CN111448735A - 用于控制补偿电压扰动的端口的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制多端口高压直流输电设备中连接的端口(100、200、300)的装置。该端口能够在设备的DC部分(16)上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率。该装置进一步包括至少一个调节模块(20)，其被配置成根据设备的DC部分的电压变化来改变端口在设备的DC部分上提供或汲取的功率。所述装置还包括限制模块(24)，该限制模块被配置成：当端口提供或汲取的功率与功率上限或功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制端口所提供或汲取的功率的变化。

Description

用于控制补偿电压扰动的端口的装置

背景技术

本发明涉及多端口高压直流(HVDC)输电设备技术领域，尤其涉及一种用于控制这种设备的端口的装置。

这种HVDC设备允许通过数百公里的直流电线路进行长距离输电，这些直流电线路构成了所述设备的DC部分。因此，这些设备允许传输直流电，而不是像传统设备情形下那样传输交流电。这种设备尤其用于向海上风电场输电或从海上风电场输电。

这种设备的端口通常允许将交流(AC)电压转换为直流(DC)电压，或将DC电压转换为AC电压。这些端口连接在AC供电网络和所述设备的DC部分之间。这些端口中的每个端口在所述设备的DC部分上提供或汲取功率。

图1示出了这种HVDC设备14的一个示例。在该示例中，第一端口100、第二端口200、第三端口300和第四端口400分别连接至第一AC供电网络102、第二AC供电网络202、第三AC供电网络302和第四AC供电网络402。这四个端口还通过DC线路连接至所述设备的DC部分16。在该示例中，第四端口400连接至风电场，并且将恒定功率传送至所述设备的DC部分16。

实际上，这种设备的DC部分的电压是变化的。例如，端口可能会发生故障，或端口与设备的DC部分或与其中一个AC供电网络断开连接，以进行维护操作。在这种情况下，端口不再在设备的DC部分上提供或汲取功率，使得设备的DC部分上汲取的功率与提供的功率之间出现总体不平衡。所提供或汲取的功率与DC部分的电压共同增加或减少。例如，第四端口400可能发生故障，使得提供给设备的DC部分的功率降低，因此设备的DC部分的电压下降。

为了补偿DC部分的功率损失，现有技术已知的控制装置允许通过增加其余端口100、200、300中的每个端口的功率贡献来控制设备的端口。

图2给出了由根据现有技术的装置执行的这种补偿的一个示例。图2中的曲线图示出图1的设备14的DC部分16的电压变化，该变化是现有技术的装置控制的每个端口在所述DC部分上提供或汲取的功率的函数。P₅是示出在设备的DC部分上提供的功率与所汲取的功率之间不平衡的情况下(例如在第四端口400发生故障之后)设备的DC部分16中的电压变化的特性曲线。由于丢失了原本向设备的DC部分提供500兆瓦(MW)功率的第四端口，因而出现了相当于500MW的功率赤字ΔP_dis。所述设备遭受的该功率赤字会导致DC部分的电压下降ΔV_dc。原本等于V_dc0的DC部分的电压现在等于修改后的电压V′_dc。

为了补偿设备的DC部分中的该功率赤字和DC部分的该电压下降，根据现有技术的控制装置提出根据设备的DC部分16中的电压下降改变第一端口100、第二端口200和第三端口300所提供或汲取的功率。这些功率变化是线性的，分别由曲线P₁、P₂、P₃和P₄表示。曲线P₁、P₂、P₃和P₄使得能够分别定义补偿功率ΔP₁、ΔP₂和ΔP₃，该补偿功率可以由第一端口100、第二端口200和第三端口300来提供，以补偿设备的DC部分的电压下降ΔV_dc。可以看出，曲线P₁、P₂、P₃和P₄的变化相同，使得补偿功率ΔP₁、ΔP₂和ΔP₃相等，并满足：

然而，实际上，HVDC设备的DC部分上的每个端口所提供或汲取的功率受功率上限和功率下限限制。这些功率上限和功率下限由制造商设置。当端口提供或汲取的功率达到这些功率上限或功率下限之一时，该端口可能会损坏。所述功率上限和功率下限定义了转换器的标称工作范围。图3示出了在考虑了这些上下限的情况下由根据现有技术的装置控制的、图1的端口所提供或汲取的功率的变化。在该示例中，在设备的DC部分上汲取功率的第二端口200发生故障，其曲线标有十字。出现功率扰动，并且DC部分16的电压发生不希望地增加。端口的功率上限P_max和功率下限P_min分别等于1000MW和–1000MW。

当一个端口所提供或汲取的功率达到功率上限或功率下限时，必须使该端口处于饱和状态，以免损坏。此后，该端口在DC部分上提供或汲取的功率保持恒定。在图3的示例中，第二端口故障，导致设备的DC部分上汲取的功率减少，这必须由第一端口和第三端口来补偿。在达到DC部分的修改电压V′_dc之前，第一端口100汲取的功率达到功率下限P_min，并且该第一端口100处于饱和状态，使得其汲取的功率不再变化。因此，端口100不能汲取更多的功率来中断或补偿电压上升。因此，端口100不再有助于补偿DC部分的电压上升。此后，由所提供或汲取的功率仍然可以改变的其它端口继续补偿，在这种情况下，由第三端口继续补偿。该第三端口仍然不足以补偿DC部分16的电压上升，并且还可能导致设备的DC部分的新的电压上升，这是不希望的。

