CN1061485C - 用于在二电力系统间传输功率的互连系统 - Google Patents

Abstract

一种电力互连系统(100)包含一可变频的变压器(102)和控制系统(104)。控制系统(104)调节旋转变压器(102)的角位置，使得能由第一电力系统(22)向第二电力系统(24)传输预定的功率(P₁)。该旋转变压器(102)包含一转子组件(110)和定子(112)，控制系统(104)调节在一定时间范围内转子速度对时间的积分。控制系统(104)包括第一控制装置(107)和第二控制装置(108)。第一控制装置(107)将输入指令功率P₀与测量功率P₁相比较，产生所需的角速度信号ω₀。第二控制装置(108)将旋转变压器所需的角速度信号ω₀与测量的角速度信号ω_r相比较，产生一输向转矩控制装置(106)的变压器驱动信号T₀，借此控制转子组件(110)相对定子(112)的角位置θ_r。在不同实施例中，转矩控制装置(106)结合在旋转变压器(102)的转子组件(110)和定子(112)中。

Description

用于在二电力系统间传输功率的互连系统

本申请是由Mark A．Runkle于1995年4月21日申请的序号为08／426201名称为“用于具有不同电特性的电力系统的互连系统”的美国专利申请的部分继续，并且与同时申请的序号为08／＿＿，＿＿(代理人登记号17-GE-5528)名称为“结合可变速水轮发电机使用的异步变换方法和装置”的美国专利申请有关，二者引入本文可供参考。

发明背景

1．发明领域

本发明涉及电功率传输的控制，特别是在各电力系统之间的传输功率的控制。

2．相关技术和其它

某些电力变压器例如带变压抽头的变压器如自耦变压器只能改变电压。另外的一些变压器，即所谓的静止的移相器可以根据转矩角转换功率和传输功率。

仅仅改变电压的变压器和静止的移相器对于运行在相同的频率下的两个电力系统的相互连接或者对于在一个实业公司内部传输功率可能是足够的。然而，这些变压器不能连接两个运行在不同频率(例如在实业公司之间输电)的电力系统。

在世界上有很多地区，其中在各电力系统之间相互连接需要一种异步的联络环节。对于某些这样的区域，各电力系统具有不同的标称频率(例如，60赫和50赫)。即使对于具有相同标称频率的其它系统的互连，还没有一种实用的装置，建立具有足够强能力的同步的联络环节，以使在互连的运行方式下能稳定地运行。

用于实现电力系统间的异步互连的流行的技术是高压直流(HDVC)变换。

图8是示意表示现有技术的HDVC互连系统820的单线示意图。图8表示将第一或供电系统822(例如所示AC电力系统#1)和第二或受电系统824(例如所示AC电力系统#2)连接的互连系统820。AC电力系统#1利用线路826连接到互连系统820，在所述实例中，用于输入频率为F₁(F1为供电系统822的频率)的三相输入信号。互连系统820利用线路828连接到受电系统824，线路824载有由互连系统820到受电系统824的频率为F2的三相输出信号。

图8中的HVDC互连系统820包括位于在母线832和834之间的背靠背(back to back)连接的DC联络环节830。母线832连接到供电线路826和无功补偿母线842。母线834以相似方式连接到线路828和无功补偿母线844。

背靠背连接的DC联络环节830的每一侧包括两台变压器(例如在第一系统侧的变压器YY和Y△；在第二系统侧的变压器YY和△Y)以及一12个脉冲变流器组。如在图8中所示，用于联络环节830的第一侧的该12脉冲变流器组包括两个6脉冲变流器组850和852；用于联络环节830的第二侧的该12脉冲变流器组包括两个6脉冲变流器组860和862。像3相组表示的一样，每个变流器组包括6个可控硅元件，其连接方式是本技术领域的熟练人员所熟知的。一平波滤波器864连接在变流器组850和860之间。

在图8中还表示有分别连接到无功补偿母线842和844的无功功率供给系统870和880。无功功率供给系统870包括利用开关872连接到母线842上的并联电抗器871以及分别利用开关874A、874B和874C连接到母线842上的滤波器支路873A、873B和873C。与之相似，无功功率供给系统880包括一利用开关882连接到母线844上的并联电抗器881以及分别利用开关884A、884B和884C连接到母线844的滤波器支路883A、883B、883C。虽然，表示的是三个这样的滤波器支路873A-873C以及883A-883C，应理解，在每个无功功率供给系统870、880中可以包含更多数量的滤波器支路。

