CN101860034A - 用于电力传输的补偿系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于补偿电力传输网(220)的系统。该系统包括连接到电力传输网(220)的一个或多个非常规发电源(210)。至少一个串联补偿电路(230)连接到电力传输网的至少一部分，以便补偿电力传输网。至少一个阻尼电路(510)连接到电力传输网的至少一部分，并且它减轻电力传输网上串联补偿电路引起的次同步串联谐振。

Description

用于电力传输的补偿系统

相关申请交叉引用

本申请是2008年10月10日提交的标题为“用于电力传输的改进补偿系统(Improved Compensation System For Power Transmission)”的美国申请序号12/249404的部分延续(CIP)，通过引用将其内容完整地结合到本文中。

技术领域

本发明涉及电力(power)传输。更具体来说，本发明涉及用于电力传输线的补偿的系统。

背景技术

通过现代配电系统所分配的电力的质量仍旧是与大型系统的运营商(operator)有关的问题。一种这样的电力质量问题称作电压闪变(voltage flicker)。电压闪变是一种电压突降(dip)，该电压突降具有足以对连接到相同电路的其它负载产生有害影响的量值(magnitude)。可遇到仅作为闪光(blinking light)的扰动，但是事件(occurrence)的量值和频率确定闪变对系统用户的影响。

图1示出普通电压闪变情形。系统100的闪变产生负载110通常由大型电动机、焊接机或电弧炉引起。这些负载通过在电动机启动时遇到的较短时长的高涌入(inrush)电流来表征。电动机的涌入电流通常具有低功率因数(factor)，并且引起沿馈电线直到负载的连接的点的增加量值的电压突降。这在负载110与源120之间引起电压闪变问题，这在十分严重时往往导致用户抱怨130。

配电串联电容器140长期被公认为这些类型的闪变问题的有成本效益的解决方案。不幸的是，配备了配电串联电容器的配电类电力线易受到两种不同的破坏性现象，即涉及变压器的铁磁谐振以及电动机在启动期间的自激。铁磁谐振是通过在电力变压器铁心饱和时会出现的系统非线性所引起的往往严重且迅速建立的振荡过压状况。这些非线性通常响应于跟随断路器操作的大涌入电流而与串联电容器相互作用，以便产生低频谐振状况。感应电动机的自激是可在同一系统发生的潜在破坏性状况。术语“自激”表示在包括串联电容器的电力供应电路中可能发生的次谐波(sub-harmonic)振荡。次谐波振荡产生于感应电动机处于启动过程时串联电容器与该电动机之间的相互作用。这些振荡通常通过电动机启动问题和持续的过电流状况来表征。

当铁磁谐振发生时，必须采取立即行动以防止对其它设备的损坏。铁磁谐振是迅速发生的高量值且低频振荡，它能够在短期内达到高于标准100-200％的电力系统电压等级。当自激发生时，低频振荡随电动机启动序列失败而产生。电动机将搜索适当的工作频率，该工作频率将随轴(shaft)加速度交替而引起大电流浪涌(current surge)。

发电场所(例如热原动机(prime mover)、感应发电机、风轮机等)往往位于离负载中心极远的地方。要实现电力通过长距离的传输，往往使用串联电容器来升高所产生长传输线的功率极限。串联电容器可引起串联谐振振荡，已知它们将引起对发电机轴的损坏。还可对风轮机电力传输和控制组件造成损坏。

串联谐振振荡发生在供电频率(在北美通常为60Hz)的次谐波。这种作用已经被称作次同步谐振(subsynchronous resonance：SSR)。涉及SSR的最著名事件在美国南内华达州的Mohave发电站于1970年发生并且在1971年再次发生。发电机遇到逐渐增长的扰动，该扰动最终导致发电机与旋转励磁机之间的轴截面的断裂。研究确定，在30.5Hz的电谐振产生29.5Hz的转矩(60Hz互补频率)，它与涡轮发电机在30.1Hz的第二扭力振动模式的频率接近一致。串联电容器与扭力系统之间的相互作用是次同步谐振的一个示例。

