专利名称：用于功率传输系统的动态无功支持的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及提供电压支持的系统和方法，并且更具体地涉及
向功率传输系统提供辅助动态无功功率(reactive power)的系统和方法。
背景技术：
在由主要电功率4专專lr器4牛(electric power transmission device)(例
递系统(power delivery system)中的电压降低(voltage depression)之后, 功率系统负载(例如，感应电动机负载)将会从功率传递系统中获取无 功功率以试图恢复。这种额外的无功功率需求将会进一步抑制电压， 除非一些其他的无功功率源被引入系统。如果电压抑制持续足够长的 时间，系统中的无功功率净亏损可能导致电压骤降(voltage collapse)。
为了在这些情况下恢复电压，无功功率(reactive power)被暂时地 提供给超出正常或者额定无功功率需求的系统。然而，如果在过了电 压恢复之后过量的无功功率被提供给功率传递系统，那么通过提供过 量的无功功率的做出纠正行为也可能导致过电压状态。过电压状态 (overvoltage condition)将加重系统绝缘，而系统绝缘可能导致闪络 (flashover)、设备损伤(例如变压器、避雷器等)和/或其它系统故障。
解决这个问题的传统方案包括静态VAR补偿器(static VAR compensator, SVC)、使用电压源转换器的静态补偿器(STATCOM)和同 步调相机(synchronous condenser)。然而，这些器件可能相对昂贵并且 依赖于高功率半导体技术或者同步电机的固有瞬态无功功率容量的 主动控制(active control)。依赖于包括电压测量以及打开和闭合断路器以提供无功功率至系统的开关定时的主动控制，开关旁路电容器组
(switched shunt capacitor bank)已经被 使用。然而，如果无功功率过量， 那么电路断路器的打开可能不能发生得足够迅速以有效地在总线电 压正常工作范围内控制总线电压，并且可能出现暂态过电压(temporary overvoltage)。
因此，存在对于用于提供动态无功支持给功率传输系统的成本相 对#^并且有效的系统和方法的需求。
发明内容
本发明的实施例可以针对于一些或者所有上面的需求。根据本发 明的实施例，公开了用于提供辅助无功功率至传输系统的方法，该方 法包括在功率传输系统(例如，分站总线)上检测压降(voltagedrop)。响 应于检测重大的压降， 一个或多个旁路电容器被连接到在分站 (substation)处的功率传输系统，所述分站包括电容器段以及并联的金 属氧化物变阻器(Metal Oxide Varistors， MOV)。当电流在MOV中的至 少 一个中被检测到时，相关的旁路电容器段以及其他段(根据需要)被 从该功率传输系统中断开。
根据本发明的一个方面，将旁路电容器连接至功率传输系统包括 闭合至少一个电路断路器，该电路断路器将功率传输系统连接至与至 少一个MOV并联的旁路电容器。根据本发明的另一个方面，闭合至 少一个电路断路器包括顺序地闭合两个或多个电路断路器。根据本发 明的又一个方面，闭合至少一个电路断路器包括同时闭合两个或更多 个电路断路器。
根据本发明的另 一个实施例，公开了用于将辅助无功功率提供给 传输系统的系统，该系统包括连接旁路电容器组的至少一个电路断路 器，所述旁路电容器组包含有至少一个旁路电容器和至少一个金属氧 化物变阻器(MOV)。该系统还包括控制器，所述控制器被配置为检测 在功率传输系统上的压降并且响应于检测压降而闭合至少一个电路断路器，其中闭合至少一个电路断路器将至少一个旁路电容器连接至
功率传输系统。随后，控制器监视(monitor)至少一个MOV以检测电 流。基于在至少一个MOV中电流的检测，该控制器从功率传输系统 中断开至少一个旁路电容器。
