电力传输网络的制作方法

本发明涉及电力传输网络，并且涉及控制电力传输网络的方法。

背景技术：

在电力传输网络中，交流(ac)电通常转换成直流(dc)电以通过架空线、海底电缆、地下电缆等等传输。这种到dc电的转换消除了补偿由电力传输介质即传输线或电缆强加的ac电容性负载效应的必要，并降低每千米线路和/或电缆的成本，因此当需要在远距离上传输电力时变得成本有效。变换器，诸如电压源变换器提供在网络内的ac电和dc电之间的所需转换。

典型的这种电力传输网络包括ac-dc变换器，其经由dc传输链路连接，并被设置成互连ac电系统和dc电网络。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种电力传输网络，包括：单相或多相ac电系统；变换器，所述变换器包括至少一个ac端子；公共耦合点；将所述公共耦合点连接至所述变换器的所述或每个ac端子的相电抗；以及互连所述公共耦合点和所述ac电系统的至少一个电力传输介质，

其中，所述电力传输网络还包括变换器控制器，所述变换器控制器被编程以：

处理在所述公共耦合点处的电压和电流，以计算与所述电力传输网络对应的状态矢量；

通过将计算出的状态矢量与多个控制参数组合，导出变换器需求，其中，所述多个控制参数包括呈现在所述公共耦合点处的所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗；以及

根据所述变换器需求操作所述变换器，以控制在所述或每个ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压，以便抑制由所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗之间的相互作用产生的所述变换器电压偏离目标变换器电压或范围的任何扰动。

本发明人已经发现所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗之间的相互作用可能导致干扰，这种干扰不利地影响变换器将在所述或每个ac端子处的电压和/或在公共耦合点处的电压稳定地控制在期望电压电平或在期望的电压范围内的能力。

因此，在由所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗之间的相互作用产生的变换器电压偏离目标变换器电压或范围的任何扰动的情况下，操作变换器的变换器控制器的提供使得能够对在ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压的稳定控制。这又使电力传输网络作为整体的操作稳定。

此外，由变换器控制器对全状态反馈控制原理的使用使得能够在宽范围频率上，稳定控制在电力传输网络中在ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压。

而且，基于在公共耦合点处的电压和电流，变换器控制器使用全状态反馈控制原理的能力最小化为了获得关于电力传输网络计算状态矢量所需的信息而在电力传输网络中铺设多个通信链路的需要。

电力传输网络的配置可以根据其操作需求而变化。

所述变换器控制器可以被编程以处理在所述公共耦合点处的电压和电流的测量值或在所述公共耦合点处的电压和电流的预测值。

变换器控制器可以是但不限于线性控制器、离散控制器或数字控制器。

变换器可以是ac-dc变换器或dc-dc变换器。

所述ac电系统可以包括形式为电源，例如可变电源的至少一个ac功率元件。可变电源可以是可再生电源，诸如风场。

所述ac电系统可以是包括多个ac功率元件(诸如一个或多个源、一个或多个负载和一个或多个其它电力传输介质)的ac电网络。可选地，所述多个ac功率元件中的每一个可以通过相应的一个电力传输介质单独地连接至所述公共耦合点。

所述相电抗可以包括连接在所述公共耦合点和所述变换器的所述或每个ac端子之间的变压器。所述相电抗可以包括设置在所述变换器的ac路径中的一个或多个其它电抗，诸如变换器中使用的阀电抗器。

当多个电力传输介质互连所述公共耦合点和所述ac电系统时，呈现在所述公共耦合点处的所述一个或若干电力传输介质的电容可以是所述一个或若干电力传输介质的总集中电容的一半。

所述多个控制参数可以是控制参数的矩阵或矢量。所述变换器控制器可以被编程以通过以下导出所述变换器需求：通过用控制参数的矩阵或矢量乘以所述计算出的状态矢量，获得单个值，并通过将所述单个值与参考值比较以获得形成所述变换器需求的差值。

