动态电抗补偿系统和方法

专利名称：动态电抗补偿系统和方法
技术领域：
本发明涉及包括服务于负载的发电系统、输电系统和配电系统的公用电力网络。
背景技术：
为了保持竞争力，在降低成本的同时，公用电力公司不断努力改善系统运行和可靠性。为了应对这些挑战，公用电力公司正在开发用于延长安装设备的寿命以及诊断和监视其公用网的技术。随着针对公用电力网实现的规模和对之的要求不断提高，开发这些技术就越来越重要。通常认为公用电力网分别包括承载高于和低于约35kV电压的输电线网和配电线网。
公用电力网上的电压不稳定性是公用电力行业的关键问题。特别是，当在输电网上发生故障时，经历瞬态电压抑制，这样可能导致输电网上的电压崩溃或者电压不稳定。通常，在极大的负载瞬间地施加到输电系统上时发生这种故障。响应于这种很大负载的出现，输电系统试图对负载(故障)输送很大电流。与输电系统上的断路器相关联的检测器电路立即(即在几毫秒内)检测到过电流情况。来自公用保护继电器的激活信号被发送到关断该电路的断路器。电路断路器的机械特性通常要求3至6周期(即多至100毫秒)以便关断。在断路器关断时，故障得以清除。然而，断路器的关断触发了极有可能导致部分输电系统和配电系统崩溃的一连串事件。具体地说，在断路器关断时，电压仍然为低(即几乎为0)，而且由于部分输电系统已被有效地去除，所以系统的阻抗急剧升高，导致出现虚假高负载。在这种状态下，电压被抑制，但是服务于负载的电流突然升高。电流的突然升高在输电和配电系统中产生巨大损耗。在某些情况下，由于负载和阻抗高，所以电力网上的电压可能无法回归正常，造成长期的电压抑制而且可能造成整个系统的电压崩溃。随着电力网上的负载要求提高，进一步加剧了这些电压不稳定性问题的可能性。
解决该问题的一种方法是建立附加输电线，由此消除由断路器的关断所导致的高损耗和电流急剧升高的影响。然而，设置这种附加线路是昂贵的，而且在某些设置中极为困难。
为了解决这些电压不稳定和电压崩溃问题，还开发了各种设备和装置解决方案，例如下面将详细说明的SVC和STATCOM。通常，这种装置通过临时地将电力引入到系统中来消除由于电流增加很大而产生的损耗。这些损耗可能是电阻性损耗和电抗性损耗。为了理解电阻性损耗与电抗性损耗之间的不同，请注意用于平均功率(电压波和电流波是正弦波时)的一般表达式是 其中Vm和Im分别表示峰值电压和峰值电流。由于正弦波的最大值除以2的平方根是有效值，所以可以将用于平均功率的等式写成
其中V的单位是伏特，而I的单位是安培，功率以单位瓦特来表示。瞬态功率是p=[VmIm2cosθ-VmIm2cosθcos2ωτ]+VmIm2sinθsin2ωτ]]>等式右侧的前两项表示瞬间实功率。在2ωτ是π的奇数倍时，实功率的值是2VmIm2cosθ=2VIcosθ]]>在2ωτ是2π的倍数时，实功率的值是0。因此，单相电路中的实功率在0与2VI cosπ之间波动，而且具有平均值VI cosπ。等式右侧的第三项表示所谓的瞬态无功功率或者优选是瞬态无功伏特-安培。其等式为px=(VmIm2sinθ)sin2ωτ]]>
因此瞬态无功伏安在 与 之间波动。然而瞬态无功伏安的平均值是0；最大值是 这就是在考虑到无功伏安时所指的值。因此，Px=Vm2Im2sinθ=VIsinθ]]>用VAR表示无功伏安；这是根据单词“volt amperes reactive(无功伏安)”的首字母而形成的术语。在某时间段内考虑的无功伏安表示了电源与负载之间的能量振荡。其功能在于为磁场和充电电容器提供能量，并且在磁场缩灭时或者在电容器放电时将该能量送回到电源。尽管无功伏安照这样就不需要输入到发电机的平均能量，但是它们需要特定数量的发电机伏安容量，因此限制了发电机的可用功率输出。无功功率源自于电压和电流的正交分量，照这样就不表示平均功率。这些附加损耗增加所需总的实功率，通常是由输入到发电机的平均能量来产生的。
以往，电力公用公司利用了传统的静态VAR补偿器(SVC)和静态同步补偿器(STATCOM)解决方案来解决在输电网和配电网上的严重电压稳定性问题和控制问题。STATCOM是利用电力电子学(例如电压源逆变器)来产生VAR的SVC的一种形式。
参考图1，所示SVC 100包括相控TCR(晶闸管控制的电抗器)102和在耦合变压器106的二次侧上连接的TSC(晶闸管控制的电容器)组104。在公用网上发生故障时，SVC 100提供来自TCR 102和TSC 104的无功功率。特别是，TCR 102和TSC 104经由中压线108(12至20KV)连接到变压器。变压器106的一次侧连接到高压输电线(例如，＞35KV)110。在正常运行中，TSC 104始终处于“通”情况下，而TCR 102每隔半线周期在特定相角选通以抵偿部分电容性VAR注入。对于小的相角，导通时间短，因此电感性VAR小。对于逼近180度的大相角，TCR 102基本上在整个半周期为“通”，而且取消更多电容性VAR。控制器(未示出)将控制信号提供给TSC 104而且将选通信号提供给TCR 102以允许根据系统要求对来自0至100％的VAR输出进行无限控制。利用晶闸管开关116来很快地(例如在半线周期内)切换TCR 102和TSC 104。将TCR的规格设定为提供最大滞后VAR，而TCS可以具有相同规格和不同规格(例如25至100MVAR)，以便将电容性VAR逐渐地引入到系统。因此，TCR 102用作为可变VAR补偿装置，而TSC 104用作为固定的并且逐渐添加/减去的VAR补偿装置。
在运行中，SVC系统100通过对注入到公用电力系统中或者从公用电力系统吸收的无功功率数量进行控制来调节其端子上的电压。在系统电压低时，SVC 100产生无功功率(SVC电容性)。在系统电压高时，它吸收无功功率(SVC电感性)。具体来说，SVC 100迅速地传递无功功率以改变功率角度，由此升高或者降低网络上的电压。响应于由于变化的系统状况所造成的输电网上的动态功率摆动，SVC 100持续地对改变功率角度。
