专利名称：具有超导磁能存储器的公用电力系统的制作方法
交叉参考的相关申请本申请是1999年1月29日申请的美国申请号第09/240,751号专利申请的继续部分，在此一并引用该专利申请的全部内容供参考。根据35 U.S.C.§119(e)(1)本申请也要求1999年1月29日申请的美国专利申请号第60/117,784号专利申请的有关优先权。引用的参考申请本申请在此一并引用如下申请供参考1999年11月24日提交的、名称为“放电超导磁体”的、美国申请号为09/449,505号的专利申请；1999年11月24日提交的、名称为“控制相角的方法和装置”的、美国申请号为09/449,436号的专利申请；1999年11月24日申请的、名称为“电容开关”的、美国申请号为09/449,378号的专利申请；1999年11月24日提交的、名称为“公用电力网的电压调节”的、美国申请号为60/167,377号的专利申请；和1999年11月24日申请的、名称为“向公用电力网输送电力的方法和装置”的、美国申请号为09/449,375号的专利申请。
为了保持竞争能力，电力公用事业公司在降低成本的同时，一直在努力改进系统运行的可靠性。为了迎接这些挑战，公用电力公司不断地开发新技术，以延长所安装设备的寿命并对其公用电力网络进行诊断和监视。由于对公用电力网的需求和公用电力网的大小不断增加，开发这些技术变得日益重要。
一般认为公用电力网包括分别携带大于和小于25kV电压的输电线网和配电线网。
参考图1，所示的公用电力网的一部分包括输电网10，输电网10具有通过输电线18相互连接的发电机12、变电站14和转接站16。输电线18一般携带超过25千伏(kV)的电压。参考图1，一个特定输电线上的电压与图中相关的输电线的粗细大致成正比。在右下角的附图中指出了实际输电系统电压。
参考图2，图1所示的公用电力网的一个分解部分10a包括通过降压变压器22耦合到输电线18的配电线20。每个配电线向负载24输送低于相关输电线电压的电压(例如，25kV或更低)。
公用电力网上的电压不稳定性是公用事业工业的一个关键问题。具体地讲，当在输电线上发生故障时，将经受瞬时电压降低，这可能导致网上电压崩溃或电压不稳定。
为了更好地理解公用电力网上的故障动力学，现在说明由于输电系统上3-相故障在系统上造成的事件序列。例如，参考图1，假设故障发生在输电网的远离片段70的部位。片段70位于输电线网10的变电站14a和转接站16a之间。参考图3，示出了由于故障造成的变电站14a上的作为时间函数的电压曲线图。在这种特定情况下，电压从标称电压115kV降低到大约90kV。特别应当知道，如果故障发生在更靠近片段70的位置或发生在片段70本身上，那么压降一般会更严重，并且线路上的电压可能会接近零。
这种故障一般表现为在输电系统上瞬间实现的极大负载。响应这种极大负载的出现，输电系统试图将一个很大的电流输送到负载(故障)。与输电系统上电路断路器相连的检测电路立即(即，在数毫秒内)检测到这种过电流情况。将启动信号从检测电路发送到保护继电器，保护继电器启动电路断开。继电器特性一般需要3-6 AC线路周期(即，多达100毫秒)来断开电路。当断路器打开时，故障消除。但是，断路器的打开触发了一系列的级联事件，这种级联事件在极端情况下可能导致这部分输电和配电系统上电压崩溃。具体地讲，当断路器打开时，电压仍然很低(即，几乎为零)，并且由于一部分输电系统实际上已经被断开，系统的阻抗急剧增高，造成出现人为的高负载。在这种状态下，电压降低，而提供到负载的电流急剧升高。急剧升高的电流在输电系统和配电系统中造成极大的损失。在某些情况下，由于负载和阻抗如此之高，致使网上的电压不能返回到正常，造成长期的电压降低，和整个系统的可能的电压崩溃。随网上负载需求的增大，使这些电压出现不稳定问题的可能性进一步增大。
用VAR表示无功伏安；这是一个用“volt amperes reactive”三个字的第一个字母构成的词。在一个时间周期上考虑的无功伏安代表在电源和负载之间的能量振荡。它们的功能是提供建立磁场和给电容器充电的能量，以及在磁场崩溃时或在电容器放电时将这种能量送回电源。