对于任何特定的IVDC装置，无功功率供给系统例如系统870和880是难于设计并且是费用很高的。况且，使用大量的必须认真地与给定的功率等级相配合的开关元件。同时施加了各种各样的限制，例如保持谐波的运行指标低于所需的数值(即谐波运行指数)以及还要维持无功功率在限值之间，随着功率变化随时经常开关转换系统870和880中的滤波器。关于这些限制参阅(例如)Larsen和Miller在1989年4月在IEEE T&D Conference，New Orleans上的“用于HVDC系统的AC滤波器的技术规定”。

由于例如需要谐波滤波、控制和无功补偿密切地协调配合，所以HVDC是复杂的。此外，当任一侧的AC电力系统的容量较HVDC的额定功率要低时，HVDC的运行指标受到限制。此外，由于有大量的高压开关和滤波器组，HVDC不得不需要很大的空间。

现有技术的旋转式变流器采用两级变换，在同一轴上具有全额定值的发电机和全额定值的电动机。旋转式变流器采用由AC到DC和由DC到AC的功率变换。然而，这种旋转式变流器不能在不同的频率下直接由AC向AC变换。此外，旋转式变流器按照一种预定的转速(在几百或几千RPM下)连续运转，实际上本身作为电动机运转。因而，现有技术的旋转式变流器不能解决两个互连的电力系统按照各自不同的频率分布范围随机游动的问题。

在一种完全不同的技术领域中，有一文献介绍了一种用于电动机的速度控制的不同类型的“自同步”驱动装置。参阅Puchstein、Llody和Conrad在由John Wiley & Sons Inc，New-York出版的第3版的“交流电机”的425-428页，特别是在428页上的图275；以及由Kron所著由John Wiley & Sons，Inc．New York出版的“电机的等效电路”的150-163页，特别是在156页上的图9．5a。该文献仅在电动机的速度控制的内容中列举了不同的自同步驱动装置，即通过对在电动机和发电机之间相对速度进行调节控制电动机转速。然而，差分式自同步驱动装置的带宽较低，不能有效地阻尼电动机的振荡。

发明概述

本发明的电力互连系统包含一旋转变压器(rotary transformer)和一控制系统。该控制系统调节旋转变压器的角位置，以使所测量的由第一电力系统向第二电力系统传输的功率与输入指令功率相匹配。该旋转变压器包含转子组件和定子，利用控制系统调节在一定时间范围内转子速度对时间的积分。

控制系统包括第一控制装置和第二控制装置。第一控制装置将输入的指令功率与测量的功率相比较，以便产生所需的角速度信号。第二控制装置将旋转变压器所需的角速度信号与所测量的角速度信号相比较，以便产生变换器(converter)驱动信号，借此控制转子组件相对于定子的角位置。

该旋转变压器包含连接到第一电力系统的转子和连接到第二电力系统的定子。转矩控制装置或拖动机构响应于由控制系统产生的驱动信号旋转转子。

这样选择控制系统的带宽使之能阻尼各种振荡(转子的固有振荡，该转子包含对其所在传输网络的反作用)。第一(慢速)控制装置的带宽选择低于最低的固有振荡频率；第二(快速)控制装置的带宽选择高于最高的固有振荡频率。在这里所用的控制装置或控制系统的带宽是指闭环反馈装置或系统的响应速度。

第一和第二电力系统可以具有不同的电气性能(例如频率或相位)。控制器控制旋转变压器按双向方式以可变速度运行，用以由第一电力系统向第二电力系统传输功率，或者相反(即由第二电力系统向第一电力系统传输功率)。

在某些实施例中，转矩控制装置(拖动机构)是电动机。在这样的实施例中，转矩控制装置或者直接驱动转子，或者经过齿轮装置与转子相连接。在一特定的实施例中，该齿轮装置是一蜗轮蜗杆装置。

在另一些实施例中，转矩控制装置结合到旋转变压器的转子组件和定子之中成一整体。在这样一些实施例中，转矩控制装置的功能的实现是利用在转子和定子上设有的两组绕组，在转子和定子上的第一组绕组的极数(例如2极)不同于在转子和定子上的第二组绕组的极数(例如4极或更多极)。其中转矩控制装置结合到旋转变压器的转子组件和定子中的实施例包括鼠笼式感应电机实施例；DC励磁转子(同步)实施例以及AC绕线式转子实施例。

