專利名稱：具有功率流控制器的低阻抗輸電線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于公用電力系統(tǒng)的功率流調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
輸電線用來將電能從公用網(wǎng)絡(luò)中的一個點傳輸至另一點(例如從發(fā)電站傳輸?shù)阶冸娬?。輸電線具有相關(guān)的電阻抗，其典型地用歐姆表示。輸電線的阻抗越高，則沿線路的長度耗散的有效和無功功率的量越大。因此，當輸電線的阻抗下降時，輸電線的效率和傳輸能量的能力增大了。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，一種多線路輸電系統(tǒng)包括第一輸電線，具有第一阻抗特性；第二輸電線，與第一輸電線并聯(lián)和具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性；和功率流控制器，與第二輸電線聯(lián)結(jié)(couple)，用于控制通過第二輸電線的功率的量值和功率流的方向中的至少一個。
本發(fā)明的實施例可以包括一個或多個下列的特征。第二輸電線包括超導體，例如高溫超導體。超導體由低阻抗冷絕緣高溫超導電纜構(gòu)成，其使用由高溫超導體構(gòu)成的導體，例如鉈-鋇-鈣-銅-氧化物；鉍-鍶-鈣-銅-氧化物；汞-鋇-鈣-銅-氧化物；釔-鋇-銅-氧化物；或鎂-硼化物。
制冷系統(tǒng)將冷絕緣高溫超導電纜保持在工作溫度上，其低至足以使冷絕緣高溫超導電纜能夠具有超導特性。
功率流控制器可以是電抗器。此外，例如相角調(diào)節(jié)器的雙向功率流控制器可以用來調(diào)節(jié)通過冷絕緣高溫超導電纜傳送的功率流的方向?？梢允褂枚鄠€電抗器或多個相角調(diào)節(jié)器且以諸如并聯(lián)和串聯(lián)的各種結(jié)構(gòu)連接。通過改變這些設(shè)備的數(shù)目和結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整電抗和/或相角變化的水平，因而調(diào)整功率流和方向的調(diào)節(jié)水平。
多線路系統(tǒng)可以包括一個或多個非超導輸電線以及一個或多個超導輸電線。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種方法包括下列步驟。具有第一阻抗特性的第一輸電線連接至具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性的第二輸電線。功率被提供給第一和第二輸電線。用于第二輸電線的功率流的水平被確定。通過第二輸電線傳送的功率量被調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的這個方面可以包括一個或多個下列的特征。通過超導輸電線傳送的功率流的方向也被調(diào)節(jié)。第二輸電線包括超導體，例如高溫超導體。
冷絕緣高溫超導體的工作溫度被保持在低至足以使冷絕緣高溫超導電纜能夠具有超導特性的水平上。
非超導輸電線可以是傳統(tǒng)的高架輸電線或地下電纜(例如交聯(lián)聚乙烯輸電電纜)。
根據(jù)上述本發(fā)明的上述各方面提供了一個或多個下列優(yōu)點。功率可以更加有效地在各位置之間傳送，使得功率損耗降低和壓降降低。與高溫超導體系統(tǒng)有關(guān)的無功功率損耗的降低也降低了對無功功率補償?shù)男枰驮试S系統(tǒng)兩端的更加統(tǒng)一的電壓分布。通過利用諸如一個合并的冷絕緣高溫超導體的超導輸電線進一步提高了效率。通過使用功率流控制器，例如電抗器和/或相角調(diào)節(jié)器，經(jīng)過超導輸電線的有效功率的量和功率流的方向可以被調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)進一步允許這種輸電線被合并入合并了傳統(tǒng)的輸電線的電力網(wǎng)或系統(tǒng)中，其中傳統(tǒng)的輸電線例如為傳統(tǒng)的高架輸電線或地下電纜(例如交聯(lián)聚乙烯輸電電纜)。此外，由于超導輸電線的低阻抗，價格比較低廉的相角調(diào)節(jié)器可用于提供相同水平的電流調(diào)節(jié)(當與非超導輸電線相比時)。