应当注意，无功功率是由于电压和电流的正交分量，并且因而不代表平均有功功率。虽然无功伏安本身不需要输入到发电机的平均能量，但它们的产生的确消耗了一定量的发电机伏安容量，并且因此限制了发电机的可用有功功率输出。此外，存在与无功功率通过电网传送相关的电阻损耗或I2R损耗。发电机也必须补偿这个额外的损耗，因而进一步限制了电网的可用有功功率。应当指出，尽管I2R损耗是由无功功率的传送造成的，但它不是无功功率的一部分。
解决上面讨论的电压稳定性问题的一种方法是构造附加的输电线，以减小系统阻抗，因而抵消由于断路器打开造成的高损耗和电流急剧增大的效果。但是，提供这种附加线路是十分昂贵的，并且在某种设置情况下是极端困难的。
为了解决这些电压不稳定性问题也已经开发出各种设备和装置的解决方案。一般地讲，这些装置通过向系统输入有功和/或无功功率而减缓问题。
一种叫作静态VAR补偿器(SVC)的这种装置，在一个特定负载上遭受故障时，从一组电容器提供无功功率。具体地讲，SVC迅速地传送无功功率，由SVC传送的无功功率移动相角，从而提高电网的电压。SVC响应由于系统条件改变造成的输电网上的动态功率摆动，连续地移动相角。
另一种包括蓄电池和超导磁能存储(SMES)的装置与SVC的不同之处在于，它们能够向负载提供有功功率和无功功率。例如，SMES将电网提供的电能存储在一个DC电流流过超导导线缠绕的线圈产生的磁场中。一种利用SMES的方法是在负载与电网隔绝后，响应检测的故障，向负载提供功率。由于SMES，如同一个蓄电池是DC装置，因此一般需要一个功率调节系统，以便将它连接到一个AC公用电力网。因此，功率调节系统一般包括DC/AC转换器，以及其它滤波和控制电路系统。
发明综述本发明的特征在于一种通过在故障恢复期间减小公用电力系统的总有功功率和总无功功率损失而稳定公用电力系统或电网上的电压的方法。用“公用电力系统或电网”表示，那些具有至少一个耦合到设计用于在正常操作条件下携带标称电压的更高电压的输电线网的配电线网的系统或电网。配电线网一般至少包括一个具有负载的配电馈线，并且所携带的电压电平低于输电网的电压电平。本发明通过从公用电力网上的一个或多个预定位置上的电压恢复装置传送有功功率和无功功率而减小输电损失。
本发明的一个一般方面涉及一种用于连接到携带标称电压的公用电力网的电压恢复装置。在这个方面，电压恢复装置包括一个连接到公用电力网，并且配置成在检测到公用电力网上的故障条件后以足够高的量和足够长的持续时间在公用电力网和电压恢复装置之间输送有功功率和无功功率将公用电力网上的电压恢复到标称电压的预定比例内的能量存储单元。
与现有的故障恢复方法不同，该电压恢复装置致力于保持公用电力系统上电压的稳定性，而不是保持一个特定负载的电压。例如，通过减小公用电力系统的总体损失来达到稳定输电线上的电压。更具体地讲，减小了由于向造成异常大的电压降和相角偏移的最终负载传送有功和无功功率而产生的任何异常高的有功功率损失和无功功率损失。当在配电网上而不是输电网上注入或吸收有功功率和无功功率时，可以更经济有效地减小这些异常高的损失。
实质上，本发明试图减小公用电力系统上的损失，这种损失一般是完好的输电系统(即，没有除去或断开部分的输电系统)遭受到损失的两到三倍。通过消除这些大的损失，系统在刚好检测到故障和输电网上电路断路器打开之后的周期中受到较小的冲击。
此外，由于配电网上的电压低于输电网上的电压，用于配电网的电压恢复装置的设计和安装比较简单和容易。电压恢复装置的可靠性也比较高。
从配电网上而不是从输电网上的电压恢复装置输送和/或吸收有功功率和无功功率具有几种优点。第一个优点，也是最一般的优点，是配置电压恢复装置以向发生总损失的较大比例的公用电力网部分(即，配电线网)提供有功功率和无功功率。第二个优点是，在故障发生在与电压恢复装置相连的配电网上的特定情况下，电压恢复装置在处理故障时不对输电网造成实际冲击。因此，输电网能够更稳定地操作。
本发明的实施例可以包括一个或多个以下特征。
在一个实施例中，能量存储单元包括一个超导磁体，例如，一个SMES。由于SMES装置具有迅速响应检测到的故障并且在随后有选择地向配电线输送有功功率和无功功率的能力，所以它特别适合用作电压恢复装置。更具体地讲，SMES装置能够在有限的时间周期中向连接到配电线的负载提供有功功率，以及无限地向电网提供无功功率。在一个替代实施例中，能量存储单元是从由飞轮能量存储装置、蓄电池、电容能量存储系统、压缩气体能量存储单元、和燃料电池及其相关的能源构成的组中选择的。
