使用带多个次级绕组的变压器用于动态电力流控制的电压或阻抗注入方法与流程

本申请要求享有于2015年12月8日提交的美国临时专利申请no.62/264,744的权益。

发明背景

1．发明领域

本发明涉及使用空间上分布的有源阻抗注入模块进行高压(hv)传输线路的动态线路平衡的系统和方法，所述有源阻抗注入模块与形成hv电力网的hv传输线路直接串联地连接。

2．现有技术

hv电力网典型地在大约50kv至达大约600kv左右的电压下工作。这些hv电力网的要求之一是需要动态分布的有源电力流控制能力，其可根据需要将电感和电容性阻抗注入到hv传输线路上，以实现线路平衡和相位角校正。可快速地对电网上的电力流问题作出反应的系统将大大改进电网工作和电力传送的效率。

拥挤的网络由于使电力的部分在不平衡电路中消耗而引起回路电流及相关联的电力损耗，而限制了系统可靠性并增加了电力输送成本。另外，传输线路上的基本上异相的电压和电流减少了线路将有效电力从发电机传送到配电站的容量。为了消除这种限制，需要使hv电力网具有平衡的传输线路、具有基本按最优方法分配的功率传输、具有合理的电力因数、以及具有在电压和电流之间的可控相位差。这些改进减少了回路电流和相关联的损耗，并可使电网上的有效电力传输达到线路容量。

现今大多数电网控制能力是基于地的，并且被安装在具有可切换的电感和电容性负载的变电站处。这些安装方式需要高压绝缘和高电流切换能力。在变电站处，这些可使用冷却方法，在不考虑装置的重量和尺寸的条件下，冷却方法包括油冷却、冷却剂的强制再循环以及其它选择。这些集总控制需要集中的数据收集和控制设施，以协调横跨电网的工作，并因此在电力网上实施控制功能时具有相关的延迟。

传输线路阻抗的分布式和有源控制如果在高可靠度下得以有效地实施的话将显著地改进系统效率，但需要成本有效的实施方式，该实施方式可在对线路平衡问题的快速识别和快速响应的情况下通过改变横跨线路应用的电流-电压关系的相位角来变更hv传输线路的阻抗，从而控制电力流。

目前，例如在divan等人的美国专利no.7,835,128(‘128专利)中描述的用于电力网的分布式控制的经证明有效且可靠的解决方案是受限的。图1显示了使用“分布式串联电抗器(dsr)”100的现代分布式线路平衡系统102的表示，“分布式串联电抗器(dsr)”100使用无源阻抗注入模块。

电力从电力源或发电机104被传输至负载或配电站106。空间上分布的无源电感性阻抗注入模块(或dsr100)直接附接至hv传输线路108的电源线上，并因此形成dsr100的初级绕组和具有旁路开关的次级绕组，在断开开关时将电感性阻抗注入到线路上，用于分布式控制。这些dsr100通过仅将电感性阻抗注入至线路上而只提供有限数量的控制。当次级绕组通过旁路开关而被短路时，dsr100处于保护模式，并且将基本为零的阻抗注入到hv线路上。

图2和2a及2b显示了无源阻抗注入模块dsr100的实施例。通过增加两个(或更多个)分裂芯部件132而将hv传输线路108作为初级绕组结合到模块中，分裂芯部件围绕hv传输线路108而装配。芯部件132附接至hv传输线路108上，其中在装配之后空隙138将所述部分分隔开。空隙138用于设定待经由初级绕组注入到hv线路上的固定电感性阻抗的最大值。次级绕组134和136环绕两个分裂芯部件132，并在hv传输线路发生电力骤增时，使得旁路开关122能够使次级绕组短路并防止电感性阻抗注入到hv传输线路108上，并且还为次级电路提供保护。分裂芯部件132和绕组134和136包括单匝变压器(stt)120。电力源模块128经由串联连接的变压器126而从stt120的次级绕组134&136中得到电力。电力源128为控制器130提供电力。控制器130经由stt120的次级电流监测线路电流，并在线路电流达到和超过预定的水平时闭合旁路开关122。在接触开关122断开的条件下，晶闸管124可用于将注入的电感性阻抗控制成达由dsr100的空隙138设定的最大值的值。