根据本发明又一个实施例，公开了用于将辅助无功功率提供给传 输系统的方法(包括在分站总线处检测压降)。响应于检测压降，旁路 电容器被连接至功率传输系统，其中至少 一些旁路电容器被直接连接 到功率传输系统上，而其他的旁路电容器与金属氧化物变阻器一起被 分别连接到功率传输系统上。在^r测到MOV中的至少一个中的电流 时，与金属氧化物变阻器(MOV)—起被连接到功率传输系统上的旁路 电容器被从功率传输系统中断开。
因而，已经概括地描述了本发明，现将参考附图，所述附图没有 必要按比例绘制，并且其中
图1示出了根据本发明的实施例的基本动态无功支持系统配置的 例子。
图2根据本发明的实施例示出了实现用于控制动态无功支持系统 的方法的控制器的控制逻辑的流程图示例。
图3根据本发明的实施例示出了在压降之后恢复的总线电压的时 间曲线图的图示。
图4根据本发明的实施例示出了动态无功支持系统例子的示意图。
图5根据本发明的实施例示出了在图4中显示的动态无功支持系 统的实施例的覆盖区域图(footprint diagram)。
部件列表
100动态无功支持系统105功率传;渝系统
110主电路断路器
115电^各断i 各器
120旁路电容器
125金属氧化物变阻器
130控制器
200图2的流程
205框
210框
215框
220框
225框
230框
235框
300下线(lower line)
302上线(topline)
400图4的动态无功支持系统
500图5的动态无功支持系统
具体实施例
本发明的实施例示例涉及用于意外事故(例如故障后)电压恢复应 用的动态无功支持系统(DRSS)。本发明实施例示例的DRSS解决方案 包括高压电容和高能金属氧化物变阻器(MOV)技术的协调。本发明实 施例示例的特点是高电容量、高无功功率"提升"部分以及无源时间 过压(passive time-overvoltage, TOV)控制的结合，使用于加快电压抑制 后的恢复而不超过电功率系统中可接受的电压范围。
在本发明的一个实施例示例中，旁路电容器组提供过量的无功功 率给正经历电压降的功率传输系统。为了避免所提供的无功功率过沖
8或超出期望的电压范围，也为了避免由于旁路电容器组提供的辅助无 功功率不足所引起的电压骤降，金属氧化物变阻器被集成以将由这种
过量无功功率引起的过压瞬变限制在可接受的水平。尽管在短的持续 时间内使用金属氧化物变阻器时会消耗不少功率，但是金属氧化物变 阻器的使用提供了打开电路断路器的时间，所述电路断路器在没有电 压过沖危险的情况下将电容器连接到功率传输系统。
实现本发明实施例的器件以高压电容的形式插入高幅的过量无
功功率以加快电压恢复，以及集成高能MOV以减轻过电压状态的潜 在后果。同装置(即变流器)相结合的MOV也加倍(double)为快速动作 的总线电压指示器，以从系统中更快地提取过量的无功功率。MOV 的这种使用减少了 MOV传导的时间以及由该传导所引起的本地电压 和电流的谐波失真的持续肘间。
当与传统功率半导体技术和同步电机比较时，在本发明实施例中 使用的设备便宜很多。此外，本发明的实施例拥有比前面更贵的系统 的短得多的交付时间。另外，因为被用于实现本发明实施例的控制器 件被正常地切断电源，该控制器件可能拥有更低的长期故障率，并且 几乎没有稳态功率(steady-state power)(瓦特)的损失。
才艮据本发明的一个实施例，才艮据系统、方法、仪器和计算机程序 产品的方块图，本发明的实施例在下文中^皮描述。本发明的实施例在 下文中根据附图被更充分地描述，同样的数字在图中表示同样的元 件。当然，这些发明可以以许多不同的形式概括，而且不应被解释为 局限于这里阐述的实施例；相反地，提供这些实施例的公开是为了满 足适用的法律要求。
图1根据本发明的一个实施例示出了基本动态无功支持系统配置 的例子。正如图1的实施例所示出的，动态无功支持系统100包括将 整个动态无功支持系统100连接到功率传输系统105(例如分站总线) 上的主电路断路器110，以及一个或多个连接包含电容120和MOV 125的旁路电容器组的电路断路器115。控制器130也被在动态无功
9支持系统100中实现以监控MOV 125的电流(即判断MOV 125是否 导电)以及控制电路断路器110和/或115的开关。