配置电压恢复装置以把输电线网上的电压恢复到符合标称公用电力计划标准的水平。典型的公用电力计划标准，要求在消除故障的0.5秒内，电网电压在标称电压的0.8至0.95P.U.(每单位)之间，和优选是在0.9至0.95P.U.之间的范围时恢复电网。
电压恢复装置进一步包括一个电耦合在能量存储单元和公用电力网之间的逆变器，和一个连接到逆变器和配置用于控制在能量存储单元和公用电力网之间输送的有功功率量和无功功率量的控制器。因此，逆变器允许能量向和从能量存储单元的双向流动。在某些环境中，例如，当能量存储单元不能吸收能量(或额外能量)时，当能量从公用电力网向逆变器传送能量时，可以利用逆变器内的电阻器耗散传送的能量。
本发明进一步包括一种对可以是SMES装置的能量存储单元有选择地以基本上恒定的电压或以基本上恒定的功率进行放电的方法。以基本上恒定的电压对能量存储装置放电的方法构成了一种在放电周期的开始部分期间传送能量存储装置的存储能量的大部分的方式。这对公用配电网的重要有益效果是，在故障开始后的初始阶段提供了大量有功功率。正是在这个阶段中，公用配电网和公用输电网经受了由于故障造成的增大的损失的最大冲击。通过在这个阶段注入大部分存储装置存储的能量，可以更有效地减轻这些损失。由于装置中存储的能量根据某个变量(在SMES情况下是电流，在飞轮的情况下是转速)的二次方改变的事实，因而诸如SMES、飞轮或其它装置之类的能量存储装置以恒压放电是有利的。从这种类型的装置释放的功率与这个变量(例如，电流或转速)的变化率乘该变量(例如，电流或转速)的瞬时值成正比。当装置受到恒压放电时，这两个因数的乘积在放电的第一瞬间到达最大，并且随后与逝去的放电时间的平方成正比地降低。这种方法在放电开始后的初始阶段从装置提供了最大量的功率，如前面所述，这对于减轻连接的公用输电和配电网是有利的。此外，以基本上恒定的电压给能量存储装置放电的方法使得能够比实现以基本上恒定的功率给装置放电的方法所需的更容易和更有效地实现能量存储装置与连接的逆变器之间的连接。
本发明的另一方面涉及一种稳定公用电力网的方法。该方法包括把一个电压恢复装置电连接到配电网。一旦在公用电力网上检测到故障条件，在故障后的预定时间周期内启动电压恢复装置，并且以足够高的量向输电网提供有功功率和无功功率，以把公用电力网上的电压恢复到标称电压的预定比例。
在本发明的这个方面的一个应用中，公用电力网包括输电网和电连接到输电网的配电网。配电网具有耦合到至少一个负载的配电线。该方法进一步包括将电压恢复装置电连接到配电网。
该方法可以还包括一个或多个以下附加步骤。该方法可以进一步包括将一个逆变器电耦合在能存储单元和公用电力网之间。然后控制逆变器以控制在能量存储单元和公用电力网之间输送的有功功率的值和无功功率的值。配置电压恢复装置以提供有功功率和无功功率的组合。
在某些实施例中，电压恢复装置将有功功率输送到输电网，以促使电压在0.5秒内迅速恢复到可接受的公用标准。电压恢复装置将有功功率和无功功率输送到输电线网，以将电压在5秒内恢复到标称电压的0.90P.U.内。
本发明的再一个方面，控制系统包括至少含有一个用于存储控制电耦合到公用电力网的电压恢复装置的计算机程序的部分的存储器，执行计算机可读指令的处理器，和将存储器连接到处理器的总线。存储的程序包括计算机可读指令，计算机可读指令响应检测故障的指示，将控制信号输送到电压恢复装置，以控制以足够高的量和在足够长的持续时间向公用电力网传送有功功率和无功功率，使输电网上的电压恢复到标称电压的预定比例。
本发明的另一个方面涉及公用输电网和配电网一般包括多条线路和多个负载，以及这些线路和负载中的任何一个都可能遭受故障的事实。因此，在一个特定公用电力网上安装多个电压恢复装置是有利的。在本发明的这个实施例中，将包括电能存储装置、逆变器和如上所述的连接到配电线的相关控制器的单个的、齐备的电压恢复装置安装在输电网和配电网的多个点上。这些单个装置中的每一个如下所述的那样操作，以减轻输电网和配电网上故障造成的后果。遍布电网的多个装置提供了比具有等于多个装置的总和的能量和功率容量的单一装置所能提供的效果更好的效果。这种更好的效果在很大程度上是由于单个装置的容量与它们所连接的输电线和配电线的容量之间更接近匹配取得的。
从以下的优选实施例的说明和权利要求中将能清楚地了解本发明的这些和其它特征和优点。
