专利名称：具有可控制阻抗的器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有在PCT/NO001/00217中描述的那种可控制阻抗的电路元件。
在所述专利申请中，描述的电路元件包括可磁化材料的本体，围绕本体绕第一轴缠绕的主绕组，以及围绕本体绕第二轴缠绕的控制绕组。通过改变控制绕组中的电流，有可能改变电路元件的磁阻，由此改变在主绕组被连接到的电路中的与频率变化无关的阻抗。
所以，按照本发明的概念涉及到提供如在专利权利要求1中指出的具有可控制阻抗的电路元件，其中阻抗控制是藉助于控制电流实施的。本发明的主要优点在于，它不需要可移动的零件或用于控制阻抗值的复杂的电路。
在本发明背后的原理显示于
图1。在该图中，显示一可磁化材料的本体1，它可以是铁氧体或铁或其他适当的可磁化材料。围绕本体1缠绕有主绕组A1，该主绕组在其中需要引入可变阻抗的地点处被连接到电路。A1是围绕第一方向缠绕的，该方向在图1A所示的情形下是与本体1的周边一致的。第二绕组，即控制绕组A2，也围绕本体1缠绕，但是其绕线轴与A1的绕线轴成直角(正交)，由此很大地避免在A1与A2之间的变压器式联系，且唯一的联系发生在可磁化材料内。原理上，该联系被显示为材料的μr的改变。根据已知的公式Rm＝1/μrμ0A，L＝N2/Rm，以及XL＝jwL，可以看到，μr的改变将导致L的改变，从而是XL的改变。
本发明的特性对于调整是特别有用的，该调整现在是藉助于电力电子装置实现的。
按照本发明的电路元件的第一个应用是用于传输线中的串联补偿(专利权利要求2，图2)。串联补偿是在其中各种设备的连接造成线路的总的阻抗具有过高的电感因子的电力线12的情形下采用的。为了补偿电感因子，插入电容器C1。按照本发明的元件L1，然后被串联连接到其中要进行补偿的线路12(即，元件L1中的主绕组A1被串联连接到线路12)。同时，元件L1被并联连接到电容器或电容器电池C1。藉助于L1中的控制绕组A2，有可能控制元件L1的阻抗从非常低的数值(其中线路12中的电流传送通过元件L1而不通过电容器C1)改变到高的数值(其中线路12中的电流主要传送通过电容器C1)。串联补偿的第二个应用是为了改变传输线的阻抗值，由此控制在几条平行传输线之间的功率流。在图1所示的情形下，有可能藉助于按照本发明的元件L1来控制线路12的阻抗，由此控制在线路12与13之间的负载分布。按照现有技术，有可能通过这种手段执行负载流调整(电流限制或重新分布功率流)和稳定性控制。
按照现有技术，这种串联补偿是藉助于闸流管控制或闸流管连接的串联电容器(CSCS，TSSC)实行的。为了驱动不同的闸流管，所以需要闸流管组和控制设备。这是麻烦和昂贵的。
本发明也涉及按照专利权利要求10和11的用于控制传输线的阻抗的系统，以及在专门的实施例中，按照权利要求12的用于传输线的串联补偿系统。
本发明的这样的实施例包括测量单元2，用于测量有关线路的运行参量(U，Icosφ，P，Q，S，f)；带有输入端和输出端的处理单元，其中第一输入端连接到测量单元，以使得测量的结果被发送到处理单元，第二输入端被连接到用于输入想要的数值的输入单元，以及至少一个输出端，其中输出信号被变换成具有想要的频率和强度的电流控制信号(这个电流可以是直流或交流)，以及具有可控制阻抗的电路元件包括用于连接到传输线的主绕组和用于连接到处理单元的控制绕组，结果，该处理单元根据测量的结果与想要的数值之间的比值控制元件的阻抗。
也有可能把本发明实施为“开环”控制电路，其中根据想要的值调整阻抗值，而不用测量值的任何反馈。
用于本发明的简化方框图显示于图3。