所述变换器控制器可以被编程以执行线性二次调整(lqr)，以导出所述多个控制参数。lqr的使用允许定义多个控制参数，以提供对由所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗之间的相互作用产生的变换器电压偏离目标变换器电压或范围的任何扰动的优化鲁棒响应。

所述变换器控制器可以被编程以在将计算出的状态矢量与所述多个控制参数组合以导出所述变换器需求之前，执行计算出的状态矢量的三相静止参考系到直接/正交旋转参考系的变换(abc至dq)。变换器控制器对abc至dq变换的状态矢量的使用还增强对在所述或每个ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压的控制，特别是在这种使用与线性二次调整的性能组合以导出所述多个控制参数时。

电力传输网络还可以包括电感或电容var补偿器。当var补偿器是电容var补偿器时，var补偿器的电容优选低于电力传输介质的电容或若干电力传输介质的总电容。

电感var补偿器的包括最小化一个或若干电力传输介质中功率的涌入可能对与一个或若干电力传输介质关联的绝缘的任何不利影响。同时，电容var补偿器的包括最小化电力传输网络的性能变化可能对控制在所述或每个ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压的稳定性的任何不利影响。

所述变换器控制器可以被编程以响应于所述电力传输介质的电容或所述若干电力传输介质的共计电容的变化，修改所述多个控制参数。这可以通过以下来进行：通过根据与电力传输介质关联的断路器的状态和/或根据电力传输网络的性能的任何变化，修改多个控制参数。

所述变换器控制器可以被编程以在导出所述变换器需求时，处理比例伺服增益，所述比例伺服增益的值被设置成控制所述ac电系统的短路电流水平，以便使所述ac电系统的电压稳定。变换器控制器操作变换器以稳定地控制在所述或每个ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压的能力允许使用伺服增益，伺服增益设置在足够高的值，以实现ac电系统的期望短路电流水平，从而使ac电系统的电压稳定，伺服增益不会不利地影响电力传输网络的稳定性。

在这些实施例中，所述变换器控制器可以被配置成使用比例反馈以设置所述比例伺服增益的值，以控制所述ac电系统的短路电流水平。所述比例反馈可以包括低通滤波器。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制电力传输网络的方法，所述电力传输网络包括：单相或多相ac电系统；变换器，所述变换器包括至少一个ac端子；公共耦合点；将所述公共耦合点连接至所述变换器的所述或每个ac端子的相电抗；以及互连所述公共耦合点和所述ac电系统的至少一个电力传输介质，

其中，所述方法包括步骤：

处理在所述公共耦合点处的电压和电流，以计算与所述电力传输网络对应的状态矢量；

通过将计算出的状态矢量与多个控制参数组合，导出变换器需求，其中，所述多个控制参数包括呈现在所述公共耦合点处的所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗；以及

根据所述变换器需求操作所述变换器，以控制在所述或每个ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压，以便抑制由所述一个或若干电力传输介质的电容和所述相电抗的阻抗之间的相互作用产生的所述变换器电压偏离目标变换器电压或范围的任何扰动。

本发明的第一方面的特征和相应的优点加以必要的修改适用于本发明的第二方面。

附图说明

现在，参照附图，通过非限制性示例描述本发明的优选实施例，图中：

图1示出形式为风场发电方案的电力传输网络的布局示意图；

图2示出图1中的电力传输网络的代表示意图；

图3示出图2中的示意表示的等效电学表示示意图；

图4示出以直接-正交形式映射的传递函数的伯德图(bodeplot)；

图5示出图1的电力传输网络的变换器控制的尼科尔斯图(nicholschart)；

图6示出与图3的等效电学表示的变换器控制有关的简化模型；

图7示出基于图3的等效电学表示的单相仿真模型；

图8和9图解说明图7中所示的仿真的结果；

图10示出基于图3的等效电学表示的三相仿真模型；

图11示意性示出变换器控制器的示例性布局；

图12示出用来代表在采集器系统末端的单独风场的矢量控制电流源的顶层形式；

图13和14图解说明在图10的电力传输网络中的公共耦合点处的电流和电压；

图15示出图2的电力传输网络的简化表示；以及

图16示意性示出变换器控制器的另一示例性布局。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的实施例的电力传输网络。

