CN105981282B - 用于电力变换器的控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种控制设备(20)，被配置为控制链式电压源变换器(1)，所述控制设备包括：两个变换器控制器(21a；21b)，每个变换器控制器被配置为从变换器接收输出的电压和/或电流的测量值并且从中确定控制信号用于控制所述电压源变换器，每个变换器控制器包括至少一个积分器元件，所述积分器元件被配置为当确定所述控制信号时执行积分运算并且输出积分器项；以及选择器，被配置为选择所述变换器控制器中的哪一个将其控制信号提供给所述变换器，其中所述或每个积分器元件被配置为具有第一模式和第二模式两种模式，在第一模式中所述积分器元件确定所述积分器项，在第二模式中由另一个变换器控制器中的对应积分器元件提供所述积分器项。

Description

用于电力变换器的控制设备
技术领域
本发明涉及一种在高电压电力传输网络中使用的用于电力变换器的控制设备。尤其，本发明涉及一种电压源变换器控制设备。本发明还涉及一种将所述控制设备和包括至少一个所述电压源变换器的传输网络合并的电压源变换器。
背景技术
在高压直流(high voltage direct current，HVDC)电力传输网络中，交流(alternating current，AC)电力通常被变换为经由架空线路和/或海底电缆进行传输的直流(direct current，DC)电力。此变换使得不需要补偿由电力传输介质(即传输线路或电缆)导致的AC电容性负载的影响，并因此降低了线路和/或电缆的每公里成本，因而在需要长距离传输电力时变得具有成本效益。
AC电力到DC电力的变换用在需要互连DC电网和AC电网的电力传输网络中。在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器来实现所需的变换，AC到DC或DC到AC。一种这种变换器是电压源变换器(voltage source converter，VSC)。链式变换器是一类电压源变换器。
HVDC系统的控制是复杂的，并且需要引入冗余来允许一个控制器故障并且被离线修理的同时另一个控制器维持服务。当这种故障发生时，在控制器之间的切换要求在切换的瞬间具有对AC电压和DC电压波形的最小干扰。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种控制设备，用于控制链式电压源变换器，所述控制设备包括：
两个变换器控制器，每个变换器控制器被配置为从变换器接收输出的电压和/或电流的测量值并且从中确定控制信号以用于控制所述变换器，每个变换器控制器包括至少一个积分器元件，所述积分器元件被配置为当确定所述控制信号时执行积分运算并且输出积分器项；以及
选择器，被配置为选择所述变换器控制器中的哪一个将其控制信号提供给所述变换器，
其中所述或每个积分器元件被配置为具有第一模式和第二模式两种模式，在第一模式中所述积分器元件确定所述积分器项，在第二模式中由另一个变换器控制器中的对应积分器元件提供所述积分器项。
这是有利的，因为当使用第一模式和第二模式在控制器之间切换时，可以有效地控制链式电压源变换器的控制器的积分器元件。这两个控制器可以被独立地操作以提供控制信号。然而，由于积分器项能够在控制器之间转移，至少在选择器进行切换的时刻，积分器元件的这两种模式可以被用于提供控制器之间的平滑过渡。积分器元件可以计算过去误差值的积累值，因此，当将控制器被切换为活跃服务时，积分器元件需要表示过去误差值的初始值，据此来计算后续积分器值。在两个控制器的积分器元件之间转移积分器项可以提供稳定的和可靠的初始值。因此，当在控制器之间进行切换时，将一个控制器中的积分器元件的积分器项提供给另一控制器的积分器元件来初始化另一个控制器的积分器元件，这提供了有利的控制设备。
每个控制器可以包含多个积分器元件，积分器元件被配置为执行积分运算并且输出积分器项以用于确定所述控制信号，其中所述积分器元件的子集具有两种操作模式，并且剩余的积分器元件被配置为利用预定积分器项来初始化。这是有利的，因为虽然设备可以得利于使一些积分器元件在控制器之间转移积分器项，但是对于其他积分器元件，转移可能增加了系统的复杂性。因此，仅为控制器中一些积分器元件转移积分器项是有利的。因此，在每个控制器中，至少一个积分器元件可以使用第一模式和第二模式来运行，并且至少一个其他积分器元件可以使用可能是固定值的预定积分器项来最初地运行。
积分器项可以代表包括偏离设定点的偏差的误差值，所述预定积分器项可以代表零误差。因此，不使用第一和第二模式运行的积分器元件可以被配置为使用零的初始值来计算它们的积分器项。这可以减小控制设备的复杂性。
所述设备被配置为使得当由选择器选择了一个变换器控制器来为变换器提供控制信号时，其积分器元件被从所述第二模式切换至所述第一模式，使得所述积分器元件使用由另一个变换器控制器中的对应积分器元件提供的所述积分器项来初始化其积分器项的确定。
所述设备可以被配置为使得当选择器取消选定一个控制器时，被取消选定的控制器的积分器元件被切换至所述第二模式。由此，非活跃控制器跟随活跃控制器的操作，但是使用活跃控制器中对应积分器元件的积分器项。
