CN103138280B - 控制至高压直流输电线路的电力输入的方法 - Google Patents

控制至高压直流输电线路的电力输入的方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种控制至高压直流输电线路的电力输入的方法，该高压直流输电线路借助第一电压源转换器被连接到交流电厂并且借助第二电压源转换器被连接到交流电网，该方法包括：使用第二电压源转换器在电网的无故障模式工作期间执行对高压直流输电线路的电压控制；监控高压直流输电线路参数，以检测失衡故障；以及在不平衡故障的情况下使用第一电压源转换器来基于所监控的高压直流输电线路参数来调整交流电厂的输出。本发明也描述了：一种用于控制至高压直流输电线路的电力输入的控制模块；一种用于电厂的电压源转换器；以及一种发输电装置。

Description

控制至高压直流输电线路的电力输入的方法
技术领域
本发明描述了一种控制至高压直流输电线路的电力输入的方法。本发明还描述了一种用于控制至高压直流输电线路的电力输入的控制模块以及一种电源装置。
背景技术
最初，诸如用于生成多相交流（AC）电力的海上风电场的海上发电厂通过高压交流（HVAC）输电线路被连接到陆上电网。然而，在高压直流（HVDC）输电领域中的开发正使在将来更多海上风力发电厂将通过HVDC输电连接被连接到主电网更有可能。
为了馈入到集电网络（collector network）中，风力机或其他发电机的AC电力（通常为三相）在被馈入到集电网络之前经由变压器一般经历AC-DC转换并且接着经历DC-AC转换。这些步骤可以通过转换器或电压源转换器（VSC）来执行，其一般包括诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）之类的半导体功率开关和栅极控制电路。在集电网络中的公共连接点（PCC）处，AC电力被馈入到VSC中，用于在通过HVDC线路传输之前进行AC-DC转换。在另一端，其他VSC将DC电力转换成多相（通常为三相）AC电力，用于馈入到电网中。
在电网端发生的故障可以是对称的（即在所有相中的电压均匀地崩溃）或者是非对称的（仅一个电压相或两个电压相崩溃）。对称故障通常被称作“低压故障”，而非对称故障一般被称作“单线接地故障（single line-to-ground fault）”。非对称故障是发生在多相（通常为三相）输电系统中的最常见类型的故障。快速从非对称故障中恢复并且继续正常工作的能力通常是电网要求。而且，大多数电网要求指定：电厂应能够在短期故障期间保持被连接到电网并且在故障的持续时间内继续供给无功功率，并且为此，电厂通常被设计有“故障穿越（fault-ride-through）”机制。
当非对称故障发生在HVDC系统的电网侧时，电网消耗的有功功率将减小，而电厂继续生成有功功率。为了在故障期间保持被连接到电网，过量的有功功率（表现为过量的DC电压）必须在电厂侧以某种方式被处理。处理过量的DC电压的最常见的方式是通过利用DC斩波器来耗散过量的有功功率。例如，DC电压的增加可以通过加载功率电阻器来控制，而电厂继续产生有功功率，因为电厂在非对称故障发生之前就这样做，使得减少被输送到电网的有功功率。这意味着，电厂可以继续工作，而不管在HVDC输电线路的另一端处的干扰。然而，包括DC斩波器增加了风电场的成本，特别是在包括许多风力机的大型风电场的情况下增加了风电场的成本，并且从能量守恒的观点来看是效率低的，因为巨大努力和成本必须被投资到用于使DC斩波器冷却的有效散热器中。
在HVDC输电装置中，电厂有效地与主电网去耦。因此，诸如在主电网处发生的非对称故障之类的AC干扰将不被风力发电厂直接“看到”。在可替换的方法中，输送到电网的有功功率的减小被测量并且通过使用通信信号被传给电厂。例如，在具有多个风力机的风力发电厂的情况下，各个单独的风力机将接收与较低产量有关的新功率设定点，以便获得新功率平衡，直至系统已从故障中恢复为止。然而，这种方法的缺点是，电厂花费比较长的时间来对非对称故障起反应，因为非对称故障必须首先以某种方式通过通信接口被传送到电厂，并且花费相对应地较长时间来使该情形稳定。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种对在包括HVDC输电线路的系统中的非对称故障作出响应的改进方式。
