CN110268593B - 输电网络中的纹波控制与优化 - Google Patents

Abstract

公开了用于输电网络（100）的电力电子网络元件（110）的控制器（112），其中控制器（112）被配置成改变网络元件（110）的控制参数，该控制参数至少部分地确定网络的传输线路中的纹波曲线。控制器（112）配置成在至少第一值和第二值之间改变控制参数，以促使传输线路中的纹波曲线改变；并且控制器被配置成周期地或响应于指示在沿传输线路的热点位置处的阈值温度的信号来改变控制参数。还公开了优化用于输电网络100的控制参数的方法。

Description

输电网络中的纹波控制与优化

技术领域

本发明涉及优化用于输电网络的控制参数的方法，特别是，涉及减轻由网络的传输线路中的纹波引起的热和/或电应力。本发明还涉及控制输电网络的对应的方法、相关联的控制器和网络。

背景技术

输电网络，特别是高压直流（HVDC）网络，包括用于控制通过网络的功率传输的诸如变换器和电流控制器之类的电力电子网络元件。这种网络元件使用电力电子（即固态）开关来控制网络中的功率传输。这种网络元件的切换行为可导致沿网络的输电线路的驻波信号，该驻波信号被称为纹波（即，电流纹波和/或电压纹波）。

电力电子网络元件（例如变换器和电流控制器）的最新发展已经服务于减小纹波效应。例如，诸如线换向变换器（LCC）、二极管桥式整流器、2级电压源变换器（VSC）以及DC-DC变换器之类的变换器可导致相对强的纹波曲线，而较新的模块化多级变换器（MMC VSC）可操作以显着减小纹波。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于输电网络的电力电子网络元件的控制器，其中控制器被配置成改变网络元件的控制参数，该控制参数至少部分地确定网络的传输线路中的纹波曲线，其中控制器被配置成在至少第一值和第二值之间改变控制参数，以促使传输线路中的纹波曲线改变；并且其中控制器被配置成周期地和/或响应于指示在沿传输线路的热点位置处的阈值温度的信号来改变控制参数。

例如，控制器可配置成每2小时改变控制参数。控制参数的周期性改变可根据预定的时间表。

控制参数可从由以下参数组成的群组中选择：电力电子网络元件的切换频率；以及视在阻抗参数，该视在阻抗参数确定网络元件的视在阻抗。

例如，视在阻抗参数可与变换器的控制模式有关。改变视在阻抗参数可包括改变多个网络元件的参数，例如在传输线路的相对端处的两个网络元件。例如，为了维持功率传输的需求曲线（即沿传输线路的电流和电压性质）同时改变在诸如变换器或电流控制器之类的一个或多个网络元件处的视在阻抗，可改变诸如变换器的控制模式之类的两个或更多个网络元件的控制参数。

网络元件可包括变换器，并且在传输线路和网络元件之间的端子处的视在阻抗可以是变换器的控制模式的函数。例如，变换器可选择性地在电压控制模式或功率控制模式中操作。在电压控制模式中，变换器可被配置成调节变换器的DC电压（例如，电压源变换器）。在功率控制模式中，变换器可被配置成调节经由变换器（例如，电压源变换器）的功率流。

根据第二方面，提供了一种输电网络，该输电网络包括输电线路、用于控制通过输电线路的功率传输的电力电子网络元件、以及根据第一方面的用于改变网络元件的控制参数的控制器。

输电网络可进一步包括：温度感测设备，该温度感测设备被配置成监测沿传输线路的温度曲线。可存在热点检测单元，该热点检测单元被配置成基于温度感测设备的输出确定沿传输线路的局部温度最大值何时达到阈值。控制器可被配置成基于被确定的局部加热的阈值量来改变网络元件的控制参数。

额外地或备选地，可存在热点模拟单元，该热点模拟单元被配置成预测输电网络中的热点，并且生成指示在沿传输线路的热点位置处的阈值温度的信号。

可存在由多个传输线路互连的多个电力电子网络元件。控制器可被配置成改变网络元件中的至少两个网络元件的控制参数，以在网络的相应配置之间改变。每个配置可对应于用于网络元件或网络的控制参数的不同配置，以导致相应的纹波曲线。

控制器可包括位于中心的（或全局的）控制器，该控制器支配在多个网络元件处的控制参数。备选地，控制器可包括在要被控制的多个网络元件中的每个处的离散控制器，所述离散控制器可被互连以用于通信。

输电网络可以是高压直流（HVDC）网络。功率传输可以是诸如多个风力涡轮机的输电网络之类的AC网络，并且可存在至少一个电力电子网络元件，该电力电子网络元件包括用于相应的风力涡轮机的AC-DC变换器。变换器可以是AC-DC-AC变换器，以用于将来自风力涡轮机的功率传递到AC网络中。

根据本发明的第三方面，提供了一种控制输电网络的网络元件的方法，该方法包括改变网络元件的控制参数，该控制参数至少部分地确定网络的传输线路中的纹波曲线，其中控制参数在至少第一值和第二值之间改变，以促使传输线路中的纹波曲线改变；并且其中周期地或响应于指示在沿传输线路的热点位置处的阈值温度的信号来改变控制参数。

