專利名稱：補償設(shè)備及采用補償設(shè)備的輸電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種補償設(shè)備及一種采用這樣的補償設(shè)備的輸電系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及這樣的補償設(shè)備，它們包括無變壓器無功串聯(lián)補償器。
補償設(shè)備典型地用于輸電系統(tǒng)，以便提高輸電容量，并使輸電更穩(wěn)定。通常輸電線具有斷路器。當斷路器斷開或閉合時，則產(chǎn)生過電流和過電壓。特別是在具有大功率和長輸電線的輸電系統(tǒng)中，這樣的過電壓和過電流則由于輸電線的寄生電感和寄生電容而產(chǎn)生。而且，它們會引起與輸電線連接的補償設(shè)備和交流電力系統(tǒng)的損壞。
本發(fā)明特別涉及怎樣能有效地保護補償設(shè)備免于這些過電流和過電壓的問題。
近年來已采用了幾種不同例子的補償設(shè)備，以提供更穩(wěn)定和更高效的輸電系統(tǒng)。這樣的輸電系統(tǒng)稱為靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)。適用于補償設(shè)備的半導(dǎo)體設(shè)備的例子是像控制極關(guān)斷可控硅整流器(所謂GTO)和控制極換向關(guān)斷可控硅整流器(所謂GCT)那樣的自消弧半導(dǎo)體。它們已用于電力變換器，即換流器，并且注視到它們的應(yīng)用在未來將會更廣泛，以便實現(xiàn)更穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)。
有一種補償設(shè)備，它包括將用于FACTS設(shè)備的無變壓器無功串聯(lián)補償器(所謂TL-RSC)。
圖9表示一個輸電系統(tǒng)，它包括兩個交流電力系統(tǒng)1a、1b，它們通過輸電線2a、2b及設(shè)置在交流電力系統(tǒng)1b與輸電線2b之間的斷路器4相互連接。在輸電線2a、2b之間設(shè)置一個補償設(shè)備3(包括補償器單元CU)，以提高輸電容量，并使輸電更穩(wěn)定。補償設(shè)備3,CU可以包括一個無變壓器無功串聯(lián)補償器TL-RSC。如圖9所示，TL-RSC3與輸電線2a、2b串聯(lián)連接，輸電線2a、2b與交流電力系統(tǒng)1a、1b連接。


圖10表示一種如從現(xiàn)有技術(shù)參考文獻已知的無變壓器無功串聯(lián)補償器TL-RSC3(“Transformerless Reactive Series Compensators withVoltage Source Inverters”,Proceedings of the Power ConversionConference(PCC),Nagaoka 1997,PP.197-202)。在圖10中，5a至5d表示自消弧半導(dǎo)體，6a至6d表示與各自消弧半導(dǎo)體5a至5d反并聯(lián)連接的空轉(zhuǎn)二極管，7表示由自消弧半導(dǎo)體5a至5d和空轉(zhuǎn)二極管6a至6d組成的單相換流器，8表示換流器的直流電容器，9a、9b表示濾波電抗器，10表示濾波電容器，以及11表示濾波電路。自消弧半導(dǎo)體5a與空轉(zhuǎn)二極管6a分開。然而，近年來開發(fā)了在同一組裝設(shè)備中集成自消弧半導(dǎo)體5a和空轉(zhuǎn)二極管6a兩種功能的反向?qū)щ娮韵“雽?dǎo)體。當應(yīng)用反向?qū)щ娮韵“雽?dǎo)體時，圖10中的空轉(zhuǎn)二極管6a至6d不必要。
如圖10所示，單相換流器7不用任何變壓器而與輸電線2a、2b串聯(lián)且間接連接。亦即，換流器7通過串聯(lián)插入線路2a、2b中的濾波電路11，與輸電線2a、2b連接。濾波電路11主要抑制因脈沖寬度調(diào)制(所謂PWM)控制操作單相換流器7所產(chǎn)生的輸電系統(tǒng)的諧波畸變。濾波電抗器9a、9b的分開布置不是必需的，并且有可能只用它們中的一個。
TL-RSC3已被提議用于新的FACTS系統(tǒng)，但是迄今還沒實現(xiàn)。如下所述，為了實現(xiàn)這一點，特別對于個別元件的尺寸和重量來說，以及對于當斷開/閉合斷路器4時所出現(xiàn)的過電流和過電壓來說，TL-RSC3的起動和關(guān)閉操作及/或其他特殊操作是有待解決的非常重要的問題。
首先，應(yīng)該考慮一種情況，即兩個交流電力系統(tǒng)1a、1b與輸電線2a、2b連接。這里，假定輸電線2a、2b意指數(shù)量級為400kV-500km這樣的長距離和高電壓輸電線。如周知，輸電線2a、2b至少由圖11所示的等效電路來描述。該等效電路由分布式恒定電路15來表示，其由內(nèi)電阻12a、12b，內(nèi)電感13a、13b和寄生電容14組成。一般地，寄生電容14主要存在于輸電線2a、2b與地GND之間。輸電線2a、2b由幾個分布式恒定電路15自由地劃分。
