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A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明是關於用以控制AC傳輸線上的功率及動態電壓調 整之裝置，特別是指一種用以提供無效功率及正實功率補 償在此類AC傳輸線中之經濟裝置。 技術背景 傳統上，功率系統工程師可用來控制傳輸線中功率流之 方向及大小的唯一裝置，只有相位角調整器（PAR)。PAR 典型上乃由内部連接之變壓器所組成，其中—個特別具有 一大負載分接頭變換器。 雖然PAR提供系統操作者之彈性，但因爲速度慢且其可 靠度較差，故無法獲得大量之使用。且，其會在線路中引 入高的串聯阻抗。造成其速度慢及可靠度差之原因，主要 是因爲使用了機械式之負載分頭變換器。近來對於該負載 分接頭變換器之改良似乎已能改善其可靠度，但是由於其 速度慢（每個分接頭變換需數秒鐘，而主肖度改變時需數 分鐘或更久），使得這些裝置除了靜態狀況外，無法作全 面之使用。其高串聯阻抗乃是起因於兩個變蜃器之連結。 不論該PAR是否在使用中，其串聯繞組之漏電抗常會與傳 輸線路形成串聯。其激磁繞組之漏電抗亦會在相角偏移之 狀況下與傳輸線形成串聯。

藉由相移器來將電抗施加至線路中會變得極爲重要。實 際上，特別是在電纜電路中，常會有PAR之電抗超過線路 電抗之狀況，此時兩者係呈串聯連結。另一考慮點是PAR -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 先 閲 讀· 背 面 意 事 項 再 填 寫 本 頁 裝 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製

义較高限抗’會在高功率轉換準位時，消耗大量之無故功 率’一般而言’必須在接近於PAR處，設置一大的無效功 率源’以在偶發狀況時能夠確保足夠的電I調整。 由於其控制速度慢，且具有較高之阻抗，故系統上由於 PAR之存在’當意外狀況時，一般會被認爲是一種阻礙’ 彼時或許需考慮到其暫態或動能穩定性。爲了暫態與動態 穩定狀況，儘管近來已考慮増加其切換之速度（使用閘流 體切換），但其PAR之固有高電抗仍是一大問題。因爲考 惠到這些問題’故在傳輸系統中常會使用相位角調整器即 不足爲怪，即使其帶給系統操作者在傳輸線路流之控制程 度上無法與任何其它現在裝置相匹配之缺失。 近來，使用三相反相器，藉由一串聯變壓器來施加一電 簦至一輸輸線，以便於作功率傳輸之觀念已被提出。基本 上，其激磁變壓器係以一個三相反相器所取代。該反相器 使用了閘關閉（GTO)之閘流體，其可供應能量至該傳輸線上 或是由該傳輸線吸收能量，形同作爲一自由裝置。當以此 種方式使用反相器時，該裝置乃被稱爲一串聯功率流控制 器（SPFC)。此一控制器係揭示於美國專利第5,198,746號中。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 該SPFC可施加一與線路電流呈正交之電壓。因此，該 SPFC只能提供無效功率之補償。它並無吸收或產生實功 率之能力。雖然可以將該SPFC比擬成是一可變串聯電容 或電感，但其功能較強。然而，其缺點在於，因爲其在低 系統角度時受限於引入相位移之能力，故在極低系統角度 時，該SPFC之實功率傳輸能力很差。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 五、發明説明（ 3 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 爲了要引入相位移，則需要额外之又寸。特別是，必須 要藉由一串聯反相器來施加實功率。除了實功率輿無故功 率之加入與線路所消耗之實功率與無效功率不同之外，亦 存在有相位角之差異。