专利名称：控制高压直流系统中的电压源变换器的方法和变换器站的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制高压直流(HVDC，high voltage direct current)系统中的电压源变换器的方法和HVDC系统及其变换器站。
背景技术：
HVDC系统包括第一和第二变换器站，每一个包含电压源变换器(VSC，voltage source converter)，用于将电力从第一交流(AC)网络传送到第二 AC网络。电压源变换器(VSC)不仅在高压直流(HVDC)系统中使用，还用作例如静态无功补偿器(SVC，Static Var Compensator)。在HVDC应用中，电压源变换器连接在直流(DC)链路和AC网络之间，在作为静态无功补偿器的应用中，电压源变换器连接在直流电压源和AC 网络之间。在这两种应用中，电压源变换器必须能够产生频率与AC网络的频率相同的AC 电压。通过关于AC网络的电压分别调制电压源变换器产生的AC电压的幅值和相位来控制通过变换器的无功和有功功率流。尤其是，安装有串联连接的晶体管(IGBT)的电压源变换器使得这种类型的变换器可以在比较高的电压使用。脉冲宽度调制(PWM，pulse width modulation)用于控制产生的AC电压，这使得能够对电压进行快速的控制。根据通过引用包含于此的US 6400585，用于HVDC系统中的变换器站的电压控制的控制系统是先前已知的。该控制系统的目的是在异常电压状况下也将直流链路的电压保持在安全工作界限内。已知的HVDC系统包括第一和第二变换器站，每一个变换器站在DC链路的每一侧具有连接在DC链路和AC网络之间的电压源变换器。变换器站的电流控制系统具有通过影响AC网络中的母线电压和电压源变换器的桥电压之间的相移(phase displacement)来控制DC链路和AC网络之间的有功功率流的装置。下面进一步解释术语母线电压和桥电压。控制系统包括响应于DC链路处异常电压状况的指示产生相变命令信号(phase change order signal)的装置、以及响应于所述相变命令信号影响桥电压的相位的装置，以保证桥电压和母线电压之间的相移产生从DC链路到AC网络的有功功率流。锁相环(PLL，phase-locked loop)装置保证变换器站的控制系统与AC网络的母线电压的相位同步地工作。DC链路中的有功功率流必须是平衡的。这意味着离开该链路的有功功率必须等于该链路接收的功率。任何差异可能导致DC电压急剧增大或者减小。为了实现这种功率平衡，变换器站中的一个对DC电压进行控制。因此，另一个变换器站相应地可以通过控制DC 电流来控制DC链路的有功功率流。通常，上游变换器站控制DC电压，而下游变换器站控制有功功率流。
^ Qahraman ^AW "An electromagnetic transient simulation model for voltage sourced converter based HVDC transmission，，，Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Niagara Falls, Ont., Canada,2-5May 2004, vol. 2，pages 1063-1066，ISBN :0-7803-8253_6，对电压源变换器中的有功和无功功率的单独控制是已知的，其中比例积分控制器作用于实际的无功功率误差以分别生成到内PWM控制器的电压参考的幅值和相位。在AC网络或者AC电网中大面积断电之后恢复电力可能非常困难。需要使多个电站重新并网(on-line)。通常，这借助于来自电网的其余部分的电力来完成。在没有电网电力时，需要进行所谓的黑启动(black start)以引导电网工作。为了提供黑启动，典型地一些电站安装有小的柴油发电机，柴油发电机可以用于启动具有几兆瓦容量的较大的发电机，较大的发电机继而可以用于启动主电站发电机。