SVC系统100还可以包括较小的谐波滤波电容器112(例如，每个10至30MVAR)，这些电容器一直为“通”，而且滤除了由晶闸管的固有动作所产生的较高谐波(例如，通过与电容器112串联的电感器113所调谐的第5阶和第7阶谐波)。还可以将机械式开关电容器114相结合地使用SVC系统100以便进行电压调节。
这种静态VAR补偿器由于若干原因而提供电容性电抗。首先，由于输电线的长度和多个变压器的存在，公用电力系统特别是在输电级主要是电感性的。其次，连接到公用电力系统的许多最大负载通常是电感性的。例如，在锯木场、碎石场、钢厂中使用的以及用来驱动水泵的大型电动机使得系统的功率因子偏离于所需单位水平，因此降低电力系统的效率。通过选择适当的电容数量和连接位置，电容器组可以提供对线电压、功率因子或者无功伏安(VAR)功率的控制级。由于多数电感性负载间断性和周期性地工作，所以通常响应于系统上变化的电抗性负载，选择性地施加适当补偿。
SVC和STATCOM系统具有能提供迅速变化的VAR这一特性，这些VAR是为了调节电压和迅速将事故后的电压驱动到容许电平而需要的。解决方案的响应所需要的时帧是在AC功率的几个线周期(对于60Hz AC电力系统而言，一个线周期是16.7mS)的量级，不过它也能在子周期的基础上进行响应。然而，SVC和STATCOM系统的主要缺点是它们的高额成本。

发明内容
本发明的特征在于用于对公用输电网和配电网进行动态无功补偿的系统和方法。通过与公用电力网并联，注入电容性无功电流或者感性无功电流，进行无功补偿。
根据本发明的一个方面，一种用于连接到公用电力网络的系统包括无功功率补偿装置，耦合到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与无功功率补偿装置之间传送无功功率；电容器系统，配置用以在公用电力网络与至少一个电容器系统之间传送电容性无功功率；机电式开关，用于将电容器系统连接到公用电力网络和从公用电力网络断开；与机电式开关相关联的接口；控制器，配置用以提供用于控制机电式开关的控制信号；以及通信信道，用于将控制器耦合到与机电式开关相关联的接口。机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以当公用电力网络上检测到故障情况时，在约三个线周期内或者低于标称电压频率，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。
本发明的这些方面的实施例可以包括以下特征中的一个或多个特征。机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以在从公用电力网络上检测到故障情况起的少于约80毫秒内而且优选为少于约50毫秒内，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。
通信信道是光纤信道。该系统还包括许多电容器系统，每个电容器系统被配置用以在公用电力网络与多个电容器系统中的相应电容器系统之间传送电容性功率。多个电容器系统各自耦合到相应的机电式开关，控制器被配置用以利用相应的机电式开关来操作每个电容器系统。在操作中而且在预定时间段之后，控制器监视是激活还是去激活多个电容器系统中的附加电容器系统。
无功功率补偿装置(例如逆变器)被配置用以提供电压调整，而且用以通过迅速将无功功率提供到公用电力网以便重新建立在两秒内、优选地在1秒内使系统电压复原回到标称电压10％内来防止电压崩溃。无功功率补偿装置可以包括逆变器阵列。
该系统还包括至少一个机械式开关电容器或者电抗器，每个机械式开关电容器或者电抗器被配置用以响应于来自控制器的信号将电容性功率或者电感性功率传送到公用电力网。
控制器被配置用以响应于将电容器系统连接到公用电力网络的需求，激活无功功率补偿装置，而且基本上同时使该电容器系统连接到公用电力网络。
根据本发明的另一方面，一种用于稳定公用电力网络的方法包括以下步骤。无功功率补偿装置耦合到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与无功功率补偿装置之间传送无功功率。包括机电式开关的至少一个电容器系统电耦合到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与至少一个电容器系统之间传送电容性功率。检测公用电力网络上的故障情况。响应于检测到故障情况，在约三个线周期内或者低于标称电压频率，操作至少一个机电式开关。
根据本发明这一方面的实施例可以包括以下特征中的一个或多个特征。利用光纤通信信道将控制器耦合到机电式开关。多个电容器系统耦合到公用电力网络，每个电容器系统与对应的机电式开关相关联，而且每个电容器系统被配置用以在公用电力网络与多个电容器系统中的相应电容器系统之间传送电容性功率。控制器监视是激活电容器系统组中的附加或者预设电容器系统还是去激活电容器系统中的一个电容器系统或者预设电容器系统。
控制器控制无功功率补偿装置以迅速将无功功率送到公用电力网，从而在两秒内、优选在一秒内使电压提升到标称线电压的0.90P.U.。无功功率补偿装置包括至少一个逆变器或者逆变器阵列。
响应于将至少一个电容器系统连接到公用电力网络的需求，激活无功功率补偿装置，而且基本上同时使该至少一个电容器系统连接到公用电力网络。在检测公用电力网络上的故障情况之前，控制无功功率补偿装置以提供对公用电力网络的电压调整。控制无功功率补偿装置以提供电压调整包括如果公用电力网络上的标称电压高于预定的上阈值(例如1.04P.U.)，则去激活多个电容器系统中的至少一个电容器系统。控制无功功率补偿装置以提供电压调整也包括如果公用电力网络上的标称电压低于预定的下阈值(例如1.0P.U.)，则激活多个电容器系统中的至少一个电容器系统。
如果需要反作用VARS，而且如果预定的电容器定时时段(例如在一秒与数分钟之间的范围中)已到时，则去激活无功功率补偿装置。电容器定时时段依赖于无功功率补偿装置的无功功率输出。如果需要提升VARS，而且如果预定的电容器定时时段已到时，则激活无功功率补偿装置。如果公用电力网络上的标称电压低于预定的快速控制阈值(例如＞标称电压的10％)1)激活多个电容器系统中的至少一个电容器系统；以及2)控制无功功率补偿装置以增加来自无功功率补偿装置的VAR注入。
