CN106464261B - 输电网络 - Google Patents

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Abstract

输电网络包括：连接到公共耦合点的AC电网络，公共耦合点可连接到另外的电气装置；处理电路，配置成接收和处理公共耦合点的电压以在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。

Description

输电网络
本发明涉及输电网络。
在输电网络中，交流(AC)功率转换成直流(DC)功率用于经由架空线和/或海底电缆的传输。到DC功率的此转换消除了用来补偿由输电媒介（即，传输线或电缆）强加的AC电容性负载效应的需要，并且降低了线路和/或电缆的每公里成本，并且因此在需要通过长距离传输功率时变为成本效率。诸如电压源转换器的转换器在输电网络内提供在AC功率与DC功率之间的要求的转换。
根据本发明的一方面，提供了一种输电网络，包括：
连接到公共耦合点的AC电网络，所述公共耦合点可连接到另外的电气装置；
处理电路，配置成接收和处理公共耦合点的电压以在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。
根据本发明在输电网络中处理电路的包括实现在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。这又准许使用相差提供有关输电网络的电气特性的信息，以便改进输电网络的操作的可靠性和稳定性。
AC电网络和公共耦合点的电压在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换前可以是同相的。这导致在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间更准确地确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。
公共耦合点连接到的电气装置可根据输电网络的操作要求而变化。例如，公共耦合点可连接到转换器。
AC电网络可包含一个或多个源、一个或多个负载和一个或多个输电线路。因此，AC电网络的网络阻抗不但可在AC电网络具有复杂结构时难以确定，而且能够由于在其各种组件之间的一个或多个交互而变化。这又能够使以确保输电网络的可靠和稳定操作的方式操作转换器变得困难。
在公共耦合点连接到转换器时，处理电路可配置成与公共耦合点的电压和电流组合来处理相差以确定AC电网络的网络阻抗。处理电路可配置成处理网络阻抗以定义转换器的操作要求，并且根据定义的操作要求操作转换器。
处理电路以此方式的配置准许在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间准确地确定AC电网络的网络阻抗。此外，处理电路的此种配置准许适应转换器的操作，以将网络阻抗中的任何变化考虑在内，以便确保输电网络的可靠和稳定操作。否则，不适应转换器的操作以将网络阻抗中的任何变化考虑在内能够引起不合需要的后果，例如输电网络中的功率传递中的不合需要的瞬时过电流或崩溃的出现。
转换器的定义的操作要求可根据输电网络的操作条件而变化。
例如，处理电路可配置成处理网络阻抗以定义在AC电网络与转换器之间的功率交换的有功和/或无功功率交换要求，并且根据定义的有功和/或无功功率交换要求，操作转换器。
在AC电网络是弱AC电网络时，用来定义在AC电网络与转换器之间的功率交换的无功功率交换要求的处理电路的配置是特别有用的。
将领会，只要处理电路能够接收和处理公共耦合点的电压以在AC电网络与公共耦合点之间的有功功率交换期间确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差，根据本发明的处理电路的配置便可变化。
在本发明的实施例中，处理电路可以是或者可包含锁相环以接收和处理公共耦合点的电压，以确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。锁相环可包含相位检测器、环路滤波器和第一压控振荡器的级联连接。环路滤波器的输出可配置成提供对应于在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差的相差信号。
锁相环的此使用准许在AC电网络与公共耦合点之间的有功功率交换期间持续和实时确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。这确保在相差随时间大大地变化时可以以可靠和稳定的方式操作输电网络。
