专利名称：电功率流控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制AC传输系统中的功率流的设备和方法。更精确地，本发明涉及一种包括相移变压器(PST)的控制设备。在此上下文中，相移变压器应该理解成包括单芯及多芯变压器，二者均可以包括对称或非对称的设计。相移变压器还可以包括附加的电压调整装置。
背景技术：
先前已公知用于控制AC传输线中的功率流的相移变压器。这种PST包括串联地连接或断开变压器的附加绕组的抽头变换器。由此控制相量取向。于是功率通过由磁路的不同部分激励的绕组之间的连接而从相邻相转移到单个相。在纯相移变压器中，与源电压正交的电压被注入到线中。
相移变压器可以用于控制并行线之间的负载分配以增大总的功率传递。有利的是，相移变压器能够阻止馈送网络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给用户，并且可避免循环功率流。
使用PST的优势在于其具有较低的无功功率消耗。没有次同步谐振(SSR)的风险，并且在小电流状况下也是强有力的。
但是，PST的使用提供低控制速度。抽头变换器必须按顺序遍历每个抽头位置。每次抽头变换在3-5秒量级内实现。因此，在功率扰动后的过渡期中，PST不能以决定性的方式参与。更频繁的抽头变换尤其是在大电流状况下增加了维护需求。
抽头变换器是机械装置，因此工作慢并且是机械磨损对象。其具有150kV的最大调整电压范围和少于35个的最大工作位置数目。最大抽头电压在4000-5000V/抽头的量级内并且最大额定通过电流约是3000-4500A。最大功率处理容量(power handling capacity)是6000-8000kVA/抽头并且存在短路发热极限。小的电压阶跃构成许多操作。
控制AC传输线中的功率流的另一方法是使用静止串联补偿器，尤其是静止同步串联补偿器(SSSC)。这种SSSC通常包含电压源转换器(VSC)。在SSSC中，与线电流正交的电压被注入到线中。
在几个基频周期内，SSSC从全电感性调整到全电容性调整是可控的，反之亦然，因此在功率扰动后的过渡期中能够是强有力的控制设备。与PST的抽头变换器相比，SSSC对频繁的控制动作不维持敏感。因此SSSC适用于闭合环路控制。但是，SSSC相比PST在无功功率产生/消耗方面具有较大的变化。在电感性工作中，SSSC消耗无功功率，在电容性工作中，SSSC产生无功功率。而且，SSSC比PST昂贵。
发明内容
本发明的首要目的是提供AC电力传输的功率流控制，其快速并且不涉及单独使用PST或SSSC的缺点。
根据本发明，这个目的通过特征在于独立权利要求1中的特征的控制设备或者特征在于独立权利要求14中的步骤的方法来实现。优选实施例在从属权利要求中描述。
根据本发明，包含抽头变换器的PST、包含VSC的SSSC以及控制PST和VSC二者的控制单元相组合形成用于控制高电压网络中的功率流的控制设备。作为对负载状况变化的响应，通过首先调整SSSC的VSC其次用抽头变换器调整PST，来控制功率流。在第一时间段内，控制受SSSC单独影响，而在第二时间段内，控制受SSSC和PST二者的组合调整的影响。通过该控制，由SSSC的快速能力对PST的慢控制能力进行补偿。在一个实施例中，每当抽头变换器从一个抽头到另一个抽头地改变时，SSSC被控制为补偿新的抽头位置。在另一实施例中，在维持SSSC的稳定调整的同时，实现抽头变换器从一个抽头到另一个抽头的改变。因此，该设备的优选工作条件可以在PST和SSSC的控制范围内获得。在本发明的实施例中，SSSC包括串联电压源转换器。
在本发明的第一方面中，所述目的通过控制设备来实现，该控制设备包括包括抽头变换器的PST、包括可控VSC的SSSC以及包括计算机装置的控制系统，其中该计算机装置包括用于控制相协调的PST和SSSC的VSC的处理器。在又一实施例中，该控制系统包括通信单元，操作员或用户用该通信单元来对控制进行监督、控制或超驰控制(overriden)。
在本发明的第二方面中，所述目的通过用于控制AC传输线中的功率流的方法来实现，该方法包括第一步骤，其中，由SSSC的VSC对新的负载需求进行快速调整；以及第二步骤，其中，对PST和SSSC的VSC二者的组合调整进行评估。在又一步骤中，通过调整与SSSC的VSC协调的PST，实现针对PST和SSSC二者的优选工作点的内部调整，使得外部功率流控制不受影响。
