多端dc输电系统和方法以及用于其控制的装置的制作方法

专利名称：多端dc输电系统和方法以及用于其控制的装置的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及输电系统领域，并且特别涉及多端DC输电系统以及其控制。
背景技术：
例如对于长距离配电，高压直流(HVDC)输电系统对于交流(AC)输电系统是可行的替代方案。目前为止，HVDC输电是点对点两端输电，但具有一些例外。多端HVDC输电比典型的点对点输电更加复杂。特别是，控制系统更为复杂，并且在站之间的电通信要求变得更大。这个更复杂的控制系统的主要原因是在大的HVDC系统内很难控制电力潮流，特别是在存在扰动时。在HVDC输电网络中存在扰动的情况下，例如换流器或线路的断电，必须按照次序执行控制动作，以保证网络的稳定性和电力配送。任何这种控制动作的目的都是为了处理扰动以及提供可接受的负载分布并且使不中断电力递送至终端用户。下垂控制是已知的用于处理扰动的方法。这种下垂控制在例如T. Haileselassie等人的“Control of Multiterminal HVDC Transmission for offshore Wind Energy，，中有所描述。该文献主要针对当在存在扰动时控制功率配送时用于避免通信需求的装置。虽然对于在存在诸如换流器损耗的大扰动时起负载分布作用，但是所描述的下垂控制方法的缺点是很难处理小的扰动。特别是，甚至测量中非常小的误差也会在整个系统造成巨大影响。此外，对于星型网络配置，所描述的方法可能是可接受的操作，但是用于其它类型的网络配置将会碰到困难。有鉴于此，存在对于在任何类型的扰动中以及在稳态操作中保证多端DC输电系统的电力控制的解决方案的需要。进一步，将期望提供适用于任何类型的电网配置的这种解决方案。

发明内容
本发明的一个目的是提供方法和装置以实现控制多端DC输电系统的改进方式，并且特别是提供可很好起作用与扰动类型无关的控制方法和相应的系统。本发明的另一个目的是提供在任何网络配置中都可以实行的方法和系统，特别是其中DC多端输电系统的换流站可以以任何合适和期望的方式互连和放置。这些目的尤其是通过在多端DC输电系统中控制电力潮流的方法以及通过在所附独立权利要求中所述的相应系统实现的。根据本发明，提出了在多端DC输电系统中用于控制电力潮流的方法。该方法包括针对位于针对每个相应换流站所定义的控制死区内的操作点，将电力潮流控制至稳定状态参考操作点的第一个步骤。所述方法还包括当检测到超出控制死区中一个或多个的端点时，在换流站其中至少一个中通过下垂控制来控制电力潮流的第二个步骤。通过引入在其中对包括小扰动和规律负载变化的稳定状态操作进行处理的死区，减轻或至少缓和了现有技术的缺点。特别是，死区的使用造成多端DC输电系统比较不易受到测量中的误差的影响。进一步，通过利用本发明，大扰动，例如导致孤岛DC系统的故障，连同小扰动均能够被处理。本发明因此提供可靠的和可适应的多端DC输电系统。此外，根据本发明的多端DC输电系统还能够用于任何类型的网络配置，包括复杂网络配置。该解决方案因此适用于各种网络配置类型并且这继而在确定换流站位置时提供了高的灵活性。特别是归功于引入死区与下垂控制结合的使用，在小扰动期间不需要共同电压参考值，并且现有技术提到的问题被克服并且能够处理任何类型的网络配置。 根据本发明的一个实施例，稳态参考操作点与多端DC输电系统的稳态操作的电压分布相关，并且控制死区被定义为稳态操作。根据本发明的另一实施例，下垂控制的下垂特性对于每个换流站单独定义。进一步，特定的换流站可以具有若干不同的下垂常数。换流站的下垂特性是用来在多端DC输电系统中确定功率分享和在扰动处确定DC电压的一部分。仍然根据本发明的又一实施例，为每个换流站设有在电力/电流和过电压时的限制。在下垂特性中具有转效点确保任何换流站的容量或者其所连接的AC网络的容量不会被超出。根据本发明的另一实施例，考虑整个多端DC输电系统的DC电压分布,通过多端DC输电系统的主控制单元来确定稳态参考操作点。暂态和动态稳定性得以确保，并且在不同换流站的功率控制之间交互的风险因此减小了。当阅读以下详细描述时，在进一步从属权利要求中定义的本发明另外特点和其优势会变得明白。本发明同样涉及到相应的多端DC输电系统，由此实现与以上相似的优势。


