CN104935000A - 用于电压源换流器的控制装置及其操作方法 - Google Patents

用于电压源换流器的控制装置及其操作方法 Download PDF

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CN104935000A CN201510117165.1A CN201510117165A CN104935000A CN 104935000 A CN104935000 A CN 104935000A CN 201510117165 A CN201510117165 A CN 201510117165A CN 104935000 A CN104935000 A CN 104935000A
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Abstract

提供了一种用于连接至风电场的电压源换流器的控制装置及其操作方法。所述控制装置包括：电源监测单元，其检测连接至电压源换流器的整个电网的直流(DC)电压；以及控制单元，其将所检测出的整个电网的DC电压与基准电压做比较，其中作为比较的结果，当所检测出的整个电网的DC电压在基准电压的预设范围之外时，控制单元调整供给风电场的交流电(AC)至设定值。

Description

用于电压源换流器的控制装置及其操作方法
技术领域
本公开涉及一种用于电压源换流器的控制装置及其操作方法，且更具体地，涉及一种与风电场有关的用于电压源换流器的控制装置及其操作方法。
背景技术
通常，高压直流电(HVDC)与HVDC输电方法有关，在HVDC输电方法中发电站所产生的交流(AC)电被变换为直流(DC)电，DC电被输送然后在电力接收区域被重新变换为AC电。
由于HVDC的输电效率高且电力损耗低，所以世界各国从高压输电到配电都广泛使用它。
最近，风能及太阳能被认为是用于减少温室气体及扩大新型可再生能源分布的必不可少的技术，因而对HVDC的兴趣与日俱增。
此外，HVDC由于在诸如半导体功率电子、计算机、控制、通讯、电气、机械设计及分析工程的整个相关领域中的高度连锁反应，而被认为是一个国家电力工业领域里的核心技术。
这样的HVDC系统被分类为使用晶闸管阀的电流型HVDC系统和使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)元件的基于电压源换流器(VSC)的HVDC系统。
由于基于VSC的HVDC可以提供有功功率和无功功率，所以它也适合于无单独电源的小型孤立电网连接，且由于基于VSC的HVDC与电流型HVDC相比具有更小的变换站且可以实现黑启动功能，所以它适合于无AC电源的海上平台。
由于基于VSC的HVDC的优势，所以通过使用基于VSC的HVDC来结合远距离的、新型可再生能源电场的计划及项目正日益增多。
当在一般的多终端DC输电装置中，AC电网及风电场连接在一起时，由远程控制500来控制它们。
参照图1提供了相关描述。
图1为一般的多终端DC输电装置的示意图。
图1中的多终端DC输电装置为具有四个终端的系统，每个终端均与一个连接至变压器400或风电场300的AC电网相连。
此外，在电压源换流器200和AC电网之间有线路阻抗R+jωL及电网阻抗。
每一个终端均包括电压源换流器200且均由远程控制500来控制。
由于远程控制500与各个电压源换流器200间隔开，所以它可以通过通信来控制各个电压源换流器200。
当连接至各个电压源换流器200的远程控制500遇到通信故障时，远程控制500可能无法控制各个电压源换流器200且一个或多个电压源换流器200不能正常工作，各个电压源换流器200处于后备操作模式下。
因此，各个电压源换流器200均使诸如下垂控制器(droopcontroller)的后备控制器运行使得始终如一地进行整个DC输电系统的输电。
然而，当电压源换流器200可能无法与风电场300进行通信时，来自连接至风电场的电压源换流器200的输电控制可能无法正常工作。
究其原因是因为一般的风力发电机的控制是通过使用最大功率点跟踪(MPPT)技术来完成的，所以整个DC输电装置会遭遇过度供电，多终端DC输电装置的共同的DC母线电压升高，因而存在DC输电装置的连续运行变得困难的限制。
发明内容
实施例提供一种用于电压源换流器的控制装置及其操作方法，所述控制装置能够使连接至风电场的电压源DC输电装置连续输电。
在一个实施例中，一种用于连接至风电场的电压源换流器的控制装置包括：电源监测单元，其检测连接至电压源换流器的整个电网的直流(DC)电压；及控制单元，其将所检测出的整个电网的DC电压与基准电压做比较，其中作为比较的结果，当所检测出的整个电网的DC电压在基准电压的预设范围之外时，控制单元调整供给风电场的交流电(AC)至设定值。