该方法可包括进行以上相对于第一和第二方面描述的控制器的任何操作。

根据本发明的第四方面，提供了一种利用由处理器可执行的指令编码的机器可读介质，其中该指令被定义成实行根据第三方面的控制功率传输装置的网络元件的方法。

根据第五方面，提供了一种优化用于输电网络的控制参数的计算机实现的方法，该输电网络包括传输线路和用于控制通过传输线路的功率传输的电力电子网络元件，该方法包括：

定义网络的多个候选配置，每个候选配置由用于网络元件的一个或多个可变控制参数定义，每个控制参数至少部分地确定传输线路中的纹波曲线；

对于每个候选解，模拟网络中的功率传输，以确定与网络中的模拟的纹波曲线有关的纹波数据；

基于与由传输线路中的纹波引起的热和/或电应力有关的目标函数，选择网络的候选配置中的一个。

可定义候选配置，使得相应的经模拟的纹波曲线中的每个具有小于10kHz的纹波频率。

可定义候选配置，或可选择所选择的候选配置，使得由于传输线路中的纹波导致的导体加热（即，电阻加热）大于介电加热。导体加热可高于介电加热，例如它可以是介电加热的至少3倍、或至少5倍、或至少10倍。

每个控制参数至少部分地确定传输线路中的纹波曲线意味着纹波曲线由该控制参数或每个控制参数所影响，或是该控制参数或每个控制参数的函数。

可定义网络的候选配置，使得每个配置对应于网络中（经模拟的或真实的）的不同纹波曲线。

可定义候选配置，使得至少一个控制参数在任何两个配置之间改变。换句话说，可定义候选配置，使得任何两个配置具有至少一个控制参数的不同值。

可定义目标函数以减轻由传输线路中的纹波引起的热和/或电应力的热点。

可定义至少两个候选配置的控制参数，使得相应的经模拟的纹波曲线具有不同的纹波频率。定义候选配置的控制参数可包括网络元件的切换频率。切换频率可在候选配置中的至少两个之间改变，使得相应的经模拟的纹波曲线具有不同的频率。

定义候选配置的控制参数可包括与在网络的端子处的视在阻抗有关的视在阻抗参数。视在阻抗参数可在候选配置中的至少两个之间改变，使得相应的经模拟的纹波曲线彼此不同。

例如，视在阻抗参数可对应于传输和网络元件之间的端子的视在阻抗。可存在多个网络元件和/或多个传输线路，并且视在阻抗参数可对应于在传输线路中的任一个和网络元件中的任一个之间的端子处的视在阻抗。可存在对应的多个视在阻抗参数。

可至少部分地基于与由传输线路的目标部分中的纹波引起的热和/或电应力有关的目标函数来选择所选择的候选配置。传输线路的目标部分可具有沿传输线路的范围，该范围小于整个传输线路的范围。换句话说，它可以是传输线路的子部分。目标部分可对应于沿传输线路的不合常规的热条件或约束的一部分。

基于在目标部分处的纹波幅度的局部上限可定义与由传输线路的目标部分中的纹波引起的热和/或电应力有关的目标函数。纹波幅度可对应于电流纹波或电压纹波。

可至少部分地基于与沿传输线路的目标部分到相应的纹波曲线中的纹波幅度的局部最大值和/或最小值的接近度有关的目标函数来选择所选择的候选配置。例如，可基于目标部分和局部最小值之间的间隔以及目标部分和局部最大值之间的间隔来确定接近度。例如，目标函数可被定义成选择（即，对其产生有利结果）具有如下纹波曲线的候选配置：在该纹波曲线中，与纹波幅度的局部最大值相比，目标部分相对更接近于纹波幅度的局部最小值。

可定义传输线路的多个目标部分。所述或每个目标函数可被加权，使得它与由在目标部分中的每个处的纹波引起的热和/或电应力有关。针对目标部分可存在多个目标函数（即，在多目标优化中），每个目标函数与目标部分中的一个或多个有关。可存在与沿传输线路的全局条件有关的另外的目标函数。

例如，可定义目标函数，使得优化候选配置对应于纹波幅度的局部最小值和目标函数的对齐。

所述或每个目标部分可对应于以下中的一个：传输线路的两个部分之间的结点；传输线路的通道部分；针对传输线路的不利地面条件的区域；以及传输线路的暴露部分，在暴露部分中所述传输线路暴露于大气条件。

除非另外定义，否则传输线路的部分可被模拟成子表面部分。传输线路的两个部分之间的结点可特别容易受到来自热或电应力的热点的不利影响。可期望减少在传输线路的通道部分（即，穿过用于设施（service）和/或人员的通道的部分）处的热或电应力的热点，因为传输线路和其它设施通常可共置于通道中。因此，缆线中的热应力的热点可不利地影响其它设施，并且可存在来自共置的设施的对通道中的传输线路的额外加热。针对传输线路的不利地面条件的区域可对应于地面导热性差的区域和/或不利地面成分的区域，诸如相对于土壤的岩石区域。传输线路的暴露区域可容易受到落在传输线路上的太阳光的加热的影响，使得可期望减轻由纹波引起的进一步加热。