在此类实施例中，锁相环可还包含第二压控振荡器。第二压控振荡器可配置成在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换前锁定AC电网络和公共耦合点的电压的相位。锁相环可配置成在第一与第二压控振荡器之间切换。
添加第二压控振荡器到锁相环不但消除对于用来执行多个功能的单个压控振荡器的需要，因此简化了锁相环的结构，而且准许关于其相应功能优化每个压控振荡器的设计。
在本发明的另外的实施例中，处理电路可还包含配置成接收和处理公共耦合点的电压以提供频率参考到压控振荡器的频率检测器。频率检测器可以是或可包含锁频环。
频率参考到压控振荡器的提供消除了在确定的相差中将会已由AC电网络的频率中的移位造成的任何误差，由此改进了确定的相差的准确度。
频率检测器可配置成在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间，固定(clamp)频率参考以对应于AC电网络的标称频率。
在本发明更进一步的实施例中，相位检测器可配置成执行公共耦合点的所接收的电压的变换，以提供由正和负序列分量组成的电压矢量。
在此类实施例中，环路滤波器可配置成接收并且处理仅电压矢量的正和负序列分量的正序列分量，以在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间确定在AC电网络的电压与公共耦合点的电压之间的相差。环路滤波器以此方式的配置实现在输电网络的不平衡操作条件期间确定相差。这是因为在确定相差时，忽略了与负序列分量关联的振荡分量。
现在将通过非限制性示例，参照附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1a以示意形式示出根据本发明的第一实施例的输电网络；
图1b以示意形式示出图1a的输电网络的转换器；
图2a和图2b以示意形式示出图1的输电网络的处理电路；
图2c图示图2a和2b的处理电路用来在不同压控振荡器之间切换的操作；
图3以示意形式示出图1的输电网络的AC侧的等效表示；
图4a和4b以曲线图形式图示图1的输电网络的转换器和AC电网络、公共耦合点的电压的矢量图；
图5到10以曲线图形式图示图1a的输电网络的示范操作；
图11以示意形式示出根据本发明的第二实施例的输电网络的处理电路；以及
图12到16以曲线图形式图示根据本发明的第二实施例的输电网络的示范操作。
图1a中示出根据本发明的第一实施例的第一输电网络。
第一输电网络包含三相AC电网络、公共耦合点(PCC)、变压器和转换器18。
转换器18包含多个转换器分支20，如图1b中所示。
每个转换器分支20在一对第二电气端子19之间延伸。每个转换器分支20具有由相应第一电气端子25分隔的第一和第二分支部分22、24。
每个分支部分22、24包含多个串联连接的切换元件26。每个切换元件26包含与无源电流检查元件反并联连接的有源切换装置。
每个有源切换元件采取绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式。可设想到在本发明的其它实施例中，每个IGBT可通过栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、绝缘栅换向晶闸管或任何其它自换向切换装置来替换。每个切换元件中的有源切换装置的数量可根据那个切换元件26的要求的电压额定而变化。
每个无源电流检查元件包含采取二极管形式的无源电流检查装置。可设想到在其它实施例中，每个二极管可通过能够仅在一个方向上限制电流的任何其它装置来替换。每个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可根据那个无源电流检查元件的要求的电压额定而变化。
AC电网络的每个相经由第一传输链路连接到PCC。PCC经由第二传输链路连接到变压器的一次侧。
转换器20的第一电气端子25经由第三传输链路连接到变压器的二次侧。以这种方式，转换器20的第一电气端子分别连接到AC电网络的相应相。
每个转换器20的第二电气端子连接到携带DC电压Vdc的DC电网络。
第一输电网络还包含处理电路，如图2a和2b中所示。
处理电路包含锁相环。锁相环包含相位检测器、环路滤波器和第一压控振荡器的级联连接。更具体地说，相位检测器的输出与环路滤波器的输入进行通信，环路滤波器的输出与第一压控振荡器的输入进行通信，并且第一压控振荡器的输出与相位检测器的输入进行通信以形成闭环。
相位检测器配置成接收PCC的电压Vabc，并且执行PCC的所接收的电压的静止a-b-c参考系到同步旋转d-q参考系变换，以提供由同步旋转直接和正交分量Vd,Vq组成的电压矢量。
