使用同步机仿真对电压源换流器的控制的制作方法

专利名称：使用同步机仿真对电压源换流器的控制的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电压源换流器。本发明尤其针对用于控制连接到电网的电压源 换流器的方法、装置和计算机程序产品。
背景技术：
连接到平均公用电网的电压源换流器(VSC)的数量正在稳定增加。应用包括高压 直流(HVDC)输送、静止同步补偿器(STATC0M)、背对背电动机驱动器、分布式发电和风力涡 轮发电机。在一些情形中，特别是当额定功率容量高时，S卩，在MVA范围中，会期望电压源换 流器有助于电网的电压控制。因此电压源换流器应该控制其连接到的总线处的电网电压量 值。对STATC0M的基本目的以及VSC-HVDC端子特别如此。电网连接电压源换流器的标准控制得自逆变器馈电交流驱动器的控制。使用锁相 环(PLL)把电压源换流器同步到电网电压，这等同于交流驱动器中转子-位置测量或估算。 PLL的输出角度是换流器电流的电流控制环路在其中工作的、同步旋转dq坐标系的参考角 度。此环路通常具有高带宽100弧度/秒或以上。电流控制的输出是脉宽调制器(PWM)的 参考电压向量。与电流控制环级联，添加外围环路，在较低带宽工作，主要用于直流链路电 压控制、有源功率控制和电网电压量值控制。采用此类型控制系统的电压源换流器必须总是具有要进行同步的相当强的电网 电压，即，电网必须相当稳定。另外，在电压源换流器要控制电网频率的状况中无法使用该 系统。这例如是在无源电网供电、通过VSC-HVDC输送连接到主干电网的风场中以及采用 VSC-HVDC输送在电力中断之后重启电网的一部分(称为“黑启动”)时的情况。WO 2008/000626中给出了结合用于“黑启动”中的电压源换流器的PLL使用的一 个示例。因此需要改进连接到公用电网的电压源换流器的控制。与此相关，US 2006/0268257描述了逆变器的控制，该逆变器的频率是使用同步机 的整体机械动态(mass mechanical dynamics)到逆变器模型上的映射而被控制的。然而， 逆变器并不有助于电网的电压控制。因此需要与连接到公用电网的电压源换流器的控制相关的改进，其中，电压源换 流器能够有助于此电网的控制。

发明内容
本发明总体上针对提供对连接到电网的电压源换流器的改进控制。根据本发明的原理，使用隐式同步机的电动态的仿真来控制连接到电网的电压源 换流器。本发明的一个目的是提供用于控制连接到电网的电压源换流器的改进方法。根据本发明的第一方面，此目的是通过用于控制连接到电网的电压源换流器的方法解决的，该方法包括以下步骤-检测电网与电压源换流器之间的接口的至少一个电属性，以及-通过以下方式来控制电压源换流器使用通过隐式同步机的电模型到电压源换 流器的电模型上的映射获得的控制信号以及在映射的模型中应用所检测到的在电网与电 压源换流器之间的接口的电属性，其中，隐式同步机的电模型反映该同步机的电动态。本发明的另一目的是提供用于控制连接到电网的电压源换流器的装置，其中，改 进了电压源换流器的控制。根据本发明的第二方面，此目的是通过用于控制连接到电网的电压源换流器的装 置解决的，该装置包括-第一输入，用于接收所检测到的在电网与电压源换流器之间的接口的至少一个 电属性，以及-控制实体，被布置成通过以下方式来控制电压源换流器通过使用隐式同步机 的电模型到电压源换流器的电模型上的映射获得的控制信号以及在映射的模型中应用所 检测到的在电网与电压源换流器之间的接口的电属性，其中，隐式同步机的电模型反映该 同步机的电动态。本发明的另一目的是在数据载体上提供计算机程序产品，用于控制连接到电网的 电压源换流器，其改进了电压源换流器的控制。根据本发明的第三方面，此目的是通过在数据载体上提供的计算机程序产品解决 的，数据载体用于控制连接到电网的电压源换流器并包括计算机程序代码以使得控制装置 在把所述代码加载到控制装置中时执行-接收所检测到的在电网与电压源换流器之间的接口的至少一个电属性，以及-通过以下方式来控制电压源换流器通过使用隐式同步机的电模型到电压源换 流器的电模型上的映射获得的控制信号以及在映射的模型中应用所检测到的在电网与电 压源换流器之间的接口的电属性，其中，隐式同步机的电模型反映该同步机的电动态。本发明具有很多优点。控制有助于电网的控制。可以通过来自电压源换流器的无 功功率的引入对抗电网电压量值的减小。此外无论电网特性如何均提供稳定性。这是重要 的，因为常常需要无论电网强度如何以及无论连接到电网的其它换流器、机器和负载的动 态如何均维持电网的稳定性。还可以把发明思想应用于无源电网。使用隐式同步机电动态 仿真的电压源换流器控制还有希望用于包括风场应用的与弱或无源电网相关的使用。控制 装置的调节随后相比于常规控制装置而言会变得更加简单直接和耐用，因为可以考虑同步 机的控制和动态中的经验。


