CN108701995B - 功率转换电路、电力系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于在孤岛条件下将交流电网连接到HVDC传输线的功率转换电路、电力系统及方法。功率转换电路包括：电流源转换电路，配置为通过HVDC传输线将交流电网的功率输出供给负载；电压源转换电路，以补偿交流电网的无功交流功率；测量单元，以提供指示交流电网电压幅度和交流电网电压频率的电压幅度测量值和电压频率测量值；控制器，以控制电流源转换电路以基于电压幅度测量值与预定电压幅度指令的电压幅度偏差调整交流电网和负载之间的有功功率平衡，并且控制电压源转换电路以基于电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差调整交流电网和负载之间的无功功率平衡。这能够降低分布式系统控制的复杂性，从而提高电力系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及直流配电，并且更具体地涉及在孤岛交流电网条件下平衡直流配电网络中的负载。
背景技术
已知交流电网用于分配电力。通常已知电网中的电力发电机向交流电网提供大量电力，而诸如风力涡轮机发电机和燃料电池的分布式电源连接到交流电网以提供本地电网电力并减少对电网中的电力发电机的依赖。为了将电网中的电力发电机和分布式电源产生的电力长距离地传输到负载，可以使用功率转换电路来连接交流电网和HVDC传输线。电流源转换电路，例如换相变流器，可以作为功率转换电路的一个选项。
每个分布式电源通过变流器连接到交流电网，以提供分布式电源到交流电网的一致和有效的耦合。在某些情况下，交流电网可能会经历一个或多个电网故障事件，如低电压、高电压、零电压、低频率、高频率、相位跳跃等。电网中的电力发电机可能与交流电网断开，留下连接到负载的分布式电源，这被称为孤岛。
根据传统的孤岛运行分析，交流电网系统中的有功功率不平衡体现在交流电压频率上，交流电网中的无功功率不平衡体现在交流电压幅值上。
相反，在论文“Intentional Islanded Operation of Converter FedMicrogrids”(“变流器馈电微电网的有意孤岛运行”，Charles K.Sao，Peter W.Lehn，IEEE电力工程学会大会，蒙特利尔，加拿大，2006年6月18-22日)中描述了交流电网电压幅值取决于变流器和负载之间的有功功率平衡，而频率由无功功率平衡决定。综合微电网电压(交流电网电压)和频率控制方案，允许具有标准电感接口和dq帧电流控制的分布式电源变流器在孤岛模式下运行。
然而，为了协调分布式电源的多个变流器，需要变流器间的信号交换，这增加了电力系统的复杂性并因此降低了电力系统的稳定性。此外，如果两个变流器之间的信号中继站发生中断，则不能以可靠的方式实现功率平衡。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在孤岛条件下通过接口将交流电网连接到HVDC传输线的功率转换电路，该功率转换电路包括：电流源转换电路，其被配置为通过HVDC传输线将来自交流电网的功率输出提供给负载；电压源转换电路，其被配置为补偿交流电网的无功交流功率；测量单元，其被配置为提供指示所述交流电网电压幅度的电压幅度测量值和指示所述交流电网电压频率的电压频率测量值；以及控制器，其被配置为控制所述电流源转换电路以基于所述电压幅度测量值与预定电压幅度指令的电压幅度偏差来调整所述交流电网和负载之间的有功功率平衡，并且控制电压源转换电路以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调整所述交流电网和负载之间的无功功率平衡。
根据本发明的另一方面，提供了一种电力系统，包括：功率转换电路，其通过接口将交流电网连接到HVDC传输线；交流电网；以及配置成向交流电网供电的多个基于电力电子器件的发电机。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于在孤岛条件下通过接口将交流电网连接到HVDC传输线的方法，包括：利用电流源转换电路转换来自所述交流电网的功率输出，并通过所述HVDC传输线将转换后的功率提供给负载；利用电压源转换电路补偿所述交流电网的无功交流功率；提供指示所述交流电网电压的电压测量值和所述交流电网电压频率的电压频率测量值；以及控制所述电流源转换电路以基于所述电压测量值与预定电压指令的电压偏差来调整所述交流电网和负载之间的有功功率平衡，并且控制电压源转换电路以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调整所述交流电网和负载之间的无功功率平衡。