发明内容

本发明旨在提出一种用于控制HVDC设备的端口的装置，以克服上述问题。

为此，本发明涉及一种用于控制多端口高压直流输电设备中所连接的端口的装置，所述端口连接在第一AC供电网络和所述设备的DC部分之间，所述端口能够在所述设备的DC部分上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率，所述装置进一步包括至少一个调节模块，所述调节模块被配置为：根据所述设备的所述DC部分上的电压变化，改变所述端口在所述设备的所述DC部分上所提供或汲取的功率，所述装置还包括限制模块，所述限制模块被配置为：当所述端口所提供或汲取的功率与所述功率上限或功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制所述端口所提供或汲取的功率的变化。

所述设备可以包括两个到几十个端口，其中包括由根据本发明的控制装置控制的端口。所述端口构成所述设备的DC部分与所述第一AC供电网络之间的接口。

所述设备的DC部分允许在所述设备的端口之间传输直流电。DC部分可以包括连接所述端口的一条或多条直流传输线路。

另外，所述AC供电网络可以包括一条或多条交流电传输线路。这些线路可以连接至交流电源，例如风电场。

优选地，所述端口包括至少一个电压转换器，该电压转换器使得可以将交流电压转换成直流电压，也可以将直流电压转换成交流电压。以非限制性的方式，该转换器可以是半桥(HB)的模块化多电平转换器(MMC)、全桥(FB)转换器或具有交替桥臂转换器(AAC)结构的转换器。这些结构是本领域技术人员已知的。

端口在设备的DC部分上所提供或汲取的功率表示所述端口在设备的DC部分上的贡献。当端口提供功率时(由正号表示)，端口运行于整流器模式并充当发电机。当端口在DC部分上汲取功率时(由负号表示)，端口运行于逆变器模式并充当负载。高压直流输电设备通常包括这两种类型的端口。

所述功率上限和功率下限是所述端口的工作极限，超过该极限，端口可能会损坏，并且不再能够在所述设备的DC部分上提供或汲取功率。当端口所汲取或提供的功率达到这些上限或下限之一时，必须使端口处于饱和状态。

所述设备的DC部分中的电压变化可能是由例如所述设备的其它端口之一故障引起的，或由维护操作引起的。端口的故障会导致设备功率的扰动，因此会导致设备的DC部分出现正或负功率变化，这是不希望的。这种功率扰动导致DC部分的电压成比例地增加或减少。

所述调节模块被配置为增加或减小端口在DC部分上所提供或汲取的功率，以便补偿该功率扰动并因此限制相关的DC部分中的电压变化。更优选地，所述调节模块允许中断电压变化并且更优选地补偿所述电压变化。因此，所述端口能够提供正补偿功率或负补偿功率，以至少部分地限制、中断或补偿所述设备的DC部分上的这种电压变化。所述调节模块优选但不限于本地植入所述端口附近。

当端口所提供或汲取的功率接近功率上限或功率下限时，限制模块允许响应于给定的电压变化来限制端口所提供或汲取的功率的变化。一个优点在于，通过使端口处于饱和状态来防止端口所汲取或提供的功率达到该极限，从而避免必须去激活电压变化的补偿作用。因此，由于本发明，当端口所提供或汲取的功率接近其功率下限或功率上限时，减少端口所执行的补偿，并且将端口所提供或汲取的功率保持在功率下限和功率上限之间。因此，可以预期并更好地控制端口的行为，从而提高了整个设备的稳定性。

根据本发明的装置不同于现有技术的解决方案。在现有技术的解决方案中，对于所有端口，端口所提供或汲取的功率以相同且线性的方式变化，以限制DC部分上的电压变化。根据本发明的装置使得能够考虑端口的初始贡献，即端口最初在DC部分上提供或汲取的功率，并使该端口提供或汲取的功率的变化适应其工作极限，而不达到这些极限。当端口提供或汲取的功率接近功率极限时，会调整端口的行为。

优选地，实时计算所述端口所提供或汲取的功率与功率上限或功率下限之间的功率差。

所述功率差的确定值可以由操作员任意选择，或者可以根据端口或设备的状态来确定。限制模块被配置为，在低于该功率差的确定值时，限制端口所提供或汲取的功率的变化。

以非限制性的方式，限制模块可以通过向调节模块提供限制数据或通过向调节模块发送限制信号来限制由端口提供或汲取的功率的变化。调节模块基于限制模块所提供的限制数据或限制信号，针对给定的电压变化，调整所提供或汲取的功率的变化。

优选地，调节模块被配置为在设备的DC部分上的电压下降的情况下增加端口在设备的DC部分上所提供的功率或减少端口在设备的DC部分上所汲取的功率。在下文中，表述“增加所提供的功率”对应于正方向上的功率变化。而且，增加所提供的功率趋向于使提供的功率远离零功率。同样，“减少所汲取的功率”对应于汲取功率的正变化。

