CN103597733B - 用于保护电压源转换器的方法和控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法和控制器(8)，用于保护电压源转换器(1)，所述电压源转换器包括一个或多个相(L1、L2、L3)，每个相(L1、L2、L3)包括一个或多个串联连接的转换器单元(2‑1L1、2‑2L1、...、2‑nL1；3‑1L2、3‑2L2、...、3‑nL2；4‑1L3、4‑2L3、...、4‑nL3)。每个转换器单元包括用于将其旁路的旁路开关(S‑1L1、S‑2L1、...、S‑nL1；S‑1L2、S‑2L2、...、S‑nL2；S‑1L3、S‑2L3、...、S‑nL3)。所述方法包括以下步骤：检测过电压状况；以及同时控制每个转换器单元的旁路开关，以便根据这种过电压状况的检测结果，将转换器单元旁路。

Description

用于保护电压源转换器的方法和控制器
技术领域
本发明总体上涉及高压设备领域，并且尤其涉及电压源转换器的保护。
背景技术
电压源转换器(VSC)，也称为STATCOM，目前是在诸如风力和太阳能的随机发电组合的情况下提高电网供电质量和例如确保符合各种要求的有效措施。最具挑战性的要求是这些发电厂和电压源转换器能够穿越低或高电压瞬变，而不会触发电压断路器并且同时保证电网的稳定性。
各个国家或地区的政府规定了各种需要，通常称为电网准则。穿越所述的低或高电压瞬变通常即在电网故障期间和特别是在故障恢复时不失去有功和/或无功功率的支持，这时电网对诸如VSC的补偿设备的需求最大。
在高电压情况下，VSC可能会承受很高的电气应力(过载)以及穿越故障的要求，并且要求在故障恢复之后VSC是可控的，由于例如VSC部件尺寸过大，这可能需要明显更高的设备成本。特别地，根据达到针对开关安全工作区域(SSOA)的半导体极限的DC电压，VSC的半导体的受控开关需要被阻断，从而将VSC相降低到电路的整流器类型。然后，通过由于瞬态AC过电压产生的输入电流，对VSC的DC电容器充电，从而处理过电压情形。
目前该问题的解决方案主要是VSC的保守设计，通过加大DC电容器的尺寸和/或通过在每个转换器相中连接额外的串联连接的转换器级。此外，DC电压钳位设备(斩波器)可以用在VSC的每一个转换器单元。所有的这些解决方案需要额外的成本。而且，VSC通常针对高于1.4每单位标称母线电压的电压水平而被阻断，消除了这些阻断时间段期间有效降低电网过电压的可能性。另外，VSC在这样高的电压下阻断的情况需要承担单个转换器单元爆炸的风险，这是昂贵的并且可能是危险的。
在输电和配电系统中，由于开关事件或共振状况，对于短时间间隔，通常多达3个电周期，AC电压可能达到高水平，通常高达2每单位标称系统电压。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供设备和方法，用于使电压源转换器能够处理高电压瞬变，而不引入附加的设备成本。
根据本发明的第一方面，该目的通过控制器中用于电压源转换器保护的方法而实现，该电压源转换器包括一个或多个相，每个相包括一个或多个串联连接的转换器单元。每个转换器单元包括用于将其旁路的旁路开关。该方法包括以下步骤：检测过电压状况；以及同时控制每个转换器单元的旁路开关，以便根据检测到这种过电压状况，将转换器单元旁路。
借助于本发明，并与现有技术相反，电压源转换器不需要被加大尺寸以便能够承受高电压瞬变。本发明的工作模式不需要超尺寸的系统设备，因为由相电抗器吸收的感应过电流低于短路电流，相电抗器针对该短路电流通常被设计成例如最多1秒期间。本发明的方法因此能够符合政府规定的严格的过电压要求，而不增加成本。另外，本发明可以有效地降低在这种过电压状况期间的电网过电压，保护例如风力涡轮发电机和转换器、固定无源滤波器组和辅助电源设备的其他设备。
在实施例中，电压源转换器包括三角形连接的三相。该方法进一步包括步骤：在同时控制旁路开关的步骤之前，即在启动旁路之前，控制和减少三角形连接的电压源转换器中的电流。该步骤可以被引入以消除可能的不对称电流分量或DC电流分量，它们可能存在于无源工作模式以及使所述旁路出现问题。
根据本发明的第二方面，所述目的是通过对电压源转换器进行控制的控制器实现的，电压源转换器包括一个或多个相，每个相包括一个或多个串联连接的转换器单元。每个转换器单元包括用于将其旁路的旁路开关。控制器包括处理器，该处理器被布置成：检测过电压状况；以及同时控制每个转换器单元的旁路开关，以便根据检测到这种过电压状况，将转换器单元旁路。
根据本发明的第三方面，所述目的是通过用于对电压源转换器进行控制的控制器的计算机程序实现的，该电压源转换器包括一个或多个相，每个相包括一个或多个串联连接的转换器单元，每个转换器单元包括用于将其旁路的旁路开关。计算机程序包括计算机程序代码，当其在控制器上运行时，使控制器执行以下步骤：检测过电压状况；以及同时控制每个转换器单元的旁路开关，以便根据检测到这种过电压状况，将转换器单元旁路。
根据本发明的第四方面，所述目的是通过一种计算机程序产品实现的，该计算机程序产品包括如上所述的计算机程序以及计算机可读装置，该计算机可读装置上存储了计算机程序。
在阅读下面的描述和附图之后，本发明的其它特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1图示了其中本发明的实施例可以被实现的环境，并且尤其是多级电压源转换器。
图2图示了图1的电压源转换器，旁路开关处于闭合位置。
图3为图1的电压源转换器的另一图示，并且尤其是等效的旁路开关。