如果實功率之變化會受到雙向（亦 即’由裝置至系統、以及反之亦然）之影響，則所形成之 裝置乃稱爲單—功率流控制器（UPFC)。此一裝置乃揭示於 美國專利第5,343，139號中。此一裝置具有控制無效功率流 、傳輸線阻抗、傳輸線電屬·大小、以及傳輸線電賡相位角 之能力。其實功率是藉由_交流至直流轉換器而由傳輸線 中所取得，且係經由一直流鏈路而供應至串聯反相器。該 UPFC提供一彈性極大的功率流之控制；然而，其並聨之 交流至直流轉換器大大地增加了該裝置之償位及複雜度。 於1995丄5所提出之美國專利申請案第08/368 947號案内 容中’其中之控制方式乃爲非對稱的，故其串聯反相器及 並聨轉換器之MVA速率，可藉由向量相加上一偏要電壓至 該串聯反相器所產生之電壓中，而得以降低。然而，此種 配置仍需要有串聨反相器及並聯之交流至直流轉換器。於-(代理人檔號58,319)所提出之美國專利申請案第 -•號中，揭示一種串聯連接之反相器，其除了可提供 無效功率補償之外，亦可供應正及負之實功率，以控制傳 輪線上之振烫。其所需之實功率係以一個與傳輸線無關之 裝置所提供。可藉由一能量貯存裝置，例如電池或一超導 磁，來提供正及負的實功率。其只需較小的動態補償來控 制振逢，只有電阻性阻抗型式之正實在阻抗可以在正的實 6- 本紙張尺度逋用中國國定捸進ί ΓΜς、A4昶敁&、 - f - 一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（/ ) 4 功率突波期間，用來吸收傳輸線所送來之實功率。這些裝 置需要切換之控制，以調整其實功率之流向。 美國專利第5,32S>，222號中揭示一種動態電廛回貯器，其 内部之一串聯反相器可施加一電屬至傳輸線中，以摘償電 蜃突陷。用以產生此一施加電壓所需之實功率是由一能量 聍存裝置所供應，例如一電容器，最好是在電容器舆轉換 器間使用例如截波器之轉換器，以供應恒定之直流輸入给 串聯反相器。 亦有只需施加正的實功率來控制功率流或動態電壓調整 之申請案。 因此，有必要提供一個不需並聯轉換器或能量貯存裝置 及切換装置，即能夠控制交流傳輸系統上之功率流之裝置 ，以提供實功率之補償。 亦有需要提供一償廉之此種類型的改良裝置。 發明概述 本發明可滿足於這些需求及其它需求，本發明乃關於一 種用於傳輸線之動態功率及電壓調整器（DP/VR)，其除了 能對傳輸線提供無效功率之補償之外，能很經濟地供應實 功率之補償。在本發明之較佳實施例中，其包括有—反相 器，其連接於一個與交流功率傳輸線相串聯之實功率源。 供應至該反相器之實功率是藉由一並聯連接之整流器而由 線路上所取得。其本身之_聯反相器具有供應可變電抗_ 聯補償至線路上之能力。當本發明供應有一實功率源時， 該反相器具有一互補能力，以供應線路上之實功率串聯 I m ^^—^1-imfl ϋ^ι« T ^ \ 0¾. i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 2〇9519 ____ _B7_ 五、發明説明（R ) Ο 償（亦即，對流過線路上串聯電阻所造成之電阻性電壓降 的補償）。因爲一傳輸線之實功率損失乃恒爲正，故由電 阻性補償器所供應之功率亦恒爲正値，且本發明之裝置可 在操作時，在線路上供應••負電阻"特性。本發明之其它申 請内容乃是在系統動態電壓變化時（亦即，系統電壓突陷 時）提供串聯電壓之調整。不需要能量貯存裝置之狀況下 ，即可達成此目標，因爲其實功率是藉由整流器而取自於 線路上。 