当使用如图1中那样连接在hv传输线路上的多个dsr100时，通过所有dsr100注入到线路段上的电感性阻抗提供了总的控制阻抗。选择和使用电感性阻抗注入装置dsr100的主要原因是其简单、低廉并可靠，因为其不需要有源电子电路来产生所需要的电感性阻抗。各个dsr100的电感性阻抗值通过变压器芯的空隙设置来提供而非电子化地产生，并因此与在使用电子电路来对其进行实施的情况下相比具有较少的故障模式。在针对阻抗注入装置实施和使用电子电路中的困难是多重的，所述阻抗注入装置可产生有源可控制的用于注入的高阻抗，包括电感和电容性阻抗。其包括实现电力公司所要求的长期可靠度，同时产生实现次级电路中线路的有效有源控制所需的电压和电流水平，同时保持在模块合理的成本限制内。

过去已经提出过高压传输线路上的分布式有源阻抗注入模块。许可给本申请人实体的divan等人的美国专利7,105,952就是这样一个示例。图3显示了有源分布式阻抗注入模块300的示范性示意图。这些模块300预期安装在hv电力线上与图1中所示的无源阻抗注入模块(或“dsr”100)相同的位置。有源阻抗注入模块300不执行相同的功能。事实上有源阻抗注入模块300没有图2b的提供固定电感性阻抗的有隙芯132。相反，电感或电容性阻抗是使用转换器305基于所感测的hv传输线路108的电流而产生的。线路电流大小的感测通过串联连接的次级变压器302采样次级电流来实现。连接至次级变压器302上的感测和电力源单元303提取hv传输线路电流信息并供给控制器306。控制器基于所接收的输入对转换器305提供必要的命令，以产生所需要的电感或电容性阻抗，从而调整线路阻抗。阻抗的值在这种情况下并不是固定的，而是根据hv传输线路上所测量的电流状态而变化。因此，使用空间分布式有源阻抗注入模块300的系统提供了用于平衡电网的平稳且高效得多的方法。

实际上，由于成本和可靠度的原因，有源阻抗注入模块300还不实用。为了将所需的阻抗注入到hv传输线路上以提供合理的线路平衡，需要在转换器电路中产生大量的电力。这要求有源阻抗注入模块300使用具有足够电压和电流额定值的专用设备。

在使用dsr100模块的空间分布式电感性阻抗注入线路平衡系统中的模块故障将“空隙”138所设定的固定电感性阻抗或基本为零的阻抗插入到线路上。分布在hv传输线路上的大量模块中的少许模块的故障不会要求即时关闭线路。当对电网上的电力流影响最小的情况下可降低线路时，可一次性进行故障模块的修理或更换。对于电力公司实施分布式有源线路平衡，单独的模块必须是极可靠的。它们还必须成本有效才能被电力公司所接受。

电力传输线路平衡电路受限于使用容易发生单点故障的延时作用的重型全绝缘油冷式电感和电容性阻抗注入器或相移变压器，其定位在可操控这些故障装置的修理的配电站处，不会对电网上的电力传送产生重大影响。

如上所述，迄今为止，使用可以合理的成本在电力公司所要求的高可靠度下操控所需电力的专用设备还不可行。需要将电网转换成更高效且更智能的配电系统的这种能力。如果这可建立，那么其将对电网的效率和能力产生重大影响。

附图说明

附图仅意欲用来帮助将本发明与现有技术区别开来。在结合附图的描述中详细说明了本发明的目的、特征和优点。

图1是高压传输线路的表示，其显示了直接附接至hv传输线路上的分布式无源阻抗注入模块。(现有技术)