可以认识到，分配给电力传输网络的各个元件的性质的数字值旨在帮助图解说明本发明的工作原理，取决于电力传输网络的需求，可以与本说明书后面描述的示例性值不同。

电力传输方案为风场发电方案的形式。

电力传输网络包括ac电系统(可以是单相或多相)、ac-dc变换器、公共耦合点和包括并联升压变换器变压器的相电抗，额定值对其连接的ac电系统加上充足的冗余是足够的，使得在并联变压器之一退出服务的情况下，例如用于维修，超过一半的功率可以继续由剩余的变压器传送。对于额定值为600mw的ac电系统网络，个体变压器的额定值可以是例如400mw。升压变换器变压器将公共耦合点连接至变换器的ac端子(或在多相ac电系统的情况是变换器的多个ac端子)。ac电系统包括形式为离岸风场的多个ac电源，每个电源连接至升压变换器变压器的一次侧，因此，将每个ac电源连接至升压变换器变压器，因此连接至变换器。

更具体地，中压(例如155kv)馈线电力传输电缆从公共耦合点向外辐射到多个辅助ac平台，每个平台包含适当额定值(例如120mva到180mva)的相应降压变压器。一组低压(例如33kv)电力传输电缆则从这些ac平台中的每一个向外辐射到相应的多个离岸风场，在图2的表示的示意图中，风场表示为334.8mw、93x3.6mw、165mw和33x5mw风场。中压馈线电力传输电缆可以绕过ac平台，直接将公共耦合点连接至风场，在图2中表示为400mw风场。

电力传输电缆和电缆布线的供应使得功率在通过高压直流(hvdc)电力传输线进一步传送至海岸之前，从风场传送至ac-dc变换器。使用中，变换器将公共耦合点处的电压控制在期望的幅值和频率，以便促进功率经由电力传输电缆从风场传输，风场可以提供可变量的功率。

每个电力传输电缆和电缆布线可以受保护并由开关柜(未示出)断开。

电力传输网络还包括变换器控制器，变换器控制器根据变换器需求操作变换器，以控制在其ac端子上的电压和公共耦合点上的电压。

中压馈线电力传输电缆长度可以高达30km，风场发电方案中包括总的200个风力涡轮机，风场的每个风力涡轮机由每个相邻的风力涡轮机隔开例如近似1km或确保每个风力涡轮机的安全和可靠操作要求的任何其它距离。结果，可以有总共200km的低压电力传输电缆布线。大量的海底电缆和电缆布线意味着由中压馈线电力传输电缆和低压电力传输电缆布线呈现在公共耦合点的大的电容性负载，这具有由降压变压器的电感主导的特性。

在电力传输网络的操作期间，电力传输电缆和电缆布线的电容可以与升压变换器变压器的电感相互作用，达到导致在电力传输网络中的高谐振度的程度。谐振的程度随电力传输电缆的长度变化。电力传输电缆和电缆布线的电容和升压变换器变压器的电抗之间的谐振可能导致干扰，不利地影响变换器将在其ac端子处的电压和在公共耦合点处的电压稳定地控制在期望的电压电平或在期望的电压范围内的能力。

图3示出图2的示意表示的等效电学表示，其中，电力传输电缆和电缆布线已经表示为电感器、电阻器和电容器的单个“п”型，并且其中，降压变压器和升压变换器变压器已经由其串联电感和电阻表示。

图4图解说明在ac端子处的变换器电压和在公共耦合点处的电压之间的传递函数的伯德图(bodeplot)，因此传递函数映射到直接-正交形式。从图4可以看出，在1khz和2khz区域以及在200hz到300hz区域中在馈线电力传输电缆中有强的谐振。

