專利名稱：用于電力傳輸?shù)难a償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力(power)傳輸。更具體來說，本發(fā)明涉及用于電力傳輸線的補償 的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通過現(xiàn)代配電系統(tǒng)所分配的電力的質(zhì)量仍舊是與大型系統(tǒng)的運營商(operator) 有關(guān)的問題。一種這樣的電力質(zhì)量問題稱作電壓閃變(voltage flicker)。電壓閃變是一 種電壓突降(dip)，該電壓突降具有足以對連接到相同電路的其它負載產(chǎn)生有害影響的量 值(magnitude)。可遇到僅作為閃光(blinking light)的擾動，但是事件(occurrence)的 量值和頻率確定閃變對系統(tǒng)用戶的影響。圖1示出普通電壓閃變情形。系統(tǒng)100的閃變產(chǎn)生負載110通常由大型電動機、 焊接機或電弧爐引起。這些負載通過在電動機啟動時遇到的較短時長的高涌入(inrush) 電流來表征。電動機的涌入電流通常具有低功率因數(shù)(factor)，并且引起沿饋電線直到負 載的連接的點的增加量值的電壓突降。這在負載110與源120之間引起電壓閃變問題，這 在十分嚴重時往往導致用戶抱怨130。配電串聯(lián)電容器140長期被公認為這些類型的閃變問題的有成本效益的解決方 案。不幸的是，配備了配電串聯(lián)電容器的配電類電力線易受到兩種不同的破壞性現(xiàn)象，即涉 及變壓器的鐵磁諧振以及電動機在啟動期間的自激。鐵磁諧振是通過在電力變壓器鐵心飽 和時會出現(xiàn)的系統(tǒng)非線性所引起的往往嚴重且迅速建立的振蕩過壓狀況。這些非線性通常 響應(yīng)于跟隨斷路器操作的大涌入電流而與串聯(lián)電容器相互作用，以便產(chǎn)生低頻諧振狀況。 感應(yīng)電動機的自激是可在同一系統(tǒng)發(fā)生的潛在破壞性狀況。術(shù)語“自激”表示在包括串聯(lián) 電容器的電力供應(yīng)電路中可能發(fā)生的次諧波(sub-harmonic)振蕩。次諧波振蕩產(chǎn)生于感 應(yīng)電動機處于啟動過程時串聯(lián)電容器與該電動機之間的相互作用。這些振蕩通常通過電動 機啟動問題和持續(xù)的過電流狀況來表征。當鐵磁諧振發(fā)生時，必須采取立即行動以防止對其它設(shè)備的損壞。鐵磁諧振是迅 速發(fā)生的高量值且低頻振蕩，它能夠在短期內(nèi)達到高于標準100-200%的電力系統(tǒng)電壓等 級。當自激發(fā)生時，低頻振蕩隨電動機啟動序列失敗而產(chǎn)生。電動機將搜索適當?shù)墓ぷ黝l 率，該工作頻率將隨軸(shaft)加速度交替而引起大電流浪涌(current surge)。發(fā)電場所(例如熱原動機(prime mover)、感應(yīng)發(fā)電機、風輪機等)往往位于離負 載中心極遠的地方。要實現(xiàn)電力通過長距離的傳輸，往往使用串聯(lián)電容器來升高所產(chǎn)生長 傳輸線的功率極限。串聯(lián)電容器可引起串聯(lián)諧振振蕩，已知它們將引起對發(fā)電機軸的損壞。還可對風輪機電力傳輸和控制組件造成損壞。串聯(lián)諧振振蕩發(fā)生在供電頻率(在北美通常為60Hz)的次諧波。這種作用已經(jīng)被 稱作次同步諧振(subsynchronous resonance :SSR)。涉及SSR的最著名事件在美國南內(nèi) 華達州的Mohave發(fā)電站于1970年發(fā)生并且在1971年再次發(fā)生。發(fā)電機遇到逐漸增長的 擾動，該擾動最終導致發(fā)電機與旋轉(zhuǎn)勵磁機之間的軸截面的斷裂。研究確定，在30. 5Hz的 電諧振產(chǎn)生29. 5Hz的轉(zhuǎn)矩(60Hz互補頻率)，它與渦輪發(fā)電機在30. 1Hz的第二扭力振動模 式的頻率接近一致。串聯(lián)電容器與扭力系統(tǒng)之間的相互作用是次同步諧振的一個示例。