图3显示按照本发明的上述的实施例的系统。如上所述，该系统包括测量单元2，用于连接到必须被串联补偿的传输线12，且该测量单元将测量线路的运行参量，诸如电压、电流、cosφ。该测量值被发送到处理单元4，在本发明的实施例中，该处理单元也被馈送以想要的值。根据输入值，处理单元计算对于元件L1的阻抗的想要的值，由此，得出将被加到元件的控制绕组A2的必要的控制电流值。
因此，本发明构成可控制的串联电抗器，它可以与串联电池相组合地被利用。
本发明具有很大的功利价值，因为它由于调整功率流的能力(在正常运行下或在故障后)或由于增加的稳定性极限而导致增加的网络利用(增加的负载极限)。
关于电路元件的输出，最大输出优选地可以是3000A的量级，且具有10-50欧姆的阻抗。
关于系统的调整要求，将需要串联电感的线性控制。调整系统(在想要的例子中它在处理单元4被提供)应当能够跟随高达10Hz的频率的功率改变，如果该单元要被使用于稳定性控制的话。如果它被使用于补偿子同步谐振，则它必须提升到30-50Hz。
关于在使用系统时的保护要求，传统的阻抗/距离保护将被“波动保护”替换。如果使用串联电池，则这将导致对于金属氧化物分流器(MOD)的需要。
至于系统损耗，静态损耗将是小的，但这是最小考虑，因为元件的总的实用价值是高的。系统的一个优点是，它包括具有极低的运行成本的单个元件。
按照本发明的电路元件的第二个应用是作为在传输线中的并联补偿器(专利权利要求3)，即，作为有可能与并联电池相组合的可控制的并联电抗。按照现有技术，这种并联补偿是藉助于闸流管控制的电抗器(TCR)执行的，这必然伴有所有的缺点。本发明的这个应用被显示于图4。
按照本发明的这个实施例，并联补偿是藉助于具有主绕组A1的电路元件L1实施的，该主绕组A1被连接到传输线13的一端，以及传输线的另一端被连接到电容器C1。该电容器C1又被连接到地。补偿是通过藉助于控制绕组A2改变电路元件L1的阻抗，由此改变串联电路L1-C1的总的阻抗。该串联连接的总的阻抗因此从纯电感性的(元件L1的高的阻抗值)变化到零(L1与C1之间的串联谐振)，以及此后变化到纯电容性的(电路元件L1的低的阻抗值)。同时，将有可能藉助于这个器件执行电压调整，其中在线路上不可接受的高电压将能够通过增加对于该元件和电容器的总的串联阻抗而被补偿，而对于不可接受的低电压来说反之亦然。
因此，在第二实施例中，按照本发明的系统包括用于并联补偿的系统(专利权利要求13)，其具有测量单元、处理单元、和可控制的电路元件，其中主绕组A1被安排成与传输线13并联连接，以及其中系统还包括电容器或电容器电池C1，它与用于并联补偿传输线13的、电路元件L1的主绕组A1串联连接。
本发明的这个实施例的功能将是传输线中的电抗补偿和电压调整。
它由于较好的电压调整(在正常运行下或在故障后)和电抗保留，或由于电压稳定性方面增加的极限而导致增加的网络使用性(增加的负载极限)。
关于并联电抗器的输出，其将是80-150MV Ar(300kV，420kV)。对于处理单元的调整的要求将类似于对于SVC单元的要求(带宽10-20Hz)。
这个系统没有专门保护要求，这意味着，可以使用标准导体(MOA)。
至于损耗，这些损耗相应于或低于普通电抗器(即，不能调整阻抗的带有铁芯的电抗器)的损耗。控制电流损耗将额外增加(3％)。最关心的是把本发明的这个方面与传统的闸流管控制的电抗器(TCR)相比较。