设备的DC部分上提供的功率的下降或汲取的功率的增加会导致DC部分的电压下降，必须对此进行补偿。例如，设备的最初向其DC部分提供功率的另一端口故障意味着DC部分的功率赤字。在这种情况下，调节模块使得可以增加端口所提供的功率或减少端口所汲取的功率，以增加DC部分的功率。于是，所述端口提供正补偿功率。

有利地，限制模块被配置为：当端口所提供的功率或汲取的功率与功率上限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压下降，限制端口在设备的DC部分上所提供的功率的增加或所汲取的功率的减少。以此方式，当端口所提供或汲取的功率接近功率上限时，针对给定的电压下降，减小由所述端口提供的补偿功率。因此，减小了端口所提供或汲取的功率达到功率上限的风险。

例如，当端口运行于整流器模式时，端口最初向设备的DC部分提供接近其功率上限的高功率，使得端口所提供的功率与功率上限之间的差小于确定值。如果设备的DC部分发生电压下降，则所述端口只能提供低补偿功率。所述端口提供给DC部分的功率只能在达到功率上限之前稍微增加。由于本发明，针对给定的电压下降，所述端口提供的功率的增加以及因此所提供的补偿功率被限制，并且所述端口所提供的功率被保持在所述功率上限以下。

一个优点是，改善电压下降的情况下端口的控制和设备的稳定性。

有利地，调节模块被配置为：在设备的DC部分上的电压上升的情况下，减少所述端口在设备的DC部分上所提供的功率或增加所述端口在设备的DC部分上所汲取的功率。在下文中，表述“减少所提供的功率”表示所提供的功率负方向上的变化。同样，所提供的功率的减少使得所提供的功率趋于零功率。同样，所汲取功率的增加使得所汲取的功率远离零功率。因此，在DC部分上所汲取的功率增加的端口趋向于汲取更多功率。

在设备的DC部分上提供的功率的增加或汲取的功率的减少会导致DC部分的电压的增加，该电压增加必须进行补偿。例如，从设备的DC部分汲取功率的另一端口故障意味着DC部分的功率过剩。在这种情况下，调节模块允许减小所述端口提供的功率或增大所端口汲取的功率，以便减小DC部分的功率。于是，所述端口提供负补偿功率。

优选地，限制模块被配置为：当端口所提供的功率或汲取的功率与功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压上升，限制端口在设备的DC部分上所提供的功率的下降或所汲取的功率的增加。

这样，当端口提供或汲取的功率接近功率下限时，针对给定的电压变化，减小端口提供的负补偿功率。因此，降低了端口所提供或汲取的功率达到功率下限的风险。

例如，当端口运行于逆变器模式时，端口最初在设备的DC部分上汲取接近其功率下限的高功率。如果设备的DC部分上出现电压上升，则所述端口只能汲取附加的小补偿功率。从DC部分汲取的功率只能在达到功率下限之前稍微增加。由于本发明，端口所汲取的功率的增加以及因此汲取的补偿功率受到限制，并且端口所汲取的功率保持在所述功率下限以上。

这里，一个优点是，在DC部分的电压增加的情况下，改善了端口的控制和设备的稳定性。

有利地，限制模块被配置为：当端口所提供的功率或所汲取的功率与功率上限或功率下限之间的功率差变得大于附加确定值时，针对给定的电压变化，增加端口在设备的DC部分上所提供的功率或所汲取的功率的变化。一个优点是，当端口在DC部分上提供或汲取的功率远离其功率上限或功率下限时，允许端口对补偿DC部分的电压变化做出更大的贡献。

例如，端口可以最初向设备的DC部分提供远低于其功率上限的低功率，使得端口提供的功率与上限之间的差大于附加确定值。如果在设备的DC部分上出现电压下降，则所述端口可以提供高补偿功率。所述端口提供给DC部分的功率会大大增加。

优选地，所述附加确定值大于所述确定值。在不脱离本发明的范围的情况下，所述附加确定值可以等于所述确定值。

优选地，所述限制模块包括管理模块，所述管理模块被配置为根据第一AC供电网络提供的最大功率值和最小功率值以及所述端口的工作功率设定值向所述端口分配功率补偿上限P_upper和功率补偿下限P_lower。

所述最大功率值和最小功率值对应于第一AC供电网络能够提供的功率上限和功率下限。

补偿上限P_upper和补偿下限P_lower分别限定分配给端口的高功率范围和低功率范围，其中，端口所提供或汲取的功率可以在高功率范围和低功率范围之间变化。该高功率范围也称为UVCR(Under Voltage Containment Reserve，欠压抑制预留)，该低功率范围也称为OVCR(Over Voltage Containment Reserve，过压抑制预留)。

UVCR对应于一个功率范围，端口提供或汲取的功率可以在该范围内变化，以补偿DC部分的电压下降。可以根据以下表达式计算UVCR：

UVCR＝(P_upper-P₀)

P₀是在无扰动的情况下端口所提供或汲取的功率。

OVCR对应于一个功率范围，端口提供或汲取的功率可以在该范围内变化，以补偿DC部分的电压的增加。可以根据以下表达式计算OVCR：

OVCR＝(P_lower-P₀)

