CN109463030B - 电压源转换器的控制 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于控制电压源转换器(VSC)的方法和设备。所述控制设备具有基准电压发生器(402)，所述基准电压发生器配置成生成作为电压控制环路的一部分的电压控制信号。所述基准电压发生器可以是直流电压/功率控制器(402)，所述直流电压/功率控制器操作性地调节直流电压或功率，并且可以基于反馈直流电压/功率信号和已定义的设定点来生成所述电压控制信号，例如电压基准。过电流控制器(403)配置成生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的电流控制信号。所述过电流控制器生成所述电流控制信号作为独立于所述电压控制环路的控制通路的一部分。因此，所述直流电压/功率控制器(402)可以直接生成电压基准，并且可以用于在短期瞬变的时间尺度上保持所述直流电压大体恒定，其中所述过电流控制器(403)仅在需要时提供电流限制。

Description

电压源转换器的控制
背景技术
本申请涉及用于控制电压源转换器的方法和设备，并且确切地说，涉及具有嵌入式储能器的电压源转换器的控制。
HVDC(高压直流)输电中使用直流电来输送电力。这是更常规交流电输电的替代方案。使用HVDC输电有许多益处。
要使用HVDC输电，通常必需将交流电(AC)转换成直流电(DC)并且将直流电再次转换回交流电。迄今为止，大多数HVDC输电系统均基于线路换流转换器(LCC)，例如使用晶闸管阀(thyristor valve)的六脉冲桥式转换器。LCC使用各种元件例如晶闸管，这些元件可以通过适当触发信号接通，并且只要正向偏置就保持导通。在LCC中，所述转换器依赖于相连的交流电压来提供从一个阀到另一个阀的换流。
但是，越来越多地提议在HVDC输电中使用电压源转换器(VSC)。HVDC使用能够独立于任何相连交流电系统以可控方式接通和关断的半导体开关元件，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因此，VSC有时称为自换流转换器。
VSC通常包括多个转换器臂(converter arm)，每个转换器臂将一个直流端子连接到一个交流端子。典型的三相交流输入/输出端设有六个转换器臂，其中的两个臂将给定交流端子分别连接到高压和低压直流端子，从而形成相分支(phase limb)。每个转换器臂包括通常称为阀的设备，并且所述设备通常包括可以按预期序列开关的多个元件。
在一种已知形式的VSC，通常称为六脉冲桥式转换器中，每个阀包括一组以串联方式连接的开关元件，通常是与相应反并联二极管连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。所述阀的IGBT一起开关以电连接或断开相关交流和直流端子，其中给定相分支的阀通常以反相方式开关。通过对每个臂使用脉冲宽度调制(PWM)型开关方案，可以实现交流电压与直流电压之间的转换。为了保持直流电压稳定，VSC的直流端子之间通常设有相对较大型直流电容器组。但是，所述VSC通常趋于具有相对较大占地面积和相对较高损耗，也就是说，所述VSC可能不适用于某些大功率HVDC装置。
在另一种已知类型VSC，称为模块化多电平转换器(MMC)中，每个阀包括链节电路(chain-link circuit)，所述链节电路具有以串联方式连接的多个单元，每个单元包括储能元件例如电容器以及开关装置，所述开关装置能够受控制以将所述储能元件连接在所述单元的端子之间或者旁路所述储能元件。所述单元有时称为子模块，其中多个单元形成模块。所述阀的子模块受控制以在不同时间连接或旁路它们的相应储能元件，以便随时间改变跨多个单元的电压差。通过使用相对大量子模块并且适当设定开关的定时，所述阀可以合成近似于预期波形的步进波形例如正弦波，以便以低谐波失真级从直流电转换成交流电，或者从交流电转换成直流电。由于各个子模块是单独开关的，并且开关各个子模块所引起的电压变化相对较小，因此可以避免与六脉冲桥式转换器相关的若干问题。
