CN105900307B

CN105900307B - Dc传输线的控制

Info

Publication number: CN105900307B
Application number: CN201480072885.4A
Authority: CN
Inventors: C.奧亚特斯
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: EP2871740B1; CN105900307A; WO2015067771A1; EP2871740A1; US20160285378A1; US10236785B2

Abstract

本申请涉及用于通过传输线(402)的电功率的直流传输的电压源转换器(401)的控制设备的方法和设备。控制设备包括调节控制(403)，其用于生成用于转换器的调节信号以调节电压源转换器的电气参数例如电压或功率以便调节通过传输线的功率传输。调节信号基于如可从参考控制块(404)来供应并且可从指示电压或功率需求的需求信号来得出的所述参数的参考值与所述参数的测量值之间的差。该设备还包含阻尼控制(405)，其配置成生成阻尼信号，用于调制所述调节信号，以降低转换器的控制的带宽内的谐振的影响。阻尼信号作为传输线的测量电压或电流和传输线的阻抗值的函数来生成。阻尼信号可被高通滤波(407)，以便对稳态操作没有实质影响。

Description

DC传输线的控制

技术领域

本申请涉及用于DC传输线的控制的方法和设备，并且具体来说涉及特别是针对谐振的阻尼的电压源转换器的控制。

发明内容

HVDC(高压直流)电功率传输将直流(DC)用于电功率的传输。因此，第一站可通过DC传输线将电能传送给第二站。这是对更常见的交流电功率传输的备选方案。使用HVDC电功率传输存在许多益处。第一站可通过从所接收交流(AC)输入电源(supply)的转换来生成DC电源。第二站则通常提供从DC转换回到AC。

DC传输线、特别是涉及地下或海底电缆的那些DC传输线具有集总分布系统的典型特性。线路上的任何扰动将沿线路传播，并且可在线路的端接(termination)处按照那个端接的性质来反射。反射波能够与任何持续扰动(其能够引起以给定频率的谐振)进行组合。

这类传输线能够描述为‘π’段的重复序列，其中存在各具有等于C/2的值的两个电容，其通过值L的电感所连接。沿这种线路的传播速度v通过v＝1/√(LC)给出，并且每区段具有等于√(L/C)的等效阻抗。如果传输线与等于√(LC)的电阻端接，则没有反射将会发生，但是如果端接具有任何其他电阻值，则将反射至少一些能量。

对于用来将电能从一站传送给另一个的HVDC传输线，常规地是使用一站来调节DC电压而另一站来调节功率。图1图示简化布置，其中第一电压转换器101经由通过至少一个π段103所表示的传输线来耦合到第二电压转换器102。第一转换器布置成调节电压，以及因而控制器104接收电压需求的指示，并且还接收DC传输链路的电压的测量信号和确定适当控制信号。第二电压转换器102布置成调节功率，以及因而控制器105接收功率需求的指示并且还接收DC电压和DC电流的测量和确定第二转换器的适当控制信号。

因此，一站能够被认为是电压源，并且因而能够被认为具有零端接阻抗，而另一站能够被认为是电流宿，暗示它具有无穷端接阻抗。这意味着，调节DC电压的站成为结点，而调节功率的站成为反结点。因此，谐振能够在这种DC传输系统中以使得谐振的波长对应于电缆长度的4、4/3、4/5、4/7等倍的频率发生。

图2示出电压和电流波形，其使用沿如图1所示线路的简化传输线模型来模拟。能够看到，在电压控制站处的电压瞬变能够导致在功率控制站处的电压中的谐振，并且还导致在电压控制站处的电流中的谐振。同样，在功率控制站处的需求中的阶跃变化能够导致谐振。

这种谐振的最低频率将在传输线的长度对应于沿传输线所创建的波的四分之一波长时发生。使用标准波方程v＝f.λ(其中λ是波长)，这对应于下式的频率f：

其中L_C是传输线的长度。

对于大多数电缆HVDC传输线，谐振的最低频率将处于50Hz至100Hz区域。

在历史上，HVDC已使用被称作线路换向转换器(LCC)的电流源转换器来从AC转换到DC并且反之亦然。LCC使用能够通过适当触发信号来接通的诸如晶闸管的元件，并且只要它们被正向偏压则保持传导。通常，这类转换器使用诸如以六脉冲桥接器或十二脉冲桥接器布置的阀的布置来实现电压转换。在具有50Hz AC输入/输出的十二脉冲桥接器布置中，LCC的控制系统将具有600Hz的等效取样频率。这种转换器的控制环路的带宽一般将低于这个值的大约十分之一，并且因而在大约40至50Hz的区域中。因此，如上面对这种基于LCC的HVDC系统所述的传输线的谐振一般将在LCC控制的带宽外并且因而将不会正常影响控制性能。

