專利名稱：電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備和電力變換設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備和電力變換設(shè)備，特別涉及采用靜態(tài)電力變換器的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備和電力變換設(shè)備。
圖3是已知的靜態(tài)電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備的結(jié)構(gòu)的一個例子。如圖3所示，該設(shè)備包括傳輸系統(tǒng)1、接收系統(tǒng)2、母線或匯流線3a和3b、傳輸線TL30、主變壓器4、用于電力變換器的變壓器(多變壓器(multi-transformer))5、變壓器5的初級和次級繞組5a和5b，以及諸如逆變器等變換器裝置。變換器裝置包括每相的變換器6a、6b和6c以及交鏈電容器7。標(biāo)號8表示控制變換器6用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制裝置。PWM控制裝置8由PWM控制單元8a、用以控制有功電流IP和無功電流Iq的電流控制單元8b，以及用以計(jì)算有功電流Ip和無功電流Iq的運(yùn)算單元8c。設(shè)備還包括用以拾取和檢測交鏈電壓VLINK的電壓拾取裝置9、用以控制交鏈電壓VLINK的交鏈電壓控制單元10；用以拾取和檢測線路電流IL并將它輸出至運(yùn)算單元8c的電流拾取裝置11；用于拾取并檢測交流電壓VTL的交流電壓拾取裝置22；由整流器和其它元件構(gòu)成、用于拾取及輸出交流電壓VTL幅值或絕對值的絕對值拾取裝置23；以及用于控制由絕對值拾取裝置23輸出的幅度Vac或無功功率Q的控制單元28。
在圖3中，變換器6是PWM逆變器，它由PWM控制單元8a提供的PWM控制信號控制。PWM控制單元8a由一PWM調(diào)制器構(gòu)成，該調(diào)制器根據(jù)三相瞬時電壓指令波形Vu，v，w(調(diào)制波)產(chǎn)生PWM控制信號。瞬時電壓指令波形Vu，v，w作為電流控制控制單元8b的輸出而給出，該電流控制單元控制有功電流IP和無功電流Iq。電流控制單元8b從控制單元28接收一無功電流指令I(lǐng)q*，該控制單元控制線路電壓Vac或無功功率Q。電流控制單元8b還從交鏈電壓控制單元10接收一有功電流指令I(lǐng)p*，該控制單元控制交鏈電壓VLINK。在這種已知的靜態(tài)電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備中，用于電力變換器的變壓器5沒有相移變壓功能，因此，變壓器6在次級繞組5b中獨(dú)立地并且按不同的定時給出PWM電壓。
在已知的補(bǔ)償設(shè)備中，由于有有功電流IP的輸入和輸出，因而，有功功率P受到控制，從而使直流交鏈電壓VLINK恒定。在VLINK恒定的條件下，變換器6的交流輸出電壓、無功電流Iq和無功功率Q通過PWM技術(shù)(脈沖寬度調(diào)制技術(shù))受到控制。即，由改變PWM中調(diào)制波的幅度(或瞬時波形的大小)進(jìn)行控制。這增加了變換器6的開關(guān)頻率，引起開關(guān)損耗和緩沖器損耗(Snubber loss)增加，由此降低了設(shè)備的效率。如果用一大功率的控制極可關(guān)斷(GTO)變換器作為變換器6，則增加開關(guān)頻率需要恢復(fù)緩沖器能量。這使得設(shè)備的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜了，由此降低了設(shè)備的可靠性。當(dāng)把一脈寬調(diào)制電壓加至變壓器5時，使得變壓器損耗增加。除開關(guān)損耗和緩沖器損耗外，變壓器損耗更使效率降低。
在已知的補(bǔ)償設(shè)備中，變壓器5不是相移型變壓器。因此，如果希望在PWM逆變器(它構(gòu)成了變換器6)中有PWM相移，以降低諧波的大小時，在基波電壓中出現(xiàn)相位差。由于同相電流流經(jīng)串聯(lián)連接的初級繞組5a，因此基波中的相位差引起功率不平衡。這引起變換器6直流交鏈側(cè)的電流不平衡。結(jié)果不能作串聯(lián)連接。