该方法还包括如果需要提升VAR，则控制无功功率补偿装置以增加来自无功功率补偿装置的VAR注入；如果不需要提升VAR，而且如果标称电压低于预定过电压阈值(例如标称电压的5％)，则控制无功功率补偿装置以减少来自无功功率补偿装置的VAR注入；以及如果不需要提升VAR，而且如果标称电压高于预定过电压阈值，则控制无功功率补偿装置以增加来自无功功率补偿装置的VAR注入。
该方法还包括如果标称电压高于快速电容器去除阈值(例如，＞标称电压的5％)，则去激活电容器系统中的至少一个电容器系统；以及如果标称电压低于预定快速控制阈值，则激活电容器系统中的至少一个电容器系统。
该系统和方法能衰减迅速电压变化，而且用于提供故障后电压支持以减轻电压崩溃的趋势。除了用作快速瞬态电压支持装置之外，该系统还能调整输电网或者配电网上某点处的电压，而且最小化当无功功率源(例如电容器组)连接到公用电力网时在公用电力网上承载的正常电压的基本波形上所施加的瞬态。通过利用很快(例如24毫秒)的机械式开关电容器和电抗器组来综合无功功率补偿装置(例如逆变器)的动态VAR输出，该系统成为SVC的非常经济的替代品，而且同样可以有效解决公共输电网问题，比如电压不稳定和电压调整。SVC和STATCOM比为了解决这些问题而必需的速度更快而且非常昂贵。常规的机械式开关电抗装置尽管有用于电压调整的容许速度(＞100ms)但是太慢而不能解决电压不稳定性。本发明解决了常规机械式开关的速度限制问题，而且利用它们提供大量无功功率，而无功功率补偿装置(例如逆变器)提供少量(10-25％)但是速度非常快的无功功率。无功功率补偿装置通常仅使电压在额定输出偏移百分之几，因此显著降低了出现不稳定性能和/或者振荡的机会。因此，尽管本发明的系统与SVC具有同样的范围，但是，为了慢速控制而对电容器的控制在动态意义上使得它看上去小得多，因此排除了许多不稳定性问题。此外，由于该系统的成本比规格可比较的SVC少约25％，所以本发明对基于STATCOM的系统和基于SVC的系统提供了替代品。本发明还使用机电式开关，这些开关比在SVC内使用的常规晶闸管开关廉价得多。
根据对当前优选实施例的以下描述以及权利要求，本发明的这些以及其他特征和优点将变得明显。


图1是传统SVC系统的方框图。
图2是包括D-VAR STATCOM和快速开关电容器组的动态电压系统的方框图。
图3是图2的动态电压系统的D-VAR STATCOM的方框图。
图4是图2的快速开关电容器组和通信链路的方框图。
图5是针对图2的动态电压系统而示出了作为时间函数的VAR输出之间关系的曲线图。
图6是示出了用于操作动态电压系统的一般步骤的流程图。
图7A-7C是示出了用于在慢速模式中操作动态电压系统的一般步骤的流程图。
图8A-8C是示出了用于在快速模式中操作动态电压系统的一般步骤的流程图。
具体实施例方式
参考图2，所示动态电压系统10经由第一变压器12与公用电力网的输电线110并联，该第一变压器12将输电线110上承载的高压(例如高于35kV)降到中压总线108的低压，在这里是34.5kV。动态电压系统10在该实施例中包括成对的D-VAR STATCOM系统30，每个系统通过总和变压器32连接到内部总线14。可以从American SuperconductorCorporation，Westboro，MA获得D-VAR STATCOM系统30。由于每个D-VAR STATCOM系统30均具有标称480VAC输出，所以采用了对接到高压输电系统的两级变压(变压器12和32)。
动态电压系统10还包括并联电抗器40，而且在该实施例中还包括各自连接到内部总线14的四个电容器组50a。并联电抗器40提供的负(电感性)VAR高于且超过由D-VAR STATCOM系统30提供的VAR，而且电容器组50a能分别每组产生20MVAR和25MVAR电抗。通过适当规格的电路断路器19，并联电抗器40和电容器组50a经过内部总线14耦合到中压总线108。动态电压系统10在该实施例中还包括各自耦合到输电线110的成对电容器组50b。电容器组50b能每组产生50MVAR电抗，这约为电容器组50a的MVAR容量两倍之多。由于电容器组50b直接连接到高压输电总线110，所以它们提供了一种在发生故障时将更大量的电容性电抗注入到公用电力网的更为成本有效的方式。
响应于在连接到公用电力网的信号线18上感测的电压波动，由DVC控制器60对D-VAR STATCOM 30、电抗器40和电容器组50a、50b进行控制。在该实施例中，可以与“慢速”机械式开关电容器(MSC)组(即切换时间＞6个线周期)相结合地使用电容器组50a、50b以便进行电压调节。例如，如图1中所示的电容器组114代表了机械式开关电容器类型，可以由公用电力公司在给定的变电站处设置此类电容器组以便进行电压调节，也可以不这样设置此类电容器组。为了进行长期的电压调节，可以通过监管控制和数据采集(SCADA)接口来控制公用MSC。然而，图1中所示的此类机械式开关电容器114慢得无法用于防止电压崩溃。
通常，正如下面更详细说明的那样，D-VAR STATCOM系统30产生了解决方案的动态可变VAR分量，而电容器组50a、50b提供了系统的逐渐或者分级的电容性VAR分量，并且并联电抗器40提供了系统的逐渐或者分级的电感性VAR分量。应该明白，为了清楚起见，仅示出了电力系统的三相之一。同样，在图2中没有示出公用电力系统内通常使用的特定部件(例如，熔断器、保护继电器、断路器)。
参考图3，每个D-VAR STATCOM系统30在该例中均包括三十二个250kVA逆变器模块36，这些模块的输出在功率变压器的中压侧上组合以便产生所需系统性能。根据配置，适当的逆变器模块包括Power ModuleTMPM250和Power ModuleTMPM1000，二者均可以从American SuperconductorCorporation，Westboro，MA获得。逆变器模块36通过断路器34耦合到总和变压器32的二次侧.