但是，功率电子器件领域中的最近发展已引起AC-DC和DC-AC转换的电压-源转换器(VSC)的增加使用。VSC使用例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的切换元件，其能够可控地接通和关断。因而，VSC有时称作自行换向转换器。VSC通常包括多个子模块，其能够连接到转换器的臂中。在常常称作六脉冲桥接器的一种形式的已知VSC中，将AC端子连接到DC端子的每个阀包括一组串联连接切换元件、通常为IGBT，每个IGBT与反并联二极管连接。阀的IGBT共同切换，以连接或断开相关AC和DC端子，其中给定相位分支(phase limb)的阀基本上反相切换。通过将脉宽调制(PWM)类型切换方案用于每个臂，能够实现AC与DC电压之间的转换。在称作模块化多电平转换器(MMC)的另一种已知类型的VSC中，每个子模块通常包括作为能量储存元件的电容器以及用于有选择地将电容器连接或旁路的切换元件。各种子模块的电容器可依次连接，以提供电压转换。

对于VSC系统，控制带宽将在100Hz区域中，并且因而传输线的谐振将落入控制带宽之内是有可能的。这潜在地能够不利地影响DC传输的控制，并且导致在电压转换器处的电压波动。这种电压波动能够导致功率损失，并且在一些情况下能够达到能够引起组件的损坏或故障的电平。

常规地，要降低这类谐振，传输电缆可与表示其特性阻抗的电阻端接。因而，如图3所图示，对于提供电压控制的站301，能够插入串联电阻302，并且对于提供功率控制的站，能够提供分路电阻303。为了避免在稳态的大功率耗散，串联电阻302具有并联电感304，并且分路电阻可具有串联电容305。在每种情况下，L/R和RC时间常数可被设置，使得它们给出拐点频率，其通常低于电缆谐振频率的大约十分之一。但是，适当电阻和电容要求使用大的并且昂贵组件，其能够增加DC传输站的成本和大小。

因此，本发明的实施例提供控制方法和设备，其至少减轻上述缺点的至少一些。

因而，按照本发明，提供一种用于控制用于通过传输线的电功率的直流传输的电压源转换器的控制设备，该控制设备包括：

调节控制，用于生成调节信号，该调节信号用于控制电压源转换器来调节电压源转换器的电气参数，以便调节通过传输线的功率传输，所述调节信号基于所述参数的测量值与所述参数的参考值之间的差，以及

阻尼控制，配置成生成阻尼信号，用于调制所述调节信号，所述阻尼信号作为传输线的测量电压或电流和传输线的阻抗值的函数来生成。

阻尼控制可被配置，使得如果测量电压或电流的变化率低于第一极限，则阻尼信号将不对所述调节信号应用调制。

在一些实施例中，阻尼信号可在调制所述调节信号之前被高通滤波。高通滤波器可具有在5Hz至20Hz(包括5Hz和20Hz)的范围中的频率截止。

在一些实施例中，调节信号可基于参数的测量值与参数的参考值之间的差来生成，如通过阻尼信号所修改的。

如所提及，被调节的电气参数被控制，以便调节通过传输线的功率传输。因此，电压源转换器的电气参数可被看作为传输线的电气参数。在一些情况下，电气参数可以是DC链路电压、即传输线的电压电平。在所述情况下，阻尼信号可作为传输线的测量电流乘以传输线的所述阻抗值的函数来生成。

在一些情况下，被调节的电气参数可以是功率，并且因而可以是传输线的功率电平。在所述情况下，阻尼信号可作为传输线的测量电压的平方除以传输线的所述阻抗值的函数来生成。

因而，本发明的实施例涉及一种包括如上所述控制设备的电压源转换器，其中调节信号用来控制电压源转换器的操作。

实施例还涉及一种高压直流传输系统，其包括连接到第一传输线的这种电压源转换器，其中由控制设备所使用的传输线的阻抗值基于第一传输线的所确定特性阻抗。

在本发明的另一方面，提供一种控制用于通过传输线的电功率的直流传输的电压源转换器的方法，该方法包括：

生成调节信号，用于控制电压源转换器来调节电压源转换器的电气参数，以便调节通过传输线的功率传输，所述调节信号基于所述参数的测量值与所述参数的参考值之间的差，以及生成作为传输线的测量电压或电流和传输线的阻抗值的函数的阻尼信号；以及使用所述阻尼信号来生成调节信号。