图I图示了根据本发明的多端DC输电系统的实施例。图2图示了示例性的换流站特征。图3图示了根据本发明一个实施例的方法中所包含步骤的流程图。
具体实施例方式开始应当指出，多端DC输电系统传统地被理解为包括如下DC输电系统，该DC输电系统包括多于两个换流站。虽然与多端DC输电系统结合描述了本发明，但是需要认识到本发明同样适用于仅包括两个换流站的DC输电系统。多端DC输电系统优选地为HVDC系统，其中HV可以定义为包括任何电压等级，例如从300kV，或甚至从80kV。然而，应当认识到，本发明不受限制于任何特定的电压等级或电流等级，而是适用于任何这样的等级。输电理解为包括电力的传输。图I图示了根据本发明的多端DC输电系统I的实施例，为了简化起见，在以下用DC输电系统表示。DC输电系统I包括多个换流站10A、10B、10CU0E和10E。虽然图I中图示了五个换流站，应当认识到能够包含任何数量的换流站。换流站10A、…、IOE继而包括将DC转换至AC的逆变器，和/或将AC转换至DC的整流器。传统地在功率网络中使用以实现DC输电但不是本发明组成部分的其他元件和装置同样可以包含在换流站10A、…、IOE中。换流站10A、…、IOE包括AC侧11A、11B、11C、IlD和11E，其可连接至AC网络13A、13B、13C、13D 和 13E。换流站 10A、…、IOE 还包括 DC 侧 12A、12B、12C、12D 和 12E，其可连接至DC输电系统I以便进行电力传输。换流站10A、…、IOE可以以任何合适的方式互连，因此构成DC输电系统I。每个换流站10A、…、10E因此具有AC侧11A、…、IlE和DC侧12A、...、12E。换流站10A、…、IOE可以通过输电线路(同样指代电缆线)互连，或以已知的方式通过架空线路互连。这种输电线路允许电力输送，并且在图I中通过附图标记14A、14B、14C、14D、14E 和 14F 图示。DC输电系统I还包括主控制单元16，其负责换流站10A、…、IOE之间的协调。更具体地，主控制单元16同样指代网络主控制，其被布置为协调整个DC输电系统I的操作， 并且特别是在扰动和重新配置时。可以以软件、硬件和/或固件实现这些功能以及没有提到的其他控制功能(例如传统控制功能)。主控制单元16可以例如是包括实现期望控制功能的适当软件命令的通用计算机，期望的控制功能例如是能发送操作命令至换流站。这些控制功能的示例包括接收更新信息，该更新信息关于所有换流站的负载，并且特别是预先选定用于DC电压控制的换流站的负载；所有电缆线路的负载；所有换流站中的DC电压；关于电压和电流的限制；针对每个换流站的期望调度。主控制单元16可以位于换流站其中一个内或位于DC输电系统I中的任何其他位置。虽然主控制单元16是用于在故障和扰动后对操作进行适当恢复的主要工具，然而DC输电系统I被设计为甚至在其故障的情况下和/或在主控制单元16慢响应的情况下仍起作用。每个换流站同样包括本地控制单元，例如实现换流站中功率调节。在这种场合下，应当指出的是，整个网络的亚网络，即DC输电系统1，可以具有它的自身区域主控制。主控制单元16然后对每个区域的区域主控制进行协调。换流站10A、…、IOE优选地连接至通信网络15，由此数据能够在换流站之间交换，并且由此主控制单元16能够与每个换流站10A、…、IOE通信。通信网络15可以例如是电信网络或诸如互联网或任何通信网络的组合的广域网。简而言之，利用本发明，DC输电系统I的控制类型依赖于其中占主导的条件；在稳定状态和小扰动期间，换流站10A、…、IOE布置成在各自预定义的死区中工作，而在大扰动期间使用下垂控制功能。此外，在下垂特性中引入限制或转效点，以用来保证任何一个连接的换流站或任何一个连接的AC网络都未被加载到超过它们相应的各自容量。下面首先描述根据本发明的稳态操作和小扰动期间的操作。小扰动包括例如在DC输电系统I里面的正常负载变化。在稳态期间，DC输电系统I的换流站10A、…、IOE中的一个布置为以DC电压控制，以力求保持它的DC电压Udc恒定。以DC电压控制的换流站以所有(或部分)换流站能够承受他们的部分扰动的方式来控制DC电压。