專利名稱：具有超導磁能存儲器的公用電力系統(tǒng)的制作方法
交叉參考的相關申請本申請是1999年1月29日申請的美國申請?zhí)柕?9/240,751號專利申請的繼續(xù)部分，在此一并引用該專利申請的全部內容供參考。根據35 U.S.C.§119(e)(1)本申請也要求1999年1月29日申請的美國專利申請?zhí)柕?0/117,784號專利申請的有關優(yōu)先權。引用的參考申請本申請在此一并引用如下申請供參考1999年11月24日提交的、名稱為“放電超導磁體”的、美國申請?zhí)枮?9/449,505號的專利申請；1999年11月24日提交的、名稱為“控制相角的方法和裝置”的、美國申請?zhí)枮?9/449,436號的專利申請；1999年11月24日申請的、名稱為“電容開關”的、美國申請?zhí)枮?9/449,378號的專利申請；1999年11月24日提交的、名稱為“公用電力網的電壓調節(jié)”的、美國申請?zhí)枮?0/167,377號的專利申請；和1999年11月24日申請的、名稱為“向公用電力網輸送電力的方法和裝置”的、美國申請?zhí)枮?9/449,375號的專利申請。
為了保持競爭能力，電力公用事業(yè)公司在降低成本的同時，一直在努力改進系統(tǒng)運行的可靠性。為了迎接這些挑戰(zhàn)，公用電力公司不斷地開發(fā)新技術，以延長所安裝設備的壽命并對其公用電力網絡進行診斷和監(jiān)視。由于對公用電力網的需求和公用電力網的大小不斷增加，開發(fā)這些技術變得日益重要。
一般認為公用電力網包括分別攜帶大于和小于25kV電壓的輸電線網和配電線網。
參考圖1，所示的公用電力網的一部分包括輸電網10，輸電網10具有通過輸電線18相互連接的發(fā)電機12、變電站14和轉接站16。輸電線18一般攜帶超過25千伏(kV)的電壓。參考圖1，一個特定輸電線上的電壓與圖中相關的輸電線的粗細大致成正比。在右下角的附圖中指出了實際輸電系統(tǒng)電壓。
參考圖2，圖1所示的公用電力網的一個分解部分10a包括通過降壓變壓器22耦合到輸電線18的配電線20。每個配電線向負載24輸送低于相關輸電線電壓的電壓(例如，25kV或更低)。
公用電力網上的電壓不穩(wěn)定性是公用事業(yè)工業(yè)的一個關鍵問題。具體地講，當在輸電線上發(fā)生故障時，將經受瞬時電壓降低，這可能導致網上電壓崩潰或電壓不穩(wěn)定。
為了更好地理解公用電力網上的故障動力學，現在說明由于輸電系統(tǒng)上3-相故障在系統(tǒng)上造成的事件序列。例如，參考圖1，假設故障發(fā)生在輸電網的遠離片段70的部位。片段70位于輸電線網10的變電站14a和轉接站16a之間。參考圖3，示出了由于故障造成的變電站14a上的作為時間函數的電壓曲線圖。在這種特定情況下，電壓從標稱電壓115kV降低到大約90kV。特別應當知道，如果故障發(fā)生在更靠近片段70的位置或發(fā)生在片段70本身上，那么壓降一般會更嚴重，并且線路上的電壓可能會接近零。
這種故障一般表現為在輸電系統(tǒng)上瞬間實現的極大負載。響應這種極大負載的出現，輸電系統(tǒng)試圖將一個很大的電流輸送到負載(故障)。與輸電系統(tǒng)上電路斷路器相連的檢測電路立即(即，在數毫秒內)檢測到這種過電流情況。將啟動信號從檢測電路發(fā)送到保護繼電器，保護繼電器啟動電路斷開。繼電器特性一般需要3-6 AC線路周期(即，多達100毫秒)來斷開電路。當斷路器打開時，故障消除。但是，斷路器的打開觸發(fā)了一系列的級聯事件，這種級聯事件在極端情況下可能導致這部分輸電和配電系統(tǒng)上電壓崩潰。具體地講，當斷路器打開時，電壓仍然很低(即，幾乎為零)，并且由于一部分輸電系統(tǒng)實際上已經被斷開，系統(tǒng)的阻抗急劇增高，造成出現人為的高負載。在這種狀態(tài)下，電壓降低，而提供到負載的電流急劇升高。急劇升高的電流在輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中造成極大的損失。在某些情況下，由于負載和阻抗如此之高，致使網上的電壓不能返回到正常，造成長期的電壓降低，和整個系統(tǒng)的可能的電壓崩潰。隨網上負載需求的增大，使這些電壓出現不穩(wěn)定問題的可能性進一步增大。
用VAR表示無功伏安；這是一個用“volt amperes reactive”三個字的第一個字母構成的詞。在一個時間周期上考慮的無功伏安代表在電源和負載之間的能量振蕩。它們的功能是提供建立磁場和給電容器充電的能量，以及在磁場崩潰時或在電容器放電時將這種能量送回電源。