本发明的互连系统可在一变电站中采用，用以连接异步的二电力系统，例如具有不同电频率的第一和第二电网。本发明的互连系统不仅传输功率，而且还通过实现带负载移相快速地调节功率。

在本发明中，控制旋转变压器的机械转矩，以实现由定子绕组向转子绕组传输指令的功率。本发明不同于现有技术，现有技术控制由转子向定子绕组传输功率是为了控制作用于负载上的转矩(以及因此控制其转速)。此外，在本发明中，为了传输全额功率，转子和定子绕组是额定的，而在现有技术的应用中，转子绕组只是定子绕组一个很小的比例。

重要的是，本发明不像现有技术HVDC那样需要使谐波滤波、控制和无功补偿亲切协调配合。本发明还便利地实现一步变换。

附图简述

通过对在附图中表示的各优选实施例的如下更详细介绍，将会使本发明的上述以及其它目的、特征、优点变得更明显，在附图中，对于相同的部分在各种视图中使用相同的标号。附图无需按比例，而是强调说明本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的电力互连系统的示意图，

图2是以局部透视图表示的根据本发明的实施例的电力互连系统的局部示意图，

图3A是根据本发明的实施例的采用蜗轮蜗杆装置的电力互连系统的侧视图，

图3B是图3A中的电力互连系统的俯视图，

图4是一用于将第一电力系统和第二电力系统相互电连接的变电站的示意图，

图5是表示本发明的电力互连系统的转矩控制要求的曲线图，

图6是表示本发明的电力互连系统的容量曲线的示意图，

图7是一实施例的俯视示意图，其中，转矩控制装置结合组装在旋转变压器的转子组件和定子之中。

图7A是一实施例的俯视示意图，其中，转矩控制装置结合组装在按鼠笼式感应电机结构形成的旋转变压器的转子组件和定子之中。

图7B是一实施例的俯视示意图，其中一转矩控制装置结合组装在以DC励磁的转子(同步式)结构形成的旋转变压器的转子组件和定子之中。

图7C是一实施例的俯视示意图，其中一转矩控制装置结合组装在以AC绕线转子结构形成的旋转变压器的转子组件和定子之中。

图8是以单线图示意表示的一作为现有技术的HVDC互连系统。

图9是表示本发明的互连系统的相位矢量的矢量示意图。

附图详述

图1表示一电力互连系统100，包括一可变频的变压器102和控制系统104。如下面参照图2更详细介绍的，可变频的变压器102利用三相线路RA、RB、RC(包括在线路26中)连接到第一AC电力系统22以及利用三相线路SA、SB和SC(包含在线路28中)连接到第二AC电力系统24。正如下面解释的，第一电力系统和第二电力系统可以具有或很可能具有不同的的电气特性，例如不同的电频率。

如图1中所示，可变频的旋转变压器102包括一旋转变压器组件105和转矩控制装置106(也称为转子驱动部分)。下面联系图2更详细地介绍旋转变压器组件105和转矩控制装置106的详细情况。

也如在图1中所示，控制系统104包括一慢速功率控制装置107、快速速度控制装置108以及功率变送器109。慢速功率控制装置107的连接在于接收来自第一AC电力系统22经线路26传输的电压V1和到第二AC电力系统24经线路28传输的电压V2，以及(经过功率变送器109)一代表沿线路26发送的测量功率P₁的信号。慢速功率控制装置107的连接也在于接收功率指令输入信号P₀和向快速速度控制装置108输出信号ω₀。快速速度控制装置108依次由速度传感器111接收信号ω_r，并向转矩控制装置106输出驱动信号T₀。

如在图2中更详细表示的，旋转变压器组件105包括转子组件110和定子112两方。转子组件110包括集电环114(也称滑环)以及转子鼠笼部分116。由第一AC电力系统22引来的三相线路RA、RB、RC连接到集电环114上，引到第二AC电力系统24的三相线路SA、SB和SC连接到定子H2。转子组件110具有一接近转子组件安装的速度传感器111，用于产生表示转子角速度的角速度信号ω_r。

如在图2中所表示的以及由在本技术领域中的熟练人员所理解的，在所示实施例中，旋转变压器组件105按60°相带绕有标为RA+、RC-、RB+、RA-、RC+和RB-的转子绕组以及标为SA+、SC-、SB+、SA-、SC+和SB-的定子绕组。应当理解，本发明并不局限于按60°相带绕制的方式，相反，本发明的原理适用于二相或更多相的旋转变压器组件。

