CN106130055A - 高压直流输电***的变功率控制***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制***及方法。该***包括电压测量部件和控制器。电压测量部件测量所述第一交流电网的第一交流电压。控制器包括：计算模块，计算第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；整流换流器控制模块，基于所述差值调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值以便调节所述整流换流器吸收/发出的无功功率进而减小所述第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；逆变换流器控制模块，基于调节后的整流换流器的直流电压值调节所述高压直流输电***的直流电流值以便保持在所述调节之后经所述架空线高压直流输电***所传输的有功功率不变。

Description

高压直流输电***的变功率控制***及其方法

技术领域

本发明涉及通过高压直流输电***在交流电网之间传输功率的控制***及方法，更具体地说，涉及高压直流输电***的整流换流器和逆变换流器的控制***及方法。

背景技术

由于环境的原因，越来越多的电力来自可再生能源，例如风能。而在一些国家，至少一些已知的大规模可再生能源资源距离用电负荷很遥远。因此，大容量和远距离传输成为这些国家的可再生能源发展的突出特点，例如，中国和美国等。

对于大容量远距离输电，传统高压直流输电技术是一种非常具有吸引力的输电技术。。该技术采用了基于晶闸管的电网换相换流器(line commutated converter,LCC)技术来完成交流-直流/直流-交流的功率变换。由于晶闸管可以在较高电流等级下连续工作，这使得该技术适于大容量传输，例如，8GW以上的功率传输。与同等容量的交流输电比较，由于输电损耗小，直流***更适于远距离输电。因此，传统高压直流技术适于上述大容量远距离的风电传输。一个传统高压直流***主要由换流器(用于将交流电网(第一交流电网)的交流电变换为直流电的整流换流器和将所传输的直流电变换为交流电的逆变换流器)，传输经变换得到的直流电的架空线和或电缆，换流变压器，以及滤波器，电容器，电抗器等组成。。逆变换流器与第二交流电网连接，后者消耗从逆变换流器输出的交流电功率。

对于非孤岛运行的大规模风电传输，可采用变功率控制的LCC的高压直流输电技术方案，即直流电功率动态跟踪所发出的风电功率瞬时值。将变功率控制的LCC的高压直流输电技术方案应用在波动功率传输时，为了使得连接波动电源的交流电网电压能够保持在允许的运行范围内，需要频繁地连接/断开交流滤波器和/或并联电容器，频繁地调节变压器调压开关来减小由有功功率的波动引起的无功功率的变化。这将增加***维护成本以及降低***的可靠性。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制***，包括电压测量部件和控制器。电压测量部件用于测量所述第一交流电网的第一交流电压。控制器包括：计算模块，用于计算第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；整流换流器控制模块，用于基于所述差值调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值以便调节所述整流换流器吸收/发出的无功功率进而减小所述第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；和逆变换流器控制模块，用于基于调节后的整流换流器的直流电压值调节所述高压直流输电***的直流电流值以便保持在所述调节之后经所述架空线高压直流输电***所传输的有功功率不变。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制方法，包括：测量所述第一交流电网的第一交流电压；计算第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；基于所述差值调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值以便调节所述整流换流器吸收/发出的无功功率进而减小所述第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；以及基于调节后的整流换流器的直流电压值调节所述高压直流输电***的直流电流值以便保持在所述调节之后经所述高压直流输电***的架空线所传输的有功功率不变。

基于上述技术方案，可以减小第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值。从而减小由于诸如新能源的发电设施所发出的功率，在一段时间内有波动所带来的交流电压的不稳定。这减小了波动性电源，诸如新能源，对电网稳定性带来的干扰，提高了含有波动性电源的电网的稳定性和可靠性。

优选地，如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为正，则通过增加所述整流换流器的点火角来增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为负，则通过减小所述整流换流器的点火角来减小第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输。其中，可以通过增加/减小所述整流换流器的点火角来调低/调高所述整流换流器的直流电压值，可以通过增加/减小所述逆变换流器的熄火角来调高/调低所述逆变换流器的直流电流值，以使得通过高压直流***从第一交流电网向第二交流电网传输的有功功率保持不变，但第一交流电网与高压直流***间的无功功率交换可调。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制***；

图2示出根据本发明的一个实施例的控制器的计算模块、逆变换流器控制模块和整流换流器控制模块；和

图3示出根据本发明的另一个实施例的控制器的计算模块、逆变换流器控制模块和整流换流器控制模块。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制***。

如图1所示，控制***1包括电压测量部件10和控制器11。电压测量部件10用于测量第一交流电网的第一交流电压U_{AC_1a，}U_{AC_1b，}U_{AC_1c}。电压测量部件10可以采用电位差计，其采用电磁学原理测量电压。电压测量部件10可分别测量第一交流电网的三相电压，U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}。