通过接口连接交流电网和HVDC传输线的功率转换电路及其方法可在传输给电力用户的直流功率的同时集中调节交流电网和负载之间的有功功率平衡和无功功率平衡。根据本发明的集中控制主要针对功率转换电路的线路整流转换电路和电压源转换电路，使分布式电源的变流器在正常控制下运行。这使得降低分布式系统控制的复杂性成为可能，从而提高了电力系统的稳定性。此外，集中控制涉及相对少量的功率转换电路，例如电流源转换电路和电压源转换电路。因此，它们的安装位置相对较少受限制。例如，它们可以安装在HVDC系统的变电站中。这因此增加了HVDC系统部署的灵活性。优选地，测量单元102也可以布置在变电站中。
优选地，功率转换电路还包括：无功功率发出元件；无功功率吸收元件；分支器件，其被配置为在所述无功功率发出元件和所述无功功率吸收元件与所述交流电网的连接之间进行切换；其中：所述控制器还被配置为控制分支器件的开关以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调节所述交流电网和负载之间的调整后的无功功率平衡。如果测得的交流电压频率高于指令，则电压源转换电路向交流电网注入更多的电容性无功功率；否则，电压源转换电路向交流电网注入更多的电感性无功功率。这使得有可能补偿电流源转换电路的由于其无功功率而受限制的容量。
优选地，功率转换电路还包括滤波器，并且控制器还被配置为控制滤波器以基于电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调节所述交流电网和负载之间的调整后的无功功率平衡。与上述分析类似，这使得有可能补偿电流源转换电路的由于其无功功率而受限制的容量。
优选地，电流源转换电路是换相变流器，并且电压源转换电路是静止同步补偿器。
优选地，电流源转换电路和电压源转换电路设置在变电站内。这因此增加了HVDC系统部署的灵活性。优选地，测量单元也可以布置在变电站内。
优选地，电流源转换电路设置在比多个基于电力电子器件的发电机中的任何一个更靠近电压源转换电路的位置。因此，关于电力系统的功率平衡的信号交换在相对较短的通信路线上行进。这减少了电力系统的响应时间。此外，如果分布式电源的变流器之间的信号中继站发生中断，功率平衡操作将不受影响。
附图说明
在下文中将参考附图中示出的优选示例性实施例更加详细地解释本发明的主题，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的电力系统；
图2示出了根据本发明一个实施例的功率转换电路的示意图；以及
图3示出了根据本发明另一实施例的功率转换电路的示意图。
附图中使用的参考标记及其含义以参考标记列表中的摘要形式列出。原则上，在附图中相同的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
在以下说明书中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，诸如特定电路、电路组件、接口、技术等，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实施。在其他实例中，省略了众所周知的方法和编程过程、设备和电路的详细描述，因此不会用不必要的细节来模糊本发明的描述。
图1示出了根据本发明实施例的电力系统。如图1所示，电力系统1包括功率转换电路10、交流电网11和HVDC传输线12、电网中的电力发电机13、多个分布式电源14以及控制器15。转换电路10被配置为连接交流电网11和HVDC传输线12，以用于转换从交流电网11供应的交流功率并将转换后的功率输出到HVDC传输线12，HVDC传输线12又将直流功率传输到电力消费者(负载)。与每个分布式电源14相比，电网中的电力发电机13通过开关16耦合到交流电网11，开关16被配置为向交流电网11提供相对大部分的电力。电网中的电力发电机13可以包括水电、核电、煤电或天然气电力发电机。每个分布式电源14通过其变流器140和开关17连接到交流电网11。每个分布式电源可以包括一个或多个光伏电池、风力涡轮机、水力发电机、燃料发电机和其他电力发电机装置等。在正常情况下，控制器15可以控制关闭开关16和全部或一些开关17，使得电网中的电力发电机13向交流电网11提供大量的电力，而分布式电源14连接到交流电网11以提供本地电网电力。在孤岛状态下，控制器15可以控制打开开关16并关闭全部或一些开关17，使得连接的分布式电源14向交流电网11供电。控制器15可以进一步被配置为控制功率转换电路10以用于调节交流电网11和负载之间的有功功率和无功功率平衡。技术人员应当理解，功率平衡的控制可以由与控制器15通信的单独控制器执行。