该目的通过权利要求1的控制至HVDC输电线路的电力输入的方法被实现；通过权利要求7的用于控制至HVDC输电线路的电力输入的控制模块被实现；通过权利要求11的电压源控制器被实现；以及通过权利要求12的发输电系统被实现。
根据本发明，控制至HVDC输电线路的电力输入的方法（该HVDC输电线路在一端借助第一电压源转换器被连接到AC电厂而在另一端借助第二电压源转换器被连接到AC电网）包括：使用第二电压源转换器来在电网的无故障或“正常”模式工作期间执行对HVDC输电线路的电压控制；监控HVDC输电线路参数，以直接检测失衡故障（unbalanced fault）；并且在非对称或失衡故障的情况下使用第一电压源转换器来基于所监控的HVDC输电线路参数调整AC电厂的输出。
根据本发明的方法的优点是，不像公知类型的故障穿越方法，该方法并不需要依靠数据通信来将关于非对称故障的信息从电网侧转达给电厂侧。在根据本发明的方法中，故障事件直接在电厂侧使用HVDC输电线路参数（也就是在物理上可测量的信号）来检测。换言之，根据本发明的方法可以对非对称故障直接且不需任何用于向电厂报告该故障的通信信号地进行检测和作出响应。这是相对于公知方法的相当大的优点，因为对于故障穿越序列而言期望非常快速且可靠的响应。
根据本发明，用于控制至HVDC输电线路的电力输入的控制模块（该HVDC输电线路借助第一电压源转换器被连接到电源而借助第二电压源转换器被连接到电网）包括：用于监控HVDC输电线路参数的监控装置；用于基于所监控的HVDC输电线路参数直接检测失衡故障的检测装置；以及用于根据所监控的HVDC输电线路参数来调整AC电厂的输出的调整装置。
根据本发明的控制模块的优点是，该控制模块可以被用于检测在HVDC输电线路的任一端或侧处的故障，使得不需要实施用于（例如发生在主电网中的）电网侧非对称故障和（例如发生在发电厂的集电网络中的）电厂非对称故障的两种不同的检测和控制模块。在这两种情况下，可以迫使电厂的发电机直接对所监控的HVDC输电线路参数中的变化作出响应。
根据本发明，用于电厂的电压源转换器包括这样的控制模块。因此有利地，监控装置可以（在电学方面）接近于HVDC输电线路地被布置，使得可以获得HVDC输电线路参数的精确且因此暂时相关的值。
根据本发明，发输电装置包括：用于生成AC电力的AC电厂；用于消耗所生成的AC电力的AC电网（3）；用于将所生成的电力从AC电厂传输至AC电网的HVDC输电线路（2）；用于将AC电力转换成DC电力的第一电压源转换器，所述第一电压源转换器被布置在AC电厂的集电网络与HVDC输电线路之间；用于将DC电力转换成AC电力的第二电压源转换器，所述第二电压源转换器被布置在HVDC输电线路与AC电网之间；以及根据本发明的用于控制至HVDC输电线路的电力输入的控制模块。
本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在以下的描述中所展现的那样。不同权利要求类别的特征可以适当地被组合，以给出在此未描述的其他实施例。
在下文中，可以假定的是，故障并不同时在多相网络的所有相上发生，而是仅在多相网络的几个相上发生，例如在三相网络的一个相上发生。在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定的是，电厂生成三相AC电力，并且电网消耗三相AC电力。在下文中，术语“转换器”或“电压源转换器”（VSC）也具有相同的含义并且可以互换地被使用。
电厂可以包括将电力馈入到HVDC输电线路中的任何种类的AC电厂。根据本发明的方法特别适于应用在诸如潮汐发电厂或风力发电厂之类的电厂中，对于这些电厂而言，输电系统基于电压源转换器。在下文中，为了简单起见，可以假定的是，电厂包括风力发电厂（WPP），例如借助例如被布置在海床上的HVDC输电线路被连接到电网的海上风力发电厂。