所述选择器可以被配置为在两种模式之间切换所述积分器元件。
每个控制器可以包括用于控制DC电力流的一个或多个DC外环元件、使用对称序列分析来确定AC电压需求信号的AC矢量控制元件、以及用于提供切换信号至链式电压源变换器以选择或旁路多个电压源模块中一个的模块选择元件。
模块选择元件可以被配置为选择电力变换器的电压源模块以产生所需的电压，并且，可选地，将模块中电容器的电荷状态维持为在每个阀(其包括一组模块)中基本相等。
每个控制器可以包括电容器平衡控制元件，其被配置为将偏移电流需求插入到DC电流需求中，以便均衡变换器的分支部中的平均电容器电压并且将电容器电压的平均值设置为设定点。
控制器可以包括AC矢量控制元件，其被配置为通过电力变换器调节AC电流。
DC外环控制元件可以被配置为根据操作者设置来调节DC系统中的电力或者调节电力变换器的端子处的DC电压。
每个控制器可以包括电力等同元件，其被配置为确定AC电力需求，并且在需求可能过多的情况下，限制每相的DC电流需求。
积分器元件的所述子集可以包括以下一个或多个：
i)积分器元件，被配置为为DC外环控制元件中的DC电压控制提供DC电压控制积分器项；
ii)积分器元件，被配置为为DC外环控制元件中的DC电压控制提供DC电力控制积分器项；
iii)积分器元件，被配置为为AC矢量控制元件中的正交控制提供AC正交项；
iv)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的直流正序项；
v)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的正交正序项；
vi)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的直流负序项；以及
vii)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的正交负序项。
正序项(直流和正交)可以被考虑为描述通过电力变换器的电力流。负序项可以被考虑为表示表示多相AC系统的相之间的不平衡。可以理解的是，在一些实施例中，基于网络的运行需求，DC电压控制和DC电力控制项可以形成子集的一部分。另外，可以由与电力控制和电压控制相关的独立元件来提供AC正交项和相关积分器元件。
被配置为利用预定值来初始化的剩余的积分器项元件可以包括以下一个或多个：
i)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的直流零负序项；
ii)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的正交零序项；
iii)积分器元件，被配置为提供“共同”或“水平”电容器平衡项，以用于为电容器平衡控制元件中的变换器的每相计算电容器平衡补偿信号；以及
iv)积分器元件，被配置为提供“差异”或“竖直”电容器平衡项，以用于为电容器平衡控制元件中的变换器的每相计算电容器平衡补偿信号。
在电力变换器包括星形三角形变压器来结合电力变换器输出的相的情形下，零序项可以被忽略。可以理解地是，电容器平衡控制元件可以包括多个积分器元件用于计算偏移值来平衡电力变换器的各个部分中的电容器。在一些实施例中，利用预定值(其可以为零)来初始化用于电容器平衡的所有积分器元件。
所述控制设备可以包括故障监控装置，用于识别在将所述控制信号提供至所述变换器的所述控制器中的故障，所述故障监控装置被配置为当识别故障时致动所述选择器以选择另一个控制器。
所述积分器元件可以形成比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器的一部分。
每个控制器可以包括测量装置，用于测量所述变换器的输出。可替代地，每个控制器可以从通用测量装置接收变换器的输出的测量值。控制器可以被配置为测量变换器的输出的AC电压。控制器可以被配置为测量变换器的输出的AC电流。控制器可以被配置为测量变换器的输出的DC电压。控制器可以被配置为测量变换器的输出的DC电流。
所述选择器可以被配置为将一个控制器的所述模块选择元件的输出连接至所述电压源变换器，并且断开另一个控制器的另一个模块选择元件的输出。可替代地，控制器可以共享模块选择元件并且选择器可以切换哪一个控制器将电压需求提供至共享模块选择元件。
由积分器输出控制来控制所述或每个积分器元件的所述第一模式和第二模式，所述积分器输出控制包括被配置为在与其相关控制器的积分器元件的输出与另一个控制器的对应积分器元件的输出之间切换的开关。选择器可以被配置为致动所述开关。选择器可以被配置为在将变换器的控制从一个控制器切换至另一个控制器时来致动所述开关。
链式变换器可以包括至少一变换器模块，所述或每个变换器模块包括至少一个能量储存器件和至少一个开关，所述或每个模块中的所述或每个能量储存器件和所述或每个开关结合以选择性地提供电压源。以这种方式，所述或每个开关控制所述或每个能量储存器件被旁路还是被连接至提供输出电压的变换器电路。可以具有模块选择元件，用于切换所述或每个变换器模块以控制VSC的输出电压，其中控制信号被提供给模块选择元件。具体地，模块选择元件可以提供被配置为连接或旁路所述或每个变换器模块的切换信号。