设定值可以包括调整的AC电压的频率及调整的AC电压的电平。
控制装置可以调整AC电压至设定值以减小供给风电场的AC电压的频率及电平并减少接收调整后的AC电压的风电场的发电量。
控制单元可以包括：电压比较单元，其将所检测出的整个电网的DC电压与基准电压做比较；频率控制单元，其根据比较结果调整AC电压的频率至设定值；电压电平控制单元，其基于调整后的AC电压的频率调整AC电压的电平；以及相位控制单元，其基于调整后的AC电压的频率调整AC电压的相位。
电压电平控制单元可以根据恒定的V/f控制技术调整AC电压的电平至与调整后的AC电压的频率对应的AC电压的电平。
在以下附图及说明书中阐述了一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图，以及通过权利要求书，其他特征将是显而易见的。
附图说明
图1为一般的多终端直流电(DC)输电装置的示意图。
图2呈现连接至电压源换流器的风电场。
图3为一般的感应电动机的恒定V/f控制特性曲线。
图4为根据实施例的电压源换流器的控制装置的框图。
图5为根据实施例的控制单元的框图。
图6为根据实施例的用于电压源换流器的控制装置的操作方法的流程图。
图7及图8为呈现根据实施例的用于电压源换流器的控制装置如何控制电压源换流器的方案图。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述实施例使得本领域的技术人员可以很容易地实践这些实施例。然而，本发明可以以几种不同的形式来实施且并不限于本文中所描述的实施例。此外，在附图中并未提供与说明书无关的部件以便于使本发明清楚明了且整个公开中相似的部件具有相似的附图标记。
此外，当描述某个部件包括一些元件时，应该理解的是，如无特别异议，它可能并不排除而是另外包括其他元件。
在描述用于电压源换流器的控制装置100及其操作方法之前，参照图2描述风电场300的基本操作。
图2呈现连接至电压源换流器200的风电场300。
电压源换流器200通过变压器400被连接至风电场300。另外，在电压源换流器200与变压器400之间存在线路阻抗R+jωL。
风电场300包括多个风力发电机。
风力发电机包括叶片310、齿轮箱320、感应电动机330及控制单元340。
叶片310可以由风产生转矩。
齿轮箱320改变叶片310的转速至某一特定值。
感应电动机330根据叶片310的旋转产生感应电。
控制单元340控制风力发电机的整体运转。
控制单元340的风力发电操作可以各种方式进行控制。
例如，在桨距角控制的情况下，控制单元340可以根据电能指示(electric energy instructions)通过对有功功率的控制而进行控制。.
当连接至风力发电机的AC电网的AC电压具有固定频率和电平时，风能的功率遵从以下等式1：
<等式1>
P turbine = C p P wind = 1 2 C P &rho;A v 3
其中Cp为风能利用系数且可以通过桨距角控制来进行变换，Pwind是风能，Pturbine是涡轮中由风能转换成转动能的功率，ρ是空气密度(kg/m3)，A是扫风面积(m2)，v是风速(m/s)。
由于这些特性，AC电压的频率和电平影响有功功率。
参照图3提供有关描述。
图3为一般的感应电动机的恒定V/f控制特性曲线。
在本示例中，V/f代表电压对频率在大小方面的比值。
关于图3中的特性曲线，X轴为与额定频率成比例的频率值且Y轴代表根据恒定的V/f控制的功率P及转矩T的值。
如图3所示，当频率大于1Pu时，感应电动机的功率P是恒定的而当频率小于1pu时，转矩T保持不变。因此，存在随着频率减小，功率P也减小的特性。
由于已知一般的感应电动机的特性，所以不再提供详细的描述。
参照上述内容在下文中描述电压源换流器的控制装置100及其操作方法。
参照图4和图5来描述用于电压源换流器的控制装置100及电压源换流器200。
图4为用于电压源换流器的控制装置100的框图。
图5为控制装置100的控制单元120的框图。
用于电压源换流器的控制装置100控制所连接的电压源换流器200。
电压源换流器200使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)以将直流电(DC)变换成交流电(AC)或反向转换。
用于电压源换流器的控制装置100包括电源监测单元110及控制单元120。
电源监测单元110检测连接至电压源换流器200的整个电网的DC电压。因此，电源监测单元110可以测量整个电网的DC电压。