使用汽轮机的发电厂需要多达其容量的10%的厂用电(station service power)用于锅炉给水泵、锅炉送风助燃空气鼓风机以及用于燃料准备。然而，在每一个站处提供这样大的待机容量不经济，因此必须通过输电网络从其它站提供黑启动电力。基于实际场景的典型的黑启动序列如下·电池启动安装在水力发电站中的小柴油发电机。 来自柴油发电机的电力用于使水力发电站工作。·对水电站和其它区域之间的关键输电线供电。 来自水坝的电力用于启动火力基荷厂(coal-fired base load)。 来自基荷厂的电力用于重新启动系统中的所有其它电厂，包括核电厂。·最终将电力重新施加到主电力分配网络并发送给客户。在断电之后恢复电力不是简单的过程。在恢复过程期间系统脆弱时，持续出现小的干扰，电网将经历从去源网络、经过各种弱网络状况、到正常的强AC网络的不同状况。为了在恢复过程期间保持频率和电压稳定，需要整个协作系统的恢复计划。从 ht tp //www. versorgungssicherheit. at/ down load 上作为 Gutachten Glavitsch. pdf 公幵的"Einfluss der Liberalisierung auf die Versorgungssicherheit in den Stromnetzen bzw. Regelungserfordernisse durch die Beh5rden”，例如通过识别网络中能够向局部网络提供电力的自治区域、之后逐渐连接其它网络区域来执行去源AC网络中的电力恢复是已知的。当变换器连接到仅进行发电例如风场、或者仅进行消耗、或者两者的混合的孤立网络，将难以预测有功功率和无功功率。因此，难以确定希望的有功功率和希望的无功功率(^f，对它们进行控制将是不实际的。当变换器连接到去源AC电力网络，即根本没有电力供应时，因为没有AC电压用于 PLL的同步，上面描述的已知控制系统将无法工作，并且由于电流是通过连接的负载自然地确定的，因此电流控制将不工作。当变换器连接到非常弱的AC电力网络，即网络中的已有短路功率近似等于或者小于变换器额定时，因为弱AC网络提供更加振荡的AC母线电压，上面描述的已知控制系统难以保持稳定，这导致PLL和电流控制的振荡，因为两个系统都使用AC母线电压作为输入。从WO 03/(^6118Α1，已知电压源变换器可以用于对弱交流电压网络或者去源交流电压网络供电。这是如何进行的在这里没有进行讨论。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种用于控制HVDC链路中的电压源变换器的方法和系统，其允许对去源AC网络进行更稳定的供电。第二目的是找到一种使AC网络黑启动的方法，其中该方法基于电压源变换器的控制方法。根据本发明的对连接两个交流网络的高压直流系统中的电压源变换器进行控制的方法，其中所述两个交流网络中的一个没有电力供给，而所述两个交流网络中的另一个正常工作，所述电压源变换器连接到没有电力供给的所述交流网络，所述方法包括使所述电压源变换器作为电压源发电机工作以产生具有希望的频率和希望的电压幅值、被表示为桥电压的交流电压，通过控制所产生的交流电压的频率和幅值使用直接的交流电压和频率控制来实现，其中所述电压源变换器由具有标称值的高压直流系统的直流电压供电。另外，应用该方法以使没有电力供给的交流网络黑启动，其中没有电力供给的交流网络经由高压直流系统连接到至少两个交流电站中的一个，以及其中没有电力供给的交流网络经由输电线连接到所述至少两个交流电站中的另一个，所述方法包括使用建立的桥电压(UVl ；UV2)对连接到所述至少两个交流电站中的另一个的输电线供电；以及启动所述至少两个交流电站中的另一个。此外，根据本发明的高压直流系统中的变换器站，所述高压直流系统连接两个交流网络，其中两个交流网络中的一个没有电力供给，而两个交流网络中的另一个正常工作， 所述变换器站包括电压源变换器和控制单元，并连接到没有电力供给的所述交流网络，其中所述控制单元适于使所述电压源变换器作为电压源发电机工作以产生具有希望的频率和希望的电压幅值、被表示为桥电压的交流电压，通过控制所产生的交流电压的频率和幅值使用直接的交流电压和频率控制来实现，其中所述电压源变换器由具有标称值的高压直流系统的直流电压供电。根据本发明，对去源AC网络的供电通过独立于连接的AC网络中的状况地控制电压源变换器生成的AC电压的频率和电压幅值以使电压源变换器作为电压源发电机工作来实现。与此相反，如上所述，已知的变换器控制系统控制电压源变换器的电流并且对AC网络的工作状态起作用。频率和电压控制能够稳定生成的AC电压的电压和频率，即增强弱AC 网络的稳定度(stiffness)。当根据本发明进行控制时，当两个AC网络中的任意一个经历断电时，连接两个AC 网络并且包括两个电压源变换器的HVDC系统能够提供黑启动。两个变换器站中连接到正常工作的电力供给AC网络的一个变换器站将HVDC系统的DC电压保持在标称值。根据本发明的第二方面，两个变换器站中连接到没有电力供给的 AC网络的另一个变换器站建立具有预定频率和幅值的AC电压。然后，建立的AC电压用于对AC网络的输电线供电，其中AC网络连接到其它电站。通过来自HVDC变换器站的这种AC 电力支持，可以启动其它电站。通过重新启动更多电厂并连接更多负载，电网逐渐恢复。包含安装有根据本发明的控制的电压源变换器的HVDC系统使得恢复电力的过程容易并且平滑。与具有惯性并且涉及机械功率控制的发电单元不同，因为没有惯性，可以使得安装有根据本发明的控制的VSC非常快。由于快速控制，VSC用作保持发电和消耗之间的功率平衡的功率缓冲(slack)，也就是说，当功率产生大于功率消耗时，变换器作为将功率从AC网络传送到DC侧的整流器工作，而当功率产生低于功率消耗时，变换器作为将功率从DC侧传送到AC网络的逆变器工作。以这种方式，传统上在黑启动和电网的恢复过程中必须考虑的关键问题变得较不重要，这使得电网的恢复更加容易。在本发明的实施例中，电压反馈控制设置有自适应电压下降功能，这提供对电压源变换器产生的AC电压的控制，同时在连接的AC网络中的其它无功功率源比如电压调节装置之间提供适当的无功功率共享。其结果是，在从无源负载、通过几乎不发电的弱AC系统、直到发电全部恢复的强AC系统的不同工作状况下，自适应电压下降功能保持电压源变换器和AC网络之间的公共连接点处的AC电压幅值稳定。在本发明的另一个实施例中，锁相环(PLL)装置包括信号生成装置，用于根据频率命令和希望的有功功率生成代表要由电压源变换器生成的希望的AC电压的频率和相角的信号，使得连接的AC网络的频率几乎保持恒定。相应地，信号生成装置作为自适应频率下降功能工作。需要小的频率的变化，以便实现连接的AC网络中其它发电单元之间良好的负载共享。除了实现其它发电单元之间良好的负载共享所需的小的变化之外，自适应频率下降功能使得可以将频率控制为几乎恒定。从对本发明的优选实施例的说明和所附权利要求，本发明的其它有利实施例将变
得清楚。对电网恢复的仿真已经说明，利用根据本发明的控制设备，在从无源负载、通过几乎不发电的弱AC系统、直到发电全部恢复的强AC系统的不同AC网络状况下，获得了稳定的AC电压和频率。
通过参考附图描述实施例来更详细地解释本发明，附图全部是示意性的，并且分别是单线图和框图形式的，其中图1是在现有技术中已知的高压直流输电系统的示意性单线框图；图2是根据图1的现有技术的输电系统的电压源变换器的控制设备的实施例；图3是根据图2的现有技术的控制设备的细节部分；图4是根据本发明的变换器控制设备的实施例；图5是根据本发明的变换器控制设备的AC电压控制装置的实施例；图6A是根据本发明的实施例的变换器控制设备的锁相环装置的实施例；以及图6B示出代表连接点处希望的电压频率和相角的锁相环装置的输出信号的波形。