图2示出了根据本发明实施例的功率转换电路10的示意图。如图2所示，功率转换电路10包括电流源转换电路100、电压源转换电路101和测量单元102。电流源转换电路100的输入端耦合到交流电网11，电流源转换电路100的输出端耦合到HVDC传输线12，以用于通过HVDC传输线12将来自交流电网11的功率输出提供给负载。电流源转换电路100包括具有电流反转关闭特性的开关装置，如晶闸管。电流源转换电路100被配置成使得其转换过程依赖于其所连接的交流电网11的线电压，以实现从一个开关装置到其相邻开关装置的换相。在电流源转换电路中，直流电流不改变方向；它流经一个大电感，可以认为是几乎恒定的。在交流侧，变流器大致作为电流源，将电网频率电流和谐波电流二者注入交流电网。例如，电流源转换电路100可以是换相变流器。
如图2所示，电压源转换电路101的输入端耦合到交流电网11，并且电压源转换电路101的输出端耦合到HVDC传输线12，用于补偿交流电网11的无功交流功率。电压源转换电路101包括具有栅极可控导通和栅极可控关断特性的开关装置，例如IGBT。在电压源转换电路中，直流电压的极性通常是固定的，并且由于大电容而平滑的直流电压可以被认为是恒定的。额外的可控性提供了许多优点，特别是每个周期多次打开和关闭IGBT以改善谐波性能的能力，以及电压源转换电路(自换相)不再依赖于交流系统中的同步电机进行操作。与电流源转换电路相比，电压源转换电路可以保持直流电压的极性恒定，并且不需要通过反转电流方向来实现功率反向传输。电压源转换电路可以向或从所连接的交流电网发出无功交流功率或吸收无功交流功率。电压源由直流电容器产生，因此电压源转换电路具有非常小的有功功率容量。电压源转换电路的端子处的无功功率取决于电压源的频率。例如，如果电压源转换电路的端子频率高于连接点处的交流电网电压频率，则电压源转换电路产生无功功率；相反，当电压源的频率低于交流电网电压频率时，它吸收无功功率。例如，电压源转换电路101是静止同步补偿器。
功率转换电路10进一步包括耦合到交流电网11的测量单元102。测量单元102被配置为提供指示交流电网电压的电压幅度测量值UAC和指示交流电网电压频率的电压频率测量值Freq。例如，测量单元102可以包括用于测量电压的电压计、仅提取基频的带通滤波器、基于电压过零点的频率测量以及基于峰值的幅度测量。
控制器15被配置为控制电流源转换电路100以基于电压幅度测量值UAC与预定电压幅度指令UAC*之间的电压幅度偏差来调整交流电网11和负载之间的有功功率平衡，并且控制电压源转换电路101以基于电压频率测量值Freq与预定电压频率指令Freq*之间的电压频率偏差来调整交流电网11和负载之间的无功功率平衡。在示例性实施例中，控制器15耦合到电流源转换电路100、电压源转换电路101和测量单元102。控制器15包括有功功率调节器150和无功功率调节器151。有功功率调节器150响应来自测量单元102的电压幅度测量值UAC和预定电压幅度指令UAC*以控制电流源转换电路100。指令UAC*和Freq*的值可以任意设置，在优选实施例中，它们被设置为标称交流网络值。
如图2所示，更具体地，有功功率调节器150包括比较器1500、比例积分控制模块1501和在信号流方向上耦合的调制器1502。在操作期间，测量单元102向比较器1500提供指示交流电网11的电压幅度测量值UAC的反馈信号，其也被提供有预定电压幅度指令UAC*。反过来，比较器1500计算电压幅度测量值UAC与预定电压幅度指令UAC*的偏差，并将该偏差提供给比例积分控制模块1501。例如，比例积分控制模块1501检测与电网11相关联的电压幅度值偏差，例如交流电网11处的电压或由电流源转换电路100提供的电压。例如，基于与交流电网11相关联的电压的标称值来检测电压幅度偏差。如果测量的交流电压幅度高于指令，则比例积分控制模块1501输出增加的直流有功功率命令/直流电流命令。如果测得的交流电压幅度低于指令，则输出降低的直流有功功率命令/直流电流命令。调制器1502响应来自比例积分控制模块1501的命令，并且被配置为基于来自比例积分控制模块1501的信号向电流源转换电路100的开关装置提供PWM(脉冲宽度调制)信号。调制器1502输出具有频率、角度和/或占空比的PWM信号，以向HVDC传输线12提供合适的有功功率。优选地，可以在比较器1500和比例积分控制模块1501之间插入死区模块，因为持续的主动调节既不必要也不可取。