风轮机和风力场(wind farm)越来越普遍，并且在全世界以更大数量被安装。风力场的最佳位置往往位于远离负载中心的地方。另外，多个风力场需要连接到现有电网，现有电网又可连接到热发电站(例如驱动一个或多个发电机的燃气涡轮或蒸汽涡轮)。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供一种用于补偿电力传输网的系统。该系统包括连接到电力传输网的一个或多个非常规发电源。至少一个串联补偿电路连接到电力传输网的至少一部分，以便补偿电力传输网。至少一个阻尼(damping)电路连接到电力传输网的至少一部分，并且它减轻电力传输网上串联补偿电路所引起的次同步串联谐振。

附图说明

图1示出配电系统中常规电压闪变问题；

图2是一种已知电网的简化示意示图；

图3是根据本发明一个方面的补偿电路的简化示意图；

图4是根据本发明一个方面的阻尼电路的简化示意图；

图5是根据本发明另一方面的阻尼电路的简化示意图；

图6是结合有根据本发明又一方面的补偿和阻尼电路的电网的简化示意图。

具体实施方式

现代实用电网正演进成包括位于远离负载中心的完全不同的发电源的网络。多个风力场、太阳能发电站和其它非常规电力源正被连接到现有电力传输线。不同的供应商制造风轮机，并且各供应商可制造其具有不同操作特性的风轮机。太阳能电力遇到同样的问题。这种操作特性的宽可变性使得难以将这些非常规发电源连接到现有传输线。

图2示出一种典型实用电网200的简化示例。一个或多个非常规发电源210可通过电力变压器211连接到电网的各个部分。非常规发电源210可包括各种类型的原动机(例如风轮机、风力场、太阳能发电站等)，并且可由到电网的非常规电接口表征。

非常规电接口可包括可对传输网中的弱阻尼串联谐振有不利影响的感应发电机或电力电子系统。非常规发电源210可包括各个源(例如单个风轮机)或者一组源(例如包括许多涡轮机的风力场)。各个风轮机可具有大约1.5至大约3.0MW或以上的额定功率，并且风力场可具有大约100至大约500MW或以上的集合(collective)额定功率。这些范围仅用于说明目的，并且可扩展到所给定范围以上或以下。

电网200还可包括一个或多个常规发电源240和一个或多个负载250。常规发电源通常包括同步机器，并且可具有每个机器大约100MW至1300MW或以上的额定功率。常规发电源的一个示例是驱动发电机的气体或蒸汽动力涡轮机。

在长传输线220中需要串联电容器230，以便补偿固有感抗。串联补偿的缺点在于，它产生频率低于同步频率(即次同步)的弱阻尼串联谐振。非常规发电机210可通过多种方式与传输线220中的弱阻尼串联谐振相互作用，这可引起对非常规发电源210的损坏。

非常规发电的最简单形式是使用简单感应发电机的风轮机。大量感生电力通过串联补偿线的辐射状传输由于风力的升高而对于现代电力系统是陌生的。伴随这种新电力源出现了可能的问题，其中一个问题是被称为感应发电机效应(IEG)的特定次同步现象。这种效应的根本原因在于，感应机器对于频率低于转子速度所感应的频率的电振荡表现为负阻抗(resistance)。在将串联电容器添加到网络时，所产生的具有网络的固有电感的次同步串联谐振则通过感应发电机负阻抗效应而变得不稳定，并且可导致电气不稳定。

其它类型的非常规发电广泛地依赖于将电力从原动机转换成电网所需电特性的电力电子器件。电力电子器件固有地要求高速操作的若干复杂控制算法来执行其功能。由于算法的高速性质，将会存在对电力传输网中串联补偿所产生的次同步串联谐振的实质影响。这些控制算法根据电网特性的简化假设来设计。设计这类算法以适应任何任意电网特性是不实际的。此外，管理相互作用现象的这些算法的细节随制造商而改变，并且通常被认为是高度专有的。