應當注意，無功功率是由于電壓和電流的正交分量，并且因而不代表平均有功功率。雖然無功伏安本身不需要輸入到發(fā)電機的平均能量，但它們的產生的確消耗了一定量的發(fā)電機伏安容量，并且因此限制了發(fā)電機的可用有功功率輸出。此外，存在與無功功率通過電網傳送相關的電阻損耗或I2R損耗。發(fā)電機也必須補償這個額外的損耗，因而進一步限制了電網的可用有功功率。應當指出，盡管I2R損耗是由無功功率的傳送造成的，但它不是無功功率的一部分。
解決上面討論的電壓穩(wěn)定性問題的一種方法是構造附加的輸電線，以減小系統(tǒng)阻抗，因而抵消由于斷路器打開造成的高損耗和電流急劇增大的效果。但是，提供這種附加線路是十分昂貴的，并且在某種設置情況下是極端困難的。
為了解決這些電壓不穩(wěn)定性問題也已經開發(fā)出各種設備和裝置的解決方案。一般地講，這些裝置通過向系統(tǒng)輸入有功和/或無功功率而減緩問題。
一種叫作靜態(tài)VAR補償器(SVC)的這種裝置，在一個特定負載上遭受故障時，從一組電容器提供無功功率。具體地講，SVC迅速地傳送無功功率，由SVC傳送的無功功率移動相角，從而提高電網的電壓。SVC響應由于系統(tǒng)條件改變造成的輸電網上的動態(tài)功率擺動，連續(xù)地移動相角。
另一種包括蓄電池和超導磁能存儲(SMES)的裝置與SVC的不同之處在于，它們能夠向負載提供有功功率和無功功率。例如，SMES將電網提供的電能存儲在一個DC電流流過超導導線纏繞的線圈產生的磁場中。一種利用SMES的方法是在負載與電網隔絕后，響應檢測的故障，向負載提供功率。由于SMES，如同一個蓄電池是DC裝置，因此一般需要一個功率調節(jié)系統(tǒng)，以便將它連接到一個AC公用電力網。因此，功率調節(jié)系統(tǒng)一般包括DC/AC轉換器，以及其它濾波和控制電路系統(tǒng)。
發(fā)明綜述本發(fā)明的特征在于一種通過在故障恢復期間減小公用電力系統(tǒng)的總有功功率和總無功功率損失而穩(wěn)定公用電力系統(tǒng)或電網上的電壓的方法。用“公用電力系統(tǒng)或電網”表示，那些具有至少一個耦合到設計用于在正常操作條件下攜帶標稱電壓的更高電壓的輸電線網的配電線網的系統(tǒng)或電網。配電線網一般至少包括一個具有負載的配電饋線，并且所攜帶的電壓電平低于輸電網的電壓電平。本發(fā)明通過從公用電力網上的一個或多個預定位置上的電壓恢復裝置傳送有功功率和無功功率而減小輸電損失。
本發(fā)明的一個一般方面涉及一種用于連接到攜帶標稱電壓的公用電力網的電壓恢復裝置。在這個方面，電壓恢復裝置包括一個連接到公用電力網，并且配置成在檢測到公用電力網上的故障條件后以足夠高的量和足夠長的持續(xù)時間在公用電力網和電壓恢復裝置之間輸送有功功率和無功功率將公用電力網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內的能量存儲單元。
與現有的故障恢復方法不同，該電壓恢復裝置致力于保持公用電力系統(tǒng)上電壓的穩(wěn)定性，而不是保持一個特定負載的電壓。例如，通過減小公用電力系統(tǒng)的總體損失來達到穩(wěn)定輸電線上的電壓。更具體地講，減小了由于向造成異常大的電壓降和相角偏移的最終負載傳送有功和無功功率而產生的任何異常高的有功功率損失和無功功率損失。當在配電網上而不是輸電網上注入或吸收有功功率和無功功率時，可以更經濟有效地減小這些異常高的損失。
實質上，本發(fā)明試圖減小公用電力系統(tǒng)上的損失，這種損失一般是完好的輸電系統(tǒng)(即，沒有除去或斷開部分的輸電系統(tǒng))遭受到損失的兩到三倍。通過消除這些大的損失，系統(tǒng)在剛好檢測到故障和輸電網上電路斷路器打開之后的周期中受到較小的沖擊。
此外，由于配電網上的電壓低于輸電網上的電壓，用于配電網的電壓恢復裝置的設計和安裝比較簡單和容易。電壓恢復裝置的可靠性也比較高。
從配電網上而不是從輸電網上的電壓恢復裝置輸送和/或吸收有功功率和無功功率具有幾種優(yōu)點。第一個優(yōu)點，也是最一般的優(yōu)點，是配置電壓恢復裝置以向發(fā)生總損失的較大比例的公用電力網部分(即，配電線網)提供有功功率和無功功率。第二個優(yōu)點是，在故障發(fā)生在與電壓恢復裝置相連的配電網上的特定情況下，電壓恢復裝置在處理故障時不對輸電網造成實際沖擊。因此，輸電網能夠更穩(wěn)定地操作。
本發(fā)明的實施例可以包括一個或多個以下特征。