VSC的其他设计也使用链节(chain-link)的原理来针对输电循环的至少一部分在VSC转换器臂中进行电压波整形，例如提供上述步进电压波形。例如，已经提出称为交替臂转换器(Alternate-Arm-Converter，AAC)的VSC变型，其中转换器臂中提供一系列相连单元的链节以用于电压波整形，但是每个转换器臂在交流循环的至少一部分中关断。因此，用于电压波整形的多个以串联方式连接的单元与臂开关以串联方式连接，其中所述臂开关称为导向器开关，当相关转换器臂处于断开状态并且不导通时所述导向器开关可以关断。
发明内容
图1示出具有用于电压波整形的链节的VSC 100的原理。图1中所示的示例性转换器100具有三个相分支101a-c，每个相分支具有将相关交流端子102a-c连接到高压侧直流端子DC+的高压侧转换器臂以及将相关交流端子102a-c连接到低压侧直流端子DC-的低压侧转换器臂。每个转换器臂包括链节电路103，所述链节电路包括以串联方式连接的多个单元104。在图1所示的示例中，每个单元104具有分别用于连接高压侧和低压侧的端子105a、105b，并且包括作为储能元件的电容器106。所述电容器106与单元开关元件107例如具有反并联二极管的IGBT连接，以便经由旁路电容器106的通路或者经由包括以串联方式连接的电容器106的通路来连接所述单元的端子105a和105b。在图1所示的示例中，每个单元包括半桥式布置的两个单元开关元件107，以便能够在使用中连接电容器以在端子105a与105b之间提供给定极性的电压差。但是在一些实施例中，所述单元中的至少一些单元可以包括全桥式布置的开关元件，以便能够旁路或连接电容器以提供任一极性的电压差。
在VSC的一些设计例如AAC中，每个转换器臂中的链节103与臂开关108以串联方式连接，所述臂开关通常被称为导向器开关，所述导向器开关包括多个以串联方式连接的臂开关元件109。臂的导向器开关可以例如包括具有关断能力的高电压元件，例如具有反并联二极管的IGBT等。
当然，所属领域中的技术人员将理解，在实践中，转换器臂可以包括其他部件例如电感等，并且图1仅示出可帮助理解操作原理的部件。
在MMC型设计中，由于链节单元的储能元件可以独立控制以提供多个不同电压步进(voltage step)，因此对在直流端子之间设置大型直流电容器的需求大大减少，因此所述直流电容器组通常省略以节省空间和成本。所述储能元件有效地嵌入所述转换器开关拓扑结构内，并且不直接与直流端子相关联。
所述VSC的转换器臂，确切地说链节电路单元的开关是相对于所述阀的电压基准(voltage reference)进行控制的。所述阀电压基准实际上为此VSC相提供预期输电特性的概念性电压波形。因此，例如，所述阀电压基准可以是时变波形，所述时变波形具有与交流系统的频率相关的频率分量以及与直流电压相关的直流偏置。应理解，MMC阀的实际电压基准可以具有除交流网络基频之外的额外频率分量，以增强转换器性能或最大化设备利用率。但是，从外部系统的角度来看，重要的是基频交流和直流电压分量。还应理解，所述MMC转换器可以在标称操作条件范围内独立地控制交流侧和直流侧输出电压。所述阀电压基准波形的直流偏置可以定义输出直流电压，从而影响直流输出电流和功率。所述阀基准波形的交流分量可以定义输出交流电压。所述阀基准电压的交流频率(相)和交流幅度影响输出交流电流和交流功率(有源和无源)。
尽管所述阀基准电压的交流和直流分量可以独立设定，但是由于MMC子模块电容器所提供的储能器有限，因此通常需要对这些电容器进行协调，以便均衡交流输电系统与交流/直流转换器之间交换的电力，以及在交流/直流转换器与直流输电系统之间交换的电力。
每个阀的阀控制器将由上游转换器控制所馈送的阀电压基准转换成用于每个个体子模块的开关信号，所述开关信号将驱动各个半导体器件(semiconductor device)的接通和关断。