如图2所示，无功功率调节器151包括比较器1510和沿信号流方向耦合的调制器1511。在操作期间，测量单元102向比较器1510提供指示交流电网11的电压频率测量值Freq的反馈信号，其也提供有预定电压频率命令Freq*。反过来，比较器1510计算电压频率测量值Freq与预定电压频率指令Freq*的偏差，并将该偏差提供给调制器1511。例如，比较器1510计算与电网11相关的电压的电压频率偏差，例如，交流电网11处的电压或电压源转换电路101提供的电压。例如，基于与交流电网11相关联的电压频率的标称值来检测电压频率偏差。例如，在电压源转换电路101是通用dq框架控制的情况下，如果测量的交流电压频率高于指令，则比较器1510输出增加的Δiq电流参考，根据该参考，电压源转换电路101向交流电网11注入更多的电容性无功功率。如果测量的交流电压频率低于指令，则比较器1510输出减小的Δiq电流参考，根据该参考，电压源转换电路101向交流电网11注入更多的电感性无功功率。调制器1511响应来自比较器1510的参考，并配置为基于来自比较器1510的信号向电压源转换电路101的开关装置提供PWM(脉冲宽度调制)信号。调制器1511输出具有频率、角度和/或占空比的PWM信号，以向交流电网11提供合适的无功功率。优选地，可以在比较器1510和调制器1511之间插入低通滤波器和/或死区模块，因为连续的主动调节既不必要也不可取。
以这种方式，连接交流电网11和HVDC传输线12的功率转换电路10在传输直流功率到电力消费者的同时，集中地调节交流电网11和负载之间的有功功率平衡和无功功率平衡。根据本发明的集中控制主要涉及功率转换电路10的线换相转换电路100和电压源转换电路101，使分布式电源14的变流器在正常控制下工作。这使得可以降低分布式系统的控制的复杂性，从而提高电力系统的稳定性。
此外，集中控制涉及相对少量的功率转换电路，例如电流源转换电路100和电压源转换电路101。因此，它们的安装位置受到相对较少的限制。例如，它们可以安装在HVDC系统的变电站中。这因此增加了HVDC系统部署的灵活性。优选地，测量单元102也可以布置在变电站中。
作为替代方案，电流源转换电路100可以安装在比多个基于电力电子器件的发电机14中的任何一个更靠近电压源转换电路101的位置。因此，与电力系统的功率平衡有关的信号交换在相对较短的通信路线上行进。这减少了电力系统的响应时间。此外，如果分布式电源的变流器之间的信号中继站停电，功率平衡操作将不受影响。
图3示出了根据本发明另一实施例的功率转换电路10的示意图。取决于功率转换电路10的操作环境，其电压源转换电路101可能接近或处于其无功功率极限(非常/完全电容性或非常/完全电感性的无功功率输出)。在解决这种情况时，如图3所示，功率转换电路10还包括无功功率发出元件103、无功功率吸收元件104和分支器件106。分支器件106被配置为在无功功率发出元件103和无功功率吸收元件104与交流电网11的连接之间切换。在示例性实施例中，无功功率发出元件103和无功功率吸收元件104可以是电容器、电抗器或交流滤波器。控制器15还被配置为控制分支器件106的开关，以优化电压源转换电路101基于电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调整交流电网11和负载之间的经调节的无功功率平衡的能力。根据图2的讨论，如果测量的交流电压频率高于指令，则电压源转换电路101向交流电网11注入更多的电容性无功功率；否则，电压源转换电路101向交流电网11注入更多的电感性无功功率。在该示例性实施例中，功率转换电路10的无功功率调节器106还可包括耦合到比较器1062的绝对值模块1061。阈值模块1603检测到电压源转换电路101正在接近或处于其无功功率极限下操作，并启动分支器件切换命令。Q_STATCOM是来自101的无功功率输出，而Q_STATCOM*是参考值(例如，实际值类似于STATCOM额定功率的0.8p.u)。