剩余的换流站布置为是功率控制的，以力求保持它们的功率P恒定。在DC输电系统I中，仅一个换流站出于DC电压控制中，该换流站可以被预先选择用于DC电压控制。其他换流站预先选择用于功率控制，或是处于孤岛网络操作。处于孤岛网络操作的换流站从DC输电系统I断开，并且其控制频率和AC电压两者，也就是说主控制不控制该换流站。预先选择用于DC电压控制的换流站通常在DC电压控制中操作。这与预先选择用于功率控制的换流站相反，当该换流站从DC输电系统I断开时，其在DC电压控制中操作。当预先选择用于功率控制的换流站重新连接至DC输电系统I时，它变换至功率控制。将处于DC电压控制中的换流站可以合适地挑选，例如DC输电系统I内位于中心的换流站和/或连接至相对可靠和强壮的ac网络的换流站。由于在孤岛网络操作、在频率控制、以及在功率震荡阻尼等中的换流站操作的负载变化，所以所选换流站的连接ac网络应当具有暂时承受平衡功率变化的能力。所选的换流站需要接近电气中心点，并且DC电压需要接近DC输电系统I的DC电压中间值。然而，以DC电压控制的换流站的选择可以用任何其他合适的方式选取。以功率控制的每个换流站将它的AC端功率控制至参考值，即稳定状态参考操作点，只要dc电压在可接受的限制内。之后更详细的描述换流站的限制。仅仅用普通功率控制的换流站能够控制他们的功率，而以DC电压控制的换流站必须获得平衡。以功率控制的换流站的功率可以以任何适当的方式控制，例如借助于传统的PI调节，由本地控制单元执行。应当指出的是，对于DC输电系统1，换流站设置于功率控制模式可以等效地用电流控制模式代替，因为功率几乎与电流成线性。为了确保暂态和动态稳定性，并且为了减小用于不同换流站功率控制之间的相互作用的风险，在系统中点的DC电压在短期内固定。另外，在任何换流站的功率变化会导致所有其他换流站中的电压变化，这可以通过在这些换流站中的功率控制来抵消。以DC电压控制的换流站的DC电压参考的设置点通过主控制单元16来定义，考虑整个DC输电系统I的DC电压分布来设定。在针对正常操作的定义功率范围内，即在针对以电压控制的换流站的控制死区内，预先选择以DC电压控制的换流站暂态地和动态地将它的电压控制至上述短期内固定的参考值。剩下的换流站，即预先选择用于功率控制的换流站，控制他们的ac侧功率至期望的量值，只要DC电压在针对正常操作定义的电压范围内，即在用于功率控制换流站的控制死区内。在针对正常稳定状态操作定义的电压/功率范围之外，换流站具有电压/功率下垂特性，稍后在说明中对此进行更详细地描述。正常稳定状态操作同样包含小扰动，例如DC输电网络I的正常负载变化。换流站的功率、电流和电压限制通常通过本地条件定义。这种本地条件从每个换流站10A、10B、10C、10DU0E向主控制单元16通信传送。基于DC输电系统I调度、该系统的DC电压分布和已知的约束和限制，主控制单元16定义了一系列的设置-针对以DC电压控制的换流站的DC电压参考设置点，-针对以功率控制的换流站的功率量级，-功率和DC电压各自的死区，在激活下垂特性前，对于每个换流站单独确定死区，-针对每个单独换流站的下垂常数(多个)，-每个换流站的操作限制，即关于电压和电流的限制，
现在参考图2，图示了针对分别连接至dc输电系统I的五个换流站10A、…、IOE的特性20A、20B、20C、20D和20E的示例。对于每个换流站，死区根据以上描述的定义。图2中分别针对换流站10A、10B、10CU0D和IOE以附图标记21A、21B、21C、21D和21E指示死区。小正方形指示相应换流站的稳态操作点22A、22B、22C、22D、22E。在稳态操作期间，每个相应的稳态操作点22A、22B、22C、22D、22E与相应的换流站处的本地DC电压相关。然而稳态操作点22A、22B、22C、22D、22E具有很强的相关性。电压差是DC输电系统I中电缆的电压降。换流站IOB预先选择用于DC电压控制，而其他换流站IOA、IOC、IOD和IOE以功率控制操作。