图1是部分输电网的示意图；图2是包括配电线的图1所示的部分输电网的局部放大图；图3是故障期间图2所示的输电网部分的电压特性的曲线图；图4是连接到图2所示的配电线的SMES装置的方框图；图4A是图4所示的控制器的方框图；图5是连接到图2所示的配电线的SMES装置的示意图；图6是说明确定连接一个或多个电压恢复装置的优选位置的一般步骤的流程图；图7是显示对于图1所示的部分输电线网的带和不带D-SMES电压恢复装置的电压恢复特征的曲线图；和图8是代表在公用电力网与D-SMES电压恢复装置之间传送的功率的向量图。
详细说明参考图4，示出了一个分布式SMES或D-SMES模块30，它与配线网的配电线20并联连接。D-SMES模块30一般能够将有功功率和无功功率单独地或组合地输送到输电线网。在本实施例中，D-SMES模块30的容量设置为2.8MVA，并且能够在400毫秒长的周期输送平均2MWatt，一秒输送5.6MVA，和无限时间地输送2.8MVAR的无功功率。
所示的配电线20显示与通过第一变压器22a连接到输电线网的输电线18相连，第一变压器22a将输电线18上携带的高电压(例如，大于25kV)降低到较低的电压，在这里是6kV。第二变压器22b将6kV电压降低到适合于负载24的电压，在这里是480V。
D-SMES模块30包括具有位于低温制冷单元的密封容器36中的能量存储磁线圈34的超导磁能存储单元32。能量存储单元32还包括一个磁体电源38。密封容器36将磁线圈34保持在液态氦中，并且是由两个用真空隔绝空间隔离的奥氏体不锈钢容器构成的。在所示实施例中，低温制冷单元包括一个或多个一同运行的Gifford-McMahon型制冷器(未示出)，以保持容器36内的运行温度，并重新液化容器内积累的任何氦蒸气。在正常操作条件下，没有氦(液态或气态的)在容器36外循环。外部的室温制冷系统气体不与内部氦源相互交换。系统设计允许在一个或两个制冷器不能工作时，继续系统运行最少48小时。
超导磁线圈34是由铌-钛铜基基质导线形成的、缠绕为机械稳定形式的、并且在缠绕前绝缘处理过的超导电缆制造的。AmericanSuperconductor Corporation，Westborough，MA.制造的一种超导磁线圈十分适用于D-SMES模块30。能量存储单元32还包括为给磁线圈充电的磁体电源38，隔离变压器40和断路器或接触器42。电源38可以使用Dynapower Corporation of South Burlington，VT制造的电源。在本实施例中，电源38通过隔离变压器40以及降压变压器50从配电线20接收AC功率，并且将DC功率输送到磁能存储单元32。断路器42位于隔离变压器40和降压变压器50之间，并且使电源38能够容易地插入和分离，这样有利于维护电源。超导磁能存储单元32通过磁体接口48和一对导引二极管49与一个逆变器系统44相互连接。导引二极管49保证了电能仅从能量存储单元32流向逆变器系统44，不会以相反的方向流动。
参考图5，逆变器系统44将D-SMES模块30输出的DC电压转换为AC电压，并且，在本实施例中，逆变器系统44包括四个逆变器单元46(图5)。逆变器44一般起到任意组合的有功功率和无功功率的源的作用。只有在能量存储单元32能够提供有功功率时，逆变器44才能够发出有功功率。但是，假设逆变器工作在其标称额定容量，逆变器44可以无限地发出无功功率。更准确地讲，逆变器44可以接收来自包括公用电力网本身在内的其它来源的无功功率，并且以要求振幅和相位将无功功率传送回公用电力网。因此，逆变器44无需能量存储单元32提供功率就可以提供或传送无功功率。
实质上，逆变器44是一个能够提供和吸收具有有功功率分量和无功功率分量的功率的四象限装置。参考图8，具有有功功率轴82和无功功率轴84的座标图80可以用于说明电压恢复装置30传送的功率的向量图。具有振幅和相角的向量可以位于座标图80的四个象限的任何一个象限中。例如，根据系统控制单元60(以后将详细说明)输出的控制信号，逆变器44可以传送由分别仅有一个正有功功率和负无功功率分量的向量85或86代表的功率。另一方面，在这里用向量88表示的功率可以具有有功功率分量88a和无功功率分量88b。因此，可以控制功率的振幅(向量的长度)和相角(θ)，以定义一个预定的空间位置。在某些应用中，使逆变器44以脉动模式操作，以降低成本。