图5图解说明变换器控制的尼科尔斯图，由此图可以看出“直接”系统响应的轨迹直接通过临界点。通过显著地降低伺服回路增益，能够获得稳定性，因此对变换器的带宽施加了严重的限制。

在下面描述确保电力传输网络的稳定性的变换器的操作。

电力传输网络的不稳定的原因可能由互连ac平台和与升压变换器变压器相互作用的风场的低压电力传输电缆布线的大量电容引起。不过，这通常具有足够高的频率，对vsc(voltagesourcedconverter)操作是较小扰动。

电力传输网络不稳定的主要原因是中压馈线电力传输电缆的总电容与相电抗的阻抗相互作用，以通常在200hz到300hz区域，接近变换器的所需带宽产生谐振。

基于图6的简化模型，单相电力传输网络的状态空间表示由以下给出：

其中，ipcc和vpcc分别是在公共耦合点处的电流和电压；

r和l分别是升压变换器变压器的电阻和电感；

∑c是呈现在公共耦合点处的电力传输电缆的集中电容；

vc是在ac端子处的变换器电压；

∑if是在电力传输电缆中流动的集中电流。

电力传输电缆的集中电容基于电力传输电缆的等效“п”模型。因此，假设将电缆布线建模为单级等效п网络，由馈线电力传输电缆呈现在pcc处的集中电容是总集中电容的值的一半。

电力传输网络包括测量在公共耦合点处的电压和电流的传感器。变换器控制器被编程为处理在公共耦合点处的电压和电流的测量值，以计算基于电力传输网络的上面的状态空间表示的状态矢量(statevector)。变换器控制器还编程为通过以下导出变换器需求：通过用控制参数的矢量(也基于上面的状态空间表示)乘以计算出的状态矢量，以获得单个值，并通过将单个值与内环参考值比较，以获得形成变换器需求的差值。

在本发明的其它实施例中，设想了变换器控制器可以被编程为处理在公共耦合点处的电压和电流的预测值，以计算状态矢量。

在本发明的又一些其它实施例中，设想了取决于电力传输网络的配置，控制参数的矢量可以由控制参数的另一矩阵取代。

这允许根据变换器需求操作变换器，以控制在ac端子处的变换器电压和在公共耦合点处的电压，以便抑制由电力传输电缆的总电容和相电感的阻抗之间的相互作用产生的变换器电压偏离目标变换器电压或范围的任何扰动。

可以使用标准控制技术，诸如极性布置，执行控制参数的矢量的导出，不过，也可以使用线性二次调整的原理执行，其中，以成本函数的最小化导出增益：

其中，方阵q和r是根据要求的系统性能选择的。此系统的最佳稳定控制是：

u(t)＝-r^-1·b^t·p·x(t)

其中，p是代数黎卡堤方程(algebraicriccatiequation，简写are)的对称半正定(positivesemi-definite)解：

0＝pa+a^tp+q-pbr^-1bp

在公共耦合点处的电压和电流的测量值组合到状态矢量中，产生的组合在与来自电压的积分补偿的输出参考组合之前，被增益k＝r^-1·b^t.p乘，以形成内lqr环。外环通过以下调整变换器电压：通过将在公共耦合点处的电压的测量值与参考值直接比较，并将其传送至积分补偿，积分补偿为内lqr环提供输出参考。

图7示出基于图3的等效电学表示的单相仿真模型，其中，电力传输电缆由10个“п”型网络表示，以便图解说明当引入电力传输电缆的分布模型时，在控制中用单个“п”近似多个电力传输电缆并不影响电力传输网络的稳定性。

图8示出当在0秒施加阶跃电压，并在100毫秒和200毫秒施加电流源时图7模型的阶跃响应，其中，电流源代表个体风场。从图8可以看出，尽管由于电力传输电缆的总电容和相电抗的阻抗之间的谐振，有非常大量的干扰施加到电力传输网络，但电力传输网络作为整体的操作是稳定的。还注意到，一旦施加电流源，干扰就出现。