以下将参照附图描述本发明，其中图1示意性地示出电力传输系统中的两个控制装置，每个控制装置都被布置成控 制相应的电压源换流器，图2示出根据本发明的用于控制电压源换流器的方法中执行的大量总体方法步 骤的流程图，图3a示意性地示出隐式同步机的电模型，
图北示意性地示出电压源换流器的电模型，图4示出了用于控制电压源换流器的根据本发明优选实施例的控制装置中的大 量单元的方框示意图，图5示出用于根据隐式同步机的电模型到电压源换流器的电模型上的映射来控 制电压源换流器的本发明优选实施例的控制装置中执行的大量方法步骤，以及图6示出通过应用隐式同步机的整体机械动态的仿真来控制电压源换流器的本 发明优选实施例的控制装置中执行的大量方法步骤。
具体实施例方式以下，将给出根据本发明的方法和装置的优选实施例的详细描述。本发明可被提供于要经由电压源换流器(VSC)连接到电力或公用电网的系统中。 这样的系统包括用于直流或交流电功率生成和输送的系统，即，高压或超高压功率输送和 生成系统。当电压源换流器连接到公用电网或电网时，会期望使换流器有助于电网的控制。 本发明针对使得电压源换流器能够做出这样的贡献。在图1中，以高压直流(HVDC)系统(S卩，高压(50kV以上)或超高压GOOkV以上) 电力输送系统)的形式示意性地示出了示范性电力输送系统的单线图。应该认识到，本发 明不限于这样的系统，而是可以用于其它类型的高压或超高压电力输送系统中(比如，灵 活交流输电系统(FACT))以及其它类型应用(诸如静止同步补偿器(STATC0M)、背对背电动 机驱动器、分布式发电和风力涡轮发电机等)中。在图1中，存在通向第一电感14的、通常是三相电网的第一电网12。第一电感14 连接到把交流功率转换为直流功率(即，作为整流器)的第一电压源换流器16。第一电感 14常常使用变压器实现并作为第一电压源换流器14的输出滤波器。第一电压源换流器16 继而连接到第一直流电力线路18，第一直流电力线路18继而通向第二电压源换流器20(把 直流功率转换为交流功率的换流器，即，作为逆变器)。第二电压源换流器20继而连接到 也常常通过变压器实现的第二电感22。第二电感22也常常使用变压器实现并作为第二电 压源换流器20的输出滤波器。第二电感22此外连接到此处通常也是三相电网的第二电网 M。第一和第二电压源换流器16和20还连接到地。图1中示出的系统是所谓的单极系 统，其中，在正电压处提供第一直流电力线路18。这意味着存在由第一直流电力线路18提 供的前向电流路径以及经由地提供的返回电流路径。在图1中的系统中，直流电力线路18 可以形成至少数千米长的直流链路以便用来在相当可观的距离上以减小的损耗输送电力。 然而，也可以使用同样的配置在同一个地点处把例如具有不同交流频率的两个交流电网互 连。应该认识到，作为替代方案，系统可以是所谓的双极系统，其中，每个电压源换流 器将会在接地处连接到相应的第三和第四电压源换流器，第三和第四电压源换流器继而连 接到覆盖与第一直流电力线路相同距离的第二直流电力线路。第三电压源换流器此处与第 一电压源换流器16相同类型，而第四电压源换流器与第二电压源换流器20相同类型。此 处，将会存在由第一直流电力线路18提供的前向电流路径以及由第二直流电力线路提供 的返回电流路径。