优选地，这样的WPP包括多个变速风力机。例如，这样的风力发电厂的变速风力机可以是带有或不带变速箱的双馈机器或全转换器机器（full-converter machine）。优选地，变速风力机被实现来展示零负序电流控制，使得风力机可以提供被均衡的多相电流，而不管WPP的集电网络中的电压不平衡。
当发生非对称故障、例如一个相在输电线路的电网侧接地时，第二转换器或电网侧的VSC通过增加至电网的有功电流来作出响应，试图维持电力平衡。只要电流的增加保持在转换器的极限内，这就可成功，在该情况下电力平衡可以被实现并且DC电压被维持。然而，瞬时AC有功功率可开始以第二谐波频率振荡，该第二谐波频率为电网电压基频的两倍（对于50Hz系统而言为100Hz）。由于在AC侧和DC侧的有功功率需要相等（除了转换器损失之外），所以作为AC有功功率振荡的结果，在HVDC输电线路的电网侧处的DC电压也将开始振荡。
然而，在大多数情况下，由电网侧的VSC递送给电网的瞬时AC有功功率由于非对称故障而降低，由此下降的量通过电网侧的VSC的限流特性来限制。一旦达到该极限，电网侧的VSC就不再能够有效地控制HVDC输电线路的DC电压。因而，在HVDC输电线路之上的这个DC电压增加。
根据本发明的方法利用该事实并且教导了将对HVDC输电线路DC电压的控制“输送”到电厂侧的VSC或第一转换器。在本发明的优选的实施例中，当所监控的HVDC输电线路参数超过预定的阈值时，失衡故障在第一转换器中被检测到。提供有关信息的任何参数都可以被监控。在本发明的特别优选的实施例中，由于电压比较容易被测量并且可以有效地瞬时被测量，所以所监控的HVDC输电线路参数包括HVDC输电线路电压。在下文中，因此可以假定的是，所监控的参数是电压。为了获得所监控的电压的最能提供信息的和精确的值，该电压优选地在第一转换器中在有利地（在电学方面）接近于输电线路的位置处被监控。
可以为100km长或更长的量级的输电线路本身当然将具有固有阻抗。因此，在本发明的另一优选的实施例中，所监控的HVDC输电线路电压被调节来引起（account for）这样的线路阻抗。
电网规范要求规定：包括HVDC输电线路和电厂的整个系统应在故障期间保持被连接。在现有技术中，这只能通过耗散额外电力来实现，通常在DC斩波器中来实现。相反，在根据本发明的方法中，AC电厂的输出根据所监控的HVDC输电线路电压被调整。例如，AC电厂输出、即在集电网络中或在公共连接点处的AC电力可以与所监控的HVDC输电线路电压超过阈值的量成比例地被调整。然而，在本发明的特别优选的实施例中，调整AC电厂的输出的步骤包括在AC电厂的集电网络处提供失衡的多相信号的步骤。例如，在三相电厂中，集电网络处的AC电压的三个相可以被调整来具有不同的或“失衡的”大小。相电压中的不平衡将迫使或强制WPP的风力机通过降低其被馈入到集电网络中的有功电流来起反应。
因此，在本发明的优选的实施例中，控制模块的调整装置被实现来在AC电厂的集电网络处生成失衡的三相AC电压参考，借此失衡的AC电压参考包括不同大小的三个电压信号。本发明有效地利用如下事实：每个变速风力机已具有失衡的控制，因此每个风力机因此都可以例如通过增加转子速度、改变俯仰角、增加转子转矩等等来作出响应，使得只要AC集电网络中的条件失衡，能量就有效地被存储在每个风力机中。例如，当风力机叶片加速时，过量的有功功率可以被存储在风力机叶片的旋转质量中。一旦故障已被修理，第一控制器就恢复正常工作并且提供AC控制器网络中的被均衡的条件，于是风力机可以以受控方式将所存储的能量释放回到集电网络中。
附图说明
本发明的其他对象和特征从以下结合附图所考虑的详细描述中变得明显。然而，应理解的是，附图仅出于说明的目的被设计并且并不作为对本发明的限制的定义。
图1示出了根据本发明的发输电系统；
图2示出了根据本发明的控制模块的框图；
图3、4和5分别示出了在非对称电网侧故障期间和之后使用根据本发明的方法对HVDC输电线路的控制期间的电压、电流和功率的曲线图。