初級繞組5a可以做成多繞組變壓器型相移變壓器。然而，在此情形下，如果在運(yùn)用高電壓的初級繞組側(cè)進(jìn)行相移，就使得具有絕緣困難的初級繞組的連接變得復(fù)雜了。即，初級繞組5a同時具有復(fù)雜的連接和絕緣困難。因此不能采用多變壓器相移變壓器。上述問題有待解決。因此從經(jīng)濟(jì)和可靠的觀點(diǎn)來看，靜態(tài)電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備尚有缺陷。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備和電力變換設(shè)備，它們不存在已知的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備和電力變換設(shè)備中的上面討論過的問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供極為經(jīng)濟(jì)和高可靠性的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備和電力變換設(shè)備。
考慮到上述目的，按照本發(fā)明第一方面的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備包括第一電力變換器裝置，用于變換在電力系統(tǒng)中經(jīng)電力傳輸線輸送的電力，并產(chǎn)生相對于電力傳輸線以串聯(lián)方式工作用的輸出；以及第一控制裝置，用于通過控制電力系統(tǒng)的基波相位來控制第一電力變換器裝置的非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓。
按照本發(fā)明的第二方面，第一控制裝置可相對于一參考矢量(該矢量對應(yīng)于電力傳輸線的電流矢量)進(jìn)行相位控制。
按照本發(fā)明的第三方面，電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備還可包括第一變壓器裝置，它位于電力傳輸線與電力變換器裝置之間，并具有多個變壓器用于與電力傳輸線串聯(lián)工作，其中每個變壓器在它的初級繞組和次級繞組之間有相位差。
按照本發(fā)明的第四方面，第一控制裝置可包括傳感器部分，用于檢測參考矢量的旋轉(zhuǎn)角，該參考矢量根據(jù)電力傳輸線的線路電流，以電力系統(tǒng)的預(yù)定頻率同步旋轉(zhuǎn)；加/減部分，用以根據(jù)變壓器的相位差，對于由傳感器部分檢測的旋轉(zhuǎn)角的值進(jìn)行加和減；矢量旋轉(zhuǎn)部分，用于按加/減部分產(chǎn)生的角度來旋轉(zhuǎn)一矢量；相位變換器部分，用于對矢量旋轉(zhuǎn)部分的輸出作相位變換，從而與第一變壓器裝置的相位數(shù)匹配；以及控制信號發(fā)生部分，用于響應(yīng)于相位變換器部分的輸出產(chǎn)生控制信號來控制第一電力變換器裝置。
按照本發(fā)明的第五方面，電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備包括第二電力變換器裝置，用于變換在電力系統(tǒng)中經(jīng)電力傳輸線輸送的電力并產(chǎn)生相應(yīng)于電力傳輸線以并聯(lián)方式工作用的輸出；以及第二控制裝置，用于通過相應(yīng)于參考矢量的相位(它相應(yīng)于電力傳輸線的電壓矢量)，控制電力系統(tǒng)的基波的相位，來控制第二電力變換器裝置非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓。
本發(fā)明也屬于一種電力變換設(shè)備，包括電力變換器裝置，用于變換在電力系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)電力傳輸線輸送的功率；以及位于電力傳輸線和電力變換器裝置之間，并具有多個用以在電力傳輸線上工作的變壓器裝置；其中，變壓器裝置包括一組多相(muti-phase)變壓器，這些多相變壓器具有一組初級繞組和一組次組繞組，這些初級繞組以每個相位為基礎(chǔ)，以相同的相電流串聯(lián)連接，允許在相同的相位連接下流動，而這些次級繞組與各個初級繞組磁耦合；而電力變換器裝置包括一組靜態(tài)電力變換器，它們與一組次級繞組上設(shè)置相位差的次級繞組相連。
通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以使本發(fā)明變得更容易明了，其中

圖1是按照本發(fā)明實(shí)施例1的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備的示意圖；圖2是按照本發(fā)明實(shí)施例2的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備的示意圖；圖3是本人已知的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備的示意圖。
實(shí)施例1圖1是按照本發(fā)明實(shí)施例1的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備結(jié)構(gòu)的方框圖。那些與結(jié)合圖3的已知設(shè)備描述的等價部件將標(biāo)以相同的標(biāo)號并且不重復(fù)對它們的討論。在圖1中，與變換器一起用的多變壓器35包括初級繞組35a和次級繞組35b。如圖3的已知設(shè)備那樣，初級繞組35a用多變壓器35的繞組段在每相基礎(chǔ)上作串聯(lián)連接。在變換器側(cè)(低壓側(cè))的次級繞組35b上，有相位差。即，把次級繞組35b做成用于相移的相移變壓器的形式。次級繞組35b做成三角形(delta)連接35b1和星形(Y形)連接35b2、35b3和35b4，它們分別有相差-30°、-150°、+150°。標(biāo)號36表示與每個次級繞組35b相連的電力變換器單元。
如上面所描述的，在本實(shí)施例中的多變壓器35做成相移變壓器的形式，它的次級繞組35b給出相位差。在每個電力變換器36上，電壓相位差和電流相位差互相一致，如圖1所示。因此，電力變換器單元36的功率因數(shù)和功率被均衡，由此在電力變換器單元36的直流交鏈側(cè)電流被均衡。這允許把電力變換器單元36的直流交鏈側(cè)直接連在一起，改善了直流系統(tǒng)電壓。在本實(shí)施例中，采用了相移變壓器設(shè)計(jì)。在次級繞組上，在靜態(tài)變換器單元一側(cè)(即絕緣容易確保的低壓側(cè))被移相。由此可以作復(fù)雜的連接而絕緣要求不高，因而簡化了制造工藝。
標(biāo)號15表示開關(guān)控制裝置15，它控制各個電力變換器單元36的開關(guān)次序(在三相系統(tǒng)中)。開關(guān)控制裝置15具有一組比較器或一組編碼運(yùn)算裝置12、一組2相/3相變換器裝置13和一組矢量旋轉(zhuǎn)裝置14。每個部件的數(shù)目與相數(shù)一致。標(biāo)出的4A是主變壓器，如同圖3中的主變壓器4那樣，它需要高電壓絕緣。
現(xiàn)在討論一組補(bǔ)償器或編碼運(yùn)算裝置12、一組2相/3相變換器裝置13以及一組矢量旋轉(zhuǎn)裝置14的運(yùn)作。
一組補(bǔ)償器或編碼運(yùn)算裝置12在每個單元的基礎(chǔ)上，對每個電力變換器單元36進(jìn)行運(yùn)作，如下述方程(1)所示。S=SuSvSw=signV3uV3vV3w=signV3----(1)]]>一組2相/3相變換器裝置13在每個單元的基礎(chǔ)上，對每個電力變換器單元36進(jìn)行運(yùn)作，如下述方程(2)所示。
V3=V3uV3vV3w=1,0-1/2,-3/2-1/2,-3/2V2αV2β-----(2)]]>一組矢量旋轉(zhuǎn)裝置14在每個單元的基礎(chǔ)上，對每個電力變換器單元36進(jìn)行運(yùn)作，如下述方程(3)所示。V2=V3αV2β=cosθ,-sinθsinθ,cosθ=edeq-----(3)]]>這里e＝〔ed，eq〕T可以是任何一個任意的單元矢量，例如〔1，0〕T。單位矢量乘以任意系數(shù)也是容許的。參考相位由矢量e確定。(符號〔〕T代表轉(zhuǎn)置矢量。)在圖1中，標(biāo)號16a、16b、16c、16d和16e代表加/減裝置，它們對矢量的旋轉(zhuǎn)角以及相位進(jìn)行相加和相減操作。21是旋轉(zhuǎn)角傳感器，用于檢測參考矢量(單位矢量)e′，該矢量以交變系統(tǒng)的預(yù)定頻率或參考矢量e′的旋轉(zhuǎn)角θi同步旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角θi可以這樣用數(shù)字來處理。此外，旋轉(zhuǎn)角θi可以由脈沖串(nθi)中脈沖的的數(shù)目來處理。在此情形下，矢量旋轉(zhuǎn)裝置14可以由計(jì)數(shù)器和正弦、余弦函數(shù)表構(gòu)成。因?yàn)殒i相環(huán)(PLL)或計(jì)算器可用作θi的旋轉(zhuǎn)角檢測裝置，因此可以同時使用示于圖1的數(shù)字處理旋轉(zhuǎn)角的參考矢量運(yùn)算方法。當(dāng)把以同步角頻旋轉(zhuǎn)的參考矢量e′作為參考矢量e饋至一組矢量旋轉(zhuǎn)裝置14時，相位加/減裝置16e不需要由旋轉(zhuǎn)角傳感器裝置21檢測的旋轉(zhuǎn)角θi，這是因?yàn)閰⒖际噶縠′已經(jīng)以旋轉(zhuǎn)角θi旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)角傳感器21由用以進(jìn)行3相至2相變換的3相/2相變換器部件17、用以根據(jù)從3相/2相變換器部件17的2相輸出確定絕對值(后面將描述)的絕對值運(yùn)算單元18、用以將3相/2相變換器部件17的2相輸出除以由絕對值運(yùn)算單元18給出的絕對值的除法部件以及用于計(jì)算除法部件19輸出的反三角值的反三角函數(shù)運(yùn)算裝置20。