當輸電線2a、2b由斷路器4連接時，則大大超過標稱電流的過電流流過輸電線2a、2b。輸電線2a、2b的這種擾動是由內(nèi)電感13a、13b和寄生電容14所產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象的結(jié)果。如果在兩個交流電力系統(tǒng)1a、1b之間有大相位差，則擾動被放大。
過電流問題可以僅用圖10所示的元件部分地消除。在TL-RSC3與輸電線2a、2b串聯(lián)連接的情況下，過電流可能流過單相換流器7，或它可能對濾波電容器10充電。如果允許前種情況，則自消弧半導(dǎo)體5a至5d必須斷開，即吸收過電流，因為單相換流器7必須保護直流電容器8免于因過電流而充電到過電壓。因此，大電流容量自消弧半導(dǎo)體5a至5d是必要的。另一方面，如果允許后種情況而不用自消弧半導(dǎo)體5a至5d的斷開操作，則過電流替換地對濾波電容器10充電。單相換流器7可以操作為單相二極管整流器，以便過充電電壓對直流電容器8充電。如果過電壓必須抑制，則必須增加濾波電容器10和直流電容器8兩者的電容，這樣結(jié)果使元件尺寸大。因此，在這種現(xiàn)有技術(shù)TL-RSC中，大尺寸元件對解決過電流/過電壓問題來說是必要的。
此外，上述現(xiàn)有技術(shù)參考文獻敘述說，常規(guī)應(yīng)用建議當采用由幾個串聯(lián)連接的級聯(lián)TL-RSC單元CU1至CU3組成的多TL-RSC16時，能實現(xiàn)較大的可補償容量。各TL-RSC單元CU1至CU3具有如圖10所示相同的布置。這里，在單相換流器7中當TL-RSC單元CU1至CU3中的一個有故障時，則出現(xiàn)另一個問題。多TL-RSC16不應(yīng)容易地停止操作，因為它不僅要補償輸電系統(tǒng)，而且還要基本上把電力從一側(cè)交流電力系統(tǒng)1a(1b)輸送到另一側(cè)。因此，圖12所示的多TL-RSC16必須具有連續(xù)操作功能。這就要求即使單相換流器7有故障，它也不要完全停止操作，因為所有TL-RSC單元CU1至CU3與輸電線2a、2b串聯(lián)連接，并且有故障的單相換流器7必須繼續(xù)通過線電流。因此，必須有一種解決辦法，通過使有故障的單相換流器7的輸出端短路，以使所有自消弧半導(dǎo)體5a至5d保持接通狀態(tài)。
如上所述，在常規(guī)TL-RSC3能應(yīng)用于輸電系統(tǒng)之前，某些方面有待考慮。
首先，必須有較大容量自消弧半導(dǎo)體5a至5d，以允許過電流通過單相換流器7。
其次，必須有較大電容的濾波電容器10和/或直流電容器8，以允許大過電流流過濾波電容器10。這些先決條件要求較大尺寸和較昂貴的元件。因此，它們使TL-RSC3本身尺寸較大且較為昂貴。
第三，即使TL-RSC單元CU1、CU2、CU3內(nèi)的單相換流器7有故障，多TL-RSC16也必須具有連續(xù)操作功能。然而，由于常規(guī)多TL-RSC17要求單相換流器7即使故障也繼續(xù)通過線電流，所以有這樣故障的單相換流器7不必與輸電線2a、2b分開。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種補償設(shè)備及一種采用這樣的補償設(shè)備的輸電系統(tǒng)，其中在無變壓器無功串聯(lián)補償器中不必有大尺寸元件，以便處理其中的過電流和過電壓。
這個目的由一種補償設(shè)備來解決，該補償設(shè)備與輸電線串聯(lián)連接，并且至少包括一個具有無變壓器無功串聯(lián)補償器的補償器單元，其中所述至少一個補償器單元包括一個交流開關(guān)，它具有一個第一端和一個第二端，與其串聯(lián)補償器的輸出端連接。
此外，這個目的由一種輸電系統(tǒng)來解決，該輸電系統(tǒng)包括兩個交流電力系統(tǒng)，它們通過輸電線和插入輸電線中的斷路器相互連接，其中所述輸電系統(tǒng)采用一個或多個如上所述的補償設(shè)備。
按照本發(fā)明，一個可控交流開關(guān)與無變壓器串聯(lián)無功補償設(shè)備并聯(lián)連接，并且該交流開關(guān)的開合狀態(tài)可以控制。如果在發(fā)出起動指令或關(guān)閉指令之后正確地選擇控制交流開關(guān)的定時，則這個控制能夠使過電流不流過單相換流器，而流過與無變壓器無功串聯(lián)補償器的輸出端連接的交流開關(guān)。按照本發(fā)明的新型TL-RSC的優(yōu)點在于，由于能把流過輸電線的過電流從單相換流器旁通到交流開關(guān)，所以能減小單相換流器的額定電流。因此，實現(xiàn)更小且更緊湊的TL-RSC。
優(yōu)選地，所述至少一個補償器單元包括一個交流開關(guān)控制裝置，以在發(fā)出起動指令之后，大致在流過輸電線的線電流過零時斷開交流開關(guān)。優(yōu)點在于，由于交流開關(guān)在線電流過零時斷開(斷開狀態(tài))，所以在線電流從交流開關(guān)換向到單相換流器之后，無變壓器無功串聯(lián)補償器平滑地起動操作。
