CN102891616B - 用于提供电力的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种通过滤波器总线给负载提供电力的设备包括至少两个电压源变换器，所述至少两个电压源变换器各自通过电感器并联连接至所述滤波器总线并被配置成共用所述负载。每个变换器与控制单元（10）相关联，该控制单元被配置成调节滤波器总线的电压(v_f)同时保持来自变换器的电流的动态控制。该控制单元涉及根据滤波器总线电压产生两个垂直相交的滤波器总线电压矢量（v_fx，v_fy），并且该控制单元涉及产生针对每个所述滤波器总线矢量的电流矢量(i_kx,i_ky)。该控制单元还涉及将每个所述电流矢量与所有电流矢量所共有的下降系数相乘。该相乘的结果被发送给装置（13）以从各个滤波器总线电压参考矢量中减去该结果。

Description

用于提供电力的设备和方法

技术领域和背景技术

本发明涉及一种通过滤波器总线给负载提供电力的设备和通过该设备给负载提供电力的方法，其中该设备包括至少两个电压源变换器，所述至少两个电压源变换器各自通过电感器并联连接至所述滤波器总线并被配置成共用所述负载。

本发明不局限于任何特定水平的所述滤波器总线上的电压或可传输给所述负载的功率，但是作为示例会分别提到1千伏到32千伏和100千瓦到几兆瓦。

使用所述电压源变换器连接到的电力发电机的并联操作来共用连接至变换器所共有的所述滤波器总线的负载。一个这样的应用是对于船舶电源的集中式变频岸，其中所述负载可以是连接至所述滤波器总线的一艘或多艘船。变换器的这种并联的应用还可以是一个或多个微电网。

将多个电源单元并联以向所述负载馈送电力存在一些优点。其中之一是可以通过使用并联连接至所述滤波器总线的多个较低电源单元而不是使用单个高电源单元来实现增加的额定功率。这意味着，一个这样的电源单元的维护可以在不需要完全关闭对所述负载的电力供应的情况下进行，这是因为其他电源单元于是可以暂时接管因维护而关停的单元的那部分负载。将若干电源单元并联获得的冗余还增加了电力对所述负载的可用性，这是因为只要有足够数目的电源单元在运行，电力就可以被馈送至所述负载。

附图1示意性示出了所述设备，该设备具有三个电压源变换器1至3，这三个电压源变换器1至3各自通过电感器5至7并联连接至滤波器总线4以共用共同负载8，该负载实际上可以是连接至滤波器总线的多个负载。一种使这些变换器共用共同负载的方式是使用对所有变换器的端电压进行设置的主控制器。然而，由于变换器所连接或所属的电力发电机单元可以相距非常远，它们之间具有相当大的线路阻抗，所以变换器的并联操作应该在没有或最低控制通信的情况下实现。克服所有变换器对单个主控制器的依赖的替选控制理念是具有针对并联组合中的每个变换器的单独的控制器。

将频率相对于有功功率以及电压相对于无功功率的下降方案用于独立控制的发电机和电压源变换器的负载共用是公知的。然而，通过接口电感器并联连接至共有滤波器总线并采用该下降方案的变换器操作为电压源。即使这些变换器积极地调节滤波器总线电压，变换器也没有动态地对变换器的输出电流进行调节和限制的基本电流控制回路。

为了实现动态电流控制和电流限制能力，图1中的每个变换器必须利用基本电流控制器来采用电压矢量控制，例如d-q坐标系或α-β坐标系电压控制。这就是调节滤波器总线电压矢量同时保持变换器电流的动态控制。附图2中示出了获得该功能的针对一个所述变换器的控制单元的示例。该控制单元10'包括：第一装置11'（由信号箭头表示），该第一装置被配置成根据滤波器总线电压v_f产生两个垂直相交的滤波器总线电压矢量v_fx，v_fy；第二装置12'（由信号箭头表示），该第二装置被配置成产生针对所述两个滤波器总线电压矢量中的每个滤波器总线电压矢量的滤波器总线电压参考矢量第三装置13'，该第三装置被配置成对每个所述滤波器总线电压矢量和与之关联的滤波器总线电压参考矢量求和；调节器14'，该调节器被连接以接收所述第三装置的求和结果以便产生针对每个滤波器总线电压矢量的电流参考矢量；以及第四装置15'，该第四装置被配置成基于所述电流参考矢量将电流控制引入变换器控制中，以获得来自第k个变换器的电流的彼此垂直相交的两个矢量(i_kx,i_ky)。通过该控制方案，变换器可以被模制为直接连接到滤波器总线4的电流源16至18，如附图3所示。这些电流源在电流限制内调整它们的输出电流以调节滤波器总线电压。然而，在一次只有图1中的变换器中的一个变换器运行的情况下，图2的控制方案才可行。如果接通多个变换器，则所述第四装置的控制器会彼此斗争（fight），因为这些控制器全部试图调节滤波器总线的同一电压矢量。此外，图2中没有保证它们将共用共有负载的事物。不能使用公知的频率相对于有功功率以及电压相对于无功功率的下降方案来使这些电流源共用共有负载，这是因为这些下降方案严格用于通过电感并联连接的电压源。