在一個實施例中，能量存儲單元包括一個超導磁體，例如，一個SMES。由于SMES裝置具有迅速響應檢測到的故障并且在隨后有選擇地向配電線輸送有功功率和無功功率的能力，所以它特別適合用作電壓恢復裝置。更具體地講，SMES裝置能夠在有限的時間周期中向連接到配電線的負載提供有功功率，以及無限地向電網提供無功功率。在一個替代實施例中，能量存儲單元是從由飛輪能量存儲裝置、蓄電池、電容能量存儲系統(tǒng)、壓縮氣體能量存儲單元、和燃料電池及其相關的能源構成的組中選擇的。
配置電壓恢復裝置以把輸電線網上的電壓恢復到符合標稱公用電力計劃標準的水平。典型的公用電力計劃標準，要求在消除故障的0.5秒內，電網電壓在標稱電壓的0.8至0.95P.U.(每單位)之間，和優(yōu)選是在0.9至0.95P.U.之間的范圍時恢復電網。
電壓恢復裝置進一步包括一個電耦合在能量存儲單元和公用電力網之間的逆變器，和一個連接到逆變器和配置用于控制在能量存儲單元和公用電力網之間輸送的有功功率量和無功功率量的控制器。因此，逆變器允許能量向和從能量存儲單元的雙向流動。在某些環(huán)境中，例如，當能量存儲單元不能吸收能量(或額外能量)時，當能量從公用電力網向逆變器傳送能量時，可以利用逆變器內的電阻器耗散傳送的能量。
本發(fā)明進一步包括一種對可以是SMES裝置的能量存儲單元有選擇地以基本上恒定的電壓或以基本上恒定的功率進行放電的方法。以基本上恒定的電壓對能量存儲裝置放電的方法構成了一種在放電周期的開始部分期間傳送能量存儲裝置的存儲能量的大部分的方式。這對公用配電網的重要有益效果是，在故障開始后的初始階段提供了大量有功功率。正是在這個階段中，公用配電網和公用輸電網經受了由于故障造成的增大的損失的最大沖擊。通過在這個階段注入大部分存儲裝置存儲的能量，可以更有效地減輕這些損失。由于裝置中存儲的能量根據某個變量(在SMES情況下是電流，在飛輪的情況下是轉速)的二次方改變的事實，因而諸如SMES、飛輪或其它裝置之類的能量存儲裝置以恒壓放電是有利的。從這種類型的裝置釋放的功率與這個變量(例如，電流或轉速)的變化率乘該變量(例如，電流或轉速)的瞬時值成正比。當裝置受到恒壓放電時，這兩個因數的乘積在放電的第一瞬間到達最大，并且隨后與逝去的放電時間的平方成正比地降低。這種方法在放電開始后的初始階段從裝置提供了最大量的功率，如前面所述，這對于減輕連接的公用輸電和配電網是有利的。此外，以基本上恒定的電壓給能量存儲裝置放電的方法使得能夠比實現以基本上恒定的功率給裝置放電的方法所需的更容易和更有效地實現能量存儲裝置與連接的逆變器之間的連接。
本發(fā)明的另一方面涉及一種穩(wěn)定公用電力網的方法。該方法包括把一個電壓恢復裝置電連接到配電網。一旦在公用電力網上檢測到故障條件，在故障后的預定時間周期內啟動電壓恢復裝置，并且以足夠高的量向輸電網提供有功功率和無功功率，以把公用電力網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例。
在本發(fā)明的這個方面的一個應用中，公用電力網包括輸電網和電連接到輸電網的配電網。配電網具有耦合到至少一個負載的配電線。該方法進一步包括將電壓恢復裝置電連接到配電網。
該方法可以還包括一個或多個以下附加步驟。該方法可以進一步包括將一個逆變器電耦合在能存儲單元和公用電力網之間。然后控制逆變器以控制在能量存儲單元和公用電力網之間輸送的有功功率的值和無功功率的值。配置電壓恢復裝置以提供有功功率和無功功率的組合。
在某些實施例中，電壓恢復裝置將有功功率輸送到輸電網，以促使電壓在0.5秒內迅速恢復到可接受的公用標準。電壓恢復裝置將有功功率和無功功率輸送到輸電線網，以將電壓在5秒內恢復到標稱電壓的0.90P.U.內。
本發(fā)明的再一個方面，控制系統(tǒng)包括至少含有一個用于存儲控制電耦合到公用電力網的電壓恢復裝置的計算機程序的部分的存儲器，執(zhí)行計算機可讀指令的處理器，和將存儲器連接到處理器的總線。存儲的程序包括計算機可讀指令，計算機可讀指令響應檢測故障的指示，將控制信號輸送到電壓恢復裝置，以控制以足夠高的量和在足夠長的持續(xù)時間向公用電力網傳送有功功率和無功功率，使輸電網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例。
本發(fā)明的另一個方面涉及公用輸電網和配電網一般包括多條線路和多個負載，以及這些線路和負載中的任何一個都可能遭受故障的事實。因此，在一個特定公用電力網上安裝多個電壓恢復裝置是有利的。在本發(fā)明的這個實施例中，將包括電能存儲裝置、逆變器和如上所述的連接到配電線的相關控制器的單個的、齊備的電壓恢復裝置安裝在輸電網和配電網的多個點上。這些單個裝置中的每一個如下所述的那樣操作，以減輕輸電網和配電網上故障造成的后果。遍布電網的多個裝置提供了比具有等于多個裝置的總和的能量和功率容量的單一裝置所能提供的效果更好的效果。這種更好的效果在很大程度上是由于單個裝置的容量與它們所連接的輸電線和配電線的容量之間更接近匹配取得的。