图4为图2的电压源转换器的另一图示，示出了无源模式。
图5图示了根据本发明一个方面的方法的步骤流程图。
图6图示了用于实现本发明方法的控制器和装置。
图7图示了在正常工作、过载工作和发明的无源模式工作中的电压源转换器的VI特性。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定架构、接口、技术等，以便帮助全面理解本发明。然而，很明显，对那些本领域的技术人员来说，本发明可以在不包括这些具体细节的其它实施例中实施。在其它情况下，众所周知的设备、电路、和方法的详细描述被省略，以免由于不必要的细节而使本发明的描述难以理解。在说明书中，相同的数字表示相同的部件。
图1示出了电压源转换器1，可用于实现本发明的各方面。电压源转换器1包括一个或多个相；所示情况下为三相：L1、L2、L3。每相包括一个或多个串联连接的转换器单元，例如L1相包括转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；L2相包括转换器单元31L2、32L2、...、3nL2；L3相包括转换器单元41L3、42L3、...、4nL3。每个转换器单元进而可以包括与电容器单元(未示出)以H桥布置形式连接的四个阀(仅示意性图示)。每个阀进而包括诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)的晶体管开关，其具有与其并联连接的续流二极管。要注意的是可以使用其它半导体器件，例如栅极可关断晶闸管(GTO)或集成栅极换流晶闸管(IGCT)。转换器单元可以备选地为半桥转换器单元，并且要注意的是，其他转换器拓扑也可以受益于本发明。
相L1、L2、L3通常经由各自的相电抗器5L1、5L2、5L3连接到电网6，例如三相电网。
每个转换器单元进一步包括旁路开关，用于L1相的S1L1、S2L1、...、SnL1；用于L2相的S1L2、S2L2、...、SnL2，用于L3相的S1L3、S2L3、...、SnL3。旁路开关可以是任何用于保护该单个转换器单元免受过电压和/或过电流的常规开关。这种旁路开关的示例包括晶闸管类型、IGBT类型或机械类型的开关。
还提供了用于控制电压源转换器1的控制器8。控制器8例如从电网6中接收测量值，例如借助于电压互感器。控制器8以常规方式向转换器单元传达控制信号，例如在通信网络中。
根据本发明，使用每个转换器单元的旁路开关。对电压源转换器1进行控制的控制器8被布置为实现整个三相电压源转换器1的同时旁路。在电压源转换器1的保护策略中，实现了转换器单元的同时旁路，例如当AC或DC电压超过最大工作值时。
三角形连接的电压源转换器的结构，如图1和图2所示，在本方式中变为对称感性负载(电抗器5L1、5L2、5L3，参见图4)，它将吸收电压源转换器1的若干每单位标称电流(例如4-10每单位)。
在这种工作模式中，转换器单元被保护免受DC过电压，并且同时电网电压自动减小，这归因于高感性负载。电压源转换器1然后可以暂时工作在如图7的VI曲线所示的无源模式，而不使任何转换器部件过载。
当电网电压低于最大工作电压时，转换器单元的旁路可以被释放，并且电压源转换器能够开始再次工作在正常可控模式。
旁路开关S1L1、S2L1、...、SnL1；S1L2、S2L2、...、SnL2；S1L3、S2L3、...、SnL3如图1所示处于其闭合位置，因此根据符合的某一评判标准(例如AC电压超过最大工作值)同时打开。相的旁路开关可以看作单个开关，如图3所示。也就是说，对于相L1，旁路开关S1L1、S2L1、...、SnL1可以等效于将整个相臂旁路的开关SL1eqv，同样，对于相L2，旁路开关S1L2、S2L2、...、SnL2可以等效于将相L2的整个相臂旁路的开关SL2eqv，旁路开关S1L3、S2L3、...、SnL3可以等效于将整个相臂L3旁路的开关SL3eqv。
图3示出了电压源转换器1，其中旁路开关在其闭合位置，从而使转换器单元短路。图4也示出了这种情况，即当旁路开关已经受控制以便处于其闭合位置，并且如前面所述，电压源转换器1然后成为对称感性负载。
在一方面并参照图5，本发明提供了一种用于保护所述电压源转换器1的控制器8中的方法20。电压源转换器1包括一个或多个相L1、L2、L3，每个相L1、L2、L3包括一个或多个串联连接的转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3。每个转换器单元包括旁路开关S1L1、S2L1、...、SnL1；S1L2、S2L2、...、SnL2；S1L3、S2L3、...、SnL3，用于将其旁路。
该方法20包括第一步骤：检测21过电压状况。通过测量电压源转换器1连接到其的电网6的AC电压，可以检测过电压状况，并且确定该AC电压超过电压源转换器1的最大工作电压，和/或测量一个或多个转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3的DC电压以及确定该DC电压超过预定值，和/或测量AC电流并检测电流超过作为同时检测到的高AC电压所引起的预设值，和/或测量一个或多个相L1、L2、L3中的电流并确定该电流超过预设值。
该方法20包括第二步骤：同时控制22每个转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3的旁路开关S1L1、S2L1、...、SnL1；S1L2、S2L2、...、SnL2；S1L3、S2L3、...、SnL3，以便根据这种过电压状况的检测结果，将转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3旁路。这可以例如通过从控制器8发送控制信号用于闭合旁路开关来完成。