具体实施例方式下面要描述的框图可以看作控制设备的信号流图和框图。框图中示出的框执行的功能在可应用部分中可以通过硬接线电路中的模拟和/或数字技术来实现，但是优选地作为微处理器中的程序来实现。应当理解，虽然示出的框被称为部件、滤波器、装置等等，但是它们应当被解释为用于实现所希望的功能的手段，尤其在作为微处理器的软件来实现它们的功能的情况下。因此，根据情况，表述“信号”也可以被解释为由计算机程序生成并且仅这样出现的值。下面仅给出这些框的功能性描述，因为这些功能可以以本领域技术人员本身已知的方式来实现。以矢量的形式示出在图中示出的控制设备中出现的变量，尤其是代表电压和电流的变量，以说明它们的多相特性。用上面的短横(^ )来指定矢量单位。在各个图中对在多于一个的图中出现的彼此类似的部件给予相同的附图标记。有时省略测量的值和框之间、以及框之间的连接线以便不加重图的负担。然而，应当理解，在一些框的输入处出现的各个变量是从生成它们的框或者测量单元提供的。图1以示意性单线框图的形式示出在现有技术中已知的高压直流输电系统。第一变换器站STm和第二变换器站STN2通过分别具有两个极导体Wl和W2的直流链路彼此连接。典型地，极导体是线缆，但是它们还可以至少部分地包括高架线。变换器站STm和STN2 中的每一个分别具有连接在极导体Wl和W2之间的电容器设备Cl和C2，变换器站STm和 STN2中的每一个分别包括电压源变换器CONl和C0N2。变换器CONl和C0N2中的每一个包括具有2电平或者3电平变换器桥的半导体阀。半导体阀包括例如所谓的IGBT型功率晶体管的栅极导通/关断半导体元件和与这些元件反并联连接的二极管的支路。每一个变换器分别经由相电感器PIl和PI2连接到相应的三相交流电力网络m 和N2。虽然在图中没有示出，变换器可以经由变压器连接到三相网络m或N2，这在本领域中是公知的，在这种情况下对于一些情况可以省略相电感器PIl和PI2。在相应的相电感器PIl或PI2和相应的三相网络m或N2之间的连接点处，作为旁路连接分别连接滤波器设备Fl和F2。将滤波器Fl的连接点处的交流网络m的AC电压指定为UL1，并且用测量装置Ml 进行测量。下面将该电压ULi称为交流网络m的母线电压。将变换器com建立的Ac电压指定为UV1，并且下面将其称为变换器CONl的桥电压。将变换器CONl处的交流电流指定为II，并且用测量装置M3进行测量。类似地，将滤波器F2的连接点处的AC电压指定为 UL2，并且用测量装置M4进行测量，将变换器C0N2处的交流电流指定为12，并且用测量装置 M6进行测量。下面将滤波器F2的连接点处的AC电压称为交流网络N2的母线电压。将变换器C0N2建立的AC电压指定为UV2，并且下面将其称为变换器C0N2的桥电压。将电容器设备Cl上的DC电压指定为Udl，将电容器设备C2上的DC电压指定为 Ud2。这些电压分别用仅用符号示出的测量装置M7和M8来测量。第一变换器站STm包括控制设备CTRL1，第二变换器站STN2包括种类通常与控制设备CTRLl类似的控制设备CTRL2，以便根据预定脉冲宽度调制(PWM，pulse width modulation)方式对各个电压源变换器CONl或者C0N2的半导体阀分别生成导通/关断命令链FPl禾口 FP2。变换器站STm和STN2可以以DC电压控制、有功功率控制、AC电压控制或者无功功率控制四种不同的方式工作。通常，变换器站中的一个，例如第一变换器站STm在用于对直流链路进行电压控制的DC电压控制模式下工作，而第二变换器站STN2在有功功率控制或者AC电压控制或者无功功率控制模式下工作。工作模式可以由操作人员手动设置，或者在特定状况下可以通过未示出的序列控制系统自动设置。图2示出代表控制设备CTRLl和控制设备CTRL2的现有技术的控制设备的实施例，其中为了简单省略了标记1和2。