因此，端口可以提供包括在高功率范围或低功率范围内的补偿功率。这些上限和下限取决于端口的操作数据，因此可以更好地控制端口的控制。可以选择这些上限和下限，以免损坏端口并遵守其操作限制。

优选地，确定低功率范围OVCR，以使其满足以下公式：

POVCR≤OVCR≤0

POVCR(Procurable Over Voltage Containment Reserve，可实现的过压抑制预留)对应于端口可以确保补偿设备的DC部分的电压上升的最大的低功率范围。

优选地，根据以下公式确定POVCR：

POVCR＝max(P_min-P₀,POVCR^AC)

POVCR^AC是第一AC供电网络可以提供给端口的最大的低功率预留。P_min是端口的功率下限。

满足以下方程式：

POVCR^AC＝P^ACmin-P₀

其中P^ACmin是AC供电网络可以提供给端口的最小功率值。

优选地，确定高功率范围UVCR，以便满足以下公式：

0≤UVCR≤PUVCR

PUVCR(Procurable Under Voltage Containment Reserve，可实现的欠压抑制预留)对应于端口可确保中断或补偿设备的DC部分的电压下降的最大的高功率范围。

优选地，PUVCR根据以下公式确定：

PUVCR＝min(P_max-P₀,PUVCR^AC)

PUVCR^AC是第一AC供电网络可提供给端口的最大的高功率范围。

满足以下方程式：

PUVCR^AC＝P^ACmax-P₀

其中P^ACmax是AC供电网络可以提供给端口的最大功率值。

在“k”所标识的端口发生故障的情况下，管理模块优先地被配置成调节高功率范围UVCR和低功率范围OVCR，以便始终满足以下不等式：

若

则

若

则

在这些表达式中，N是设备的端口数量，UVCR_m和OVCR_m是分配给设备的每个端口m的高功率范围和低功率范围，P_k ^*是在没有扰动的情况下端口“k”所提供或汲取的功率。

通过保持这些条件，由于丢失设备的端口“k”所引起的功率和电压扰动总是可以被设备的其它端口中断或补偿。

有利地，管理模块通过以下优化函数进行计算：

其中，

和

是取决于向设备的每个端口供电的成本的加权系数。

优选地，功率补偿上限P_upper小于功率上限，使得端口所提供的功率受功率上限限制。同样，功率补偿下限P_lower优选地高于功率下限，使得端口所汲取的功率受功率下限限制。

根据本发明的特别有利的方面，限制模块被配置为确定与端口相关联的过压常数g⁺和(不同于过压常数的)欠压常数g^-，并且调节模块被配置成应用如下线性关系来改变端口在设备的DC部分上所提供或汲取的功率：

若Δv_dc>0，则ΔP＝-g⁺Δv_dc；以及

若Δv_dc<0，则ΔP＝-g^-Δv_dc

其中ΔP是由调节模块引起的、端口所提供或汲取的功率变化，而Δv_dc是设备的DC部分上的电压变化。一个优点是，能够通过调节欠压常数或过压常数来容易地调节端口的功率贡献。

可以理解，限制模块通过为调节模块提供欠压常数g^-和过压常数g⁺来限制端口提供或汲取的功率的变化。

欠压和过压常数也称为“下垂(droop)”参数。

因此，端口所提供或汲取的功率根据设备的DC部分的电压变化的变化是线性的，并可以通过仿射函数进行建模，仿射函数的欠压常数g^-和过压常数g⁺为斜率系数。

针对给定的电压下降，欠压常数g^-越低，则所提供的功率的增加越少或所汲取的功率的减少越少。同样，针对给定的电压上升，过压常数g⁺越低，则所提供的功率的下降越小，并且所汲取的功率的增加越小。

可以通过修改欠压和过压常数来调整所提供或汲取的功率变化ΔP。特别是，限制模块允许独立地确定欠压常数和过压常数。由于根据本发明的装置，使得能够针对DC部分的电压下降和电压上升定义端口所提供或汲取的功率的不同变化。一个优点是，能够根据不同端口的功率上限和功率下限，使这种变化适应设备的需求。

限制模块可以集中确定欠压常数和过压常数。这些常数可以预先确定并定期更新。

以非限制性形式，限制模块可以集中确定针对多个端口的多个欠压常数和过压常数。

优选地，限制模块被配置成当端口在设备的DC部分上提供或汲取的功率与功率上限之间的功率差小于确定值时，确定低于过压常数g⁺的欠压常数g^-。一个优点是，当端口提供或汲取的功率接近功率上限时，减少端口的贡献以补偿电压下降，同时允许其对补偿DC部分的电压上升做出贡献。

以非限制性的方式，对于初始提供的功率接近功率上限的端口，限制模块确定低的欠压常数，以针对给定电压下降减少所提供的功率增加。另一方面，限制模块确定的过压常数大于欠压常数，因此针对给定的电压上升，所提供的功率降低不受此限制。

有利地，限制模块被配置成：当端口在设备的DC部分上所提供或汲取的功率与功率下限之间的功率差小于确定值时，确定小于欠压常数g^-的过压常数g⁺。一个优点是，在端口所提供或汲取的功率接近功率下限时，减小端口的贡献，以便补偿电压上升，同时允许其对补偿DC部分的电压下降做出贡献。