現(xiàn)在討論旋轉(zhuǎn)角傳感器裝置21的運(yùn)作。3相/2相變換器部件17利用由電流拾取裝置11檢測到的線路電流矢量IL＝〔iR，iS，iT〕T進(jìn)行運(yùn)作，如下述方程所示。作為替換，模擬線路或相位變換器變壓器可用作3相/2相變換器部件17。IαIβ=2/3,-1/3,-1/30,-1/3,1/3iRiSiT---(4)]]>絕對值運(yùn)算單元18計(jì)算絕對值(Iα2+Iβ2)1/2。除法部件19把Iα和Iβ用由絕對值運(yùn)算單元18提供的絕對值來除，并輸出單位矢量e′的分量cosθi和sinθi。旋轉(zhuǎn)角θi由計(jì)算單位矢量e′的每個分量的反三角函數(shù)值確定。
基于旋轉(zhuǎn)角θi，相位加/減單元16e把90°加至旋轉(zhuǎn)角θi以確定電壓相位θv，即產(chǎn)生一正交的電壓矢量，它比由電流拾取裝置拾取的線路電流矢量IL超前90°。一組相位加/減裝置16a-16d進(jìn)行相加和相減操作以分別對電力變換器單元提供相位差(-30°、0°、-15°，+150°)，因而它們與多繞組變壓器35的相位差相一致。其次，矢量旋轉(zhuǎn)裝置14以相應(yīng)于每個電力變換器單元36的旋轉(zhuǎn)角θi來旋轉(zhuǎn)單位矢量〔1，0〕以得出矢量V2。另一方面，當(dāng)把以同步角頻旋轉(zhuǎn)的參考矢量e′作為參考矢量e饋至矢量旋轉(zhuǎn)裝置14時，不把旋轉(zhuǎn)角θi饋至相位加/減單元16e。θv由相位變化(90°)給出。即，一組矢量旋轉(zhuǎn)裝置14由電力變換器單元36的相位改變(60°、75°、90°、105°)旋轉(zhuǎn)已旋轉(zhuǎn)了電角度θi的參考矢量e′。
結(jié)果，3相信號V3包含了在每個電力變換器單元36中每相的基波，而開關(guān)信號S包含了相應(yīng)于每個電力變換器單元36的每相的基波的開關(guān)信號。開關(guān)信號S控制每個電力變換器36的開關(guān)元件(未示出)。當(dāng)相位數(shù)目或電力變換器單元36的臂數(shù)改變時，相位變換器裝置13的方程(2)也改變，從而方程(2)調(diào)節(jié)了相位和所需的相位數(shù)。電力變換器單元的數(shù)目也可能改變。
在本實(shí)施例中，電力變換器單元36的輸出端通過主變壓器4A與電力系統(tǒng)的傳輸線(TL)30相串聯(lián)。饋至串聯(lián)連接的傳輸線(TL)30的電壓將被控制。至少不進(jìn)行具有可變脈沖寬度的PWM(脈沖寬度調(diào)制)，因此電壓需分別調(diào)節(jié)。至此，在本實(shí)施例中提供了電壓控制裝置27。電壓控制裝置27響應(yīng)可變電壓指令V*去控制交鏈電壓VLINK。電壓控制裝置27包括補(bǔ)償器部件27和調(diào)節(jié)器部件26，前者用于將電壓指令V*與交鏈電壓VLINK作比較，而后者由具有特有傳遞函數(shù)Gc的比例積分微分(PID)控制裝置構(gòu)成。
非PWM或固定脈沖寬度比的電力變換器單元36的交流電壓只正比于直流交鏈電壓VLINK。直鏈交流電壓VLNK被交鏈電壓拾取裝置9拾取，該裝置將以反饋方式被控制。把可變電壓指令V*(絕對值)饋至電壓控制裝置27。補(bǔ)償器部件27把電壓指令V*與交鏈電壓VLINK作比較。把比較的結(jié)果饋至具有特有傳遞函數(shù)GC的調(diào)節(jié)器26，以獲得相位改變指令Δθ*，該值對于所有的電力變換器單元36是共同的(作為替代，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角傳感器裝置21以脈沖列輸出脈沖時，則獲得相應(yīng)的脈沖計(jì)數(shù)(Δn))。把相位改變Δθ*饋至相位加/減裝置16a-16d(如有需要，至16e)，以對線路電流矢量IL進(jìn)行相位細(xì)調(diào)。