美国专利7567064公开了在介绍中定义的类型的具有对各个变换器的独立控制的电力供应设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有以上公开类型的设备和方法，其提出了获得多个电压源变换器中的每个变换器的独立控制的有利替选方式，所述多个电压源变换器各自通过电感器并联连接至滤波器总线并共用共有负载。

根据本发明，此目的是通过提供一种根据所附权利要求1的前序的设备而实现的，其具有以下进一步的特征：针对每个变换器的所述控制单元还包括第五装置，该第五装置被配置成将每个电流矢量或电流参考矢量与所有电流矢量或电流参考矢量所共有的下降系数相乘并将该相乘的结果发送给所述第三装置以从各个滤波器总线电压参考矢量中减去该结果。

使电压参考矢量分量下降确保控制单元在控制各个变换器时不会彼此斗争，并且变换器在被独立控制时能共用共有的有功负载和无功负载。

根据本发明的一个实施例，针对各个所述变换器的每个所述控制单元还包括第六装置，该第六装置被配置成从所述调节器接收针对每个所述滤波器总线电压矢量的不受限的电流参考矢量并且限制每个所述不受限的电流参考矢量的大小并将受限的电流参考矢量发送给所述第四装置。这意味着每个电流参考矢量的大小可以被限制成不超过损坏变换器的水平。

根据本发明的另一个实施例，针对各个变换器的每个所述控制单元还包括第七装置，该第七装置被配置成将表示负载电流的前馈信号发送给第八装置，该第八装置被配置成对来自所述调节器的输出信号求和以产生针对每个所述滤波器总线电压矢量的所述电流参考矢量。负载电流前馈信号的这种使用提高了负载变化期间在各个变换器的控制中的电流控制的响应速度。

根据本发明的其他实施例，每个所述第一装置被配置成根据d-q坐标系或α-β坐标系产生所述滤波器总线电压矢量，并且每个所述第四装置分别包括d-q电流控制器和α-β电流控制器。

根据本发明的另一个实施例，所述设备包括布置在所述第一装置与第三装置之间的滤波器，以在所述滤波器总线电压矢量到达所述第三装置之前平滑所述滤波器总线电压矢量。

根据本发明，在所附方法独立权利要求中定义了一种用于通过滤波器总线给负载提高电力的方法，该方法借助于至少两个电压源变换器，所述至少两个电压源变换器各自通过电感器并联连接至所述滤波器总线并被配置成共用所述负载，以使得能够独立控制所述变换器。基于根据本发明的设备的以上讨论，在方法从属权利要求中定义的这种方法及其实施例的优点和有利特征清楚地呈现。

本发明还涉及与根据本发明的方法相关联的计算机程序产品和计算机可读介质。

根据下面的描述，本发明另外的优点和有利特征将会呈现。

附图说明

参照附图，下面是作为示例提到的本发明的实施例的具体描述。

在图中：

图1是本发明所属类型的设备的完全示意图，

图2是用于根据图1的设备的可能的控制单元的示意简化图，根据图1的设备需要用于控制彼此依赖的变换器的单个主控制器，

图3是示出了通过根据图2的控制单元意图的控制的、根据图1的设备的示意图，以及

图4是根据本发明的设备中的控制单元的视图，在该设备中并联连接的每个变换器具有单独的控制器。

具体实施方式

根据本发明的实施例的用于给负载提供电力的具有图1所示类型的设备具有针对其每个变换器的图4所示的控制单元10，该控制单元被配置成调节滤波器总线的电压同时保持来自变换器的电流的动态控制。每个这样的控制单元包括第一装置11，该第一装置被配置成根据滤波器总线电压v_f产生两个垂直相交的滤波器总线电压矢量v_fx和v_fy。第一装置可以被配置成根据d-q坐标系或α-β坐标系产生所述滤波器总线电压矢量。该控制单元还包括第二装置12，该第二装置被配置成产生针对所述两个滤波器总线电压矢量中的每个滤波器总线电压矢量的滤波器总线电压参考矢量如果该设备具有一组变换器或者在该设备包括若干变换器组的情况下该设备具有更高级别的控制，则这些滤波器总线电压参考矢量可以由操作员设置，然后被包括到所述第二装置中。该设备还包括第三装置13，该第三装置被配置成对每个所述滤波器总线电压矢量v_fx,v_fy和与之关联的滤波器总线电压参考矢量求和。该控制单元还包括针对两个垂直相交的矢量中的每个的调节器14，该调节器被连接以接收所述第三装置的求和结果来确保滤波器总线电压矢量跟踪其参考而原则上没有任何稳态误差。