此外優(yōu)選地，交流開關(guān)控制裝置在發(fā)出關(guān)閉指令之后，大致在輸出端之間的交流開關(guān)電壓過零時接通交流開關(guān)(閉合狀態(tài))。優(yōu)點在于，由于交流開關(guān)在交流開關(guān)電壓過零時接通，所以在線電流從單相換流器換向到交流開關(guān)之后，無變壓器無功串聯(lián)補償器平滑地停止操作。按照上述兩個實施例的優(yōu)點還在于，由于可能用交流開關(guān)實現(xiàn)平滑起動和關(guān)閉操作，而沒有過剩電流和電壓反應(yīng)，所以能減小主要元件的額定電流和/或額定電壓。因此，實現(xiàn)這樣更小、更緊湊和更便宜的補償設(shè)備。
優(yōu)選地，交流開關(guān)由反并聯(lián)連接的可控硅整流器組成。優(yōu)點在于，交流開關(guān)在線電流過零時自動地(即非控制方式)斷開。優(yōu)點還在于，由于交流開關(guān)由可控硅整流器組成，所以能省去電流檢測器。因此，實現(xiàn)更便宜的TL-RSC。特別是，當交流開關(guān)由光觸發(fā)可控硅整流器組成時，還能省去用于門電路的巨大絕緣變壓器。因此，實現(xiàn)更小、更緊湊和更便宜的TL-RSC。
優(yōu)選地，補償設(shè)備包括幾個輸出端串聯(lián)連接的補償器單元，以及一個用來有選擇地控制個別補償器單元的相應(yīng)無變壓器無功串聯(lián)補償器的控制裝置。由于在這樣的串聯(lián)連接中，各補償器單元包括一個與無變壓器無功串聯(lián)補償器并聯(lián)連接的交流開關(guān)，所以優(yōu)點在于，即使單相換流器中的一個有故障，補償設(shè)備也能繼續(xù)保持操作。在這種情況下，交流開關(guān)可以由控制裝置接通，以便由交流開關(guān)旁通有故障的單相換流器的線電流。因此，有故障的單相換流器的交流開關(guān)可以優(yōu)選地由控制裝置選擇接通。優(yōu)點因此在于，即使某些TL-RSC單元有故障，由于連續(xù)操作控制器控制備有交流開關(guān)的各TL-RSC單元，所以多TL-RSC能無間斷地繼續(xù)操作。在修復(fù)故障TL-RSC單元之后，所修復(fù)的TL-RSC又能重新控制線電流。因此，實現(xiàn)更可靠的多TL-RSC。
優(yōu)選地，在上述串聯(lián)連接的補償器單元中，各補償器單元包括一個故障檢測裝置，用來檢測相應(yīng)串聯(lián)補償器的故障或正常操作，并對控制裝置發(fā)送對應(yīng)的故障檢測信號。優(yōu)點在于，控制裝置現(xiàn)在能檢測有多個單相換流器或串聯(lián)補償器有故障，并能對應(yīng)地操作它們的交流開關(guān)。
優(yōu)選地，在串聯(lián)連接的補償器單元中，單相換流器包括一個直流電容器，并且連續(xù)操作控制裝置包括一個直流電壓指令調(diào)節(jié)器，用來設(shè)置所述直流電容器的電壓指令。優(yōu)點在于，直流電壓指令調(diào)節(jié)器能按照故障條件調(diào)節(jié)直流電容器上的電壓指令，例如，直流電壓指令調(diào)節(jié)器可以按照故障無變壓器無功串聯(lián)補償器單元的個數(shù)來設(shè)置直流電容器的電壓指令。
為了實現(xiàn)直流電容器電壓的控制，直流電壓指令調(diào)節(jié)器優(yōu)選地包括一個故障單元計數(shù)器，一個直流電壓指令補償器和一個加法器。一個直流電壓控制裝置主要按照故障補償器單元的個數(shù)來調(diào)節(jié)單相換流器的直流電容器兩端之間的直流電壓。直流電容器的調(diào)節(jié)電壓可以與故障補償器單元的個數(shù)成正比。優(yōu)點還在于，即使某些TL-RSC有故障，由于直流電壓控制裝置調(diào)節(jié)直流電容器的電壓，所以多TL-RSC能繼續(xù)操作而不減小可補償容量。因此，實現(xiàn)更可靠的多TL-RSC。
優(yōu)選地，為了調(diào)節(jié)電流的大致過零和電壓的大致過零，補償器單元可以各包括一個電流檢測器和一個電壓檢測器。
本發(fā)明的其他有利實施例和改進列于從屬權(quán)利要求中。在下文，將參考其實施例及參考附圖敘述本發(fā)明。
圖1a表示按照本發(fā)明的補償器設(shè)備；圖1b表示按照本發(fā)明的控制交流開關(guān)的控制器；圖1c表示按照本發(fā)明的補償器單元的完整電路圖；圖2表示由自消弧半導(dǎo)體和二極管組成的交流開關(guān)的實施例；圖3表示按照本發(fā)明的補償器單元的起動和關(guān)閉操作過程的原理；圖4表示圖1c補償器單元的起動操作的詳細情況；圖5表示圖1c補償器單元的關(guān)閉操作的詳細情況；圖6表示按照本發(fā)明由可控硅整流器組成的交流開關(guān)的實施例；圖7a表示按照本發(fā)明的幾個串聯(lián)連接的補償器單元；圖7b表示圖7a補償器設(shè)備的詳細情況；圖8表示包括直流電壓指令調(diào)節(jié)器的控制裝置的方塊圖；圖9表示按照現(xiàn)有技術(shù)的補償器設(shè)備的應(yīng)用；圖10表示按照現(xiàn)有技術(shù)的無變壓器無功串聯(lián)補償器的布置；圖11表示輸電線的等效電路；以及圖12表示由幾個串聯(lián)連接的補償器單元組成的常規(guī)補償設(shè)備的布置。