每个逆变器单元46能够连续地提供700KVA，和提供过载的1.4MVA一秒钟。在功率变压器的中压侧组合每个逆变单元46的输出，以产生根据下表的系统参量。
每个逆变器单元46包括三个逆变器模块(未示出)。由于逆变器单元46具有模块化形式，所以提供了一定程度的灵活性，为其它系统参量提供标准，逆变器模块。利用这种模块方法也可以提供一定量的故障容限，但是可能降低系统的能力。每个逆变器模块装备有一个管理包括诸如装置保护、电流调节、热保护、模块之间的功率平衡、和诊断之类的局部功能的局部从属控制器。逆变器单元和逆变器模块安装在带有集成功率分配和冷却系统的机架中。
逆变器系统44通过降压变压器50和开关设备单元52耦合到配电线20。每个电源变压器50是一个具有基于其基本额定值的5.75％标称阻抗的、24.9kV/480V三相充油垫安装变压器。电源变压器一般通过保护在封装管(未示出)内的电源电缆安装在室外靠近系统外壳之处。如图4所示，熔断器53连接在降压变压器50和配电线20之间。
每个开关设备单元52提供电源变压器50和逆变器单元46之间的过电流保护。四个主逆变器输出中的每一个为额定电压480V，每相900 A RMS直流的电路断路提供45kA中断容量。开关设备单元52还起到具有安全和维护作用的主断路装置的作用，并且可以具有电压和接地故障监视的作用。开关设备单元一般邻近逆变器单元外壳安装。
再参考图4，系统控制单元60是一个使用适当控制算法的多处理机驱动系统。系统控制单元60如同用于处理来自配电线20和逆变系统44的逆变器单元46的输入的多状态机一样地运行。根据单元输入和预定内部控制规则，系统控制单元60动态确定逆变器单元46的相位和振幅，以及D-SMES模块30的有功功率输出。在运行过程中，系统控制单元60将实时电压和电流波形数据传递到数据捕获系统，以便处理和输送到监视地点。系统控制单元60也支持本地用户接口和安全联锁。控制单元60必须具有足以保证以一定速度发生向或从电压恢复装置30传送功率，处理公用电力系统上的故障或紧急事故的响应时间。一般希望在1个线周期(即，对于60Hz是1/60秒，对于50Hz是1/50秒)内检测到故障。在一个实施例中，响应时间小于500微秒。
如图4A所示，系统控制单元60可以包括在一个单一电路板上的三个控制器60a，60b和60c(例如，微处理器)。此外，这种电路系统包括适当的驱动电路和模/数(“A/D”)转换器(未示出)。
控制器60a执行计算机指令，以控制逆变器系统44的电路和电压回路。(如上所述，为了在动态改变逆变器系统44的输出功率的振幅和相位时使用)。控制器60b发挥系统控制器的作用，即，它执行计算机指令，以检测公用电力网上的功率量，并把这种信息送到控制器60a。控制器60e记录从控制器60a和60b获得的信息，格式化这种信息，并对用户显示这些信息。尽管本实施例说明了三个控制器，但可以使用任意数量的控制器(例如，一个控制器)来执行属于控制器60a，60b和60c的功能。可以把每个控制器中执行的计算机指令存储在控制器60中的一个或多个存储器中，或每个控制器的内部存储器中。
参考图6，说明确定把D-SMES模块30连接到配电线20上的最佳位置的方法。首先，确定连接D-SMES模块30的最佳位置十分有利于达到减小输电系统中损失的目的。将D-SMES模块30连接到配电线20，而不是连接到，例如，输电线，因为配电线对整个公用电力网线路造成的损失更大，也就是说，相对输电系统来说，配电线20造成了整个公用电力网的总体损失的更大比例部分。注意到D-SMES模块30是可移动的，从而便利了系统优化，也是十分重要的。
确定适当D-SMES模块的连接位置的第一个重要步骤是确定输电线网的关键线段(步骤200)。用“关键线段”表示当遭受紧急事故或故障时导致输电网上后事故电压显著降低的那些线段或其它输电系统元件。例如，一个具有造成电压降低到低于每单位电压0.9以下(即，电压小于输电系统上标称电压的90％)的故障的线段被认为是关键线段。
为了确定多个线段中哪个是关键线段，在被分析的全部或部分输电网上模拟一个或多个故障情况。例如，使用PSE/E(工程电力系统模拟器)动态稳定性模拟模型将输电网模型化，PSE/E动态稳定性模拟模型是由Power Technology，Inc.，Schenectady，N.Y.推出的产品。模拟模型可以仅表示公用电力网的一部分，例如图1中所示部分。另一方面，模拟模型可以表示更大的跨越几个州的地理区域。
