CN113243077A - 用于控制变流器的方法以及具有变流器的变流器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制变流器(2)的方法，在该方法中，控制参数的额定值通过至少一个限制值来限制。根据本发明的方法的特征在于，依据变流器温度在时间上动态地确定至少一个限制值。本发明还涉及一种变流器设备(1)，该变流器设备具有控制装置(13)，该控制装置被配置为用于执行根据本发明的方法。

Description

用于控制变流器的方法以及具有变流器的变流器设备
技术领域
本发明涉及一种用于控制变流器的方法，在该方法中，控制参数的额定值通过至少一个限制值来限制。
背景技术
在许多的能源传输的应用中，例如在高压直流输电系统(
Figure BDA0003119351330000011
系统)中，特别是在使用基于IGBT的VSC技术系统(例如，模块化的多级变流器)的情况下，变流器(Converter)是热敏的组件。即使是安装其中的半导体或半导体开关短时过载(在<1s的范围内)，也可能导致变流器的损坏，其具有高的经济成本。同时，在变流器的短时过载能力方面对变流器提出了高的要求。这通常导致变流器的设计成本高昂、尺寸过大。
为了解决以上所描述的问题，在已知的变流器设备中调整变流器的控制。调整包括限制一个或多个控制参数的额定值。在此，用于变流器控制的大多数额定值通常由上级设置的过程控制技术系统预先给定。目前，对额定值的限制根据固定存储的特性曲线值或限制值来实现。限制值通常近似地根据对变流器设备的固定工作点的计算来推导。
对控制参数的限制例如从EP 3 392 994 A1中已知。在那里提出的控制规定了，对应的控制特性曲线通过变流器的最小/最大输出功率以及最小/最大持续允许电压来限制，以防止损坏变流器。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提出一种开头提到的方法，该方法能够实现尽可能可靠地控制变流器。
根据本发明，该技术问题通过这种类型的方法来实现，在该方法中依据变流器温度在时间上动态地确定至少一个限制值。对限制值的在时间上动态的确定意味着，限制值可以随时间变化。例如，对限制值的确定可以以预定的时间间隔来进行。变流器温度被理解为位于变流器的预定位置或其紧邻环境处的、实际地或以适当的方式确定、建模或估计的温度。待限制的额定值可以特别地针对变流器的以下参量中的一个或多个给出：交流电压侧的无功电流Iq、交流电压侧的有功电流Ip、直流电压侧的电流IDC、变流器内部的回路电流Ikreis、直流电压侧的电压UDC、交流电压侧的电压UAC、交流电压侧的频率、变流器处的总能量(所产生的电压的总和)或者还有前述参量的任意线性组合。
根据本发明的方法的优点在于，由于在考虑到变流器温度的情况下在时间上动态地调整限制值，可以实现对变流器的更好的利用。特别地，可以提高变流器的动态性能，更确切地说在不增加变流器的总成本的情况下提高。根据本发明的方法能够实现变流器在短时过载的情况下继续运行，并且同时避免由上级设置的保护装置引起的关断。以该方式，尤其可以防止高成本的传输故障。此外，在变流器的稳态运行中，在合适的情况下(例如，在外部温度低并且由此变流器的冷却设备的功率增加的情况下)能够实现传输功率或无功功率的增加。
被视为特别有利的是，变流器温度是变流器的半导体开关的半导体温度。半导体温度优选地是半导体结处的半导体结温。为了确定和定义一个或多个限制值，也可以使用多个半导体温度，或一般而言，也可以使用其他的变流器温度(例如，变流器的其他组件、例如开关设备、放电器等处的壳体温度或温度)并且将其相互组合。例如，在确定一个或多个限制值时，可以使用或考虑在变流器中使用的多个、优选所有半导体开关的半导体温度。在这种情况下，变流器温度例如可以形成为半导体温度的平均值、中值或最大值。使用半导体温度是有利的，因为半导体开关是变流器的特别相关的有源组件。
优选地，变流器温度根据半导体开关的温度模型来确定。借助温度模型可以以计算的方式确定半导体温度。在此，该确定可以由控制器的具有足够计算能力的合适部分来接管，其中，所有必要的参数被馈送到控制器的该部分。温度模型或借助其创建或在时间上动态地确定并实施温度模型的模型例如可以包括一个或多个以下的输入参量：变流器支路中的支路电流、变流器支路的控制比、变流器支路上存在的电压、半导体开关的热参数。借助温度模型，可以在使用本来就已知的测量参量的情况下确定或至少估计半导体温度。在此，不需要在高电压电势下进行麻烦的直接温度测量。
特别优选地，温度模型包括半导体开关的损耗功率模型。为此，温度模型还附加地使用半导体开关的损耗参数。以该方式，可以提高对半导体温度的建模的准确性，因为考虑了半导体中的热损失。