再参考图2和4，为了有效地解决由控制器60感测的故障情况，必须可以尽可能快地在中间(分配电压)和/或者输电电压总线上添加或者去除电容器组50a和50b以及电抗器40。传统的断路器、电机操作的开关或者通过传统公用信令手段来控制的快速开关过于缓慢。为了克服这一问题，利用了从控制器60到高速真空开关52的直接通信以提供必要的跳闸(关断)时间和闭合时间。
特别地，如图4所示，每个电容器组50a、50b包括一个或者多个电容器53、涌入抑制电抗器57和真空开关52。通过光纤通信线路54而且由真空开关52的数字接口来接收来自控制器60的控制信号。适合于采用的光纤通信线的一个例子是模制线缆，该线缆采用了具有ST连接器的行业标准62.5/125微米玻璃多模光纤。具有适当跳闸和闭合时间特性的电容器开关是由Joslyn Hi-Voltage Corporation Cleveland，OH制造的VBU开关。Joslyn VBU开关分别具有约24毫秒或者29毫秒的跳闸和闭合时间特性，或者对于60Hz则具有1.5线周期。每个电容器组50a、50b包括涌入抑制电抗器57。在利用已被激活的电容器组来激活并联的附加放电电容器组时，每个涌入抑制电抗器57被用来限制“涌入”或者电流。
下面示出了适合于在动态电压系统10中使用的电容器开关52的典型特性开关关断(每极)直接能量电压40VDC闭合线圈电阻2欧姆跳闸时间-从螺线管赋能到接触部分 17ms-从接触部分到完全关断 7ms-总的关断时间(螺线管赋能到完全关断)-直接能量 最长24ms-电容器放电(基准) 最长24ms
开关闭合(每极)电容器放电电压 250V放电电容 6500mF闭合时间(从螺线管赋能到接触触摸)-电容器放电 最长28ms最短20ms控制响应时间-模拟控制 最长30ms-数字控制＜1ms在特定实施例中，旁路了Joslyn VBU开关的常规公用接口(模拟控制)，从而直接地将跳闸(关断)信号和闭合信号传达到开关触发器机构，由此避免与传统模拟接口有关的时间延迟(30毫秒)。
再参考图2和4，每个开关电容器组50a、50b还包括可饱和电抗器，该可饱和电抗器通常是以具有如下二次侧(未示出)的电压互感器(PT)59的形式来实现的，该二次侧可以用于诊断用途或者保持开路。当高速开关闭合时，AC电压出现在电容器组50a、50b的电容器53和PT 59上。当出现AC电压时，电容器53在PT看来就像是高阻抗负载一样。但是当电容器开关52关断时，电容器组上的陷获电荷在PT看来就像是DC电压一样。在开关关断之后通常小于一个AC线周期(17mS)的时间，PT的磁心将会饱和。一旦饱和，PT的阻抗降低数个数量级，而且在电容器组看来就像是短路一样，并迅速对电容器内的陷获电荷进行放电，因此称为“短接PT”。使电容器迅速放电使得它可以根据需要通过DVC控制器将之切换进来。
关于真空开关52，为了容错，通常需要通信线路54上承载的通信信号“关断”和“闭合”。“状态”信号是可选的，但是它作为标准做法几乎始终存在。状态信号可以是许多信号之一。例如，在一个实施例中，一个信号表示开关的状态(关断或者闭合)，而第二信号表示诊断信息(“就绪”比对“故障”)。在优选实施例中，高速地将状态信号和故障信号二者送回到控制器60。这样，如果控制器60命令开关52闭合，但是状态却表示它没有闭合，则控制器可以迅速命令不同的开关闭合。同样，如果控制器要命令一个开关闭合，但是该开关报告故障，则控制器可以代之以命令不同的开关闭合。因此，在电容器或者高速开关发生故障的情形下，则不损害动态电压系统10的总体功能和效率。
D-VAR Statcom和电容器控制基于两种不同的模式和时标来控制D-VAR Statcom 30、电抗器40和电容器组50a、50b。第一时间模式是基于提供对公用电力网上电压的长期调节，而第二时间模式是基于高压输电线110上出现严重故障。针对下面所做的全部讨论，为了便于说明将给出设置点近似值和阈值。应该明白，可以根据特定和应用和条件来修改下面讨论的用户参数。此外，应该明白，结合对电容器组的添加或者删除，还可以添加或者删除电感性元件，从慢速稳定控制的观点来看，对系统电压的净效应是等效的。
在本文中，术语“调整”意味着推测对公用电力网上电压的变化缓慢的控制。本文中的时标为秒数量级。另一方面，故障事件要求快得多的响应时间(即在几个或者更少的线周期内)。通过将当前测量的电压与长期平均值(通常在0.1秒与10秒之间)进行比较，控制器60将调整与故障情况区别开。如果电压的降低大于标称电压的0.10-0.15P.U.，则采用“快速”控制。相反，系统则忽略比这更小的瞬态，而且以电压调整方式做出响应。下面将分别详细说明这两种方式，并且可以将其理解为是用以实现该目标的许多方法之一而已。控制器60通常从连接到总线110的电压互感器(PT)62(图2)接收电压信号。
电压调整该系统具有容许电压的可调区段(例如，从1.00到1.04PU)。只要输电线上的测量电压保留于这一区段内，控制器60就除了计算长期电压平均值之外没有其他动作。如果电压缓慢漂移到这些限度之外，则控制器60确定D-VAR STATCOM 30将需要做出响应。控制器60将控制信号发送到D-VAR STATCOM 30以使动态VAR注入到网络中。控制器60利用比例加积分(PI)控制回路算法，其目标设定为防止电压漂移到区段之外。一旦D-VAR STATCOM 30开始注入动态VAR，就启动电容器定时器。如果电压自行地停留到该区段内的值，则D-VAR STATCOM 30仅向下回斜。然而，如果公用电力网在与电容器定时器到时所需的时间那样长的或者更长的时间段内持续要求动态VAR，则控制器60将根据达到哪个限度(低或高)来请求接通或者关断电容器。由于对开关电容器组的请求与它本身的实际切换之间的延迟可能有很大变化，所以该系统不“知道”何时出现瞬态。