目标函数可与由传输线路中的纹波引起的热和/或电应力的全局度量有关。例如，全局度量可以是平均纹波幅度或峰值纹波幅度。

该方法可进一步包括为网络定义瞬态控制过程，所述瞬态控制过程包括在多个所选择的候选配置中的每个之间顺序地和重复地改变以减轻在纹波幅度的相应的局部最大值处的热或电应力的热点。

每个候选配置可对应于具有对应于热或电应力的热点的局部最大值纹波幅度的一个或多个热点位置的经模拟的纹波曲线。可选择多个所选择的候选配置中的每个候选配置（即，基于所述或每个目标函数所选择的那些候选配置），使得热点位置（对应于纹波幅度的局部最大值）的至少一些在相应的经模拟的纹波曲线之间不同。因此，在使用中，依靠通过切换网络的配置以改变或移动热点位置可减轻热点，使得每个热点位置仅间歇地经受对应的升高的热和/或电应力。

例如，第一所选择的候选配置可导致第一热点位置。可选择第二所选择的候选配置以补充（即，至少部分地基于）第一所选择的候选配置，使得在第二候选配置中，第一热点位置与纹波幅度的局部最大值不对齐。例如，可选择第二候选配置，使得第一热点位置与纹波幅度的局部最小值对齐或接近。

根据第六方面，提供了一种包括由处理器可执行的指令的非暂态性机器可读介质，其中该指令被定义成实行根据第五方面的优化用于输电网络的控制参数的方法。

附图说明

现在将参考附图仅通过非限制性示例描述本发明的优选实施例，附图中：

图1示意性地示出示例输电网络；

图2示意性地示出网络的输电线路的部分；

图3示意性地示出多端子输电网络；

图4示出在网络的不同候选配置中的100km输电线路中的纹波曲线；

图5示出在网络的不同候选配置中的500km输电线路中的纹波曲线；

图6示出优化用于输电网络的控制参数的方法；

图7示出控制网络元件的方法；

图8示出具有改变的视在阻抗的传输线路中的纹波曲线的曲线图；以及

图9示意性地示出处理器和利用指令编码的机器可读介质。

具体实施方式

图1示出用于HVDC功率传输的示例输电网络100。网络100包括耦合到AC电源50的AC-DC变换器110，特别是模块化多级电压源变换器（MMC VSC）；耦合到AC配电网60的DC-AC变换器120（也是MMC VSC），以及在它们之间延伸的用于HVDC功率传输的传输线路130。

每个变换器110、120配有相应的控制器112、122，这两个控制器通过控制线114相互通信。在其它示例中，两个控制器可以是独立的，或耦合到用于网络100的全局控制器（未示出）。

控制器110、120被配置成设置用于相应的变换器的控制参数。在该示例中，每个控制器110、120被配置成设置与频率有关的切换频率控制参数，切换在相应的变换器的子模块之间的连接以此频率进行。例如，切换频率可设置在100Hz和5kHz之间的范围中。

下面将详细描述使用控制器110、120设置切换频率或其它控制参数的控制过程。

图2示出在变换器110、120之间延伸的示例传输线路130的截面。在该示例中，传输线路130是用于HVDC传输的100km线路，并且主要位于地面以下。如图2中示意性地示出的，在该特定示例中，传输线路130具有由居间部分134、136、138分隔开的四个地下部分132，所述居间部分134、136、138对应于沿传输线路130的不合常规的条件。条件可以是不合常规到达如下程度：它们与沿线路的大部分或在地下部分132中经历的条件是不一样的。

按从AC-DC变换器110到DC-AC变换器120的顺序次序，传输线路130的居间部分包括通道部分134、传输线路130的连接部分之间的结点部分136以及传输线路的暴露部分138。

通道部分134对应于穿过通道的传输线路。可期望避免通道内的传输线路的部分中的热和/或电应力的热点，因为在通道内可存在可能影响线路的第二热源，例如可以是通道中的共置的设施。此外，传输线路中的热点可对通道内的其它共置的设施具有不利影响。在该特定示例中，通道部分是4km长。

结点部分136对应于传输线路的两个部分之间的结点（即接合）。可期望避免结点部分中的热和/或电应力的热点以维持结点的完整性。在该示例中，结点部分是大约1m（米）长。

暴露部分138对应于传输线路130的一部分，其位于地面上或以其它方式暴露（诸如在敞开的沟槽中），使得它暴露于大气条件中。传输线路的暴露部分可受到来自太阳光的加热。因此，可期望避免由这种暴露中的纹波引起的热和/或电应力的热点，以避免与来自太阳光的加热一起的累积。在该示例中，暴露部分138在传输线路上延伸大约200m。

在其它示例中，可存在暴露于不合常规条件的其它这种部分，诸如对应于不利地面条件的区域的线路的一部分，特别是具有远离传输线路的差导热性的区域。例如，岩石区域与土壤区域相比可具有更差的导热率。