图2是使用单匝变压器用于在hv传输线路上进行分布式电感性阻抗注入的电感性阻抗注入模块的示范性方块图。(现有技术)

图2a和2b是在图2的无源阻抗注入模块中使用的单匝变压器的示范性示意图。(现有技术)

图3是被许可给本实体的、使用单匝变压器用于在hv传输线路上进行分布式有源阻抗注入的有源阻抗注入模块的示范性方块图。(现有技术)

图4是公开的有源阻抗注入模块的第一实施例的示范性方块图，所述有源注入模块使用多个次级绕组用于在hv传输线路上进行分布式有源阻抗注入。

图5是公开的有源阻抗注入模块的第二实施例的示范性方块图，所述有源注入模块使用多个次级绕组用于在hv传输线路上进行分布式有源阻抗注入。

图5a和5b是多次级的单个初匝变压器的示范性示意图。

图5c和5d显示了在图5a和5b中的变压器的截面。

图6是高压传输线路的表示，其显示了根据本发明的实施例的分布式有源阻抗注入模块在被直接附接至hv传输线路上且在线路电压下工作时将得到支撑的多种方式。

具体实施方式

如上所述，需要具有高可靠度、故障容忍度和智能的分布式动态控制模块(分布式有源阻抗注入模块)，其能够将足够且合适大小的电感和电容性阻抗注入到高压传输线路上，以实现电力流控制。这些分布式动态控制模块必须直接附接至hv传输线路上，并且在工作中时处于线路电势下。分布式动态控制模块能够通过从hv传输线路中提取电力而工作，用以控制并用以产生必要的转换器电压。模块以正确的相位角产生和注入电压，用于将其注入到hv传输线路上，以提供在工作期间必要的电感或电容性阻抗。

单匝变压器的次级侧和所有相关联的电路相对于地是电隔离的。然而，次级绕组的一侧连接至初级绕组上，以提供虚拟接地或“浮动接地”参考。

为了使分布式控制模块成功地被电力公司所接受并安装在线路上，这些分布式控制模块必须是智能且自知的、可远程控制且可配置的。同待在其上安装模块的线路段相比，这些模块应具有合理的重量，甚至其中模块以绝缘的方式悬吊于塔上或由附加支撑结构支撑。这些还应具有低的风阻，以降低风荷载对所采用的线路/塔/特殊支撑结构的影响。作为本质特征，模块的所有电子元件与电路应具有非常高的可靠度，以减少由于模块/在其中所用的元件的故障引起停机时间的可能性。

本发明：公开的本发明大体上致力于平衡提供非常高可靠度的分布式有源控制能力，用于电力流平衡横跨用于大电力网系统上的电力传输的多个高压线路，其克服了现有技术实施方式的问题。

限定了多种需求来实现需要从现有技术实施方式的改变的分布式控制的使用。这些是：

1．需要具有分布式模块，其可产生所需范围的电感和电容性阻抗(产生与线路电流相对应的必要的超前或滞后电压)并将其供应至传输线路，以为线路平衡提供必要的控制。

2．优选通过使用标准现成的电力电子元件以合理的成本点提供上面的能力；这意味着次级绕组和相关联的电路在大容量电力电子应用中通常见到的电压和电流水平下工作。使用现成的电力电子元件意味着使用通用电力电子元件，其也在正常的商业项目中被制造和出售以用于其它用途。

3．第三是对于分布式模块的可靠度足够高的需求，以便使故障和相关联的更换工作消除至电力公司可接受的水平—如果可在次级电路中使用具有已知可靠度的标准电力电子元件的话，那么这是可实现的。

4．最后的需求是模块具有相对较低的重量和风力相关联的截面以利用最小的附加支撑将其附接至hv传输线路上。

公开的本发明在下面公开的实施例中对上面所有方面都提供了改进：

现有技术的动态注入模块具有阻碍其接受的问题。一是需要专用元件产生所需大小的注入电力(电压和电流)，以为模块所附接的hv传输线路段提供充分控制。第二是由于操控大电力水平的模块而缺乏可靠度，这又需要特殊测试和合格元件的使用。对于电力公司的使用而言，上面两个要求均导致模块的成本非常高。