以非限制性的方式，对于最初汲取功率接近功率下限的端口，限制模块确定较低的过压常数，以针对给定的电压上升限制汲取的功率增加。另一方面，限制模块确定的欠压常数大于过压常数，使得针对给定的电压下降，汲取功率的降低不受此限制。

有利的是，限制模块包括计算单元，该计算单元被配置成确定欠压常数g^-，其满足以下关系：

其中，

是设备的DC部分的设定电压下限，V_dc0是在没有扰动的情况下设备的DC部分的标称电压，P₀是在没有扰动的情况下端口所提供或汲取的功率。

一个优点是，使端口所提供或汲取的功率的变化适应端口和设备所施加的极限。特别地，限制模块使得可以将端口在DC部分上提供或汲取的功率保持在功率补偿上限以下并且同时将DC部分的电压保持在电压下限以上。

P₀是DC部分的电压不改变时端口所提供或汲取的功率。

更优选地，限制模块包括计算单元，该计算单元被配置成确定过压常数g⁺，其满足以下关系：

其中

是设备的DC部分的设定电压上限，V_dc0是无扰动的情况下设备的DC部分的标称电压，P₀是无扰动的情况下所端口提供或汲取的功率。

特别地，限制模块使得可以将端口在DC部分上所提供或汲取的功率维持在功率补偿下限之上并且同时将DC部分的电压维持在电压上限之下。

有利地，所述设备包括多个端口，每个端口均被连接在AC供电网络和所述设备的DC部分之间，每个端口都能够在设备的DC部分上提供或汲取包含在针对所述端口的功率上限和功率下限之间的功率，调节模块被配置成：根据设备的DC部分上的电压变化，改变每个端口在设备的DC部分上提供或汲取的功率，限制模块被配置成：当所述端口提供或汲取的功率与功率上限或功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制每个端口提供或汲取的功率的变化。

因此，根据本发明的装置可以同时且集中地控制彼此独立的多个端口。这提高了整个设备的稳定性。另外，端口的故障可以通过其它剩余端口中的每个端口来补偿。

作为变型，调节模块可以包括多个调节子模块，每个调节子模块本地地放置在针对其的端口附近。每个调节子模块都被配置成改变其所针对的的端口所提供或汲取的功率。

以非限制性方式，限制模块可以是集中式模块，其被配置成限制由设备的多个端口提供或汲取的功率的变化，并且优选地，将设备的DC部分的电压的变化限制在电压上限和电压下限之间。在此变型中，限制模块为每个调节子模块提供针对与该调节子模块相关联的端口的欠压常数和过压常数。

本发明还涉及一种多端口高压直流输电设备，包括连接在第一AC供电网络和所述设备的DC部分之间的至少一个端口，所述端口能够在设备的DC部分上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率，该设备包括用于控制端口的装置(例如，根据上述实施例中的任何一个的控制装置)，所述装置进一步包括至少一个调节模块，该调节模块被配置成：根据设备的DC部分上的电压变化，改变端口在设备的DC部分上提供或汲取的功率，调节模块包括限制模块，该限制模块被配置成：当所述端口提供或汲取的功率与功率上限或功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制端口所提供或汲取的功率的变化。

最后，本发明涉及一种用于控制多端口高压直流输电设备中连接的端口的方法，该端口连接在第一AC供电网络和所述设备的DC部分之间，该端口能够在设备的DC部分上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率。该方法包括以下步骤：根据设备的DC部分上的电压变化，改变端口在设备的DC部分上提供或汲取的功率；当所述端口提供或汲取的功率与功率上限或功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制端口提供或汲取的功率的变化。

该方法可以实现与如上所述的控制装置的各实施例相对应的步骤。

附图说明

通过参考附图阅读以下以非限制性示例给出的本发明的一个实施例的描述，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1示出了根据现有技术的HVDC设备；

-图2示出了图1的设备的DC部分的电压响应于第四端口故障的变化；

-图3示出了图1的端口的功率响应于第二端口故障的变化；

-图4示出了其端口由根据本发明的控制装置控制的HVDC设备；

-图5示出了根据本发明的控制装置；

-图6示出了图4的端口的功率随DC部分的电压的变化；

-图7示出了在根据现有技术的装置控制下图1的设备的端口中的功率变化；

-图8示出了其端口由根据现有技术的装置控制的图1的设备的DC部分中的电压变化；

-图9示出了由根据本发明的装置控制的图4的设备的端口中的功率变化；以及

-图10示出了其端口由根据本发明的装置控制的图4的设备的DC部分中的电压变化。

具体实施方式

本发明涉及一种用于控制连接至多端口高压直流HVDC输电设备14的端口100的装置10。

图4示出了包括第一端口100、第二端口200、第三端口300和第四端口400的设备14以及根据本发明的控制装置10。在该示例中，控制装置10用于控制第一端口100、第二端口200、第三端口300和第四端口400。

第一端口100、第二端口200、第三端口300和第四端口400分别连接至第一AC供电网络102、第二AC供电网络202、第三AC供电网络302和第四AC供电网络402。可以看出，第四端口400连接至风电场。这四个端口还通过直流线路连接至设备14的DC部分16。这些端口是电压转换器，用于将AC电压转换为DC电压或将DC电压转换为AC电压。