VSC的开关元件，例如开关元件107通常包括功率晶体管例如IGBT，并且目前最易于商购的晶体管的电流过载能力有限。因此，常规VSC控制成使阀电压即阀电压基准由快速作用电流控制环路进行调节，以便控制通过开关元件的电流。
图2示出VSC 201的常规控制的原理。电流控制器202将VSC阀中的监测的电流与电流基准进行比较，以便设定阀的电压基准，例如电压基准的直流偏置分量。所述电流基准由另一个控制器203调节，所述控制器形成外部控制环路的一部分。对于HVDC应用，通常控制VSC以调节直流电压或功率。所述外部控制环路的直流电压/功率控制器203的操作模式例如直流电压或功率调节以及操作设定点可以由网络控制器204提供，并且外部环路控制器203将实际直流电压或功率与设定点进行比较以提供适当电流基准。
应注意，图2仅示出与直流侧动态相关的部件并且省略了许多其他交流/直流转换器控制功能，例如可能存在于实际实施方案中的交流电压/无功功率控制或转换器能量平衡控制。
这种类型的控制意味着如果存在直流网络干扰，则内部电流控制器202将快速调节阀电压，使得输出直流电流不会相对于其干扰前的值存在显著变化。这可能导致直流电压或功率改变。随着时间推移，较慢的外部控制环路将更新电流基准以使直流电压或功率恢复到干扰前水平，同时避免任何过电流。但是包括直流电压/功率控制器203的外部环路的带宽使得在初始瞬变干扰的时间尺度上，电流基准不会显著变化。VSC的整体性能类似于电流源的响应。
上述控制对于点对点直流网络，例如第一VSC通过直流链路连接到第二VSC的直流网络而言是良好的，因为这两个VSC的电流和电压紧密关联。但是，越来越多地提议采用多终端直流网络，例如，三个或更多个VSC可以连接到公共直流网络。图3示出具有多个VSC100的多终端HVDC网络300的一个示例，每个VSC连接到相应的交流系统301(所述交流系统可以是单独的交流网络，也可以是同一交流网络的不同部分)和公共直流网络302。所述网络控制器204可以生成用于控制VSC 100的操作模式的控制信号CTR。在所述实施方案中，所述网络的直流电压可以(至少部分地)视作所有VSC 100的公共性质。应理解，由于跨网络302的电压降，各个VSC 100可能经受彼此不同的直流电压，但是一个VSC的任何本地电压突变仍将导致所有其他网络终端处发生电压变化。在所述布置中，所描述的常规控制可能由于任何个体转换器可能在瞬变情况下发生本地直流电压相对突变以维持直流电流而引起全局网络稳定性问题。应注意，每个VSC维持其自身的直流电流。因此与直流电压不同，直流电流是本地性质。
因此，本申请的实施例涉及至少减轻上述缺点中的至少一些缺点的VSC控制方法和设备。
因此，根据本发明，提供一种用于电压源转换器的控制设备，所述控制设备包括：
基准电压发生器，所述基准电压发生器配置成生成作为电压控制环路的一部分的电压控制信号；以及
过电流控制器，所述过电流控制器配置成生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的电流控制信号；
其中所述过电流控制器产生的所述电流控制信号作为独立于所述电压控制环路的控制通路的一部分。
所述基准电压发生器产生所述电压控制信号，例如用于电压源转换器(VSC)的阀的电压基准，以便在相对短期瞬变情况下维持直流电压。这有助于避免直流电压在瞬变情况下相对突变并且实现更高直流电压稳定性，从而可以提供更稳定的直流网络。为避免发生通过VSC的过电流，所述过电流控制器可以生成用于调制所述电压控制信号的电流控制信号。但是，所述过电流控制器不形成所述电压控制环路的一部分，并且所述电流控制信号在独立控制通路中生成。因此，所述过电流控制器可以仅在需要时影响所述电压控制信号，并且除了当VSC存在过电流风险时，VSC的动态响应将由所述基准电压发生器确定。因此，所述基准电压发生器用于控制所述VSC作为电压源工作，其中所述过电流控制器在需要情况下提供电流限制，以便使VSC作为限流电压源工作。