風輪機和風力場(wind farm)越來越普遍，并且在全世界以更大數(shù)量被安裝。風 力場的最佳位置往往位于遠離負載中心的地方。另外，多個風力場需要連接到現(xiàn)有電網(wǎng)，現(xiàn) 有電網(wǎng)又可連接到熱發(fā)電站(例如驅(qū)動一個或多個發(fā)電機的燃氣渦輪或蒸汽渦輪)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種用于補償電力傳輸網(wǎng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括連 接到電力傳輸網(wǎng)的一個或多個非常規(guī)發(fā)電源。至少一個串聯(lián)補償電路連接到電力傳輸網(wǎng)的 至少一部分，以便補償電力傳輸網(wǎng)。至少一個阻尼(damping)電路連接到電力傳輸網(wǎng)的至 少一部分，并且它減輕電力傳輸網(wǎng)上串聯(lián)補償電路所引起的次同步串聯(lián)諧振。
圖1示出配電系統(tǒng)中常規(guī)電壓閃變問題；圖2是一種已知電網(wǎng)的簡化示意示圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個方面的補償電路的簡化示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個方面的阻尼電路的簡化示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一方面的阻尼電路的簡化示意圖；圖6是結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明又一方面的補償和阻尼電路的電網(wǎng)的簡化示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)代實用電網(wǎng)正演進成包括位于遠離負載中心的完全不同的發(fā)電源的網(wǎng)絡(luò)。多個 風力場、太陽能發(fā)電站和其它非常規(guī)電力源正被連接到現(xiàn)有電力傳輸線。不同的供應(yīng)商制 造風輪機，并且各供應(yīng)商可制造其具有不同操作特性的風輪機。太陽能電力遇到同樣的問 題。這種操作特性的寬可變性使得難以將這些非常規(guī)發(fā)電源連接到現(xiàn)有傳輸線。圖2示出一種典型實用電網(wǎng)200的簡化示例。一個或多個非常規(guī)發(fā)電源210可通 過電力變壓器211連接到電網(wǎng)的各個部分。非常規(guī)發(fā)電源210可包括各種類型的原動機 (例如風輪機、風力場、太陽能發(fā)電站等)，并且可由到電網(wǎng)的非常規(guī)電接口表征。非常規(guī)電接口可包括可對傳輸網(wǎng)中的弱阻尼串聯(lián)諧振有不利影響的感應(yīng)發(fā)電機 或電力電子系統(tǒng)。非常規(guī)發(fā)電源210可包括各個源(例如單個風輪機)或者一組源(例如 包括許多渦輪機的風力場)。各個風輪機可具有大約1. 5至大約3. 0MW或以上的額定功率， 并且風力場可具有大約100至大約500MW或以上的集合(collective)額定功率。這些范 圍僅用于說明目的，并且可擴展到所給定范圍以上或以下。電網(wǎng)200還可包括一個或多個常規(guī)發(fā)電源240和一個或多個負載250。常規(guī)發(fā)電源通常包括同步機器，并且可具有每個機器大約100MW至1300MW或以上的額定功率。常規(guī) 發(fā)電源的一個示例是驅(qū)動發(fā)電機的氣體或蒸汽動力渦輪機。在長傳輸線220中需要串聯(lián)電容器230，以便補償固有感抗。串聯(lián)補償?shù)娜秉c在 于，它產(chǎn)生頻率低于同步頻率(即次同步)的弱阻尼串聯(lián)諧振。非常規(guī)發(fā)電機210可通過 多種方式與傳輸線220中的弱阻尼串聯(lián)諧振相互作用，這可引起對非常規(guī)發(fā)電源210的損 壞。非常規(guī)發(fā)電的最簡單形式是使用簡單感應(yīng)發(fā)電機的風輪機。