图5中给出了根据本发明的用于控制设备14的第一端口100、第二端口200、第三端口300和第四端口400的控制装置10的示例。该控制装置10包括调节模块20、功率分配模块22、限制模块24和同步模块23。限制模块24包括管理模块26和计算单元28。

在该非限制性示例中，调节模块20被集中布置。作为变型，调节模块20可以包括多个调节子模块，每个调节子模块本地布置在其针对的端口附近，并且每个调节子模块通过其针对的端口调节所述设备的DC部分上所提供或汲取的功率。

功率分配模块22接收设备14的DC部分16上测量的电压值V_dc1…Nst以及设备的端口提供或汲取的功率设定值P^* _1…Nst和测量值P_1…Nst作为输入。功率分配模块22输出端口提供或汲取的功率设定值P^* _1…Nst以及DC部分的电压设定值v^* _dc1…Nst。功率分配模块22被配置成在扰动之后恢复设备的功率。管理模块26接收如下值作为输入：可以由AC供电网络提供给设备14的端口的最大功率值P^ACmax _1…Nst和最小功率值P^ACmin _1…Nst；以及由功率分配模块22提供的、端口提供或汲取的功率设定值P^* _1…Nst。

限制模块24的管理模块26被配置成输出分配给每个端口的功率补偿上限P_upper1…Nst和功率补偿下限P_lower1…Nst。

计算单元28在输入端接收由管理模块26传送的功率补偿上限P_upper1…Nst和下限P_lower1…Nst，并且被配置成确定和输出与每个端口相关联的欠压常数

和过压常数

同步模块23接收由功率分配模块22传送的如下值作为输入：端口提供或汲取的功率设定值P^* _1…Nst以及DC部分的电压设定值v^* _dc1…Nst。该同步模块23确保这些设定值之间的时间一致。

调节模块20接收由同步模块23提供的如下值作为输入：端口提供或汲取的功率设定值P^* _1…Nst、DC部分的电压设定值v^* _dc1…Nst以及过压常数

和欠压常数

调节模块20根据所述提供或汲取的功率设定值、所述电压设定值以及过压常数和欠压常数来改变由设备的端口100、200、300、400提供或汲取的功率。在调节模块包括多个位于端口附近的本地子模块的变型中，每个子模块根据所述设定值和常数来改变与该子模块相关联的端口所提供或汲取的功率。

图6是示出图4的设备的第一端口100、第二端口200、第三端口300和第四端口400所提供或汲取的功率随设备14的DC部分16中的电压变化而变化的曲线图，其中，这些端口由根据本发明的控制装置10控制。

可以观察到，在该示例中，第四端口400向设备的DC部分16提供等于500MW的恒定功率P₄。第一端口100和第二端口200工作于逆变器模式，使得它们在设备的DC部分上汲取功率。在该示例中，第一端口汲取的功率P₁的初始值P₀₁等于–900MW，而第二端口汲取的功率P₂的初始值P₀₂等于–400MW。第三端口工作于整流器模式，使得其向DC部分16提供初始值P₀₃等于800MW的功率P₃。在该非限制性示例中，这些端口的标称功率为1000MW。此外，第一端口、第二端口和第三端口所汲取或提供的功率P₁,P₂,P₃可以在功率上限P_max(等于1000MW)和功率下限P_min(等于–1000MW)之间变化。

设备14的DC部分16的初始电压为V_dc0，出于简化的原因，在该图中V_dc0等于1个电压单位。DC部分16的电压变化由电压上限

和电压下限

限制。在图6的示例中，该电压上限和电压下限表示相对于初始电压V_dc0的10％的变化。

曲线P₁和P₂分别表示第一端口100和第二端口200所汲取的功率响应于DC部分16的电压变化的变化。曲线P₃表示第三端口300所提供至DC部分的功率的变化。

首先，限制模块24的管理模块26确定分配给每个端口100、200、300的功率补偿上限P_upper1…Nst和功率补偿下限P_lower1…Nst。这些上限和下限定义了每个端口所提供或汲取的功率可以变化的高功率范围UVCR(欠压抑制预留)和低功率范围OVCR(过压抑制预留)。在图6中，限制模块24分配给每个端口的范围为黑色的。第三端口的高低范围分别表示为UVCR和OVCR。

在该示例中，分配给第一端口100的补偿下限P_lower1被设置为–1000MW，以对应于端口的功率下限P_min。第一端口100初始汲取的功率P₀₁为–900MW，可以理解的是，第一端口可以在设备14的DC部分16上额外汲取100MW。分配给第一端口的补偿上限P_upper1被设置为–600MW。分配给第二端口200的补偿下限P_lower2被设置为–800MW，补偿上限P_upper2被设置为100MW。分配给第三端口300的补偿下限P_lower3被设置为300MW。分配给第三端口300的补偿上限P_upper3被设置为1000MW，以对应于端口的功率上限P_max。第三端口300所提供的初始功率P₀₃为800MW，可以理解的是，第三端口提供给DC部分的功率最多可以增加200MW。