在这些图示中，同样的数字自始至终指的是同样的对象。图示中的对象并不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的发输电系统5。在该实施例中，风电场1的多个变速风力机4将其AC输出功率在公共连接点PCC处馈入到集电网络11中。集电网络11依次经由变压器13和第一转换器10或第一VSC 10被连接到双极HVDC输电线路2。
在HVDC输电线路2的另一端处，第二转换器20或第二VSC 20将DC电力转换成AC电力并且将这个电力经由变压器33馈入到用于消耗的AC电网3中。
在正常“无故障”工作期间，变速风力机4产生如通过风速确定的有功功率。变速风力机4可以被实现为具有变速箱或没有变速箱，并且被实现来将其AC输出馈入到集电网络11中。风电场1的风力机4的输出“被收集”在公共连接点PCC处。这样的变速风力机的控制器根据在公共连接点处的AC电压的水平来调节其输出。
在公共连接点PCC处，第一转换器从风力发电厂1吸收有功功率并且将该有功电力变换成DC，同时维持在公共耦合点处的AC电压和频率的恒定水平。在HVDC输电线路2的另一端处，第二转换器20将有功功率从DC变换成AC，从而维持DC电压平衡。
第二转换器20是限流转换器20，使得如果单线接地故障会发生在电网侧（也就是三相之一接地），则在HVDC输电线路2中的DC电压将显著增加。
第一转换器10包括用于在这样的单线接地故障期间利用根据本发明的方法来调整至HVDC输电线路2的电力输入的控制模块100。
图2示出了根据本发明的控制模块100的框图。控制模块100可以被实现为软件算法的集合，以实现根据本发明的控制方法的步骤，并且此处为简单起见以框图形式图示了功能步骤。
在工作期间，HVDC输电线路电压UWPP在监控装置101（例如电压表101）中在电学上接近于HVDC输电线路2的点处被测量。该被测量的值UWPP在用于直接检测失衡故障的检测装置102中与参考值UWPP_TH相比较。例如，如果所测量的值UWPP超过参考值或阈值UWPP_TH，则这被解释为意味着单线接地故障已发生在电网侧中。在单线接地故障期间，那么合适的信号104和切换装置107被用来通过从所监控的HVDC输电线路参数UWPP导出的修改过的电压参考信号vfault来替换单元电压参考信号（unit voltage reference signal）vunit，使得调整装置103可以根据所监控的HVDC输电线路参数UWPP来调整AC电厂1的输出。在该实施例中的调整装置103从锁相环105接收正弦信号106作为输入，并且对集电网络11的三个AC电压信号UWPP_A、UWPP_B、UWPP_C的幅度进行调制，如以下借助图3将被解释的那样。
这个图示是以下控制方程的方框表示，该控制方程针对输出的每相被执行：
其中，上标“r”表示参考值；Vdc是测量到的HVDC电压，其对应于在该图示中所提及的所测量的值UWPP；Vr dc是参考DC电压，其对应于在该图示中提及的参考值或阈值UWPP_TH；idp是在WPP侧的VSC的AC侧处所测量的正序d轴电流；iout是在VSC 10的DC电容器之后所测量的输出DC侧电流；Cdc是DC电容；Ts是采样时间，以及“n”是样本数目。该控制方程的结果是经过调整的AC输出相电压大小Vr dp，其对应于集电网络11的三个AC电压信号UWPP_A、UWPP_B、UWPP_C。
输出电压相的包络因此并非如针对正常或无故障状态会是如此的那样是恒定的，而是根据振荡DC电网电压vdc的变化幅度被动态地调制。这些失衡电压被每个变速风力机4“看到”并且每个涡轮机4因此都对不平衡起反应，例如通过增加转子速度、改变俯仰角等等来起反应，使得能量“被积聚”或被存储在风力机中，用于以后在故障恢复完成时受控地释放到集电网络11中。
在无故障情形下，单元电压参考vunit被使用，而不是振荡DC电网电压Vdc（也就是UWPP）被使用，使得调整装置103生成三个具有恒定包络的被均衡的AC输出电压信号UWPP_A、UWPP_B、UWPP_C，也就是相等大小的三个信号。
图3示出了在非对称电网测故障期间和之后在利用根据本发明的方法控制HVDC输电线路期间出现的所模拟的“每单元”电压的曲线图。
