转换器中的控制系统和操作转换器的方法技术方案

公开了一种转换器中的控制系统和操作转换器的方法，其适于控制连接至AC电网的电力转换系统，控制系统适于接收外部提供的无功功率参考并且包括：适于控制由电力转换系统馈送至AC电网的无功功率并且产生无功电流参考的控制器；有功电流参考；用于产生经限制的有功和无功电流参考的总电流限制器。总电流限制器以限制有功电流参考的无功电流优先的方式操作。还包括适于产生指示电力转换系统的电流容量的容量信号的装置。还包括最小无功功率参考跟踪器，适于生成内部生成的无功功率参考，其适于馈送至适于控制由电力转换系统馈送至AC电网的无功功率的控制器，最小无功功率参考跟踪器适于将内部生成的无功功率参考控制为有功电流参考不受限制的值。

【技术实现步骤摘要】
转换器中的控制系统和操作转换器的方法
本专利技术总体涉及并网电力转换器。
技术介绍
并网电力转换器是其中半导体开关部件被用于产生交流电压以向电网供电的装置。这样的转换器例如与太阳能和风能结合使用，并且通常在下述发电系统中使用，在该发电系统中，旋转发电机与电力要馈送至的电网不同步。并网转换器的示例是三相电压源逆变器，其输出被连接至电网。并网转换器通常被称作电网侧转换器(GSC)。电网侧转换器连接至DC(直流)链路，并且电力通过DC链路从机器侧转换器(MSC)馈送至电网侧转换器。机器侧转换器连接至由能源例如风能或水能旋转的旋转发电机。与太阳能发电结合时，所产生的电力是DC，因此不需要机器侧转换器。相反，用太阳能发电机产生的DC电压被修改到合适的电平，使得电网侧转换器可以将所产生的电力馈送至网络。典型的全功率风力转换器系统包括风力涡轮机控制器(WTC)，其向电力转换器系统提供外部AC(交流)电压参考Uref1和有功功率参考Pref。风力涡轮机控制器是上层控制器，其控制转换器系统的整体操作以及与风力涡轮机的操作有关的相关功能，例如但不限于叶片桨距控制、与更高级别的风电场控制器的通信。电力转换器系统具有借助风力涡轮机变压器和风力发电场的集流器(collector)系统连接至电网的电网侧转换器，以及控制发电机的机器侧转换器和连接两个转换器的DC链路。在电网侧转换器中，AC电压控制器调节电网侧AC电压并且产生无功电流的参考值Ir_ref。此外，DC链路控制器将DC链路的DC电压调节为参考值并且产生有功电流参考Ia_ref。此外，电网侧转换器的典型实现包括迫使电流在一定界限内的电流限制器。电流限制器可以根据来操作，使得电流参考Ir_ref和Ia_ref保持在界限Ilim以下。界限Ilim是电网侧转换器的最大连续电流界限。电流限制器以有功电流优先的方式进行操作并且产生经限制的电流参考Ia_ref_lim和Ir_ref_lim。在有功电流优先的情况下，有功电流优先是指下述操作原理：根据该操作原理，在达到或超过所述界限的情况下无功电流参考Ir_ref_lim被适当地降低。电网侧转换器还包括用于响应于有功Ia和无功Ir的经限制的参考Ia_ref_lim和Ir_ref_lim来调节向电网的有功Ia和无功Ir电流注入的控制器。在典型的全功率风力转换器系统中，电网侧转换器的AC电压控制器遵循从风力涡轮机控制器接收的AC电压参考Uref1。从风力涡轮机控制器接收的有功功率参考Pref被转换成相应地控制风力涡轮发电机的机器侧转换器的相应发电机扭矩参考。由发电机产生的电力通过机器侧转换器并且注入DC链路。DC链路电压由电网侧转换器的DC链路控制器进行调节。风力涡轮机的GSC在许多实际情况下连接至非常弱的电网，也就是说，具有这样的高网络阻抗的电网，所述高网络阻抗导致在风力发电场并网点处的大约1…2的低短路比(SCR)。在上述转换器系统连接至非常弱的电网并且以标称有功功率或接近标称有功功率操作的情况下，由于它们的电流界限Ilim，它们被频繁地阻止以稳定方式在其标称AC电压操作频带内操作。这种不稳定的操作也被称作“电压崩溃(collapse)”，并且由于其妨碍了正常的电力产生，因此是非常不期望的。该现象是由于对可实现的有功功率、无功功率和电压(P、Q、U)点的物理线传输限制。