参考图1，例如，在转接站16a和变电站14a之间的输电线段70代表这种关键线段。因为如果由于在线路上检测到故障而断路，那么回路的东侧(图的右侧)上的所有负载必须通过回路西侧(图的左侧)上的发电机提供电力，所以将输电线网10的这个近似10英里线段考虑为关键线段。
例如，假设线段70断开，因而防止了电流在该段上继续流动。一旦发生这种情况，对输电网或电网的特定地理区域进行评估，以确定其它哪些线段受到线段70断开造成的不利影响。例如，线段70断开对变电站14b造成了严重不利影响。
一旦识别了所有关键线段(步骤200)，接下来分析连接到有关识别的关键线段的配电线的负载的大小和类型(步骤202)。特别是要进行确定以保证要补偿的负载至少要与D-SMES模块30的有功功率输出一样大，在一个实施例中，它是3MW。在本例中，只有那些具有大于3MW负载的配电线被认为是用于连接D-SMES模块的候选者。尽管将一个D-SMES模块连接到具有小于D-SMES模块本身的输出的负载的配电线可能仍旧是有利的，但这样做不能经济有效使用D-SMES模块。
认识到在任何给定时间影响D-SMES定位的最佳位置的其它因素也是十分重要的。特定负载的特性可能在瞬时发生变化。具体地讲，负载的大小和类型可能根据季节显著改变。例如，在夏天，负载可能是一个散热空调(HVAC)系统，即，一种电机驱动型负载。相反，在冬天，负载可能是一个电阻加热负载。电阻加热负载与电机驱动负载的重大不同在于，当电压在电阻负载上降低时，电阻负载所需的功率随之降低。相反，电机驱动负载一般是恒功率负载，并且在电压降低时电流加大以保持恒定功率。反过来，如果电流增大，损失也增大，并且产生了电压不稳定问题。因此，在确定应当在何处将D-SMES模块连接到电网上时，负载的“类型”总是重要的。在这些情况下，可以将D-SMES模块容易而有利地移动到最有效保持输电系统的电压稳定的位置。
然后测量用于耦合输电网的各个识别关键线段和配电线的所有降压变压器的阻抗(步骤204)。在一般情况下，阻抗是电抗性。由于降压变压器造成公用电力网中整体损失中的很大一部分损失，因而要对它们进行评价。这些变压器的电感可能造成总体损失的40％之多。因而选择那些具有最高阻抗的变压器作为连接到D-SMES模块的候选变压器。例如，如果有三个D-SMES模块可用，那么三个识别的关键线段将是那些满足最小负载要求的，并且选择三个具有最高阻抗的降压变压器用于D-SMES装置的安装(步骤206)。
然后，再评价系统，以确定在选定的位置放置D-SMES模块是否达到了要求效果(步骤208)。可以试验地移动一个或多个D-SMES模块，以观察是否可以进一步提高改进。然后在实际操作中使用取得最佳效果的位置(即，输电系统的最低输电损失和最高稳定性)。
再参考图4，系统控制单元60经过传感线61监视配电线20上的电压。如果电压降低到低于预定阈值(例如，标称电压的0.9P.U.以下)，控制单元60向逆变器系统44发送一个信号，以使磁能存储单元32向配电线20输送全功率输出。在运行过程中，控制单元60在检测到故障的近似500微秒之内向逆变器44发送控制信号。重要地是要注意输电网上的断路器从故障开始到断开大约需要60毫秒。因此，D-SMES模块30在断路器断开之前开始提供有功功率和无功功率。
全功率输出意味着将D-SMES模块30产生的全部有功功率与逆变器单元44产生的无功功率叠加。在本实施例中，配置D-SMES模块30以提供平均2MW的有功功率，以及2至5.6MVAR之间的无功功率。在检测到故障的1毫秒之内，D-SMES模块30能够输送足够的有功功率，以快速地(例如，一般在0.5秒之内)将线上的电压提高到可接收的程度。此时，配电线上的任何负载成为工作的，因而在线上产生无功功率损失。然后，控制单元60终止有功功率的传送，并且，如果需要，增加来自D-SMRS模块30的无功功率的产生，以对抗无功功率不平衡，并且可以无限地这样做。因此，在故障被检测到并被消除的0.5秒之内，磁能存储单元32能够通过传送有功功率和无功功率将系统恢复到标称电压的最低可接受程度(一般是0.9P.U.，——一个被接受的工业标准)。并且在检测到故障5秒之内，通过产生无功功率，可以将系统恢复到正常长期连续运行的可接受程度(一般是0.95P.U.)。