根据本发明的第二方面，提供一种链式的电压源变换器，包括根据第一方面所述的控制设备。
根据本发明的第三方面，提供一种电力传输网络，包括根据第二方面所述的电压源变换器。
根据本发明的第四方面，提供一种操作用于控制链式电压源变换器的控制设备的方法，所述控制设备包括两个变换器控制器，所述方法包括：
由每个变换器控制器从变换器接收输出的电压和/或电流的测量值并且从中确定控制信号用于控制所述电压源变换器，
当确定控制信号时，在每个变换器控制器处执行积分运算并且输出积分器项，
选择变换器控制器中的哪一个将其控制信号提供给所述变换器，
提供第一模式和第二模式，其中在第一模式中使用特定变换器的积分器项执行积分运算，在第二模式中由另一个变换器控制器提供积分器项。
附图说明
现将参考附图，通过非限制性示例的方式来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出控制器的总体布局的示意图；
图2示出根据本发明具有两个变换器控制器的控制设备的示例结构的简化示意图；
图3示出在控制设备的每个控制器中的多个积分元件的示意图；
图4示出积分器输出控制的示意图；
图5示出了提供积分器项到另一个控制器中的对应积分元件的积分元件；
图6示出由控制设备执行的方法的示例的流程图；
图7以示意的形式示出电压源变换器；以及
图8以示意的形式示出图7的电压源变换器的模块。
具体实施方式
图1示出了电力变换器和其相关联的控制器的示意图。电力变换器1提供在AC电力网络或系统3与DC电力网络或系统4之间的电力变换。在这个示例中，电力变换器1包括链式变换器类型的电压源变换器(VSC)。控制器2可以与VSC 1集成。VSC 1包括多个变换器模块，通常包括数百个变换器模块。每个变换器模块可以包括与电容器并联连接的开关。以这种方式，开关控制电容器被旁路还是被连接到提供输出电压到网络3和4的变换器电路。通过将每个提供其自身电压的多个变换器模块的电容器插入链式变换器，VSC 1能够在链式变换器两端建立比从每个其单独变换器模块可得到的电压更高的组合电压。以这种方式，每个变换器模块中的开关的切换导致链式变换器提供步阶式可变电压源，其允许使用步阶式近似在链式变换器两端生成电压波形。这样，链式变换器能够提供宽范围的复合电压波形。
图7和图8示出VSC 1的示例构造。
电压源变换器1包括第一DC端子71、第二DC端子72以及三个变换器分支73。每个变换器分支73在第一DC端子71与第二DC端子72之间延伸。每个变换器分支73包括由相应AC端子76分隔开的第一分支部74和第二分支部75。
在使用中，第一DC端子71和第二DC端子72分别被连接到DC电网4的正极和负极，同时每个AC端子76被连接到三相AC电网3的相应的相。更具体地，在后者情形下，电压源变换器1的AC端子76经由星形-三角形变压器(其包括相互耦合的星形连接绕组和三角形连接绕组)被连接到AC电网3。每个AC端子被连接到三角形连接绕组的相应的角，所以星形-三角形变压器呈现相应串联电抗(如图7中的电感器77所示)到每个AC端子。
每个分支部74和75包括与分支电感器79串联连接的多个串联连接模块78。每个模块78包括一对有源开关元件80和电容器81形式的能量储存器件。该对有源开关元件80与电容器81以半桥布置并联连接，如图8所示。
每个有源开关元件80构成绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其与二极管形式的反并联无源电流逆止元件并联连接。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个有源开关元件可以由多个有源开关元件(例如，多个串联连接的有源开关元件)来代替。还可以设想，在本发明的其它实施例中，每个IGBT可以由另一类有源开关元件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管)来代替。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个第一开关元件的每个无源电流逆止元件可以由多个无源电流逆止元件(例如，多个串联连接的无源电流逆止元件)来代替。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个电容器81可以由能够储存和释放能量的另一种类型的能量储存器件(例如燃料电池或蓄电池)来代替。
在每个分支部74和75中，多个串联连接模块78限定阀，每个阀中每个模块78的操作描述如下。
通过改变IGBTs的状态，模块78的电容器81选择性地被旁路或被插入到阀中。这选择性地引导电流通过电容器81或导致电流旁路电容器81，使得模块78提供零电压或正电压。
当IGBTs被配置为形成短路(该短路使得电容器81被旁路)时，模块78的电容器81被旁路。这导致阀中的电流通过该短路并且旁路电容器81，所以模块78提供零电压，即，模块78被配置为旁路模式。