從以下的優(yōu)選實施例的說明和權利要求中將能清楚地了解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點。


圖1是部分輸電網的示意圖；圖2是包括配電線的圖1所示的部分輸電網的局部放大圖；圖3是故障期間圖2所示的輸電網部分的電壓特性的曲線圖；圖4是連接到圖2所示的配電線的SMES裝置的方框圖；圖4A是圖4所示的控制器的方框圖；圖5是連接到圖2所示的配電線的SMES裝置的示意圖；圖6是說明確定連接一個或多個電壓恢復裝置的優(yōu)選位置的一般步驟的流程圖；圖7是顯示對于圖1所示的部分輸電線網的帶和不帶D-SMES電壓恢復裝置的電壓恢復特征的曲線圖；和圖8是代表在公用電力網與D-SMES電壓恢復裝置之間傳送的功率的向量圖。
詳細說明參考圖4，示出了一個分布式SMES或D-SMES模塊30，它與配線網的配電線20并聯連接。D-SMES模塊30一般能夠將有功功率和無功功率單獨地或組合地輸送到輸電線網。在本實施例中，D-SMES模塊30的容量設置為2.8MVA，并且能夠在400毫秒長的周期輸送平均2MWatt，一秒輸送5.6MVA，和無限時間地輸送2.8MVAR的無功功率。
所示的配電線20顯示與通過第一變壓器22a連接到輸電線網的輸電線18相連，第一變壓器22a將輸電線18上攜帶的高電壓(例如，大于25kV)降低到較低的電壓，在這里是6kV。第二變壓器22b將6kV電壓降低到適合于負載24的電壓，在這里是480V。
D-SMES模塊30包括具有位于低溫制冷單元的密封容器36中的能量存儲磁線圈34的超導磁能存儲單元32。能量存儲單元32還包括一個磁體電源38。密封容器36將磁線圈34保持在液態(tài)氦中，并且是由兩個用真空隔絕空間隔離的奧氏體不銹鋼容器構成的。在所示實施例中，低溫制冷單元包括一個或多個一同運行的Gifford-McMahon型制冷器(未示出)，以保持容器36內的運行溫度，并重新液化容器內積累的任何氦蒸氣。在正常操作條件下，沒有氦(液態(tài)或氣態(tài)的)在容器36外循環(huán)。外部的室溫制冷系統(tǒng)氣體不與內部氦源相互交換。系統(tǒng)設計允許在一個或兩個制冷器不能工作時，繼續(xù)系統(tǒng)運行最少48小時。
超導磁線圈34是由鈮-鈦銅基基質導線形成的、纏繞為機械穩(wěn)定形式的、并且在纏繞前絕緣處理過的超導電纜制造的。AmericanSuperconductor Corporation，Westborough，MA.制造的一種超導磁線圈十分適用于D-SMES模塊30。能量存儲單元32還包括為給磁線圈充電的磁體電源38，隔離變壓器40和斷路器或接觸器42。電源38可以使用Dynapower Corporation of South Burlington，VT制造的電源。在本實施例中，電源38通過隔離變壓器40以及降壓變壓器50從配電線20接收AC功率，并且將DC功率輸送到磁能存儲單元32。斷路器42位于隔離變壓器40和降壓變壓器50之間，并且使電源38能夠容易地插入和分離，這樣有利于維護電源。超導磁能存儲單元32通過磁體接口48和一對導引二極管49與一個逆變器系統(tǒng)44相互連接。導引二極管49保證了電能僅從能量存儲單元32流向逆變器系統(tǒng)44，不會以相反的方向流動。
參考圖5，逆變器系統(tǒng)44將D-SMES模塊30輸出的DC電壓轉換為AC電壓，并且，在本實施例中，逆變器系統(tǒng)44包括四個逆變器單元46(圖5)。逆變器44一般起到任意組合的有功功率和無功功率的源的作用。只有在能量存儲單元32能夠提供有功功率時，逆變器44才能夠發(fā)出有功功率。但是，假設逆變器工作在其標稱額定容量，逆變器44可以無限地發(fā)出無功功率。更準確地講，逆變器44可以接收來自包括公用電力網本身在內的其它來源的無功功率，并且以要求振幅和相位將無功功率傳送回公用電力網。因此，逆變器44無需能量存儲單元32提供功率就可以提供或傳送無功功率。
實質上，逆變器44是一個能夠提供和吸收具有有功功率分量和無功功率分量的功率的四象限裝置。參考圖8，具有有功功率軸82和無功功率軸84的座標圖80可以用于說明電壓恢復裝置30傳送的功率的向量圖。具有振幅和相角的向量可以位于座標圖80的四個象限的任何一個象限中。例如，根據系統(tǒng)控制單元60(以后將詳細說明)輸出的控制信號，逆變器44可以傳送由分別僅有一個正有功功率和負無功功率分量的向量85或86代表的功率。另一方面，在這里用向量88表示的功率可以具有有功功率分量88a和無功功率分量88b。因此，可以控制功率的振幅(向量的長度)和相角(θ)，以定義一個預定的空間位置。在某些應用中，使逆變器44以脈動模式操作，以降低成本。
