专利名称：交流传输网中用于控制电力潮流的电感调节器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于控制多相电传输网的电压振幅和/或相角的电感调节 器，该电传输网表现出具有初级电压的初级侧和具有可控的次级电压的次 级侧，该电感调节器连接在传输网的初级侧和次级侧之间，包括具有定子 绕组和定子极的定子及具有转子绕组和转子极的转子。本发明还涉及利用电感调节器来控制高电压的多相传输网的电压和 相角的方法。本发明还涉及利用电感调节器对高电压的多相传输网的电力潮流(powerflow)进行控制。
技术背景根据下述等式来控制AC (交流)网络中的有效电力潮流 其中Ui和U2分别是网络发射端和接收端的电压。线路电抗是X, 6是电压之间的角度。在网络中需要控制电力潮流的一个原因是为了能够从产生(发电机) 到消耗(负栽)尽可能地使用传送系统(网络)。这意味着可以更多地使 用具有低产生成本的发电机。如果在网络中发生未预见的事件，那么就需 要对发电机进行关于产生成本的非优化方式的设计。由于网络中的可控 性，从而能够以低消耗方式产生电。众所周知，可以通过下列多种方式影响网络中的有效电力潮流-减少或增加电压振幅；-通过增加串联电容器来改变电抗；—使用相移变压器来改变角度3;-根据上述方法增加并联电压和串联电压，通常称为UPFC、 SSSC、 FACTS或类似的首字母缩写词；-使用电感调节器。当通过减小或增加电压振幅来影响有效电力潮流时，由于最大允许的电压电平(通常±5%)和最好在高电压电平下运行以减少网络中的损耗的 情况，因此减小或增加电压振幅以改变电压的控制范围是有限的.当通过使用串联电容器来影响有效电力潮流时，仅能将电抗减少到 一定水平，且由于在实际中不可能过度补偿线路，则不可能不考虑线路状 态而施加电流。另一方面，移相器能够控制电力潮流，并通过在其端子之间引入相移而施加^^r电^危。upfc (统一潮流控制器)利用电力电子器件在并联连接和串联连接 的变压器之间传输电力。通过适当控制，有可能在装置的额定功率下获得任选的输出电压。现有的upfc的缺点主要是难于保护在串联变压器侧的电力电子器件。也存在关于网点是否真的需要在振幅和相位两方面的完 全可控性的讨论。有些网点需要更多电压控制，而其它网点需要更多角度 控制，以便于以优化方式使用系统。在需要非常精确且连续的电压控制的实验室和其它地点使用用于控制电压和角度的电感调节器。目前，基本上将电感调节器当作涉及电压和 功率的小单位使用。在较早的使用领域也是对发电机进行电压控制，其中 通过电感调节器可以对机器转子上的励磁绕组进行馈送。但是现在使用电 力电子器件作为实现该目的的主要部分。电感调节器是异步机器，其并不作为电动机运行，而是具有固定的转 子，其中转子可以以某一角度方向旋转以控制电压。该控制依赖于转子的机械运动来将特定量的流从一个相位联接到另 一个相位。旋转转子所需要的电力与通过该转子的电力成比例。控制速度 低，且需要很大的M力以获得输出电压的緩慢改变。在电感调节器中， 电压和振幅都发生改变。在这种情况下，输出电压遵循一种循环。电感调 节器的缺点是当角度s改变时，电压振幅也改变。根据本方法，电力线路上的电力潮流基本上通过两种不同方式来控制。一类部件在相位之间传送电力，另一类部件仅影响特定相位的阻抗。第一类部件包括相移变压器、hvdc和upfc。第二类部件主要包括其他种类的FACTS和串联电容器。第一类部件具有相当大的优势，由于其能够主动控制电力潮流而不过 多依赖于周围的交流系统。第二类部件依赖于交流网络的其他阻抗，且可 能仅在某种程度上影响电力潮流。根据第一类部件的设备能够在几乎独立 于负栽状态的最小和最大范围内控制电力潮流，而^fL据第二类部件的控制 设备不能总是满足这种要求。在例如"TRANSFORMERS for Single and Multiphase Currents" by Gisbert Kapp， London Sir Isaac Pitman & Sons, LTD, 1925(pp. 274-283)， 的文献中描述了电感调节器的基本原理。也可以从GB 400.100和GB 549,536中了解电感调节器。电感调节器可以是单相或多相，但本发明涉及多相电感调节器，优选 地涉及三相电感调节器。