根据本发明的一种实施方式，变流器是模块化的多级变换器，并且变流器温度从一个或多个以下的测量参数中得到：变流器的变流器支路的支路电流、变流器的开关模块的能量存储器的能量存储器电压、开关模块的开关状态。附加地或替换地，变流器支路的所有电容器的平均电容器电压例如也可以用作针对温度模型的测量参数。在此，模块化的多级变流器是电压换流的变流器，其特征在于模块化的结构。在每个变流器支路中，多级变流器包括双极开关模块的串联电路。每个开关模块包括多个半导体开关以及(通常以电容器的形式的)能量存储器。半导体开关可以相互独立地控制，使得可以在相应开关模块的接头上设置开关模块电压。针对开关模块拓扑的示例是本领域技术人员已知的半桥开关模块和全桥开关模块。根据本发明的方法特别有利于模块化的多级变流器的运行，因为可以在此避免多级变流器的设计中的尺寸过大。
同样可以想到，在使用变流器处的温度测量的情况下获得变流器温度。温度测量例如可以包括用于冷却变流器的冷却设备的冷却介质的冷却温度。特别地，可以测量用于冷却变流器的冷却水的冷却水温度。当然，变流器温度可以通过合适的措施来直接测量，例如通过用于测量半导体开关处的半导体温度的测量设备。通过对变流器温度的直接温度测量或者通过在对变流器温度建模的情况下使用温度测量，可以特别准确地测量变流器温度。
同样可能有利的是，将冷却介质的体积流量用于确定限制值。
通常，在变流器控制中使用多个控制参数的额定值。优选地，至少一个限制值依据另外的控制参数的额定值来确定。如果针对多个控制参数同时确定多个限制值，则以该方式会产生具有彼此依赖的变量的多维问题，因为不同的控制参数可能不会彼此独立地受到限制。同时，尽管存在相互依赖性，但在确定限制值时仍保留一个或多个自由度。这些自由度可以用于对应于对变流器系统或对能量传输的要求根据优先级来选择各个限制值。该选择过程也可以被称为分配优先级。例如，在动态过载情况下，根据当前的要求配置，变流器系统的无功功率和有功功率例如可以以优先级的方式被限制。
本发明还涉及一种变流器设备，该变流器设备具有变流器和用于控制变流器的控制装置。
例如，从先前已经提到的EP 3 392 994 A1中已知这种变流器设备。
本发明要解决的技术问题是，提出这类的变流器设备，其能够实现尽可能可靠的运行。
根据本发明，在这类变流器设备中，该技术问题通过如下方式来解决：控制装置被配置为用于通过至少一个限制值来限制控制参数的额定值，该限制值在时间上动态地依据变流器温度来确定，或者可以在时间上动态地依据变流器温度来确定。
特别地，根据先前结合根据本发明的方法来描述的优点，得到根据本发明的变流器设备的优点。
优选地，变流器是模块化的多级变流器。已知的是，模块化的多级变流器特别复杂，其中其内部参量(诸如半导体温度)在运行中在很大程度上独立于其外部参量(电流、电压、无功功率)地在时间上变化。因此，对外部参量的静态限制不能确保针对变流器或其半导体的热过载的全面保护。由于该原因，结合模块化的多级变流器，根据本发明的在时间上动态的、温度相关的额定值限制的解决方案的优点特别明显。
附图说明
下面，应当根据图1至图5中示出的实施例进一步阐述本发明。
图1以示意图示出了模块化的多级变流器的实施例；
图2以示意图示出了半桥开关模块的示例；
图3以示意图示出了全桥开关模块的示例；
图4示出了针对根据本发明的变流器设备的控制装置的实施例；
图5示出了针对根据本发明的方法的温度建模的示例。
具体实施方式
图1中示出了变流器设备1。变流器设备1包括模块化的多级变流器(MMC)2，在所示出的示例中，其用于将交流电网3的交流电压转换为直流电压Udc，MMC 2借助电网变压器4与交流电网连接。
MMC 2包括六个变流器支路5至10，其以双星形电路彼此连接。相同方式构建的变流器支路5至10中的每一个包括两个臂电感11、12以及双极开关模块SM的串联电路。在图1所示的实施例中，所有的开关模块SM以相同方式来构建，但这通常不是必需的。每个变流器支路5至10中的开关模块SM的数量原则上也是任意的并且可以匹配于相应的应用。开关模块SM例如可以是全桥开关模块或半桥开关模块，其结构将在下面的图2和图3中更详细地描述。每个开关模块SM包括可控的半导体开关(例如IGBT等)、能量存储器以及控制部件，借助其可以控制半导体开关。
变流器设备1还包括中央控制装置13，其被配置用于控制MMC 2并且用于控制开关模块SM。控制装置13从上级设置的实体接收关于所需有功功率和无功功率的预给定参数，这些预给定参数被控制单元转换成一些控制参数的额定值。控制参数例如可以是交流电压侧的电压Uac、交流电压侧的电流Iac、直流电压侧的电流Idc和/或直流电压侧的电压Udc。在设计为对称单极的变流器设备中，正直流电压极与地电势之间的电压Udc+以及负直流电压极与地电势之间的电压Udc-很重要。
图2示出了第一开关模块SM1，其适合作为用于图1的变流器的开关模块SM，并且该第一开关模块以半桥电路的方式连接。在电容器支路中布置有第一半导体开关S1和电容器C的并联电路。第一开关模块SM1的两个接头X1、X2之间的桥支路中布置有第二半导体开关。续流二极管F分别反并联连接到两个半导体开关S1、S2。通过对两个半导体开关S1、S2的适当的控制，可以在接头X1、X2上生成对应于电容器电压Uc的开关模块电压USM1或零电压。