只要换流站的操作点在它定义的死区范围内，换流站就将它的电压或功率控制至短期固定参考值。特别是，预先选择用于电压控制的换流站IOB在它的死区21A内将它的电压控制至短期固定参考值。换流站IOB具有功率死区21A，在该功率死区21A中允许功率变换并且仍然认为在正常操作内。以功率控制的换流站10A、10C、10DU0E分别具有电压死区21A、21C、21D和21E，在这些电压死区内允许电压变化并且仍然认为在正常操作内。图2中特征曲线的倾斜部分图示了换流站的下垂特性。应当指出的是，换流站可以具有一个或多个不同的下垂特性。可以从图2中看出，换流站10A，例如，具有三个不同的下垂常数，同时换流站IOB具有两个不同的下垂常数以及换流站IOC具有一个单独的下垂常数。如之前提到的，对于每个换流站设置了功率/电流限制和过电压限制。在图2中同样图示出了这种限制。换流站的功率/电流限制结合它连接的AC网络的功率限制被示出为垂直线。在+IOkV的水平线表示用于操作的最大允许DC电压，即对于换流站IOD和IOE的示例额定电压是+10kV。作为一个例子，预先选择用于DC电压控制的换流站IOB将在它的功率死区21B内承受功率不平衡。针对图2中示出的换流站IOB的组合特性防止了以DC电压控制的换流站过载。换流站控制会阻止逆变器过载。以如下方式定义换流站特性参数是主控制单元16具有的职责，该方式使得DC电压甚至在设备停电期和其他类型扰动时仍保持在期望的设置范围内。应当指出的是主控制单元16可以指令比基于本地条件设置限制更加严格的限制。换流站特性，即死区、下垂常数、以及有时甚至是换流站限制均可能必须要在某种程度上进行修改。这些特性可能例如必须适应于DC输电系统I的实际电力潮流。因此，在DC输电系统I的电力潮流或在连接的AC网络13Α、···、13Ε的状况的显著变化时，换流站参数特性必须通过主控制单元16重新计算并且传送至换流站10A、10B、10C、10D、10E。图2因此图示了针对连接至DC输电系统I的五个换流站10A、…、IOE的DC电压死区下垂控制相对于功率的发明性想法。在大扰动的情况下，例如电缆线路跳闸或换流站断电，激活下垂控制。特别是当特定的换流站的占主导条件导致超过特定换流站的死区的端点时，至少特定换流站的控制被变化至下垂控制。这是说，如果操作点落到死区的端点之外，则激活下垂控制。在下垂控制中，任何传统下垂控制方法均可以使用。例如，一种下垂控制方法是将在DC输电系统I中以DC电压控制操作所有换流站，并利用基于功率等级的电压参考值，即Uref = Urefn0-droop (PDC_PDCref)该特性是与电阻串联的恒定DC电压，并且是稳定的且针对处理功率变化和断电工作良好。获得公共电压参考值的改进方法是题目为“A method for a controllingpower flow within a DC power transmission network, control device andcomputer program product ”的共同未决且与本申请是一天提交的专利申请的主题。简言之，该方法包括通过使用共同反馈信号将电力潮流控制至设置操作点的步骤，U4,00— = Uf -DHPpcc -Ppic)，其中t//是参考电压，其对于所有换流站均设置为相同，D是下垂常数，Ppcc是注入连接至换流站的AC网络的有功功率并且是设置的参考 功率。反馈信号对所有换流站是公共的，并且基于DC输电网络的整个电压水平。公共反馈信号导致对设置点的大幅改进参考跟踪；其能够示出每个换流站完美地跟踪它的功率参考值。在扰动期间完成了 DC网络中准确的负载分享并且完成了准确的稳态操作。本发明可以利用这种电力潮流控制方法。图3图示了根据本发明在包括两个或多个换流站10A、10B、10C、10D、10E的多端DC输电系统I中用于控制电力潮流的方法的步骤的流程图。方法30包括第一个步骤，针对位于针对每个相应的换流站1(^、1( 、10(、100、1(^定义的控制死区2认、218、21(、210、2巧内的操作点，将其将电力潮流控制31至稳态参考操作点22A、22B、22C、22D、22E。换流站力求保持它们的电压/功率分别在它们的稳态参考操作点。控制死区包括之前描述的功率/电压死区。即，用于电压控制换流站的功率死区和用于功率控制换流站的电压死区。