在该图示中的上部曲线示出了针对电网侧的三相的AC电压水平UGRID_A、UGRID_B、UGRID_C的演变。这些AC电压UGRID_A、UGRID_B、UGRID_C在图1中的电网变压器33的HVDC侧处被测量。
在该图示中的中间曲线分别示出了在接近于HVDC输电线路2的电网端和风力发电厂端所测量的HVDC输电线路中的DC电压水平UGRID、UWPP的演变。大小差通过HVDC输电线路2的固有线缆阻抗来解释。
在该图示中的下部曲线示出了针对在风力发电厂侧的三相的（即在公共连接点PCC处所测量的）AC电压水平UWPP_A、UWPP_B、UWPP_C的演变。
单线接地故障在大约0.03s发生。几乎立刻地，调整装置103提供了失衡的AC电压UWPP_A、UWPP_B、UWPP_C。因为第二转换器20的电流限制，所以电网侧DC电压UGRID急剧地升高并且开始以双倍电网频率（例如对于50Hz的电网以100Hz）振荡。电网侧的DC电压UGRID的增加导致在输电线路2的风力发电厂端处的DC电压水平UWPP的增加，并且这通过在第一转换器10的控制模块100中的检测装置102检测到，该控制模块100接着承担对至输电线路的电力输入的控制。调整装置103开始对AC电压UWPP_A、UWPP_B、UWPP_C进行调制，以强制风力机起反应，如上面利用图2的框图所解释的那样。
在大约0.29s，在电网侧的故障恢复完成，使得第二转换器10可以在其电流极限内工作，并且可以继续对HVDC输电线路2的DC电压的控制。结果，在HVDC输电线路中的DC电压水平UGRID、UWPP返回到其故障前正常水平，并且第一转换器10中的控制模块100的调整装置103再一次使用单元电压参考来提供具有相等大小的被均衡的电压参考。再者，这些被均衡的电压通过因此起反应的风力机4来“看到”。
运行根据本发明的控制方法的第一转换器10使用在DC输电线路2之上的振荡电压UWPP（并且因此也是振荡功率）来从电厂1汲取等同的振荡功率，从而导致在PCC处的失衡的AC电压。然而，风力机4仅将被均衡的电流馈入到该系统中，如在图4中所图示的那样，该图4示出了在非对称电网侧故障期间和之后在电网处、在HVDC输电线路之上以及在PCC处的“每单元”电流的曲线图。在该图示中的上部曲线示出了针对电网侧的三相的AC电流水平IGRID_A、IGRID_B、IGRID_C的演变。这些AC电流IGRID_A、IGRID_B、IGRID_C在图1中的电网变压器2的HVDC侧处被测量。
在该图示中的中间曲线分别示出了HVDC输电线路中的接近于HVDC输电线路2的电网端和风力发电厂端所测量的DC电流IGRID、IWPP的演变。
在该图示中的下部曲线示出了针对风力发电厂侧的三相的（即在公共连接点处所测量的）AC电流水平IWPP_A、IWPP_B、IWPP_C的演变。如上面所提及的那样，风力机4仅将被均衡的电流馈入到集电网络11中，使得所述电流的三相基本上具有相等的大小。
图5示出了在非对称电网侧故障期间和之后的有功功率和无功功率的曲线图（沿着x轴的时间比例尺（time-scale）在这个图示中更长）。在该图示中的上部曲线示出了电网侧的平均有功功率PGRID和平均无功功率QGRID的演变。在该图示中的中间曲线分别示出了在电网端处和在WPP端处的在HVDC输电线路之上的功率P(t)GRID、P(t)WPP的瞬时测量结果。在该图示中的下部曲线示出了公共连接点处测量的平均有功功率PWPP和平均无功功率QWPP_B的演变。这些曲线表明，根据本发明的控制方法保证了在失衡的单线接地故障期间在根据本发明的发输电系统中维持电力平衡。
尽管本发明以优选的实施例以及其变形方案的形式已被公开，但将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下可以作出许多附加修改和变化。例如，第一转换器也可以动作来对集电网络中、即在HVDC输电线路的电厂侧的非对称故障作出响应。
为了清楚，应理解的是，遍及本申请的“一”或“一个”的使用并不排除多个，并且“包括”并不排除其他步骤或元件。“单元”或“模块”的提及并不妨碍使用一个以上的单元或模块。

Claims (11)