在下文，參考實施例及參考附圖，敘述本發(fā)明人目前所發(fā)覺的本發(fā)明的最好方式。首先，參考圖1a、圖1b和圖1c，說明本發(fā)明的原理。
在圖1a中，與輸電線2a、2b串聯(lián)連接的補償設(shè)備至少包括一個補償器單元CU。如參考圖10已討論那樣，這個補償器單元包括一個無變壓器無功串聯(lián)補償器3。按照本發(fā)明，補償器單元包括一個交流開關(guān)18。交流開關(guān)18的第一和第二端18a、18b與無變壓器無功串聯(lián)補償器3的輸出端3a、3b連接。在交流電力系統(tǒng)1b與補償器單元CU之間的斷路器用標號4表示。雖然在圖1a中未示出，但是在實際應(yīng)用中，例如在輸電線的送端和受端，可以與輸電線串聯(lián)連接幾個斷路器。按照本發(fā)明，交流開關(guān)18可以是一個可控開關(guān)或一個自控開關(guān)。開關(guān)18與無變壓器無功串聯(lián)補償器(在下文也稱為TL-RSC)并聯(lián)連接，并且它具有起動和關(guān)閉操作過程，以便無過電流流過TL-RSC中的單相換流器7。主要是交流開關(guān)大致在流過輸電線的線電流過零時斷開。此外，如參考圖4和圖5將作進一步敘述那樣(圖4斷開操作；圖5接通操作)，交流開關(guān)18大致在輸出端3a、3b之間的交流開關(guān)電壓過零時接通。
圖1b表示如圖1a相同的布置，然而在圖1b中，交流開關(guān)不是自控開關(guān)，而是交流開關(guān)通過一個交流開關(guān)控制裝置21輸出的開關(guān)信號SW來控制?？刂蒲b置21從一個外部控制器接收起動指令或關(guān)閉指令22。圖3表示圖1b中電路操作的原理時間圖。應(yīng)該注意，準備交流開關(guān)控制裝置21是任選的，并且在交流開關(guān)為自控開關(guān)情況下可以省去。
如圖3所見，在時段0到tzc期間，交流開關(guān)最初保持在接通狀態(tài)，即交流開關(guān)閉合并與端3a、3b連接。然后發(fā)出一個起動指令，并且在檢測到線電流IL過零時(在閉合斷路器4之后)，交流開關(guān)18的狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，即非導(dǎo)電狀態(tài)。這可以由交流開關(guān)18的自控方式，或剛好在線電流IL過零時由交流開關(guān)控制器21發(fā)送開關(guān)信號SW的受控方式來完成。在時間t＞tzc時，線電流通過單相換流器。
在要求關(guān)閉操作的條件下，交流開關(guān)18的狀態(tài)在t＞tzv時，剛好在檢測到端3a、3b之間的電壓過零時，變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)(接通)。同樣，這可以由交流開關(guān)18的自控方式，或由交流開關(guān)控制裝置21發(fā)送適當?shù)拈_關(guān)信號SW來完成。
對于圖1a、圖1b所示的本發(fā)明TL-RSC，如圖3所述的起動和關(guān)閉操作以這樣方式允許過電流在適當定時通過無變壓器無功串聯(lián)補償器3，以便TL-RSC3的濾波電路11的電容器10不過度充電。
(第一實施例)圖1c表示TL-RSC3的一個實施例，它為圖1a、圖1b一般所示的補償器單元CU的一部分。補償器單元CU包括TL-TSC3，控制器21，交流開關(guān)1 8和濾波電路11。另外，在補償器單元CU的這個實施例中，設(shè)有分別檢測線電流IL和交流開關(guān)電壓VSW的電流檢測器19和電壓檢測器20。在圖1c實施例中，交流開關(guān)是由控制裝置21響應(yīng)檢測電流IL和檢測電壓VSW而輸出的開關(guān)信號SW所觸發(fā)的可控開關(guān)。TL-RSC的布置與參考圖10所表示和討論的布置對應(yīng)。
如圖1c實施例所見，交流開關(guān)與和濾波電容器10并聯(lián)的TL-RSC3的輸出端3a、3b連接。如所說明，19表示線電流的電流檢測器，20表示交流開關(guān)18電壓的電壓檢測器，以及21表示交流開關(guān)控制器。22表示把起動和關(guān)閉指令從上部控制器(在圖1a、圖1b、圖1c中未示出)傳送到交流開關(guān)控制器21的信號傳輸線。
圖1c所示的TL-RSC3的起動和關(guān)閉操作過程由圖3來說明。這里，假定單相換流器7的直流電容器8由一個圖1c中未示出的預(yù)充電電路預(yù)先充電到標稱電壓。
參考圖3和圖4，敘述起動操作過程。在起動之前，通過信號傳輸線對交流開關(guān)控制器21提供關(guān)閉指令22。于是，交流開關(guān)控制器21對交流開關(guān)18發(fā)送一個接通信號。在斷路器4閉合之后，線電流開始流過輸電線2a、2b。線電流包含圖11所示的內(nèi)電感13a、13b和寄生電容14所引起的過電流。過電流不流過單相換流器7，而流過交流開關(guān)18。在過電流可比較地衰減之后，通過信號傳輸線對交流開關(guān)控制器21提供TL-RSC3的起動指令22。其后，交流開關(guān)控制器21開始根據(jù)電流檢測器19來檢測線電流IL的過零。在檢測到過零的同時，交流開關(guān)控制器21對交流開關(guān)18發(fā)送一個斷開信號。于是，優(yōu)選地單相換流器7的輸出電壓被設(shè)置為零。