在实施例中，其中电压源转换器1包括三角形连接的三个相L1、L2、L3，每个相进一步包括各自的相电抗器5L1、5L2、5L3，该方法20可以包括另外的步骤：在同时控制22旁路开关的步骤之前，控制23和减小三角形连接的电压源转换器1的电流。这样做是为了消除可能的不对称电流分量或可能保持在无源工作模式的DC电流分量，以及损害，或造成难以重新打开任何旁路开关。
在实施例中，根据正在被旁路的转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3，电压源转换器1进入无源模式。在该无源模式中，一个或多个相L1、L2、L3的各自的相电抗器5L1、5L2、5L3吸收由检测到的过电压状况引起的感应过电流。
在实施例中，方法20包括以下进一步的步骤：当检测到的过电压状况已经过去，重新打开24旁路开关S1L1、S2L1、...、SnL1；S1L2、S2L2、...、SnL2；S1L3、S2L3、...、SnL3。这是通过从控制器8发送控制信号用于打开旁路开关并且从而将电压源转换器1重新置于可操作模式来完成的。
图6示出了用于实施所描述方法的装置，并且具体为用于控制所描述电压源转换器1的控制器8。控制器8包括处理器31，其布置成：
-检测过电压状况，并且
-同时控制每个转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3的旁路开关S1L1、S2L1、...、SnL1；S1L2、S2L2、...、SnL2；S1L3、S2L3、...、SnL3，以便根据这种过电压状况的检测结果，将转换器单元21L1、22L1、...、2nL1；31L2、32L2、...、3nL2；41L3、42L3、...、4nL3旁路。
控制器50包括能够执行存储在例如存储器的计算机程序产品33中的软件指令的处理器31，例如中央处理单元、微控制器、数字信号处理器(DSP)等。处理器31被连接到输入装置30，其接收例如来自转换器单元控制和保护单元(未示出)的输入，所述转换器单元控制和保护单元连接到转换器单元的的栅极单元。要注意的是，虽然图6仅示出一个处理器31，但是实施方式可以包括分布式硬件，以便在运行该软件时使用几个CPU而不是一个。同样，虽然仅示出了一个输入装置30，但是可以有若干个输入装置。
所描述的用于控制电压源转换器1的方法和算法或其一部分可以例如由软件和/或处理器31中的专用集成电路实施。为此，控制器8还可以包括存储在计算机程序产品32上的计算机程序32。
仍参照附图6，本发明还包括这种用于对电压源转换器1进行控制的计算机程序32。计算机程序32包括计算机程序代码，当运行在控制器8上，尤其在其处理器31上时，使得控制器8执行所述的方法。
因此，计算机程序产品33还设有包括计算机程序32以及存储该计算机程序32的计算机可读装置。所述计算机程序产品33可以是读写存储器(RAM)或只读存储器(ROM)的任意组合。该计算机程序产品33还可以包括持久性存储，其例如可以是磁存储器、光存储器、或固态存储器的任何单个或组合。
图7图示了电压源转换器的VI特性。特别是，根据本发明的一个方面，所述电压源转换器示出为处于正常工作、过载工作(在该状况下，仍然完全可控)和无源模式工作。图中，呈现了转换器的可控工作范围，显示了在连续(Inom cap和Inom ind之间)和暂时(IOL cap和IOL ind)，通常为几秒钟状况期间电网电压相对于无功电流的行为。这些范围之外的工作引起转换器的阻断，并且在极端的情况下，引起与电网的断开。本发明的一个方面增加了由电网所看到的瞬态工作特性，其中转换器被瞬时地旁路，而且由电网所看到的VI特性保证了电抗器的特性，有助于该系统穿越过电压状况。
总之，本发明利用现有的设备(单个转换器单元的旁路装置)用于在极端过电压状况下实现新的系统配置。新特征是无源工作模式，由旁路装置通过电压源转换器中央控制器的协调来实现。该新的工作模式能够符合各种要求，这些要求通常会导致额外的设备成本，并同时可以有效地降低电网电压，保护例如风力涡轮发电机和转换器、固定无源滤波器组和辅助电源设备的其它装置。该新的工作模式不需要超大尺寸的系统设备，因为由相电抗器所吸收的电感过电流通常低于相电抗器针对其常规设计的短路电流。

Claims (11)

1.一种用于保护电压源转换器(1)的控制器(8)中的方法(20)，所述电压源转换器(1)包括一个或多个相(L1、L2、L3)，每个相(L1、L2、L3)包括一个或多个串联连接的转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)，每个转换器单元包括用于使其旁路的旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)，所述方法(20)包括以下步骤：
-检测过电压状况；以及
-同时控制每个转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)的所述旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)，以便根据这一过电压状况的检测结果，将所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)旁路，其中根据正在被旁路的所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)，所述电压源转换器(1)进入无源模式，在所述无源模式中，所述一个或多个相(L1、L2、L3)各自的相电抗器(5L1、5L2、5L3)吸收由所述检测到的过电压状况引起的感应过电流。