根据本发明，由抽头变换器以顺序步骤进行调整的PST与由VSC调整的SSSC相组合，来由普通控制系统提供快速且适应性的功率流控制。PST的慢控制能力由VSC的快速控制来补偿。因此，在调整时，PST由SSSC的VSC动态地支持。在下文中，这个被动态支持的PST称为DSPST，其包括与包含可控VSC的SSSC相组合的标准抽头变换器受控的PST。PST的动态辅助减少了由抽头变换器进行的控制动作的数目，这极大地增大了抽头变换器的寿命周期。
根据本发明，功率流控制器(PFC)的所需定额分为两部分，一部分由PST构成，而另一部分由包含VSC的SSSC构成。协调SSSC和PST的控制的可能性使得两个单元的定额比每个单元单独工作的电路中的定额小。相比之下，单个PST调整单元将必须具有大的定额，并且单个SSSC单元也将必须具有大的定额。相比单个PST和单个SSSC二者，组合将获得整体的性能改善。
根据下述说明，结合附图，本发明的其它特征和优点将对于本领域技术人员变得更明显。在附图中图1是根据本发明的控制设备的主电路；图2是包括所述设备的简单网络；图3是用串联电压和通过量电流(throughput current)表示的工作范围；图4是纯SSSC模式下的工作范围；图5是纯PST模式下的工作范围；图6是该设备的稳态工作范围；图7是PST处于最大抽头位置的所述设备时的动态范围；图8是PST处于最小抽头位置时的动态范围；
图9是与分流补偿装置相组合的设备；以及图10是该设备的概念上的控制机构。
具体实施例方式
一种根据本发明的控制功率流的设备如图1所示。该设备包括抽头变换器受控相移变压器(PST)1、受控静止同步串联补偿器(SSSC)2和控制单元3。SSSC包括电压源转换器(VSC)4和DC电容器5。在一个实施例中，DC电容器包括多个电容器单元。VSC包括二电平桥，该二电平桥(two level bridge)包括多个串联连接的开关器件。每个开关器件包括反并联连接有二极管的半导体元件。转换器拓扑与STATCOM的转换器拓扑类似并且可从文献中得知。在一个实施例中，VSC直接连接到AC线电势。在另一实施例中，VSC通过串联变压器连接到线。
SSSC注入连续可变的串联补偿电压，其与线电流正交，即，超前或滞后该电流90电度。可以独立于线电流的大小而控制电压的量值。
PST对功率流的控制通过抽头变换器的控制来实现。由于这是机械装置并且控制必须以顺序步骤进行，所以该控制是慢的。
由于连续可控的SSSC，使得根据本发明的设备的控制分辨率(抽头变换器和SSSC控制动作的组合效果)在整个组合控制范围内是无限的。
为了说明DSPST的工作范围，使用了如图2所示的简单网络。该网络包括根据本发明的与第一节点14和第二节点15之间的等价电抗并联连接的DSPST。DSPST的目的是控制一方面的其中安装有DSPST的路径与另一方面的并行路径之间的功率分配。在图2中，并行路径由与DSPST并联连接的等价感抗Xeq来表示。通过控制串联电压Vseries，可以控制功率流的分配。
在图2中，粗体的量表示相量(具有量值和相位)。电流以I表示，且电压以V表示。
利用这个简单的网络，工作范围可以在图3所示的图中描绘，其中，通过DSPST的电流在x轴上，而串联电压在y轴上。
左半平面对应于从第二节点15流到第一节点14(称为输入)的电流(功率)，且右半平面对应于从第一节点流到第二节点(称为输出)的电流(功率)。第一和第三象限对应于电流(功率)的量值的减小，而第二和第四象限对应于电流(功率)的量值的增大。
包括PST和SSSC的DSPST可以以其中相移变压器(PST)处于零抽头位置的纯静止同步串联补偿器(SSSC)模式工作。零抽头位置意味着只有PST的短路电抗对串联电压有贡献。
图4图示了纯SSSC模式下的工作范围。沿着SSSC的零电压线，SSSC对于网络是中性的。因此，沿着该线，SSSC不注入串联电压。该线的斜率依赖于PST的短路电抗。