图3示出了第二开关模块SM2，其适合作为用于图1的变流器的开关模块SM，并且该第二开关模块以全桥电路的方式连接。开关模块SM包括反并联连接有第一续流二极管D1的可关断的第一半导体开关H1、反并联连接有第二续流二极管D2的可关断的第二半导体开关H2，其中，第一和第二半导体开关H1、H2在第一半导体串联电路中彼此连接并且具有相同的导通方向。此外，开关模块SM2包括反并联连接有第三续流二极管D3的可关断的第三半导体开关H3、反并联连接有第四续流二极管D4的可关断的第四半导体开关H4，其中，第三和第四半导体开关H3、H4在第二半导体串联电路中彼此连接并且具有相同的导通方向。两个半导体串联电路彼此并联布置，并且与电容器形式的能量存储器C并联布置，在该能量存储器上施加有电容器电压Uc。此外，开关模块SM2还包括布置在第一半导体串联电路的半导体开关H1、H2之间的第一连接端子X1以及布置在第二半导体串联电路的半导体开关H3、H4之间的第二连接端子X2。通过对半导体开关H1至H4的适当的控制，可以在接头X1、X2上生成对应于电容器电压Uc、对应于负电容器电压-Uc的开关模块电压USM2或零电压。
图4示出了用于图1的变流器设备的控制装置13。控制装置13包括常规的控制组件14，其从变流器2的测量装置接收测量值M并将控制信号S传输到变流器2。为此附加地，控制装置13包括用于温度建模或温度计算的模块15。模块15在输入侧接收测量值M。在输出侧，模块15提供一组限制值B，其被发送到分配优先级模块16以确定控制参数或其额定值的优先级。同时，分配优先级模块16在输入侧与过程控制和保护技术系统17连接，其从测量值M推导针对相关控制参数的额定值Soll，并将这些额定值传输到分配优先级模块。借助分配优先级模块16确定以优先级的方式限制哪些额定值。然后将额定值与限制值一起传输到控制组件14。
图5中示出了可以在根据本发明的方法中执行的温度建模的示例。
在输入侧，作为输入参数，损耗功率模型组件VK接收开关模块的电容器电压Uc、其中布置有相关开关模块的变流器支路的控制比、开关模块的半导体的开关状态a(该开关模块的半导体温度应当被确定或估计)以及相关变流器支路中的电流Iconv。在输出侧，损耗功率模型组件VK提供损耗功率L并将其传输到温度模型组件TK，该温度模型组件附加地被提供了冷却剂温度Tv作为输入参数。借助预设的热模型T，温度模型组件TK基于输入参数Tv、L确定半导体温度T(Tv，L)。在温度模型组件TK的输出侧，半导体温度T(Tv，L)被传输到控制器的另外的组件以进行进一步处理。

Claims (10)

1.一种用于控制变流器(2)的方法，在所述方法中，控制参数的额定值通过至少一个限制值来限制，
其特征在于，
依据变流器温度在时间上动态地确定至少一个限制值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变流器温度是变流器的半导体开关(H1-H4，S1，S2)的半导体温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述变流器温度根据半导体开关(H1-H4，S1-2)的温度模型来确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述温度模型包括半导体开关(H1-H4，S1-2)的损耗功率模型。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述变流器(2)是模块化的多级变换器，并且所述变流器温度从一个或多个以下的测量参数中得到：变流器(2)的变流器支路的支路电流、变流器(2)的开关模块(SM)的能量存储器(C)的能量存储器电压、开关模块的开关状态。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在使用变流器(2)处的温度测量的情况下获得所述变流器温度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，测量用于冷却变流器(2)的冷却水的冷却水温度。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少一个限制值依据另外的控制参数的额定值来确定。
9.一种变流器设备(1)，所述变流器设备具有变流器(2)和用于控制变流器(2)的控制装置(13)，
其特征在于，
所述控制装置(13)被配置为用于通过至少一个限制值来限制控制参数的额定值，所述限制值在时间上动态地依据变流器温度来确定。
10.根据权利要求9所述的变流器设备(1)，其中，所述变流器(2)是模块化的多级变换器。
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