参考图7，例如，可以看到在故障消除之后大约0.1秒之内系统电压返回到大约0.7P.U.。此时，安装、或不安装D-SMES装置系统电压都是一样的。图7上的实线示出了没有D-SMES装置，电压没有恢复并且实际上将在故障消除后随时间降低。但是，安装了D-SMES装置，电压迅速地在0.5秒之内恢复到0.90P.U.，并且在另一个0.1秒内恢复到0.95P.U.。图7上的虚线指示带有安装的D-SMES单元的电压恢复过程。在与此类似的情况下，D-SMES系统的安装将决定系统是趋向电压崩溃，还是在规定的时间周期内恢复。
其它实施例在权利要求的范围内。例如，在前面结合图4-图7说明的实施例中，将D-SMES单元用于提供恢复电压或输电网所需的有功功率和无功功率。但是，知道包括飞轮、蓄电池、电容能量存储系统组、压缩气能源，和燃料电池系统(例如，那些将碳基燃料转换成电及其相关的能源的系统)在内的能够提供有功功率或无功功率或二者的其它电压恢复装置也包括在本发明的范围内是十分重要的。
权利要求
1.一种电压恢复装置，其连接到携带标称电压的公用电力网，该电压恢复装置包括能量存储单元，该能量存储单元连接到公用电力网，并且配置成在检测到公用电力网上的故障之后以足够的量和足够长的持续时间在公用电力网和电压恢复装置之间传送有功功率和无功功率以将公用电力网上的电压恢复到标称电压的预定比例内。
2.根据权利要求1所述的电压恢复装置，其中电压恢复装置用于传送有功功率和无功功率的组合。
3.根据权利要求2所述的电压恢复装置，其中电压恢复装置用于向输电网提供有功功率，以促使在0.5秒之内快速地将电压恢复到可接受的公用标准内。
4.根据权利要求3所述的电压恢复装置，其中电压恢复装置用于向输电线网提供有功功率和无功功率，以便在0.5秒内将电压恢复到标称电压的0.9P.U.内。
5.根据权利要求2所述的电压恢复装置，进一步包括电耦合在电量存储单元与公用电力网之间的逆变器；和连接到逆变器并且配置成控制在能量存储单元和公用电力网之间传送的有功功率和无功功率的值的控制器。
6.根据权利要求5所述的电压恢复装置，其中能量存储单元包括超导磁体。
7.根据权利要求5所述的电压恢复装置，其中能量存储单元是从一个由飞轮、蓄电池、电容能量存储系统组、压缩气体能源、和燃料电池系统构成的组中选择的。
8.根据权利要求5所述的电压恢复装置，进一步包括连接在能量存储单元和逆变器之间的磁体接口。
9.一种稳定公用电力网的方法，该方法包括把具有能量存储单元的电压恢复装置电连接到配电网，检测公用电力网上的故障情况；和根据检测到的故障情况，运行电压恢复装置以足够的量和足够长的持续时间把有功功率和无功功率输送到公用电力网，以便把公用电力网上的电压恢复到标称电压的预定比例。
10.根据权利要求9所述的方法，其中公用电力网包括输电网和电连接到输电网的配电网，配电网具有耦合到至少一个负载的配电线，该方法进一步包括将电压恢复装置电连接到配电网。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将一个逆变器电耦合在能量存储单元和公用电力网之间，其中操作电压恢复装置包括控制逆变器以控制在能量存储单元和公用电力网之间传送的有功功率值和无功功率值。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括配置电压恢复装置以将有功功率送到输电网，以便促使在0.5秒内快速地将电压恢复到可接受公用标准内。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括配置电压恢复装置，以向输电线网提供有功功率和无功功率，以便在0.5秒内将电压恢复到标称电压的0.90P.U.内。
14.根据权利要求9所述的方法，其中能量存储单元包括超导磁体。
15.根据权利要求9所述的方法，其中能量存储单元是从一个由飞轮、蓄电池、电容能量存储系统组、压缩气体能源、和燃料电池系统构成的组中选出的。
16.一种控制系统，包括存储器，包括至少一部分用于存储控制电耦合到一个公用电力网的电压恢复装置的计算机程序，所存储的程序包括计算机可读指令，其根据所检测到的故障指示，向电压恢复装置提供控制信号，控制以足够的量和足够长的持续时间向公用电力网提供有功功率和无功功率，以便将输电网上的电压恢复到标称电压的预定比例内；执行计算机可读指令的处理器；和将存储器连接到处理器的总线。