该方法可以以参照本发明的第一方面所述的变体的任一个来实现。

具体来说，如果测量电压或电流的变化率低于第一极限，则阻尼信号可以不对调节信号应用调制。

阻尼信号可在调制所述调节信号之前被高通滤波。高通滤波器频率截止可在5Hz至20Hz(包括5Hz和20Hz)的范围中。

调节信号可基于参数的测量值与参数的参考值之间的差来生成，如通过阻尼信号所修改的。

电气参数可以是DC链路的电压、即传输线的电压电平，在所述情况下，阻尼信号可作为传输线的测量电流乘以传输线的阻抗值的函数来生成。

被调节的电气参数备选地可以是功率，并且例如可以是传输线的功率电平，在所述情况下，阻尼信号可作为传输线的测量电压的平方除以传输线的阻抗值的函数来生成。

本发明的方面还涉及非暂时存储媒介上存储的、用于执行上述方法的计算机可读代码，或者其在运行于适当计算装置时提供如上所述的控制设备。

附图说明

现在将仅参照下面的附图，通过示例来描述本发明，附图包括：

图1图示HVDC点对点传输链路的基本结构；

图2图示建模传输线上的扰动的一些模拟结果；

图3图示降低谐振的常规方式；

图4图示按照本发明的实施例的控制设备；

图5图示应用于电压调节的本发明的实施例；

图6图示具有如图5所示电压调节设备的建模传输线上的扰动的一些模拟结果；

图7图示应用于功率调节的本发明的实施例；以及

图8图示具有如图5所示功率调节设备的建模传输线上的扰动的一些模拟结果。

具体实施方式

如上所述，HVDC系统中的传输线的谐振是不合需要的，并且对于使用电压源转换器(VSC)的系统特别成问题，因为与LCC转换器相比，与VSC关联的更高控制带宽意味着谐振可落入转换器的控制带宽之内。

因此，本发明的实施例提供用于控制DC传输并且特别是HVDC功率传输中使用的电压源转换器的控制方法和设备，其中将阻尼组件引入到电压转换器的调节中，以降低谐振。阻尼组件基于调节类型的相关反馈变量，并且通过传输线的阻抗值来调整。

图4示出按照本发明的实施例、用于电压源转换器的控制设备的实施例。图4示出例如可以是多电平模块化转换器的电压源转换器401。这类转换器是已知的，并且将不作进一步描述。使用中的转换器将被连接用于通过传输线402(如上所述，其能够被看作通过具有等于√(L/C)的特性阻抗的π段所表示)的电功率的直流传输。

转换器401由包括调节控制403的控制器来控制。调节控制形成用于控制转换器以便调节转换器并且因此传输线402的电气参数的控制器的部分。如上所提及，HVDC传输线的一端上的一个转换器通常布置成调节传输线的电压，以及传输线的另一端处的转换器布置成调节功率。

因而，调节控制403接收调节参数、例如电压或功率的测量值以及还接收所述参数的参考值。参考值可从参考控制块404来接收，并且可从指示电压或功率需求的需求信号来得出。在调节参数是功率的情况下，功率值可通过传输线电流和传输线电压的测量值来生成。

调节控制产生调节信号，其基于参数的测量值与参考值之间的差。因而，调节控制是伺服控制环路的一部分。

VSC控制器还包含阻尼控制405，用于生成用来调制调节信号的阻尼信号。阻尼控制生成作为传输线的测量电压或电流和传输线的阻抗值的函数的阻尼信号。大体上，阻尼控制生成与调节参数相关但是基于传输线的阻抗和没有被调节的反馈变量的值。因而，在调节电压的情况下，测量电流值用来生成阻尼信号，而当调节功率时，测量电压值用来生成阻尼信号，如下面将更详细描述。

阻抗的特性值基于转换器所连接到的传输线402的特性。阻抗值可完全对应于传输线的特性阻抗，其对那个传输线已经确定，但是在一些情况下可使用预计阻抗值。阻抗值可存储在某种存储器406中，或者可硬连线到阻尼控制中，即，使用在具有已知传输线的转换器中使用的适当电路系统。