在示例性实施例中，控制器15以一个或多个处理设备实现，例如微控制器、微处理器、可编程门阵列、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)等。相应地，在示例性实施例中，比较器1500、比例积分控制模块1501、调制器1502、比较器1510、调制器1511和/或阈值模块1512由嵌入在一个或多个处理设备中的软件和/或固件构成。以这种方式，控制器15是可编程的，使得可以为电流源转换电路100和电压源转换电路101编程指令、间隔、阈值和/或范围等。如图所示，测量单元102是与控制器15分开，从而与处理设备分离。在其他实施例中，测量单元102可以被集成和/或编程到用于提供控制器15的一个或多个处理设备中。同样地，比较器1500、比例积分控制模块1501、调制器1502、比较器1510、调制器1511和阈值模块1512中的一个或多个可以由一个或多个处理设备外部的分立组件全部或部分地提供。
尽管已经基于一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，那些实施例绝不应限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和概念的情况下，对实施例的任何变化和修改都应当在对本领域普通知识和技术人员的理解之内，因此落入由本发明附属权利要求所限定的本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种用于在孤岛条件下将交流电网连接到HVDC传输线的功率转换电路，包括：
电流源转换电路，所述电流源转换电路被配置为通过所述HVDC传输线将来自所述交流电网的功率输出提供给负载；
电压源转换电路，所述电压源转换电路被配置为补偿所述交流电网的无功交流功率；
测量单元，所述测量单元被配置为提供指示所述交流电网电压幅度的电压幅度测量值和指示所述交流电网电压频率的电压频率测量值；以及
控制器，所述控制器被配置为控制所述电流源转换电路以基于所述电压幅度测量值与预定电压幅度指令的电压幅度偏差来调整所述交流电网和负载之间的有功功率平衡，并且控制电压源转换电路以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调整所述交流电网和负载之间的无功功率平衡。
2.根据权利要求1所述的功率转换电路，还包括：
无功功率发出元件；
无功功率吸收元件；
分支器件，所述分支器件被配置为在所述无功功率发出元件和所述无功功率吸收元件与所述交流电网的连接之间进行切换；
其中：
所述控制器还被配置为控制分支器件的开关以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调节所述交流电网和负载之间的调整后的无功功率平衡。
3.根据权利要求1所述的功率转换电路，还包括：
滤波器；
所述控制器还被配置为控制所述滤波器以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调节所述交流电网和负载之间的调整后的无功功率平衡。
4.根据前述权利要求中任一项所述的功率转换电路，其中：
所述电流源转换电路是换相变流器；以及
所述电压源转换电路是静止同步补偿器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的功率转换电路，其中：
所述电流源转换电路和所述电压源转换电路设置在变电站内。
6.根据权利要求5所述的功率转换电路，其中：
所述测量单元设置在所述变电站内。
7.一种电力系统，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的功率转换电路；
交流电网；以及
多个基于电力电子器件的发电机，其被配置为向交流电网供电。
8.根据权利要求7所述的电力系统，其中：
电流源转换电路设置在比所述多个基于电力电子器件的发电机中的任何一个更靠近电压源转换电路的位置。
9.一种用于在孤岛条件下将交流电网连接到HVDC传输线的方法，包括：
利用电流源转换电路转换来自所述交流电网的功率输出，并通过所述HVDC传输线将转换后的功率提供给负载；
利用电压源转换电路补偿所述交流电网的无功交流功率；
提供指示所述交流电网电压的电压测量值和所述交流电网电压频率的电压频率测量值；以及
控制所述电流源转换电路以基于所述电压测量值与预定电压指令的电压偏差来调整所述交流电网和负载之间的有功功率平衡，并且控制电压源转换电路以基于所述电压频率测量值与预定电压频率指令的电压频率偏差来调整所述交流电网和负载之间的无功功率平衡。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述电流源转换电路是换相变流器；以及
所述电压源转换电路是静止同步补偿器。
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