例如，用于进行调整的某些电容器组可能位于数英里之外并且通过SCADA系统来访问它们，而其他电容器组则在本地并且利用高速开关来触发它们。因此，在请求电容器组50a、50b之后，系统继续使电压保持在它的目标电平。当最终切换电容器组50a、50b时，瞬态将使电压移向区段中心。由于动态电压系统10试图保持该边缘，所以这将最初看起来像是将会利用PI控制算法来补偿的负误差。结果，D-VAR STATCOM 30的动态VAR输出将迅速地倾斜。这减少了电容器开关的净瞬态。此时，电压将在区段内，而且DVC STATCOM将返回到监视而且等待电压再次超过区段边缘之一。
慢速电容器切换分布控制台60对电容器组50a、50b的主要控制是基于D-VAR STATCOM30的逆变器36的输出，通过MVAR或等效地通过逆变器中所需的电流。理想地，电容器组50a的规格设定为适应全程电压调整，而电容器组50b的规格与电容器组50a相结合地设定为提供用以防止电压崩溃而需要的较大VAR。通常，如果动态电压系统10在延长的时段内要求显著的电容性/提升MVAR，则将希望通过将电容器组切换进来以便利用静态VAR代替这些动态VAR。反之，用以抑制电压的电感性VAR将最终需要去除电容器组。如果已经事先删除所有电容器，则来自D-VAR STATCOM 30的电感性VAR将被用来抑制电压，直到电抗器40接通为止。还应明白，较高的动态VAR输出将通常需要比逐渐变小的VAR输出更快的电容器切换事件，而且存在预定的最短和最长电容器切换间隔以及相应的VAR电平。
参考图5，为了连续维持的提升(boosting)量值I2或者反作用(bucking)量值I4的电流输出，如果可以进行电容器切换操作则采用这样的操作(即有可切换的电容器)。在这种情况下，在分别地命令输出T2或T4秒之后(点70、72)将发生电容器切换。受最短切换时间T1或者T3的限制，电流输出越大将造成更快地发生电容器组切换处理。大于提升I1或者反作用I3的输出量值造成了电容器在相同的最短切换时间进行切换。位于最短切换时间和最长切换时间之间的输出切换时间分布是线性的。
量值小于提升I2或者反作用I4的电流输出将不造成电容器切换。此外，在所命令的电流漂回到非切换区域内时，对实现电容器切换分布的计数器进行复位。可以预设所有上述时间(T)值和电流(I)值。除了T2＞T1和T4＞T3的限制意外，几乎没有绝对制约。为了进行数字表示，对于这些值具有隐含的最小值和最大值。
对于这一系统，用于改变电容器的最小延迟定时器应该大于最长持续时间的“瞬态”事件。换句话说，由于系统上的故障，所以不希望切换慢速调整的电容器之一。因此，通常，将其设置为5-10秒。此时的输出是1.0PU或者额定的稳态动态VAR输出。通常，需要电容器开关的最小输出具有很小的值。可以将其时间延迟设置为数分钟。因此，如果该电压几乎不会到达区段以外，从而D-VAR注入最少量的VAR，则在开关电容器之前需要对此执行数分钟。这就有助于减少不必要的电容器切换事件，因为在这种情况下电压可能自行地返回，从而D-VAR STATCOM需要做的全部操作仅仅是向回倾斜。
PI控制回路增益PI增益仅可应用于输出的动态VAR部分。它们是可由用户设置的参数，以便根据预期的系统响应来设置它们。此外，考虑到不同于SVC，当控制算法已经确定电容器组50a、50b需要切换进来/出去以便进行缓慢调整控制时主要地使用这些参数。如上所述，如果电容器组50a具有适当规格，则对于慢速调制控制而言可以不需要电容器组50b。通常，D-VARSTATCOM 30仅使电压偏移了额定输出的百分之几，因此显著地减少了不稳定表现和/或者振荡的机会。在慢速控制情况下，电容器定时器分布将静态VAR的注入/去除限制为最小延迟时间阈值。因此，尽管DVC与SVC具有同样的范围，但是，为了慢速控制而对电容器的控制在动态意义上使它看起来小得多，因此消除了许多不稳定问题。
请注意，对于从1.0至1.04PU的容许电压范围的选择是与被切换的电容器组50a、50b的规格一体地相关联。其关键在于当电容器组切换时，电压应当在接近目标区段的中心处结束。如果电容器组50a、50b太大或者容许电压范围太窄，则在对电容器组的切换使得电压从区段的一侧变到另一侧时可能会有冲突。如果发生冲突，则动态电压系统10可以确定需要添加、然后去除、然后再添加电容器组50a、50b，等等。因此，通过将区段设置为仅预期电容器开关的两倍，而且还考虑到D-VAR输出，这类通/断/通类型的表现将不会出现。然而，如果停用区段(dead band)的宽度显著地减小，则会运用针对这一现象的附加软件检测算法，而且该系统可以产生警告、报警和/或者在这些情况下动态地增加停用区段。停用区段的利用可以显著地提高这一控制系统的稳定性，而不会造成客户系统偏离于容许级别。还存在其他控制方案，其中从原理上说，通过利用动态VAR以及在这样做不再足够时才加以切换的电容器组，动态电压系统10就可以使电压更靠近中点。其代价则是动态VAR将实际上不停地运行，因此增加了损耗。
快速电压跌落在多数时间，动态电压系统10将不产生动态VAR，而且该系统将是空闲的，让必需的静态VAR在线以使电压保持在停用区段内。在这一模式中，动态电压系统10还寻找跌落事件，其中电压的跌落大于标称电压的10-15％。在这种情况下，动态电压系统10立即采取动作进行补偿。利用来自在到总线110的连线上设置的电流互感器(CT)21(见图2)的信息、对功率通量的最新测量值、以及跌落事件的测量深度，动态电压系统10能够可选地使用对故障位置的了解以确定需要迅速地切换进来的电容器组50a、50b的数目。例如，在标题为“Method And Apparatus For Providing PowerTo A Utility Network”的US 6,600,973中描述了用于基于故障是附近故障还是远处故障来向公用网供电的技术，通过引用将其结合于此。出于这一用途，动态电压系统10采用了快速切换的电容器组50a、50b。通过使快速切换电容器组50a、50b的数量以对系统动态性的了解为基础，防止了过冲在事件结束时的可能性。除了快速切换的电容器组50a、50b之外，该系统还注入动态过载VAR以有助于上推电压。在这种情况下，尽管真正地有闭环控制，但这是有效开路，因为误差足够地大，从而PI控制回路将仅在完全动态VAR过载输出时饱和。