此外，该控制单元包括第七装置19，该第七装置被配置成将表示负载电流的前馈信号发送给第八装置20，该第八装置被配置成对来自调节器的输出信号求和，以产生不受限的电流参考矢量负载电流前馈信号的这种使用提高了负载变化期间控制变换器的控制单元的控制器的响应速度。负载电流前馈信号的这种使用也可用于消除该设备的所述垂直相交的矢量之间的耦合作用。

该控制单元还包括具有限流器块形式的第六装置21，该第六装置被配置成从装置20接收针对每个所述滤波器总线电压矢量的所述不受限的电流参考矢量，以及限制所述不受限的电流参考矢量的大小并将受限电流参考矢量发送给第四装置15，该第四装置被配置成基于所述电流参考矢量将电流控制引入变换器控制中，以获得来自所述变换器的电流的彼此垂直相交的两个矢量i_kx,i_ky。

图4示出了控制单元如何还包括第五装置22，该第五装置被配置成将第k个变换器的每个电流矢量i_kx,i_ky与共有下降系数D_pri相乘并将该相乘的结果发送给所述第三求和装置13以从各个滤波器总线电压参考矢量中减去该结果。换句话说，第k个变换器的电压参考矢量逆着该变换器电流矢量的分量下降。

假设没有限制器动作，图4中调节器的输入在稳态下必须为零。因此，通过下式给出了稳态变换器电流矢量分量:

$i_{\mathrm{kx}}=\frac{v_{\mathrm{fx}\_k}^{*}-v_{\mathrm{fx}}}{D_{\mathrm{pri}\_k}}---\left(1\right)$

$i_{\mathrm{ky}}=\frac{v_{\mathrm{fy}\_k}^{*}-v_{\mathrm{fy}}}{D_{\mathrm{pri}\_k}}---\left(2\right)$

在图1所示的变换器组中，滤波器总线电压对所有的变换器而言是共有的。倘若所有变换器具有相同的电压矢量分量下降系数和电压参考矢量，（1）和（2）意味着第k个变换器的输出电流矢量的正交分量（垂直相交矢量）等于同一变换器组中的所有其他变换器的输出电流矢量的对应分量。因此，变换器共用共有的有功负载和无功负载。使电压参考矢量分量下降也保证所述第四装置15中包括的变换器控制器不会彼此斗争。因此，图4所示的下降方案允许并联操作变换器（诸如图1所示的变换器）以共同调节滤波器总线电压矢量同时共用共有负载。

除了图4所示的控制单元10的以上描述之外，还会提到：所述第四装置15除了d-q控制器或α-β控制器之外还将包括PWM（脉宽调制）开关生成器、变换器桥和接口电感器，并且块23表示滤波器总线动态。还示出了滤波器24如何被布置在第一装置11与第三装置13之间以在滤波器总线电压矢量到达第三装置之前平滑滤波器总线电压矢量。除了负载电流前馈分支之外，还存在未示出的电压矢量前馈分支，该电压矢量前馈分支将vq的函数前馈给vd控制路径并且将vd的函数前馈给vq控制路径以解耦d轴和q轴动态。

本发明当然不会以任何方式限制于上述的实施例，而是在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，本发明的修改的许多可能性对于本领域普通技术人员而言是明显的。

如果所述第四装置中包括的电流控制器是慢的，则可以将第k个变换器的受限电流参考矢量与共有下降系数相乘，而不是与电流参考矢量i_kx,i_ky相乘。

Claims (11)

1.一种用于通过滤波器总线给负载(8)提供电力的设备，所述设备包括：

·至少两个电压源变换器(1-3)，所述至少两个电压源变换器各自通过电感器(5-7)并联连接至所述滤波器总线(4)并被配置成共用所述负载，以及

·针对每个所述变换器的控制单元(10)，所述控制单元被配置成调节所述滤波器总线的电压同时保持来自所述变换器的电流的动态控制，每个所述控制单元包括：

a)第一装置(11)，所述第一装置被配置成根据所述滤波器总线电压(v_f)产生两个垂直相交的滤波器总线电压矢量(v_fx,v_fy)，

b)第二装置(12)，所述第二装置被配置成产生针对所述两个滤波器总线电压矢量中的每个滤波器总线电压矢量的滤波器总线电压参考矢量

c)第三装置(13)，所述第三装置被配置成对每个所述滤波器总线电压矢量(v_fx，v_fy)和与之关联的所述滤波器总线电压参考矢量求和，

d)调节器(14)，所述调节器被连接以接收所述第三装置的求和结果以便产生针对每个所述滤波器总线电压矢量(v_fx,v_fy)的电流参考矢量以及

e)第四装置(15)，所述第四装置被配置成基于所述电流参考矢量将电流控制引入所述变换器的控制中，以获得来自所述变换器的电流的彼此垂直相交的两个矢量(i_kx,i_ky)，