這種情況通過使TL-RSC3的輸出端3a、3b短路，以便使自消弧半導(dǎo)體5a和5c(或替換地5b和5d)同時接通而成為可能。當交流開關(guān)18斷開時，線電流IL從交流開關(guān)18換向到單相換流器7。最后，單相換流器7能按照圖1c中未示出的TL-RSC3的線電流IL控制器來控制線電流。
這里，對交流開關(guān)18為什么在線電流IL過零時斷開(即成為其斷開狀態(tài))的理由進行討論。一般地，電感電流不僅連續(xù)而且不間斷。對內(nèi)電感13a、13b情況亦相同。如果交流開關(guān)18在線電流IL不為零時斷開，則流過輸電線2a、2b的線電流必須通過濾波電抗器9a、9b變?yōu)榱飨騿蜗鄵Q流器7。然而，流向單相換流器7的電流由濾波電抗器9a、9b所限制，濾波電抗器按照高di/dt反應(yīng)產(chǎn)生高感應(yīng)電動勢。同時，為了保持電流連續(xù)，線電流對濾波電容器10充電。這些因用電流充電而引起的電壓表示單相換流器7的輸入電壓。因此，為了使電壓反應(yīng)最小，必須在線電流過零時斷開交流開關(guān)18，因為只有在那時才將不會有附加充電，并且因此無附加電壓輸入單相換流器7。
然而，通常在實際應(yīng)用中，因為電流檢測器19的輸出或多或少地包含噪聲，所以太難以發(fā)現(xiàn)線電流的精確過零。因此，通過設(shè)置一個閾值電位來發(fā)現(xiàn)接近零條件，從線電流IL具有旁路以保持連續(xù)性的觀點來看，優(yōu)選地在交流開關(guān)18斷開之前，使單相換流器7的輸出端7a、7b短路。
參考圖3和圖5，敘述關(guān)閉操作過程。通過信號傳輸線對交流開關(guān)控制器21提供TL-RSC3的關(guān)閉指令22。其后，交流開關(guān)控制器21開始根據(jù)電壓檢測器22來檢測交流開關(guān)18電壓的過零。在檢測到過零的同時，交流開關(guān)控制器21對交流開關(guān)18發(fā)送接通信號SW。于是，優(yōu)選地使單相換流器7的輸出電壓設(shè)置為零。按照使TL-RSC3的輸出端3a、3b短路，以便使自消弧半導(dǎo)體5a和5c(或替換地5b和5d)同時接通，這種情況成為可能。當交流開關(guān)18接通時，線電流IL從單相換流器7換向到交流開關(guān)18。濾波電抗器9a、9b內(nèi)的殘余能量通過單相換流器7和交流開關(guān)18循環(huán)而被消耗。最后，單相換流器7能與輸電線2a、2b分開。于是斷路器4能在任何期望的時候斷開。
參考圖5，具體討論為什么交流開關(guān)應(yīng)該在交流開關(guān)18電壓過零時接通的理由。如果交流開關(guān)18在電壓不為零時接通，則必定使濾波電容器10短路，并且大放電電流從濾波電容器10流向交流開關(guān)18。放電電流通過增加交流開關(guān)18兩端之間的外加電壓而被放大，這樣意味對交流開關(guān)18有附加電流反應(yīng)。因此，為了使電流反應(yīng)最小，交流開關(guān)18必須在外加電壓過零時接通。然而通常在實際應(yīng)用中，因為電壓檢測器20的輸出或多或少地包含噪聲，所以太難以發(fā)現(xiàn)外加電壓的精確過零。因此，優(yōu)選地通過設(shè)置一個閾值電位來發(fā)現(xiàn)接近零條件。從預(yù)先減小外加電壓的觀點來看，優(yōu)選地在交流開關(guān)18接通之前，使單相換流器7的輸出端7a、7b短路。
圖4表示起動操作，而圖5表示關(guān)閉操作。從各圖上部開始，第一波形是線電流波形IL，第二波形是交流開關(guān)18電流波形ISW，第三波形是單相換流器7電流波形IINV，以及第四波形是交流開關(guān)18電壓波形。如圖4所示，在起動時，交流開關(guān)18在線電流IL過零時斷開(斷開狀態(tài))，并且線電流從交流開關(guān)18換向到單相換流器7。于是，在單相換流器7電流波形中不存在過電流，并且在交流開關(guān)18電壓波形中不存在過電壓。此外如圖5所示，在關(guān)閉時，交流開關(guān)18在交流開關(guān)18電壓VSW過零時接通。于是，在交流開關(guān)18電流波形ISW中不存在過電流。因此，本發(fā)明的這個實施例能實現(xiàn)TL-RSC3的平滑起動和關(guān)閉。
(第二實施例)圖2表示由自消弧半導(dǎo)體23a、23b組成的交流開關(guān)18的一個實施例。一般地，大容量自消弧半導(dǎo)體無高反向電壓阻塞特性。然而，在交流開關(guān)18兩端之間外加高交流電壓。如圖2所示，一方面，因為有與自消弧半導(dǎo)體23a、23b串聯(lián)連接的輔助二極管24a、24b，所以交流開關(guān)18能有高反向電壓阻塞特性。另一方面，交流電流應(yīng)該通過交流開關(guān)18。于是，如圖2所示，一個由自消弧半導(dǎo)體23a和輔助二極管24a組成的串聯(lián)連接塊與另一個由自消弧半導(dǎo)體23b和輔助二極管24b組成的塊反并聯(lián)連接，以便能使交流電流通過。