大量感生電力通過串 聯(lián)補償線的輻射狀傳輸由于風力的升高而對于現(xiàn)代電力系統(tǒng)是陌生的。伴隨這種新電力源 出現(xiàn)了可能的問題，其中一個問題是被稱為感應(yīng)發(fā)電機效應(yīng)(IEG)的特定次同步現(xiàn)象。這 種效應(yīng)的根本原因在于，感應(yīng)機器對于頻率低于轉(zhuǎn)子速度所感應(yīng)的頻率的電振蕩表現(xiàn)為負 阻抗(resistance)。在將串聯(lián)電容器添加到網(wǎng)絡(luò)時，所產(chǎn)生的具有網(wǎng)絡(luò)的固有電感的次同 步串聯(lián)諧振則通過感應(yīng)發(fā)電機負阻抗效應(yīng)而變得不穩(wěn)定，并且可導致電氣不穩(wěn)定。其它類型的非常規(guī)發(fā)電廣泛地依賴于將電力從原動機轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)所需電特性的 電力電子器件。電力電子器件固有地要求高速操作的若干復雜控制算法來執(zhí)行其功能。由 于算法的高速性質(zhì)，將會存在對電力傳輸網(wǎng)中串聯(lián)補償所產(chǎn)生的次同步串聯(lián)諧振的實質(zhì)影 響。這些控制算法根據(jù)電網(wǎng)特性的簡化假設(shè)來設(shè)計。設(shè)計這類算法以適應(yīng)任何任意電網(wǎng)特 性是不實際的。此外，管理相互作用現(xiàn)象的這些算法的細節(jié)隨制造商而改變，并且通常被認 為是高度專有的。傳輸線擁有者/運營商可能耗用大量人力和物力來單獨制作到每個完全不同電 力源的傳輸線。備選地，每個非常規(guī)發(fā)電站的開發(fā)人員必須與其發(fā)電設(shè)備的供貨商以及與 其它非常規(guī)發(fā)電設(shè)備的供貨商進行大量配合，以便協(xié)調(diào)其操作特性來適應(yīng)電力傳輸網(wǎng)。這 種協(xié)調(diào)實現(xiàn)起來不僅極其麻煩并且費用高，而且也被管理競爭性發(fā)電市場的現(xiàn)有制度禁止。本發(fā)明的一個方面提供一種傳輸補償系統(tǒng)，它可將多個完全不同的發(fā)電源耦合到 公共電網(wǎng)，而沒有對發(fā)電站之間的廣泛協(xié)調(diào)的要求或者要求傳輸系統(tǒng)運營商的高費用且 艱辛工作。本發(fā)明的系統(tǒng)的其它方面提供在串聯(lián)電容器位置對次同步串聯(lián)諧振進行抑制 (damp)。圖3根據(jù)本發(fā)明的一個方面示出改進的串聯(lián)補償電路。傳輸線220由串聯(lián)電容器 230進行串聯(lián)補償。但是，并聯(lián)阻尼電路310與電容器230并聯(lián)設(shè)置。阻尼電路可經(jīng)過廣泛 調(diào)諧，以便減小或消除電容器230引起的次同步諧振。另外，開關(guān)320還可與阻尼電路310 串聯(lián)設(shè)置。開關(guān)320可在出故障或者系統(tǒng)維護的情況下隔離阻尼電路。要理解，根據(jù)需要 開關(guān)320可設(shè)置在阻尼電路310的兩側(cè)。圖4根據(jù)本發(fā)明的方面示出阻尼電路310的一個實施例的示意電路圖。阻尼電路 由電阻器412、電容器414和電感器416組成。阻尼電路可與串聯(lián)補償電容器230或傳輸線 220并聯(lián)設(shè)置。開關(guān)320是可選的，并且在這個實施例中未示出。電阻器412抑制電容器230引起的次同步串聯(lián)諧振。電容器414和電感器416并 聯(lián)連接，并且與電阻器412串聯(lián)。電容器414和電感器416阻塞電阻器412中同步頻率的 電流，并且降低可能由電阻器412引起的損耗。調(diào)諧阻尼電路的無源組件用于寬帶響應(yīng)，以 便對可連接到傳輸線220的所有類型的非常規(guī)發(fā)電源210進行補償。