本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)在附圖和下面的描述中給出。本發(fā)明的其他特征、目標和優(yōu)點從下面的描述和附圖以及權(quán)利要求變得顯而易見。


圖1是使用傳統(tǒng)輸電線的輸電系統(tǒng)的示意圖；圖2是輸電線的示意圖；圖2A是示出了發(fā)送和接收電壓之間的角度關(guān)系的矢量圖；圖3是使用超導輸電線的輸電系統(tǒng)的示意圖；和圖4是多線路輸電方法的流程圖。
各種附圖中的相同的參考符號表示相同的元件。
具體實施例方式
參考圖1，輸電系統(tǒng)10示出為包括多個輸電線12、14和16，用于在典型地分開許多英里的第一發(fā)電站18和第二發(fā)電站20之間傳送電能。發(fā)電站18和20還可以是發(fā)電廠或變電所。
輸電線典型地以115,000伏特和765,000伏特之間的高電壓傳送功率。這些高電壓通過變電站逐步降低至較低的電壓(例如69,000至138,000伏特)，和后來可以在發(fā)送給用戶之前通過配電站(未示出)再次逐步降低。這些值是典型的且根據(jù)應用和位置而變化。
每個輸電線12、14和16具有阻抗值(Z)，表示每單位長度的阻抗，典型以歐姆歐姆為單位。為了降低損耗和增大效率，這些阻抗應該最小化。當功率通過輸電線12、14和16傳送時，功率流在三條線路之間分配，使得通過每條線路的功率的水平與它的阻抗成反比。因此，如果線路12、14和16分別具有2歐姆、4歐姆和6歐姆的阻抗，和300兆瓦正被分配給輸電線，則功率流將如如下的分布

由于輸電線12的阻抗是輸電線14的阻抗的一半，所以有兩倍的功率被通過輸電線12傳送。輸電線12、14和16具有在2歐姆至6歐姆的范圍內(nèi)的阻抗值，其被認為對于69kV、115kV和138kV的高架輸電線是在正常范圍之內(nèi)。
參考圖2，示出了輸電線的示意模型30。輸電線可以被建模(modeled)為一系列電阻器(例如電阻器32)、電容器(例如電容器34)和電感器(例如感應器36)。輸電線的阻抗使用下列通式來計算Z=R2+X2]]>Z是高壓輸電線的阻抗(以歐姆為單位)，R是輸電線的電阻(以歐姆為單位)和X是線路的感抗(以歐姆為單位)。當電容器C是到地的分路時，輸電線的電容對輸電線的阻抗的影響是微不足道的，因此不是所述通式的因素。由于輸電線的感抗典型地為輸電線的電阻的六倍至二十倍，所以高壓輸電線的阻抗(Z)基本上等于輸電線的感抗(X)。
參考圖3，輸電系統(tǒng)10′示出為三條輸電線之一被替換為超導輸電線50和功率流控制器52(將在下面討論)。典型地，低阻抗多線路高溫超導體(HTS)輸電線具有的阻抗是同樣長度和電壓的高架輸電線的1/20，或者在這種情況下為大約0.10歐姆。
超導輸電線50使用低阻抗冷絕緣高溫超導電纜來構(gòu)造。冷絕緣HTS電纜使用由下列形成的導體鉈-鋇-鈣-銅-氧化物；鉍-鍶-鈣-銅-氧化物；汞-鋇-鈣-銅-氧化物；釔-鋇-銅-氧化物和鎂硼化物。超導輸電線具有的阻抗典型地比傳統(tǒng)(即非超導)地下電纜或高架輸電線低六至二十倍。包括冷絕緣電纜的HTS輸電電纜已經(jīng)且繼續(xù)由下列公司證實Pirelli Cavi e Sistemi S.p.A、住友電氣工業(yè)株式會社和Southwire公司。
由于當在低溫下工作時這些低絕緣HTS電纜才實現(xiàn)超導特性，輸電系統(tǒng)10′典型地包括制冷系統(tǒng)54。制冷系統(tǒng)54典型地為低溫冷卻器，其將低阻抗輸電線50的工作溫度保持在低至足以允許低阻抗HTS導體具有超導特性的工作溫度下。
HTS輸電線的電阻(R)和感抗(X)分別是大約300和6的因數(shù)，小于額定為相同電壓的傳統(tǒng)非超導地下輸電電纜的電阻和感抗。此外，HTS輸電線的電阻(R)和感抗(X)分別是大約800和20的因數(shù)，小于額定為相同電壓的傳統(tǒng)高架輸電線的電阻和感抗。超導輸電線的阻抗降低則降低了電源和負載之間的VAR損耗和壓降，其降低了對無功功率補償?shù)男枰吞峁┝司W(wǎng)絡(luò)兩端的更加統(tǒng)一的電壓分布。