转子组件110可绕其轴线RX沿顺时针方向CW和逆时针方向CCW双向旋转。利用转子驱动部分106使转子组件110旋转。

转子驱动部分106在图2中是按照在转子组件110上安装的圆柱形部分示意表示的。因此，在图2中的转子驱动部分106通常描述为使转子组件110旋转的各种交流的不同类型的驱动机构。在某些实施例中，转子驱动部分106包括一拖动机构以及与转子组件110连接的某些类型的联动机构(例如齿轮)。例如，在一个实施例中，转子驱动部分106包含如在图3A和3B中所示的和下文讨论的蜗轮蜗杆传动装置。在另一实施例中，转子驱动部分106包含一个拖动机构，如经过星形齿轮(例如正齿轮)产生作用的步进电动机，定向驱动装置，使在转子组件10上的齿轮运转的液压拖动机构或使在转子组件10上的齿轮运转气动拖动机构。在图7中概括表示的另外一些实施例中，通过在转子和定子上设有两组绕组来实现转矩控制装置(例如元件106″)的功能，在转子和定子上的第一组绕组具有的极数(例如2极)与在转子和定子上的第二组绕组的极数(例如4极或更多)不同。因此，对于转子驱动部分106可以采用任何适合的驱动机构，只要能与这里所介绍的转子组件110的闭环控制的角位置相兼容。

控制系统104按双向方式控制转子组件110(通过转子驱动部分106)，用以由第一AC电力系统22向第二电力系统24传输功率，或者相反。在工作过程中，控制人员根据在AC电力系统22和24之间预定安排的预定功率传输要求，设定功率指令输入信号P₀。设定功率指令输入信号P₀可以通过在控制人员操作的控制盘或工作站CP处操作按钮或调节输入数据来实现，以便产生代表指令的功率的信号P₀。在图1所示的特定实施例中，控制盘CP远离互连系统100。

慢速功率控制装置107将该功率指令输入信号P₀与所测量的功率传输信号P₁相比较，以便产生所需的角速度信号ω₀。所测量的功率传输信号P₁是利用功率变送器109由三相线路26得到的。功率变送器109可以是本技术领域中的熟练人员易于理解怎样得到信号P₁的常规的各种计量仪器中的一种。

在所述实施例中，慢速功率控制装置107是一个积分器，其测量指令功率信号P₀和所测量的功率信号P₁之间的差(即P₀-P₁)，并将该结果输入一积分功能元件，以便产生所需的角速度信号ω₀。慢速功率控制器107具有很低的增益，以防止通常按3弧度／秒产生的AC系统固有的动态特性带来的干扰(下文介绍)。

第一速度控制器108接收所需的角速度信号ω₀和测量的角速度信号ω_r。如前所述，所需的角速度信号ω₀是由慢速控制器107产生的。测量的角速度信号ω_r是由速度传感器111得到的。快速控制器108在线路134上产生驱动信号(也称为转矩指令信号T₀)，以便使ω_r接近等于ω₀。本技术领域的熟练人员了解怎样利用信号ω_r和ω₀产生驱动信号T₀、控制作为快速速度控制器108的常规的电动机驱动装置。

因此，快速速度控制器108运行以便调节沿线路134输向转矩控制装置106的驱动信号T₀，使得转子组件110的实际转速ω_r跟踪指令的转速ω₀。快速控制器108的闭环控制的带宽应当超过转子组件110的最高固有振荡频率，其中包括转子组件对包含有转子组件的传输网络的反作用，该带宽通常小于100弧度／秒。

通常，固有的振荡频率的范围从约3弧度／秒到50弧度／秒，并且一般小于30弧度／秒。与快速速度控制器108的带宽(响应速度)相关连，在所述实施例中，由指令速度ω₀的变化到转子组件110的实际速度ω_r形成的相位滞后对于正弦扰动小于90°。保证这种响应的带宽将又再保证控制系统使所有这些固有振荡频率将受到有益的阻尼。

沿线路134的驱动信号T₀的方向性(例如极性)取决于功率流的方向(例如取决于功率是从AC电力系统22向AC电力系统24传输，或者相反)。由转子驱动部分106利用沿线路134传输的驱动信号T₀的幅值来增减该转子组件110的转速，以便与AC电力系统22和AC电力系统24的频率差相适应。