图1还示出了两个控制装置25和沈，其中，提供第一控制装置25用于控制第一电 压源换流器16，提供第二控制装置沈用于控制第二电压源换流器20。第一控制装置25具有两个输入，在这两个输入上接收与第一电网12和第一电压 源换流器16之间的电接口属性相关联的测量值。第一电网与第一电压源换流器之间的电 接口属性此处是可以正在向或从电网12行进的、第一换流器16与第一电网12之间的电 流i，以及第一电压源换流器16附近的第一电网12的电压E。这些测量结果还被提供给控 制装置25中的第一控制实体27。测量值的提供在图1中用虚线表示。这些测量结果还被 提供给功率确定单元四，功率确定单元四以已知方式基于电网电压E和电流i确定第一电 压源换流器16的电有源输出功率IV此有源输出功率I3e还从功率确定单元四提供给控 制实体27，这通过虚线表示。第一控制实体27还提供提供给也在第一控制装置25中提 供的脉宽调制(PWM)电路31的、以控制电压VKEF, τκ形式的控制信号。控制信号VKEF, τκ也用 虚线表示。第一 PWM电路31此处以已知方式使用控制信号VKEF,τκ以便经由控制装置25的 输出来控制第一电压源换流器16。该PWM控制也用虚线表示。第二控制装置沈类似地具有两个输入，在这两个输入上接收与第二电网M和第 二电压源换流器20之间的电接口属性相关联的测量值。第二电网与第二电压源换流器之 间的电接口属性此处是可以正在向或从电网M行进的、第二换流器20与第二电网对之 间的电流i，以及第二换流器20附近的第二电网M的电压E。这些测量值(也用虚线表示) 此处被提供给第二控制装置26中的第二控制实体观。此处还提供了功率确定单元30，功 率确定单元30基于电网电压E和电流i确定第二电压源换流器20的电有源输出功率IV 此有源输出功率I3e还被提供给控制实体观，这用虚线表示。第二控制实体27还提供提供 给也在第二控制装置26中提供的脉宽调制(PWM)电路32的、以控制电压VKEF,τκ形式的控 制信号。第二 PWM电路32此处以已知方式使用以虚线形式示出的控制信号Vkef, τε以便经 由第二控制装置沈的输出来控制(也用虚线表示)第二电压源换流器20。在图1中，用同样的符号标记两个控制装置获得的测量值。这么做是为了表示可 以对两个类型的换流器进行根据本发明的原理执行的控制。同理，也用同样的符号标记控 制信号。现在将参照图2描述第二控制装置沈的总体功能，图2示出了在根据本发明的用 于控制第二电压源换流器的方法中第二控制装置沈执行的大量总体方法步骤的流程图。控制装置沈首先检测电网电压E和电流i，S卩，与第二电网M和第二电压源换流 器20之间的接口相关联的电属性，步骤34。此电流i此处还标记换流器电流。检测是通 过使用例如涉及电流和电压变压器的以及可以在A/D转换之后把这些测量值提供给控制 实体观的标准检测单元检测到的这些属性来进行的。功率确定单元30也接收这些测量值 并确定电有源输出功率PE，步骤36。当确定了电有源输出功率时，还将其计算值提供给 控制实体观。控制实体观随后基于这些检测到的属性来确定要使用的控制信号VKEF,τκ，步 骤38，以及随后可以在D/A转换之后把控制信号VKEF,τκ提供给PWM电路32，PWM电路32随 后以已知方式应用此控制信号来控制第二电压源换流器20，步骤39。在此控制信号的确定中，控制实体28仿真隐式同步机(non-salientsynchronous machine)的电动态。这是通过使用隐式同步机的电模型向第二电压源换流器的电模型上的 映射以及通过在此映射的模型中应用检测到的电属性(此处，电网与电压源换流器20之间的接口的电网电压E和换流器电流i)进行的。此处，隐式同步机的电模型反映这种同步机 的电动态。此外控制实体观此处应用隐式同步机的整体机械动态的仿真来调整控制信号。 此处，当在控制中应用此仿真时使用有源输出功率IV通过整体机械动态的仿真，可获得用 于调整先前确定的控制信号的角度。现在将描述如何可以更详细地执行控制。在同步dq参考坐标系中，通过如下内容给出隐式同步机的电动态L。* dis/dt = eM-vs-(RE+j ω 山。)is+(RK_j ω 山Μ) iM (1)DiM/dt = (Re/Lm) * (is-iM) (2)其中，is是定子电流向量， 是反emf(电动势)向量，即，磁化电压，&是定子电 压向量，iM是磁化电流向量，L0是总(定子和转子)漏感，Lm是磁化电感，Q1是角度线频率。图3a中示出与以上等式(1)对应的等效电路，从右到左示出了包括依赖于电流的 电压源Jo1LnIm和转子电阻&的转子支路。该转子支路继而与包括磁化电流iM正在行进 通过的磁化电感Lm的磁化支路并联。提供反电动势％的电压源在一端连接到把并联磁化 支路和转子支路互连的第一连接点，以及在另一端连接到定子电流正在行进通过的总漏感 L0的第一端。