如果在功率传输系统105中发生压降(例如，重大的电压抑制事 件)，那么这个动态无功支持系统100提供辅助无功功率。当这样的事 件发生在本发明的实施例中，主电路断路器110如将旁路电容器120 的组连接到功率传输系统的每一个电路断路器115 —样被闭合 (close)。由旁路电容器120的组提供的无功功率过量越多，电压将被 恢复得越快并且电压抑制的负效果被减轻得越快。由旁路电容器提供 的无功功率的过量供应被称为实现动态无功支持系统100的"提升，， 阶段。
然而，如果太多的无功功率被过长时间地提供给功率传输系统 105,那么功率传输系统105可能发生过压(overvoltaging),这会对功 率传递系统及其设备有许多不良的影响。因此，为了确保大量电容量 被快速地提供给功率传输系统105，而一旦电压水平恢复又被合理地 限制，在旁路电容器组中的一个或多个电容120可能被连接到至少一 个MOV125上。在本发明的一个实施例中，MOV125是氧化锌变阻 器。MOV 125既起着抑制提供过多的无功功率给功率传输系统105的 作用，又扮演着控制器130的指示器的作用(提供无功功率给功率传输 系统105的"提升"阶段已经结束或者可能很快有负效应)。MOV125 传导作为电压的函数的电流，尽管它不像电阻是线性关系。结果是 MOV125有一个阔值电压，其一定会在电流传导前被超越。因此，当 MOV 125开始传导时，那么大量的无功功率已经被提供给了功率传输 系统105。
因此，当MOV 125开始传导并且MOV电流产生时，"提升，， 阶段结束的指示发生。结果，当动态无功功率系统100开始减少(或者 至少不增加)来自旁路电容器115的组的无功功率的供应时，在本发明 的一个实施例中实现的MOV 125可能被"调谐(tuned)"以显示将出 现过压(或者临近过压)事件。该无功功率的减少可以通过使控制器130打开(open)—
打开或者分阶段地打开，单独地打开或者一组一组地打开等等)。下文 根据图2给出了控制器130控制动态无功支持系统100运行的流程的 更为i羊细的i兌明。
图2才艮据本发明的一个实施例示出了实现用于控制动态无功支持 系统的方法的控制器的控制逻辑的流程图示例。很清楚，在图2中的 一个或多个框和/或框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机 程序指令可以净皮加载到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处 理装置上以产生一台机器，这样在计算机或其他可编程数据处理装置 上执行的指令可以创建部件，以实现方块图的每一个的功能或在下文 中详细讨论的方块图中框的组合的功能。这种计算机程序指令也可以 被存储在计算机可读的存储器中指示计算机或其它程序数据处理设 备以实现单个框或多个框中指定的功能的特定方式而运行。
本发明的实施例也可以通过在计算机操作系统上运行的应用程 序实现。此外，或备选地，应用程序(整体或部分)可能位于远程存储
由通过通信网络连接的远程处理器件来执行的。在图2中的每一框和 /或框的组合可以由特殊用途的基于硬件的计算机系统实现也是很清 楚的，该计算机系统执行给定的功能或原理，或者专用硬件和计算机 指令的组合。这些实施例也可以由其他计算机系统配置实现，包括手 持器件、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费电子、微型计 算机、大型计算机等等。
如图2所示，流程200起始于框205，其中功率传输系统由控制 器件监视(通过监视功率传输系统的电压水平来检测压降(或重大的电 压抑制事件))。如果没有4企测到压降(或重大的电压抑制事件)，那么框 210被调用以继续监^L功率传输系统的这一事件。然而，如果发现压 降(或重大的电压抑制事件)，那么框215被调用。
在框215中，控制器规定(enact)旁路电容器(包括那些通过闭合将动态无功支持系统连接到功率传输系统的电路断路器(例如，图1中的