图3示出第二示例HVDC输电网络300。示例网络300包括耦合到相应的AC电源70、75的第一和第二AC-DC变换器310、315；以及耦合到AC配电网80的DC-AC变换器320。一系列传输线路在变换器310、315、320之间以环绕布置延伸，使得第一和第二AC-DC变换器310、315通过第一传输线路330耦合；第二AC-DC变换器315和DC-AC变换器320通过第二传输线路332耦合；以及DC-AC变换器320和第一AC-DC变换器通过第三传输线路334耦合。

在该特定示例中，传输线路330、332、334中的每个的长度是大约500km。

在DC-AC变换器320和第一AC-DC变换器310之间提供电流控制器（CFC）340，以用于控制网络300中（即，在传输线路330、332、334的环绕布置中）的电流。CFC 340可沿传输线路在任何地方被提供，但是在该特定示例中与第一AC-DC变换器310共置，并且经由用于第一和第三传输线路330、334的馈线耦合到第一AC-DC变换器310。

CFC 340被配置成在网络300中提供可变电压源或可变电压降，以便控制通过网络的电流。CFC是电力电子装置，其配置成通过以切换频率操作多个固态（即电力电子）开关来提供电压降的可变电压源。在EP 2670013 B1中描述了示例CFC 340。

变换器310、315、320和CFC 340中的每个（即每个网络元件）配有相应的控制器312、316、322、342，以用于控制相应的网络元件的控制参数。在该特定示例中，每个控制器312、316、322、342被配置成控制切换频率控制参数和与网络元件的视在阻抗有关的视在阻抗参数两者。

在该示例中，视在阻抗参数与变换器310、315、322的控制模式有关。特别是，用于变换器310、315、320的控制器312、316、322中的每个被各自配置成改变相应的变换器的控制模式，以便改变在传输线路和变换器之间的相应的端子处的视在阻抗。每个变换器可选择地在电压控制模式或功率控制模式中操作。在电压控制模式中，变换器被配置成调节变换器的DC电压。在功率控制模式中，变换器可被配置成调节经由变换器的功率流。

在电压控制模式中，用于变换器的控制器可接收或确定来自上游控制层（例如，网络控制）的DC电压和DC功率的操作设置点。这些设置点对应于变换器应在变换器的相应的DC端子处产生的DC电压和DC功率。

在功率控制模式中，用于变换器的控制器可接收或确定用于DC功率和经测量的DC功率信号的操作设置点。例如，控制器可确定设置点和经测量的功率之间的误差，该误差可提供给比例积分（PI）控制器。PI控制器可调制变换器的DC电压参考以达到DC功率设置点。用于变换器的电压参考对应于概念的电压波形，所述概念的电压波形为变换器提供所期望的功率传输特性。例如，电压参考可以是具有与相关联的AC系统的频率有关的频率分量和与DC电压有关的DC偏移的时变波形。电压参考波形的DC偏移可定义输出DC电压，并且从而影响DC输出电流和功率。

在该示例中，变换器的视在阻抗取决于控制模式。特别是，利用在电压控制模式中操作的变换器，在传输线路和变换器之间的端子处的视在阻抗可能相对低（接近短路的视在阻抗），而在功率控制模式中，在端子处的视在阻抗可能相对高（接近开路的视在阻抗）。可使用功率控制模式和电压控制模式的组合（例如，在不同网络元件的不同模式，或通过控制用于相应的网络元件的每个模式的占空比）来实现视在阻抗的进一步改变。因此，由于视在阻抗影响在传输线路的端子处的反射特性，因此沿传输线路的纹波曲线可依赖相应的网络元件的控制模式而改变。

例如，在图1的电路中，当变换器110以纹波频率在电压控制模式中操作（即，以纹波频率切换），并且变换器120以纹波频率在功率控制模式中操作时，传输线路的一端具有相对高的视在阻抗（接近开路的视在阻抗），而另一端具有相对低的视在阻抗（接近短路的视在阻抗）。这可能导致处于四分之一个波长的纹波谐振。相反，如果变换器110、120两者都在电压控制模式中，则纹波谐振可能是处于半个波长。

在又进一步的示例中，可通过在传输线路和网络元件之间的相应的端子处的辅助组件的选择性连接来改变视在阻抗。例如，电容器或滤波器可选择性地耦合到网络以改变视在阻抗。因此，对应的视在阻抗参数可与这种辅助部件的连接状态有关。

如图3中所示的，每个控制器312、316、322、342配有到全局控制网络C的连接，以用于向控制器312、316、322、342或在控制器312、316、322、342之间发送指令。为清楚起见，在控制器之间的全局控制网络C的连接未在图3中示出，并且仅示出到控制网络的连接点。

网络300进一步包括用于感测沿网络的传输线路的温度的温度感测设备350。在该特定示例中，温度感测设备350仅沿第二传输线路332被提供，但将理解，在其它示例中，可提供温度感测设备以监视沿网络的多个或所有传输线路的温度。