方法30包括第二个步骤，当检测超出控制死区21A、21B、21C、21D、21E中一个或多个的端点时，在换流站10A、10B、10C、10D、10E中至少一个通过下垂控制装置来控制32电力潮流。这就是说，当超出换流站控制死区的端点时，然后控制模式从正常稳态控制改变至下垂控制。在DC输电系统I中某些地方故障的情况下，通常超出控制死区的端点。稳态参考操作点22A、22B、22C、22D、22E优选地包括与针对多端DC输电系统I的稳态操作所确定的电压分布相关的电压参考值。控制死区21A、21B、21C、21D、21E可以考虑作为稳态操作，并且稳态操作通常包括在包含小负载变化的正常操作条件下的电力潮流。稳态参考操作点22A、22B、22C、22D、22E优选地通过主控制单元16考虑整个多端DC输电系统I的DC电压分布而确定。在一个实施例中，选择控制死区21A、21B、21C、21D、21E以便实现在多端DC输电系统中在稳态操作期间以及包括小负载变化期间，在控制死区内的控制电力潮流。控制死区同样优选地基于每个换流站的要求针对每个换流站10A、10B、10C、10DU0E单独选择。在另一实施例中，换流站10A、10B、10C、10DU0E的换流站控制死区包括功率死区或电压死区。如之前描述的，换流站中的一个10B具有功率死区21B，同时剩下的换流站10A、10C、10DU0E 具有电压死区 21A、21C、21D、21E。在又一实施例中，下垂控制的下垂特性针对每个换流站10A、10B、10C、10DU0E单独定义。在另一实施例中，功率/电流和过电压的限制针对每个换流站10A、10B、10C、10D、IOE定义。因此，保证不超过任何换流站的容量或它连接的AC网络的容量。本发明同样包含了包括两个或更个换流站10A、10B、10C、10DU0E的多端DC输电系统I和用于针对在控制死区21A、21B、21C、21D、21E内的操作点将电力潮流控制至稳态参考操作点22A、22B、22C、22D、22E的装置16，其中控制死区21A、21B、21C、21D、21E针对每个相应的换流站10A、10B、10C、10DU0E定义。再次参考图I，多端DC输电系统I还包括用于控制电力潮流的装置18，该装置用于当检测到超出一个或多个控制死区21A、21B、21C、21D、21E的端点时，通过在换流站10A、10B、10C、10DU0E中至少一个的下垂控制装置来控制电力潮流。进一步，同样提供装置19，以用于当检测到超出一个或多个控制死区21A、21B、21C、21D、21E的端点时，通过在换流站10A、10B、10C、10D、IOE中至少一个中的通过垂控制装置控制电力潮流。装置18、19图示为主控制设备16的一部分，但是可以是分开的设备。装置18、19可以在软件、硬件和/或固件中实现。应当提出的是，为了使本发明能应用于孤岛DC系统，换流站和/或输电线路应当具有能够切断故障电流且从DC输电系统I的剩下部分快速隔离故障电缆线路或换流器的DC断路器。
权利要求
1.一种用于在多端DC输电系统⑴中控制电力潮流的方法,所述DC输电系统⑴包括两个或更多换流站(10A、10B、10C、10D、10E)，所述方法(30)包括步骤 对于位于针对每个相应的换流站(10A、10B、10C、10D、10E)而定义的控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)内的操作点，将所述电力潮流控制(31)至稳态参考操作点(22A、22B、22C、22D、22E)，以及 当检测到超出所述控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)其中一个或多个的端点时，在所述换流站(10A、10B、10C、10D、10E)的至少一个中借助于下垂控制来控制(32)所述电力潮流。
2.如权利要求I所述的方法(30)，其中所述稳态参考操作点(22A、22B、22C、22D、22E)与所述多端DC输电系统(I)的稳态操作电压分布有关，并且所述控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)被定义为稳态操作。
3.如权利要求2所述的方法(30)，其中所述稳态操作包括在包含小故障和负载变化的正常操作条件期间的电力潮流。