在故障清除时，有两种特性不同的分布。在一种情况下，基本电压迅速地恢复到故障前电平。在另一种情况下，在缓慢地恢复之前，系统在抑制电平(＜1.0PU)处耗时很多。如果负载为轻或者如果故障清除则可能出现前一情况，而不显著地影响系统特性。在这些情况下，系统将切换进来仅少量的可用电容器，随之还有对动态VAR的完全过载注入。在电压达到0.9PU电平时，动态电压系统10迅速地开始拉出快速切换的电容器组50a、50b。如果电压持续上升，则电容器组的去除速率增加，直至电容器组的数目处于故障前水平。如果电压增加到故障前电平以上多于5％，则D-VACSTATCOM 30也加入到通过注入动态电感性VAR以减小过冲，直到在物理上将快速切换的电容器组50a、50b切换出来为止。如果仍有切换进来的额外快速切换电容器组50a、50b而且电压为高，则同样以交错的方式去掉这些电容器组以使电压回到恢复停用区段内。此时，如有必要，为了进行对电压的微调，控制器60将利用它的慢速控制逻辑来切换任何其他电容器组，包括潜在地通过SCADA系统控制的一些电容器组，比如本地或者远处的慢速切换电容器(例如，图1中的“慢速”电容器开关114)。第二种情况是电压恢复到临界电平以上(例如，0.90PU)，但是然后又缓慢地恢复到停用区段内。首先，控制器60将利用它的慢速控制逻辑并且继续运行。如果D-VAR STATCOM 30在数秒内产生相当客观的VAR，则慢速控制将开始添加附加电容器组50a、50b以将此电压拉入到正常区段内。一旦实现了这一点，它就会倾斜，而正常的慢速控制逻辑将继续工作。其他的情况则是，电容器组50a、50b的初始插入不足以使得电压回到临界电平以上。如果电压在从切换初始电容器组起的固定时间内没有恢复到标称的例如90％，则将附加的电容器组切换进来。
对于要求插入大量快速切换电容器组50b的较差情况故障的情形下，一旦电压恢复到容许电平，就较早地将这些组切换“出去”。例如，对于这些较差情况，可以采用较大规格的电容器组，然后，在较低电平将切换回出去，使得它们不造成显著过冲。
鉴于上面的描述，图6、7A-7C和8A-8C概括了动态电压系统10的运行。参考图6，动态电压系统10的运行是基于两种不同模式慢速控制模式(200)和快速控制模式(300)。如上所述，慢速控制模式提供对公用电力网上电压的长期调整，而快速控制模式是基于高压总线上发生重大故障。因此，控制器60针对如下状况持续地监视公用电力网，这些状况造成了动态电压系统10启动慢速控制模式(200)和快速控制模式(300)中的任一模式或者是二者。
参考图7A-7C，在慢速控制模式中，对电压进行监视，而且确定电压是否高于预定阈值(例如＞1.04PU)或者是否先前启动过对电容器组的去除(202)。如果是这样，则去除电容器组(204)。如果不是这样，则确定电压是否低于预定阈值(例如＜1.00PU)或者是否先前启动过对电容器组的添加(206)。如果是这样，则添加电容器组(208)。如果不是这样，则完成慢速控制回路，而且控制器继续在状态300执行代码(参考图7B，为了去除电容器组，启动了对动态VAR的PI控制以实现较高目标(210)。确定是否需要反作用VAR(212)。如果不需要，则控制器60关闭D-VARSTACOM 30，而且系统返回到它的空闲状态(214)。如果需要反作用VAR，则确定查看电容器定时器是否已到时(216)。如果是这样，则去除电容器组(218)，而且确定是否检测到电容器瞬态(220)。如果电容器定时器尚未到时或者如果没有检测到电容器瞬态，则启动慢速模式回路(见图7A)。如果检测到电容器瞬态，则提供动态VAR的快速偏移(222)。
参考图7C，为了添加电容器组，启动了对动态VAR的PI控制以实现较低目标(230)。确定是否需要反作用VAR(232)。如果不需要，则控制器60去激活D-VAR STATCOM 30，而且系统返回到它的空闲状态(234)。如果需要反作用VAR，则确定以查看电容器定时器是否已到时(236)。如果是这样，则添加电容器组(238)，而且确定是否检测到任意电容器瞬态(240)。如果电容器定时器尚未到时或者如果没有检测到电容器瞬态，则启动慢速模式回路(见图7A)。如果检测到电容器瞬态，则提供动态VAR的迅速偏移(242)。
参考图8A，在快速控制模式中，确定动态电压系统10是否已经由于跌落而执行补偿(302)。如果不是这样，则确定电压是否低于快速控制阈值(304)(例如，Δ-V＞10-15％)。如果是这样，则启动快速跌落动作(306)。参考图8C，通过首先估计初始电容器要求(308)、激活电容器组50a、50b中的第一个电容器组(310)、而且对来自D-VAR STATCOM的动态VAR提供PI控制以降低目标(312)来对跌落动作进行初始化。
参考图8B，在快速跌落动作中，确定是否需要提升VAR(320)。如果不需要，则监视电压以查看它是否大于预定过电压阈值(例如，Δ-V＞5％)(322)。如果不大于，则控制器60去激活D-VAR STATCOM 30，而且系统返回到它的空闲状态(324)。如果电压高于预定过电压阈值，则需要反作用VAR，但是对来自D-VAR STATCOM的动态VAR进行PI控制以实现较高目标(例如，标称电压以上5-10％)(326)，以使电压保持接近原始的故障前电平。如果不需要提升VAR，则对来自D-VAR STATCOM 30的动态VAR进行PI控制以实现较低目标(328)。