控制器11可以采用一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器，或者将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。从功能上，控制器11可以包括：计算模块110，逆变换流器控制模块111和整流换流器控制模块112。在高压直流输电***中，逆变换流器控制模块111可以作为定电流端来调节所述高压直流输电***的直流电流值，而整流换流器控制模块112可以作为定电压端来调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值。为了实现上述调节，例如逆变换流器控制模块111可以控制逆变换流器的晶闸管的熄火角，而整流换流器控制模块112可以控制整流换流器的晶闸管的点火角。为了提高第一交流电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}的实时性降低电压测量部件10的测量信号和控制器11之间的信号传输延时，电压测量部件10和控制器11可布置在整流换流站中。

如图1所示，控制器11的逆变换流器控制模块111和整流换流器控制模块112分别与逆变换流器和整流换流器关联，并且逆变换流器控制模块111对第一交流电网的三相电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}做出响应。此外，逆变换流器控制模块111和整流换流器控制模块112之间存在信号连接，从而整流换流器控制模块112可以对逆变换流器控制模块111的输出信号做出响应。

图2示出根据本发明的一个实施例的控制器的计算模块、逆变换流器控制模块和整流换流器控制模块。如图2所示，作为控制目标的第一交流电压测量值是每相的瞬时值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}。需要用公式(1a)计算出每相的均方根值。再用公式(1b)计算三相均方根值。与第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}之间的差值从计算模块110的比较器输出。例如，该差值可以采用三相均方根的形式表达：

$U_{Arms}=\sqrt{\frac{x_1^2+x_2^2+x_3^2+...+x_n^2}{N}}---\left(1a\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{rms}=\frac{\sqrt{U_{AB}^2+U_{BC}^2+U_{CA}^2}}{3}\\ U_{AB}=U_{Arms}-U_{Brms}\\ U_{BC}=U_{Brms}-U_{Crms}\\ U_{CA}=U_{Crms}-U_{Arms}\end{array}\right.---\left(1b\right)$

其中，Urms是三相均方根值，U_Arms是A相交流电压的均方根值，U_Brms是B相交流电压的均方根值，U_Crms是C相交流电压的均方根值。N是测量时一个周期内采样点个数。x_n是每个采样点所对应的测量电压值。

优选地，将该比较器的输出施加到计算模块110的比例积分调节器PI，并且从计算模块110的比例积分调节器输出的信号施加到逆变换流器控制模块111。从计算模块110的比例积分调节器输出的信号可通过远距离通信传输至逆变换流器控制模块。

根据高压直流输电***的基本规律：

$I_{DC}=\frac{U_{DCR}-U_{DCI}}{Z}---\left(2\right)$

其中，I_DC表示高压直流输电***流过架空线的直流电流，U_DCR表示整流换流器的直流电压，U_DCI表示逆变换流器的直流电压，Z表示高压直流输电***的架空线的阻抗。

根据上面的描述，等式(2)中的高压直流输电***的架空线的阻抗Z是恒定值，逆变换流器控制模块111可控制作为定电流端的逆变变流器的直流电流I_DC，同时整流换流器控制模块110可控制作为定电压端的整流变流器的直流电压U_DCR。此外，逆变换流器的直流电压U_DCI跟随整流变流器的直流电压U_DCR变化而变化。

根据高压直流输电***的理论可知：可以通过调节交流电网与外部设备(例如换流器)之间的无功功率交换来影响进而控制交流电网的交流电压值。具体来说，可以通过增加交流电网向换流器的无功功率传输来降低交流电网的交流电压值，反之可以通过减小交流电网向换流器的无功功率传输来提高交流电网的交流电压值。基于上理论，如果由计算模块110所计算的第一交流电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}与第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}之间的差值为正，则增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输，并且如果由计算模块110所计算的第一交流电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}与第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}之间的差值为负，则减小第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输。通过上述闭环控制，可以减小第一交流电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}与第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}之间的差值，优选地可以将第一交流电网的交流电压基本调整到第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}。从而减小由于诸如新能源的发电设施所发出的功率，在一段时间内有波动所带来的交流电压的不稳定。这减小了波动性电源，诸如新能源，对电网稳定性带来的干扰，提高了含有波动性电源的电网的稳定性和可靠性。

通过改变触发角/熄火角(保持直流电压基本不变(非常小可接受范围)的情况下，可以改变交流***和直流***之间的无功功率的交换。进而起到稳定交流***电压的效果。因此，不需要依靠频繁调节高压直流***的交流滤波器和并联电容器来调节交流***和直流***之间的无功功率交换，进而稳定交流***电压。

在本发明的实施例中，如果由计算模块110所计算的第一交流电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}与第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}之间的差值为正，则整流换流器控制模块110可通过向整流换流器发出增加的整流换流器的点火角α的命令来调低高压直流输电***的整流换流器的直流电压值U_DCR，进而增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且，逆变换流器控制模块111可以通过向逆变变流器发出减小的逆变换流器的熄火角γ来减小逆变换流器的直流电流值I_DC。反之，如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值U*_{AC_1a，}U*_{AC_1b，}U*_{AC_1c}与第一交流电压参考值V_{AC_1a，}V_{AC_1b，}V_{AC_1c}之间的差值为负，则整流换流器控制模块110可通过向整流换流器发出减小的整流换流器的点火角α的命令来调低高压直流输电***的整流换流器的直流电压值U_DCR，进而减小第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且，逆变换流器控制模块111可以通过向逆变变流器发出增加的逆变换流器的熄火角γ来调高逆变换流器的直流电流值I_DC。