以下描述三相电感调节器的操作模式。当希望获得电压矢量的连续旋 转，即电压相角的连续改变时，使用电感调节器。使转子固定，但该转子 被设置为可以相对于定子旋转过特定角度。通过蜗轮进行适当的机械转 旋。当转子固定时，转子侧的RMF矢量的方向依赖于转子相对于定子的 位置。如果机器从定子侧激励，则在这种情况下，在定子绕组中感生的电 压和转子绕组中感生的电压之间存在相位一致性，其中定子和转子的绕组 相位被设置为彼jM目反，但是当转子在感应通量的旋转方向上向前旋转一 定的电角度(1^巨=180电角度)a时，则对应于时间角的次级电压矢量 在时间上被移位(在相位上滞后)。如果转子以相反方向旋转，那么与前 一情况相比，次级电压的矢量将具有符号相反的相角。电感调节器的缺点是，控制的可能性被限制于次级电压矢量所达到的 电压改变，并且这同时改变电压的相角。由于角度旋转产生电压的改变， 这导致线路和装置并联连接的困难以及因此产生的循环的电抗效应。根据第一方面，本发明提供一种改进的电感调节器，用于在高压交流 多相传输网中控制电力潮流。根据第二方面，本发明提供一种利用电感调节器来控制此类高电压的多相传输网的电压和相角的方法。根据第三方面，本发明提供对电感调节器的使用，以对此类高电压的 多相传输网的电压和相角进行改进的控制。发明内容根据本发明的第一方面，如权利要求l所述，提供了一种用于控制多 相电传输网的电压和相角的电感调节器。在接下来的从属权利要求2-15中清楚揭示了根据该第一方面的本发 明的适当实施例。根据本发明的第二方面，如权利要求16所述，提供了一种控制电压 和相角的方法。在接下来的从属权利要求17-18中清楚揭示了根据该第二方面的本发 明的适当实施例.根据本发明的第三方面，如权利要求19所示，提供了对三相传输网 电力潮流进行控制的使用。根据本发明，通过影响定子极和转子极之间的容积(volume)中的 磁通量区域，可以控制该容积的磁通量，这意味着可以控制次级电压矢量 的振幅，且不发生转子的M旋转。从而通过包括可控磁通量区域的容积 可以实现电感调节器的控制功能。在下文中，虽然根据本发明的转子不可移动而是相对于定子固定的， 但仍使用转子和转子极的概念。进行此设计的原因是便于与现有技术中的 电感调节器进行比较。通过改变容积中 一个或多个磁区域的温度来对该容积中的磁通量进 行控制，由此各区域包括一种材料，该材料提供了相对磁导率关于温度变 化的相当大的变化。根据本发明的实施例，已经证明了元素钆(Gd)是 特别适用于磁区域的材料。这基于对钆的认识4L是一种铁磁体材料，具 有独特的特性，它的居里温度^f氐，实际上为292。K，对应于19。C。居里温 度是一个极限温度，在此温度之上，铁磁体材料表现出正常的顺磁性特性. 这意味着当钆的温度围绕居里温^JL生变化时，钆的磁导率也变化。因此 可以了解到，对于钆，在温度围绕室温以及高于室温变化时，磁导率是可 以控制的。钆的特有特性是在磁导率上的较大变化，在居里点之上的间隔 中的小的温度变化也会引这种磁导率上的变化。例如，在温度从20匸变 到40*0时，相对磁导率在大小上可能从约1000变化到1。钆属于稀土金属，在几种矿石中存在，但在自然界中并不游离存在。
在下面将仅以实例方式描述本发明的具体实施例，通过结合附图对其进行更详细的描述，其中图1示意性地示出了现有技术中电感调节器和三相网络的连接；图2a-d示出了输出控制电压，其作为在电感调节器的不同转子位置 处的输入电压矢量和次级电压矢量的矢量和；图3示意性地示出了祁》据本发明实施例的电感调节器；图4a-d分别示意性地示出了在各层和各段中的容积的建立；图5示意性地详细示出了根据本发明实施例的电感调节器中的定子 和转子之间的容积以及控制装置；图6示意性地示出了怎样控制本发明实施例的控制范围；图7以图表形式分别示出了一些稀土金属随绝对温度变化时的铁磁 体居里点和尼尔(Neel)点。
具体实施方式