4.如权利要求I至3的任何一项所述的方法(30)，其中所述控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)被选择为实现在稳态操作期间和在所述多端DC输电系统(I)内的小负载变化期间，在所述控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)内对电力潮流的控制，和/或基于每个换流站(10A、10B、10C、10D、10E)的要求针对其单独选择所述控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)。
5.如前述任何一项权利要求所述的方法(30)，其中换流站(10A、10B、10C、10D、10E)的所述控制死区包括功率死区或电压死区。
6.如权利要求5所述的方法(30)，其中所述换流站之一(IOB)的所述控制死区包括功率死区(21B)，并且其中剩余换流站(10A、10C、10D、10E)的控制死区包括电压死区(21A、21C、21D、21E)。
7.如前述任何一项权利要求所述的方法(30)，其中针对所述下垂控制的下垂特性是针对每个换流站(10A、10B、10C、10D、10E)而单独定义的。
8.如前述任何一项权利要求所述的方法(30)，其中所述稳态参考操作点(22A、22B、22C、22D、22E)是通过所述多端DC输电系统(I)的主控制单元(16)，考虑整个多端DC输电系统(I)的DC电压分布而确定的。
9.如前述任何一项权利要求所述的方法(30)，其中功率、电流和/或电压的限制是针对每个换流站(10A、10B、10C、10D、10E)而定义的，并且其中所述方法(30)包括控制所述电力潮流以使不超出所述限制的附加步骤。
10.一种计算机程序产品(40)，其可加载到用于控制换流站(10A、10B、10C、10D、10E)的计算机的存储器中，所述计算机程序产品包括用于实现如权利要求1-9任何一项所述的方法的软件代码部分。
11.一种多端DC输电系统(I)，包括两个或更多换流站(10A、10B、10C、10D、10E)，其特征在于 用于针对在控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)内的操作点，将电力潮流控制(31)至稳态参考操作点(22A、22B、22C、22D、22E)的装置(18)，所述控制死区是针对每个相应的换流站(10A、10B、10C、10D、10E)而定义的，以及 用于当检测到超出所述控制死区(21A、21B、21C、21D、21E)中一个或多个的端点时，在所述换流站(10A、10B、10C、10D、10E)的至少一个中通过下垂控制来控制(32)所述电力潮流的装置(19)。
12.如权利要求11所述的多端DC输电系统(I)，其中所述两个或更多换流站(10A、10B、10C、10D、10E)其中一个设有DC电压控制，并且布置为保持它的电压恒定。
13.如权利要求12所述的多端DC输电系统(1)，其中剩余的换流站(10A、10B、10C、10D、10E)设有功率控制，并且布置为保持它们各自的功率恒定。
全文摘要
本发明涉及到在包括两个或更多换流站10A、10B、10C、10D、10E的多端DC输电系统1中用于控制电力潮流的方法30。该方法30包括步骤针对在针对每个相应的换流站10A、10B、10C、10D、10E定义的控制死区21A、21B、21C、21D、21E内的操作点，将电力潮流控制31至稳态参考操作点22A、22B、22C、22D、22E，以及当检测到超出控制死区21A、21B、21C、21D、21E中的一个或多个的端点时，在换流站10A、10B、10C、10D、10E中至少一个中通过下垂控制来控制32电力潮流。本发明同样涉及到相应的多端DC输电系统1。
文档编号H02M7/757GK102986110SQ201080067859
公开日2013年3月20日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者K·林登, G·菲利斯伯格, L-E·珠琳, P·霍姆伯格 申请人:Abb技术有限公司