在该示例中，温度感测设备可以是包括沿传输线路332延伸的光纤的分布式温度感测（DTS）系统。在传输线路332和光纤之间的热传递促使光纤的光学性质的改变。在使用中，光信号通过光纤发送，并且生成经反射的信号，其性质取决于光纤的光学性质。温度感测设备350的控制器352包括热点检测单元，该热点检测单元被配置成分析经反射的信号并且确定沿传输线路的热性质。在该特定示例中，热点检测单元被配置成确定沿传输线路的长度的温度曲线，使得它可确定热点。在其它示例中，可提供温度感测设备，该温度感测设备监视线路的诸如目标部分之类的受限部分，在所述受限部分可期望避免传输线路中的热和/或电应力的热点。

申请人已经进行了网络100、300的传输线路中的纹波曲线的分析，以便支持本发明的控制和优化方面，如将在下面详细描述的。图4示出以上相对于图1描述的网络100的100km传输线路130中的纹波曲线。在该特定示例中，纹波曲线是电流纹波的曲线，如相对于来自AC-DC变换器110的基线传输电流以无量纲单位测量的那样。

图4示出对应于网络100的不同配置的六个纹波曲线，如通过由计算机实现的方法在网络100的模型中模拟功率传输所确定的。这样，纹波曲线是经模拟的纹波曲线，所述经模拟的纹波曲线对应于物理网络100中的经预测的纹波曲线。

在该特定示例中，与基线电流相比，纹波幅度（即，电流纹波的振幅）相对低，因为网络100中的电力电子变换器110、120是对减轻纹波相对有效的MMC VSC。因此，图4中的每单位（pu）无量纲测量为百分之1，使得图4中的纹波幅度1对应于在AC-DC变换器110处的传输线路130中的基线DC电流的1％。在其它网络中，例如使用诸如LCC之类的不同电力电子网络元件的网络，纹波幅度通常可更高，例如高达基线电流的5到10％（在网络中没有任何滤波组件以减小纹波幅度的情况下）。

网络100中的每个配置对应于从150Hz到1kHz改变的不同纹波频率。在该示例中，通过改变AC-DC变换器110的切换频率控制参数（即切换频率）来改变纹波频率。对应的DC-AC变换器120的切换频率可相应地改变（例如，通过被设置成相同的切换频率）。

在特定MMC VSC的情况下，纹波频率由AC-DC变换器110的有效切换频率直接确定，使得频率是相同的。在其它示例中，切换频率可根据不同的关系确定纹波频率（例如，它可以是纹波频率的两倍或一半）。

网络元件的电力电子设备的切换频率通常可以是在10kHz或低于10kHz，导致对应的纹波频率是在10kHz或低于10kHz。较高的纹波频率可以是可能的，但可能导致传输线路中的应力或老化的另外模式。在10kHz的纹波频率或低于10kHz的纹波频率，传输线路中的电阻加热将远超过介电加热。

下面的表1示出由于320kV XLPE（交联聚乙烯）缆线的纹波导致的介电和电阻加热的结果。计算基于具有I = 100A的幅度的纹波电流以及E = 1000V的幅度的纹波电压。基于下面的介电和导电功率损耗的等式、基于0.01的tan（δ）（保守地被设置高以过高估计介电加热）来确定加热结果

频率	介电加热(W/km)	导体加热(W/km)
			DC	-	12,000
1 kHz	19	1,640
			10 kHz	194	3,146
100 kHz	1,941	9,915

表格1

纹波曲线取决于其它参数，所述其它参数诸如在传输线路130的每个连接或端子处的反射性质。反射性质可由在相应的端子处耦合的网络元件的视在阻抗确定。例如，沿传输线路的纹波幅度局部最大值和局部最小值的位置可根据在传输线路的端子处的视在阻抗而改变。

纹波幅度中的峰值（局部最大值）对应于热和/或电应力的热点，所述热点对缆线的老化可具有不利影响。

如图4中所示的，针对具有纹波频率为300Hz和500Hz的网络配置的纹波曲线具有处于大约2.5pu的最不利（即最大）峰值纹波幅度。针对具有1kHz和1.5kHz纹波频率的网络配置的纹波曲线具有处于大约1pu的纹波幅度的相对较低的峰值（局部最大值），其中波谷（局部最小值）在0.2pu的阶中。针对具有150Hz和200Hz的网络配置的纹波曲线分别具有没有局部最小值的平缓增加的纹波曲线——纹波幅度在AC-DC变换器110处于最小。

因此，根据配置的任一个配置对网络100进行操作可导致传输线路130中的热和/或电应力的不同热点。

可期望操作网络100，使得纹波频率为150Hz或200Hz，使得热和/或电应力沿线路相对恒定。备选地，特别是如果纹波幅度的局部最小值可与传输线路的通道部分134、通道部分136或暴露区域138中的任一个或所有部分对齐，可期望使用对应于1kHz或1.5kHz的纹波频率的条件来操作网络100。

图5示出图3的网络300的500km传输线路中的经模拟的纹波曲线的另外示例集合。通常，与100km线路相比，峰值纹波幅度在500km线路中被减小，伴有沿线路的纹波衰减。该特定示例对应于第二传输线路332。