在以下的描述和附图中，本发明仅以实例的方式说明了对于具有三相 r、 s、 t的三相网络的控制，因为三相配电网在实际中最常用，然而本发 明的实施例也适用于具有不同相位数目的多相网络。在图1中，1表示通过具有三相3r、 3s和3t的三相网络连接到用电 设备2的电流源，该网络示出了初级侧3和次级侧4。在电流源和用电设 备之间连接有电感调节器5。在电流源1和电感调节器5之间，网络中的 相电压Ea是可变的，而电感调节器和用电设备之间的网络的相电压En 保持为常数。电感调节器有三个定子绕组6r、 6s和6t，以及三个转子绕 组7r、 7s和7t。各定子绕组具有连接到网络的初级侧3的初级连接端8， 和连接到网络的次级侧4的次级连接端9。在各次^Jl:接端9处，各定子 绕组连接到各转子绕组7 (r、 s、 t)。这些转子绕组在其第二连接端依次 与其它转子绕组互连。定子绕组和转子绕组之间感生的电压AE矢量叠加到初级电压Ea上 以形成次级电压En。在定子绕组和转子绕组祐i殳置成正好面对彼此的情况下，定子绕组中感生的电压和转子绕组中感生的电压之间存在相位一致性；但是如果转子从该位置旋转，那么次级电压矢量可以祝賊予关于对应 的初级矢量的任意位置，包括在初级矢量之前和之后。图2a-d说明了如何将次级电压矢量AE加到初级电压Ea上以形成次 级电压En。在图2a中，Ea具有最低值，且与AE —起形成电压矢量En。 如图2b所清楚显示的，如^目电压Ea增加，转子的位置一定会移位， 从而AE的相位位置被移位，使得Ea和AE的和仍然是恒定值En。当 Ea位于其最大值时(图2c)，转子一定被移位到相对于图2a的180度的 电角度，而AE被引导至与Ea相反的方向。当转子被移位到其它方向，AE 将具有相反方向，这在图2e中清楚地显示。从以上所述可以清楚了解，传统电感调节器的控制范围理论上是 土AE。这个大小基本上依赖于定子绕组和转子绕组中感生的磁通量，以及定 子极和转子;feL之间的气隙中的相对磁导率。在图3中示意性示出了为在转子没有任何机械转动的情况下实现控 制的本发明实施例的电感调节器。在此，具有三相3r、 3s和3t的三相网络的初级侧通过它们的各初级 连接端8连接到各定子绕组6r、 6s和6t，并通过次级连接端9连接到各 次级侧。ll表示定子极。10表示具有转子绕组7的固定转子。12表示转 子极。容积14位于定子极和转子;feL之间。转子和转子极关于定子和定子 极固定。为了清楚，图中仅显示了各相位的一对极，而实际上极对的数目可以 更高(等于相位数的倍数)。电子线路13将各定子绕组的次级连接端9连接到相关的转子绕组7。 转子绕组以其各自的次级连接端15被互连到公共中性点16。为提供电感调节器的控制，容积14基本上包括一个或多个磁区域， 该磁区域具有依赖于温度的相对磁导率，由此通过控制其温度来影响各区 域的相对磁导率以控制次级电压矢量AE的大小和方向。根据一个实施例，如图4a-4d所清楚显示的，容积中的磁区域被划分 为多个层或段。在图4a中，容积14被划分为多个层17，这些层被设置在基本平行于极的端平面的平面中。通道22被设置为使介质循环通过各层以个别地 控制各层的温度。在图4b中，容积14被划分为多个层17，这些层被设置在^垂直 于极的端平面的平面中。在此，通道22同样被设置为使介质循环通过这 些层以个别地控制各层的温度。在图4c中，容积14划分为多个段23，其在横截面中形成二维矩阵。 在此，通道22被设置为使介质循环通过各段以个别地控制各段的温度。在图4d中，段23被依次划分为子段24，形成三维矩阵。在此，通 道22同样被设置为使介质循环通过个各段，并个别地控制各子段的温度， 各子段需要额外的供热装置25。这些装置由设置在各子段中间的发热单 元25组成，从而通过流经通道22的介质来进行个别的温度控制，确保整 个段的公共最低温度，而发热单元将各子段的温度升高到所需水平。根据一个实施例，磁层包括元素釓，其呈现出相对磁导率极大程度地 依赖于温度的特性。例如，如果将温度控制在20'C-40'C之间，则相对磁 导率将在1000到1之间变化。本发明的实施例使得一种^Mt模式变为可能，即可以在不影响电压和 电流之间的相角的情况下进行控制，或通过在改变相电压En的相角和振 幅之间进行适当选择而进行控制。应当理解，这提供了很大的操作优点， 因为根据这种操作模式，有可能选择线性地控制电压或用电抗分量来控制 电压以获得所需的相位补偿。根据一个实施例，层17包括钆，掺杂有影响晶格结构的物质，和/ 或掺杂有在本质上影响材料中的磁耦合的物质，以便于影响其磁相位转换 的温度。