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超低频输电系统

阅读：1015发布：2020-07-13

IPRDB可以提供超低频输电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种由工频发电机、电机降频频率变换器、升压变压器、高压输电线、降压变压器、电机升频频率变换器和低压输电线组成的超低频输电系统；工频发电机发出的电能，经电机降频频率变换器变成超低频电能，又经升压变压器升到输电允许的高电压，此电压在超低频条件下远距离传输，到终端后再经降压变压器降到低电压，此低频低电压最后经电机升频频率变换器恢复变成工频低电压供工业使用。该系统运用于远距离输配电，升降压容易，变电费用节省。，下面是超低频输电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超低频输电系统，由工频发电机、升压变压器、高压输电线、降压变压器、低压输电线组成；其特征在于：该系统还有电机降频频率变换器和电机升频频率变换器；工频发电机的输出端接电机降频频率变换器的输入端，电机降频频率变换器的输出端接升压变压器的输入端，升压变压器的输出端接高压输电线的起始端，高压输电线的终端接降压变压器的输入端，降压变压器的输出端接电机升频频率变换器的输入端，电机升频频率变换器的输出端接低压输电线。

2.根据权利要求1所述的超低频输电系统，其特征在于：所述电机降频频率变换器由多对极电动机和一对极发电机组成，两电机同轴运行；多对极电动机为电机降频频率变换器的输入端，一对极发电机为电机降频频率变换器的输出端；所述电机降频频率变换器也可以是电力电子变频器，该电力电子变频器的输入端频率高于输出端频率。

3.根据权利要求1所述的超低频输电系统，其特征在于：所述电机升频频率变换器由一对极电动机和多对极发电机组成，两电机同轴运行；一对极电动机为电机升频频率变换器的输入端，多对极发电机为电机升频频率变换器的输出端；所述电机升频频率变换器也可以是电力电子变频器，该电力电子变频器的输入端频率低于输出端频率。

4.一种超低频输电系统，由发电机、升压变压器、高压输电线、降压变压器、低压输电线组成；其特征在于：该系统还有电机升频频率变换器；所述发电机为超低频发电机；超低频发电机的输出端接升压变压器的输入端，升压变压器的输出端接高压输电线的起始端，高压输电线的终端接降压变压器的输入端，降压变压器的输出端接电机升频频率变换器的输入端，电机升频频率变换器的输出端接低压输电线。

5.根据权利要求4所述的超低频输电系统，其特征在于：所述电机升频频率变换器由一对极电动机和多对极发电机组成，两电机同轴运行；一对极电动机为电机升频频率变换器的输入端，多对极发电机为电机升频频率变换器的输出端；所述电机升频频率变换器也可以是电力电子变频器，该电力电子变频器的输入端频率低于输出端频率。

说明书全文

所属技术领域

本发明涉及电力系统的输配电技术，尤其是大容量中长距离的交流输电系统。

背景技术

当前应用最为广泛的交流输配电技术，典型的是三相交流输电频率50 (60)赫芝，当电压和距离超过一般水平时，20世纪60年代后出现直流输电，形成交直流混合电力系统。
交流输电存在问题有：电压进一步提高有困难，目前最高765KV，它受到空气介质强度、绝缘介质强度、输电配电绝缘的合理设计、过电压防护、同步发电机运行的稳定性、调压和无功补偿问题、超高压时的电磁干扰、电晕放电等问题的限止。
而直流输电存在的问题有：直流输电换流站极为复杂和昂贵、运行管理费用高、无功补偿复杂、换流产生的谐波要增设滤波器、直流回路在以大地和水作为回路时会引起沿途金属构件腐蚀、直流高压断路器昂贵。因此直流输电只运用超长距离、超高电压场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种升降压容易，输电费用低的超低频输电系统。
为了实现上述目的，本发明由工频发电机、电机降频频率变换器、升压变压器、高压输电线、降压变压器、电机升频频率变换器和低压输电线组成；工频发电机的输出端接电机降频频率变换器的输入端，电机降频频率变换器的输出端接升压变压器的输入端，升压变压器的输出端接高压输电线的起始端，高压输电线的终端接降压变压器的输入端，降压变压器的输出端接电机升频频率变换器的输入端，电机升频频率变换器的输出端接低压输电线。
本发明又一技术方案由超低频发电机、升压变压器、高压输电线、降压变压器、电机升频频率变换器和低压输电线组成；超低频发电机的输出端接升压变压器的输入端，升压变压器的输出端接高压输电线的起始端，高压输电线的终端接降压变压器的输入端，降压变压器的输出端接电机升频频率变换器的输入端，电机升频频率变换器的输出端接低压输电线。
由于本发明将工频发电机50(60)Hz的电能，经电机降频频率变换器变成超低频(5～10Hz)三相电能；又经升压变压器升到输电允许的最高电压 (例如500～750KV)，这一电压在超低频条件下传输，到终端后再经降压变压器降压到低电压，此低频低电压经电机升频频率变换器恢复变成50(60) Hz的工频低电压供工业使用，因此，本方案具有以下优点：
1、由于输电线上是超低频，只有普通工频的1/10～1/5的频率，由交流效应带来缺点得以大幅度改善。
线路的稳态无功功率下降，使线路电压分布平稳，无功电流引起的损耗下降，因频率降低对通讯线路的干扰减轻。
2、因插入了频率变换器，可实现不同频率的非同步联系。
3、由于频率降低，长的输电线引起的不稳定性容易得到解决，相对而言输电线长度可增加。
4、因为是交流输电可使用变压器，比直流输电升降压容易，变电费用节省。
5、比直流输电时使用的逆变器能大幅度减小谐波，免去滤波器，节省大量投资；
6、当使用电机型频率变换器时，可获得小的谐波，当使用电力电子器件逆变器作频率变换器时，可实现电网间的非同步联系。
7、因为是交流输电，断路器灭弧容易解决，成本低。
8、因为是交流输电，无功补偿比较容易实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明
图1是使用工频发电机的超低频输电系统原理图。
图2是使用超低频发电机的超低频输电系统原理图。
图3是电机降频频率变换器原理示意图。
图4是电机升频频率变换器原理示意图。
图5是可替代电机升/降频频率变换器的电力电子变频器方框图。
附图中：1、工频发电机；2、电机降频频率变换器；3、升压变压器； 4、高压输电线；5、降压变压器；6、电机升频频率变换器；7、低压输电线；8、多对极同步电动机；9、一对极同步发电机；10、一对极同步电动机；11、多对极同步发电机；12、超低频发电机；13、电力电子变频器。

