[发明专利]用于稳定电网电力的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年1月12日提交的美国临时专利申请No.61/204,898的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

背景技术

本发明涉及通过使用可变阻抗设备来控制电业电网(electric utility grid)以改善电网稳定性和电力品质，该可变阻抗设备自动地或在主动控制下对电网中的不稳定瞬态进行响应。

电力的有效且可靠的产生、传送以及分配对美国安全和经济是至关重要的。不算增加的电力需求、电网互联以及不断增多的独立发电设施已经降低了逐渐老化的北美电网的总体稳定性。该不稳定性经常将其表现在由于洪水、强风、倒下的树的大枝、闪电袭击、交叉的传输线等导致的不受控制的高电流浪涌(即，故障电流)次数的增加。如果不处理的话，故障电流可能会永久损坏传输和分配设备、跳闸(trip)高功率电路断路器，并扰乱流到终端用户的功率流，从而在遭受这些痛苦的区域中造成相当大的社会以及经济影响。仅在美国地区明显的电力中断(例如，2003年的西北部，2001年的北加利福尼亚州，2000的底特律，1999年的亚特兰大、新奥尔良、芝加哥以及纽约，1996年的美国西海岸以及2005年的美国墨西哥湾(Gulf Coast))是北美电网内在脆弱的迹象。最近对美国电消费者的电力中断的损失的研究表明美国每年的经济损失大约为$80B。

设计了放射状分布网络，以便电力从产生源(在图16中由空心圆表示)流到终端用户。电力在放射状网络中在一个方向上流动(由图中的箭头描绘)，从而从主馈线支路引到将电力递送到各自负载(图16中由实心圆表示)的侧支路，这些负载可以是单独的目的地或下游的变电站。设置断路器A和B，以在每个各自支路中出现短路的情况下(即故障)保护并隔离主馈线。例如，如果断路器A的下游发生故障，则断路器A检测到大的电流浪涌并在固定数量的周期之后断开。这种行为用于“划分”电网(即，断路器将断路器A下游的电网的故障部分隔离)并保持总电网的稳定性。在该示例中，断路器B下游的终端用户不会遭遇电力中断。

通常，断路器A和B是“重新闭合”断路器。重新闭合断路器按照设定的时间表断开和重新闭合，该时间表通常由设备和本地公用事业(local utility)来确定。图17示意性地示出了典型的“重新闭合”时间表。在故障事件开始时，断路器在大约4-6个周期中检测电流浪涌并在零电压交叉或零电压交叉附近自动断开。然后该“重新闭合器”等待4-10个周期之后再重新闭合。如果故障依然存在，则该过程被第三次重复，其中在断开状态中时间延迟更长。如果在第三次之后故障还存在，则系统被锁定在“断开”状态，且故障被认为是永久性的。大多数故障在第一次或第二次重新闭合顺序中被清除。

故障限流器(FCL)是自主检测电力网络中的大电流浪涌并比常规电路断路器快很多倍地插入电流限制阻抗的设备，这改善了电力品质、保护下游设备(例如变压器、电机、开关设备、电路断路器等)不受潜在损坏并防止电力中断。FCL的广泛应用将改善电网稳定性并允许电网整体能够更好地响应在自然灾害中可能发生的瞬时故障和永久故障。FCL是电网电力工程师长期的梦想，且许多设备的制造已经有不同程度的成功。由于高效经济的故障限流设备有待开发，因此在电力传输和分配电网中通常使用的是可靠但低效且笨重的备选故障控制方法(例如，快速电路断路器、空心电抗器、高阻抗变压器等)。

在高温超导体(HTS)中液态氮(77K)温度以上的超导性的发现对致力使用这些材料制造有用的商业设备做出了重大成果。原则上，超导材料是用于FCL设备的理想材料，这是因为即便高达称为临界电流(I_C)的最大电流，这种材料的电阻仍然基本为零。因此，在常规工作期间，FCL不会给电网增加额外的阻抗。但是，当流过超导体的电流超过I_C时，这种材料就变成高阻的常规材料。这种超导到常规状态的转变可以用于FCL设备中以快速地将明显的阻抗插入到电网中，这有效地削减了故障电流的大小。不幸的是，由于差的HTS材料特性、HTS线和大部件的临界电流低以及HTS部件固有的高成本，基于原型HTS的超导FCL获得有限的成功。