用于掺杂的物质适宜属于稀土金属群中的一种或多种物质，稀土 金属群例如为La、 Ce、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu。图5进一步示意性示出了用于控制磁层或各段温度的设备18-20。在此，由箭头10来示意性地指示固定转子，由箭头11来指示具有定 子极的相应定子。通过馈给线20a，包含气体或液体介质的两个容器18、 19被提供有适于通过通道22使气体或液体介质循环通过容积14的磁层 或^^段的混合阀21和返回线20b。气体或液体存储在两个容器18、 19中， 一个温度高，例如70。C， 一 个温度低，例如20'C。通过混合岡，所需温度的气体或液体被提供到容积中的各层或各段。根据该^Mt模式，分别用于加热/冷却的装置(未示出)也被适当地 设置以使循环的液体介质在各容器中。同样应意识到，容器和相关导管及 阀的数目可以以合适方式改变，以满足可控性要求。在图6中示意性地清楚揭示了如何通过本发明实施例对控制范围进 行扩展，图6中将受控电压显示为输入电压Ea和次级电压矢量AE的矢 量和。在A处，磁容积具有最低的相对磁导率，这发生在温度最高时， 而在B处，该容积达到其最高相对磁导率，il^生在当该容积在温度控 制的间隔中具有最低温度时.通过分别个别地控制容积的各层和各段的相对磁导率，可以实现磁通 量关于相对的极的中心线的移位。在图6中示出了所实现的控制范围。实 际上，本发明的实施例实现的相移类似于当在传统电感调节器中旋转转子 所实现的相移。图7以图表形式示出了一些稀土元素的磁性居里温度。Y轴表示绝对 温度(。K);根据4f数目的电子数，在X轴描述了属于稀土元素的元素。 这些元素是La、 Ce、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gb、 Tb、 Dv、 Ho、 Er、 Tm、 Yb和Lu。标注NP的曲线示出了 Neel温度，标注FCP的曲线示 出了这些材料的铁磁体居里温度。该图表示出了釓是这些物质中具有最高 居里温度的物质，即大约为室温。根据本发明的实施例，首先对设备进ei殳计来控制高电压的三相传输 网，即具有提供基本连续地电力传送而不^1信息传送的可能性的工作电压 的网络。实际上，本发明的实施例可用于高于lkV的情况。传输网的公 共工作电压是200-750kV，对于子传输网是70-200kV，对于配电网是 10-70kV。根据一个实施例，用于控制温度的装置(18-21)适于在20。C到150'C 之间，优选地在30'C到70。C之间改变容积的温度。根据一个实施例，定子绕组和/或转子绕组由完全与地绝缘的电缆绕 组构成，这种绕组可以从(例如)专利文件W097/45919描述的用于高电 压的发电机中了解到。尤其当容积的温度维持在相对低时，例如，在30 'C到70'C之间时，这在很大程度上不会对各极造成任何热传送，因此其 绕组也可以在工作中维持70。C的温度。这个温度，或围绕这个温度的温 度间隔非常适于电缆绕组。根据第二方面，本发明还涉及如权利要求16-18所述的，利用一种设 备来控制高电压的多相传输网的电压和相角的方法，其中在保持转子关于 定子固定的情况下，通过控制容积中的可控磁通量区域来进行该控制。根据第三方面，本发明还涉及如权利要求19所述的，对高电压的三 相传输网的电力潮流控制的使用。 一个使用领域是使用该设M为电力网 络中的緩慢统一潮流控制器(UPFC )。这里给定的任何范围或设M都可以被扩展或替换而不会损失希望 的效果，正如通过对文中教导的理解而变得对本领域技术人员是明显的那 样。本申请要求申请于2005年9月29日的瑞典专利申请No.0502169-6 和申请于2005年11月29日的瑞典专利申请No.0502716-4的优先权，其 内^t过引用合并于此。
权利要求
1.一种电感调节器，用于控制多相电传输网的电压振幅和/或相角，所述多相电传输网展现为具有初级电压Ea的初级侧和具有可控次级电压En的次级侧(4)，所述电感调节器(5)连接在传输网的初级侧(1a)次级侧(1b)之间，包括具有定子绕组(6r、s、t)和定子极(11)的定子以及具有转子绕组(7r、s、t)和转子极(12)的转子(10)，其特征在于在定子和转子之间设置包括可控磁通量区域的容积，以及，转子相对于定子固定。