本发明使用具有单独电压转换器的多个次级绕组，电压转换器用于产生待施加于高压电力线路上的正确极性和幅度的电压。公开了分布式阻抗注入模块，其包括多个注入器单元，多个注入器单元可根据需要产生和注入正确的电感或电容性阻抗，用于动态线路平衡。这些分布式阻抗注入模块在塔处或在可帮助支撑模块的重量的特殊支撑结构处直接附接至hv传输线路上。

在分布式模块中，该分布式模块将在变压器的次级侧附接至hv传输线路上，并且所有相关联的电路在电方面处于线路电压下并相对于地电隔离。次级绕组的一侧连接至初级绕组上，以提供虚拟接地或“浮动接地”参考。

通过使用多个次级绕组，每次将阻抗注入至hv传输线路上时，用于校正相位角的总的必要累积电压可施加于电网段上，而不会过度地对与分布式阻抗注入器模块的各个次级绕组相关联的电路施加应力。

本发明提出了具有带相关联的电压转换器/变换器的多个次级绕组和相关联的芯段的分布式模块的优点和特征，以解决在线路段中有源注入电感和电容性阻抗的问题。电压转换器或简单的转换器405可具有任何合适的设计，如这些不同设计的设备在本领域中是众所周知的。典型地，这些设备设置为将电感性负载注入到高压传输线路上，并且还可具有在传输上注入电容性负载以进行电力因数控制的能力，并且可进一步能够控制高压传输线路中的谐波含量。这些设备还以其它名称为人所知，诸如作为示例，变换器或转换器/变换器。这种通用类型的典型设备是美国专利no.7,105,952的变换器71和能量储存器74的组合，但这种设备的许多其它示例也是众所周知的。这些设备典型地用作可控制地将所需阻抗强加于高压传输线路上的有源阻抗。用于优选实施例中的控制器410还优选包括收发器，用于接收控制信号并报告高压传输线路状况等。

使用多个绕组和多个电路来产生必要的注入电力可使所用元件的工作电压降低。由于各个变压器使用多个次级绕组而造成的低电压使装置能够使用更成本有效的设计，同时使用高度可靠的大批量生产的半导体和其它电力电子元件。进一步使用分布式方案允许显著更大的“n+x”系统可靠度，其中n是实现所需线路平衡能力需要的分布式模块的数量，并且x是附加冗余模块的数量。因此，在通过仔细选择次级绕组的数量和类型，通过仔细地匹配大批量生产的半导体设备和其它所使用的元件而确保各个装置的可靠度的情况下，增加的附加冗余的分布式有源阻抗控制模块提供了在装置可靠度之外的附加层次的“系统”可靠度。这继而导致了高可靠度的分布式注入模块，其能够提供电力公司可接受的非常高的系统可靠度。分布式阻抗注入模块的使用是用于提供平衡电力网的hv传输线路上所传输的电力的能力的使能者。

图4是具有多个注入器单元的本发明的第一实施例的方块图400。各个注入器单元经由单匝变压器的次级绕组而耦合至hv传输线路。图4显示了两个示范性注入器单元400a和400b。图5a显示了图4中的单匝变压器的实施方式的示意图，且图5c显示了单匝变压器的截面。显示了示范性注入器单元400a和400b，其各自具有单匝的初级绕组变压器401a和401b。这些变压器的初级绕组包括hv传输线路108。图5a和图5c中所示的注入变压器401a的次级绕组401a-2和注入变压器401b的次级绕组401b-2相对于地和初级绕组电隔离，但使用如图5a中所示的独立的无隙芯407a和407b而电感地耦合至初级绕组108。

各个注入变压器401a和401b的次级电路包括用于产生电感和电容性阻抗(或当量电压)并将其注入至hv传输线路108上的电力电子电路。例如，具有单匝注入变压器401a的注入器单元400a的次级绕组电路包括短路开关304a、用于以合适的相位角产生必要的电压和电流的电力转换器405a，用以经由单匝注入变压器401a注入到hv传输线路108上。控制器406a能够通过传感器和连接至传感器上的电力源变压器302a及电力源模块303a而感测hv传输线路108的电流和电压特性。控制器406a将所需的控制指令提供给电力转换器405a，以产生所需要的待施加于hv传输线路上用于电力流控制的注入电压。控制器406a还能够在hv传输线路上存在过电流状况时经由传感器和电源变压器302a以及所连接的传感器和电源模块303a进行感测，并对开关304a提供命令，以使注入变压器401a的次级绕组401a-2短路。这样做是为了保护连接至注入变压器401a的次级绕组401a-2上的电力电子电路和元件免于高压和高电流引起的损坏。传感器和电源模块303a还能够从线路提取电力，并提供连接至注入变压器401a的次级绕组401a-2上的电力电子电路所需要的dc供应电压。相同组的元件和单元重复用于由第二注入器单元400b所实施的相同功能。主控制单元408协调和同步辅助控制器406a和406b的工作，以提供校正的阻抗注入。主控制器408还为包含多个注入单元的模块提供用于与外界以及其它分布式模块通信的能力，以提供状态和控制信息。通信能力还用于模块的外部控制和配置。

图5显示了公开的发明的第二备选实施例，其具有各自与阻抗注入器单元相关联的多个次级绕组。图5中显示了类似于先前实施例400a和400b的两个示范性注入单元。显示了示范性注入器单元400a和400b，其各具有单匝的初级绕组变压器401a和401b。这些变压器的初级绕组是hv传输线路108。图5a中显示了注入变压器401a的次级绕组401a-2和注入变压器401b的次级绕组401b-2。图5c中显示了单匝变压器的截面。(如这里所示的那样，变压器形状可能是不同的。不管采用的具体变压器的形状如何，本发明提供了相同值。因此所示的相应的形状仅用于示范性的目的。)变压器的次级绕组相对于地电隔离，其处于hv传输线路电压下，并使用如图5a中所示的独立的无隙芯407a和407b电感地耦合至初级绕组108。

各个注入变压器401a和401b的次级电路包括用于产生电感和电容性阻抗并将其注入至hv传输线路108上的电力电子电路。各个注入器单元400a和400b的次级绕组电路在结构上是类似的，因此方块图使用注入器单元400a来解释。注入器单元400a具有单匝注入变压器401a，单匝注入变压器401a具有横跨其次级绕组401a-2的短路开关304a以及用于以合适的相位角产生必要的电压和电流的电力转换器405a，以将电压和电流经由耦合至电力转换器405a的单匝注入变压器401a注入到hv传输线路108上。主控制器508对于所有注入器单元是公用的，并且能够通过传感器和电源变压器502感测hv传输线路108的电流和电压特性，传感器和电源变压器502经由传感器和电源模块503耦合至hv传输线路108。主控制器508将所需的控制指令提供给电力转换器405a，以产生待施加于hv传输线路上用于线路平衡的所需的注入电压。(在其它实施例中，相应的转换器/变换器控制器可提供备选的冗余主控制器构造。因此，这里所示的具体实施例仅仅是代表性的。)控制器508还可能够经由传感器和电源变压器502以及所连接的传感器和电源模块503感测在hv传输线路中何时存在过流状况，并将指令提供给开关304a，以使注入变压器401a的图5a中所示的次级绕组401a-2短路，以便保护连接至注入变压器401a的次级绕组401a-2上的电力电子电路和元件免于高压和电流引起的损坏。传感器和电源模块503还能够从线路中提取电力，并提供连接至注入变压器401a的次级绕组401a-2上的电力电子电路提供所需要的dc供应电压。如之前所述，相同组的元件和块重复用于第二注入部件400b所实施的相同功能。主控制器508还为包含多个注入单元的模块提供与外界通信的能力，以提供状态并在外部受控制和配置来用于工作。