接下来，限制模块的计算单元确定分别与第一端口100、第二端口200和第三个300端口相关联的第一过压常数

第二过压常数

和第三过压常数

以及第一欠压常数

第二欠压常数

和第三欠压常数

确定这些常数以满足：

以及

根据本发明，只要第三端口的初始功率P₀₃与第三端口300的功率上限P_max之间的功率差较低，尤其是小于确定值(例如300MW)，则限制模块24确定第三端口300的欠压常数

小于第三端口300的过压常数

类似地，只要第一端口100的初始功率P₀₁与第一端口的功率下限P_lower之间的功率差较低，尤其是小于确定值(例如300MW)，则第一端口100的过压常数

小于第一端口100的欠压常数

接下来，调节模块20被配置成通过应用如下线性关系来改变每个端口在设备的DC部分上的所提供或汲取的功率：

若Δv_dc>0，则ΔP_1,2,3＝-g_1,2,3 ⁺Δv_dc以及若Δv_dc<0，则ΔP_1,2,3＝-g_1,2,3 ^-Δv_dc

因此，响应于设备的DC部分上的正或负电压变化，调节模块20根据DC部分上的电压变化线性地改变每个端口100、200、300在DC部分16上所提供或汲取的功率P_1,2,3以及构成功率变化线的斜率系数的过压常数

和欠压常数

确定过压常数

和欠压常数

使得当DC部分的电压达到电压上限

时，端口所提供或汲取的功率P_1,2,3达到功率补偿下限P_lower1,2,3，以及当DC部分的电压达到电压下限

时，端口所提供或汲取的功率P_1,2,3达到功率补偿上限P_upper1,2,3。因此，可以更好地满足端口的操作限制。

可以观察到，由于本发明，针对给定的电压下降，第三端口300提供给DC部分的功率的增加减小，该第三端口最初提供给DC部分16的功率P₀₃接近其功率上限P_max。通过限制模块24而与其相关联的欠压常数

较低。因此，减小了该第三端口300对于补偿电压下降的贡献。

类似地，针对给定的电压上升，第一端口100在DC部分上所汲取的功率的增加减小，该第一端口最初提供给DC部分16的功率P₀₁接近其功率下限P_min。通过限制模块24而与其相关联的过压常数

较低。因此，减小了该第一端口对补偿电压上升的贡献。

由于本发明，当达到电压下限

时，第三端口300所提供的功率P₃达到功率上限P_max。类似地，当达到电压上限

时，第一端口100所汲取的功率P₁达到功率下限P_min。而且，设备14的DC部分16的电压维持在所选择的电压上限和电压下限之间。

在图6的示例中，限制模块24的计算单元28确定以下过压常数：对于第一端口100，

对于第二端口200，

对于第三端口300，

限制模块24的计算单元28还确定以下欠压常数：对于第一端口100，

对于第二端口200，

对于第三端口300，

限制模块可以实现用于计算过压常数和欠压常数的算法。

图7示出了由根据现有技术的装置控制的图1的设备14的端口100、200、300、400的功率变化的仿真结果。在T₀时刻，模拟所述设备14的第二端口200发生故障，该第二端口200随后不再在设备的DC部分16上汲取功率。第二端口200的功率P₂在T₀时刻变为零。可以看出，第一端口100的功率P₁快速达到功率下限P_min＝–1000MW，并且第一端口100进入饱和状态。根据现有技术的控制装置没有考虑端口的功率上限P_max和功率下限P_min，因此这些端口所提供或汲取的功率的变化不是被调整为接近这些功率极限。这些端口提供或汲取的功率可能会达到功率上限P_max和功率下限P_min，然后必须使端口处于饱和状态。

从第一端口100进入饱和状态时起，其汲取的功率P₁就不再增加以中断或补偿电压上升。第一端口100不再有助于补偿设备14的DC部分16上的电压变化。因此，仅第三端口300有助于电压变化补偿，这是不够的。电压变化不再得到充分补偿，这导致甚至更大的电压变化。因此，如图8所示，DC部分的电压上升，直到超过电压上限

图9示出了由根据本发明的装置10控制的图5的设备14的端口100、200、300、400的功率变化的仿真结果。在T₀时刻，同样模拟所述设备14的第二端口200发生故障，该第二端口200随后不再在设备的DC部分16上汲取功率。第二端口200的功率P₂在时刻T₀变为零。可以看到，第一到达端口100的功率P₁以渐近线的方式缓慢趋向功率下限P_min＝–1000MW。根据本发明的控制装置考虑了端口的功率上限P_max和功率下限P_min，使得这些端口所提供或汲取的功率的变化被调整为接近这些功率极限，从而避免使端口饱和。

如图10所示，DC部分的电压保持在电压上限

以下，并以渐近线方式趋于该上限。无论电压如何变化，端口都不会过载，也不会进入饱和状态。根据本发明的装置允许更好地分配补偿功率。

Claims (15)