每個逆變器單元46能夠連續(xù)地提供700KVA，和提供過載的1.4MVA一秒鐘。在功率變壓器的中壓側組合每個逆變單元46的輸出，以產生根據下表的系統(tǒng)參量。

每個逆變器單元46包括三個逆變器模塊(未示出)。由于逆變器單元46具有模塊化形式，所以提供了一定程度的靈活性，為其它系統(tǒng)參量提供標準，逆變器模塊。利用這種模塊方法也可以提供一定量的故障容限，但是可能降低系統(tǒng)的能力。每個逆變器模塊裝備有一個管理包括諸如裝置保護、電流調節(jié)、熱保護、模塊之間的功率平衡、和診斷之類的局部功能的局部從屬控制器。逆變器單元和逆變器模塊安裝在帶有集成功率分配和冷卻系統(tǒng)的機架中。
逆變器系統(tǒng)44通過降壓變壓器50和開關設備單元52耦合到配電線20。每個電源變壓器50是一個具有基于其基本額定值的5.75％標稱阻抗的、24.9kV/480V三相充油墊安裝變壓器。電源變壓器一般通過保護在封裝管(未示出)內的電源電纜安裝在室外靠近系統(tǒng)外殼之處。如圖4所示，熔斷器53連接在降壓變壓器50和配電線20之間。
每個開關設備單元52提供電源變壓器50和逆變器單元46之間的過電流保護。四個主逆變器輸出中的每一個為額定電壓480V，每相900 A RMS直流的電路斷路提供45kA中斷容量。開關設備單元52還起到具有安全和維護作用的主斷路裝置的作用，并且可以具有電壓和接地故障監(jiān)視的作用。開關設備單元一般鄰近逆變器單元外殼安裝。
再參考圖4，系統(tǒng)控制單元60是一個使用適當控制算法的多處理機驅動系統(tǒng)。系統(tǒng)控制單元60如同用于處理來自配電線20和逆變系統(tǒng)44的逆變器單元46的輸入的多狀態(tài)機一樣地運行。根據單元輸入和預定內部控制規(guī)則，系統(tǒng)控制單元60動態(tài)確定逆變器單元46的相位和振幅，以及D-SMES模塊30的有功功率輸出。在運行過程中，系統(tǒng)控制單元60將實時電壓和電流波形數據傳遞到數據捕獲系統(tǒng)，以便處理和輸送到監(jiān)視地點。系統(tǒng)控制單元60也支持本地用戶接口和安全聯鎖。控制單元60必須具有足以保證以一定速度發(fā)生向或從電壓恢復裝置30傳送功率，處理公用電力系統(tǒng)上的故障或緊急事故的響應時間。一般希望在1個線周期(即，對于60Hz是1/60秒，對于50Hz是1/50秒)內檢測到故障。在一個實施例中，響應時間小于500微秒。
如圖4A所示，系統(tǒng)控制單元60可以包括在一個單一電路板上的三個控制器60a，60b和60c(例如，微處理器)。此外，這種電路系統(tǒng)包括適當的驅動電路和模/數(“A/D”)轉換器(未示出)。
控制器60a執(zhí)行計算機指令，以控制逆變器系統(tǒng)44的電路和電壓回路。(如上所述，為了在動態(tài)改變逆變器系統(tǒng)44的輸出功率的振幅和相位時使用)?？刂破?0b發(fā)揮系統(tǒng)控制器的作用，即，它執(zhí)行計算機指令，以檢測公用電力網上的功率量，并把這種信息送到控制器60a?？刂破?0e記錄從控制器60a和60b獲得的信息，格式化這種信息，并對用戶顯示這些信息。盡管本實施例說明了三個控制器，但可以使用任意數量的控制器(例如，一個控制器)來執(zhí)行屬于控制器60a，60b和60c的功能?？梢园衙總€控制器中執(zhí)行的計算機指令存儲在控制器60中的一個或多個存儲器中，或每個控制器的內部存儲器中。
參考圖6，說明確定把D-SMES模塊30連接到配電線20上的最佳位置的方法。首先，確定連接D-SMES模塊30的最佳位置十分有利于達到減小輸電系統(tǒng)中損失的目的。將D-SMES模塊30連接到配電線20，而不是連接到，例如，輸電線，因為配電線對整個公用電力網線路造成的損失更大，也就是說，相對輸電系統(tǒng)來說，配電線20造成了整個公用電力網的總體損失的更大比例部分。注意到D-SMES模塊30是可移動的，從而便利了系統(tǒng)優(yōu)化，也是十分重要的。
確定適當D-SMES模塊的連接位置的第一個重要步驟是確定輸電線網的關鍵線段(步驟200)。用“關鍵線段”表示當遭受緊急事故或故障時導致輸電網上后事故電壓顯著降低的那些線段或其它輸電系統(tǒng)元件。例如，一個具有造成電壓降低到低于每單位電壓0.9以下(即，電壓小于輸電系統(tǒng)上標稱電壓的90％)的故障的線段被認為是關鍵線段。