这些物理限制使得为了将一定量的有功功率P传输至电网，必须保持一定的最小电压U，这又将导致足够的无功功率以保证电压稳定性。因此，对于由WTC发出的给定Pref，存在必须由WTC提供至转换器系统的最小AC电压参考Uref1，以便防止在GSC端子处的电压崩溃。如下是在电流界限Ilim处导致电压崩溃的一连串事件。当AC电压参考Uref1降低时，需要更多的有功电流以根据Pref来产生相同量的有功功率。最终，当达到电流界限Ilim时，所需的无功电流保存被耗尽，这是因为根据转换器AC电压，有功电流需求增加比无功电流需求下降更快。当达到电流界限Ilim时，有功电流具有优先级。这会导致无功电流减小，这又会减小GSC端子处的AC电压，这又将导致有功电流需求增加。这一连串事件最终将导致在标称电压操作频带之外的转换器AC电压的崩溃，从而驱动GSC进入故障穿越模式或使其跳变(trip)。要由WTC提供的该最小AC电压参考Uref1随着电网X/R和减小短路比(SCR)而增大。对于SCR＝1和中到高X/R的极弱电网，GSC必须在提高的(>1pu)AC电压参考下操作，以防止电压崩溃。可实现的(P，Q，U)点可以通过已知电网场景的静态负荷流分析(LFA)事先识别，并且以查找表的形式存储在WTC内，以便WTC能够向转换器系统发出适当的有功功率和电压参考，从而预防电压不稳定。然而，实际变量，例如风电场SCR和连接点附近的负荷对于WTC来说都是未知的，并且难以可靠地估计。因此，在实际中，风电场控制器以及因此WTC将需要在转换器AC电压参考Uref1和/或Pref上保存相当大的“安全余量”，以便使进入电压崩溃的风险最小化。然而，降低Pref(即功率削减)是不期望的，因为这将会降低风电场的收益，并且将Uref1增加至不必要的高值将限制风力转换器并且因此限制风电场Q容量，从电网运营商的角度看，这是不期望。因此将期望的是以这样的方式操作风力转换器系统，使得实现有功功率参考，并且实现AC电压参考或者仅最小限度地增加AC电压参考，以便促进转换器的稳定操作。
技术实现思路
本公开的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的控制系统，以便解决上述问题。本专利技术的目的通过以在独立权利要求中陈述的内容为特征的方法和控制系统来实现。本专利技术的优选实施方式在从属权利要求中公开。本专利技术基于如下思想：以无功功率优先的方式以及进一步通过形成内部无功功率参考来操作风能电力转换器，形成内部无功功率参考是响应于外部提供的无功功率参考和指示无限制的电流参考信号的容量信号。本专利技术的方法和装置的优点在于，弱电网中的操作不会受到电压崩溃的阻碍。此外，由于该装置防止了有功功率的削减，所以获得了系统操作的较高效率。附图说明下面将参照附图借助于优选实施方式更详细地描述本专利技术，其中：图1示出了风能电力转换器的一个示例；以及图2示出了根据本专利技术的一个实施方式的总体控制结构。图3示出了根据本专利技术的一个实施方式的创造性控制结构的细节。具体实施方式图1示出了一种已知的风能电力转换器系统。电力转换器系统包括：电网侧转换器GSC、机器侧转换器MSC以及连接转换器的DC链路。在图1的示例中，电力转换器系统是全功率转换器系统，其中由发电机G生成的总电力通过转换器馈送。GSC和MSC两者均作为电压源转换器(VSC)操作。风能电力转换器系统从风力涡轮机控制器WTC接收功率参考Pref和电压参考Uref1，该风力涡轮机控制器WTC是涡轮机内的上层控制器。机器侧转换器MSC接收功率参考Pref并且因此控制发电机的扭矩，从而获得期望的功率。电网侧转换器接收外部生成的AC电压参考Uref1、测量的AC电网电压Umeas并且相应地利用AC电压控制器13控制电网侧转换器并且产生无功电流参考Ir_ref。