如图2所示，线路134上的驱动信号T₀提供给转矩控制放大器150。由转矩控制用电源152向转矩控制放大器150提供电能，借此，利用线134上的驱动信号T₀，转矩控制放大器150向转矩控制装置106输出三相信号TA、TB和TC。正如在本文和本技术领域中所通用的，TA总体指TA+和TA-，TB总体指TB+和TB-。如此等等。

图9是一对一基准相位矢量V_ref所绘的相位矢量示意图。图9表示代表在AC电力系统22处的电压V₁的电压相位矢量V₁、表示在AC电力系统24处的电压V₂的电压相位矢量V₂以及在线路26上的AC电压参照于相位矢量V_ref的相角θ₁，在线路28上的AC电压参照于相位矢量V_ref的相角θ₂以及θ_r。在图2中还表示了转子组件110相对于定子112的角位置θ_r，根据通常的实践可以理解，当RA+与SA+正好在一直线上时，θ_r为零。

互连系统100的目的在于使可变频的变压器102的转速和角位置θ_r的形成能通过在AC电力系统22和AC电力系统24之间的互连系统100传输所需的功率(即，由指令功率信号P₀所指定的)。实质上，互连系统100控制角θ_r(见图9)，使得测量的功率信号P₁与指令功率信号P₀相匹配。在线路134上的驱动信号T₀用于调节转子组件110相对于定子112的相对角度θ_r，使得旋转变压器102的转速和角度能按指令的功率值传输功率。

通过互连系统100传输的功率由方程1近似表示：

P₁=V₁·V₂Sin(θ₁-θ₂+θ_r)／X₁₂    …(1)其中，P₁是通过互连系统100的功率；

V₁是线路26上的电压数值；

V₂是线路28上的电压数值；

θ_r是参照于该基准相位矢量V_ref的线路26上的AC电压相角；

θ₂是参照于该基准相位矢量V_ref的线路28上的AC电压的相角；

θ_r是转子组件110相对定子的相角；

X₁₂是线路26和28之间的总的电流。

有一个沿每一方向的可能通过互连系统100的理论上的最大传输功率。由方程2得到该理论上的传输功率的绝对值：

P_MAX=V₁V₂／X₁₂    (2)

当沿一个方向的有效角度θ_net近于90°时产生这种情况，由方程3可以理解：

θ_net=θ₁-θ₂+θ_r=±90°    (3)

为了稳定运行，角θ_net的绝对值必须明显小于90°，这意味着，传输功率将被限制到由方程2给出的理论上的最大值的某一百分值。在这个范围内，传输功率对该有效角度遵循一单调变化近于线性的关系，可以用方程4近似表示：

P₁=P_MAXθ_net    (4)

图9中所示的AC电压的相角由相应的电压频率对时间的积分来确定，而转子组件110的角度由转速对时间的积分来确定，如由方程(5)所表示的：

P₁≌P_MAx[∫(ω₁(t)-ω₂(t))dt+∫(ω_r(t))dt]    (5)

其中ω₁(t)是作为时间的函数的线路26上的电压频率；

ω₂(t)是作为时间的函数的线路28上的电压频率；

ω_r(t)是作为时间的函数的转子组件110的频率。

因此，传输的功率直接受转子组件110的轴速在一定时间范围内对时间的积分的影响。这种特性使得通过测量传输功率P₁以及调节对于轴速(ω₀)的指令值可以实现本发明的功率调节的控制回路。通过使这一功率调节器的带宽良好地保持低于该系统的最低振荡频率(通常低于3弧度／秒)，将不会牺牲对转子振荡阻尼衰减的目标要求。

当测量的功率超过根据测量的电压计算的限值的，利用快速限制功率的功能环节，以便取代常规的慢速功率调节器。这一限值是由方程6表示的理论上最大的功率的某一百分值：

P_LIMIT=F_LIMITP_MAX    (6)其中P_LIMIT为极限功率(适用于任一方向)；

F_LIMIT为理论上的功率值的可允许的最大百分值。

这里所采用的相位指电的相位。如果极数多于二，转子组件110的机械角度和电角度之间的相互关系为：

机械角度=2／极数*电角度

通过使转子组件110本身相对定子120移动形成相位移。转子组件110的角位置可以按照意愿维持超前或滞后。通过改变转子角位置来形成相位移，并因此调节互连系统100的各相之间的互感。