為了確定多個線段中哪個是關鍵線段，在被分析的全部或部分輸電網上模擬一個或多個故障情況。例如，使用PSE/E(工程電力系統(tǒng)模擬器)動態(tài)穩(wěn)定性模擬模型將輸電網模型化，PSE/E動態(tài)穩(wěn)定性模擬模型是由Power Technology，Inc.，Schenectady，N.Y.推出的產品。模擬模型可以僅表示公用電力網的一部分，例如圖1中所示部分。另一方面，模擬模型可以表示更大的跨越幾個州的地理區(qū)域。
參考圖1，例如，在轉接站16a和變電站14a之間的輸電線段70代表這種關鍵線段。因為如果由于在線路上檢測到故障而斷路，那么回路的東側(圖的右側)上的所有負載必須通過回路西側(圖的左側)上的發(fā)電機提供電力，所以將輸電線網10的這個近似10英里線段考慮為關鍵線段。
例如，假設線段70斷開，因而防止了電流在該段上繼續(xù)流動。一旦發(fā)生這種情況，對輸電網或電網的特定地理區(qū)域進行評估，以確定其它哪些線段受到線段70斷開造成的不利影響。例如，線段70斷開對變電站14b造成了嚴重不利影響。
一旦識別了所有關鍵線段(步驟200)，接下來分析連接到有關識別的關鍵線段的配電線的負載的大小和類型(步驟202)。特別是要進行確定以保證要補償的負載至少要與D-SMES模塊30的有功功率輸出一樣大，在一個實施例中，它是3MW。在本例中，只有那些具有大于3MW負載的配電線被認為是用于連接D-SMES模塊的候選者。盡管將一個D-SMES模塊連接到具有小于D-SMES模塊本身的輸出的負載的配電線可能仍舊是有利的，但這樣做不能經濟有效使用D-SMES模塊。
認識到在任何給定時間影響D-SMES定位的最佳位置的其它因素也是十分重要的。特定負載的特性可能在瞬時發(fā)生變化。具體地講，負載的大小和類型可能根據季節(jié)顯著改變。例如，在夏天，負載可能是一個散熱空調(HVAC)系統(tǒng)，即，一種電機驅動型負載。相反，在冬天，負載可能是一個電阻加熱負載。電阻加熱負載與電機驅動負載的重大不同在于，當電壓在電阻負載上降低時，電阻負載所需的功率隨之降低。相反，電機驅動負載一般是恒功率負載，并且在電壓降低時電流加大以保持恒定功率。反過來，如果電流增大，損失也增大，并且產生了電壓不穩(wěn)定問題。因此，在確定應當在何處將D-SMES模塊連接到電網上時，負載的“類型”總是重要的。在這些情況下，可以將D-SMES模塊容易而有利地移動到最有效保持輸電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定的位置。
然后測量用于耦合輸電網的各個識別關鍵線段和配電線的所有降壓變壓器的阻抗(步驟204)。在一般情況下，阻抗是電抗性。由于降壓變壓器造成公用電力網中整體損失中的很大一部分損失，因而要對它們進行評價。這些變壓器的電感可能造成總體損失的40％之多。因而選擇那些具有最高阻抗的變壓器作為連接到D-SMES模塊的候選變壓器。例如，如果有三個D-SMES模塊可用，那么三個識別的關鍵線段將是那些滿足最小負載要求的，并且選擇三個具有最高阻抗的降壓變壓器用于D-SMES裝置的安裝(步驟206)。
然后，再評價系統(tǒng)，以確定在選定的位置放置D-SMES模塊是否達到了要求效果(步驟208)。可以試驗地移動一個或多個D-SMES模塊，以觀察是否可以進一步提高改進。然后在實際操作中使用取得最佳效果的位置(即，輸電系統(tǒng)的最低輸電損失和最高穩(wěn)定性)。
再參考圖4，系統(tǒng)控制單元60經過傳感線61監(jiān)視配電線20上的電壓。如果電壓降低到低于預定閾值(例如，標稱電壓的0.9P.U.以下)，控制單元60向逆變器系統(tǒng)44發(fā)送一個信號，以使磁能存儲單元32向配電線20輸送全功率輸出。在運行過程中，控制單元60在檢測到故障的近似500微秒之內向逆變器44發(fā)送控制信號。重要地是要注意輸電網上的斷路器從故障開始到斷開大約需要60毫秒。因此，D-SMES模塊30在斷路器斷開之前開始提供有功功率和無功功率。
全功率輸出意味著將D-SMES模塊30產生的全部有功功率與逆變器單元44產生的無功功率疊加。在本實施例中，配置D-SMES模塊30以提供平均2MW的有功功率，以及2至5.6MVAR之間的無功功率。在檢測到故障的1毫秒之內，D-SMES模塊30能夠輸送足夠的有功功率，以快速地(例如，一般在0.5秒之內)將線上的電壓提高到可接收的程度。此時，配電線上的任何負載成為工作的，因而在線上產生無功功率損失。然后，控制單元60終止有功功率的傳送，并且，如果需要，增加來自D-SMRS模塊30的無功功率的產生，以對抗無功功率不平衡，并且可以無限地這樣做。因此，在故障被檢測到并被消除的0.5秒之內，磁能存儲單元32能夠通過傳送有功功率和無功功率將系統(tǒng)恢復到標稱電壓的最低可接受程度(一般是0.9P.U.，——一個被接受的工業(yè)標準)。并且在檢測到故障5秒之內，通過產生無功功率，可以將系統(tǒng)恢復到正常長期連續(xù)運行的可接受程度(一般是0.95P.U.)。