主电路断路器IIO)与MOV连接的旁路电容器)的动态无功支持系统。 在其他的实施例中，该电路断路器(根据由动态无功支持系统为提供无 功功率供应的突然或逐渐增加的电容的理想的配合)可能立刻被全部 闭合，依次闭合，或者以各种組合或分阶段闭合。 一旦电路断路器被
闭合，"提升，，阶段起始于向功率传输系统提供大量的无功功率以提 升无功功率来纠正检测到的压降。
连接到在动态无功支持系统的旁路电容器的组的一个或多个电 容的MOV限制了提供给功率传输系统的电容量。当在无功功率中的 提升需要在短时间内供应大量的电容量时,所供应的太多的电容量可 能会有不良的影响(包括加重系统绝缘而可能导致闪络(flashovers)、设 备损伤(例如变压器、避雷器等等)和/或另外的系统故障的过电压状 态(overvoltage conditions))。 MOV的使用防止了这些过电压事件的发 生。
接下来，框220被调用，其中，控制器监视MOV以检测电流(即， 该MOV正在导电)。这表明系统电压已经恢复到在期望电压范围内或 者将(或已经)超过期望的恢复电压范围。 一旦该事件净皮检测到，框225 被调用，其中将使用MOV的电容连接到功率传输系统的电路断路器
施例中，电容器段与MOV电路断路器(根据由动态无功支持系统为提 供无功功率供应的突然或逐渐增加的电容的理想的配合)可能立刻被 全部闭合，依次闭合，或者以各种组合或分阶段闭合。
在本发明的一些实施例中，所有的旁路电容器可能被连接到专用 的MOV上，而其他的实施例可能只有一些电容连接到MOV上并且 其余的可能不连接。在较后的实施例中，连接到MOV上的电容可能 在旁路电容器的组中的其他电容之前被从功率传输系统中断开。仍然 与功率传输系统连接的电容可能这么做以继续提供辅助源给功率传 输系统。在框230中，控制器可能检测功率传输系统电压(例如，分站总线电压)已经从它的压降事件中恢复并且不再需要无功功率的额外 供应。 一旦那个事件发生并且功率传输系统已经完全恢复(或者已经几
乎完全恢复)，那么随后框235可能被调用以使本发明的动态无功支持 系统断开。
图3是根据本发明的一个实施例在压降之后恢复的总线电压的时 间曲线图的图示。如图3所示，在总线电压中的压降发生在大约1秒 钟。下线300(以圆圈表示)显示了如果动态补偿没有被提供以"提升，， 总线电压下的功率传输系统电压。上线302(以"X"标记表示)显示了由 本发明动态无功支持系统的旁路电容器和MOV的使用所引起的功率 传输系统电压的恢复。
图4是根据本发明的实施例的动态无功支持系统400的一个实施 例的详细示意图。正如上文在如图1中所示的实施例中所述的功能和 操作应用到如图4中所示的本发明的实施例中。
图5根据本发明的实施例示出了在图4示出的动态无功支持系统 500的实施例的覆盖区域图(footprintdiagram)。实现本发明实施例的在 动态无功支持系统400和500中示出的器件相比传统的支持系统有相 对更小的覆盖区域并且使用更少的土地空间。此外，在本发明的实施 例中，没有如在一些传统的SVC应用中应用的水内冷的需要。更进一 步，相比传统支持系统，在本发明的实施例中没有需要谐波滤波器应 用的稳态谐波电压或电流的问题以及噪声问题。
基于前面的说明书和相关的附图的教导，本领域技术人员容易想 到许多在这里提出的发明的变型和其他实施例。因此，应该清楚本发 明不被限定于所公开的具体实施例，并且变型和其它实施例都被包括 在所附权利要求的范围内。尽管使用了特定的术语，但它们仅以一般 的和描述性的方式使用，并且没有限定的目的。
1权利要求
1.一种用于提供辅助无功功率至传输系统的系统，包括至少一个电路断路器(115)，所述至少一个电路断路器连接包含至少一个旁路电容器(120)和并联的至少一个金属氧化物变阻器(MOV)(125)的旁路电容器组；和控制器(130)，配置为检测功率传输系统(105)上的压降；响应于检测所述压降，闭合所述至少一个电路断路器(115)，其中，闭合所述至少一个电路断路器(115)将所述至少一个旁路电容器(120)连接至所述功率传输系统(105)；检测所述至少一个MOV(125)中的电流；以及在检测到所述至少一个MOV(125)中的电流时，将所述至少一个旁路电容器(120)从所述功率传输系统(105)中断开。