传输线拥有者/运营商可能耗用大量人力和物力来单独制作到每个完全不同电力源的传输线。备选地，每个非常规发电站的开发人员必须与其发电设备的供货商以及与其它非常规发电设备的供货商进行大量配合，以便协调其操作特性来适应电力传输网。这种协调实现起来不仅极其麻烦并且费用高，而且也被管理竞争性发电市场的现有制度禁止。

本发明的一个方面提供一种传输补偿系统，它可将多个完全不同的发电源耦合到公共电网，而没有对发电站之间的广泛协调的要求或者要求传输系统运营商的高费用且艰辛工作。本发明的系统的其它方面提供在串联电容器位置对次同步串联谐振进行抑制(damp)。

图3根据本发明的一个方面示出改进的串联补偿电路。传输线220由串联电容器230进行串联补偿。但是，并联阻尼电路310与电容器230并联设置。阻尼电路可经过广泛调谐，以便减小或消除电容器230引起的次同步谐振。另外，开关320还可与阻尼电路310串联设置。开关320可在出故障或者系统维护的情况下隔离阻尼电路。要理解，根据需要开关320可设置在阻尼电路310的两侧。

图4根据本发明的方面示出阻尼电路310的一个实施例的示意电路图。阻尼电路由电阻器412、电容器414和电感器416组成。阻尼电路可与串联补偿电容器230或传输线220并联设置。开关320是可选的，并且在这个实施例中未示出。

电阻器412抑制电容器230引起的次同步串联谐振。电容器414和电感器416并联连接，并且与电阻器412串联。电容器414和电感器416阻塞电阻器412中同步频率的电流，并且降低可能由电阻器412引起的损耗。调谐阻尼电路的无源组件用于宽带响应，以便对可连接到传输线220的所有类型的非常规发电源210进行补偿。

图5根据本发明的另一个方面示出阻尼电路510的示意电路图。阻尼电路510由电阻器512、电容器514和电感器516组成。这个阻尼电路可与串联补偿电容器230和/或串联补偿或未补偿传输线220串联设置，和/或设置在非常规源210的电力变压器211与总线(在这个变压器的较高和/或较低电压侧)之间，和/或设置在电力变压器211的中性点与地(在这个变压器的较高和/或较低电压侧)之间。

电阻器512抑制电容器230引起的次同步串联谐振。电容器514和电感器516将电阻器512周围同步频率的电流旁路，并且降低可能由电阻器512引起的损耗。调谐阻尼电路的无源组件用于宽带响应，以便对可连接到传输线220的所有类型的非常规发电源211进行补偿。

旁路开关520可在出故障或者系统维护的情况下保护阻尼电路不受系统电流影响。要理解，开关520可以是开关系列，其不仅将阻尼电路510旁路，而且还通过一组断开连接、旁路连接和/或接地闸刀(blade)将它与系统电隔离。

图6示出结合本发明方面的实用电网的简化示意图。阻尼电路310示为与串联电容器230中的一些并联连接。阻尼电路510示为与串联电容器230中的一些、未补偿线路220串联连接，并且连接在电力变压器211与较高或较低电压总线之间以及连接在变压器211的中性点与那些变压器的较高或较低电压侧的地之间。阻尼电路310和/或510可以是阻尼电路310和/或510的单相或多相(例如2相或3相)形式。开关320和/或520(图6中未示出)也可包含在阻尼电路310和/或510中。阻尼电路310和/或510保护非常规发电源210免于因次同步谐振而引起的损坏。