結(jié)果，在電力變換器單元36的交流輸出側(cè)產(chǎn)生了與線路電流矢量IL同相的電壓分量，以調(diào)節(jié)有功功率P和交流電流。換句話說，交流電流在電力變換器單元36的交流輸出側(cè)流動。交流電流藉電力變換器單元的開關(guān)功能同步整流，而成為直流電流，由此把直流電流按比例地調(diào)節(jié)至用SIL函數(shù)表示的時間平均值。把直流電流向交鏈電容器7充電。結(jié)果，交鏈電壓受到控制。此外，交流輸出電壓VTL的幅度或絕對值受到控制。在此情形下，雖然交流輸出電壓VTL的大多數(shù)電壓矢量與電流矢量正交，但仍出現(xiàn)相應(yīng)于電力變換器單元36中損耗的小的電壓分量(與電流同相)。
因?yàn)榻绘滊妷篤LINK正比于交流電壓VTL，為了反饋交流電壓VTL或絕對值Vac，可以用交流電壓拾取裝置24來拾取交流電壓VTL或正比于交流電壓VTL的V′TL的絕對值Vac(例如，變換器變壓器35的初級電壓)。如在示于圖3的已知設(shè)備中那樣，交流電壓拾取裝置24可以用交流電壓拾取裝置22和具有整流器等絕對值拾取裝置23構(gòu)成。換一種做法，絕對值拾取裝置23可以用2相/3相變換器裝置17和絕對值運(yùn)算裝置18來替代。在此情形下，被拾取的電壓從2相被相位變換為3相，然后再作絕對值計(jì)算。
在上面的實(shí)施例中，電力變換是非PWM系統(tǒng)。此外，當(dāng)電力變換器單元36以最小脈沖計(jì)數(shù)(例如，3個脈沖或更或更少)的固定脈沖寬度比工作時，可由控制相位來控制電壓。
電力變換器單元36用作第一電力變換器裝置，該裝置變換在電力系統(tǒng)中藉傳輸線(TL)30輸送的電力，而它的輸出通過主變壓器4A與傳輸線30串聯(lián)工作。開關(guān)控制裝置15用作第一控制裝置；該裝置通過至少控制電力系統(tǒng)基波的相位，控制電力變換器裝置非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓(換一種做法，控制反映非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓的電力系統(tǒng)側(cè)交流電壓或電力系統(tǒng)側(cè)的交流電壓的從屬變量)。多繞組變壓器35用作第一變壓器裝置，該裝置位于電力變換器裝置和傳輸線30之間，并由多個與傳輸線30串聯(lián)工作的變壓器構(gòu)成。
傳感器裝置21有一傳感器部分，該部分檢測參考矢量的旋轉(zhuǎn)角，該矢量根據(jù)電力系統(tǒng)線路電流，以電力系統(tǒng)的預(yù)定頻率旋轉(zhuǎn)。相位加/減裝置16a-16e有一加/減部分，該部分相應(yīng)于多個變壓器的相位差對由傳感器部分檢測的旋轉(zhuǎn)角的值進(jìn)行相加和相減操作。矢量旋轉(zhuǎn)裝置14組有一矢量旋轉(zhuǎn)部分，該部分按加/減部分提供的角度來旋轉(zhuǎn)矢量。一組2相/3相變換器裝置13有相位變換器部分，該部分根據(jù)變壓器裝置的相數(shù)，對矢量旋轉(zhuǎn)部分的輸出作相位變換，補(bǔ)償器或編碼運(yùn)算裝置12具有控制信號發(fā)生部分。該部分根據(jù)相位變換器裝置的輸出產(chǎn)生控制信號以控制電力變換器裝置。
電力變換器單元36和多繞組變壓器35還構(gòu)成本發(fā)明的電力變換器裝置。
在本實(shí)施例中，如上所述，電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備包括電力變換器36和控制裝置15，電力變換器以串聯(lián)方式與輸送電力的傳輸線(TL)30一起工作，而控制裝置控制電力變換器單元36的非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓(VLINK)(或電力系統(tǒng)的交流電壓Vac或反映非電力側(cè)交鏈電壓的從屬變量)?？刂蒲b置15至少控制電力系統(tǒng)基波的相位。這樣，允許電力變換器單元36或是工作于非PWM方式或是工作于具有最小脈沖數(shù)的固定脈沖寬度方式，而開關(guān)比最小。特別，在非PWM下，一個開關(guān)元件每周期作一次開關(guān)操作。因此，降低了開關(guān)損耗和緩沖器損耗，而提高了效率。采用矢量旋轉(zhuǎn)技術(shù)，使相位相加或相減的操作完成了設(shè)備中的大部分的控制過程。這樣，簡化了控制。
于是，本實(shí)施例提供了性能改善和經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。因?yàn)殪o態(tài)電力變換器單元36的輸出電壓是串聯(lián)接入傳輸線的，因此在直接控制線路電流和直接補(bǔ)償控制電抗電壓方面，極為便利。因此，按照本發(fā)明的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備在補(bǔ)償控制和可靠性控制方面具有相當(dāng)大的好處。