电源监测单元110将所测得的整个电网的DC电压传送至控制单元120。
控制单元120控制电压源换流器200的操作。
控制单元120可以控制由电压源换流器200所实行的DC和AC之间的变换操作。
例如，控制单元120可以在通过电压源换流器200进行的DC与AC之间的变换操作中控制DC电压的电平、AC电压的频率、AC电压的电平以及AC电压的相位中的一个或多个。
因此，控制单元120可以在通过电压源换流器200进行的DC与AC之间的变换操作中调整DC电压的电平、AC电压的频率、AC电压的电平以及AC电压的相位中的一个或多个至特定的设定值。
此外，控制单元120可以通过通信接收远程控制500的控制信号。
特别地，控制单元120包括电压比较单元121、频率控制单元122、电压电平控制单元123以及相位控制单元124。
比较单元121将所测得的整个电网的DC电压与基准电压做比较。
频率控制单元122根据电压比较单元121的基准电压与所测得的整个电网的DC电压的比较结果来调整AC电压的频率并发送频率控制信号。
电压电平控制单元123计算与频率控制单元122的控制信号对应的AC电压的电平并调整由电压源换流器200输出的AC电压的电平至所计算出的AC电压的电平。
相位控制单元124响应于频率控制单元122的控制信号而调整由电压源换流器200输出的AC电压的相位。
参照图6描述电压源换流器200的控制装置100的操作方法。
图6为用于电压源换流器的控制装置100的框图。
在步骤S100中，控制装置100的电源监测单元110测量所连接的整个电网的DC电压。
由电源监测单元110测得的整个电网的DC电压被传送至控制单元120。
在步骤S110中，控制装置100的控制单元120判定所测得的DC电压是否处于基准电压的预设范围之内。
控制单元120的电压比较单元121可以将所测得的DC电压与基准电压做比较以判定所测得的DC电压是否处于基准电压的预设范围之内。
例如，当基准电压约为1000V且预设范围为约900V至1100V时，如果所测得的DC电压为950V，则电压比较单元121可以判定所测得的DC电压处于基准电压的预设范围之内。然而，当所测得的DC电压为1300V时，电压比较单元121可以判定所测得的DC电压不在基准电压的预设范围之内。
在本例中，基准电压及基准电压的预设范围可以根据整个电网的配置、设计及运行情况而改变。
当由于远程控制500与控制装置100之间的通信故障或出错而未将远程控制500的控制信号发送至控制装置100时，控制单元120可以判定由电源监测单元110所测得的DC电压是否处于基准电压的预设范围之内。
在步骤S120中，当所测得的DC电压不在基准电压的预设范围之内时，控制单元120调整电压源换流器200的AC电压的频率至设定值。
例如，当所连接的整个电网的DC电压不处于基准电压的范围之内且无法接收远程控制500的控制信号时，控制单元120可以允许电压源换流器200减小供给风电场300的AC电压的频率的大小至设定值。
在本例中，设定值可以根据整个电网的配置、设计及运行情况而改变。
参照图7提供有关说明。
图7为呈现控制装置100如何控制电压源换流器200的方案图。
如图7所示，控制装置100的电源监测单元110测量整个电网的DC电压。
此外，电压比较单元121将所测得的整个电网的DC电压与基准电压做比较且判定所测得的整个电网的DC电压是否处于基准电压的范围之内。
作为电压比较单元121的比较结果，当所测得的整个电网的DC电压不处于基准电压的范围之内时，频率控制单元122将电压源换流器200的输出AC电压的频率调整至设定值并为调整后的频率发送频率控制信号。
由频率控制单元122所发送的频率控制信号还可以包括有关作为调整的AC电压频率值的设定值的信息。
因此，当频率控制单元122发送减小AC电压的频率的频率控制信号时，频率控制信号还可包括要调整的AC电压的频率值。
此外，由频率控制单元122发送的频率控制信号被发送至电压电平控制单元123及相位控制单元124。
作为示例，频率控制单元122可以发送减小电压源换流器200的输出AC电压的当前频率60Hz至设定值30Hz的频率信号并且减小输出AC电压的频率至30Hz。
频率控制单元122减小多少AC电压的频率可以根据所测得的整个电网的DC电压的电平和整个电网的配置、设计及运行情况而变化。
作为在步骤S110中判定的结果，当所测得的DC电压处于基准电压的预设范围之内时，控制单元120返回至步骤S100。
参照图6继续描述电压源换流器200的控制装置100的操作方法。