(第三實施例)如圖2所示，在交流開關(guān)18由自消弧半導(dǎo)體23a、23b和輔助二極管24a、24b組成的情況下，電流檢測器19和電壓檢測器20是必要的。
但是按照本發(fā)明的補償器單元CU的另一個實施例不要求電流檢測器19。圖6表示由兩個反并聯(lián)連接的可控硅整流器25a、25b組成的交流開關(guān)18的實施例。一般地，可控硅整流器能選擇接通時間，但是它不能選擇斷開時間。如果在可控硅整流器傳導(dǎo)電流時消去可控硅整流器的接通信號，則可控硅整流器在傳導(dǎo)電流等于零時自動地斷開。當交流開關(guān)控制器21消去接通信號時，則由于可控硅整流器的斷開特性，圖6中的交流開關(guān)18在線電流IL過零時自動地斷開。于是，在TL-RSC3備有圖6所示的交流開關(guān)18情況下，不再必需電流檢測器19。這就是以上稱為的自控交流開關(guān)。
另外，優(yōu)選地可控硅整流器25a、25b的這些實施例不是電觸發(fā)可控硅整流器，而是光觸發(fā)可控硅整流器。理由是，在正常操作期間，TL-RSC3必須相對地電勢GND浮置，并且可控硅整流器25a、25b的門電路亦必須與地電勢絕緣。一方面，如果使用電觸發(fā)可控硅整流器，則必需巨大的絕緣變壓器，以使門電路與地電勢絕緣。另一方面，如果使用光觸發(fā)可控硅整流器，則能省去絕緣變壓器。
(第四實施例)圖7a表示按照本發(fā)明的補償器設(shè)備的另一個實施例，它包括多個按照本發(fā)明的補償器單元CU1、CU2、CU3?？刂蒲b置27通過對相應(yīng)控制裝置21a、21b、21c發(fā)送一個選擇指令信號22a、22b、22c，有選擇地控制補償器單元CU1、CU2、CU3。各補償器單元CU1、CU2、CU3包括一個故障檢測裝置FDM，用來檢測相應(yīng)串聯(lián)補償器(TL-RSC)26a、26b、26c的正常操作的故障。各串聯(lián)補償器26a、26b、26c具有一個交流開關(guān)18a、18b、18c，如圖1c一般所示并聯(lián)連接。
一般地，在圖7a中，控制裝置27對一個其故障檢測裝置FDM已發(fā)出故障檢測信號FS的補償器單元，例如CU1的交流開關(guān)控制裝置21發(fā)送一個關(guān)閉指令22a，于是所述交流開關(guān)控制裝置21接通相應(yīng)的交流開關(guān)，然后使相應(yīng)的單相換流器7與輸出端3a、3b分開。
圖7b表示一個補償器設(shè)備17的更具體的電路圖，該補償器設(shè)備17由包括多個串聯(lián)補償器26a、26b、26c的幾個補償器單元CU1、CU2、CU3組成。設(shè)置三個相同補償器單元CU1、CU2、CU3的理由如下。即TLS-RSC3必須有比較大的可補償容量。然而，自消弧半導(dǎo)體5a至5d的額定電壓和額定電流有限制。因此，為了達到期望的可補償容量，優(yōu)選地本發(fā)明補償器設(shè)備17由幾個如圖7b所示串聯(lián)連接的補償器單元CU1、CU2、CU3組成。在該說明例中，連續(xù)操作控制器27接收各補償器單元CU1、CU2、CU3的狀態(tài)，并對各補償器單元CU1、CU2、CU3輸出起動或關(guān)閉指令22，而為機械開關(guān)的開關(guān)28aa、28ba通過濾波電路11a，使換流器7a與輸出端3a、3b連接或斷開。當然，上述起動和關(guān)閉操作過程同樣無需改變就可適用于各補償器單元CU1、CU2、CU3。
有兩種怎樣使交流開關(guān)18與多TL-RSC17連接的可能實施例。它們中的一個實施例是在多TL-RSC17兩端之間僅共連一個交流開關(guān)18。另一個實施例是對各補償器單元CU1、CU2、CU3連接一個交流開關(guān)18，如圖7b所示。以下討論按照圖7a、圖7b(意指后一個實施例)的多TL-RSC17的連續(xù)操作。
因為其與輸電線2a、2b串聯(lián)連接，所以多TL-RSC17必須盡可能無間斷地連續(xù)操作。即使TL-RSC 26a至26c中的某些有故障，多TL-RSC 17也應(yīng)該繼續(xù)操作。這里，假定TL-RSC 26a在正常操作期間有故障。在故障之前，線電流IL流過單相換流器7a-7b-7c。
當故障發(fā)生時，單相換流器7a的故障檢測裝置FDM對連續(xù)操作控制器27發(fā)送一個故障信號FS，并且連續(xù)操作控制器27對TL-RSC 26a內(nèi)的交流開關(guān)控制器21a提供關(guān)閉指令22a。按照關(guān)閉指令22a，如參考圖3所討論，在交流開關(guān)18a電壓過零時由交流開關(guān)控制器21a接通交流開關(guān)18a。于是，流過單相換流器7a的線電流IL換向到交流開關(guān)18a，并且線電流IL流過CU1的交流開關(guān)18a及流過CU2、CU3的單相換流器7b-7c。因此，線電流IL仍能由TL-RSC 26b、26c來控制，并且多TL-RSC 17亦能繼續(xù)控制線電流IL。