当IGBTs被配置为允许阀中的电流流入和流出电容器81时，模块78的电容器81被插入阀。电容器81则对其储存的能量进行充电或放电，以便提供非零电压，即模块78被配置为非旁路模式。
以这种方式，IGBTs以半桥布置与电容器81并联连接以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2象限单极模块78，所以每个模块78能够选择性地提供电压源。
在本发明的其它实施例中，可以设想，每个模块可以由包括至少一个开关元件和至少一个能量储存器件的另一种类型的模块代替，所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存器件组合以选择性地提供电压源。
通过将每个提供其自身电压的多个模块78的电容器81插入阀，能够在阀两端建立比从每个其单独模块78可得到的电压更高的组合电压。以这种方式，切换每个模块78中的IGBT导致阀提供步阶式可变电压源，其允许使用步阶式近似在阀两端生成电压波形。这样，每个阀能够提供宽范围的复合电压波形。
由控制器2控制电压源变换器1，具体地，由控制器2的模块选择元件5(其被配置为控制每个分支部74和75的每个模块78中开关元件80的切换)控制电压源变换器1。更具体地，控制器2被配置为为每个阀生成相应阀电压需求VT和VB，根据每个阀的相应阀电压需求VT和VB，模块选择元件使用每个阀的相应阀电压需求VT和VB生成模块切换指令组，来控制每个分支部分74和75的每个模块78中开关元件80的切换。
在使用中，在电压源变换器1的操作周期上，通过切换每个模块78中的开关元件80以便选择性地操作每个分支部74和75作为在AC端子76与DC端子71和72之间的相应分立被控电压源，电压源变换器1能够被操作为在AC电网3与DC电网4之间转移电力。操作分支部作为在对应AC端子76与DC端子71和72之间的分立被控电压源，这使得分支部74和75还被操作为控制相应端子76、71和72处的电压的形态。例如，每个模块78中的开关元件80可以被切换以选择性地提供电压源以“降低”相应DC端子71和72处的DC电压(即，从相应DC端子71和72处的DC电压减去电压阶梯)，以控制AC端子处AC电压的形态。根据每个阀的相应阀电压需求VT和VB实施每个分支部74和75的每个模块78中开关元件80的这种切换。
为了使电压源变换器1与AC电网3和DC电网4交换电力，并由此引起在AC电网3与DC电网4之间电力的转移，控制器2和模块选择元件5根据AC和DC电压需求和交流和直流电流需求来控制电压源变换器1的操作。
在使用中，在预定额定DC电压Vdc内或在高达额定DC电压Vdc的电压下操作DC电网4，在预定额定AC电压Vac内或在高达额定AC电压Vac的电压下操作AC电网3。电压源变换器1的AC和DC输出电压需求分别对应于AC电网3的AC电压和DC电网4的DC电压。
图1以示意的形式示出控制器2的示例的布局。
控制器2包括DC外环控制元件7、电力等同控制元件9、多个阀电压需求子控制器10、AC矢量控制元件6和电容器平衡控制元件12。多个阀电压需求子控制器10中的每个与阀中的相应一个相关联。为了简化的目的，图1仅示出多个阀电压需求子控制器10中的一个。
图1还以示意的形式示出使用分支部(74和75)电流IT和IB以及交流电流Iac和直流电流Idc(其可以由和差控制元件(未示出)导出)，由此交流电流Iac在变换器分支73的AC端子76处流动，直流电流Idc在变换器分支73的第一DC端子71和第二DC端子72处流动。
DC外环控制元件7被配置为接收电力需求以及AC和DC输出电压需求。DC外环控制元件7被配置为接收DC电网4的测得的直流电流Idc和测得的DC电压Vdc。
DC外环控制元件7调节电压源变换器1的DC电力流(或调节第一DC端子71与第二DC端子72两端的DC电压Vdc)，并且提供信息至电力等同控制元件9，由此使该信息包含电力需求、AC和DC输出电压需求、直流电流需求、DC电网4的测得的直流电流Idc和DC电压Vdc。
基于AC和DC输出电压需求并且基于在电压源变换器1与AC电网3之间交换的AC电力与在电压源变换器1与DC电网4之间交换的DC电力之间的平衡，电力等同控制元件9生成直流电流需求。电力等同控制元件9衡量从DC外环控制元件7接收到的直流电流需求，以创建等效交流电流需求。如果需要过多的电力，则功率等同控制元件9被配置为限制交流电流需求和直流电流需求两者。
控制器2还包括交流信号比较元件17和直流信号比较元件18。
在示出的本示例中被描述为求差接合点的交流信号比较元件17，其将交流电流需求(由电力等同控制元件9提供)与在电压源变换器1与AC电网3之间流动的测得的交流电流Iac相比较，以便生成修改的交流电流需求，其随后被提供给AC矢量控制元件6。