旋转变压器105的极数(NP)通常取决于系统的参数，例如可能具有的气隙的数目。然而，系统的极数(NP)对于如由表达式NMD=2*EFD／NP表示的指定的电频率差(EFD)传输一定功率所需的转子角位移的机械角度数(NMD)会产生影响。因此，高的极数(高的NP)可以大为降低为了形成该电相位移所需的机械角位移的度数(NMD)。例如，-30°到+30°的电的相位移对于按30极绕制的转子的电动机仅对应-2°到+2°的机械角位移的度数。由于降低需位移的机械角度，所需的作用力可以大为降低，或者相反，为了形成所需的角位移，大为增加响应时间。

图3A和3B表示具有特定的转子驱动部分(转矩控制装置)106′的传输电功率的互连系统100。转子驱动部分106′采用作为一种联动装置的与转子星形齿轮162相啮合的蜗轮蜗杆装置160，另外采用了作为一种拖动机构的蜗轮蜗杆装置的伺服驱动机构(例如步进电动机)。此外，图3A和3B表示了利用特定的止推和径向轴承170以及顶部径向轴承172的转子组件110的具体安装结构，这些轴承便于使转子组件110就位和旋转。转子驱动部分106′的优点在于，该蜗轮蜗杆驱动装置往往是自锁的。如与其相连的伺服驱动机构164未转动，转子组件110会锁定位置，直到电相位误差达到360°为止。这时，保护性的转换作用将使互连系统110处于离线状态。

如上所述，在另外的实施例中，对于转子驱动部分106采用了其它类型的机构。尽管图3A和3B中的转子驱动部分106′使转子组件110与蜗轮蜗杆装置160形成一种硬连接，这种硬连接对于其它的实施例并不是必需的。例如，在一个实施例中，一扭力弹簧／阻尼器系统介于在蜗轮蜗杆装置160和转子组件110之间，以便调节机械动态特性。在这样一种系统中，以蜗轮蜗杆装置为基础的转子驱动部分106′形成相位移(例如20°电角度)，则使电能和机械能的组合受到调节，以便与馈电负荷的时间常数相适合。其结果是向用电侧均匀输入功率和使系统负荷稳定。

图7A、7B和7C表示总体由图7表示的转子驱动部分的各种具体实施方式，这此实施方式是分别按照转子驱动部分106"A、106"B和106"C表示的。图7A、7B和7C表示的各个实施例，其中的转子驱动部分归并到旋转变压器110中的转子组件110和定子112中。具体是，图7A表示鼠笼式感应电机实施例；图7B表示DC励磁转子(同步型)实施例，图7C表示AC绕线式转子的实施例。

下面参阅图7A、7B和7C所示的实施例，该转子驱动部分106"A、106"B和106"C相应地全都采用了在4极转子／定子结构内部的2极转子／定子结构。在这些实施例中，可看出转子组件110"沿其外周边具有如在图2中所示的相同的2极转子绕组(这些共同的转子绕组被遮蔽)。此外，转子组件110"具有8个4极转子绕组(位置处在比被遮蔽的2极转子绕组、4极转子绕组距转子组件110"的中心更小的半径处)。定子112"在其内周边具有相同的两极定子绕组，如图2所示(这些共同的定子绕组也被遮蔽)。此外，定子112"具有8个4极定子绕组(位置处在比被遮蔽的2极定子绕组、4极定子绕组距转子组件110"的中心更大的半径处)。在图7A、7B和7C所示的实施例中，4极定子绕组连接到由转矩控制放大器150引出的线路TA+、TB+、TC+、TA-、TB-和TC-，以及连接到图2中所示的RA、RB、RC、SA、SB、SC上。

在图7A所示的鼠笼式实施例中，4极转子绕组本身被短接，从而形成一鼠笼式感应电动机。

在图7B中所示的DC励磁转子式(同步式)的实施例中，速度控制装置108产生另一个提供到励磁放大器700B的信号Efd0(磁场电压)。励磁放大器700B由励磁电源702B得到电源，并向具有2个滑环的滑环组件114B输出信号DC+和DC-。由图2中的集电环114可以了解在滑环组件114B中的滑环的方位。

在图7所示的AC绕线转子式的实施例中，速度控制装置108产生另一个提供到转子励磁放大器700C的信号TR0(转子电流信号)。转子励磁放大器700C产生的三相信号TRA、TRB和TRC被提供到滑环组件114C的3个滑环上。