2. 如权利要求l所述的电感调节器，其特征在于磁通量区域包括至少一个具有相对磁导率(^)的磁区 域，可通过改变温度来控制所i^目对磁导率，从而初级和次级侧之间的电 压差矢量AE适于通过控制磁区域的相对磁导率而被控制。
3. 如权利要求2所述的电感调节器，其特征在于所逸磁区域被划分为多个子区域，从而通过控制温度可 个别地影响所述子区域的相对磁导率。
4. 如权利要求3所述的电感调节器，其特征在于所逸磁性子区域被形成为多个层(17),所述多个层被 设置为基本平行于相对的极的端平面，从而通过控制温度可个别地影响所 述各层的相对磁导率。
5. 如权利要求3所述的电感调节器，其特征在于所逸磁性子区域被形成为基本平行的多个层(17),所 述多个层垂直地延伸到相对的极的端平面，从而通过控制温度可个别地影 响所述各层的相对磁导率。
6. 如权利要求3和5所述的电感调节器，其特征在于所逸磁性子区*现为矩阵形式的多个段(23)，且包 括用于个别地对各子段进行温度控制的装置。
7. 如权利要求l-6所述的电感调节器，其特征在于所ii^通量区域(17、 23、 24)包括固体磁性材料，所 述固体磁性材料的磁相变位于电感调节器的正常工作温度附近，温度控制 装置(18-21)和通道(22 )祐:设置在磁通量区域中，且适于控制其温度。
8. 如权利要求l-7所述的电感调节器， 其特征在于所U通量区域(17、 23、 24)包括Gd。
9. 如权利要求8所述的电感调节器，其特征在于包括Gd的所i^通量区域(17、 23、 24 ) /所述层(17) 掺杂有影响晶格对称性的物质，和/或掺杂有影响其磁相变温度的物质。
10. 如权利要求9所述的电感调节器，其特征在于所述掺杂物是属于稀土元素群中的一种或多种物质，所 述稀土元素为例如La、 Ce、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu。
11. 如权利要求7-10所述的电感调节器，其特征在于用于温度控制的装置(18-21)适于在201C-1501C之间， 优选地在30X:-701C之间，分别改变各层(17)和各段(23)的温度。
12. 如前述任一项权利要求所述的电感调节器，其特征在于所述多 相传输网(1)用于在200kV和750kV之间、或7他V和200kV之间、或 10kV和70kV之间的高电压。
13. 如前述任一项权利要求所述的电感调节器，其特征在于所述定子 绕组和/或转子绕组由与地完全绝缘的电缆绕组构成。
14. 如前述任一项权利要求所述的电感调节器，其特征在于所述多相 传输网是三相传输网。
15. 如前述任一项权利要求所述的电感调节器，其特征在于所述转子 绕组^L设计为第二定子绕组。
16. —种利用电感调节器来控制高电压的多相传输网(1)的电压和 相角的方法，其特征在于当转子相对于定子保持固定时，通过控制容积 中的可控磁通量区域来进行控制。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于通过改变磁通量区域 的温度来进行控制，所U通量区域包括至少 一个具有相对磁导率(&) 的磁区域，通过改变其温度可控制相对磁导率，从而通过控制磁区域的相 对磁导率来控制初级侧和次级侧之间的电压差矢量AE。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于个别地控制所逸磁区 域中的子区域的温度。
19.根据权利要求1-15的电感调节器对高电压多相传输网(1)的电 力潮流进行控制的使用。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制多相电传输网的电压振幅和/或相角的电感调节器，该电感调节器连接在传输网的初级侧(3)和次级侧(4)之间。转子相对于定子固定，且定子和转子之间的容积(14)包括具有一区域的磁容积，该区域包括固体材料的可控磁通量区域，该固体材料具有可通过改变其温度而被控制的相对磁导率(μ<sub>r</sub>)。
文档编号H02J3/18GK101278456SQ200680036098
公开日2008年10月1日 申请日期2006年9月27日 优先权日2005年9月29日
发明者奥洛夫·约特斯坦, 斯特凡·约翰松, 米卡埃尔·达尔格伦, 贡纳尔·鲁斯贝里 申请人:Abb研究有限公司