基于来自电容器平衡控制元件12的电容器平衡补偿信号，在示出的本示例中被描述为求和接合点的直流信号比较元件18修改直流电流需求(由电力等同控制元件9提供)，并且直流电流需求被随后提供给阀电压需求子控制器10。电容器平衡控制元件12被配置为从模块选择元件5接收每个分支部74和75中多个电容器81的平均电压电平19，并且被配置为处理接收到的平均电压电平19，以生成电容器平衡补偿信号。可以以多种方式配置电容器平衡补偿信号，以使得能够修改来自电力等同控制元件9的直流电流需求。
AC矢量控制元件6被配置为处理修改的交流电流需求，以提供AC电压需求信号。AC矢量控制元件6还被配置为将AC电压需求信号提供到阀电压需求子控制器10。
为了在电压源变换器1与AC电网3之间转移给定水平的电力，由AC矢量控制元件6提供AC输出电压需求信号使得能够控制在电压源变换器1与AC电网3之间流动的交流电流Iac。更具体地，通过操纵AC电压相位和幅值，AC矢量控制元件6控制交流电流Iac。由此，AC矢量控制元件6调节电压源变换器1的AC电力流动。
阀电压需求子控制器10被配置为为每个阀生成相应的阀电压需求VT和VB。使用相应分支部电流IT和IB作为反馈，这允许阀电压需求子控制器10作用为反馈无差拍控制，从而改善对电压源变换器1的操作的控制，以在AC电网3与DC电网4之间转移电力，同时具有对控制器2的其它级联组件7、9、6和12(其被配置为提供需求至阀电压需求子控制器10)的带宽的最小影响。
每个阀的相应阀电压需求VT和VB被提供给模块选择元件5。然后元件5通过切换指令8的方式选择被要求处于非旁路模式的模块78，以便能够在阀两端生成电压以满足阀电压需求VT和VB。
优选地，模块选择元件5被配置为选择被要求处于非旁路模式的模块78，以便能够平衡每个阀中多个模块78的电容器81的能量水平。
关于每个分支部74和75，模块选择元件5被配置为控制每个模块78的开关元件80的切换，以便满足相应的阀电压需求VT和VB。从而控制模块78使得电力在AC电网3与DC电网4之间转移。
总之，控制器2采样VSC 1的输出的测量值，并且处理该信息以确定模块选择元件5的需求信号。从VSC输出测量值中推导需求信号涉及计算DC外环控制7、电力等同元件9、AC矢量控制元件6、电容器电力平衡控制元件12和阀电压子控制器10中的多个内部控制项。可以通过积分确定内部控制项，因此控制器利用历史值或历史多个值结合当前值以形成特定内部控制项。该控制项可以包括计算被提供给模块选择元件5的控制信号的子步骤或者被用于当在级联控制器中推导需求信号时计算控制信号的修改项。
图2示出具有两个控制器(第一控制器21a和第二控制器21b)的控制设备20。控制器21a和21b中的每个具有与控制器2相同的布局，然而，在图2中，示出控制器的简化版本。具体地，仅仅示出DC外环控制7a和7b、AC矢量控制元件6a和6b以及模块选择元件5a和5b。在适当的时候使用具有“a”和“b”的相同的附图标记足以表示该部件与哪个控制器相关联。后缀“a”表示上控制器，“b”表示下控制器，如图2示意性地所示。第一控制器21a和第二控制器21b可以独立地控制VSC 1。提供两个控制器为控制设备20提供冗余，使得在控制器21a和21b中的一个故障的情形下，控制设备可以切换使得另一个控制器控制VSC 1。
第一控制器21a和第二控制器21b中的每个包括模块选择元件5a和5b、AC矢量控制元件6a和6b以及DC外环控制元件7a和7b。应该理解的是，控制器21a和21b可以被布置为提供AC或DC电压需求信号到共享的模块选择元件。
第一控制器21a包括被配置为测量VSC 1的AC端子11处的AC电流和AC电压的AC输出测量装置10a。第一控制器21a还包括被配置为测量VSC 1的DC端子13处的DC电流和DC电压的DC输出测量装置12a。类似地，第二控制器21b包括被配置为测量VSC 1的AC端子11处的AC电流和AC电压的AC输出测量装置10b。第二控制器21b还包括被配置为测量VSC 1的DC端子13处的DC电流和DC电压的DC输出测量装置12b。应该理解的是，第一控制器21a和第二控制器21b可以被配置为从相同的测量装置接收AC电压、DC电压、AC电流和DC电流的测量值。因此，单个AC输出测量装置可以测量AC电压和AC电流，并且将测量值提供给两个控制器21a和21b，单个DC输出测量装置可以测量DC电压和DC电流，并且将测量值提供给两个控制器21a和21b。
控制设备20还包括用于在第一控制器21a与第二控制器21b之间切换VSC 1的控制的选择器22。利用VSC 1的控制，可以由被配置为识别故障的故障监控系统来致动选择器22。选择器22被配置为控制是否将第一模块选择元件5a的输出连接到VSC 1或者是否将第二模块选择元件5b的输出连接到VSC 1。在控制器21和21b之间切换过程中，选择器还管理在转换时的在第一控制器21a与第二控制器21b之间内部控制项的移交，以便管理对VSC 1的输出的干扰。
在推导被提供给模块选择元件5的DC和AC电压需求信号时，控制器利用积分器元件。积分器元件求随着时间的积分器输入信号的积分，以提供积分器输出信号，控制器21a和21b利用上述积分器输出信号来确定最终输出，即被提供给模块选择元件5用于模块78的选择的AC或DC电压需求。