使用超導體輸電線的另一個優(yōu)點是發(fā)電機和負載之間的有效電距離(electrical distance)。這降低了對于角度和電壓不穩(wěn)定性問題的潛在性。例如，如果電源和負載距離二十英里，則HTS輸電線的相對低阻抗將有效電距離從二十英里降低到一英里。這種降低是由于前面提到的高架輸電線和HTS輸電線的阻抗為20∶1的比率。有效電距離的降低對于例如遠離市中心區(qū)的發(fā)電機是有利的。
感抗(X)的降低比電阻的降低相對更加重要，由于是感抗確定通過每個并聯(lián)輸電線的功率流的比例。
例如，繼續(xù)上述的示例，如果300兆瓦的功率正在發(fā)電站18和20之間傳送，和輸電線12具有2歐姆的阻抗，輸電線14具有4歐姆的阻抗，和冷絕緣超導電纜50具有0.1歐姆的阻抗，則功率流將如如下的分布

超導輸電線的使用允許從非超導輸電線減少或轉(zhuǎn)移電流負載。由于種種原因(例如，負載平衡，合同安排，功率流最佳化，等等。)限制和/或調(diào)節(jié)被允許通過超導輸電線50的電流量是合乎需要的。因此，功率流控制器52與超導輸電線50聯(lián)結(jié)，以通過超導輸電線控制阻抗或相角(因此是有效功率)。
如上面的表所示，用超導輸電線置換″非超導″輸電線導致所有傳輸功率的大約百分九十三被通過超導輸電線50傳送。這轉(zhuǎn)化為三百兆瓦中有兩百七十九兆瓦在超導輸電線50上傳送。
功率流控制器52可以是一個或多個電抗器55、56和57。電抗器是通過將它們自己的阻抗添加到輸電線的標準阻抗中來限制可以在輸電線(即超導輸電線50)上傳送的電流量的設(shè)備。通過激活或去激活一個或多個電抗器55、56和57，可以實現(xiàn)所需的阻抗特性(即功率流控制)。電抗器可以從各種供應商獲得，例如加拿大安大略省斯卡伯勒市的Trench有限公司。
功率流控制器52也可能是雙向的；也就是說，它也控制流過輸電線的電流(因此和功率)的方向。如果雙向控制或微遞增流量變化是所需的，則相角調(diào)節(jié)器58能夠與超導線50聯(lián)結(jié)。
相角調(diào)節(jié)器(也稱為功率角調(diào)節(jié)器或移相器)引入循環(huán)功率流，其經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸電線和通過或多或少與調(diào)節(jié)的輸電線并聯(lián)的所有輸電線返回。參考圖2和2A，通過改變循環(huán)功率流，相角調(diào)節(jié)器58改變例如位置18上的電壓的發(fā)送端電壓(Vs)和例如位置20上的電壓的接收端電壓(Vr)之間的相角(θ)。這反過來依照下列方程式控制通過超導輸電線50的功率流(P)的量值和方向其中(θ)是發(fā)送和接收端電壓之間的角度差。
P=(Vs)(Vr)(sinθ)Z]]>其中θ是發(fā)送電壓(Vs)和接收電壓(VR)之間的角度差(參看圖2A)。
如上述方程式所示，功率流(P)可以隨著阻抗值(Z)的變化而變化。由于超導輸電線50具有極低阻抗(Z)，所以上述方程式的靈敏度由于作為分母的極低阻抗(Z)而增大。通過改變發(fā)送端電壓(Vs)和接收端電壓(Vr)之間的相角(θ)，可以調(diào)整電流(即功率流P)的量和方向。此外，由于超導輸電線的阻抗(Z)極低，對于相角(θ)的任何預定變化，可以實現(xiàn)功率流的更大的變化(當與非超導輸電線相比時)。相角調(diào)節(jié)器由許多供應商制造，例如德國紐倫堡的西門子公司。
雖然上面對輸電系統(tǒng)10′的描述是使用或者單個電抗器56或者相角調(diào)節(jié)器58進行的，但是其他布置也是可以的。例如，可以使用多個電抗器或多個相角調(diào)節(jié)器且以諸如并聯(lián)混聯(lián)的各種結(jié)構(gòu)連接。通過改變這些設(shè)備的數(shù)目和結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整電抗和/或相角變化的水平，因而調(diào)整功率流和方向的調(diào)節(jié)水平。
雖然上面對系統(tǒng)的描述是使用冷絕緣高溫超導電纜進行的，但是其他結(jié)構(gòu)是可以的，例如熱絕緣高溫超導電纜。
參考圖4，多線路輸電方法100包括通過至少一條標準阻抗輸電線在間隔的位置之間傳送102電功率。低阻抗輸電線在各位置之間傳送104電功率。通過低阻抗輸電線傳送的功率數(shù)量被調(diào)節(jié)106。