此外，在流過單相換流器7a的全部電流由交流開關(guān)18a旁通之后，通過控制開關(guān)28aa、28ba，能使單相換流器7a與輸電線2a、2b分開，并且能對它進行修復(fù)。在修復(fù)之后，單相換流器7a能與輸電線2a、2b重新連接(當然那時通過執(zhí)行如圖3和圖4所示的起動序列)。因此，當冗余設(shè)計應(yīng)用于TL-RSC 26a至26c時，多TL-RSC 17能以較高可靠性連續(xù)操作。
(第五實施例)當單相換流器7a由交流開關(guān)18a與輸電線2a、2b分開時，多TL-RSC的可補償容量減小。在這種情況下，線電流控制器(圖7a、圖7b中未示出)可以執(zhí)行控制，以便提高單相換流器7b、7c的輸出電壓。然而，輸出電壓與直流電容器8b、8c的電壓成正比。通常電壓由圖7a、圖7b中未示出的直流電壓控制器保持恒定，以便絕對限制可補償容量。
按照本發(fā)明的新型多TL-RSC 17的另一個實施例實現(xiàn)可補償容量不減小。圖8表示直流電壓指令調(diào)節(jié)器29的一個實施例，它在控制裝置27中對補償器單元CU1、CU2、CU3分別設(shè)置。30表示一個對有故障的TL-RSC 26(即26a、26b、26c)的個數(shù)進行計數(shù)的故障單元計數(shù)器。計數(shù)器30能根據(jù)故障檢測裝置FDM的FS信號進行計數(shù)。31表示直流電壓指令補償器，32表示加法器，以及33表示控制直流電容器8a至8c(見圖7b)的電壓的直流電壓控制器。
這里，Vdc表示TL-RSC單元26a至26c中無任何故障的直流電壓指令。Vdc由控制裝置27中的恒定電壓源發(fā)出。在無任何故障情況下，加法器32的輸出為Vdc，并且直流電壓指令調(diào)節(jié)器29的直流電壓指令為Vdc。在n個TL-RSC單元中的x個單元有故障情況下，加法器32將輸出變?yōu)閂dc+x·Vdc/(n-x)。輸出由直流電壓指令調(diào)節(jié)器29的新指令來替代。按照新指令，穩(wěn)定TL-RSC 26內(nèi)的直流電容器8的電壓由直流電壓控制器33提高，以便補償有故障的TL-RSC 26的輸出電壓。因此，即使某些TL-RSC 26有故障，多TL-RSC 17也能繼續(xù)操作而不減小可補償容量。
這里，假定x意指故障TL-RSC單元26的個數(shù)。然而，如圖7a、圖7b所示的這樣多個布置通常用一個冗余來設(shè)計。于是，適用于x的最大個數(shù)限于1。
(第六實施例)圖2和圖6僅說明本發(fā)明的交流開關(guān)18的基本實施例。在實際應(yīng)用中，可以優(yōu)選地使用附加保護電路。某些常規(guī)保護是有用的。例如，可以用陽極電抗器來限制交流開關(guān)18接通時的di/dt，用緩沖電路來限制交流開關(guān)18斷開時的dV/dt。與直流電容器8的電壓成正比，可以想得到，可控硅整流器25由一些串聯(lián)連接的可控硅整流器，即可控硅整流閥組成。直流電壓指令補償器31可以備有一個輸出最大值的限制器和/或一個輸出上升的限制器。
本發(fā)明不限于上述實施例，這些實施例是目前發(fā)現(xiàn)的本發(fā)明的最好方式，并且它們僅用作本發(fā)明原理的一般說明。如附加權(quán)利要求所限定，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，還可以用其他以上未作敘述的實施例來實現(xiàn)按照本發(fā)明的補償設(shè)備。特別是，補償設(shè)備能包括由權(quán)利要求的各個單項特征的組合所形成的特征。
權(quán)利要求
1．一種補償設(shè)備，至少包括一個具有無變壓器無功串聯(lián)補償器的補償器單元，其特征在于所述補償器單元包括一個交流開關(guān)，與其串聯(lián)補償器的輸出端連接。
2．一種按照權(quán)利要求1的補償設(shè)備，其中所述補償器單元還包括一個交流開關(guān)控制裝置，以在流過所述交流開關(guān)的線電流過零時斷開所述交流開關(guān)。
3．一種按照權(quán)利要求1的補償設(shè)備，其中所述補償器單元還包括一個交流開關(guān)控制裝置，以在所述輸出端之間的交流開關(guān)電壓過零時接通所述交流開關(guān)。
4．一種按照權(quán)利要求1的補償設(shè)備，其中所述交流開關(guān)包括至少兩個反并聯(lián)連接的可控硅整流器，
5．一種按照權(quán)利要求1的補償設(shè)備，其中所述串聯(lián)補償器包括一個單相換流器，與所述輸出端連接。
6．一種按照權(quán)利要求5的補償設(shè)備，其中所述單相換流器通過一個濾波電路與所述輸出端連接。
7．一種按照權(quán)利要求1的補償設(shè)備，其中多個補償器單元在所述串聯(lián)補償器的輸出端串聯(lián)連接，并且該設(shè)備還包括一個連續(xù)操作控制裝置，以有選擇地控制其串聯(lián)補償器。