具体地，控制器21a和21b可以包括具有积分器元件的PID(比例-积分-微分)或PI(比例-积分)控制器。当控制器正确地运行时，用于控制的电压需求值与测得的输出电压之间的差应该接近零。因此，关于控制器的比例元件和微分元件的控制项稳定(settle)为零并且积分器元件的控制项稳定为某个有限值。在一种配置中，非运行控制器例如21b可以跟随运行控制器21a的操作，因此控制器21b将决定其自身电压需求和内部控制项，而来自运行控制器21a的电压需求将控制VSC 1。因此，特别是当涉及单独的测量装置10a、10b、12a和12b的情形下(以测量从VSC 1输出的AC电压、AC电流、DC电压和DC电流)，测量装置的误差容限为使得非运行控制器21b的控制项具有有限误差，这将引起微分项给出零输出，但是比例项可以具有有限的非零输出并且积分器项可以上升(ramp)至无穷大。
当控制器设备切换到控制器21b时，控制器21b的积分器元件可以最初地产生错误的或不一致的值，直到积分器元件已经对足够的数据进行积分来稳定到稳定状态。这可以引起在切换时刻或在切换之后对VSC 1的输出的电压/电流的干扰，这是不希望的。因此，管理与积分器元件相关联的内部积分项是有利的。
参考图3，链式变换器VSC 1的控制器21a和21b利用几个积分器元件。具体地，可以存在以下积分器元件：
i)积分器元件30，为DC外环控制元件7中的DC电力控制提供DC电力项；
ii)积分器元件31，为DC外环控制元件7中的DC电压控制提供DC电压项；
iii)积分器元件32，为AC矢量控制元件6中的正交电力和/或电压提供AC正交项；
iv)积分器元件33，提供用于AC矢量控制元件6中的直流正序项；
v)积分器元件34，提供用于AC矢量控制元件6中的正交正序项；
vi)积分器元件35，提供用于AC矢量控制元件6中的直流负序项；
vii)积分器元件36，提供用于AC矢量控制元件6中的正交负序项；
viii)积分器元件37，提供用于AC矢量控制元件6中的直流零负序项；
ix)积分器元件38，提供用于AC矢量控制元件6中的正交零序项；
x)积分器元件39，提供“共同”或“水平”电容器平衡项，以用于计算电容器平衡补偿信号，以将电容器能量水平设定为电容器平衡控制元件12中变换器内的预定值；
xi)积分器元件40，提供“微分”或“竖直”电容器平衡项，以用于计算电容器平衡补偿信号，以平衡电容器平衡控制元件12中变换器内电容器的子集的能量水平。
选择器22还被配置为控制积分器元件30-40或，有利地，控制积分器元件的子集。可以通过将相关积分器项设置为由另一个控制器生成的对应积分器项，来控制刚刚被切换为运行的控制器的积分器元件。另外，非运行控制器的积分器元件的积分器项可以被设置为与运行控制器的积分器项匹配。因此，当切换发生时，当前运行控制器的积分器元件的积分器项没有漂移到错误的状态，而是提供稳定的VSC输出波形。
已经令人吃惊地发现，对于特定积分器元件，积分器输出控制可能是没有必要的。如果只有积分器元件的一个子集需要积分器输出控制，则设备的复杂性可以降低。应该理解地是，子集可以根据应用包括不同的积分器元件。具体地，已经确定了可能不需要转移积分器元件39和40(即，电容器平衡控制元件12中所使用的积分器元件)的积分器项。此外，可能不需要AC矢量控制元件6(即，积分器元件37和38)中零序列项的积分器项。在VSC中使用星形三角形变压器可能意味着零序项(直流和正交)可以被忽略。相反地，当它们的控制器是非活跃控制器时，积分器元件37至40的积分器项可以被配置为使得它们被设置为零(或其它预定值)。
因此，每个积分器元件可以包括积分器输出控制30’至36’。积分器输出控制被用于控制其相关联的积分器元件的输出。积分器输出控制具有第一模式和第二模式，其中在第一模式中由积分器元件本身计算由积分器元件输出的积分器项，在第二模式中由另一个控制器中对应的积分器元件来确定由积分器元件输出的积分器项。示出控制线30c至36c，其将对应积分器积分器项从另一个控制器转移至电流积分器元件的积分器输出控制。选择器22可以被配置为在第一模式与第二模式之间切换积分器输出控制。选择器22可以在与它选择将哪个模块选择元件5a或5b连接至VSC 1相同的时刻来切换积分器输出控制，或者它可以在不同的时刻执行切换。
因此，图3示出分别与积分器元件30至36相关联的积分器输出控制30’至36’，其形成每个控制器中积分器元件的子集。剩余的积分器元件37至40不具有相关联的积分器输出控制，而是被配置为当相关联控制器被切换为活跃时，利用零(或其他默认值)的积分器项来初始化。图3示出将积分元件37至40的两个可能的输出表示为x(代表由积分元件37至40计算的积分项)、或0、默认初始化值。选择器可以被配置为控制积分器元件37至40，使得当它们相关联的控制器不是活跃控制器时，它们采取零值。
图4示出积分器元件30至36和相关联的积分器输出控制30’至36’的视图。每个积分器输出控制包括开关41，其控制输出42处积分器项的来源。如上所讨论的，开关41具有第一模式和第二模式。在第一模式中，开关将输出42连接到积分器元件30到36。使用内部状态值xn+1和输入un通过积分来计算积分器项yn+1。在第二模式中，开关41将输出42连接为使得其被连接到另一个控制器中的对应的积分器元件(由标号43指定)。积分器项yn+1和状态值xn+1被设置为另一个控制器xn-ext的对应积分器元件的积分器项和状态值。可以由选择器22来控制开关41。积分器元件30至36可以使用任何适当形式的积分，例如，欧拉积分或梯形积分，以形成积分项。