从零电压线开始，在第一象限中的额定电流处，跨SSSC的电压沿正的、电感性的方向增大，并因此通过DSPST的电流减小。因此，工作点将沿着与图4中的箭头平行的线移动。箭头的斜率将依赖于Xeq的大小。SSSC的尺度通常确定为使得仅对于比指定的跨SSSC的串联电压小的电压，才允许工作。类似地，SSSC的尺度通常确定为容许低于指定极限的通过量电流。当电压增大到额定极限时，不能通过使SSSC工作来实现电流的进一步减小。于是如果电流减小，则跨DSPST的电压将减小，原因是跨PST的电压由于其短路电抗而将减小。一旦零电流线被越过，相对于电流，电压将变成电容性的，这不是因为跨SSSC的电压改变，而是因为电流改变方向。工作区在第二象限中受额定电流限制。从图4中可以看出，通过以负电压使SSSC工作来扩展工作区。
通过使SSSC部分以零电压工作，DSPST可以以纯PST模式工作。于是工作范围看起来如图5所示。
零抽头线与图4中的零电压线相同，即其斜率依赖于PST的短路电抗。从零抽头线开始，当抽头变换器朝最正的位置移动时，串联电压沿正的方向增大，且当抽头变换器朝最负的位置移动时，串联电压的量值沿负的方向增大。
图6图示了当PST和SSSC范围被组合时的DSPST稳态控制范围。显然，与仅仅PST或SSSC相比，PST和SSSC的组合效果将工作范围在所有四个象限中扩展。
动态工作范围意味着可以被足够快地控制以减轻电力系统中的电子-机械过渡的后果的工作范围部分。因为在一秒钟的一小部分内，SSSC可以容易地将工作点从额定正电压改变到额定负电压，反之亦然，所以，其非常适于例如对源自同步机器如发生器中的电子-机械振荡的功率振荡的阻尼作出贡献。另一方面，在PST中，每个步骤花费五秒量级并且每个步骤必须依次经过，从而PST太慢以致于不能在过渡期中积极地作出贡献。换句话说，DSPST的工作范围的动态部分对应于SSSC部分。
但是，通过在预扰动情况下控制抽头变换器，可以改变DSPST的总体特性。当然，图4给出了PST处于零抽头位置时的动态范围。在图7中，PST处于最大抽头位置。可能会注意到，在输出情况下(正的通过量电流)，DSPST的整个动态工作范围(正的和负的SSSC电压两者)具有减小功率流的总体动态特性。类似地，在输入情况下(负的通过量电流)，DSPST的整个动态工作范围(正的和负的SSSC电压两者)具有增大功率流的总体动态特性。当然，通过将PST设置在例如最小抽头位置，可以获得类似特征，如图8所示。
因此，可以改变DSPST的能力以动态增大或减小功率流。
主要的控制目的，即安装可以用动态支持的相移变压器DSPST表示的控制设备的原因，包括以下一个或多个·慢/准稳态功率流控制·功率振荡阻尼·通过传输通道特性的快速变化，提高过渡性能慢/准稳态功率流控制是一方面的其中安装有DSPST的传输路径与另一方面的并行路径之间的功率分配的慢控制。满足该目的的控制速度要求低得足以由PST和SSSC部分两者来满足。
功率振荡阻尼是用以减轻电力系统中通常在扰动之后的功率振荡的DSPST的快速控制。这些振荡的频率通常在0.1-2.0Hz范围内并且很大程度上依赖于参与振荡的机器组或同步机器(通常是发生器)的惯性常数。满足该目的的控制速度要求仅可以由DSPST的SSSC部分来满足。
在扰动之后的过渡期的一小部分内，通过快速改变DSPST的SSSC部分的工作点，可以改变其上安装有DSPST的传输互连的特性。在其最电感性的(减小)位置，传输互连上的角度差处于其最大值，导致互连上的功率传递减小并且并行路径上的功率传递增大。在其最具电容性的(增大)位置，互连上的总角度处于其最小值，导致互连上的功率传递增大并且并行路径上的功率传递减小。
特别地，如果安装了若干DSPST并且协调了它们的控制，则系统的遇到例如稳定性问题的被扰动部分可以被快速免除功率传递，而系统的未被扰动部分拾起功率传递。通过拥有在扰动发生之后的例如少于0.5秒内在端位置之间通过的能力，总体互连系统的过渡性能可以因而显著提高。PST部分太慢以致于不能在这个时间帧内动作，但是，其预扰动工作点将影响DSPST的总体特性乃至传输互连。
通过协调抽头变换器和晶闸管的控制，还可以包括控制策略中的以下有利控制目的中的一个或多个·以尽可能最小的电流使抽头变换器工作·尽可能最少数目的抽头变换器操作·无功功率消耗控制(限制)·动态范围控制通过控制大电流状况下的DSPST，使得首先主要是SSSC部分动作以减小电流，接着主要是PST部分在小电流状况下动作，抽头变换器上的压力得以减轻并且维护需求减少。
通过使SSSC部分尽可能快并且使PST部分减慢，甚至多于其自身固有的情况，可以减少抽头变换器操作的数目。这是当以短持续时间加载的变化由SSSC部分处理并且PST部分仅作用于较长持续时间的变化时实现的。