具体实施方式

图1中，使用工频发电机的超低频输电系统由工频发电机1、电机降频频率变换器2、升压变压器3、高压输电线4、降压变压器5、电机升频频率变换器6和低压输电线7组成；工频发电机1的输出端接电机降频频率变换器2的输入端即多对极同步电动机8的三个电极接头(见图3)，电机降频频率变换器2的输出端即一对极同步发电机9的三个电极接头，它接到升压变压器3的输入端，升压变压器3的输出端接高压输电线4的起始端，高压输电线4的终端接降压变压器5的输入端，降压变压器5的输出端接电机升频频率变换器6的输入端即一对极同步电动机10的三个电极接头(见图4)，电机升频频率变换器6的输出端即多对极同步发电机11的三个电极接头，它接到低压输电线7，低压输电线7的终端接各类用电器。
工频发电机1发出的50Hz交流电经电机降频频率变换器2变换成低频 (例如5Hz)交流电后，经升压变压器3升至高压送入高压输电线4，又经远距离输送后接入降压变压器5降压，再经电机升频频率变换器6将低频(例如5Hz) 交流电变换成50Hz交流电，然后接入低压输电线7，低压输电线7的终端接各类用电器。
组成电机降频频率变换器2的多对极同步电动机8和一对极同步发电机9是同轴运行，这样才能保证电网同步运行的要求；当多对极同步电动机8接在50Hz工频上时，它以低于普通电动机的转速旋转，带动一对极同步发电机9发出低频电，这就实现了降频频率变换。同样，组成同步电机升频频率变换器6的一对极同步电动机10和多对极同步发电机11也是同轴运行；当一对极同步电动机10接在低频上时，带动多对极同步发电机11 发出50Hz工频电，这就实现了升频频率变换。同步电机形式的频率变换器存在同步运行的要求，不能实现电网间非同步联系，但它的优点是输入输出波形好，谐波很少，可靠性高，而且利用增加励磁能提供无功电流，调节功率因数。
图5是电力电子变频器，它可以替代电机升/降频频率变换器，实现频率的升降变换。该变频器可以做成频率比固定的即定比式变频器，也可做成频率比可变的变频器，当频率比可变时就能实现电网间非同步联系。电力电子变频器内部原理和结构因不是本发明要叙述的范围，因此省略。但是使用电力电子变频器因波形中谐波成份增加，有必要再插入滤波器。电能经升压变压器升到输电允许的最高电压(例如500～750KV)，由于这一电压在超低频条件下运行，具备接近直流输电的一些优点，输电到终端再经降压变压器降压到低电压，该低电压再经电力电子变频器升频变成50(60)Hz 的工频交流供工业使用。
发电机的电压一般10KV左右，而电网在500KV左右，所以要有升压变压器和降压变压器，这是超低频变压器，因频率低，所以其体积是一般工频变压器的5～10倍，因变压器制作是常规技术，而且频率低，硅钢片可用比较差的材料，变压器在整个系统中占的成本相对较小，所以使用超低频变压器是可行的，使用超低频输配电可以使电网线路单位长度消耗的无功功率下降。
线路单位长度的无功功率与频率成正比

{ΔQ}_{L_{o}} = \frac{U^{2}}{Z_{λ^{2}}} ω L_{o} = U^{2} ω C_{o}

其中，线路波阻抗

Z_{λ} = \sqrt{\frac{L_{o}}{C_{o}}}

U：线路电压
ω：电源角频率
Lo：线路分布电感
Co：线路分布电容
Zλ：线路波阻抗
ΔQLo：线路单位长度无功功率
当频率下降时，无功造成的线路损耗下降，无功造成的线路充电功率下降，对无功的补偿也相对减少。
例如，当频率ω下降5倍(即10Hz时)，线路单位长度无功功率也下降5倍，这样线路无功造成损耗也下降5倍。
在长距离输电时，线路上电压分布因波的反射形成电压分布不均，但在频率很低时，这种不均匀度得到有效改善，相对而言，输电长度得到延伸。
图2为本发明第二技术方案，使用超低频发电机时的超低频输电系统，由超低频发电机12、升压变压器3、高压输电线4、降压变压器5、电机升频频率变换器6和低压输电线7组成；超低频发电机12的输出端接升压变压器3的输入端，升压变压器3的输出端接高压输电线4的起始端，高压输电线4的终端接降压变压器5的输入端，降压变压器5的输出端接电机升频频率变换器6的输入端即一对极同步电动机10的三个电极接头(见图 4)，电机升频频率变换器6的输出端即多对极同步发电机11的三个电极接头接低压输电线7，低压输电线7的终端接各类用电器。
对超低频发电机，在水轮发电机的条件下，只要配置一台适合水轮机转速的超低频发电机即可。例如水轮机转速为300转/分时，配置一台一对极的超低频发电机，即可发出5Hz交流电，如配置一台二对极的超低频发电机，即可发出10Hz交流电。

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