小電流，然後在較低電流下，PST將動作以滿足設置值 ·通過在抽頭變換器控制支路中引入低通濾波器，抽頭變換器操作的數目得以減少。該濾波器將阻擋短持續時間的變化，並因此減少抽頭變換器操作的數目。
·無功功率平衡控制(限制)可以以至少兩種方式實現。通過改變設置值 無功功率平衡可以被控制，並且通過在第一PI控制器限制器中引入無功功率限制，其可以被限制。
當然，其它控制機構也可以用於滿足所述控制目的。
儘管是優選地，但本發明的範圍絕非受所提出的實施例的限制，而是還包括對於本領域技術人員顯而易見的實施例。例如，在PST和SSSC之間的傳輸線絕非如附圖中所示出的那樣短，而是包括任何長度，只要PST和SSSC串聯連接。圖10中的閉合環路設置無需是完全閉合的。因此，在特定狀況下，可能優選的是，使操作員或用戶通過直接調整PST的抽頭變換器來選擇理想工作點。根據本發明，該設備將通過對應地調整SSSC來自動響應於PST的這種強制控制。
權利要求
1.一種用於控制高電壓網絡中的功率流的設備，其包括具有抽頭變換裝置的相移變壓器(1)，其特徵在於，所述設備還包括包含電壓源轉換器(4)的靜止串聯補償器(2)以及用於控制相協調的所述相移變壓器和所述靜止串聯補償器的控制裝置(3)。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述靜止串聯補償器還包括電容器裝置(5)。
3.根據權利要求2所述的設備，其中，所述電容性裝置(5)包括多個電容器單元。
4.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述電壓源轉換器(4)包括包含多個串聯連接的開關器件的二電平橋，每個開關器件包括反並聯連接有二極體裝置的半導體單元。
5.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述靜止串聯補償器(2)與地隔離並且連接到具有電勢的AC線。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的設備，其中，所述靜止串聯補償器(2)通過串聯變壓器連接到所述AC線。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述控制裝置包括包含處理器和存儲器裝置的計算機以及用於感測所述網絡的功率流的傳感器(13)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述控制裝置包括用於控制所述靜止串聯補償器(2)的第一環路11。
9.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述控制裝置包括用於控制所述相移變壓器(1)的第二環路12。
10.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述控制裝置包括用於引入控制參數值的裝置(16、18、20)。
11.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述相移變壓器(1)位於第一位置並且所述靜止串聯補償器(2)位於第二位置，並且所述第一和第二位置分開一距離。
12.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述設備包括分流補償器裝置(25)。
13.根據權利要求11所述的設備，其中，所述控制裝置包括用於控制所述分流補償器裝置的裝置。
14.一種用於控制具有包括相移變壓器(1)的控制設備的高電壓網絡中的功率流的方法，其特徵在於，通過可控靜止串聯補償器(2)在第一時間段中調整所述控制設備的電壓，並且在第二時間段中調整所述相移變壓器(1)的電壓以及所述控制設備的電壓，以實現所述相移變壓器和所述靜止串聯補償器之間優選的工作平衡。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述靜止串聯補償器調整包括感測所述功率流、與設置值的比較、由PI控制器進行的調整以及與振蕩阻尼信號的比較。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述相移變壓器調整包括對來自所述靜止串聯補償器調整的控制信號進行濾波、與串聯電壓值的比較以及由PI控制器進行的調整。
17.一種可存儲在計算機可用介質上的電腦程式產品，其包含使處理器評估權利要求14到16的方法的指令。
18.根據權利要求17所述的電腦程式產品，至少部分地通過網絡如網際網路提供。
19.一種計算機可讀介質，其特徵在於，其包含根據權利要求17所述的電腦程式產品。
全文摘要
一種用於控制高電壓網絡中的功率流的設備，其包括具有抽頭變換裝置的相移變壓器(1)。
文檔編號H02J3/18GK101080861SQ200480044617
公開日2007年11月28日 申請日期2004年12月16日 優先權日2004年12月16日
發明者貝蒂爾·貝裡格倫, 莫傑塔巴·諾羅齊安 申請人:Abb研究有限公司