實(shí)施例2圖2示出本發(fā)明的實(shí)施例2。本實(shí)施例給出一種并聯(lián)補(bǔ)償方法，其中，主變壓器4與傳輸線(TL)30并聯(lián)連接。在本實(shí)施例中，交流電壓拾取裝置22置于旋轉(zhuǎn)角裝置21與傳輸線(TL)30之間，從而拾取線路的交流電壓VTL。本實(shí)施例結(jié)構(gòu)的其余部分保持與實(shí)施例1的那些部分相同。與結(jié)合實(shí)施例1描述的那些部件等價的部件將采用相同的標(biāo)號來表示，而不再重復(fù)對它們的說明。在本實(shí)施例中，電力變換器單元36用作第二電力變換器裝置，該裝置變換通過傳輸線(TL)30輸送的電力，而電力變換器單元36的輸出通過主變壓器4與傳輸線30并聯(lián)地工作?？刂蒲b置15用作第二控制裝置，通過相應(yīng)于電力傳輸線的電壓矢量控制電力系統(tǒng)基波相位的辦法來控制第二電力變換器裝置非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓。
在本實(shí)施例中，參考矢量e′或它的旋轉(zhuǎn)角θi是用交流線路電壓矢量VTL或正比于VTL的V′TL(例如，變換器變壓器35的初級電壓)作參考而檢測或計(jì)算的。每個電力變換器單元36的交流輸出電壓的相位相對于線路電壓VTL受到控制。令△θ表示相位差。電力變換器單元36的有功功率P正比于sin△θ。因此，電壓控制裝置27的輸出△θ*控制有功功功率P，從而控制電力變換器單元36的直流電流。此外，交鏈電壓VLINK和電力變換器單元36的交流輸出電壓亦受控制。
因?yàn)檫M(jìn)入電力變換器單元36的功率對應(yīng)于損耗，因此△θ的穩(wěn)態(tài)值是臨界的。即，在穩(wěn)態(tài)下，電力變換器單元36的交流輸出電壓大體上與線路電壓VTL同相地工作。為改變電壓，△θ*暫時地改變，從而改變有功功率P，并由此改變交鏈電壓VLINK和交流輸出電壓。大體上同相地控制交流輸出電壓，允許對無功電流Iq或無功功率Q進(jìn)行控制。因而可用于電力系統(tǒng)的補(bǔ)償控制和可靠性控制。
如果將另一個直流系統(tǒng)接至直流交鏈側(cè)，則藉改變△θ*可控制有功功率P。在相移變壓器方法中，如已描述的，功率和直流電流在電力變換器單元36之間平衡。通過相應(yīng)于每個電力控制單元36精細(xì)地控制相位輸入，可在個別的基礎(chǔ)上或平衡的基礎(chǔ)上控制直流電流和直流電壓。因此允許直流交鏈側(cè)串聯(lián)連接。在個別的基礎(chǔ)上或平衡的基礎(chǔ)上，通過精細(xì)控制相應(yīng)于電力控制單元36的相位輸入，控制直流電流和直流電壓的方法可用于實(shí)施例1。這樣，相位和電壓控制可在各別的基礎(chǔ)上而不是在一組的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
在本實(shí)施例中，靜態(tài)電力變換器單元36是用諸如逆變器等直流交鏈型交流/直流變換器構(gòu)成的。但本發(fā)明不局限于此?？梢圆捎媒涣鹘绘溞?特別是高頻交流交鏈型)靜態(tài)電力變換器(循環(huán)換流器(cycloconverter)和矩陣變換器(matrix converter))。在此情形中，用交流電容器來代替交鏈電容器7，而受控制的是交流交鏈而不是直流交鏈VLINK。此外，可采用諸如三相等多相。因?yàn)橥ㄟ^控制相位差△θ和從屬于△θ*的有功功率P，可以用上面的實(shí)施例中的控制方法。
在前面的實(shí)施例中，已經(jīng)討論了對藉響應(yīng)于電壓控制裝置27控制相位而反饋的電壓進(jìn)行控制?？梢詫⒘硪粋€從屬于電壓的變量設(shè)置為指令而對另一個從屬變量進(jìn)行反饋控制。例如，在圖1的實(shí)施1中，可以通過反饋線路電流IL或相應(yīng)于IL的IL*以及通過提供指令I(lǐng)L*而使用線路電流控制裝置。此外，可以使用對串聯(lián)接入的無功功率的控制裝置和用于控制被從屬控制的變量(諸如有功和無功功率流)的控制裝置。在實(shí)施例2中，可以使用對于有功電流Ip、無功電流Iq、有功功率P和無功功率Q的反饋控制裝置。此外，可對從屬于電壓的線路有功電流和有功功率流進(jìn)行控制，而使用對于這些從屬變量的控制裝置。此外，可以按從屬控制關(guān)系使用這些裝置。