其中，所述控制单元还包括第五装置(22)，所述第五装置被配置成将每个所述电流矢量(i_kx,i_ky)或电流参考矢量与所有所述电流矢量或电流参考矢量所共有的下降系数(D_pri)相乘并将所述相乘的结果发送给所述第三装置，以从所述各个滤波器总线电压参考矢量中减去该结果，

其特征在于，各个变换器(1-3)的每个所述控制单元(10)还包括第七装置(19)，所述第七装置被配置成将表示负载电流的前馈信号发送给第八装置(20)，所述第八装置被配置成对来自所述调节器(14)的输出信号求和以产生针对每个所述滤波器总线电压矢量(v_fx,v_fy)的所述电流参考矢量。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，各个所述变换器(1-3)的每个所述控制单元(10)还包括第六装置(21)，所述第六装置被配置成从所述调节器接收针对每个所述滤波器总线电压矢量的不受限的电流参考矢量以及限制每个所述不受限的电流参考矢量的大小并将受限的电流参考矢量发送给所述第四装置(15)。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，每个所述第一装置(11)被配置成根据d-q坐标系产生所述滤波器总线电压矢量，以及每个所述第四装置(15)包括d-q电流控制器。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，每个所述第一装置(11)被配置成根据α-β坐标系产生所述滤波器总线电压矢量，以及每个所述第四装置(15)包括α-β电流控制器。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括布置在所述第一装置与所述第三装置之间的滤波器(24)，以在所述滤波器总线电压矢量到达所述第三装置(13)之前平滑所述滤波器总线电压矢量。

6.一种用于通过滤波器总线(4)给负载(8)提供电力的方法，所述方法借助于至少两个电压源变换器(1-3)，所述至少两个电压源变换器各自通过电感器(5-7)并联连接至所述滤波器总线并被配置成共用所述负载，在所述方法中调节所述滤波器总线的电压同时保持来自每个变换器的电流的动态控制，所述方法包括针对每个变换器执行的以下步骤：

1)根据所述滤波器总线电压(v_f)产生两个垂直相交的滤波器总线电压矢量(v_fx,v_fy)，

2)产生针对所述两个滤波器总线电压矢量中的每个滤波器总线电压矢量的滤波器总线电压参考矢量

3)对每个所述滤波器总线电压矢量(v_fx，v_fy)和与之关联的滤波器总线电压参考矢量求和，

4)处理所述求和的结果，同时产生针对每个所述滤波器总线电压矢量(v_fx,v_fy)的电流参考矢量以及

5)控制每个所述变换器，同时基于所述电流参考矢量而引入电流控制，以获得来自每个变换器的电流的彼此垂直相交的两个矢量(i_kx,i_ky)，

其中，所述方法包括另外的步骤6)，将每个所述电流矢量(i_kx,i_ky)或电流参考矢量与所有所述电流矢量或电流参考矢量所共有的下降系数(D_pri)相乘，以及在步骤3)中从各个滤波器总线电压参考矢量中减去该相乘的结果，

其特征在于，所述方法包括获得表示负载电流的前馈信号的另外的步骤7)，以及在步骤4)中所述前馈信号被用于产生针对每个所述滤波器总线电压矢量的所述电流参考矢量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，首先产生针对每个所述滤波器总线电压矢量的不受限的电流参考矢量然后限制每个所述不受限的电流参考矢量的大小。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤1)中根据d-q坐标系产生所述两个垂直相交的滤波器总线电压矢量，以及在步骤5)中所述电流控制是d-q电流控制。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤1)中根据α-β坐标系产生所述两个垂直相交的滤波器总线电压矢量，以及在步骤5)中所述电流控制是α-β电流控制。

10.一种根据权利要求1至5中任一项所述的设备的用途，用于从岸上的至少两个电压源变换器向连接至所述滤波器总线的一艘或多艘船提供电力。

11.一种根据权利要求1至5中任一项所述的设备的用途，用于从至少两个电压源变换器向连接至所述滤波器总线的一个或多个微电网提供电力。