按照本发明的电路元件的第三个应用是用于接地故障补偿(专利权利要求4)。在这个领域中的现有技术包括使用所谓的灭弧线圈(Petersen coil)以限制接地故障电流。灭弧线圈是具有铁芯和空气隙的电抗器，它被连接在网络中性点与地之间。灭弧线圈除了必须被机械地调整以外，是极其昂贵的。灭弧线圈必须随时调整，以便与它所连接到的系统的其余部分谐振。系统中的阻抗改变所以将导致对于线圈的新的机械调整的需要。这是麻烦的和昂贵的，因此大大限制这样的线圈的使用。
本发明的所述应用示意地显示于图5和6。图5显示三相变换器，其中初级绕组以三角形(△)结构被连接，而次级绕组以星形结构被连接。所以，按照本发明的电路元件L1被安排在星形结构的零点与地之间。通过改变电路元件L1的阻抗，将有可能控制接地故障返回或反向电流。
本发明也包括用于接地故障补偿(专利权利要求14，图6)，即，用于调整接地故障阻抗的系统，包括测量单元2，用于测量接地故障返回或反向电流，连同用于电气元件T1的其他参量；处理单元4，具有至少一个输入端和一个输出端，其中输入端被连接到测量单元2，以及在该处理单元中测量值与对于接地故障反向电流值的想要的值进行比较，以便得出构成控制电流信号的输出信号；以及具有可控制阻抗的电路元件L1，其具有用于连接在元件T1与地之间的主绕组A1，以及用于连接到处理单元4的控制绕组A2，结果，控制电流信号从处理单元4被馈送到控制绕组A2，由此根据在测量的结果与想要的数值之间的比值控制处理单元4的元件L1的阻抗和接地故障电流。
关于这个系统的输出，优选地，这将高达200A。
这个实施例没有专门的保护要求，以及损耗将是不重要的，因为跨越电路元件上的电压通常是低的。
电路元件的第四个应用是作为滤波器(专利权利要求5)，例如作为具有非常快速的调整的并联或串联补偿。
这个快速的调整是通过仅仅提供控制电流的快速改变而达到的。
按照这个实施例，本发明包括滤波器(用于带通滤波器的图7，用于高通滤波器的图8)，它包括并联或串联补偿器，具有用于连接到电源电路的主绕组和用于连接到控制单元的控制绕组。藉助于控制电流，被包括在滤波器中的电路元件将能够仅仅通过改变控制电流的特性而按需要改变滤波器的特性。
按照本发明的滤波器系统(专利权利要求15)将包括具有如前所述的电路元件的滤波器，连同用于控制元件的电感的测量和处理单元。该系统的作用是补偿，除了电抗补偿以外还减小谐波、相位非对称和闪变。
在这个应用中，本发明提供在HVDC(高压直流电流)变换器中的更好的电压质量和增加的可靠度。
至于输出要求，这将根据必须使用滤波器的场合而变化，但通常可以认为，一般地，它将是50-100MV Ar的量级。系统的调整必须是快速的，即，优选地从几毫秒到1/10秒。
所以，本发明给出对于已知的有源滤波器(基于功率电子装置的)、无源滤波器和混合解决方案的替换例。
电路元件的第五个应用是作为限流器(专利权利要求16)，“发生器开关”，诸如例如可控制的串联电抗器，用于与电负载装置有关的电流限制。本发明的这个实施例显示于图9。这个实施例整体上类似于图3所示的实施例，除了控制是唯一地根据想要的电流值进行的。由此，本发明也将包括电流限制系统，其中有可能藉助于按照本发明的电路元件提供开关。该开关然后能够藉助于控制电流从断开状态(即，非常高的阻抗)无级地移到闭合状态(即，阻抗等于零)。通过使用按照本发明的限流器，有可能把提供到负载装置的电流减小到电流断路器可处理的幅度。这样，有可能用电路断路器与按照本发明的限流器相组合代替功率开关(它比起电路断路器昂贵20倍，但另一方面，它能够中断高的电流值)。
在这种情形下，系统的作用是取决于要求通过引入较高的或较低的阻抗而限制电流。
关于本发明的使用价值，最重要的优点是，它导致对于开关设备的需要的减小。
在这种情形下，输出要求将与它的使用目的无关。
关于调整要求，不必具有用于调整的闭环。