如图5中所示的，任何特定纹波曲线的局部最大值中的至少一些相对于其它纹波曲线的最接近的局部最大值被偏移。

图6示出优化用于网络的控制参数的示例方法600。将参考以上相对于图1描述的示例网络100和图3中描绘的纹波曲线，仅通过示例描述该方法。

在框602中，定义网络的模型604以用于功率传输的模拟。通过指定网络元件以及它们如何连接来定义网络模型604。在该示例中，AC-DC变换器110和DC-AC变换器120与它们之间的传输线路130一起被定义。例如，可定义相应的变换器120、130连接到的电源50和AC电网60的特征和变换器的类型（MMC VSC）。

可定义传输线路130的另外性质，所述另外性质包括额定电流和电压。在该示例中，除了对应于通道；线路的结点和暴露部分（如以上相对于图2描述的那样）的位置的居间部分134、136、138之外，传输线路130沿其长度的性质是基于它是地下线路来定义的。

在框606中，定义网络100的多个候选配置。每个候选配置与用于网络100的网络元件110、120的可变控制参数的不同排列有关。在该特定示例中，改变的唯一控制参数是AC-DC变换器110的电力电子开关组件的切换频率。在其它示例中，用于特定网络元件的两个或更多个控制参数可在候选配置之间改变，并且控制参数可针对网络元件中的至少两个改变。

在该示例中，定义了六个候选配置，其中切换频率控制参数是150Hz、200Hz、300Hz、500Hz、1kHz以及1.5kHz，如图4中所示的。在特定网络100中，切换频率确定输电线路中的纹波频率，使得纹波频率等于切换频率。

在框608中，针对候选配置中的每个，基于网络模型604模拟网络100中的功率传输。对于每一个候选配置，基于网络元件的定义和它们的关系以及诸如切换频率和网络元件的视在阻抗之类的控制参数，模拟功率传输以确定与沿输电线路的纹波曲线（即电流纹波和/或电压纹波）有关的纹波数据。在该示例中，经模拟的纹波曲线如图4中所示。

将理解，与纹波曲线有关的纹波数据可采用若干不同的形式。例如，纹波数据可定义沿传输线路的纹波幅度的完整曲线；或可定义纹波幅度（电流纹波和/或电压纹波）的局部最大值和最小值的位置，可选地包括在每个位置处的纹波幅度。

在框610中，评估与网络的优化有关的一个或多个目标函数。目标函数是纹波数据的函数，其可被评估以确定针对特定候选配置的纹波曲线多大程度上良好地对应于期望的条件，并且能够实现与针对其它候选配置的评估的比较。

例如，基于最小化沿线路的最大纹波幅度可设置简单的目标函数，这可限制在沿传输线路的任何点处的局部热和/或电应力。如图4中所示的，这种目标函数将有利于对应于1.5kHz的纹波频率（和切换频率）的候选配置。将理解，目标函数可被定义成以线路中的其它期望的条件为目标。例如，目标函数可被设置成有利于具有纹波幅度的低方差的纹波曲线，以避免孤立的热点。可基于局部最大值的数量来设置目标函数以限制热点的数量。

在该特定示例中，多个目标函对应于最小化在传输线路的通道部分134、结点部分136和暴露部分138中的每个处的纹波幅度数被定义和分析。在下面的描述中，这些部分应称为目标部分，因为优化特别地以减轻由线路的这些部分中的纹波引起的热和/或电应力为目标。

特别是，第一目标函数可被定义成有利于三个目标部分上的最低平均纹波幅度。三个另外的目标函数可分别地被定义成有利于在每个单独目标位置处的最低纹波幅度。

可定义目标函数中的每个，使得它们受到其它地方的大峰值幅度的不利影响，其它地方例如在其它目标部分或沿传输线路的任何地方。例如，可定义第一目标函数，使得如果远离目标部分的峰值纹波幅度相对较高，则在目标部分中的每个处具有低纹波幅度的纹波曲线可仍然对应于对目标函数的差的评估。

在框612中，确定优化的终止标准。在该示例中，设置终止标准，使得如果目标函数中的至少一个在对应于网络的可接受性能的预定的范围内，可终止优化。如果不满足终止标准，则该方法在循环中回到框606，在该框中通过控制参数的进一步改变来定义进一步候选配置。在其它示例中，终止标准可被设置成导致朝着针对所述或每一个目标函数的相应的优化配置的候选配置继续迭代发展，例如通过跟踪目标函数的结果中的趋势以确定是否可预期进一步的改进或是否已经达到稳定水平。

在框614中，基于目标函数选择用于网络100的操作的一个或多个候选配置。在一些示例中，例如如果针对候选配置的纹波曲线对应于相对低的峰值纹波幅度并且避免在任何目标部分中的每个处的严重纹波效应，则可选择单个候选配置。

在该特定示例中，确定用于第一目标函数的最优化候选解（即，基于跨传输线路的目标部分的平均纹波幅度来定义的）仍导致在目标部分中的一个处的热和/或电应力的热点。因此，确定选择两个或更多个候选配置并且在网络的操作期间在它们之间周期地改变。将理解，可定义合适的优化过程以基于纹波曲线的分析和在相应的目标函数的评估之间的比较来进行这种评价。