所述基准电压发生器可以配置成接收直流电压和/或功率的至少一个反馈信号，并且基于所述反馈信号和已定义的操作设定点来生成所述电压控制信号。所述基准电压发生器可以是直流电压/功率控制器，所述直流电压/功率控制器能够选择性地以电压控制模式和功率控制模式操作，其中所述电压控制模式用于调节所述电压源转换器的直流电压，并且所述功率控制模式用于调节通过所述电压源转换器的功率通量。所述直流电压/功率控制器可以响应于网络控制器以在所述电压控制模式或所述功率控制模式下操作。
所述过电流控制器可以配置成接收指示在所述电压源转换器中流动的电流的电流反馈信号以及已定义的电流限制值。
所述过电流控制器可以具有比所述电压控制环路的带宽更快的带宽。所述电压控制环路的所述带宽可以使得所述基准电压发生器生成的所述电压控制信号在与短期瞬变情况相关联的时间尺度上不发生显著变化。也就说，施加到VSC的电压控制信号用于在所述瞬变情况下维持直流电压。所述过电流控制器即过电流控制环路的带宽足够快，使得能够在需要情况下对与所述瞬变相关的任何显著电流增大做出反应，从而施加电流限制。
所述过电流控制器可以配置成仅当所述过电流控制器检测到所述电压源转换器处于或接近过电流限制值时输出具有非零值的电流控制信号。
所述VSC可以包括多个转换器臂，其中至少一个所述转换器臂或者可能每个转换器臂包括以上任何变型中的所述的控制设备。所述或每个转换器臂可以包括链节电路，所述链节电路包括多个以串联方式连接的单元，每个单元包括储能元件和开关装置，以用于选择性地连接所述单元的端子之间的所述储能元件或者旁路所述储能元件。换言之，所述VSC可以是具有多个模块的MMC或AAC型转换器或变型，其中具有用于电压波整形的嵌入式储能器。
实施例还涉及一种输电系统，所述输电系统包括连接到直流网络的多个所述电压源转换器。连接到所述直流网络的VSC的数量可以是三个或更多个，即，实施例涉及一种输电/配电系统，所述输电/配电系统具有连接到公共直流网络的三个或更多个VSC。
在另一方面中，提供一种控制电压源转换器的方法，所述方法包括：
生成作为电压控制环路的一部分的电压控制信号；以及
生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的电流控制信号；
其中所述电流控制信号作为独立于所述电压控制环路的控制通路的一部分生成。
所述方法可以实施于上文相对于控制设备所描述的任何变型中。
确切地说，所述基准电压发生器可以接收直流电压和/或功率的至少一个反馈信号，并且基于所述反馈信号和已定义的操作设定点来生成所述电压控制信号。所述基准电压发生器可以是直流电压/功率控制器，并且所述方法可以包括以电压控制模式和功率控制模式中的选定一者来操作所述直流电压/功率控制器，其中所述电压控制模式用于调节所述电压源转换器的直流电压，而所述功率控制模式用于调节通过所述电压源转换器的功率通量。所述直流电压/功率控制器可以响应于网络控制器以在所述电压控制模式或所述功率控制模式下操作。
过电流控制器可以配置成接收指示在所述电压源转换器中流动的电流的电流反馈信号以及已定义的电流限制值，并且生成所述电流控制信号。除非所述电流反馈信号超出所述已定义的电流限制值，否则所述电流控制信号可以具有零值。所述过电流控制器可以具有比所述电压控制环路的带宽更快的带宽。
所述电压控制信号可以是所述电压源转换器的转换器臂的电压基准。所述转换器臂可以包括链节电路，所述链节电路包括多个以串联方式连接的单元，每个单元包括储能元件和开关装置，以用于选择性地连接所述单元的端子之间的储能元件或者旁路所述储能元件。
所述电压源转换器可以是连接到直流网络的三个或更多个电压源转换器中的一者。
总体来说，实施例涉及一种用于控制VSC作为电压源，确切地说，作为限流电压源工作的控制设备。
附图说明
现在将参照附图仅以示例方式来描述本公开的实施例，其中：
图1示出MMC型电压源转换器；
图2示出常规VSC阀控制的原理；
图3示出具有多终端直流网络的HVDC网络的示例；
图4示出根据实施例的VSC阀控制的原理；
图5示出适用于实施例中的直流电压/功率控制器的一个示例；以及
图6示出适用于实施例中的过电流控制器的一个示例。
具体实施方式