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控制设备CTRL包括DC电压控制器21、AC电压控制器22、选择器装置SWl和SW2、 变换器电流控制系统IREG、脉冲宽度调制单元23、以及开关逻辑单元24。将测量的各个电容器设备(Cl或者C2)上的DC电压Ud的实际值和其电压参考值 UdR提供给求差部件25，其输出提供给DC电压控制器21。将测量的各个母线电压UL的实际值和其电压参考值ULR提供给求差部件沈，其输出提供给AC电压控制器22。对第一选择器装置SWl提供DC电压控制器21的输出信号和通过变换器的有功功率流的参考值I^ref。第一选择器装置SWl根据模式信号MDl输出信号pR，其是DC电压控制器21的输出信号或者参考值I^ref。对第二选择器装置SW2提供AC电压控制器22的输出信号和通过变换器的无功功率流的参考值Qref。第二选择器装置SW2根据模式信号MD2输出信号qR，其是AC电压控制器22的输出信号或者参考值Qref。AC和DC电压控制器21和22例如具有比例积分特性。参考值I^ref和Qref可以以传统的方式分别作为来自有功和无功功率流的控制器(未示出)的输出而形成。将第一和第二选择器装置SWl和SW2的输出信号pR和qR提供给变换器电流控制系统IREG。电流控制系统IREG提供内AC电流控制反馈环，其根据基于开关装置SWl和 SW2的输出信号pR和qR以及相参考同步信号形成的提供的电流参考矢量生成电压参考矢量际紫^形式的电压参考模板。该电压参考矢量而代表各个变换器CONl或者C0N2的桥电压UVl或者UV2的电压参考。通过将三相交流网络的相指定为a、b和c，该矢量的上标 abc是指变换器的三相电压，因此该矢量具有分量t/v^、UV^muK。还对变换器电流控制系统IREG提供变换器处的交流电流的实际值I和AC网络m 或者N2的频率的标称值f0，其通常是50或者60Hz。将电压参考矢量^7》&提供给脉冲宽度调制单元23，确定变换器CONl或者C0N2中的a、b和c各相中的阀换流的时刻ta、tb和tc，开关逻辑单元M据此生成导通/关断命令链FPa、FPb和FPc，将其提供给半导体阀。优选地，变换器电流控制系统IREG作为在微处理器上运行的软件来实现，并且作为采样控制系统来执行。由于实践原因，即为了方便计算，变换器电流控制系统IREG以传统的方式工作， 其中将三相单元即交流网络的电压和电流经由到静止两相α β参考平面的变换而变换为旋转两相dq参考平面，并且以旋转两相dq参考平面表示。交流网络的三相单元由此被变换为可以用本身已知的控制系统技术处理的直流量。通过将三相交流网络的相指定为a、b和C，三相系统被称为abc系统。在下面的文本和图中，在适当的地方使用上标(例如Pf4)来表示参考平面。图3示出根据现有技术的变换器电流控制系统IREG的基本结构。该电流控制系统作为具有采样周期时间I1S的采样控制系统来实现。为了简单，以矢量形式示出所有变量，但是应当理解，以本身已知的方式对各个矢量的分量进行信号处理。因为电流控制系统对于两个控制设备CTRLl和CTRL2是类似的， 因此为了简单，下面描述的各个变量上的标号省略了标号1和2。
根据图3的变换器电流控制系统IREG包括电流命令计算单元41、电流控制器42、 第一变换部件43、第二变换部件44、第一锁相环(PLL)部件46以及第一计算单元48。变换器电流控制系统IREG接收如上面参考图2解释的产生的信号pR和qR。将信号PR和qR提供给电流命令计算单元41，电流命令计算单元41据其计算并输出变换器处的交流电流的参考值。该参考值在dq参考平面中分别用《和巧表示，在图中作为电流参考矢
量
权利要求
1.一种对连接两个交流网络的高压直流系统中的电压源变换器进行控制的方法，其中所述两个交流网络中的一个没有电力供给，而所述两个交流网络中的另一个正常工作，所述电压源变换器连接到没有电力供给的所述交流网络，所述方法包括使所述电压源变换器作为电压源发电机工作以产生具有希望的频率(f_ord)和希望的电压幅值(UVord )的、 被表示为桥电压(UVl ；UV2)的交流电压，通过控制所产生的交流电压的频率和幅值使用直接的交流电压和频率控制来实现，其中所述电压源变换器由具有标称值的高压直流系统的直流电压供电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在连接到没有电力供给的交流网络的变换器站中，实现了在所述桥电压的希望的相角(€_ord)与表示为母线电压(UL1，UL2)的所连接的交流网络的交流电压之间的强迫同步。