PST部分由于其短路电抗而消耗无功功率，其与由于其本性而具有大很多的变化的SSSC相比，由于抽头变换器位置而仅仅具有小的变化。SSSC可因此依赖于所注入的电压是电感性的还是电容性的而消耗或产生相当量的无功功率。表现出电感性或电容性是由电压是超前还是滞后电流90电度而实现的。因为利用PST和SSSC控制动作的不同混合可以达到几乎整个工作范围，所以可影响无功功率的总消耗或产生。如果例如电力系统由于某个原因而在电压支持方面弱，即电压低，则产生无功功率或者至少限制DSPST的无功功率的总消耗是有利的。
如果期望的串联电压可以通过电容性的SSSC电压和PST的组合动作来获得，则尽量大的SSSC动作和尽量小的PST动作是有利的。如果期望的串联电压仅可以通过电感性的SSSC电压和PST动作的组合来获得，则尽量大的PST动作和尽量小的SSSC动作是有利的。类似地，如果电压高，则消耗无功功率或者至少限制DSPST的无功功率的总产生是有利的。显然，相反的控制策略将是优选的，即如果期望的串联电压可以通过电感性的SSSC电压和PST的组合动作来获得，则尽量大的SSSC动作和尽量小的PST动作是有利的。如果期望的串联电压仅可以通过电容性的SSSC电压和PST动作的组合来获得，则尽可能大的PST动作和尽可能小的SSSC动作是有利的。另外，如果用于无功功率分流补偿的装置被加到DSPST，则可以控制总的无功功率平衡。
图9示出了一种包括PST 1、SSSC 2、控制单元3并且还包括分流补偿装置25的控制设备。因此，在本发明的这个实施例中，包括了用于无功功率分流补偿的装置，使得DSPST的无功功率平衡可以被定制以满足特定电力系统要求。这些装置包括这样的器件，例如连接了断路器的电容器组和电抗器、静止无功补偿器(SVC)和STATCOM。
图10示出了根据本发明的控制功率流的DSPST的控制机构。在示出的实施例中，DSPST包括布置在电力传输线10上的PST和SSSC、第一闭合环路11和第二闭合环路12。第一闭合环路包括传感器13，传感器13用于感测第一节点14和第二节点15之间的线10上的功率流。而且，第一环路包括第一比较器16、PI(比例积分)控制器17和第二比较器18。
将测得的有功功率流Pm与对应于期望的有功功率流的设置值Pset相比较。差信号被发送到具有限制的PI控制器。PI控制器产生与所需电压成比例的信号，该信号被发送到SSSC的控制端，SSSC通过这些装置来被控制以满足有功功率流的设置值。
用于功率振荡阻尼(POD)的补充信号可以添加在PI控制器之后，使得快速电子-机械功率振荡可以由SSSC动作来减轻。
用于控制PST的第二闭合环路包括低通滤波器19、比较器20和PI控制器21。与所需电压成比例的信号被发送通过低通滤波器19，用于与电压的设置值 进行比较。该低通滤波器将阻挡进入的V的短持续时间的变化。V的实际值与期望值 的差被发送到具有限制的PI控制器，PI控制器产生与期望的抽头成比例的信号t，该信号被发送到抽头变换器控制端。
通过应用图10中的控制机构，可以实现以上列出的所有控制目的。
·慢/准稳态功率流控制显然得以实现。
·功率振荡阻尼通过引入补充POD信号得以实现。
·传输通道特性的快速改变可以通过快速改变设置点Pset、可能结合改变第一PI控制器的增益得以实现。
·大电流状况下的抽头变换器的操作按以下方式避免。如果电流突然增大，尤其进入过载范围，则SSSC将首先动作以减小电流，然后在较低电流下，PST将动作以满足设置值 ·通过在抽头变换器控制支路中引入低通滤波器，抽头变换器操作的数目得以减少。该滤波器将阻挡短持续时间的变化，并因此减少抽头变换器操作的数目。
·无功功率平衡控制(限制)可以以至少两种方式实现。通过改变设置值 无功功率平衡可以被控制，并且通过在第一PI控制器限制器中引入无功功率限制，其可以被限制。
当然，其它控制机构也可以用于满足所述控制目的。
尽管是优选地，但本发明的范围绝非受所提出的实施例的限制，而是还包括对于本领域技术人员显而易见的实施例。例如，在PST和SSSC之间的传输线绝非如附图中所示出的那样短，而是包括任何长度，只要PST和SSSC串联连接。图10中的闭合环路设置无需是完全闭合的。因此，在特定状况下，可能优选的是，使操作员或用户通过直接调整PST的抽头变换器来选择理想工作点。根据本发明，该设备将通过对应地调整SSSC来自动响应于PST的这种强制控制。
