电压源转换器的控制制造技术

技术编号:20569229 阅读:12 留言:0更新日期:2019-03-14 11:06
本申请涉及用于控制电压源转换器(VSC)的方法和设备。所述控制设备具有基准电压发生器(402),所述基准电压发生器配置成生成作为电压控制环路的一部分的电压控制信号。所述基准电压发生器可以是直流电压/功率控制器(402),所述直流电压/功率控制器操作性地调节直流电压或功率,并且可以基于反馈直流电压/功率信号和已定义的设定点来生成所述电压控制信号,例如电压基准。过电流控制器(403)配置成生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的电流控制信号。所述过电流控制器生成所述电流控制信号作为独立于所述电压控制环路的控制通路的一部分。因此,所述直流电压/功率控制器(402)可以直接生成电压基准,并且可以用于在短期瞬变的时间尺度上保持所述直流电压大体恒定,其中所述过电流控制器(403)仅在需要时提供电流限制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电压源转换器的控制
技术介绍
本申请涉及用于控制电压源转换器的方法和设备,并且确切地说,涉及具有嵌入式储能器的电压源转换器的控制。HVDC(高压直流)输电中使用直流电来输送电力。这是更常规交流电输电的替代方案。使用HVDC输电有许多益处。要使用HVDC输电,通常必需将交流电(AC)转换成直流电(DC)并且将直流电再次转换回交流电。迄今为止,大多数HVDC输电系统均基于线路换流转换器(LCC),例如使用晶闸管阀(thyristorvalve)的六脉冲桥式转换器。LCC使用各种元件例如晶闸管,这些元件可以通过适当触发信号接通,并且只要正向偏置就保持导通。在LCC中,所述转换器依赖于相连的交流电压来提供从一个阀到另一个阀的换流。但是,越来越多地提议在HVDC输电中使用电压源转换器(VSC)。HVDC使用能够独立于任何相连交流电系统以可控方式接通和关断的半导体开关元件,例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因此,VSC有时称为自换流转换器。VSC通常包括多个转换器臂(converterarm),每个转换器臂将一个直流端子连接到一个交流端子。典型的三相交流输入/输出端设有六个转换器臂,其中的两个臂将给定交流端子分别连接到高压和低压直流端子,从而形成相分支(phaselimb)。每个转换器臂包括通常称为阀的设备,并且所述设备通常包括可以按预期序列开关的多个元件。在一种已知形式的VSC,通常称为六脉冲桥式转换器中,每个阀包括一组以串联方式连接的开关元件,通常是与相应反并联二极管连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。所述阀的IGBT一起开关以电连接或断开相关交流和直流端子,其中给定相分支的阀通常以反相方式开关。通过对每个臂使用脉冲宽度调制(PWM)型开关方案,可以实现交流电压与直流电压之间的转换。为了保持直流电压稳定,VSC的直流端子之间通常设有相对较大型直流电容器组。但是,所述VSC通常趋于具有相对较大占地面积和相对较高损耗,也就是说,所述VSC可能不适用于某些大功率HVDC装置。在另一种已知类型VSC,称为模块化多电平转换器(MMC)中,每个阀包括链节电路(chain-linkcircuit),所述链节电路具有以串联方式连接的多个单元,每个单元包括储能元件例如电容器以及开关装置,所述开关装置能够受控制以将所述储能元件连接在所述单元的端子之间或者旁路所述储能元件。所述单元有时称为子模块,其中多个单元形成模块。所述阀的子模块受控制以在不同时间连接或旁路它们的相应储能元件,以便随时间改变跨多个单元的电压差。通过使用相对大量子模块并且适当设定开关的定时,所述阀可以合成近似于预期波形的步进波形例如正弦波,以便以低谐波失真级从直流电转换成交流电,或者从交流电转换成直流电。由于各个子模块是单独开关的,并且开关各个子模块所引起的电压变化相对较小,因此可以避免与六脉冲桥式转换器相关的若干问题。VSC的其他设计也使用链节(chain-link)的原理来针对输电循环的至少一部分在VSC转换器臂中进行电压波整形,例如提供上述步进电压波形。例如,已经提出称为交替臂转换器(Alternate-Arm-Converter,AAC)的VSC变型,其中转换器臂中提供一系列相连单元的链节以用于电压波整形,但是每个转换器臂在交流循环的至少一部分中关断。因此,用于电压波整形的多个以串联方式连接的单元与臂开关以串联方式连接,其中所述臂开关称为导向器开关,当相关转换器臂处于断开状态并且不导通时所述导向器开关可以关断。
技术实现思路
图1示出具有用于电压波整形的链节的VSC100的原理。图1中所示的示例性转换器100具有三个相分支101a-c,每个相分支具有将相关交流端子102a-c连接到高压侧直流端子DC+的高压侧转换器臂以及将相关交流端子102a-c连接到低压侧直流端子DC-的低压侧转换器臂。每个转换器臂包括链节电路103,所述链节电路包括以串联方式连接的多个单元104。在图1所示的示例中,每个单元104具有分别用于连接高压侧和低压侧的端子105a、105b,并且包括作为储能元件的电容器106。所述电容器106与单元开关元件107例如具有反并联二极管的IGBT连接,以便经由旁路电容器106的通路或者经由包括以串联方式连接的电容器106的通路来连接所述单元的端子105a和105b。在图1所示的示例中,每个单元包括半桥式布置的两个单元开关元件107,以便能够在使用中连接电容器以在端子105a与105b之间提供给定极性的电压差。但是在一些实施例中,所述单元中的至少一些单元可以包括全桥式布置的开关元件,以便能够旁路或连接电容器以提供任一极性的电压差。