更特別地，本發明乃是一種用來控制交流傳輸系統之裝 置，其系統包括有一在選定之傳輸電壓下，載送交流電流 之傳輸線，該裝置包括有： 切換功率轉換裝置，於該交流電流之基本頻率、以及可 控制大小及可控制相角下，產生一交流電壓； 將切換功率轉換裝置所產生交流電壓耦合至該傳輸線上 ’並與該傳輸線電壓相串聯之裝置； 控制裝置，控制該交流電蜃之大小及控制該交流電壓之 相位角，使其與交流電流間介於-90電工角至+90度電工角 之任何一個相位角，以施加一可調整之無效功率補償以及 可調整之正實功率至該傳輸線上；及 整流裝置，其係與傳輸線及切換功率轉換裝置相並聯， 以將正實功率提供至該切換功率轉換裝置。 围式簡要説明 藉由以下之較佳實施例説明及附呈之圈式，將對本發明 作完全之瞭解，其中： _____ -8- 本紙张尺度適用巾關家料（CNS ) Α4規格（21GX297公釐) ^^^1 alls nn n ^ 士 之 m ml —^ϋ ^^^1 产 0¾-β (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標隼局貝工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（β ) 6 圈1是本發明之動態功率/電要調整器之示意圈。 圖2是顯示圈1中動態功率/電壓調整器之示意圈。 圈3是顯示圈1中動態功率/電壓調整器之等效電路圈。 圈4是顯示圈1中調整器在作動態電壓調整操作時之相位 圖。 較佳實施例之説明 圈1顯示一交流傳輸系統1，其包括有傳輸線3，其典型 上乃是三相線路，但圖中是以單線予以表示，以便於説明 。在電|VS狀況下，該傳輸線載送電流！於傳輸線3之兩個 端點5及7之間。在傳輸線2上之功率流控制或動態電壓調 節是由本發明之動態功率/電壓調節器（DP/VR)9所提供。 該DP/VR 9包括有一電壓源固態反相器u，例如可參閲美 國專利第5,343,139號中所揭示者。該反相器η產生電歷_ Vpq，其電壓相對於該傳輸線3上之電流I，其大小及相位 角乃爲可控制者。該補償電壓Vpq與傳輸線電壓Vs乃經由 一串聯變蜃器13而形成串聯，該變壓器之一次側線圈15 是輿傳輸線3相串聯，而其二次側線圈17係連接至反相器 11之輸出端。如上所述，經由串聯變壓器13而使反相器 11與傳輸線3之串聯連結，其本身即有對傳輸線3提供可 變無功的串聯補償能力。 爲了也要提供有功串聯補償，該反相器11必須被供應有 實功率才可《依據本發明，該實功率是藉由並聯連接之整 流器19而由傳輸線3上所取得。該整流器19是經由一並聨 變壓器21而與傳輸線並聯連接。該整流器19經由一包括 -9 ** 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) "-* 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 有電容25之直流鏈路而輿反相器11之直流端23相連接。 由於功率只能經由整流器1 9由傳輸線所取得，故反相器 11只能經由串聯變壓器13而提供正的實功率；而無法達 到如專利號第5,343,139中統一功率流控制器（UPFC)所能達 到的吸收實功率《然而，該UPFC需要有一交流至直流之 轉換器或其它用來提供或吸收實功率而取代整流器19之裝 置。然而，該整流器19之價格遠低於交流至直流轉換器及 其匕裝置之價位。該整流器19最好是一如圖1所示之相位 控制整流器，或者其亦可爲一不予控制而具有裁波器之整 流器，以控制送至整流器之電壓。 圈2係一相位颺，顯示圖1中之dp/VR之運作。該反相器 11本身可產生一個與電流I相正交的電壓Vpq。由於供應正 的實功率所增加之電容量至傳輸線，使得反相器可以產生 一個相位角爲p之電壓Vpq，p爲對應於電流I而介於_9〇電 功角至十90度電功角之任何値。因爲串聯之變壓器13施加 一輿傳輸線V s串聯之電歷 Vpq，故其總和之傳輸線電I v，s 乃爲vs輿vpq之向量和。 揭露於專利號5，198,746中之固態串聨感抗補償器僅能產 生—與電流I正交之電壓Vpq，而專利號5,343，139中之 UPFC可以產生一個輿電流1成0_360電功角之任何一個角度 之電壓Vpq。