在步骤S130中，控制装置100的控制单元120调整电压源换流器200的输出AC电压的电平至与调整后的频率对应的AC电压的电平。
控制装置100的电压电平控制单元123可以使用略微影响风电场300中的风力发电机的感应电动机330的绝缘性的恒定V/f控制技术、电压源换流器200及连接至电压源换流器200的变压器。
因此，控制单元120的电压电平控制单元123可以根据在步骤S120中所发送的频率控制信号来调整电压源换流器200的输出AC电压的电平。
例如，当调整频率前，输出AC电压的电平约为220V且频率约为60Hz时，如果调整后的输出AC电压的频率约为30Hz，则电压电平控制单元123可以允许电压源换流器200调整输出AC电压的电平至约110V。
电压电平控制单元123可以使用比例积分控制技术来基于当前所测得的AC电压的电平和要调整的AC电压的电平而控制输出AC电压的电平。
因此，电压电平控制单元123可以通过比较当前所测得的AC电压的电平与要调整的AC电压的电平并调整当前所测得的AC电压的电平的反馈控制，来调整当前所测得的AC电压的电平以接近于要调整的AC电压的电平。
由于比例积分控制技术为已知的技术并且通过比例积分控制技术的电压电平调整也为已知的技术，所以不再提供有关的详细描述。
在步骤S140中，控制装置100的控制单元120调整电压源换流器200的输出AC电压的相位至与调整后的频率对应的AC电压的相位。
由于电压源换流器200还起逆变器(inverter)的作用，所以控制装置100还可以控制电压源换流器200的输出AC电压的相位。
因此，控制单元120的相位控制单元124可以基于当前AC电压的相位及与根据频率控制信号将要调整的AC电压对应的AC电压的相位来调整输出AC电压的相位。
相位控制单元124可以基于调整后的AC电压的频率来计算电压源换流器的输出AC电压的相位，并且基于当前输出AC电压的相位角来调整AC电压的相位至计算出的AC电压的相位。
通过上述过程，控制装置100的控制单元120可以允许电压源换流器200输出具有调整后的电压电平和调整后的频率的AC电压。
因此，连接至电压源换流器200的风电场300接收具有调整后的频率及调整后的电平的AC电压。
例如，由于风电场300可以接收具有比调整前更低频率和更小电平的AC电压，所以依照图2所示的感应电动机的特征曲线，感应电动机330的转矩T恒定，但风电场300的发电量P减小。
因此，能够防止连接至多终端型DC输电装置的风电场300提供过多电力给整个DC电网。
因此，即使风电场300与电压源换流器200之间存在通信故障且AC电网出现问题，多终端型DC输电装置仍可以正常运行。
在本示例中，风电场300的风力发电机的转矩T是恒定的但发电量P减小的问题已经表示在图2和图3的相关部分上。
然后，参照图8描述电压源换流器的控制装置的控制操作的实施例。
图8为呈现控制装置100如何控制电压源换流器200的方案图，并且表示了控制装置100的特定操作。
如图8所示，控制装置100的电源监测单元110测量整个电网的DC电压。
另外，电压比较单元121将所测得的整个电网的DC电压与基准电压做比较并判定所测得的整个电网的DC电压是否处于基准电压的范围之内。
作为由电压比较单元121比较的结果，当所测得的整个电网的DC电压不处于基准电压的范围之内时，频率控制单元122调整电压源换流器200的输出AC电压的频率至设定值。
此外，频率控制单元发送频率控制信号至电压电平控制单元123和相位控制单元124。
因此，控制单元120的电压电平控制单元123可以根据接收到的频率控制信号来调整电压源换流器200的输出AC电压的电平。
特别地，电压电平控制单元123按照恒定的V/f控制技术来计算与要调整的频率的大小对应的AC电压的电平。
电压电平控制单元123通过比例积分控制技术调整当前的AC电压的电平至计算出的AC电压的电平。
用于通过电压电平控制单元123调整输出AC电压的电平至计算出的AC电压的电平的信号以基准电压类型的信号被发送至电压源换流器200。
基准电压可以是被发送至电压源换流器200的且通过所表示的控制信号。
在本示例中，m代表电压源换流器200的输出AC电压的调制指数且代表输出AC电压的相位。
此外，接收基准电压的信号的电压源换流器200可以输出对应于基准电压的输出AC电压。
在本示例中，可以从诸如脉宽调制技术和模块化多电平换流器控制技术(modular multi-level converter control technique)的各种技术中选择将基准电压发送至电压源换流器200的技术。
相位控制单元124可以基于当前测得的AC电压的相位角来调整输出AC电压的相位至与接收到的频率控制信号对应的AC电压的相位。