电网侧转换器还使用测量的DC链路电压Udc利用DC链路控制器14将DC链路电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于控制连接至AC电网的转换器的控制系统，其中，所述控制系统适于接收外部提供的无功功率参考，并且所述控制系统包括：控制器(23)，其适于控制由所述转换器馈送至所述AC电网的无功功率并且产生无功电流参考(Ir_ref)，适于产生有功电流参考(Ia_ref)的控制器，总电流限制器(21)，其用于产生经限制的有功电流参考(Ia_ref_lim)和经限制的无功电流参考(Ir_ref_lim)，其中，当由无功电流参考和有功电流参考构成的总电流超过设置的界限时，所述总电流限制器(21)适于以限制所述有功电流参考的无功电流优先的方式进行操作，以及适于产生指示所述转换器的电流容量的容量信号(CS)的装置，所述容量信号具有限值(CS_L)，其中，所述控制系统还包括最小无功功率参考跟踪器，所述最小无功功率参考跟踪器适于接收所述外部提供的无功功率参考和所述容量信号，并且还适于基于所述外部提供的无功功率参考、所述容量信号和针对所述容量信号设置的限值来生成内部生成的无功功率参考(Uref2)，所述内部生成的无功功率参考(Uref2)适于被馈送至适于控制由所述转换器馈送至所述AC电网的无功功率的所述控制器，其中，所述最小无功功率参考跟踪器适于将所述内部生成的无功功率参考(Uref2)控制为所述有功电流参考不受限制的值。...

【技术特征摘要】
2017.04.04 EP 17164751.41.一种适于控制连接至AC电网的转换器的控制系统，其中，所述控制系统适于接收外部提供的无功功率参考，并且所述控制系统包括：控制器(23)，其适于控制由所述转换器馈送至所述AC电网的无功功率并且产生无功电流参考(Ir_ref)，适于产生有功电流参考(Ia_ref)的控制器，总电流限制器(21)，其用于产生经限制的有功电流参考(Ia_ref_lim)和经限制的无功电流参考(Ir_ref_lim)，其中，当由无功电流参考和有功电流参考构成的总电流超过设置的界限时，所述总电流限制器(21)适于以限制所述有功电流参考的无功电流优先的方式进行操作，以及适于产生指示所述转换器的电流容量的容量信号(CS)的装置，所述容量信号具有限值(CS_L)，其中，所述控制系统还包括最小无功功率参考跟踪器，所述最小无功功率参考跟踪器适于接收所述外部提供的无功功率参考和所述容量信号，并且还适于基于所述外部提供的无功功率参考、所述容量信号和针对所述容量信号设置的限值来生成内部生成的无功功率参考(Uref2)，所述内部生成的无功功率参考(Uref2)适于被馈送至适于控制由所述转换器馈送至所述AC电网的无功功率的所述控制器，其中，所述最小无功功率参考跟踪器适于将所述内部生成的无功功率参考(Uref2)控制为所述有功电流参考不受限制的值。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述容量信号是由无功电流参考和有功电流参考构成的总电流，并且针对所述容量信号设置的限值(CS_L)是所述转换器的电流容量。3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述容量信号是根据所述有功电流参考被限制的量获得的，并且针对所述容量信号设置的限值为零。4.根据权利要求2或3所述的控制系统，其中，所述容量信号(CS)是从所述总电流限制器(21)获得的。5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述容量信号由通过短期电流过载控制器维持的I2t积分值构成，其中，所述短期电流过载控制器向所述总电流限制器提供转换器电流界限。6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述容量信号是指示所述转换器的温度、所述转换器的估计电流、所述转换器的测量电流或所述转换器的电流参考的信号，并且针对所述容量信号设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·穆申斯基，卡勒·胡尤，尤西·塔米宁，安蒂·维尔胡宁，安蒂·维尔塔，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI