[发明专利]用于交流输电线路的动态功率和电压调节器

说明书

本发明涉及控制交流输电线路上功率潮流和动态电压调节的设备，更具体地，涉及到向此类交流输电线路提供无功和正的有功功率补偿的经济的设备。

传统上，电力系统工程师可用于控制输电线路上功率潮流的方向和角度的唯一设备是相角调节器(PAR)。典型的PAR由互联的变压器组成，其中之一基本上是一个大的带负荷抽头切换装置。

尽管PAR为系统调度员提供了灵活性，但是却从未获得广泛的应用，这是因为它们动作很慢，可靠性的信誉也相对比较差。另外，它们还在线路中引入很大的串联阻抗。速度慢和可靠性差主要归因于使用了机械式带负荷抽头切换装置。最近对负荷抽头切换装置的改进看来已经改进了可靠性的感受，但是慢速(每个抽头切换需几秒钟，大的角度变化需一分钟或更长)，使这些设备只用于稳态目的。两名变压器的连接造成了高串联阻抗。当PAR在运行时，串联绕组的漏电抗总是串联在供电的输电线路上。励磁绕组的漏电抗也串联在供电的输电线路上，只是随角度位移而变化。

由于移相器插入线路中的电抗可以是很大的，特别是在电缆回路中，PAR的电抗超过它所串联线路的电抗的情况确实不是罕见的。PAR相对高的阻抗的另一结果是在高功率传输水平时，消耗大量无功功率；一般而言，在靠近PAR的地方，须接有大的无功电源，以保证故障中有足够的电压调节能力。

由于它的慢速控制和相对高的阻抗，PAR存在于系统中在涉及到暂态或动态稳定性的事故中被认为是有害的。尽管最近有一些考虑来提高切换速度(采用可控硅切换)，以适用暂态和动态稳定性情况，PAR的固有高阻抗还是一个主要的问题。考虑到这些问题，相角调节器未能经常用于输电系统中便不奇怪了，尽管它们为系统调度员提供了现有任何其它装置所不能比拟的控制输电线潮流的能力。

最近提出了采用一台三相逆变器，将电压通过一台串联变压器串插入输电线，以利于功率传输的建议。实质上，激磁变压器由三相逆变器替代。逆变器采用门断开(GTO)可控硅，不但能向输电线提供无功，也可以从输电线吸收无功，如同一台独立的装置。当逆变器被如此应用时，该装置称为串联功率潮流控制器(SPFC)。该控制器在美国专利号5198746中公布。

SPFC注入一个与线路电流成90度的电压。因此，SPFC只能提供无功补偿，它不能吸收或产生有功功率。尽管可以简便认为SPFC如同一个可变串联电容或电抗，但是它要比它们强有力得多，但是，SPFC也有可变串联电容同样缺点，即它在非常小的系统角的情况下，其传输有功功率的能力是很小的，这是由于在小系统角情况下，其导致相位移的能力是有限的。

为了引入相位移，需要另一个维数，特别是有功必须由该串联逆变器引入。就有功和无功功率的加入与线路的有功和无功消耗不同来说，该差别表现为注入相位角。如果可以从两个方向影响有功功率交换(即从装置到系统及反之从系统到装置)，这一装置称为统一功率潮流控制器(UPFC)。该装置在美国专利号5343139中公布。该装置具有控制无功功率潮流、输电线路阻抗、输电线电压幅值及输电线电压相位角的能力。用一个交流变直流的换流器从输电线抽取有功功率，并通过一个直流环节供给串联的逆变器。UPFC提供了很灵活的功率潮流控制；但是，并联的交流变直流的换流器大大增加了设备的造价和复杂性。

共同拥有的美国专利申请序列号08/368947申请于1995年1月5日，建议对于要求非同步控制的应用场合，串联的逆变器和并联的换流器的兆伏安容量可以通过在串联逆变器产生的电压上向量地加入一个偏压来降低。但是，这种安排仍需要串联逆变器和一个并联交流变直流的换流器。共同拥有的美国专利申请系列号-申请于-(代理人卷号58319)公布了一个除了提供无功功率补偿外，还可以提供正的和负的有功功率以控制输电线上功率振荡的串联逆变器。有功功率的需要由独立于输电线的装置提供。正的和负的有功功率都可以由储能装置，例如蓄电池或一个超导磁体来提供。如果只需要较少的动态补偿来控制振荡，在正的有功功率波动时，可以只用电阻阻抗形式的正的实部阻抗从输电线路吸收有功功率。这些装置需要切换控制以调节有功功率潮流。

美国专利号5,329,222公布了一个动态电压恢复器，其中，一串联逆变器注入电压到输电线以补偿电压降低。产生这一注入电压所需要的有功功率由一个储能装置，如电容器来提供，在电容器和该换流器之间最好用一个换流器，例如斩波器，向串联逆变器提供一个恒定的直流输入。

有一些应用中，只需注入正的有功功率，以控制功率潮流或用于动态电压调节。