然后，监视电压以查看它是否高于预定快速电容器去除(330)(例如，Δ-V＞5％)。如果是这样，则控制器60发送控制信号以去除电容器组50a、50b之一(332)。如果不是这样，则监视电压以查看它是否低于较低目标(例如0.9PU)(334)。如果是这样，则控制器60启动延迟计数器，而且确定查看电容器延迟是否已到时(336)。如果是这样，则控制器60发送控制信号以添加电容器组50a、50b中的附加电容器组(338)。
其他实施例仍然在本发明范围之内。可以采用将施加在实用波形上的电势瞬态(例如摆动的“振铃”)最小化的技术，其中这些瞬态是在将电容器组50a、50b以及电容器114连接到公用电力网时由于电压的大体阶跃式变化所造成的。例如，可以将标题为“Reactive Power Compensation toMinimize Step Voltage Changes and Transients”的U.S.S.N.09/449,378中描述的技术与动态电压系统10一起使用，通过引用将其结合于此。通常，在电容器组50a、50b开始向公用电力网传递无功功率的初始时段期间，D-VAR STATCOM 30和/或电抗器40在控制器60的控制之下提供电感性阻抗以抵消来自电容器组50a、50b的电容性无功功率在公用电力网上的骤然阶跃式引入。例如，响应于需要将电容器组连接到公用电力网，控制器60激活D-VAR STATCOM 30和/或电抗器40，而且基本上同时使电容器组连接到公用电力网。此外，可以控制D-VAR STATCOM 30以便在电容器组50a、50b连接到公用电力网之前向系统提供附加电压支持。
此外，尽管高速通信线54是光纤线的形式，但是也可以采用其他形式的高速通信线，包括有线技术和无线(例如RF)技术。此外，可以在配电或者输电电压总线上切换不同数目和数量的电容器或者电容器组或者电抗器。在上述实施例中，电容器组50a连接到中压总线108，而电容器50b连接到高压输电线110。然而，在其他应用中，动态电压系统10可以仅需要中压总线108上的电容器组50a或者仅需要输电线110上的较高VAR电容器组50b。类似地，可以添加不同数目的D-VAR STATCOM以调节动态VAR补偿解决方案的动态部分。能够为开关开发用户接口和螺线管驱动器以便综合通信、诊断和保护功能而且提供更快切换。还可以增强控制器以包括方向性功率流量信令而且产生更智能的电容器切换算法。对于要求滞后VAR或者过电压调整的解决方案则可以添加开关电感器。
权利要求
1.一种用于连接到公用电力网络的系统，该系统包括无功功率补偿装置，耦合到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与无功功率补偿装置之间传送无功功率；电容器系统，配置用以在公用电力网络与至少一个电容器系统之间传送电容性无功功率；机电式开关，用于将电容器系统连接到公用电力网络和从公用电力网络断开；与机电式开关相关联的接口；控制器，配置用以提供用于控制机电式开关的控制信号；以及通信信道，用于将控制器耦合到与机电式开关相关联的接口；以及机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以当公用电力网络上检测到故障情况时，在约三个线周期内或者低于标称电压频率，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。
2.如权利要求1所述的系统，其中机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以在从公用电力网络上检测到故障情况起的少于80毫秒内，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。
3.如权利要求2所述的系统，其中机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以在从公用电力网络上检测到故障情况起的少于50毫秒内，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。
4.如权利要求1所述的系统，其中通信信道是光纤信道。
5.如权利要求1所述的系统，其中该接口被配置用以从控制器接收数字控制信号。
6.如权利要求1所述的系统，还包括配置用以将电感性无功功率传送到公用电力网络的电感性电抗器。
7.如权利要求1所述的系统，还包括多个电容器系统，每个电容器系统被配置用以在公用电力网络与多个电容器系统中的相应电容器系统之间传送电容性功率。
8.如权利要求7所述的系统，其中多个电容器系统各自耦合到相应的机电式开关，该控制器被配置用以利用相应的机电式开关来操作多个电容器系统中的每个电容器系统。
9.如权利要求7所述的系统，其中在预定时间段之后，控制器监视是连接多个电容器系统中的附加电容器系统还是断开多个电容器系统之一。
10.如权利要求7所述的系统，其中控制器是配置用以初始地激活电容器系统预定子集的系统。
11.如权利要求1所述的系统，其中无功功率补偿装置被配置用以提供电压调整。
12.如权利要求1所述的系统，其中无功功率补偿装置被配置用以将无功功率提供到公用电力网络以在2秒内达到标称电压的0.90P.U.。
13.如权利要求1所述的系统，还包括至少一个机械式开关电容器，每个机械式开关电容器被配置用以响应于来自控制器的信号将电容性功率传送到公用电力网络。
14.如权利要求1所述的系统，其中无功功率补偿装置包括逆变器。
15.如权利要求14所述的系统，其中无功功率补偿装置包括逆变器阵列。
16.如权利要求1所述的系统，其中控制器被配置用以响应于将电容器系统连接到公用电力网络的需求，激活无功功率补偿装置，而且基本上同时使该电容器系统连接到公用电力网络。