因此，可以看到本發明之Dp/VR可以執行專 利號5，198,746中固態串聯感抗補償器之功能，亦可提供 UPFC所能提供之部份功能。因此對於大部份之狀況而言 ’將DP/VR之特性説成是具有由其實功率源而提供電阻性 -10- 冬紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 A7 _____B7 五、發明説明（8 ) 串聯補償额外功能之固態串聨感抗補償器特性乃屬合理。 此一電阻性補償之能力在串聯感抗與串聯電阻比値較低之 狀況（例如X/R之比値大於10時）中乃變爲重要，而其電壓 是藉由控制並聯感抗源之輸出而予以調節。這對於一傳輸 、次傳輸、或配電電路而言，乃爲典型之狀況。例如在一 個具有X/R値爲5、供應單一功率因數負載之線路上，由於 端電壓上之電阻而具有之電壓降效應乃爲四倍於電抗所產 生之電壓降。爲了要控制電壓値至正常値（在功率系統中 所要求之正常値）’在線路上不是需要大的無效功率循環 ’就是例如本發明所能提供之功率補償。要執行電歷_控制 功能，所需要之實際串聯補償量乃小於所需要的並聯無故 功率。例如，一個供應1單位實功率中每一個單位具有串 聯電抗.02+j.l)的短的功率線路中，使用一個02pu之電阻 性補償或.4pu之端點無效功率補偾（在負裁端爲25pU電容 、而在電源端爲+.15pu)，可以恒維持端電壓在+/-0 5%範 固内。明顯地，只要少量之功率補償即可代替大量之終端 無效功率，以作爲電壓控制之目的。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 雖然將具有獨立及同時補償功率線路之串聯電抗及電阻 功能之DP/VR視爲一串聯補償器乃極方便，但是dp/vr亦 具有在傳輸線路之實功率或無效功率時，不論是其電壓値 或電II相位角方面，都可以造成一個無差異端電壓之能力 。此一特性將不適用於一個純串聯阻抗補償器中。由阻抗 祸償器所加入之電壓會正比於其所流過之電流；若其端電 惠無差異的話，則將不會有電流、以及無加入之電屢，因 -11 - 本紙張尺度_ ( CNS ) Α4ϋ ( 210X297-^* ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（9 ) 此不會有實功率或無效功率。該DP/VR所加入之串聯電壓 Vpq係由反相器11所產生，故其與流過之電流無關。在商 用之傳統功率流控制裝置中，唯一具有類似功能者只有相 位角度調節器，其能將線路上之實功率轉換，而不會有端 電壓之差異。故••動態功率/電壓調整器"這個名稱乃説明 了 一個可以同時且獨立地提供功率線串聯阻抗補償"實功 率流之控制、無效功率流之控制、甚至是在線路兩端無端 電壓差異之裝置。圖3中乃顯示了一個用於功率流控制之 DP/VR的等效電路模式。該DP/VR等故電路27包括有串聯 變壓器13之漏電抗XL、串聯電抗補償Xc、串聯電抗補償 Rc、以及與以串聨感抗Ll、電阻RL、及線路對地電容量 來表示之線路3相串聯的理想相位調節器29。該電抗及 電阻補償Xc及Rc係由理想相位調節器29予以増補。爲了 達到輸入至DP/VR之實功率相等於實功率輸出之要求（忽略 損失），實功率補償係由一負電阻（亦即Rc必須小於或等於 零）所反應，且並聯負載量等於線路電阻補償之瓦特數。 該理想相位調節器29只有在少數狀況下會有零端電壓差異 ;否則其可予以忽略掉。 對於DP/VR 11之控制，除了 DP/VR無並聯電壓控制功能 、以及由DPR中並聨裝置21轉移至串聯裝置13之功率必須 恒大於或等於零之外，其實質上是與揭示於專利號第 5,343,139之方式相同。與UPFC兩者相較，其具有端電壓 控制以及由串聯裝置13至並聯裝置21之雙向功率轉移。