本公开的实施例涉及用于控制电压源转换器(VSC)的操作的方法和设备。在本公开的实施例中，对所述VSC的控制基于直流电压基准发生器生成的电压基准，所述直流电压基准发生器可以是直流电压/功率控制器。因此，所述电压基准可以由作为电压控制环路的一部分的直流电压/功率控制器直接确定，而不是如同常规控制中一样通过指定中间电流基准以供内部电流控制环路的电流控制器使用。过电流控制器的提供是用于电流限制目的，但是所述过电流控制器处于与直流电压基准发生器即直流电压/功率控制器并联的控制通路中，并且生成不直接依赖于所述直流电压基准发生器的输出的电流控制信号。电流限制可以仅在需要时施加。
图4示出根据实施例的控制的原理。确定VSC 401的电压基准，例如上文所讨论的阀电压基准，但是在本公开的实施例中，由直流电压基准发生器来确定电压基准的直流部分，例如限定直流偏置，其中所述直流电压基准发生器可以是形成用于直流电压/功率调节的电压控制环路的一部分的直流电压/功率控制器402。因此，所述直流电压/功率控制器402以与上文参照图2相对于外部环路控制器203所描述方式类似的方式从网络控制器204接收所需操作模式(功率或直流电压调节)和设定点的指示。在使用中，直流电压/功率控制器402还接收所述VSC的直流电压/功率的指示，例如监测的直流电压和/或功率。但是在本公开的实施例中，所述直流电压/功率控制器402直接生成VSC的电压基准，而不是如上文参照图2所述生成中间电流基准。
所述直流电压/功率控制器402的带宽可以类似于上文参照图2所描述的外部环路控制的带宽。因此，直流电压/功率控制器402的响应时间可以相对慢于与直流网络动态相关联的典型时间常数。在所述情况下，对于动态比直流电压/功率控制器402的带宽更快的任何瞬变，所述阀电压基准在所述瞬变期间将保持大体恒定，因此直流电压将保持大体恒定。
如上所述，利用参照图2所描述的常规VSC控制，在所述瞬变的情况下，快速电流控制器202将快速作用以维持电流，进而可能随之改变直流电压。根据常规控制的VSC实际上作为电流源工作。但是使用图4中所示的控制，VSC替代性地用于维持直流电压，因此实际上作为电压源工作。
所述控制使用VSC链节单元的固有储能能力来帮助直流网络将直流电压维持在大体恒定的值。因此，所述控制使得VSC能够根据需要快速吸收来自直流网络的能量或者提供额外能量，以便在干扰情况下维持直流电压。
但是，所述操作可能导致在相对较大干扰的情况下维持直流电压所需的电流需求相对较大。如上所述，常规VSC中使用的半导体器件对过电流的容限通常相对较低。在本发明的实施例中，可以提供过电流控制器403，以便改变直流电压/功率控制器402生成的电压基准，从而防止过电流。
因此，所述过电流控制器403可以接收指示监测的VSC电流以及已定义的电流限制的电流限制信号，并且在必要情况下改变所述电压基准以提供电流限制。如果需要，所述过电流控制器403可以生成用于调制所述电压基准的电流限制控制信号。所述电流限制控制信号可以通过组合器404与所述直流电压/功率控制器402生成的电压基准相组合。要提供针对任何过电流的良好保护，所述过电流控制器403的带宽应相对于相关可能瞬变的时间常数而言相对较快。例如，所述过电流控制器403的带宽可以类似于常规控制方案的电流控制器202的带宽，例如，通常在千赫兹范围内或接近千赫兹范围。
所述过电流控制器的带宽以及直流电压/功率控制器402的带宽将取决于相关控制平台。在大多数实施方案中，所述直流电压/功率控制器的带宽与电流控制器之间的比率可以至少为2，但是在一些实际实施方案中，所述比率可以为十的量级。
所述过电流控制器403设置成与主直流电压/功率控制器402并联。因此，所述直流电压/功率控制器402设置成VSC的直流电压控制环路的一部分。所述直流电压控制环路具有反馈通路，以用于将直流电压/功率反馈信号提供给所述直流电压/功率控制器402。所述直流电压/功率控制器402生成电压基准以作为电压控制信号。所述直流电压控制信号的前馈通路从直流电压/功率控制器402延伸到阀401。所述过电流控制器403位于单独控制通路中，并在前馈通路中对电压控制信号施加过电流限制。单独控制通路是指过电流控制器403本身不接收直流电压控制信号作为用于确定要施加的任何电流限制的控制输入。换言之，由过电流控制器403生成的用于电流限制的控制信号以独立于电压控制信号本身的形式得出。