在图7A、7B和7C所示的实施例中，对于4极结构的气隙(在转子和定子之间)的磁通，其旋转仅为对于2极结构的气隙磁通的速度的二分之一。因此，4极磁通对于2极结构的影响平均值为零，仅有一“脉动”值。换句话说，如果2极结构的磁通按照1赫兹旋转，4极结构的磁通按照0．5赫兹旋转，2板结构将会看到0．5赫兹的脉动频率。

虽然，图7A、7B和7C中的实施例表示的是2极和4极结构，应当理解，第二种结构可以多于4极(例如增加两种结构的极数差)，以增加两种结构之间的脉动频率，使脉动保持较低。

按照图7A、7B和7C所示的实施例，利用两组绕组(2极绕组和4极绕组)分别控制平均转矩。例如，按图7中的连接方式所表示的，4极绕组可以用于实现图2中的转矩控制装置106(也称为转子驱动部分)的相同功能。

虽然便利地省去了滑环，图7A中的鼠笼式实施例可以看出，平均转矩是由定子112上的“S”绕组和“T”绕组产生的。因而，控制装置108必须能使这两部分生效，这些是本技术领域的熟练人员易于了解和懂得怎样解决的。

图4表示在变电站200中包含本发明的电力互连系统100的情况。变电站使第一电力系统222和第二电力系统224电气上互连。应理解，第一电力系统222(标作AC电力系统#1)和第二电力系统224(标作AC电力系统#2)具有不同的电气特性。在图4中表示的是，两个系统／电站222和224例如工作在230千伏。应当理解，在其它实施例中可采用其它适宜的电压。

图4中由系统222提供的功率经过串联的电力电容器230(20兆乏)输入变电站200，然后经过100兆伏安的发电机升压(GSU)变压器232由230千伏被降到15千伏。来自变压器232的经过降压的功率沿线路234提供到互连系统100的可变频的变压器102。如图2所示，输入线路234实际上是连接到集电环114上的三相线路RA、RB和RC。在转子组件110上建立电场，以及功率传输到定子112，再由定子112沿15千伏的输出线路236传输。正如由图2所理解的，输出线路236实际上是三相线路SA、SB和SC。由定子112沿输出线路236输出的功率在100兆伏安的发电机升压(GSU)变压器238由15千伏升压到230千伏。然后，由变压器238将升压的功率通过串联的电力电空器240(20兆乏)提供到系统224。

正如由结合图2对于包含在变电站200中的控制器104的上述介绍所理解的。控制系统104监测系统224和系统222两者的频率，这两个频率由于彼此不一致和具有各自的频率范围，处于游动状态。当监测功率流时，控制器104产生用于调节转子组件110角位置的驱动信号，使得电功率可以由系统222向系统224传输。

按照上述关系，如果系统222处于59．9赫兹下，系统224处于60．1赫兹下。为了由系统222向系统224传输功率，互连系统100需产生0．2赫兹的变化。对于2极装置，旋转变压器105的必须具有的转速将为每分钟120*(0．2)／1=12转。提供这一事实在于，这些频率也处于脉动或游动之中，旋转变压器105通常也可能有±0．50赫兹的脉动，或者对于2极的等效电机速度范围由+30到-30转／分(RPMs)。

图5表示在控制转矩以及第一和第二电力系统之间的传输功率之间呈现线性关系。为了向电机输入恒定的功率以及维持恒定的负载功率因数，所形成的电磁转矩是恒定的。随着系统间滑差的增加，使二系统协调所需的RPM(ω_r)增加，转矩和转速的乘积为驱动器所需的功率。

图6表示本发明的驱动系统的实际的容量曲线。在图5中表示了控制转矩和传输功率之间的相互关系。如果最大转矩是利用一电机类型的驱动装置提供的(例如对于蜗轮蜗杆装置轴承传动的最大推进力额定值)，“传输功率”是电机的热额定值。“传输功率”基本上是由材料限制的，分别受所能允许的绕组的绝缘等级或材料的应力的限制。

按照本发明，控制旋转变压器的机械转矩以实现指令的功率由定子绕组向转子绕组传输。本发明与现有技术对比，现有技术控制由转子绕组到定子绕组传输的功率，用以控制施加到负载的转矩(以及因此控制其转速)。此外，按照本发明，转子绕组和定子绕组的额定值适合于全功率传输，而在现有技术应用中，定子绕组仅是定子绕组的一很小部分比例。