图5示出比例积分(PI)控制器50，其中积分器元件30至40是一部分。PI控制器是典型设计，其具有接收电压需求VDem和测得的电压输出Vfb(其包括反馈值)的比较器、积分增益52、比例增益53和混频器54。然而，积分器元件30至36包括用以交换其积分器项和另一个控制器中对应积分器元件30至36的器件，由接收xn-ext和输出xn+1所示。应该理解的是，可以仅将交换积分器项的积分器元件配置为包括为对应积分器项输出它们的项的连接。
将基于最初是活跃控制器的第一控制器21a以及使得VSC 1的控制被移交给第二控制器21b的选择器22来描述控制设备1的操作。然而，应该理解的是，控制设备也可以同样地从第二控制器21b切换到第一控制器21a。
作为当前活跃控制器的第一控制器21a将为VSC 1提供来自模块选择元件5a的控制信号。
第一控制器21a的积分器元件30a将DC电力控制积分器项提供给DC外环控制元件7a中的DC电力控制，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件30b。
第一控制器21a的积分器元件31a将DC电压控制积分器项提供给DC外环控制元件7a中的DC电压控制，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件31b。
第一控制器21a的积分器元件32a将AC正交电力项提供给AC矢量控制元件6中的正交电力控制，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件32b。
第一控制器21a的积分器元件33a提供直流正序控制积分器项以用于AC矢量控制元件6a中，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件33b。
第一控制器21a的积分器元件34a提供正交正序控制积分器项以用于AC矢量控制元件6a中，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件34b。
第一控制器21a的积分器元件35a提供直流负序控制积分器项以用于AC矢量控制元件6a中，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件35b。
第一控制器21a的积分器元件36a提供正交负序控制积分器项以用于AC矢量控制元件6a中，并且还将其提供给第二控制器21b的对应积分器元件36b。
第一控制器21a的积分器元件37a至40a提供它们相应的积分器项以用于计算被提供给模块选择元件5a的指令。积分器元件37a至40a不将它们计算到的值提供给另一个控制器21b。
选择器22，以及控制器21a和21b之间的切换提供链接以将上述积分项转移到控制器21b的对应积分器元件。第二控制器21b的每个积分器元件30b到36b的开关41在第二模式中，使得通过由第一控制器21a的积分器元件30a到36a提供的积分器项来确定它们的积分器项。
积分器元件37b至40b被配置成使得它们的积分器项被设置为零。
在发生故障或由于任何其他原因的情况下，选择器22可以被致动以将VSC 1的控制转移到第二控制器21b。因此，在致动时，第一控制器的模块选择元件5a从VSC 1断开并且第二控制器的模块选择元件5b被连接于VSC 1。
因此，在第二控制器21b中的积分器元件37b至40b在它们的积分器项被设置为零处开始活跃操作。
选择器22的致动使得第二控制器21b的每个积分器元件30b到36b的开关41采用第一模式。在第一模式中，积分器元件活跃地计算并输出它们各自的积分项。然而，在紧临选择器22被致动之前，通过从第一控制器21a的积分器元件30a到36a接收到的积分器项来确定积分器元件30b到36b的初始状态。这导致在第一控制器21a与第二控制器21b之间控制的稳定移交。
此外，选择器22的致动使得第一控制器21a的每个积分器元件30a到36a的开关41采用第二模式。因此，由第二控制器21b的积分器元件30b到36b提供的积分器项来确定第一控制器21的积分器元件30a到36a的积分器项。
因此，第一控制器21a提供有第二控制器21b的积分器项，使得当它被选择器22选择为活跃控制器时，其积分器元件可以顺利地处理过渡。
图6示出控制设备的操作的方法的流程图。步骤60示出使用第一控制器提供控制指令给链式变换器。步骤61示出由第一控制器提供积分器项给第二控制器。步骤62示出切换控制，使得第二控制器提供控制指令给链式变换器。步骤63示出由第二控制器提供积分器项到第一控制器。

Claims (17)

1.一种控制设备，用于控制电压源变换器，所述控制设备包括：