在该特定示例中，选择对应于1kHz的切换频率的第一候选配置，因为它对应于针对传输线路的通道部分134和结点部分136的目标函数的优化评估。对应于1.5kHz的切换频率的第二候选配置导致针对通道部分134和结点部分136的目标函数的较差评估，但是导致针对暴露部分138的目标函数的优化评估。

确定用于网络的控制过程，使得网络在第一和第二配置中交替地操作达连续的时段，例如分别在2小时的交替时段中。可选择候选配置中的两个或更多个以限制在对应的热点位置随时间的热和/或电应力，例如，以导致与由根据单个配置的连续操作将导致的加热曲线相比沿传输线路的更均匀的加热曲线。

将理解，在其它示例中，可在优化方法中改变另外的控制参数，例如，网络内的任何功率网络元件的切换频率和视在阻抗两者。

虽然已经定义了示例优化方法，在所述示例优化方法中定义了多个候选配置，并且对每个候选配置进行了模拟，但是将理解，不需要在模拟开始之前定义多个候选配置。在一些示例中，可基于针对其它候选配置的模拟的结果定义候选配置，例如以迭代方法。在其它示例中，可提前定义候选配置的集合，以及在分析与模拟有关的纹波数据之前模拟的候选配置中的每个，以选择用于网络的操作的一个或多个配置。

图7示出操作网络的网络元件的方法，如将相对于图1的网络100的AC-DC变换器110、120仅通过示例描述的那样。然而，该方法同样可适用于图3的多端子网络300。

变换器110被控制以由控制器112操作，所述控制器112耦合到全局控制网络以接收控制指令，如以下将描述的那样（例如，来自用于输电网络100的站控制）。

在该示例中，控制器112被配置成根据预定的控制过程来操作变换器112，该控制过程可被确定成以上相对于图6描述的优化方法600的结果。在该示例中，电流从变换器120传送到变换器110。该示例中的特定控制过程要在第一配置和第二配置之间改变，在所述第一配置中变换器110的切换频率为1000Hz并且变换器112的视在阻抗低（1欧姆）；在所述第二配置中切换频率保持为1000Hz并且变换器110的视在阻抗高（100欧姆），变换器110在每个配置中依次被操作达2小时的示例时段。在其它示例中，每个配置中的操作可达更短或更长的时段，这可取决于可在相应的配置中的操作期间发生的热和电应力的水平，如上所述的那样。

如图8中所示的那样，由于在变换器120处的视在阻抗的改变导致纹波曲线改变。在该特定示例中，在第一配置中在沿线路大约40km的位置处存在局部最小值电流纹波幅度，并且在第二配置中，在大约相同的位置处存在局部最大值电流纹波幅度。

在其它示例中，在配置之间可调整不同的控制参数，诸如切换频率之类。在另外的示例中，在配置之间可调整两个或更多个控制参数。

参考回到图7，在框702中，用于变换器315的控制参数在用于网络300的操作的初始配置中被设置，这在该示例中是第一配置。

在框704中，控制器重复检查是否改变配置。在该示例中，控制器704参考用于改变配置706的预定的定时序列（或调度），并且还检查与沿相应的传输线路332的热点的检测有关的热点检测信号（框708）的接收。

如以上相对于图3的网络300描述的那样，网络300配有沿传输线路332的温度感测设备350，以用于检测沿线路的热点。温度感测设备的控制器352内的热点检测单元评估沿传输线路332的热曲线以检测热点。在该特定示例中，热点被预测成根据控制过程沿传输线路发生，并且通过周期地改变变换器315的配置来减轻热点。因此，在该示例中，热点检测单元（或控制器316）被配置成当沿传输线路的热曲线指示超过被预测发生的热点加热的热点加热时生成热点检测信号。可经由全局控制网络C在控制器316处接收热点检测信号，用于变换器315的控制器316和温度感测设备的控制器352两者都连接到所述全局控制网络C。

如果配置的改变根据定时序列706未到期，并且没有接收到热点检测信号，则方法700继续循环以重复地进行框704的检查。当接收到热点检测信号708或配置的改变根据定时序列706到期时，则方法700继续在所选择的配置之间改变以调整用于变换器315的操作的控制参数（框710）。

当响应于热点检测信号而启动改变时，用于网络的继续操作的配置可被选择成减轻由在相应的热点位置处的纹波引起的热和/或电应力。

图9示出具有利用指令902编码的存储器的机器可读介质900，所述指令当由处理器904执行时，执行如上所述的方法。

在一个示例中，利用指令对机器可读介质900编码以执行优化用于输电网络的控制参数的方法，如以上相对于图6描述的那样。例如，作为针对输电网络的设计或调试阶段的一部分，指令可由包括处理器的计算机执行。指令可被编码成软件，例如，存储在这种计算机上或由这种计算机可访问。机器可读介质例如可以是计算机的诸如硬盘之类的存储器或诸如紧致盘或闪存驱动器之类的可移动介质。