重要的是，本发明不再像现有技术HVDC那样需要使滤去谐波。控制以及无功补偿密切协调配合。本发明还便利地实现一步变换。

便利的是，本发明的互连系统100通过控制转子角度θ_r(即转子组件110的角位置)进行连续的移相。通过使互连系统的电压360°旋转，使该系统形成一频率十分低的同步变换器，该互连系统100能够对电相位进行连续的调节。此外，互连系统100可以重复地产生大的角位移，以便在大的系统上快速改变功率的状态下能实现大的电的相位移。

因此，与常规的旋转变换器不同，转子组件110不是按照恒定的角速度旋转，而是，代之以按照控制系统104的要求以连续可变的角速度旋转。此外，如图2所示，由于转子组件110可沿顺时针方向CW和逆时针方向CCW旋转，能得到双向的角速度。

而典型的同步变压器按照恒定的几百或几千RPM的单一方向的角速度运转，互连系统100的旋转变压器105通常正向或反向按照小于50RPM的转速旋转。

互连系统100能保证精确可靠的相位移控制，能够跟踪频率漂移和在控制用的所有4个象限内控制相位。因此，互连系统100不仅传输功率，而且还可以通过实现带载移相快速调节功率。

虽然，上面对于互连功能进行了介绍，互连系统100还可以用作能量存储系统。互连系统100可以利用转动惯量用于存储能量，以便平均从而限制大的脉动负载，与在用于钢铁加工的电孤熔炉中已有设备相似。

虽然，参照本发明的优选实施例已具体表示和介绍了本发明。本技术领域的熟练人员会理解，在不脱离本发明的构思和范围的前提下在构成和细节方面可以进行各种改变。例如，虽然在上面的介绍中，供电的电力系统已介绍是连接到集电环114上而受电的电力系统已介绍是连接到定子112上的，应理解为，这些连接可以按相反的方式进行。

其中对独有的特征或特许权提出权利要求的本发明的各实施例定义如下：

Claims (9)

1．一种电力互连系统，供互连第一和第二电力系统，包含：

一旋转变压器，其转子连接到第一电力系统，其定子连接到第二电力系统；

一控制器，用于调节旋转变压器的角位置，从而使预定的电力从第一电力系统传送到第二电力系统，

其特征在于，该控制器是一闭环角位置控制系统，控制操作旋转变压器，用于由第一电力系统向第二电力系统传输功率。

2．根据权利要求1所述的系统，其中，控制器包含：

第一控制装置，将用于在第一电力系统和第二电力系统之间传输功率的一输入指令的功率信号P₀与测量的功率信号P₁进行比较，产生一所需的角速度信号ω₀；

第二控制装置，将旋转变压器的所需的角速度信号ω₀与测量的角速度信号ω_r相比较，产生一驱动信号T₀。

3．根据权利要求1所述的电力互连系统，其中，控制器调节旋转变压器的角位置，使得由第一电力系统向第二电力系统传输预定的功率。

4．根据权利要求1或2所述的系统，其中，控制器的带宽选择得能阻尼互连系统中的固有振荡。

5．根据权利要求1所述的系统，其中，第一电力系统和第二电力系统是各自的第一电力实业公司和第二电力实业公司。

6．根据权利要求1所述的系统，其中它还包括：

一连接到第一电力系统的降压变压器；和

一连接到第二电力系统的升压变压器；

7．根据权利要求6所述的系统，其中，所述转子连接到降压变压器和升压变压器中的第一台变压器；

所述定子连接到降压变压器和升压变压器中的第二台变压器；且其中的互连系统还包含一用于旋转转子的转矩控制装置。

8．一种使两个电力系统互连的方法，该方法包含：

将一旋转变压器的转子连接到第一电力系统，将旋转变压器的定子连接到第二电力系统；

调节旋转变压器的角位置，使得能由第一电力系统向第二电力系统传输预定的功率，其特征在于：

调节由一个控制旋转变压器使其将电力从第一电力系统传送到第二电力系统的闭路角位置控制系统进行。

9．根据权利要求8所述的方法，所述调节步骤还包括：

将对于在第一电力系统和第二电力系统之间传输功率的输入指令功率信号P₀与测量的功率信号P₁相比较，以便产生所需的角速度信号ω₀；

将旋转变压器所需的角速度信号ω₀与测量角速度信号ω_r相比较，以便产生驱动信号T₀。

Images