在正常的“接通模式”下的损耗大约是零损耗。
本发明将给出对于限流器的替换例。
我们现在给出本发明的可能的具体的应用。
Flesaker-Tegneby间的串联电抗器关于在挪威电源网中可能的应用，作为串联电抗器的使用可以作为例子被阐述。对于在挪威南部从西到东的传输容量的限制常常由Flesaker-Tegneby间的300kV的容量确定。这样做的理由是，当挪威东部的中心线路掉电时，这将导致在Flesaker与Tegneby之间的线路/电缆上增加的负荷。可控制的串联电抗器将提供减小在故障情形下的这个方面的功率流的可能性，由此允许增加在Flesaker部分的运行负荷极限。
公共运输事业电源电源波动是在挪威和采用旋转变换器的其他国家的公共运输事业电源的越来越大的问题。挪威的变换器组主要包含机械连接的同步电动机一同步发电机组，它为公共运输事业电网以约15kV的单相交流电压和等于16 2/3Hz的频率供电。由于牵引机车变得更有力和更快速地调整，与变换器组有关的稳定性问题越来越频繁地发生。问题是由于在变换器组的固有的很差的阻尼，导致在三相侧(网络侧)的电源波动，由此造成电力质量的下降。此外，波动造成对实际组增加的机械磨损。
可控制的串联电抗器与从网络侧提供变换器组的变压器相结合，可以是对于稳定它的运行的非常有效的措施。
用于各种各样的应用的便携式控制单元对于网络中稳定控制单元的需要由于负荷改变、网络发展或专门的临时要求而自然地变化。也可以预期，即使几乎常常需要控制单元，但在网络中最好的位置将随时间改变。所以，在网络中限定这样的投资可能是困难的，因为人们不知道何处或在多长时间内将需要该元件。
这产生开发可运输的小型的控制单元的动因，这些控制单元在应用方面有很大的灵活性。对于在本文中灵活的应用，我们是指关于控制功能和与网络的连接的灵活性(不同的电压电平，串联或并联连接等)。
作为具体的例子，可以预期被安装在半拖车上和包含可控制的电抗器的单元，有可能与电容器电池以及与用于保护的必要的设备和网络连接相组合。控制系统必须是灵活的和可配置的，因此，使得单元能够使用于不同的用途，诸如电抗补偿、工作电压调整和电压质量改进或减小电源波动。
本发明的应用的其他具体的例子将是，·地电流补偿·用作为故障限流器.使得发电机开关做得更便宜和更小的可能性。
在第二个实施例中，本发明构成具有变压器器件形式的电路元件(专利权利要求7)，即，其中有两个主绕组和一个，或可能两个控制绕组的电路元件，因此允许藉助于一个或多个控制电流来改变变压器的变换比。
本发明的这样的实施例显示于图9和10。图9显示两个三相变压器，包括可调节的电路元件。图10显示在本发明的这个实施例背后的原理。围绕可磁化本体1的是这样连接的附加主绕组A3，以使得绕组A1和A3连同本体1一起形成变压器。控制绕组A2是仍旧存在的，以及它调整变压器的传输比。也有可能围绕与控制绕组相同的轴线缠绕主绕组A3。
这样的变压器的重要的应用领域是与变压器相关的用于电压调整的新的系统(专利权利要求8)，这些变压器将代替已知的自动负荷抽头变换器。所以，功能是电源电压调整。具有新的“抽头变换器”的变压器的增加的使用的优点是可靠性、维护、调整在所有的种类的网络中同等的有效性(分布，区域和中心网络)。
在通过本发明得到的优点中间是更快速的和更精确的电压调整(通过协调控制更简单)。
对于按照本发明的电路元件的输出将是200-2000A。
关于调整要求，不需要快速调整，而10秒到1分钟的范围的调整将是足够的。
至于损耗，这些损耗可以与传统的变压器的损耗相比较。
本发明的这个实施例的主要优点在于，比起今天的抽头变换器，它导致低得多的维护成本。