圖5根據(jù)本發(fā)明的另一個方面示出阻尼電路510的示意電路圖。阻尼電路510由 電阻器512、電容器514和電感器516組成。這個阻尼電路可與串聯(lián)補償電容器230和/或 串聯(lián)補償或未補償傳輸線220串聯(lián)設(shè)置，和/或設(shè)置在非常規(guī)源210的電力變壓器211與 總線(在這個變壓器的較高和/或較低電壓側(cè))之間，和/或設(shè)置在電力變壓器211的中 性點與地(在這個變壓器的較高和/或較低電壓側(cè))之間。電阻器512抑制電容器230引起的次同步串聯(lián)諧振。電容器514和電感器516將 電阻器512周圍同步頻率的電流旁路，并且降低可能由電阻器512引起的損耗。調(diào)諧阻尼電 路的無源組件用于寬帶響應(yīng)，以便對可連接到傳輸線220的所有類型的非常規(guī)發(fā)電源211 進行補償。旁路開關(guān)520可在出故障或者系統(tǒng)維護的情況下保護阻尼電路不受系統(tǒng)電流影 響。要理解，開關(guān)520可以是開關(guān)系列，其不僅將阻尼電路510旁路，而且還通過一組斷開 連接、旁路連接和/或接地閘刀(blade)將它與系統(tǒng)電隔離。圖6示出結(jié)合本發(fā)明方面的實用電網(wǎng)的簡化示意圖。阻尼電路310示為與串聯(lián) 電容器230中的一些并聯(lián)連接。阻尼電路510示為與串聯(lián)電容器230中的一些、未補償線 路220串聯(lián)連接，并且連接在電力變壓器211與較高或較低電壓總線之間以及連接在變壓 器211的中性點與那些變壓器的較高或較低電壓側(cè)的地之間。阻尼電路310和/或510可 以是阻尼電路310和/或510的單相或多相(例如2相或3相)形式。開關(guān)320和/或 520(圖6中未示出)也可包含在阻尼電路310和/或510中。阻尼電路310和/或510保 護非常規(guī)發(fā)電源210免于因次同步諧振而引起的損壞。許多傳輸線配置為3相線，并且本發(fā)明的阻尼電路可設(shè)置于一相、兩相或者全部 三相。阻尼電路的無源組件也可按照各種方式來配置。附圖中，電阻器示為與并聯(lián)連接的 電容器及電感器串聯(lián)連接。但是，電阻器412可用與電感器串聯(lián)連接的電阻器、與電感器和 電容器串聯(lián)連接的電阻器、與串聯(lián)連接的電感器和電容器并聯(lián)連接的電阻器以及其它適當 配置代替。阻尼電路還可配置為并聯(lián)連接的電阻器、電感器和電容器。也可采用其它適當 或等效電路配置。開關(guān)320還可配置成在主阻尼電路310出故障時切換到備用阻尼電路。在這個實 施例中，兩個或更多阻尼電路可以并聯(lián)連接，但經(jīng)由一個或多個開關(guān)進行隔離。如果主阻尼 電路出故障，則可激活本地或遠程控制信號，以便操作一個或多個開關(guān)使出故障的主阻尼 電路斷開連接，并且接通輔助或備用阻尼電路。開關(guān)的控制也可本地執(zhí)行。雖然結(jié)合目前認為是最佳實踐及優(yōu)選實施例中之一的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但要理 解，本發(fā)明并不局限于所公開的實施例，而是相反，它意在涵蓋包含在所附權(quán)利要求書的精 神和范圍之內(nèi)的各種修改及等效配置。配件表100電力傳輸系統(tǒng)110 負載120電力源130用戶投訴140串聯(lián)電容器200電力/實用電網(wǎng)
210非常規(guī)電力源(例如風輪機)
211電力變壓器
220傳輸線
230串聯(lián)電容器
240常規(guī)電力源
250負載
310阻尼電路
320開關(guān)
412電阻器
414電容器
416電感器
510阻尼電路
512電阻器
514電容器
516電感器
520開關(guān)。
權(quán)利要求