17.根据权利要求1所述的电压恢复装置，其中电压恢复装置以基本上恒定的电压输送有功功率预定时间周期。
18.根据权利要求17所述的电压恢复装置，其中在预定时间周期之后，以大体上恒定的速率从电压恢复恢复装置输送有功功率。
19.根据权利要求9所述的方法，其中从电压恢复装置以基本上恒定的电压输送有功功率预定时间周期。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在预定时间周期之后，以基本上恒定的速率从电压恢复装置输送有功功率。
21.根据权利要求16所述的控制系统，其中计算机可读指令适当地控制有功功率的输送，从而能够从电压恢复装置以基本上恒定的电压输送有功功率预定时间周期。
22.根据权利要求21所述的控制系统，其中计算机可读指令这样控制有功功率的输送，以致在预定时间周期之后，能够以基本上恒定的速率从电压恢复装置输送有功功率。
23.一种稳定公用电力网的方法，该方法包括将每个都具有一个能量存储单元的多个电压恢复装置电连接到配电网，检测公用电力网上的故障情况；和根据检测到的故障情况，运行一个或多个电压恢复装置，以足够的量和足够长的持续时间将有功功率和无功功率输送到公用电力网，以便把公用电力网上的电压恢复到标称电压的预定比例内。
24.一个公用电力网，包括携带第一预定电压范围内的标称电压的输电线网；电连接到输电网、用于携带低于第一预定电压范围的第二预定电压范围内的电压的配电线网，配电网具有耦合到至少一个负载的配电线；和连接到配电网的电压恢复装置，配置电压恢复装置以便在检测到公用电力网上的故障情况之后，以足够的量和足够长的持续时间向配电线网提供有功功率和无功功率，把输电线网上的电压恢复到标称电压的预定比例内。
25.根据权利要求24所述的公用电力网，其中电压恢复装置用于提供有功功率和无功功率的组合。
26.根据权利要求25所述的公用电力网，其中电压恢复装置用于向输电网提供有功功率，以促使在0.5秒内将电压快速恢复到可接受公用标准内。
27.根据权利要求26所述的公用电力网，其中配置电压恢复装置，以向输电线网提供有功功率和无功功率，以便在5秒内将电压恢复到标称电压的0.90P.U.内。
28.根据权利要求25所述的公用电力网，其中电压恢复装置是从由SMES、飞轮装置、或蓄电池构成的组中选出的。
29.一种确定将电压恢复装置电连接到公用电力网的位置的方法，上述公用电力网包括一个输电线网和多个配电网，每个配电线网都经过降压变压器耦合到输电线网并且具有耦合到一个负载的配电线，该方法包括识别输电线网的关键线段；确定连接到每个关键线段的负载的类型和大小；测量连接到每个关键线段的降压变压器的阻抗；和将一个电压恢复装置电连接到与识别的关键线段相关的至少一个配电网。
30.根据权利要求29所述的方法，其中识别关键线段包括模拟事故效果以观察哪些线段受到最不利影响。
31.根据权利要求29所述的方法，其中确定负载的大小包括保证负载的大小大于电压恢复装置的有功功率输出。
32.根据权利要求31所述的方法，其中电连接电压恢复装置包括将电压恢复装置连接到含有具有最大阻抗的降压变压器的关键线段。
33.一种控制系统包括存储器，至少包括一部分用于存储控制电耦合到一个公用电力网的配电网的一个电压恢复装置的计算机程序，所述公用电力网包括具有耦合到至少一个负载的配电线的配电网和电连接到配电网的输电网，所存储的程序包括计算机可读指令，其根据检测到的故障指示，将控制命令送到电压恢复装置，以便以足够的量和足够长的持续时间向输电网提供有功功率和无功功率，将输电网上的电压恢复到标称电压的预定比例内；执行计算机可读指令的处理器；和将存储器连接到处理器的总线。
全文摘要
配置一种电压恢复装置(30),以便在检测到公用电力网上的故障情况之后,用预定量和预定持续时间向公用电力网提供有功功率和无功功率,将公用电力网上的电压恢复到标称电压的预定比例内。
文档编号H02J3/32GK1338139SQ00803171
公开日2002年2月27日 申请日期2000年1月26日 优先权日1999年1月29日
发明者波尔·弗雷德里克·克普, 阿诺德P·凯尔里, 唐纳德L·布朗, 沃伦·埃利奥特·巴克尔斯, 约翰A·迪亚斯德里昂Ii, 道格拉斯C·福尔茨 申请人:美国超导体公司