2.根据权利要求1所述的方法(20)，其中检测过电压状况的步骤包括测量所述电压源转换器(1)连接到的电网(6)的AC电压，并且确定所述AC电压超过所述电压源转换器(1)的最大工作电压，和/或测量所述一个或多个转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)的DC电压并且确定所述DC电压超过预设值。
3.根据权利要求1所述的方法(20)，其中检测过电压状况的步骤包括测量所述一个或多个相(L1、L2、L3)中的电流，并且确定所述电流超过预设值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(20)，其中所述电压源转换器(1)包括三角形连接的三个相(L1、L2、L3)，所述方法(20)进一步包括步骤：在同时控制所述旁路开关的步骤之前，控制三角形连接的电压源转换器(1)中的电流。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(20)，其中同时控制所述旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)的步骤包括发送控制信号用于闭合所述旁路开关。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(20)，其中所述电压源转换器(1)包括三角形连接的三个相(L1、L2、L3)，每个相进一步包括各自的相电抗器(5L1、5L2、5L3)。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(20)，包括以下进一步的步骤：当所述检测到的过电压状况已经过去，重新断开所述旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(20)，其中所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)包括半桥转换器单元或全桥转换器单元。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(20)，其中所述旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)包括基于晶闸管的旁路开关、基于绝缘栅双极晶体管的旁路开关、或机械旁路开关。
10.一种用于控制电压源转换器(1)的控制器(7)，包括一个或多个相(L1、L2、L3)，每个相(L1、L2、L3)包括一个或多个串联连接的转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)，每个转换器单元包括旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)，用于使其旁路，所述控制器(7)包括处理器(31)，所述处理器被布置为：
-检测过电压状况；并且
-同时控制每个转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)的所述旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)，以便根据这种过电压状况的检测结果，将所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)旁路，其中根据正在被旁路的所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)，所述电压源转换器(1)进入无源模式，在所述无源模式中，所述一个或多个相(L1、L2、L3)各自的相电抗器(5L1、5L2、5L3)吸收由所述检测到的过电压状况引起的感应过电流。
11.一种用于保护电压源转换器(1)的控制器(8)中的设备，所述电压源转换器(1)包括一个或多个相(L1、L2、L3)，每个相(L1、L2、L3)包括一个或多个串联连接的转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)，每个转换器单元包括用于使其旁路的旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)，所述设备包括：
-用于检测过电压状况的装置；以及
-用于同时控制每个转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)的所述旁路开关(S1L1、S2L1、…、SnL1；S1L2、S2L2、…、SnL2；S1L3、S2L3、…、SnL3)的装置，以便根据这种过电压状况的检测结果，将所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)旁路，其中根据正在被旁路的所述转换器单元(21L1、22L1、…、2nL1；31L2、32L2、…、3nL2；41L3、42L3、…、4nL3)，所述电压源转换器(1)进入无源模式，在所述无源模式中，所述一个或多个相(L1、L2、L3)各自的相电抗器(5L1、5L2、5L3)吸收由所述检测到的过电压状况引起的感应过电流。
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