环路滤波器配置成提供低通过滤特性以衰减在电压矢量的同步旋转正交分量Vq中的高频AC分量，提供相差信号。在示出的实施例中，环路滤波器由比例积分控制器构成，但在其它实施例中，它可通过一阶低通滤波器来替换。
第一压控振荡器配置成接收相差信号，并且生成随所接收的相差信号变化的输出AC信号。更具体地说，将相差信号加到频率参考ω0的积分，并且随后被处理以便无论何时它达到2π rad便重置相位角，并且使其保持在0到2π rad之间（即，0到360˚）。输出AC信号被反馈到相位检测器。
处理电路还包含配置成接收和处理PCC的电压Vabc以提供频率参考ω0到压控振荡器的频率检测器。在示出的实施例中，频率检测器是锁频环。频率检测器还配置成选择性地固定频率参考ω0以对应于AC电网络的标称频率。
锁相环还包含第二压控振荡器。锁相环配置成在第一与第二压控振荡器之间切换，如图2c中所图示。因此，在任何一个时间，仅第一和第二压控振荡器中的一个切换到锁相环中。
在第二压控振荡器切换到锁相环中以替换第一压控振荡器时，环路滤波器的输出与第二压控振荡器的输入进行通信，并且第二压控振荡器的输出与相位检测器的输入进行通信以形成闭环。
第二压控振荡器配置成接收相差信号，并且生成随所接收的相差信号变化的输出AC信号。更具体地说，将相差信号加到频率参考ω0，并且随后由积分块进行处理以提供输出AC信号ωt。积分块的输出保持在0到2π rad（即，0到360˚）之间，并且无论何时它达到2π，便将重置为0。输出AC信号被反馈到相位检测器。
参照图2c到图10，对第一输电网络的操作描述如下。
AC电网络可包含一个或多个源、一个或多个负载和一个或多个输电线路。因此，AC电网络的网络阻抗不但可在AC电网络具有复杂结构时难以确定，而且能够由于在其各种组件之间的一个或多个交互而变化。这又能够使以确保第一输电网络的可靠和稳定操作的方式操作转换器20变得困难。
图3示出图1a的第一输电网络的AC侧的等效表示。AC电网络表示为具有电压Es的第一电压源，并且其网络阻抗表示为简单的等效阻抗Zs。转换器20表示为具有基频相量Vc的第二电压源。假设在第二电压源的每个第一电气端子处的输出AC电压的幅值和相位角通过任何AC电压控制方法(例如功率同步控制(PSC)或矢量电流控制(VCC))是可控的。变压器使用其泄露电感Xc建模。
AC电网络的刚性由如下所计算的其短路比(SCR)给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中Vt是PCC的电压；
Prated是第一输电网络的标称功率额定。
转换器20的每个第一电气端子中的基本视在功率通过下式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中 S是在转换器20与AC电网络之间交换的基本视在功率[VA]；
P是在转换器20与AC电网络之间交换的有功功率[W]；
Q是在转换器20与AC电网络之间交换的无功功率[VAR]；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是AC电网络的电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
在转换器20与AC电网络之间流动的电流。
在PCC与AC电网络之间交换的有功功率P和无功功率Q表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是在AC电网络的电压与PCC的电压之间的相差。
从上述等式中能够看到，Vt、Es和
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的值能够用来控制在PCC与AC电网络之间交换的有功功率P和无功功率Q两者。另外，能够看到,用于给定网络阻抗Zs的最大功率传递是在相差
Figure DEST_PATH_IMAGE013A
等于90电角度（或1.57 rad）时。实际上，相差
Figure DEST_PATH_IMAGE013AA
可能小于90电角度。如果相差
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAA
超过90电角度（或1.57 rad），则第一输电网络中的功率传输将减小，并且能够引起功率传递中的崩溃。
在AC电网络与PCC之间的功率交换前，第二压控振荡器切换到锁相环中，并且第一压控振荡器切换出锁相环。之后，第二压控振荡器配置成锁定AC电网络和PCC的电压的相位。此时，AC电网络和PCC的电压是同相的（如图4a中所示），环路滤波器的输出在稳态条件中等于零（即，在AC电网络的电压与PCC的电压之间的相差等于零），并且第二压控振荡器的输出ωt等于ω0t。