一種用于補償電力傳輸網(wǎng)(220)的系統(tǒng)，包括一個或多個非常規(guī)發(fā)電源(210)，所述一個或多個非常規(guī)發(fā)電源連接到所述電力傳輸網(wǎng)(220)；至少一個串聯(lián)補償電路(230)，連接到所述電力傳輸網(wǎng)(220)的至少一部分，所述至少一個串聯(lián)補償電路補償所述電力傳輸網(wǎng)；至少一個阻尼電路(510)，連接到所述電力傳輸網(wǎng)(220)的至少一部分；其中，所述至少一個阻尼電路(510)減輕所述電力傳輸網(wǎng)(220)上所述至少一個串聯(lián)補償電路(230)引起的次同步串聯(lián)諧振。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個阻尼電路(510)調(diào)諧成提供對所述電 力傳輸網(wǎng)的工作頻率的次同步諧振或低阻抗的寬帶響應(yīng)。
3.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個阻尼電路(510)調(diào)諧成 具有所述電力傳輸網(wǎng)的串聯(lián)諧振頻率的大電阻性阻抗。
4.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個阻尼電路(510)與所述 至少一個串聯(lián)補償電路串聯(lián)連接，或者與所述電力傳輸網(wǎng)的至少一部分串聯(lián)連接。
5.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括一個或多個電力變壓器(211)，連接到所述一個或多個非常規(guī)發(fā)電源(210)中至少之 其中，所述至少一個阻尼電路連接到所述一個或多個電力變壓器。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個阻尼電路連接在所述一個或多個電力變壓器中至少之一與所述一個或多個非常規(guī)發(fā)電源中至少之一 之間；或者所述一個或多個電力變壓器中至少之一與較高和較低電壓總線中至少之一之間；或者所述一個或多個電力變壓器中至少之一的中性點與較低或較高電壓側(cè)之間。
7.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括至少一個常規(guī)發(fā)電源，連接到所述電力傳輸網(wǎng)；以及其中，所述一個或多個非常規(guī)發(fā)電源選自包括風輪機、風力場、太陽能發(fā)電站的組中之 一或多個。
8.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)其中，所述至少一個補償電路包括至少一個串聯(lián)電容器；以及所述至少一個阻尼電路包括與串聯(lián)連接的電容器(514)和電感器(516)并聯(lián)連接的至 少一個電阻器(512)。
9.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，還包括至少一個開關(guān)(520)，所述至少一個開關(guān)連接到所述至少一個阻尼電路；其中，所述至少一個開關(guān)的操作可將所述至少一個阻尼電路與所述電力傳輸網(wǎng)連接或 斷開連接。
10.如以上權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，所述電力傳輸網(wǎng)包括一相或多相，所述至少 一個補償電路連接到所述一相或多相中至少之一，其中所述至少一個阻尼電路連接到所述 電力傳輸網(wǎng)中至少一相。
全文摘要
提供一種用于補償電力傳輸網(wǎng)(220)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括連接到電力傳輸網(wǎng)(220)的一個或多個非常規(guī)發(fā)電源(210)。至少一個串聯(lián)補償電路(230)連接到電力傳輸網(wǎng)的至少一部分，以便補償電力傳輸網(wǎng)。至少一個阻尼電路(510)連接到電力傳輸網(wǎng)的至少一部分，并且它減輕電力傳輸網(wǎng)上串聯(lián)補償電路引起的次同步串聯(lián)諧振。
文檔編號H02J3/18GK101860034SQ20101016272
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者B·E·恩格利什, E·V·拉森 申請人:通用電氣公司