1.一种控制至高压直流输电线路（2）的电力输入的方法，该高压直流输电线路（2）借助第一电压源转换器（10）被连接到交流电厂（1）并且借助第二电压源转换器（30）被连接到交流电网（3），该方法包括：
- 使用第二电压源转换器（30）在电网（3）的无故障模式工作期间执行对高压直流输电线路（2）的电压控制；
- 监控高压直流输电线路参数（UWPP，UGRID），以检测失衡故障；以及
- 在失衡故障的情况下，使用第一电压源转换器（10）来基于所监控的高压直流输电线路参数（UWPP，UGRID）来调整交流电厂（1）的输出，
其中，调整交流电厂（1）的输出的步骤包括在交流电厂（1）的集电网络（11）处提供失衡的多相交流电压参考的步骤，
其中，失衡的多相交流电压参考包括针对三相交流电厂（1）的集电网络（11）的不同大小的三个电压信号(UWPP_A, UWPP_B, UWPP_C)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所监控的高压直流输电线路参数（UWPP，UGRID）超过预限定的阈值（UWPP_TH）时，检测到失衡故障。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所监控的高压直流输电线路参数（UWPP）包括高压直流输电线路电压（UWPP）。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，高压直流输电线路参数（UWPP）在第一电压源转换器（10）中被监控。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所监控的高压直流输电线路参数（UWPP）被调节来引起高压直流输电线路（2）的线路阻抗。
6.一种用于控制至高压直流输电线路（2）的电力输入的控制模块（100），该高压直流输电线路（2）借助第一电压源转换器（10）被连接到交流电厂（1）并且借助第二电压源转换器（30）被连接到电网（3），该控制模块（100）包括：
- 用于监控高压直流输电线路参数（UWPP，UGRID）的监控装置（101）；
- 用于基于所监控的高压直流输电线路参数（UWPP，UGRID）来直接检测失衡故障的检测装置（102）；以及
- 根据所监控的高压直流输电线路参数（UWPP，UGRID）来调整交流电厂（1）的输出的调整装置（103）；
其中，调整装置（103）被实现来在交流电厂（1）的集电网络（11）处生成失衡的多相交流电压参考，
其中，失衡的多相交流电压参考包括针对三相交流电厂（1）的集电网络（11）的不同大小的三个电压信号(UWPP_A, UWPP_B, UWPP_C)。
7.根据权利要求6所述的控制模块，其包括计算机程序产品，用于当计算机程序产品被加载到可编程器件的存储器中时实现根据权利要求1至5中的任意权利要求所述的方法的步骤。
8.一种用于电厂（1）的电压源转换器（10），其包括根据权利要求6或7所述的控制模块（100）。
9.一种发输电装置（4），其包括：
- 用于生成交流电力的交流电厂（1）；
- 用于消耗所生成的交流电力的交流电网（3）；
- 用于将所生成的电力从交流电厂（1）传输到交流电网（3）的高压直流输电线路（2）；
- 用于将交流电力转换成直流电力的第一电压源转换器（10），所述第一电压源转换器（10）被布置在交流电厂（1）的集电网络（11）与高压直流输电线路（2）之间；
- 用于将直流电力转换成交流电力的第二电压源转换器（30），所述第二电压源转换器（30）被布置在高压直流输电线路（2）与交流电网（3）之间；以及
- 根据权利要求6或7所述的用于控制至高压直流输电线路（2）的电力输入的控制模块（100）。
10.根据权利要求9所述的发输电装置，其中，交流电厂（1）包括风力发电厂（1）。
11.根据权利要求10所述的发输电装置，其中，风力发电厂（1）包括多个变速风力机（4），所述多个变速风力机（4）被实现来提供与电压不平衡无关的被均衡的多相电流。
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