图5b和截面图5d显示了实施单匝注入变压器401c的方式。单个无隙芯407能够承载多个次级绕组。根据图4和图5中的示范性方块图显示两个次级绕组401a-2和401b-2。单匝注入变压器提供将产生的阻抗施加于hv传输线路108上所需的耦合。

具有带相关联的电力电子电路(其各自产生一部分注入电压)的多个次级绕组允许各个注入器单元(诸如模块的400a和400b)输出一部分所需要的可注入的阻抗，以控制线路的阻抗，同时使分布式注入模块400能够以累积的方式从多个注入器单元中产生待施加于hv传输线路108上的所需范围的可注入阻抗(或相应的电压)。因此，当在模块中使用多个次级注入器单元400a和400b以产生所需阻抗(或相应的电压)时，在这种次级注入器单元400a和400b内的电力电子电路能够在没有过度应力的情况下在对于这些元件而言正常的电压下工作。这提供了元件并因而注入部件且整体模块的改进的可靠度。使用带相关联的注入器单元的多个次级绕组还使得能够在单独的注入器单元中使用较低的电压和电流。通过使用足够数量的这种注入器单元，可使用具有已知工作特性和可靠度的现成元件，并实现整个模块的较低的制造成本点。本质上，多个次级绕组在电学上相当于具有单个绕组的电压值的倍数的单个次级绕组，其中这种单个次级绕组将需要比本发明中所使用的多个次级绕组更高的电力输出转换器，以将相同的阻抗施加于电力线路上。

虽然在图4和图5中只显示了两个示范性次级单元400a和400b，但是这些不应被认为是限制。与单元400a和400b相似的注入模块400中的多个注入器单元可实施于阻抗注入模块中。各个注入器单元与单匝变压器的次级绕组相关联并能够注入用于hv传输线路控制所需要的总电感或电容性阻抗的一小部分。通过将具有正确相位角的电压和电流分量从模块400的多个注入单元(诸如400a和400b)中的各个注入到耦合的hv传输线路上，模块可用于为电力网的线路段提供完全累积的分布式控制能力。因此通过使多个分布式模块在空间上分布在电网上，其中各个模块具有多个经由单匝变压器耦合至hv传输线路的次级注入模块，整个电网可被平衡和优化而用于电力传送。

如之前所述，通过具有带相关联的用于注入模块的注入器单元的多个次级绕组，其中各个注入单元具有其自身的电力电子控制和转换器能力，模块的重量和风力截面可更高。应该理解的是，所有相关联的模块电路被封闭在壳体中，壳体在hv传输线路电压下与地绝缘地悬挂。由于重量因素，优选使这些模块悬挂于塔上，或提供为附接提供附加的支撑。图6显示了可用于支撑连接到hv传输线路上的注入模块400或注入模块500的典型的附接方法600。线上附接601是针对静态模块使用的典型的现有技术附接，其将模块直接连接到线路上，而没有附加支撑，并使线路支撑物承受模块和线路的重量。虽然这是可接受的，但是这种类型的附接对于本发明的注入器模块400不是优选的。针对分布式控制的这些注入器模块400的优选附接是如所示的那样利用附加支撑物。通过hv传输塔610上的支撑绝缘体602或通过使用具有绝缘支撑物603的特殊的支撑结构611进行直接连接，用于提供分布式模块的附加重量的承载能力。上面支撑方法的使用还致力于改进极端气候干扰期间结构的可靠度。

尽管使用特定的实施方式来描述公开的发明，但是其仅旨在是示范性的而非限制性的。本领域技术人员将能够基于如他们可得到的新的创新和理念来理解和修改本发明。本发明旨在包含这些修改。