8．一種按照權(quán)利要求7的補償設(shè)備，其中所述補償器單元包括一個故障檢測裝置，以檢測一個相應(yīng)串聯(lián)補償器的正常操作的故障，并對所述連續(xù)操作控制裝置發(fā)送一個故障檢測信號。
9．一種按照權(quán)利要求8的補償設(shè)備，其中所述補償器單元還包括一個交流開關(guān)控制裝置，以在所述輸出端之間的交流開關(guān)電壓過零時接通所述交流開關(guān)，所述串聯(lián)補償器包括一個單相換流器，與所述輸出端連接，所述連續(xù)操作控制裝置對其故障檢測裝置已發(fā)出故障檢測信號的補償器單元的交流開關(guān)控制裝置發(fā)送一個關(guān)閉指令，于是所述交流開關(guān)控制裝置接通相應(yīng)交流開關(guān)，然后通過斷開在所述單相換流器與所述輸出端之間設(shè)置的開關(guān)，使相應(yīng)單相換流器與輸出端分開。
10．一種按照權(quán)利要求7的補償設(shè)備，其中所述串聯(lián)補償器包括一個單相換流器，與所述輸出端連接，該單相換流器包括一個直流電容器，所述連續(xù)操作控制裝置包括一個直流電壓指令調(diào)節(jié)器裝置，以設(shè)置所述直流電容器的電壓。
11．一種按照權(quán)利要求10的補償設(shè)備，其中所述補償器單元包括一個故障檢測裝置，以檢測一個相應(yīng)串聯(lián)補償器的正常操作的故障，并對所述連續(xù)操作控制裝置發(fā)送一個故障檢測信號，所述直流電壓指令調(diào)節(jié)器裝置包括一個故障計數(shù)器，以根據(jù)相應(yīng)故障檢測信號對已故障的串聯(lián)補償器的個數(shù)計數(shù)，其中所述直流電壓指令調(diào)節(jié)器裝置對應(yīng)于故障補償器的個數(shù)，設(shè)置所述直流電容器兩端之間的直流電壓。
12．一種按照權(quán)利要求11的補償設(shè)備，其中所述直流電壓指令調(diào)節(jié)器裝置還包括一個直流電壓指令補償器裝置，以接收由所述故障計數(shù)器計數(shù)的故障串聯(lián)補償器的個數(shù)作為輸入，并輸出與故障串聯(lián)補償器的個數(shù)相對應(yīng)的直流電壓補償指令；以及一個加法器，以把一個預(yù)置直流電壓指令與所述直流電壓補償指令相加，并對一個直流電壓控制裝置輸出按照故障個數(shù)補償?shù)闹绷麟妷褐噶睢?br> 13．一種按照權(quán)利要求12的補償設(shè)備，其中所述直流電壓指令補償器裝置輸出一個輸出電壓x·Vdc/(n-x)，其中x是故障串聯(lián)補償器的個數(shù)，n是串聯(lián)補償器的總數(shù)，Vdc是預(yù)定直流電壓指令，所述加法器意為把所述輸出電壓與所述預(yù)定直流電壓指令相加。
14．一種按照權(quán)利要求2的補償設(shè)備，其中所述補償器單元包括一個電流檢測器裝置，與所述交流開關(guān)控制裝置連接，并檢測流向輸出端的線電流。
15．一種按照權(quán)利要求3的補償設(shè)備，其中所述補償器單元包括一個電壓檢測器裝置，與所述交流開關(guān)控制裝置連接，并檢測輸出端之間的電壓。
16．一種按照權(quán)利要求6的補償設(shè)備，其中所述濾波電路包括一個電容器，串聯(lián)連接在所述輸出端之間；以及兩個電抗器，分別連接在一個相應(yīng)輸出端與所述單相換流器之間，其中所述交流開關(guān)與所述濾波電路的所述電容器并聯(lián)連接。
17．一種按照權(quán)利要求5的補償設(shè)備，其中所述單相換流器包括多個自消弧半導(dǎo)體二極管；以及多個續(xù)流二極管。
18．一種輸電系統(tǒng)，包括兩個交流電力系統(tǒng)，通過輸電線相互連接；以及一個或多個按照權(quán)利要求1至17中一個或多個的補償設(shè)備，插入所述輸電線之中。
19．一種按照權(quán)利要求18的輸電系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)還包括至少一個斷路器，插入輸電線之中。
全文摘要
一種補償器設(shè)備,它與輸電線串聯(lián)連接,并且包括至少一個具有無變壓器無功串聯(lián)補償器的補償器單元,所述補償器單元包括一個交流開關(guān),與其串聯(lián)補償器的輸出端連接。本發(fā)明還涉及這樣的補償設(shè)備,它包括多個補償器單元,以其輸出端串聯(lián)連接,以及一個連續(xù)操作控制裝置,以有選擇地控制其串聯(lián)補償器。應(yīng)用按照本發(fā)明的這樣補償設(shè)備,特別能用交流開關(guān)來防止無變壓器無功串聯(lián)補償器過電流,并且能使補償設(shè)備的主要元件小而緊湊。
文檔編號H02J3/18GK1232310SQ9812253
公開日1999年10月20日 申請日期1998年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月15日
發(fā)明者岡山秀夫 申請人:三菱電機株式會社