阻尼控制可被配置，使得如果测量电压或电流的变化率低于第一极限，则阻尼信号将不对所述调节信号应用调制。这意味着，在转换器的稳态操作中将不应用调制，并且将不影响稳态调节。但是，响应于任何瞬变，阻尼信号能够用来调制调节信号。因此，阻尼信号可在调制所述调节信号之前由滤波器407来高通滤波。高通滤波器应当具有标称地低于谐振频率大约十分之一的截止频率值。因此，对于大约50Hz至200Hz的范围中的预计谐振，滤波器的频率截止应当设置在大约5Hz至20Hz(包括5Hz和20Hz)的范围之内。高通滤波器的拐点应当考虑VSC伺服的控制带宽和传输线的谐振频率来设置。对于大约100Hz的控制带宽，高通滤波器可采用不大于大约10Hz的截止频率来设置。

调节信号可在多个不同级来修改。例如，调节信号能够通过调节控制考虑阻尼信号来生成。换言之，阻尼信号可应用于调节控制，并且调节信号基于参数的测量值与参数的参考值之间的差来生成，如通过阻尼信号所修改的。这样，调节信号采用所应用的阻尼调制来产生。但是在其他实施例中，调节信号能够基于参数的测量与参考值之间的差来产生，并且随后通过阻尼信号来调制。在一些实施例中，阻尼信号能够供应给转换器401，并且在转换器内应用调制。

当然将领会，调节控制403和阻尼控制405形成转换器的总体设备的部分，并且如所提及地那样形成转换器的控制设备的一部分。因而，图4中标记为401的元件能够被看作指示转换器的设备的其余部分。

因此，将领会，阻尼控制因而是电压源转换器的正常控制的一部分。由调节控制所生成的调节信号因而用来控制VSC本身的操作，即，作为用于控制电压源转换器的阀，即，VSC的转换器臂的元件，的切换的控制的一部分。

如本领域的技术人员将会理解，调节控制可至少部分通过硬件(例如适当的调节电路系统)和/或至少部分以运行于适当处理器的软件来实现。阻尼控制也是VSC控制器的一部分，并且能够被看作是调节控制的一部分。

因此，将会理解，阻尼控制不是某个单独元件、例如有源滤波器。本领域的技术人员将会理解，有源滤波器在一些应用中已知用于对谐波等进行滤波。但是，有源滤波器对于VSC是单独元件，并且通常连接到电路的适当结点，以便也许通过生成反向电压在那个结点处提供滤波。相反，本发明的实施例的阻尼控制作为VSC本身的控制的一部分来实现。因而，阻尼控制起作用以便影响VSC本身的操作，不只是提供某种下游滤波。

如上所提及，被调节的电气参数可以是传输线的电压电平，即，VSC可工作在电压控制模式中，并且因而调节参数是DC电压。对于这种电压调节转换器，阻尼信号可作为传输线的测量电流乘以传输线的阻抗值的函数来生成。因而，对于电压调节转换器，阻尼组件与I_DC.R_Ch相关，其中I_DC是测量DC电流，以及R_Ch是传输线的特性阻抗值。图5图示应用于采用电压调节的VSC转换器501的本发明的实施例。测量块502测量转换器和/或传输线的电气性质，并且产生电压的测量值V_DC。将这个测量电压值与由电压参考功能503所产生的参考值之间的差传递给DC电压补偿单元504，以相应地调整功率转换器501的操作。通过将测量电流值与等于R_Ch的增益相乘并且采用高通滤波器505对所得到的信号进行滤波，来产生阻尼信号。

图6示出电压和电流波形，其使用与用于图2但是实现图5所图示阻尼控制的相同一般简化传输线来模拟。对于与图2相同的一般电压和功率需求变化进行建模。能够看到，在电压控制站处的电压中的变化导致在功率控制站处的电压中的变化，其呈现小许多的谐振并且具有降低的最大偏移(excursion)。当控制不操作时，这个初始最大电流变化实际上将不会发生，因为它表示HVDC线的(energisation)。功率需求中的随后变化还导致在功率控制站处的电压中的极大降低变化。能够看到，这响应于在电压控制站处的电压瞬变而导致在功率控制站处的电流中的变化，但是电流响应在很大程度上是没有谐振的。

实际上，这个控制功能的一个可能缺点在于，它确实允许转换器端子处的电压改变。这可因传输线的电缆额定值而需要最小化，因此在所使用的阻抗值与高通滤波器拐点之间可能要求某种折衷。