特别地，相位控制单元124可以基于当前测得的AC电压的相位角以及要调整的AC电压的频率来计算将要调整的AC电压的相位角，并且通过余弦函数将计算出的相位角反映到上述基准电压 的相位。
从而，根据基准电压信号中有关AC电压的相位的信息来调整电压源换流器200的输出AC电压的相位。
通过上述过程，控制装置100的控制单元120可以允许电压源换流器200输出具有调整后的电压电平和调整后的频率的AC电压。
以这种方式，根据实施例的电压源换流器的控制装置100，当连接至风电场的DC输电装置系统有通信问题时，能够调整电压源换流器的输出AC电压，从而防止风电场停止运转。
因此，由于通过连接至风电场的DC输电装置系统可以连续输电，所以可以使整个电网稳定运行。
以上实施例中描述的特征、结构及效果包含于至少一个实施例中但不限于一个实施例。而且，每个实施例中阐述的特征、结构及效果可以被本领域技术人员与其他实施例结合或改进。因此，可以被解释为与这样的结合及这样的变化有关的内容被包括于本发明的范围中。
实施例主要如上所述。然而，它们仅是示例并不会限制本发明。本领域技术人员可以认识到，在不背离实施例的本质特征的情况下可以做出以上未提供的许多变化例和应用例。例如，实施例中特别提出的每一个部件都可以变化。此外，应当解释的是，与这样的变化及这样的应用相关的差异被包含于以下权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于连接至风电场的电压源换流器的控制装置，所述控制装置包括：
电源监测单元，其检测连接至所述电压源换流器的整个电网的直流电压；以及
控制单元，其将所检测出的整个电网的直流电压与基准电压做比较，其中作为比较的结果，当所述检测出的整个电网的直流电压在基准电压的预设范围之外时，所述控制单元调整供给所述风电场的交流电至设定值。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中所述设定值包括调整的交流电压的频率和调整的交流电压的电平。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中所述控制装置调整所述交流电压至所述设定值以减小供给所述风电场的交流电压的频率和电平且减小接收调整后的交流电压的所述风电场的发电量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置，其中所述控制单元包括：
电压比较单元，其将检测出的整个电网的直流电压与所述基准电压做比较；
频率控制单元，其根据比较结果调整所述交流电压的频率至所述设定值；
电压电平控制单元，其基于调整后的交流电压的频率来调整所述交流电压的电平；以及
相位控制单元，其基于所述调整后的交流电压的频率来调整所述交流电压的相位。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中所述电压电平控制单元根据恒定的V/f控制技术调整所述交流电压的电平至与所述调整后的交流电压的频率对应的交流电压的电平。
6.一种用于连接至风电场的电压源换流器的控制装置的操作方法，所述方法包括：
检测连接至所述电压源换流器的整个电网的直流电压；
将检测的整个电网的直流电压与基准电压做比较；以及
作为比较结果，当所述检测的整个电网的直流电压在基准电压的预设范围之外时，调整供给所述风电场的交流电压至设定值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述设定值包括调整的交流电压的频率及调整的交流电压的电平。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述调整供给所述风电场的交流电压至设定值包括：调整所述交流电压至所述设定值以减小供给所述风电场的所述交流电压的频率及电平。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中所述调整供给所述风电场的交流电压至设定值包括：
根据比较的结果调整所述交流电压的频率至所述设定值；
基于调整后的交流电压的频率来调整所述交流电压的电平；以及
基于所述调整后的交流电压的频率来调整所述交流电压的相位。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述调整供给所述风电场的交流电压至设定值包括：根据恒定的V/f控制技术调整所述交流电压的电平至与所述调整后的交流电压的频率对应的交流电压的电平。
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