17.一种用于稳定公用电力网络的方法，该方法包括电耦合到公用电力网络；无功功率补偿装置耦合到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与无功功率补偿装置之间传送无功功率；至少一个电容器系统被配置用以在公用电力网络与至少一个电容器系统之间传送电容性功率，该至少一个电容器系统包括机电式开关；检测公用电力网络上的故障情况；以及响应于检测到故障情况，在约三个线周期内或者低于标称电压频率，操作至少一个机电式开关。
18.如权利要求17所述的方法，还包括利用光纤通信信道将控制器耦合到至少一个机电式开关。
19.如权利要求17所述的方法，还包括将多个电容器系统耦合到公用电力网络，每个电容器系统与对应的机电式开关相关联，而且每个电容器系统被配置用以在公用电力网络与多个电容器系统中的相应电容器系统之间传送电容性功率；以及利用控制器监视是激活多个电容器系统中的附加电容器系统还是断开多个电容器系统之一。
20.如权利要求19所述的方法，还包括初始地激活电容器系统的预定子集。
21.如权利要求18所述的方法，其中机电式开关包括用于从控制器接收数字控制信号的接口。
22.如权利要求17所述的方法，还包括通过控制器控制无功功率补偿装置以将无功功率提供到公用电力网络从而在2秒内达到标称电压的0.90P.U.。
23.如权利要求17所述的方法，还包括将至少一个机械式开关电容器耦合到公用电力网络，每个机械式开关电容器被配置用以响应于来自控制器的信号将电容性功率传送到公用电力网络。
24.如权利要求17所述的方法，其中无功功率补偿装置包括至少一个逆变器。
25.如权利要求17所述的方法，还包括响应于将至少一个电容器系统连接到公用电力网络的需求，激活无功功率补偿装置，而且基本上同时使该至少一个电容器系统连接到公用电力网络。
26.如权利要求17所述的方法，还包括在检测公用电力网络上的故障情况之前，控制无功功率补偿装置以提供对公用电力网络的电压调整。
27.如权利要求26所述的方法，其中控制无功功率补偿装置以提供电压调整包括如果公用电力网络上的标称电压高于预定的上阈值，则去激活多个电容器系统中的至少一个电容器系统；以及如果公用电力网络上的标称电压低于预定的下阈值，则激活多个电容器系统中的至少一个电容器系统。
28.如权利要求27所述的方法，其中预定的上阈值是1.04P.U.，而预定的下阈值是1.00P.U.。
29.如权利要求27所述的方法，其中如果需要反作用VARS，而且如果预定的电容器定时时段已到时，则去激活无功功率补偿装置。
30.如权利要求29所述的方法，其中预定的电容器定时时段依赖于无功功率补偿装置的无功功率输出。
31.如权利要求28所述的方法，其中如果需要提升VARS，而且如果预定的电容器定时时段已到时，则激活无功功率补偿装置。
32.如权利要求31所述的方法，其中预定的电容器定时时段依赖于无功功率补偿装置的无功功率输出。
33.如权利要求27所述的方法，还包括如果公用电力网络上的标称电压低于预定的快速控制阈值激活多个电容器系统中的至少一个电容器系统；以及控制无功功率补偿装置以增加来自无功功率补偿装置的VAR注入。
34.如权利要求33所述的方法，其中预定的快速控制阈值比标称电压大10％。
35.如权利要求34所述的方法，还包括如果需要提升VAR，则控制无功功率补偿装置以增加来自无功功率补偿装置的VAR注入；如果不需要提升VAR，而且如果标称电压低于预定过电压阈值，则控制无功功率补偿装置以减少来自无功功率补偿装置的VAR注入；以及如果不需要提升VAR，而且如果标称电压高于预定过电压阈值，则控制无功功率补偿装置以增加来自无功功率补偿装置的VAR注入。
36.如权利要求35所述的方法，其中预定过电压阈值比标称电压高5％。
37.如权利要求31所述的方法，还包括如果标称电压高于快速电容器去除阈值，则去激活电容器系统中的至少一个电容器系统；以及如果标称电压低于预定快速控制阈值，则激活电容器系统中的至少一个电容器系统。
38.如权利要求37所述的方法，其中快速电容器去除阈值比标称电压高5％。
全文摘要
本发明的特征在于一种用于连接到公用电力网络的系统。该系统包括无功功率补偿装置(10)，连接到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与无功功率补偿装置之间传送无功功率；电容器系统(50a，50b)，配置用以在公用电力网络与电容器系统之间传送电容性无功功率；机电式开关(52)，用于将电容器系统连接到公用电力网络和从公用电力网络断开；与机电式开关相关联的接口(56)；控制器(60)，配置用以提供用于控制机电式开关的控制信号；以及通信信道(54)，用于将控制器耦合到与机电式开关相关联的接口。机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以当公用电力网络上检测到故障情况时，在约三个线周期内或者低于标称电压频率，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。该系统包括无功功率补偿装置，耦合到该网络，而且被配置用以在公用电力网络与无功功率补偿装置之间传送无功功率；电容器系统，配置用以在公用电力网络与电容器系统之间传送电容性无功功率；机电式开关，用于将电容器系统连接到公用电力网络和从公用电力网络断开；与机电式开关相关联的接口；控制器，配置用以提供用于控制机电式开关的控制信号；以及通信信道，用于将控制器耦合到与机电式开关相关联的接口。机电式开关、接口、控制器和通信信道一起被配置用以当公用电力网络上检测到故障情况时，在约三个线周期内或者低于标称电压频率，将电容器系统连接到公用电力网络或者从公用电力网络断开。
文档编号H02J3/18GK1942842SQ200580011413
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年3月4日
发明者道格拉斯·C·福尔茨, 威廉·A·瓦雷卡, 阿诺德·P·克尔利, 约翰·A·迪亚兹·德·莱昂二世 申请人:美国超导体公司