被调节的电气参数备选地可以是传输线的功率电平，例如，VSc可工作在功率控制模式中。对于功率调节转换器，阻尼信号可作为传输线的测量电压的平方除以传输线的阻抗值的函数来生成。因而，对于功率调节转换器，阻尼组件与V_DC ²/R_Ch相关，其中V_DC是测量DC电压，以及R_Ch是传输线的特性阻抗值。图7图示采用功率调节的应用于VSC转换器701的本发明的实施例。测量块702测量转换器和/或传输线的电气性质，并且产生电压(V_DC)和电流(I_DC)的测量值，其相乘以生成功率值。将这个测量功率值与由功率参考功能703所产生的参考值之间的差传递给DC功率补偿单元704，以相应地调整功率转换器701的操作。在这个示例中，通过将测量电压值自乘并且然后与等于1/R_Ch的增益相乘且采用高通滤波器705对所得到的信号进行滤波，来产生阻尼信号。

图8示出电压和电流波形，其使用与用于图2但是实现图7图示的阻尼控制的相同一般简化传输线来模拟。对于与图2相同的一般电压和功率需求变化进行建模。再次能够看到，极大地降低谐振。

将领会，在上述实施例的任何中，阻尼控制和/或调节的至少部分能够通过适当电路组件(例如放大器、乘法器、加法器等)来实现，(这可以是模拟或数字或者混合信号)和/或阻尼或调节功能的至少部分能够通过适当编程的处理电路系统来实现。

因此，一般来说，本发明的实施例涉及用于控制电压源转换器的操作的方法和设备。调节信号可被生成并且用来控制电压源转换器的操作，以调节转换器/传输线的参数、例如功率或电压。阻尼控制基于通过传输线的特性阻抗的值所调整的相关反馈变量来调制调节信号，以便降低谐振。实施例还涉及一种高压直流传输系统，其包括连接到第一传输线的这种电压源转换器，其中传输线的所述特性阻抗基于所述第一传输线的所确定阻抗。

应当注意，上述实施例图示而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够设计许多备选实施例，而没有背离所附权利要求书的范围。词语“包括”并不排除除了权利要求书中所列的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”并不排除复数，以及单个特征或其他单元可完成权利要求书中所陈述的若干单元的功能。权利要求中的任何参考标号不应当被理解为限制其范围。

Claims

1.一种用于控制用于通过传输线的电功率的直流传输的电压源转换器的控制设备，所述控制设备包括：

调节控制，用于生成调节信号，以调节所述传输线的电压，所述调节信号基于所述传输线的电压测量值与所述传输线的电压参考值之间的差，以及

阻尼控制，配置成生成阻尼信号，用于调制所述调节信号，所述阻尼信号作为所述传输线的电流测量值乘以所述传输线的阻抗值的函数来生成，其中，所述阻尼信号减小所述调节信号。

2.如权利要求1所述的控制设备，其中，配置所述阻尼控制，使得如果所述电压测量值或所述电流测量值的变化率低于第一极限，则所述阻尼信号将不对所述调节信号应用调制。

3.如权利要求1或2所述的控制设备，其中，所述阻尼信号在调制所述调节信号之前被高通滤波。

4.如权利要求3所述的控制设备，其中，所述高通滤波器频率截止处于5Hz至20Hz的范围中。

5.一种包括如权利要求1-4任一项所述的控制设备的电压源转换器，其中，所述调节信号用来控制所述电压源转换器的操作。

6.一种包括如权利要求5所述的电压源转换器的高压直流传输系统，其中，所述电压源转换器连接到第一传输线，且所述传输线的所述阻抗值是基于所述第一传输线的所确定特性阻抗。

7.一种控制用于通过传输线的电功率的直流传输的电压源转换器的方法，所述方法包括：

生成调节信号，用于控制所述电压源转换器来调节通过所述传输线的功率传输，所述调节信号基于所述传输线的功率测量值与所述传输线的功率参考值之间的差，并且所述功率测量值作为所述传输线的电流测量值乘以所述传输线的电压测量值的函数来生成；以及

阻尼控制，配置成生成用于调制所述调节信号的阻尼信号，其中所述阻尼信号作为所述传输线的电压测量值的平方除以所述传输线的阻抗值的函数来生成。

8.如权利要求7所述的方法，其中，如果所述电压测量值或电流测量值的变化率低于第一极限，则所述阻尼信号不对所述调节信号应用调制。

9.一种非暂时存储媒介，其用于存储计算机可读代码，该计算机可读代码由计算机执行时使计算机执行如权利要求7至8中的任一项所述的方法。