參考圖7，例如，可以看到在故障消除之后大約0.1秒之內系統(tǒng)電壓返回到大約0.7P.U.。此時，安裝、或不安裝D-SMES裝置系統(tǒng)電壓都是一樣的。圖7上的實線示出了沒有D-SMES裝置，電壓沒有恢復并且實際上將在故障消除后隨時間降低。但是，安裝了D-SMES裝置，電壓迅速地在0.5秒之內恢復到0.90P.U.，并且在另一個0.1秒內恢復到0.95P.U.。圖7上的虛線指示帶有安裝的D-SMES單元的電壓恢復過程。在與此類似的情況下，D-SMES系統(tǒng)的安裝將決定系統(tǒng)是趨向電壓崩潰，還是在規(guī)定的時間周期內恢復。
其它實施例在權利要求的范圍內。例如，在前面結合圖4-圖7說明的實施例中，將D-SMES單元用于提供恢復電壓或輸電網所需的有功功率和無功功率。但是，知道包括飛輪、蓄電池、電容能量存儲系統(tǒng)組、壓縮氣能源，和燃料電池系統(tǒng)(例如，那些將碳基燃料轉換成電及其相關的能源的系統(tǒng))在內的能夠提供有功功率或無功功率或二者的其它電壓恢復裝置也包括在本發(fā)明的范圍內是十分重要的。
權利要求
1.一種電壓恢復裝置，其連接到攜帶標稱電壓的公用電力網，該電壓恢復裝置包括能量存儲單元，該能量存儲單元連接到公用電力網，并且配置成在檢測到公用電力網上的故障之后以足夠的量和足夠長的持續(xù)時間在公用電力網和電壓恢復裝置之間傳送有功功率和無功功率以將公用電力網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內。
2.根據權利要求1所述的電壓恢復裝置，其中電壓恢復裝置用于傳送有功功率和無功功率的組合。
3.根據權利要求2所述的電壓恢復裝置，其中電壓恢復裝置用于向輸電網提供有功功率，以促使在0.5秒之內快速地將電壓恢復到可接受的公用標準內。
4.根據權利要求3所述的電壓恢復裝置，其中電壓恢復裝置用于向輸電線網提供有功功率和無功功率，以便在0.5秒內將電壓恢復到標稱電壓的0.9P.U.內。
5.根據權利要求2所述的電壓恢復裝置，進一步包括電耦合在電量存儲單元與公用電力網之間的逆變器；和連接到逆變器并且配置成控制在能量存儲單元和公用電力網之間傳送的有功功率和無功功率的值的控制器。
6.根據權利要求5所述的電壓恢復裝置，其中能量存儲單元包括超導磁體。
7.根據權利要求5所述的電壓恢復裝置，其中能量存儲單元是從一個由飛輪、蓄電池、電容能量存儲系統(tǒng)組、壓縮氣體能源、和燃料電池系統(tǒng)構成的組中選擇的。
8.根據權利要求5所述的電壓恢復裝置，進一步包括連接在能量存儲單元和逆變器之間的磁體接口。
9.一種穩(wěn)定公用電力網的方法，該方法包括把具有能量存儲單元的電壓恢復裝置電連接到配電網，檢測公用電力網上的故障情況；和根據檢測到的故障情況，運行電壓恢復裝置以足夠的量和足夠長的持續(xù)時間把有功功率和無功功率輸送到公用電力網，以便把公用電力網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例。
10.根據權利要求9所述的方法，其中公用電力網包括輸電網和電連接到輸電網的配電網，配電網具有耦合到至少一個負載的配電線，該方法進一步包括將電壓恢復裝置電連接到配電網。
11.根據權利要求9所述的方法，進一步包括將一個逆變器電耦合在能量存儲單元和公用電力網之間，其中操作電壓恢復裝置包括控制逆變器以控制在能量存儲單元和公用電力網之間傳送的有功功率值和無功功率值。
12.根據權利要求9所述的方法，進一步包括配置電壓恢復裝置以將有功功率送到輸電網，以便促使在0.5秒內快速地將電壓恢復到可接受公用標準內。
13.根據權利要求9所述的方法，進一步包括配置電壓恢復裝置，以向輸電線網提供有功功率和無功功率，以便在0.5秒內將電壓恢復到標稱電壓的0.90P.U.內。
14.根據權利要求9所述的方法，其中能量存儲單元包括超導磁體。
15.根據權利要求9所述的方法，其中能量存儲單元是從一個由飛輪、蓄電池、電容能量存儲系統(tǒng)組、壓縮氣體能源、和燃料電池系統(tǒng)構成的組中選出的。
16.一種控制系統(tǒng)，包括存儲器，包括至少一部分用于存儲控制電耦合到一個公用電力網的電壓恢復裝置的計算機程序，所存儲的程序包括計算機可讀指令，其根據所檢測到的故障指示，向電壓恢復裝置提供控制信號，控制以足夠的量和足夠長的持續(xù)時間向公用電力網提供有功功率和無功功率，以便將輸電網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內；執(zhí)行計算機可讀指令的處理器；和將存儲器連接到處理器的總線。