权利要求
1.一种用于控制高电压网络中的功率流的设备，其包括具有抽头变换装置的相移变压器(1)，其特征在于，所述设备还包括包含电压源转换器(4)的静止串联补偿器(2)以及用于控制相协调的所述相移变压器和所述静止串联补偿器的控制装置(3)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述静止串联补偿器还包括电容器装置(5)。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述电容性装置(5)包括多个电容器单元。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电压源转换器(4)包括包含多个串联连接的开关器件的二电平桥，每个开关器件包括反并联连接有二极管装置的半导体单元。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述静止串联补偿器(2)与地隔离并且连接到具有电势的AC线。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中，所述静止串联补偿器(2)通过串联变压器连接到所述AC线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制装置包括包含处理器和存储器装置的计算机以及用于感测所述网络的功率流的传感器(13)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制装置包括用于控制所述静止串联补偿器(2)的第一环路11。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制装置包括用于控制所述相移变压器(1)的第二环路12。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制装置包括用于引入控制参数值的装置(16、18、20)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述相移变压器(1)位于第一位置并且所述静止串联补偿器(2)位于第二位置，并且所述第一和第二位置分开一距离。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述设备包括分流补偿器装置(25)。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述控制装置包括用于控制所述分流补偿器装置的装置。
14.一种用于控制具有包括相移变压器(1)的控制设备的高电压网络中的功率流的方法，其特征在于，通过可控静止串联补偿器(2)在第一时间段中调整所述控制设备的电压，并且在第二时间段中调整所述相移变压器(1)的电压以及所述控制设备的电压，以实现所述相移变压器和所述静止串联补偿器之间优选的工作平衡。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述静止串联补偿器调整包括感测所述功率流、与设置值的比较、由PI控制器进行的调整以及与振荡阻尼信号的比较。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述相移变压器调整包括对来自所述静止串联补偿器调整的控制信号进行滤波、与串联电压值的比较以及由PI控制器进行的调整。
17.一种可存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，其包含使处理器评估权利要求14到16的方法的指令。
18.根据权利要求17所述的计算机程序产品，至少部分地通过网络如因特网提供。
19.一种计算机可读介质，其特征在于，其包含根据权利要求17所述的计算机程序产品。
全文摘要
一种用于控制高电压网络中的功率流的设备，其包括具有抽头变换装置的相移变压器(1)。
文档编号H02J3/18GK101080861SQ200480044617
公开日2007年11月28日 申请日期2004年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者贝蒂尔·贝里格伦, 莫杰塔巴·诺罗齐安 申请人:Abb研究有限公司