作为替换的解决方案，即，按照现有技术的解决方案，我们可以提及传统的自动抽头变换器。
本发明的这个实施例也可以在相位角调整器方面被采用(专利权利要求9)，由此，它包括按照本发明的变压器元件。通过调整控制电流，将有可能控制在初级和次级侧之间的相移。这种类型的相位角调整器被显示于图12。在这种情形下，可以预期各种各样的技术解决方案，诸如可调节的串联变压器(具有电压调整的串联连接的变压器)。相位角调整器的功能是电源负荷流调整，以及还可能是稳定性。
由于快速调整负荷流的可能性(在正常运行下或在故障后)和改进的稳定性的结果，本发明的这个实施例的引入将导致增加的网络使用性(增加的负载极限)。
功率传送将是200-1000 MVA(132kV-420kV)的量级。
调整将取决于功能(静态功率分布或也是动态调整和稳定性)。对于纯负荷调整，带宽要求将是在秒的范围(0.1-1Hz)。
保护要求是与串联补偿相同的。
至于损耗，静态损耗应当是低的，但对于每个应用可接受的损耗将取决于元件的总的使用值。
可以提到的与本发明的实施例有关的特别的优点是在网络运行中更大的灵活性。
按照现有技术的替换的解决方案是静态串联补偿器(SSSC)、相位失真变压器、UPFC。
电压和相位角调整器可以有利地形成按照本发明的调整系统的一部分，其中，如前所述，系统包括测量单元、处理单元和可能地，用于人工输入想要的数值的单元。
本发明的所有的上述的实施例特别适合于在海床的或其他的高压力位置处使用。
权利要求
1.具有可控制阻抗的电路元件(L1)，包括可磁化材料的本体(1)，围绕本体(1)的第一轴线缠绕的主绕组(A1)，以及围绕本体(1)的与第一轴线成直角的第二轴线缠绕的控制绕组(A2)，其中主绕组(A1)被安排成连接到采用电路元件(L1)的工作电路，以及控制绕组(A2)被安排成连接到工作电路中的用于控制阻抗的控制单元。
2.用于传输线的串联补偿器，其特征在于，它包括按照权利要求1的电路元件。
3.用于传输线的并联补偿器，其特征在于，它包括按照权利要求1的电路元件。
4.接地故障补偿器，其特征在于，它包括按照权利要求1的电路元件。
5.在电力传输系统中用于谐波电流元件、相位非对称性和闪变的滤波器，其特征在于，它包括按照权利要求1的电路元件。
6.限流器或开关装置，其特征在于，它包括按照权利要求1的电路元件。
7.变压器装置，包括可磁化材料的本体(1)，围绕本体(1)的第一轴线缠绕的初级主绕组(A1)，以及围绕本体(1)的与第一轴线成直角的第二轴线缠绕的控制绕组(A2)，其中初级主绕组(A1)被安排成连接到采用变压器装置的初级工作电路，控制绕组(A2)被安排成连接到用于控制变压器的变换状态的控制单元，还包括围绕第一或第二轴线缠绕的次级主绕组(A3)，其被安排成连接到次级工作电路。
8.电压调整器，其特征在于，它包括按照权利要求7的变压器装置。
9.相位角调整器，其特征在于，它包括按照权利要求7的变压器装置。
10.用于控制传输线(12)的阻抗的系统，包括测量单元(2)，用于测量有关线路的运行的参量(U，Icosφ，P，Q，S，f)，带有至少一个输入端和一个输出端的处理单元(4)，其中该输入端被连接到测量单元(2)，以及在该处理单元中，把测量值与用于线路(12)的想要的运行值进行比较，以便得出构成控制电流信号的输出信号，以及具有可控制阻抗的电路元件，其具有用于连接到传输线(12)的主绕组(A1)和用于连接到处理单元(4)的控制绕组(A2)，结果，控制电流信号从处理单元(4)被馈送到控制绕组(A2)，由此根据测量的结果与想要的数值之间的比值控制处理单元(4)元件(L1)的阻抗和线路(12)的运行。