两个变换器控制器，每个变换器控制器被配置为从变换器接收输出的电压和/或电流的测量值并且从中确定控制信号以用于控制所述变换器，每个变换器控制器包括至少一个积分器元件，所述积分器元件被配置为当确定所述控制信号时执行积分运算并且输出积分器项；以及
选择器，被配置为选择所述变换器控制器中的哪一个将其控制信号提供给所述变换器，
其中所述积分器元件中的至少一个被配置为具有第一模式和第二模式两种模式，在第一模式中所述积分器元件确定所述积分器项，在第二模式中由另一个变换器控制器中的对应积分器元件提供所述积分器项。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中每个控制器包含多个积分器元件，积分器元件被配置为执行积分运算并且输出积分器项以用于确定所述控制信号，其中所述积分器元件的子集具有两种操作模式，并且剩余的积分器元件被配置为利用预定积分器项来初始化。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其中所述积分器项代表包括偏离设定点的偏差的误差值，所述预定积分器项代表零误差。
4.根据任一项前述权利要求所述的控制设备，其中所述控制设备被配置为提供一个控制器中积分元件的积分器项，用于至少当在所述控制器之间切换时来初始化另一个控制器的所述积分器元件。
5.根据权利要求1所述的控制设备，其中所述设备被配置为使得当由选择器选择一个变换器控制器来为变换器提供控制信号时，其积分器元件被从所述第二模式切换至所述第一模式，使得所述积分器元件使用由另一个变换器控制器中的对应积分器元件提供的所述积分器项来初始化其积分器项的确定。
6.根据权利要求1或2所述的控制设备，其中所述设备被配置为使得当选择器取消选定一个控制器时，被取消选定的控制器的积分器元件被切换至所述第二模式。
7.根据权利要求1所述的控制设备，其中所述选择器被配置为在所述两种模式之间切换所述积分器元件。
8.根据权利要求2所述的控制设备，其中积分器元件的所述子集包括以下一个或多个：
i)积分器元件，被配置为为DC外环控制元件中的DC电压控制提供DC电压控制积分器项；
ii)积分器元件，被配置为为DC外环控制元件中的DC电压控制提供DC电力控制积分器项；
iii)积分器元件，被配置为为AC矢量控制元件中的正交控制提供AC正交项；
iv)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的直流正序项；
v)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的正交正序项；
vi)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的直流负序项；
以及
vii)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的正交负序项。
9.根据权利要求2所述的控制设备，其中被配置为利用预定值来初始化的剩余的积分器项元件包括以下一个或多个：
i)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的零负序项；
ii)积分器元件，被配置为提供用于AC矢量控制元件中的正交零序项；
iii)积分器元件，被配置为提供电容器平衡项以用于计算电容器平衡控制元件中的电容器平衡补偿信号；以及
iv)积分器元件，被配置为提供微分电容器平衡项以用于计算在电容器平衡控制元件的变换器中电容器子集之间的电容器平衡补偿信号。
10.根据权利要求1所述的控制设备，其中所述控制设备包括故障监控装置，用于识别在将所述控制信号提供至所述变换器的所述控制器中的故障，所述故障监控装置被配置为当识别故障时致动所述选择器以选择另一个控制器。
11.根据权利要求1所述的控制设备，其中所述积分器元件形成比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器的一部分。
12.根据权利要求1所述的控制设备，其中每个控制器包括测量装置，用于测量所述变换器的输出。
13.根据权利要求1所述的控制设备，其中每个控制器包括用于控制DC电力流的DC外环元件、用于确定AC电压需求信号的AC矢量控制元件以及用于提供切换信号至所述电压源变换器的模块选择元件，所述积分器元件形成至少所述DC外环元件和AC矢量控制元件的一部分。
14.根据权利要求13所述的控制设备，其中所述选择器被配置为将一个控制器的所述模块选择元件的输出连接至所述电压源变换器，并且断开另一个控制器的另一个模块选择元件的输出。
15.根据权利要求1所述的控制设备，其中由积分器输出控制来控制所述积分器元件中的至少一个的所述第一模式和第二模式，所述积分器输出控制包括被配置为在与其相关控制器的积分器元件的输出与另一个控制器的对应积分器元件的输出之间切换的开关。
16.一种链式的电压源变换器，包括根据权利要求1至15中任一项所述的控制设备。
17.一种电力传输网络，包括根据权利要求16所述的电压源变换器。
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