2. 根据权利要求1所述的系统，还包括主电路断路器(110)， 其中所述主电路断路器(110)连接所述至少一个电路断路器(115)，所述 至少一个电路断路器(115)将包含至少一个旁路电容器(120)和至少一 个MOV(125)的所述旁路电容器组连接至所述功率传输系统(105)。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个MOV(125) 是氧化锌变阻器。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，将所述至少一个旁路电容 器(120)从所述功率传输系统(105)中断开包括通过所述至少一个 MOV(125)打开连接所述至少一个旁路电容器(120)的所述至少一个电 ^各断^各器(115)。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，打开所述至少一个电路断 路器(115)包括同时打开两个或更多的电路断路器(115)。
6. 根据权利要求4所述的系统，其中，打开所述至少一个电路断 路器(115)包括打开第一组电路断路器(115)和第二组电路断路器(115)，其中所述第一组电路断路器(115)在与所述第二组电路断路器 (115)不同的时间打开。
7. —种用于|1_供辅助无功功率至功率传输系统(105)的方法，包括检测功率传输系统(105)上的压降；响应于检测所述压降，将多个旁路电容器(120)连接至所述功率传 输系统(105)，其中所述多个旁路电容器(120)的第一部分被直接连接至 所述功率传输系统(105),并且所述多个旁路电容器(120)的第二部分各 被与金属氧化物变阻器(MOV)(125)并联地连接至所述功率传输系统 (105);检测所述MOV( 125)中的至少 一个中的电流；以及 .在检测到所述MOV(125)中的至少一个中的电流时，将所述多个 旁路电容器(120)的至少所述第二部分从所述功率传输系统(105)中断 开。
8. 根据权利要求7所述的方法，还包括在将所述多个旁路电容器(120)的所述第二部分从所述功率传输 系统(105)中断开之后，将所述多个旁路电容器(120)的所述第一部分从 所述功率传输系统(l05)中断开。
9. 根据权利要求7所述的方法，还包括在^r测所述MOV( 125)中的至少 一个中的电流之后，确定所述功 率传输系统(105)的电压水平已经恢复；以及响应于确定所述功率传输系统(105)的所述电压水平已经恢复，将 所述多个旁路电容器(120)的所述第一部分从所述功率传输系统(105) 中断开。
10. —种用于提供辅助无功功率至功率传输系统(105)的方法，包括检测功率传输系统(105)上的压降；响应于检测所述压降，将多个旁路电容器(120)连接至所述功率传输系统(105),其中，所述多个旁路电容器(120)中的每一个被并联至金属氧化物变阻器(MOV)(125);检测所述MOV(125)中的至少一个中的电流；以及 在斥企测到所述MOV(125)中的所述至少一个中的电流时，将所述多个旁路电容器(120)从所述功率传输系统(105)中断开。
全文摘要
本发明名称为用于功率传输系统的动态无功支持的系统和方法，提供了用于功率传输系统的动态无功功率支持的系统和方法。控制器(130)被用于检测功率传输系统(105)(例如，分站总线)上的压降。响应于检测到压降，控制器(130)闭合将旁路电容器(120)连接到功率传输系统(105)的电路断路器(115)。随后，控制器(130)监视至少一个MOV(125)以检测电流。基于在MOV(125)中的电流的检测，控制器(130)通过打开一个或更多电路断路器(115)将一个或更多的旁路电容器(120)从功率传输系统(105)中断开。
文档编号H02J3/18GK101651348SQ200910007908
公开日2010年2月17日 申请日期2009年2月25日 优先权日2008年2月25日
发明者B·E·恩格利什, J·P·斯克柳塔斯 申请人:通用电气公司