如上面已描述的，按照本發(fā)明的第一方面，電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備包括電力變換器裝置和控制裝置，前者以串聯(lián)方式與輸送電力的電力傳輸線一起工作，后者用于控制電力變換器裝置的非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓(VLINK)(或者電力系統(tǒng)交流電壓(Vac)或反映非電力系統(tǒng)側(cè)交鏈電壓的它的從屬變量)?？刂蒲b置至少控制電力系統(tǒng)基波的相位。從而允許作為電力變換器裝置的靜態(tài)電力變換器或是工作于非PWM方式，或是工作于固定脈沖寬度比方式，而它的開關(guān)比減至最小。降低了損耗和減小了運(yùn)行費(fèi)用。由于控制了與傳輸線串聯(lián)工作的電壓，可以對系統(tǒng)的電抗電壓作直接補(bǔ)償和對傳輸線電流和功率流作直接控制和穩(wěn)定。從而獲得改善的性能。
按照本發(fā)明的第二方面，控制裝置對于與傳輸線電流矢量相應(yīng)的參考矢量的相位進(jìn)行相位控制。這樣，對交鏈電壓作適當(dāng)控制。大大改善了電壓控制性能和從屬于電壓控制性能的另一控制性能。
按照本發(fā)明的第三方面，由多個變壓器構(gòu)成，與傳輸線串聯(lián)工作的變壓器裝置位于傳輸線與電力變換器之間，而每個變壓器的初級線組和次級繞組之間有相位差。這種結(jié)構(gòu)不僅減小了變換器裝置中的輸出電壓諧波還減小了帶有電抗的串聯(lián)工作的電力傳輸系統(tǒng)中的電流諧波。
按照本發(fā)明的第四方面，包含矢量旋轉(zhuǎn)部件的控制裝置進(jìn)行相位控制，其做法是允許加法器/減法器對矢量旋轉(zhuǎn)部件的輸入角進(jìn)行相加或相減操作。因而簡化了控制，而改善了操作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
按照本發(fā)明的第五方面，電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備包括電力變換器裝置和控制裝置，前者以并聯(lián)方式與傳輸線一起工作，后者用于控制電力變換器裝置的非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓(VLINK)(或者反映非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓的電力系統(tǒng)交流電壓(Vac)或電力系統(tǒng)交流電壓的從屬變量)。控制裝置至少控制電力系統(tǒng)的基波的相位?？刂蒲b置還對與傳輸線的電壓矢量相應(yīng)的參考矢量的相位進(jìn)行相位控制。因此，并聯(lián)補(bǔ)償器的靜態(tài)電力變換器或者以非PWM方式工作或者以固定脈沖寬度比方式工作。開關(guān)比減至最小，減小了設(shè)備中的損耗。操作更為經(jīng)濟(jì)。在并聯(lián)型補(bǔ)償器中，包含矢量旋轉(zhuǎn)部件的控制裝置進(jìn)行相位控制，其做法是讓加法器/減法器對矢量旋轉(zhuǎn)部件的輸入角進(jìn)行相加或相減操作。由此簡化了控制，而改善了運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
在本發(fā)明的電力變換設(shè)備中，靜態(tài)電力變換器還包含相移變壓器，在變換器側(cè)它們的繞組上呈現(xiàn)相位差。由于相移要在容易確保絕緣性的繞組側(cè)實(shí)現(xiàn)，所以要求復(fù)雜的接線。這種結(jié)構(gòu)具有相移變壓器的所有好處，并在非電力系統(tǒng)側(cè)(交鏈側(cè))提供串聯(lián)連接。因而可得到改善的性能。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備，其特征在于包括第一電力變換器裝置，用于對電力系統(tǒng)內(nèi)通過電力傳輸線傳送的電力進(jìn)行變換，并產(chǎn)生對于所述電力傳輸線以串聯(lián)方式工作的輸出；以及第一控制裝置，用于通過控制所述電力系統(tǒng)的基波相位來控制所述第一電力變換器裝置的非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述第一控制裝置對于與所述電力傳輸線的電流矢量相應(yīng)的參考矢量進(jìn)行相位控制。