因此应理解，过电流控制器403用于完全不同的目的，并且以与参照图2描述的电流控制器202完全不同的方式操作。在参照图2描述的常规控制中，电流控制器202是内部电流环路的一部分，所述内部电流环路响应于较慢的外部控制环路。电流控制器202因此位于从直流电压/功率控制器203到阀的前馈控制通路中。电流控制器202生成的电压基准是基于直流电压/功率控制器203的输出而得出的并且取决于所述电压/功率控制器的输出，其中所述电压基准提供阀电流的电流控制。
此外，常规控制方案的电流控制器202始终有效，使得电流控制202连续地定义VSC电压基准，从而定义VSC的动态响应(在电流控制的带宽内)。它始终控制VSC，以便VSC实际上作为电流源工作。
相反，过电流控制器403可以仅在需要时主动提供电流限制。尽管过电流控制器403可以相对于已定义的限制而连续监测反馈电流，但是仅在存在过电流的危险时过电流控制器403可以激活以调制实际电压基准。例如，除非VSC存在过电流风险，否则过电流控制器403的任何输出可以均对VSC动态响应不存在任何实质影响。因此，所述VSC尽可能作为电压源工作，并且在过电流控制器403操作时其本质上以限流电压源的形式工作。
因此，图4所示的控制方案在瞬变情况下提供比常规控制方案更高的直流电压稳定性。这可能是有利的，尤其是对于具有多终端直流网络，即具有连接到公共直流网络的三个或更多个VSC的配电/输电而言，因为直流电压可以视为直流网络的稳定性度量。
所述控制方案可以以各种方式实施于实际VSC中。图5示出适当直流电压/功率控制器402的一个示例。
所述控制器402可以例如通过操作控制模式选择器501来以电压控制模式或功率控制模式操作。对于电压控制模式，电压控制模块502从上游控制层例如网络控制器或者转换器操作员接收直流电压(VLRSP)和直流功率(P*DC)的操作设定点。这些设定点与所述转换器的直流端子处应产生的直流电压和直流功率相对应(假设系统中不存在任何干扰或不确定性)。
所述直流电压设定点被前馈到电压控制模块502的输出端，并且被加到成比例电流误差环路的输出，以形成所述转换器的直流电压基准(V*DC)。此相分支的直流电压基准可以除以2，以提供每个阀的阀电压基准的直流偏置(V*DC,vlv)。
此示例中的电流误差环路输出通过以成比例增益对基准直流电流(I*DC)与测得的直流电流信号(IDC)之间的误差进行缩放来产生的。所述基准电流基准(I*DC)可以计算成直流功率设定点与直流电压设定点的倒数的乘积。
应注意，此示例中所描述的电流误差环路不用于调节输出直流电流，相反，其功能在于提供直流电压控制特性的依赖于电流的斜率。当若干个交流/直流转换器之间共用直流输电系统电压的控制时，所述斜率，通常称为垂度是期望的。如果不需要所述共用，则可以将电流误差函数的成比例增益设置为零，并且所述直流电压控制器成为直流电压设定点到阀电压基准直流偏置计算器的直线馈通(即，转换器直流电压基准除以二)。
当处于直流功率控制模式下时，功率控制模块503接收直流功率设定点(P*DC)和测得的转换器直流功率信号(PDC)。所述控制器402计算设定点与测得功率之间的误差，并且将此误差馈送到比例积分(PI)控制器。所述PI控制器调制所述转换器直流电压基准(V*DC)以实现目标直流功率。与直流电压控制模式相同，所述阀电压基准信号的直流偏置可以计算成所述转换器直流电压基准的一半。如所属领域中的技术人员将理解，所述PI控制器可以使用输出限制和积分器抗饱和环路来实施。
如图4所示，所述阀电压基准或至少其直流分量可以与过电流控制器403的输出加和。图6示出适当过电流控制器403的一个示例。