11.按照权利要求10的系统，其中用于线路(12)的想要的值被操作员人工地输入。
12.按照权利要求10或11的系统，其中主绕组(A1)被安排成与传输线(12)串联连接，以及系统还包括电容器或电容器电池(C1)，与用于串联补偿传输线(12)的电路元件(L1)的主绕组(A1)并联连接。
13.按照权利要求10或11的系统，其中主绕组(A1)被安排成与传输线(13)并联连接，以及系统还包括电容器或电容器电池(C1)，与用于并联补偿传输线(13)的电路元件(L1)的主绕组(A1)串联连接。
14.用于接地故障补偿，即，用于调整接地故障阻抗的系统(图6)，包括测量单元(2)，用于测量接地故障反向电流连同用于电气元件(T1)的其他参量；处理单元4，其具有至少一个输入端和一个输出端，其中输入端被连接到测量单元(2)，以及在该处理单元中将测量值与接地故障反向电流值的想要的值进行比较，以便得出构成控制电流信号的输出信号；以及具有可控制阻抗的电路元件(L1)，具有用于连接在元件(T1)与地之间的主绕组(A1)，和用于连接到处理单元(4)的控制绕组(A2)，结果，控制电流信号从处理单元(4)被馈送到控制绕组(A2)，由此根据在测量的结果与想要的数值之间的比值控制处理单元(4)的元件(L1)的阻抗和接地故障电流。
15.滤波器系统，用于减小谐波电流、相位非对称性和闪变以及用于电气装置的电抗补偿，其中系统包括测量单元(2)，用于测量有关装置的运行的参量(U，Icosφ，P，Q，S，f)；带有至少一个输入端和一个输出端的处理单元(4)，其中该输入端被连接到测量单元(2)，以及在该处理单元中，把测量值与用于元件的想要的运行值进行比较，以便得出构成控制电流信号的输出信号；以及被连接到电路元件的滤波器，其中滤波器包括具有可控制阻抗的电路元件(L1)，其具有用于连接到滤波器电路的主绕组(A1)和用于连接到处理单元(4)的控制绕组(A2)，结果，控制电流信号从处理单元(4)被馈送到控制绕组(A2)，因此根据测量的结果与想要的数值之间的比值控制处理单元(4)元件(L1)的阻抗以及由此控制滤波器的阻抗和装置的运行。
16.用于诸如电动机的电气装置的开关或电流限制系统，其中系统包括测量单元(2)，用于测量有关装置的运行的参量(U，Icosφ，P，Q，S，f)；带有至少一个输入端和一个输出端的处理单元(4)，其中该输入端被连接到测量单元(2)，以及在该处理单元中，把测量值与用于元件的想要的运行值进行比较，以便得出构成控制电流信号的输出信号；以及被连接在电源与装置之间的电路元件，其中电路元件具有可控制阻抗，其具有用于连接在电源与装置之间的的主绕组(A1)和用于连接到处理单元(4)的控制绕组(A2)，结果，控制电流信号从处理单元(4)被馈送到控制绕组(A2)，由此控制根据测量的结果与想要的数值之间的比值控制处理单元(4)元件(L1)的阻抗，和由此控制基本上无级地开关的关断/接通位置和装置的运行。
全文摘要
本发明涉及具有可控制阻抗的电路元件(L1)，包括可磁化材料的本体(1)、围绕本体(1)的绕第一轴缠绕的主绕组(A1)，以及围绕本体(1)的绕与第一轴成直角的第二轴缠绕的控制绕组(A2)，其中主绕组(A1)被安排成连接到采用电路元件(L1)的工作电路，以及控制绕组(A2)被安排成连接到用于控制工作电路中的阻抗的控制单元。本发明还涉及包括电路元件或类似的变压器装置的各种电流和电压调整装置。
文档编号H01F29/14GK1618049SQ02827410
公开日2005年5月18日 申请日期2002年11月21日 优先权日2001年11月21日
发明者E·豪斯, F·斯特兰德 申请人:马格技术公司