17.根據權利要求1所述的電壓恢復裝置，其中電壓恢復裝置以基本上恒定的電壓輸送有功功率預定時間周期。
18.根據權利要求17所述的電壓恢復裝置，其中在預定時間周期之后，以大體上恒定的速率從電壓恢復恢復裝置輸送有功功率。
19.根據權利要求9所述的方法，其中從電壓恢復裝置以基本上恒定的電壓輸送有功功率預定時間周期。
20.根據權利要求19所述的方法，其中在預定時間周期之后，以基本上恒定的速率從電壓恢復裝置輸送有功功率。
21.根據權利要求16所述的控制系統(tǒng)，其中計算機可讀指令適當地控制有功功率的輸送，從而能夠從電壓恢復裝置以基本上恒定的電壓輸送有功功率預定時間周期。
22.根據權利要求21所述的控制系統(tǒng)，其中計算機可讀指令這樣控制有功功率的輸送，以致在預定時間周期之后，能夠以基本上恒定的速率從電壓恢復裝置輸送有功功率。
23.一種穩(wěn)定公用電力網的方法，該方法包括將每個都具有一個能量存儲單元的多個電壓恢復裝置電連接到配電網，檢測公用電力網上的故障情況；和根據檢測到的故障情況，運行一個或多個電壓恢復裝置，以足夠的量和足夠長的持續(xù)時間將有功功率和無功功率輸送到公用電力網，以便把公用電力網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內。
24.一個公用電力網，包括攜帶第一預定電壓范圍內的標稱電壓的輸電線網；電連接到輸電網、用于攜帶低于第一預定電壓范圍的第二預定電壓范圍內的電壓的配電線網，配電網具有耦合到至少一個負載的配電線；和連接到配電網的電壓恢復裝置，配置電壓恢復裝置以便在檢測到公用電力網上的故障情況之后，以足夠的量和足夠長的持續(xù)時間向配電線網提供有功功率和無功功率，把輸電線網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內。
25.根據權利要求24所述的公用電力網，其中電壓恢復裝置用于提供有功功率和無功功率的組合。
26.根據權利要求25所述的公用電力網，其中電壓恢復裝置用于向輸電網提供有功功率，以促使在0.5秒內將電壓快速恢復到可接受公用標準內。
27.根據權利要求26所述的公用電力網，其中配置電壓恢復裝置，以向輸電線網提供有功功率和無功功率，以便在5秒內將電壓恢復到標稱電壓的0.90P.U.內。
28.根據權利要求25所述的公用電力網，其中電壓恢復裝置是從由SMES、飛輪裝置、或蓄電池構成的組中選出的。
29.一種確定將電壓恢復裝置電連接到公用電力網的位置的方法，上述公用電力網包括一個輸電線網和多個配電網，每個配電線網都經過降壓變壓器耦合到輸電線網并且具有耦合到一個負載的配電線，該方法包括識別輸電線網的關鍵線段；確定連接到每個關鍵線段的負載的類型和大?。粶y量連接到每個關鍵線段的降壓變壓器的阻抗；和將一個電壓恢復裝置電連接到與識別的關鍵線段相關的至少一個配電網。
30.根據權利要求29所述的方法，其中識別關鍵線段包括模擬事故效果以觀察哪些線段受到最不利影響。
31.根據權利要求29所述的方法，其中確定負載的大小包括保證負載的大小大于電壓恢復裝置的有功功率輸出。
32.根據權利要求31所述的方法，其中電連接電壓恢復裝置包括將電壓恢復裝置連接到含有具有最大阻抗的降壓變壓器的關鍵線段。
33.一種控制系統(tǒng)包括存儲器，至少包括一部分用于存儲控制電耦合到一個公用電力網的配電網的一個電壓恢復裝置的計算機程序，所述公用電力網包括具有耦合到至少一個負載的配電線的配電網和電連接到配電網的輸電網，所存儲的程序包括計算機可讀指令，其根據檢測到的故障指示，將控制命令送到電壓恢復裝置，以便以足夠的量和足夠長的持續(xù)時間向輸電網提供有功功率和無功功率，將輸電網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內；執(zhí)行計算機可讀指令的處理器；和將存儲器連接到處理器的總線。
全文摘要
配置一種電壓恢復裝置(30),以便在檢測到公用電力網上的故障情況之后,用預定量和預定持續(xù)時間向公用電力網提供有功功率和無功功率,將公用電力網上的電壓恢復到標稱電壓的預定比例內。
文檔編號H02J3/32GK1338139SQ00803171
公開日2002年2月27日 申請日期2000年1月26日 優(yōu)先權日1999年1月29日
發(fā)明者波爾·弗雷德里克·克普, 阿諾德P·凱爾里, 唐納德L·布朗, 沃倫·埃利奧特·巴克爾斯, 約翰A·迪亞斯德里昂Ii, 道格拉斯C·福爾茨 申請人:美國超導體公司