在AC电网络与PCC之间交换有功功率时，电流开始在网络阻抗中流动。在此阶段，第一压控振荡器（如图2a中所示）切换到锁相环中，并且第二压控振荡器（如图2b中所示）切换出锁相环。第二压控振荡器的输出用作第一压控振荡器的初始值，如图2c中所示。这允许第一压控振荡器利用在AC电网络与PCC之间的功率交换前存在的初始零相差。
一旦电流开始在网络阻抗中流动，第一压控振荡器便调整d-q参考系的旋转速度，如图4b中所示，使得电压矢量的同步旋转正交分量Vq被迫为零，并且ωt等于ω0t+
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。此时，环路滤波器的输出等于非零值（即，在AC电网络的电压与PCC的电压之间的相差为非零值）。以这种方式，环路滤波器的输出配置成提供对应于在AC电网络的电压与PCC的电压之间的相差的相差信号。
因此，处理电路的锁相环能够接收和处理PCC的电压以确定在AC电网络的电压与PCC的电压之间的相差。
使用上面等式，处理电路与PCC的电压和电流组合来处理相差以确定AC电网络的网络阻抗的值。在确定AC电网络的网络阻抗的值中，由于网络阻抗的电阻是极低的，因此，假设AC电网络和PCC的电压是相同的。
之后，处理电路处理网络阻抗以定义转换器20的操作要求，并且根据定义的操作要求操作转换器20。例如，处理电路可处理网络阻抗以定义在AC电网络与转换器20之间功率交换的有功和/或无功功率交换要求，并且根据定义的有功和/或无功功率交换要求，操作转换器20。在AC电网络是弱AC电网络时，用来定义在AC电网络与转换器20之间的功率交换的无功功率交换要求的处理电路的配置是特别有用的。
在AC电网络与PCC之间的功率交换期间，频率检测器固定频率参考ω0以对应于AC电网络的标称频率。频率参考到第一压控振荡器的提供消除了在确定的相差中将会已由AC电网络的频率中的移位造成的任何误差，因此改进了确定的相差的准确度。
图5到10以曲线图形式图示第一输电网络的示范操作。
在此示范操作中，第一输电网络的DC功率在t=0.5 s时从零向24 MW的额定功率斜升（每单位1.0）。同时，控制转换器20以在其第一电气端子的每个处的保持恒定AC电压，如图5所示。
从t=0 s到t=1.2 s，网络阻抗具有为4的SCR。之后，网络阻抗的SCR改变成在t=1.2s时的3，在t=1.8 s时的2和在t=2.3 s时的1.5，以模拟网络阻抗中的变化，如图8中所示。SCR的变化对应于AC电网络的网络阻抗中的变化，如图7中所示，并且因此导致在AC电网络的电压与PCC的电压之间相差中的变化。图6示出在AC电网络与PCC之间交换的有功和无功功率中的对应变化。
从图8能够看到，处理电路能够以不到1%的误差准确地确定AC电网络的网络阻抗，并且因此确定SCR。另外，从图9和10能够看到，在网络阻抗的SCR中的变化后，处理电路能够在不到半个周期(0.01 s)内迅速确定AC电网络的网络阻抗，并且因此确定SCR。
如图2a和图2b中所示，处理电路的配置因此准许确定相差，并且随后使用相差来在AC电网络与公共耦合点之间的功率交换期间准确地确定AC电网络的网络阻抗。此外，处理电路的此种配置准许适应转换器20的操作，以将网络阻抗中的任何变化考虑在内，以便确保第一输电网络的可靠和稳定操作。否则，不适应转换器的操作以将网络阻抗中的任何变化考虑在内能够引起不合需要的后果，例如在AC电网络与DC电网络之间的功率传递中的不合需要的瞬时过电流或崩溃的出现。
另外，锁相环的使用准许在AC电网络与PCC之间的功率交换期间持续和实时确定在AC电网络的电压与PCC的电压之间的相差。这确保在相差随时间大大地变化时可以以可靠和稳定的方式操作第一输电网络。
根据本发明的第二实施例，提供了第二输电网络。第二输电网络在结构和操作上类似于图1的第一输电网络，并且相似的特征共用相同的参考数字。
第二输电网络与第一输电网络不同之处在于在第二输电网络中：
● 相位检测器配置成执行公共耦合点的所接收的电压的静止a-b-c参考系到同步旋转d-q参考系变换，以提供由正和负序列分量组成的电压矢量；
● 环路滤波器配置成接收并且处理仅电压矢量的正和负序列分量的正序列分量。
相位检测器和环路滤波器以此方式的配置实现在第二输电网络的不平衡操作条件期间确定相差。这是因为在确定相差时，忽略了与负序列分量关联的振荡分量。
图12到16以曲线图形式图示第二输电网络的示范操作。
在此示范操作中，第一输电网络的DC功率在t=0.2 s时从零向24 MW的额定功率斜升（每单位1.0）。同时，控制转换器20以在其第一电气端子的每个处保持恒定AC电压，如图12所示。