1.一种用于控制多端口高压直流输电设备(14)中所连接的端口(100、200、300)的控制装置(10)，所述端口连接在第一交流(AC)供电网络(102、202、302)和所述设备的直流(DC)部分(16)之间，所述端口能够在所述设备的所述DC部分上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率，所述控制装置还包括：至少一个调节模块(20)，其被配置为根据所述设备的所述DC部分上的电压变化，改变所述端口在所述设备的所述DC部分上提供或汲取的功率，所述装置还包括：限制模块(24)，其被配置为，当所述端口所提供或汲取的功率与所述功率上限或所述功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制所述端口所提供或汲取的功率的变化。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述调节模块(20)被配置为：当所述设备的所述DC部分的电压下降时，增加所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供的功率或减小所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所汲取的功率。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口所提供或汲取的所述功率与所述功率上限之间的所述功率差小于所述确定值时，针对给定的电压下降，限制所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供的功率的增加或限制所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所汲取的功率的减少。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的控制装置，其中，所述调节模块被配置为：当所述设备的所述DC部分的电压上升时，减小所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供的功率或者增加所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所汲取的功率。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口所提供或汲取的功率与所述功率下限之间的所述功率差变得小于所述确定值时，针对给定的电压上升，限制所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供的功率的减小或者所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所汲取的功率的增加。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口所提供或汲取的功率与所述功率上限之间的功率差或所述端口所提供或汲取的功率与所述功率下限之间的功率差变得大于附加确定值时，针对给定的电压变化，增加所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供或汲取的功率的变化。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)包括管理模块(26)，所述管理模块(26)被配置为：根据所述第一AC供电网络(102、202、302)提供的最大功率值和最小功率值以及所述端口的工作功率设定值，向所述端口(100、200、300)分配功率补偿上限P_upper和功率补偿下限P_lower。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)被配置为：确定与所述端口(100、200、300)相关联的过压常数g⁺和欠压常数g^-，其中，所述欠压常数不同于所述过压常数，并且其中，所述调节模块被配置成通过应用以下线性关系来改变所述端口在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供或汲取的功率：

若Δv_dc>0，则ΔP＝-g⁺Δv_dc；以及

若Δv_dc<0，则ΔP＝-g^-Δv_dc

其中ΔP是由所述调节模块引起的、所述端口所提供或汲取的功率的变化，Δv_dc是所述设备(14)的所述DC部分上的电压变化。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上的所提供或汲取的功率与所述功率上限之间的所述功率差小于所述确定值时，确定小于所述过压常数g⁺的欠压常数g^-。

10.根据权利要求8或9所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口(100、200、300)在所述设备(14)的所述DC部分(16)上所提供或汲取的功率与所述功率下限之间的所述功率差小于所述确定值时，确定小于所述欠压常数g^-的过压常数g⁺。

11.根据权利要求7结合权利要求8至10中的任一项所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)包括计算单元(26)，所述计算单元(26)被配置为确定满足如下关系的欠压常数g^-：

其中

是所述设备(14)的所述DC部分(16)的设定电压下限，V_dc0是在无扰动的情况下所述设备的所述DC部分的标称电压，P₀是在无扰动的情况下所述端口所提供或汲取的功率。

12.根据权利要求7结合权利要求8至11中的任一项所述的控制装置，其中，所述限制模块(24)包括计算单元(26)，所述计算单元(26)被配置为确定满足如下关系的过压常数g⁺：

其中

是所述设备的所述DC部分(16)的设定电压上限，V_dc0是在无扰动的情况下所述设备的所述DC部分的标称电压，P₀是在无扰动的情况下所述端口所提供或汲取的功率。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的控制装置，其中，所述设备(14)包括多个端口(100、200、300)，每个所述端口均被连接在AC供电网络和所述设备的所述DC部分(16)之间，每个所述端口均能够在所述设备的所述DC部分上提供或汲取包含在针对所述端口的功率上限和功率下限之间的功率，所述调节模块(20)被配置为：根据所述设备的所述DC部分上的电压变化，改变每个所述端口在所述设备的所述DC部分上所提供或汲取的功率，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口所提供或汲取的功率与针对所述端口的所述功率上限或所述功率下限之间的功率差小于确定值时，针对给定的电压变化，限制每个所述端口所提供或汲取的功率的变化。

14.一种多端口(100、200、300)高压直流输电设备(14)，包括连接在第一AC供电网络和所述设备的DC部分(16)之间的至少一个端口，所述端口能够在所述设备的所述DC部分上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率，所述设备包括用于控制所述端口的控制装置，所述控制装置进一步包括至少一个调节模块，所述调节模块被配置为：根据所述设备的所述DC部分上的电压变化，改变所述端口在所述设备的所述DC部分上所提供或汲取的功率，所述调节模块包括限制模块(24)，所述限制模块(24)被配置为：当所述端口所提供或汲取的功率与所述功率上限或所述功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制所述端口所提供或汲取的功率的变化。

15.一种用于控制多端口高压直流输电设备(14)中所连接的端口的方法，所述端口被连接在第一交流(AC)供电网络(102、202、302)和所述设备的DC部分(16)之间，所述端口能够在所述设备的所述DC部分上提供或汲取包含在功率上限和功率下限之间的功率，所述方法包括以下步骤：根据所述设备的所述DC部分上的电压变化，改变所述端口在所述设备的所述DC部分上所提供或汲取的功率；当所述端口所提供或汲取的功率与所述功率上限或所述功率下限之间的功率差变得小于确定值时，针对给定的电压变化，限制所述端口所提供或汲取的功率的变化。

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