图9示出伺服项，其指示一旦施加电流源电力传输网络出现高频干扰，还示出尽管高频干扰的出现，电力传输网络的操作是稳定的。

设想了在本发明的其它实施例中，变换器控制器可以被配置成实现多个独立的单相伺服，每个独立的单相伺服与多相(例如三相)电力传输网络的相应相关联，因此，每个独立的单相伺服在实现上与上文描述的单相伺服是相同的。

对于三相系统，可选地，变换器控制器可以被编程以在计算出的状态矢量与控制参数的矢量组合以导出变换器需求之前，执行计算出的状态矢量的三相静止参考系到直接/正交旋转参考系的变换(abc至dq)。

多相电力传输网络的直接-正交状态空间表示可以如下获得。

通过建立全“abc”系统的状态空间矩阵，然后代替标准形式：

其中，xabc代表作为静止系中的三个独立矢量的三相数据，xdp代表通过“直接”和“正交”值在旋转参考系中作为以笛卡尔意义表示的单个矢量的三相数据：

该变换则给出如下的直接-正交状态空间表示：

其中，d和q分别表示直接和正交分量；

ipccd和vpccd分别是在公共耦合点处的电流和电压的直接分量；

ipccq和vpccq分别是在公共耦合点处的电流和电压的正接分量；

r和l是主要由升压变换器变压器表示的相电抗的电阻和电感，但其可以包括设置在变换器的ac路径中的其它电抗，诸如变换器中使用的阀电抗器；

∑c是在公共耦合点处的电力传输电缆的集中电容；

vcd和vcq分别是在ac端子处变换器电压的直接和正交分量；

∑ifd和∑ifq分别是在电力传输电缆中流动的集中电流的直接和正交分量；

ω0是以弧度每秒表示的电力频率。

图10示出基于图3的等效电学表示的三相仿真模型。图11示出变换器控制器，状态反馈和lqr增益“k”形成内lqr环和外变换器电压调整的比例-积分控制。

在三相仿真模型中，变换器使用三相电压源，三相电压源使用标准矢量控制，使得能够注入真实的恒定电流，同时沿馈线电力传输电缆的相位可以变化。图12示出这种源的形式，其给定的相电抗由三相电感块表示，在公共耦合点处电压和电流的测量值被馈送回控制，四个电流项的峰值电流需求——正向、正正交、负向和负正交，以及阶跃函数，从而给出能够实现电流源的延迟。

图13图解说明当使用图11的变换器控制器操作图10的三相仿真模型中的变换器时，在图10的电力传输网络中公共耦合点处的电流和电压。可以看出在公共耦合点处的电压被快速建立。四个电流项在100ms同时开始进入仿真，给予电压尽可能尖锐的干扰。电流包络线是由于电流源的伺服性质造成的。

图14图解说明在图13中所示的公共耦合点处的电流和电压的直接和正交分量。从图14可以看出，在直接和正交中，由于电流源的矢量控制的动态变化，电压非常快速地稳定，电流在500ms的周期上稳定。

从图13和14可以看出，在公共耦合点处的电压被很好地控制，而在100ms施加电流源时，有小的暂态阶跃。由于相应的比例-积分控制稳定下来缓慢，所以在公共耦合点处的电流的形状是直接由于电流源的矢量控制造成的。

在由于电力传输电缆的总电容和相电抗的阻抗之间的相互作用造成的变换器电压偏离目标变换器电压或范围的任何扰动的情况下，操作变换器的变换器控制器的提供因此使得能够稳定控制在ac端子处的变换器电压和在公共耦合点处的电压。这又使电力传输网络作为整体的操作稳定，原因是电力传输网络内的自然衰减使得干扰衰减。