在进一步示例中，利用指令对机器可读介质900编码以执行控制用于输电网络的网络元件的方法，如以上相对于图7描述的那样。例如，机器可读介质900可以是用于网络元件的控制器的存储器，控制器额外地包括用于执行在其上编码的指令的处理器。

尽管相对于HVDC网络已经描述了本发明的示例，但将理解，本发明同样可适用于具有传输线路和电力电子网络元件的其它输电网络，以控制网络中的纹波。例如，本发明能应用于配置成从风力涡轮机接收功率的AC配电网。这种风力涡轮机可生成AC功率，该AC功率被转换为DC并且返回到AC以便注入到更宽的AC配电网中。在AC-DC和/或DC-AC转换步骤中的电力电子部件可引入纹波效应。

Claims (14)

1.一种用于输电网络的电力电子网络元件的控制器，

其中所述控制器被配置成改变所述网络元件的控制参数，所述控制参数至少部分地确定所述网络的传输线路中的纹波曲线，

其中所述控制器被配置成在至少第一值和第二值之间改变所述控制参数，以促使所述传输线路中的所述纹波曲线改变；

其中所述纹波曲线具有与热或电应力的热点相对应的最大纹波幅度的一个或多个热点位置，其中所述热点位置中的至少一些在对应于所述至少第一值和第二值的纹波曲线之间不同；并且

其中所述控制器被配置成周期地或响应于指示在沿所述传输线路的热点位置处的阈值温度的信号来在所述至少第一值和第二值之间改变所述控制参数从而减轻在纹波幅度中的相应局部最大值处的热和电应力的热点。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制参数从由以下参数组成的群组中选择：

所述电力电子网络元件的切换频率；以及

视在阻抗参数，所述视在阻抗参数确定所述网络元件的视在阻抗。

3.一种输电网络，所述输电网络包括输电线路、用于控制通过所述输电线路的电力传输的电力电子网络元件以及根据权利要求1或2所述的用于改变所述网络元件的控制参数的控制器。

4.根据权利要求3所述的输电网络，还包括：

温度感测设备，所述温度感测设备被配置成监测沿所述传输线路的温度曲线，

热点检测单元，所述热点检测单元被配置成基于所述温度感测设备的输出确定沿所述传输线路的局部温度最大值何时达到阈值；

其中所述控制器被配置成基于被确定的局部加热的所述阈值来改变所述网络元件的所述控制参数。

5.根据权利要求4所述的输电网络，其中存在由多个传输线路互连的多个电力电子网络元件，并且其中所述控制器(C)被配置成改变所述网络元件中的至少两个的控制参数，以在所述网络的相应的配置之间改变。

6.一种优化用于输电网络的控制参数的计算机实现的方法，所述输电网络包括传输线路和用于控制通过所述传输线路的电力传输的电力电子网络元件，所述方法包括：

定义所述网络的多个候选配置，每个候选配置由用于所述网络元件的一个或多个可变控制参数定义，每个控制参数至少部分地确定所述传输线路中的纹波曲线；

对于每个候选配置，模拟所述网络中的电力传输，以确定与所述网络中的经模拟的纹波曲线有关的纹波数据；

基于与由所述传输线路中的纹波引起的热和/或电应力有关的目标函数，选择所述网络的所述候选配置中的一个，

其中，所述方法还包括：针对所述网络定义瞬态控制过程，所述瞬态控制过程包括在多个所选择的候选配置中的每个之间顺序地和重复地改变，以减轻在纹波幅度的相应局部最大值处的热或电应力的热点。

7.根据权利要求6所述的方法，其中定义至少两个候选配置的控制参数，使得相应的经模拟的纹波曲线具有不同的纹波频率。

8.根据权利要求6所述的方法，其中定义所述候选配置的控制参数包括所述网络元件的切换频率，并且其中所述切换频率在所述候选配置中的至少两个之间改变，使得所述相应的经模拟的纹波曲线具有不同的频率。

9.根据权利要求6-8中的任一项所述的方法，其中定义所述候选配置的控制参数包括与在所述网络的端子处的视在阻抗有关的视在阻抗参数，并且其中所述视在阻抗参数在所述候选配置中的至少两个之间改变，使得所述相应的经模拟的纹波曲线彼此不同。

10.根据权利要求6-8中的任一项所述的方法，其中至少部分地基于与由所述传输线路的目标部分中的纹波引起的热和/或电应力有关的目标函数来选择所选择的候选配置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中至少部分地基于与沿所述传输线路的所述目标部分与相应纹波曲线中的纹波幅度的局部最大值和/或最小值的接近度有关的目标函数选择所选择的候选配置。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述目标部分对应于以下中的一个：

在所述传输线路的两个部分之间的结点；

所述传输线路的通道部分；

针对所述传输线路的不利地面条件的区域；

所述传输线路的暴露部分，在所述暴露部分中所述传输线路暴露于大气条件。

13.根据权利要求6-8中的任一项所述的方法，其中目标函数与由所述传输线路中的纹波引起的热或电应力的全局度量有关。

14.一种非暂态机器可读介质，包括由处理器可执行的指令，其中所述指令被定义成实行根据权利要求6-13中任一项所述的方法。

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