在VSC的一些设计例如AAC中,每个转换器臂中的链节103与臂开关108以串联方式连接,所述臂开关通常被称为导向器开关,所述导向器开关包括多个以串联方式连接的臂开关元件109。臂的导向器开关可以例如包括具有关断能力的高电压元件,例如具有反并联二极管的IGBT等。当然,所属领域中的技术人员将理解,在实践中,转换器臂可以包括其他部件例如电感等,并且图1仅示出可帮助理解操作原理的部件。在MMC型设计中,由于链节单元的储能元件可以独立控制以提供多个不同电压步进(voltagestep),因此对在直流端子之间设置大型直流电容器的需求大大减少,因此所述直流电容器组通常省略以节省空间和成本。所述储能元件有效地嵌入所述转换器开关拓扑结构内,并且不直接与直流端子相关联。所述VSC的转换器臂,确切地说链节电路单元的开关是相对于所述阀的电压基准(voltagereference)进行控制的。所述阀电压基准实际上为此VSC相提供预期输电特性的概念性电压波形。因此,例如,所述阀电压基准可以是时变波形,所述时变波形具有与交流系统的频率相关的频率分量以及与直流电压相关的直流偏置。应理解,MMC阀的实际电压基准可以具有除交流网络基频之外的额外频率分量,以增强转换器性能或最大化设备利用率。但是,从外部系统的角度来看,重要的是基频交流和直流电压分量。还应理解,所述MMC转换器可以在标称操作条件范围内独立地控制交流侧和直流侧输出电压。所述阀电压基准波形的直流偏置可以定义输出直流电压,从而影响直流输出电流和功率。所述阀基准波形的交流分量可以定义输出交流电压。所述阀基准电压的交流频率(相)和交流幅度影响输出交流电流和交流功率(有源和无源)。尽管所述阀基准电压的交流和直流分量可以独立设定,但是由于MMC子模块电容器所提供的储能器有限,因此通常需要对这些电容器进行协调,以便均衡交流输电系统与交流/直流转换器之间交换的电力,以及在交流/直流转换器与直流输电系统之间交换的电力。每个阀的阀控制器将由上游转换器控制所馈送的阀电压基准转换成用于每个个体子模块的开关信号,所述开关信号将驱动各个半导体器件(semiconductordevice)的接通和关断。VSC的开关元件,例如开关元件107通常包括功率晶体管例如IGBT,并且目前最易于商购的晶体管的电流过载能力有限。因此,常规VSC控制成使阀电压即阀电压基准由快速作用电流控制环路进行调节,以便控制通过开关元件的电流。图2示出VSC201的常规控制的原理。电流控制器202将VSC阀中的监测的电流与电流基准进行比较,以便设定阀本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于电压源转换器的控制设备,所述控制设备包括:基准电压发生器,所述基准电压发生器配置成生成作为电压控制环路的一部分的电压控制信号;以及过电流控制器,所述过电流控制器配置成生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的电流控制信号;其中所述过电流控制器产生的所述电流控制信号作为独立于所述电压控制环路的控制通路的一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.20 GB 1608922.91.一种用于电压源转换器的控制设备,所述控制设备包括:基准电压发生器,所述基准电压发生器配置成生成作为电压控制环路的一部分的电压控制信号;以及过电流控制器,所述过电流控制器配置成生成用于调制所述电压控制信号以防止过电流的电流控制信号;其中所述过电流控制器产生的所述电流控制信号作为独立于所述电压控制环路的控制通路的一部分。2.根据权利要求1所述的控制设备,其中所述基准电压发生器配置成接收直流电压和/或功率的至少一个反馈信号,并且基于所述反馈信号和已定义的操作设定点来生成所述电压控制信号。3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制设备,其中所述基准电压发生器是直流电压/功率控制器,所述直流电压/功率控制器能够选择性地以电压控制模式和功率控制模式操作,其中所述电压控制模式用于调节所述电压源转换器的直流电压,并且所述功率控制模式用于调节通过所述电压源转换器的功率通量。4.根据权利要求3所述的控制设备,其中所述直流电压/功率控制器响应于网络控制器以在所述电压控制模式或所述功率控制模式下操作。5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的控制设备,其中所述过电流控制器配置成接收指示在所述电压源转换器中流动的电流的电流反馈信号以及已定义的电流限制值。6.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的控制设备,其中所述过电流控制器的带宽比所述电压控制环路的带宽更快。7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的控制设备,其中所述过电流控制器配置成仅当所述过电流控制器检测到所述电压源转换器处于或接近过电流限制值时输出具有非零值的电流控制信号。8.一种包括多个转换器臂的电压源转换器,至少一个所述转换器臂包括前述权利要求中的任一权利要求所述的控制设备。9.根据权利要求8所述的电压源转换器,其中所述至少一个转换器臂包括链节电路,所述链节电路包括多个以串联方式连接的单元,每个单元包括储能元件和开关装置,以用于选择性地连接所述单元的端子之间的所述储能元件或者旁路所述储能元件。10.一种输电系统,包括连接到直流网络的如权利要求8或权...

【专利技术属性】
技术研发人员:A·阿达姆契克
申请(专利权)人:通用电气技术有限公司
类型:发明
国别省市:瑞士,CH

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