图3示出根据本发明的另一个实施例的控制器的计算模块、逆变换流器控制模块和整流换流器控制模块。根据图3所示的实施例与图2所示的实施例不同之处在于，前者还加入了整流侧换流变压器分换头的调节。为了扩大高压直流输电***的调节范围和保持***处于良好的运行状态，还可以辅以换流变压器电压的调节。一般使用带负荷切换分接头的装置进行调节。有关换流变压器分换头的调节的技术方案详见《直流输电》，浙江大学发电教研组直流输电科研组，1982年2月第一版。如图3所示，逆变换流器控制模块111还基于换流变压器分接头采用整流换流器侧空载交流电压保持一定调节所述高压直流输电***的直流电流值I_DC。在本实施例中，逆变换流器控制模块111还包括加法器，其对对应于整流换流器侧空载交流电压的逆变换流器的熄火角γ*和根据图2的实施例所得到的逆变换流器的熄火角微调节值Δγ的作加法，从而确定逆变换流器的熄火角参考值γ_ref。除图2的实施例可以提高第一交流电网的稳定性外，图3实施例还可以减少整流侧换流变压器分换头的动作。由此，提高***的可靠性，降低***维护运行成本。

最好，逆变换流器控制模块111还可以包括限幅单元，其将保证被控高压直流***在预定的范围内调节直流电压值。这可以使得该高压直流***在控制整流换流站交流电压的同时，高压直流线路损耗也在可接受范围内。如图3所示，‘max’功能块的作用是将最终熄火角的参考值与17°比较，取较大的那个值，减小由于熄火角过小带来的高压直流***换相失败的风险。

虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。

Claims (12)

1.一种用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制***，包括：

电压测量部件，用于测量所述第一交流电网的第一交流电压；和

控制器，包括：

计算模块，用于计算第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；

整流换流器控制模块，用于基于所述差值调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值以便调节所述整流换流器吸收/发出的无功功率进而减小所述第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；和

逆变换流器控制模块，用于基于调节后的整流换流器的直流电压值调节所述高压直流输电***的直流电流值以便保持在所述调节之后经所述架空线高压直流输电***所传输的有功功率不变。

2.如权利要求1所述的控制***，其中：

所述逆变换流器控制模块还基于换流变压器分接头采用整流换流器侧空载交流电压保持一定调节所述高压直流输电***的直流电流值。

3.如权利要求1所述的控制***，其中：

在预定的范围内调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值。

4.如权利要求1或2或3所述的控制***，

如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为正，则增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且

如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为负，则减小所述第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输。

5.如权利要求4所述的控制***，其中：

如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为正，则通过增加所述整流换流器的点火角来增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且

如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为负，则通过减小所述整流换流器的点火角来减小第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输。

6.如权利要求5所述的控制***，其中：

可以通过增加/减小所述整流换流器的点火角来调低/调高所述整流换流器的直流电压值，可以通过增加/减小所述逆变换流器的熄火角来调高/调低所述逆变换流器的直流电流值，以使得通过高压直流***从第一交流电网向第二交流电网传输的有功功率保持不变，但第一交流电网与高压直流***间的无功功率交换可调。

7.一种用于将功率从第一交流电网向第二交流电网传输的高压直流输电***的控制方法，包括：

测量所述第一交流电网的第一交流电压；

计算第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；

基于所述差值调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值以便调节所述整流换流器吸收/发出的无功功率进而减小所述第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值；以及

基于调节后的整流换流器的直流电压值调节所述高压直流输电***的直流电流值以便保持在所述调节之后经所述高压直流输电***的架空线所传输的有功功率不变。

8.如权利要求7所述的控制方法，还包括：

基于换流变压器分接头采用整流换流器侧空载交流电压保持一定调节所述高压直流输电***的直流电流值。

9.如权利要求7所述的控制方法，其中：

在预定的范围内调节所述高压直流输电***的整流换流器的直流电压值。

10.如权利要求7或8或9所述的控制方法，其中：

如果所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为正，则增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且

如果所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为负，则减小所述第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输。

11.如权利要求10所述的控制方法，其中：

如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为正，则通过增加所述整流换流器的点火角来增加第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输；并且

如果由所述计算模块所计算的第一交流电压测量值与第一交流电压参考值之间的差值为负，则通过减小所述整流换流器的点火角来减小第一交流电网向所述整流换流器的无功功率传输。

12.如权利要求11所述的控制方法，其中：

可以通过增加/减小所述整流换流器的点火角来调低/调高所述整流换流器的直流电压值，可以通过增加/减小所述逆变换流器的熄火角来调高/调低所述逆变换流器的直流电流值，以使得通过高压直流***从第一交流电网向第二交流电网传输的有功功率保持不变，但第一交流电网与高压直流***间的无功功率交换可调。