许多传输线配置为3相线，并且本发明的阻尼电路可设置于一相、两相或者全部三相。阻尼电路的无源组件也可按照各种方式来配置。附图中，电阻器示为与并联连接的电容器及电感器串联连接。但是，电阻器412可用与电感器串联连接的电阻器、与电感器和电容器串联连接的电阻器、与串联连接的电感器和电容器并联连接的电阻器以及其它适当配置代替。阻尼电路还可配置为并联连接的电阻器、电感器和电容器。也可采用其它适当或等效电路配置。

开关320还可配置成在主阻尼电路310出故障时切换到备用阻尼电路。在这个实施例中，两个或更多阻尼电路可以并联连接，但经由一个或多个开关进行隔离。如果主阻尼电路出故障，则可激活本地或远程控制信号，以便操作一个或多个开关使出故障的主阻尼电路断开连接，并且接通辅助或备用阻尼电路。开关的控制也可本地执行。

虽然结合目前认为是最佳实践及优选实施例中之一的内容描述了本发明，但要理解，本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反，它意在涵盖包含在所附权利要求书的精神和范围之内的各种修改及等效配置。

配件表

100电力传输系统

110负载

120电力源

130用户投诉

140串联电容器

200电力/实用电网

210非常规电力源(例如风轮机)

211电力变压器

220传输线

230串联电容器

240常规电力源

250负载

310阻尼电路

320开关

412电阻器

414电容器

416电感器

510阻尼电路

512电阻器

514电容器

516电感器

520开关。

Claims (10)

1.一种用于补偿电力传输网(220)的系统，包括：

一个或多个非常规发电源(210)，所述一个或多个非常规发电源连接到所述电力传输网(220)；

至少一个串联补偿电路(230)，连接到所述电力传输网(220)的至少一部分，所述至少一个串联补偿电路补偿所述电力传输网；

至少一个阻尼电路(510)，连接到所述电力传输网(220)的至少一部分；

其中，所述至少一个阻尼电路(510)减轻所述电力传输网(220)上所述至少一个串联补偿电路(230)引起的次同步串联谐振。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个阻尼电路(510)调谐成提供对所述电力传输网的工作频率的次同步谐振或低阻抗的宽带响应。

3.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中，所述至少一个阻尼电路(510)调谐成具有所述电力传输网的串联谐振频率的大电阻性阻抗。

4.如以上权利要求中任一项所述的系统，其中，所述至少一个阻尼电路(510)与所述至少一个串联补偿电路串联连接，或者与所述电力传输网的至少一部分串联连接。

5.如以上权利要求中任一项所述的系统，还包括：

一个或多个电力变压器(211)，连接到所述一个或多个非常规发电源(210)中至少之一；

其中，所述至少一个阻尼电路连接到所述一个或多个电力变压器。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述至少一个阻尼电路连接在：

所述一个或多个电力变压器中至少之一与所述一个或多个非常规发电源中至少之一之间；或者

所述一个或多个电力变压器中至少之一与较高和较低电压总线中至少之一之间；或者

所述一个或多个电力变压器中至少之一的中性点与较低或较高电压侧之间。

7.如以上权利要求中任一项所述的系统，还包括：

至少一个常规发电源，连接到所述电力传输网；以及

其中，所述一个或多个非常规发电源选自包括风轮机、风力场、太阳能发电站的组中之一或多个。

8.如以上权利要求中任一项所述的系统：

其中，所述至少一个补偿电路包括至少一个串联电容器；以及

所述至少一个阻尼电路包括与串联连接的电容器(514)和电感器(516)并联连接的至少一个电阻器(512)。

9.如以上权利要求中任一项所述的系统，还包括：

至少一个开关(520)，所述至少一个开关连接到所述至少一个阻尼电路；

其中，所述至少一个开关的操作可将所述至少一个阻尼电路与所述电力传输网连接或断开连接。

10.如以上权利要求中任一项所述的系统，所述电力传输网包括一相或多相，所述至少一个补偿电路连接到所述一相或多相中至少之一，其中所述至少一个阻尼电路连接到所述电力传输网中至少一相。

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