此外，变换器控制器对全状态反馈原理的使用使得能够在宽范围的频率上稳定控制在ac端子处的变换器电压和在公共耦合点处的电压。

而且，基于在公共耦合点处的电压和电流，变换器控制器使用全状态反馈原理的能力最小化对为了获得计算状态矢量所需的关于电力传输网络的信息而在电力传输网络中铺设多个通信链路的需要。

电力传输网络还可以包括形式为电容组的var补偿器。var补偿器的电容低于电力传输电缆的总电容。此var电容器的包括最小化电力传输网络的性能变化可能对控制在所述或每个ac端子处的变换器电压和/或在公共耦合点处的电压的稳定性的任何不利影响。

电力传输网络还可以包括形式为电感组的var补偿器。电感var补偿器的包括最小化电力传输电缆中功率的涌入可能对与电力传输电缆关联的绝缘造成的任何有害影响。

电力传输电缆的总特性可能由于例如多个电力传输电缆中的一个或一些的断开而变化。电力传输电缆的特性的这种变化可能影响变换器控制器操作以稳定地控制在ac端子处的变换器电压和在公共耦合点处的电压的准确度。

可选地，变换器控制器可以被编程以响应于电力传输电缆的总电容的变化修改控制参数的矢量，以便允许不间断地操作变换器控制器，以稳定地控制在ac端子处的变换器电压和在公共耦合点处的电压。这可以通过根据与多个电力传输电缆关联的断路器的状态和/或根据电力传输网络的性能的任何变化修改控制参数的矢量来进行。

连接至具有短路电流水平的ac电系统的矢量控制要求ac电系统的短路电流水平大于使用矢量控制的变换器的额定值的给定倍数。通常，此倍数在2.7区域内，但可以根据许多变量特别是电力传输网络中无功功率的水平变化。这还适用于在操作中在馈线阵列上包括多个矢量控制的集中系统。

因此，需要评估每个馈线所需的最小短路电流水平，然后将他们组合以得到ac电系统要求的总短路电流水平。考虑图15，有主要由升压变换器变压器的泄露电抗形成的相电抗，有来自公共耦合点的电压反馈、误差放大器和补偿增益。馈线本身由馈线电力传输电缆和降压变压器泄露电抗形成，对于给定风场，降压变压器泄露电抗从中压馈线电压(例如155kv)降低到本地电压(例如33kv)。如果ac电系统的集中额定值是例如600mw，则基于2.7的倍数，ac电系统所需的短路电流水平会近似是1.62gva。图15中所示的ac电系统的最小短路电流水平由以下规则给出：

其中，vs是变换器的输出变换器电压，kvc是矢量控制因数(在上面的示例中是2.7)，pvc是ac电系统的功率额定值(在上面的示例中是600mw)。在此表达式中，很可能相电抗、馈线电力传输电缆和降压变压器的阻抗zpr、ztl、ztr由电力传输网络设计定义。这意味着，实现遵循上述规则的最小短路电流水平的剩余变量，即实现其的唯一可用变量是伺服增益k。由于伺服增益与变换器的控制带宽有关，所以如上文描述的通过本发明实现的，所需的k值的应用要求变换器的操作充分地稳定。

应当注意，必须通过比例反馈实现所需的伺服增益。可能难以实现所需的伺服增益，特别是在以离散形式实现矢量控制的情况下。

矢量控制不稳定通常在20-30hz区域中。这使得可以将低通滤波器引入到比例反馈中，其中，拐点明显高于可能的矢量控制振荡的拐点，例如可以大于100hz。由于低通滤波器影响相位容限，所以必须与积分控制配合地进行使用。

图16示出示例性修改的变换器控制器，以控制关联的ac电系统的短路电流水平以便使ac电系统的电压稳定。例如，在数字信号处理器(dsp)上实现变换器控制器，其中，一阶低通滤波器已经包括于比例反馈中。变换器控制器实现中的极点w2的值是100hz。