从t=0 s到t=0.8 s，网络阻抗具有为4的SCR。之后，网络阻抗的SCR改变成在t=0.8s时的1.5，以模拟网络阻抗中的变化，如图14中所示。SCR中的变化对应于AC电网络的网络阻抗中的变化，如图15中所示，并且因此导致在AC电网络的电压与PCC的电压之间相差中的变化。图13示出在AC电网络与PCC之间交换的有功和无功功率中的对应变化。
从图14能够看到，处理电路能够以不到1%的误差准确地确定AC电网络的网络阻抗，并且因此确定SCR。另外，从图15能够看到，在网络阻抗的SCR中的变化后，处理电路能够迅速确定AC电网络的网络阻抗，并且因此确定SCR。
在t=1 s时，应用单个相对地故障到AC电网络的相中的一个以模拟第二输电网络的不平衡操作条件。在响应中转换器控制降低其功率参考以处理不平衡操作条件。从图14的顶部曲线图能够看到，网络阻抗的SCR增大，如通过图13的顶部曲线图中有功功率中与大约每单位0.5的对应的降低所图示。
从图16能够看到，在与第一输电网络的处理电路相比时，第二输电网络的处理电路能够在第二输电网络的平衡和不平衡两种操作条件期间准确并且迅速地确定相差。这通过在使用第一输电网络的处理电路时由负序列分量的存在造成的振荡分量100的存在图示。如上提及的，并且如图11中所示，第二输电网络的处理电路通过只允许正交电压(Vq+)的正序列分量传递到环路滤波器，消除了振荡分量。
将领会，只选择了转换器和输电网络的属性以有助于图示本发明的操作，并且它们可根据关联功率应用的要求而变化。
还将领会，只选择了转换器和输电网络的拓扑以有助于图示本发明的操作，并且转换器和输电网络可分别通过以不同拓扑的另一转换器和通过以不同拓扑的另一输电网络来替换。
在本发明的其它实施例中，可设想到AC电网络可不具有三个相，而是具有单相或不同数量的相。相应地，转换器中的转换器分支的数量可变化以对应于AC电网络的相的数量。

Claims (12)

1.一种输电网络，包括：
连接到公共耦合点的AC电网络，所述公共耦合点能连接到另外的电气装置；
处理电路，所述处理电路包括锁相环，所述锁相环配置成接收和处理所述公共耦合点的电压以在所述AC电网络与所述公共耦合点之间的功率交换期间确定在所述AC电网络的电压与所述公共耦合点的电压之间的相差。
2.如权利要求1所述的输电网络，其中所述AC电网络和所述公共耦合点的所述电压在所述AC电网络与所述公共耦合点之间的所述功率交换前是同相的。
3.如权利要求1所述的输电网络，其中所述公共耦合点连接到转换器。
4.如权利要求3所述的输电网络，其中所述处理电路配置成与所述公共耦合点的电压和电流组合来处理所述相差以确定所述AC电网络的网络阻抗，处理所述网络阻抗以定义所述转换器的操作要求，以及根据所定义的操作要求操作所述转换器。
5.如权利要求4所述的输电网络，其中所述处理电路配置成处理所述网络阻抗以定义在所述AC电网络与所述转换器之间的所述功率交换的有功和/或无功功率交换要求，并且根据所定义的有功和/或无功功率交换要求来操作所述转换器。
6.如任一前述权利要求所述的输电网络，其中所述锁相环包括相位检测器、环路滤波器和第一压控振荡器的级联连接，所述环路滤波器的输出配置成提供对应于在所述AC电网络的所述电压与所述公共耦合点的所述电压之间的所述相差的相差信号。
7.如权利要求6所述的输电网络，其中所述锁相环还包括第二压控振荡器，所述第二压控振荡器配置成在所述AC电网络与所述公共耦合点之间的所述功率交换前锁定所述AC电网络的所述电压和所述公共耦合点的所述电压的相位，并且所述锁相环配置成在所述第一与第二压控振荡器之间切换。
8.如权利要求6所述的输电网络，其中所述处理电路还包括配置成接收和处理所述公共耦合点的电压以提供频率参考到所述压控振荡器的频率检测器。
9.如权利要求8所述的输电网络，其中所述频率检测器包括锁频环。
10.如权利要求8所述的输电网络，其中所述频率检测器配置成在所述AC电网络与所述公共耦合点之间的所述功率交换期间，固定所述频率参考以对应于所述AC电网络的标称频率。
11.如权利要求6所述的输电网络，其中所述相位检测器配置成执行所述公共耦合点的所接收的电压的变换，以提供由正和负序列分量组成的电压矢量。
12.如权利要求11所述的输电网络，其中所述环路滤波器配置成接收并且处理仅所述电压矢量的所述正和负序列分量的所述正序列分量，以在所述AC电网络与所述公共耦合点之间的功率交换期间确定在所述AC电网络的所述电压与所述公共耦合点的所述电压之间的所述相差。
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