3.根据权利要求2所述的方法，其中强迫同步是通过将母线电压的q分量设置为零并且将母线电压的d分量设置为电压幅值命令(UMR)、使得dq参考平面上的所述桥电压的参考值成为际二 =CZMi + + 而实现的，其中^^二是dq参考平面上的所述桥电压的参考值，UMR是电压幅值命令，@匈是预测的电压降。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的方法，其中通过包括自适应电压下降功能 (62)的电压反馈控制(UACREG)来控制所述桥电压的电压幅值，所述自适应电压下降功能作用于在与没有电力供给的交流网络(m ；N2)的连接点处测量的无功功率⑴)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中随着无功功率⑴)的增大，自适应电压下降功能 (62)使交流电压参考信号(ULR)增大。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其中通过锁相环(PLL_IN)来控制频率，锁相环(PLL_IN)包括自适应频率下降功能(77)，自适应频率下降功能(77)作用于在与没有电力供给的交流网络(W ；N2)的连接点处测量的有功功率(P)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中随着有功功率(P)的增大，自适应频率下降功能 (77)使频率参考信号(f0)增大。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的方法，其中仅在检测到所连接的交流网络 (Ni ；N2)没有电力供给之后应用所述方法。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的方法，其中应用所述方法以使没有电力供给的交流网络黑启动，其中没有电力供给的交流网络经由高压直流系统连接到至少两个交流电站中的一个，以及其中没有电力供给的交流网络经由输电线连接到所述至少两个交流电站中的另一个，所述方法包括 使用建立的桥电压(UVl ；UV2)对连接到所述至少两个交流电站中的另一个的输电线供电；以及 启动所述至少两个交流电站中的另一个。
10.根据权利要求9所述的方法，其中没有电力供给的交流网络连接到多于两个的交流电站和至少一个负载，其中所述交流网络通过在所述至少两个交流电站中的另一个启动之后逐个启动其余的交流电站、之后连接所述至少一个负载来恢复。
11.一种高压直流系统中的变换器站，所述高压直流系统连接两个交流网络，其中两个交流网络中的一个没有电力供给，而两个交流网络中的另一个正常工作，所述变换器站包括电压源变换器和控制单元，并连接到没有电力供给的所述交流网络，其中所述控制单元适于使所述电压源变换器作为电压源发电机工作以产生具有希望的频率(f_ord)和希望的电压幅值(UVord )的、被表示为桥电压(UVl ；UV2)的交流电压，通过控制所产生的交流电压的频率和幅值使用直接的交流电压和频率控制来实现，其中所述电压源变换器由具有标称值的高压直流系统的直流电压供电。
全文摘要
控制高压直流系统中的电压源变换器(CON1；CON2)的方法包括独立于连接到电压源变换器(CON1；CON2)的交流网络(N1；N2)中的状况地控制电压源变换器(CON1；CON2)生成的交流电压(UV1；UV2)的频率和电压幅值的步骤。该方法由高压直流系统的控制单元来执行。在具体实施例中，该方法形成使交流网络黑启动的方法的基础，其中交流网络包括输电线并且连接到至少两个交流电站，其中至少两个交流电站中的一个经由高压直流系统连接到交流网络。
文档编号H02M7/797GK102280898SQ20111022359
公开日2011年12月14日 申请日期2007年6月14日 优先权日2006年6月30日
发明者江英 申请人:Abb技术有限公司