所述过电流控制器403计算直流电流限制值(IDC_lim)与测得的直流电流的绝对值(IDC)之间的误差。此误差传递通过比例-积分-微分控制器(PID)，此控制器产生转换器直流电压基准的调制值(ΔV*DC)。此调制值乘以测得的直流电流反馈信号的符号。所述乘法用于根据所述转换器操作模式，即整流或逆变提供所述调制值的正确符号。将所述转换器直流电压基准的调制值与测得直流电流反馈的乘积除以2，成为每个阀电压基准的调制值(ΔV*DC,vlv)。如图4所示，将此值加到直流电压/功率控制器产生的主直流电压偏置，并且所述调制后的直流电压偏置用作阀电压基准的直流部分。应注意，所述PID控制器的输入限于非负值，因此过电流补偿器仅在测得的转换器直流电流大于极限值时，即当存在过电流状况时有效。对于负电流误差，即当转换器电流在正常范围内时，所述过电流补偿器产生零输出，因此不影响由直流电压/功率控制器给出的直流偏置。在一些实施例中，图6中所示的控制结构可以通过向电流误差计算添加导数项来修改，因此补偿器不仅在转换器处于过电流状态时起作用，而且也在转换器处于过电流风险中起作用。
因此，本公开的实施例涉及用于控制VSC的方法和设备，所述方法和设备用于控制VSC作为电压源，并且确切地说，作为限流电压源工作。如上文所讨论，所述控制设备使用所述VSC的嵌入式储能器根据需要为相连直流系统提供能量或从中吸收能量以维持直流电压，从而控制所述VSC作为限流电压源工作。
这确实需要将链节单元储能元件的电压保持在预期电压电平。所述转换器能量控制和单元电容器电压平衡控制对于常规控制而言是已知的，并且可以易于适用于上述控制中。
因此，本发明的实施例涉及提供相连直流网络中的良好直流电压稳定性的VSC控制设备以及VSC控制方法。控制器例如直流电压/功率控制器基于监测的直流电压/功率和指定设定点生成直流电压基准。生成直流电压基准的带宽使得在网络瞬变期间，所述直流电压基准保持大体上恒定。提供一种用于电流限制的快速作用过流控制器，其中所述过电流控制器生成用于电流限制的控制信号，所述控制信号是在不使用电压基准作为控制输入的情况下获得的。
以这种方式控制的VSC可以用在HVDC配电/输电系统中。根据实施例的第一VSC可以布置成向/从第二VSC输电或供电，所述第二VSC可以是或者可以不是根据本发明实施例的VSC。在一些实施例中，所述第一VSC可以是多端网络的一部分，其中多个其他VSC连接到同一直流电网。
应注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且所属领域中的技术人员将能够在不脱离随附权利要求书范围的情况下设计许多替代实施例。词语“包括”并不排除存在权利要求中列出元件或步骤之外的元件或步骤，“一个”或“一种”并不排除多个，并且单个特征或其他单元可以实现权利要求书所引用的多个单元的功能。权利要求书中的任何参考符号不应解释成限制其范围。

Claims (18)

1.一种用于电压源转换器的控制设备，所述控制设备包括：
作为电压控制环路的一部分提供的基准电压发生器，所述基准电压发生器配置成在从所述基准电压发生器延伸到所述电压源转换器的阀的前馈通路中生成电压控制信号，并且所述基准电压发生器配置成接收直流电压和/或功率的至少一个反馈信号，并且基于所述反馈信号和已定义的操作设定点来生成所述电压控制信号；以及
过电流控制器，所述过电流控制器配置成生成电流控制信号；
其中所述过电流控制器位于与所述电压控制环路分开且独立于所述电压控制环路的控制通路中，并且其中所述过电流控制器生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的所述电流控制信号，过电流限制被施加在所述前馈通路中。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中所述基准电压发生器是直流电压/功率控制器，所述直流电压/功率控制器能够选择性地以电压控制模式和功率控制模式操作，其中所述电压控制模式用于调节所述电压源转换器的直流电压，并且所述功率控制模式用于调节通过所述电压源转换器的功率通量。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其中所述直流电压/功率控制器响应于网络控制器以在所述电压控制模式或所述功率控制模式下操作。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的控制设备，其中所述过电流控制器配置成接收指示在所述电压源转换器中流动的电流的电流反馈信号以及已定义的电流限制值。