3.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)補(bǔ)償裝置，其特征在于，還包括第一變壓器裝置，它位于所述電力傳輸線和所述電力變換器裝置之間，并具有多個變壓器，用以與所述電力傳輸線串聯(lián)工作，其中，每個所述變壓器在它的初級和次級繞組之間具有相位差。
4.如權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述第一控制裝置包括傳感器部分，用于檢測參考矢量的旋轉(zhuǎn)角，該矢量按照所述電力傳輸線的線路電流，以所述電力系統(tǒng)預(yù)定的頻率同步旋轉(zhuǎn)；加/減部分，用以根據(jù)所述變壓器的所述相位差，對由所述傳感器部分檢測得的所述旋轉(zhuǎn)角的值進(jìn)行相加和相減；矢量旋轉(zhuǎn)部分，用于使矢量旋轉(zhuǎn)一個由所述加/減部分產(chǎn)生的角度；相位變換器部分，用于對所述矢量旋轉(zhuǎn)部分的輸出作相位變換，從而與所述第一變壓器裝置的相位數(shù)相一致；以及控制信號發(fā)生部分，用于產(chǎn)生控制信號以響應(yīng)于所述相位變換器部分的輸出，控制所述第一電力變換器裝置。
5.一種電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備，其特征在于，包括第二電力變換器裝置，用于對在一電力系統(tǒng)中通過電力傳輸線傳送的電力加以變換，并產(chǎn)生對于所述電力傳輸線以并聯(lián)方式工作的輸出；以及對照相應(yīng)于所述電力傳輸線的電壓矢量參考矢量之相位，第二控制裝置采用控制所述電力系統(tǒng)基波相位的方法，來控制所述第二電力變換器的非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備，其特征在于，還包括第二變壓器裝置，它位于所述電力傳輸線與所述電力變換裝置之間，并具有多個與所述電力傳輸線串聯(lián)工作的變壓器，其中，每個所述變壓器在它的初級繞組和次級繞組之間有相位差。
7.如權(quán)利要求6所述的電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備，其特征在于，所述第二控制裝置包括傳感器部分，用以檢測參考矢量的旋轉(zhuǎn)角，該矢量按照所述電力傳輸線的線路電流，以所述電力系統(tǒng)的預(yù)定頻率同步旋轉(zhuǎn)；加/減部分，用以根據(jù)所述變壓器的所述相位差，對由所述傳感器部分給出的所述旋轉(zhuǎn)角的值進(jìn)行相加和相減；矢量旋轉(zhuǎn)部分，用于使矢量旋轉(zhuǎn)一個由所述加/減部分產(chǎn)生的角度；相位變換器部分，用于對所述矢量旋轉(zhuǎn)部分的輸出作相位變換，從而與所述第二變壓器裝置的相位數(shù)一致；以及控制信號發(fā)生部分，用于產(chǎn)生控制信號以響應(yīng)于所述相位變換部分的輸出，控制所述第二電力變換器裝置。
8.一種電力變換裝置，包括電力變換器裝置，用于對電力系統(tǒng)內(nèi)通過電力傳輸線輸送的電力進(jìn)行變換，并產(chǎn)生一輸出用來在所述電力傳輸線上工作；以及變壓器裝置，它位于所述電力傳輸線與所述電力變換器裝置之間，并具有在所述電力傳輸線上工作的多個變壓器；其特征在于，所述變壓器裝置包括一組多相變壓器，它們具有一組初級繞組和一組次級繞組，這些初級繞組在每相的基礎(chǔ)上串聯(lián)連接，允許在相同的相位連接上流過相同的相電流，而這些次級繞組與各個初級繞組磁耦合；以及所述電力變換器裝置包括一組靜態(tài)電力變換器，它們與所述一組次級繞組相連，在這組次級繞組中設(shè)置有相位差。
全文摘要
一種電力系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備，包括電力變換器單元和開關(guān)控制裝置，前者與電力系統(tǒng)的傳輸線串聯(lián)地工作，后者用來控制非電力系統(tǒng)側(cè)的交鏈電壓。開關(guān)控制裝置至少控制電力系統(tǒng)基頻的相位。電力變換器包括一靜態(tài)電力變換器變壓器，在次級繞組中有相位差。靜態(tài)電力變換器單元工作于非PWM方式或固定脈沖寬度比方式。開關(guān)比減至最小。因?yàn)榕c電力傳輸線串聯(lián)工作的電壓受到控制，因此可對系統(tǒng)的電抗電壓進(jìn)行直接補(bǔ)償和對線路電流進(jìn)行直接控制。
文檔編號H02J3/18GK1137191SQ9512180
公開日1996年12月4日 申請日期1995年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月29日
發(fā)明者赤松昌彥, 村上升太郎, 細(xì)川靖彥 申請人:三菱電機(jī)株式會社