通過低阻抗輸電線傳送的功率流的方向也被調(diào)節(jié)108。低阻抗輸電線是超導輸電線，例如冷絕緣高溫超導電纜。
冷絕緣高溫超導電纜的工作溫度保持110在低至足以使冷絕緣高溫超導電纜能夠具有超導特性的水平上。
至少一條標準阻抗輸電線是傳統(tǒng)的高架輸電線或地下輸電電纜。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的許多實施例。然而，應當理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種多線路公用輸電系統(tǒng)，包括第一輸電線，具有第一阻抗特性；第二輸電線，與第一輸電線并聯(lián)和具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性；和功率流控制器，與第二輸電線聯(lián)結(jié)，用于控制通過第二輸電線的功率的量值和功率流的方向中的至少一個。
2.如權(quán)利要求1所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中第二輸電線包括超導體。
3.如權(quán)利要求2所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中第二輸電線包括高溫超導體。
4.如權(quán)利要求3所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中高溫超導體選自下列組成的組鉈-鋇-鈣-銅-氧化物；鉍-鍶-鈣-銅-氧化物；汞-鋇-鈣-銅-氧化物；和釔-鋇-銅-氧化物。
5.如權(quán)利要求3所述的多線路輸電系統(tǒng)，進一步包括制冷系統(tǒng)，用于將高溫超導體冷卻至低至足以具有超導特性的溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中第一輸電線是交聯(lián)聚乙烯輸電線。
7.如權(quán)利要求7所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中功率流控制器是電抗器。
8.如權(quán)利要求1所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中功率流控制器是雙向功率流控制器，其調(diào)節(jié)通過第二輸電線傳送的功率流的方向。
9.如權(quán)利要求8所述的多線路輸電系統(tǒng)，其中雙向功率流控制器是相角調(diào)節(jié)器。
10.一種方法，包括并聯(lián)連接具有第一阻抗特性的第一輸電線和具有比第一阻抗特性小的第二阻抗特性的第二輸電線；提供功率給第一輸電線和第二輸電線；確定用于第二輸電線的功率流的水平；和調(diào)節(jié)通過第二輸電線傳送的功率量。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括調(diào)節(jié)通過第二輸電線傳送的功率流的方向。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括用超導體形成第二輸電線。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中超導輸電線是高溫超導體。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括將高溫超導體保持在低至足以使高溫超導體具有超導特性的工作溫度。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括用交聯(lián)聚乙烯形成第一輸電線。
全文摘要
一種多線路輸電系統(tǒng)(10)包括具有第一阻抗特性的第一輸電線(14)；第二輸電線(50)，與第一輸電線(14)并聯(lián)和具有小于第一阻抗特性的第二阻抗特性；和功率流控制器(52)，與第二輸電線(50)聯(lián)結(jié)，用于控制通過第二輸電線(50)的功率的量值和功率流的方向中的至少一個。
文檔編號H02J3/06GK1682420SQ03821150
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者阿諾德·P·科爾利 申請人:美國超導體公司