5.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的控制设备，其中所述过电流控制器的带宽比所述电压控制环路的带宽更快。
6.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的控制设备，其中所述过电流控制器配置成仅当所述过电流控制器检测到所述电压源转换器处于或接近过电流限制值时输出具有非零值的电流控制信号。
7.一种包括多个转换器臂的电压源转换器，至少一个所述转换器臂包括前述权利要求中的任一权利要求所述的控制设备。
8.根据权利要求7所述的电压源转换器，其中所述至少一个转换器臂包括链节电路，所述链节电路包括多个以串联方式连接的单元，每个单元包括储能元件和开关装置，以用于选择性地连接所述单元的端子之间的所述储能元件或者旁路所述储能元件。
9.一种输电系统，包括多个连接到直流网络的如权利要求7或权利要求8所述的电压源转换器。
10.根据权利要求9所述的输电系统，其中连接到所述直流网络的所述电压源转换器的数量是三个或更多个。
11.一种控制电压源转换器的方法，所述方法包括：
由作为电压控制环路的一部分提供的基准电压发生器在从所述基准电压发生器延伸到所述电压源转换器的阀的前馈通路中生成电压控制信号，并且所述基准电压发生器配置成接收直流电压和/或功率的至少一个反馈信号，并且基于所述反馈信号和已定义的操作设定点来生成所述电压控制信号；以及
由过电流控制器生成电流控制信号；
其中所述过电流控制器位于与所述电压控制环路分开且独立于所述电压控制环路的控制通路中，并且其中所述过电流控制器生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的所述电流控制信号，过电流限制被施加在所述前馈通路中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述基准电压发生器是直流电压/功率控制器，并且所述方法包括以电压控制模式和功率控制模式中的选定一者来操作所述直流电压/功率控制器，其中所述电压控制模式用于调节所述电压源转换器的直流电压，而所述功率控制模式用于调节通过所述电压源转换器的功率通量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述直流电压/功率控制器响应于网络控制器以在所述电压控制模式或所述功率控制模式下操作。
14.根据权利要求11至13中的任一权利要求所述的方法，其中所述过电流控制器配置成接收指示在所述电压源转换器中流动的电流的电流反馈信号以及已定义的电流限制值，并且生成所述电流控制信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中除非所述电流反馈信号超出所述已定义的电流限制值，否则所述电流控制信号具有零值。
16.根据权利要求11至13中的任一权利要求所述的方法，其中所述过电流控制器的带宽比所述电压控制环路的带宽更快。
17.根据权利要求11至13中的任一权利要求所述的方法，其中所述电压控制信号是所述电压源转换器的转换器臂的电压基准，其中所述转换器臂包括链节电路，所述链节电路包括多个以串联方式连接的单元，每个单元包括储能元件和开关装置，以用于选择性地连接所述单元的端子之间的所述储能元件或者旁路所述储能元件。
18.根据权利要求11至13中的任一权利要求所述的方法，其中所述电压源转换器是连接到直流网络的三个或更多个电压源转换器中的一者。
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