再 者，其DP/VR的特性乃具有UPFC之副功能。該DP/VR 9保 -12- 本ϋ尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） (t先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝' '1Τ A7 B7 五、發明説明（10 ) 請. 閱 讀. 背 面 之 注 意 事 項 再一^ 填 窩裝 本衣 頁 有UPFC中所有實功率轉換之功能、以及無故功率轉移之 大部份功能。雖然其並沒有UPFC之端電壓控制之功能。 但此一電壓控制功能在許多狀況中可能根本不需要，或者 其可以採用更具經濟之其它方式。 當使用串聯動態電壓調節時，對DP/VR之控制，除了能 量貯存裝置係以並聯連接之整流器19予以取代之外，係實 質上與本説明書所參閲之美國專利第5,3 29,222中所述之動 態電I貯存器（DVR)相同。在本申請案中，其控制之功能 係在動態狀況中施加一串聯電壓Vpq，以使得在DP/VR之 訂 負載側可以保持在可接受之電壓準位大小。圖4之相位圖 乃顯示在一個三相系統中，在相位A及B之電愚降之期間 加入一代表性之電壓。在圈4所示之例子中，其系統電壓 係被壓制到相位A(Vsa)之50%，相位B(Vsb)之70%，相位 C之100%。該DPR/VR的整流器19由系統1取得電源以及向 量Via及Vib所示之加入串聯電壓波形，其所示者係被壓制 之相對應系統電塵之大致相位，以保持其正常之負載電壓 ，直到其電屢·降下被釋放爲止。由整流器19所取得之電源 係由加入之電壓之相位及大小、以及流過串聯變|器13之 電流而決定之。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 雖本發明之特定實施例已作一詳細之説明，但是凡精於 此項技術者當可依據所揭TF之整個技術作輕微之修飾及替 換。因此，所揭示之特定配置只是爲了説明而已，而兹非 用來限制本發明之範困，其範面是由所附之專利範固及等 效予以認定。 -13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. '申請專利範圍 B8 C8 .—種用以控制交流傳輸系統（1)之裝置（9)，包括有—傳 輪線（3)’其係以—選定之傳輸線電屢及基本頻率來載送 交流電流，該裝置包括有： 一切換功率轉換裝置（11)，於該交流電流之基本頻率 、以與交流電流呈-90度至+90度電工角間的可控制大小 及可控制相角下，產生一交流電塵_，以提供可辋節之無 效功率補償及可調整之正實功率； 裝置（13)，將切換功率轉換裝置（11)所產生之交流電壓 連結至該傳輸線，以將該可調節之無效功率補償及可調 整之正實功率施加至傳輸線（3)中；且與該傳輸線電壓互 相串聯；以及 整流裝置（19)，其係與傳輸線（3)及切換功率轉換裝置 (11)相並聯，以將正實功率提供至該切換功率轉換裝置 (11)。 2. 根據申請專利範固第！項之裝置，其中該切換功率轉換 裝置（11)係將交流電塵之可控制大小及可控制之相位角 控制在與交流電流呈-90度至+90度電工角間之任—相位 角中，以達到傳輸線之串聯阻抗及傳輸線電壓之相位角 的獨立調節。 3. 根據申請專利範園第〗項之裝置，其中該切換功率轉換 裝置（11)係將交流電壓之可控制大小及可控制之相位角 控制在與交流電流呈-90度至+90度電工角間之任一相位 角中，以響應於傳輸線電壓之動態變化而達到傳輸線電 要的動態調節。 -14- 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公羡） I ^t.-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製