最终在磁化电感Lm的第二端与把并联磁化支路和转子支路互连的第二连接 点之间提供定子电压vs。在电压源换流器具有面向电网(如图1中所示)并具有电感L的纯感性滤波器的 情形中，通过如下内容给出换流器电流的动态Ldi/dt = V-E-j ω(3)其中，i是换流器电流向量，ν是换流器电压向量，E是电网电压向量，L是滤波器 电感，Q1是角度线频率。图北中示出与以上等式(3)对应的等效电路，从右到左示出了提供电压ν以及在 第一端处连接到滤波器电感L(换流器电流i正在行进通过该滤波器电感L)的第一端的电 压源。此处在滤波器电感L的第二端与电压源ν的第二端之间提供电网电压E。通过比较图3a和图北中的两个电路，可以看出，如果把定子电流is映射到换流器 电流i上，即，把换流器电流i设置得等于定子电流is，以及把定子电压vs映射到电网电压 E上，同时把漏感L。设置得等于滤波器电感L，则图北中的换流器电压ν对应于图3a中的 反电动势％加上转子支路(包括转子电阻&和依赖于电流的电压源jo^iM)和磁化支路 (包括磁化电感Lm)两端的电压。这使得可以通过把换流器电压参考(即，电压换流器的控 制信号)选择为如下内容来用电压源换流器仿真同步机的电动态vEEF = eM-REi+ (RK-j ω 山M) iM (4)以及diM/dt = (Re/Lm) * (i-iM)(5)此处，vEEF, eM、i和iM是可变向量，MRe> W1和Lm恒定。此外可以自由选取Re和 Lm。如果可以在控制装置具有微小时延以及在其线性区域中工作(即，避免过调制)时可 以假定V = Vkef，则同步机的电动态就被仿真了。通过等式(5)，把示出定子电流is与通过磁化电感Lm的磁化电流iM之间关系的微 分等式( 应用在换流器电流i上。通过等式，进一步通过组合三项获得控制信号Vkef，此处组合包括把这三项相加。所述三项此处是取决于换流器电流i并且此处是该电流与 第一因子- 的乘积的第一项，取决于磁化电流iM并且此处是磁化电流iM与第二因 子(Re-Jw1Lm)的乘积的第二项[(!^-^' 山^^，以及代表可变反电动势(即，代表同步机 模型的反电动势)的第三项 。在本发明一个实施例中这两个等式(4)和( 可以是用于根据本发明控制电压源 换流器的全部内容。然而会关注限制换流器电流i以防止过流，特别是在故障期间。为了这么做，可以 根据如下内容应用使用电流控制法则的闭环电流控制Veef= α cL(iREF-i)+Ef (6)其中，α e是期望的闭环带宽，iEEF是换流器电流参考，即，换流器电流的参考，&是 通过对电网电压E进行低通滤波获得的前馈项。此处i-和^是可变向量，而ac恒定。在假定ν = vEEF的情况下把等式(6)代入等式(3)就得到L di/dt = a cL(iREF-i)+Ef-E-j^1Li (7)如果把a c选择得足够大(例如，至少1000弧度/s)，则迅速达到稳定状态。通过 设置d/dt = 0和& = E以及求解i，获得以下关系i - [OCcL/ ( (OCc + j ωι) L) ] * iREF =>
Ii I = l[acL/ ((ac + jcon l) ] I * Iiref I =^ Ii I < IireF 1(g)通过此内容，可以看出，即使实际电流i将不会完全地遵循其参考iKEF(通常不需 要这样)，电流i仍会小于参考iKEF，可见防止了过流，除了可能简短地在由a C确定的短暂 时段期间以外。通过把等式(6)与等式(4)合并，可以根据如下内容获得iKEF acL (iREF - i) + Ef = eM - RRi + (RR-jC0iLM)iM
iREF = [1/(OCcL) ]* [eM - Ef + (acL-RR) i + (RrjCO1LM) iM]⑷此处iKEF是理想参考电流。随后可以通过如下内容获得限制(LIM)到最大允许值 之后的参考电流iKEF:iEEP,LIM = LIM(iEEF)(10)此处还通过组合很多项来获得换流器电流参考，此处组合包括对这些项求和。该 和被进一步乘以第三因子[l/(aeL)]。此组合中使用的项是取决于换流器电流i的第一 项、取决于磁化电流iM的第二项、代表反电动势的第三项％以及作为电网电压前馈项的第 四项&。第二项和第三项此处与等式中一样，而第一项略有不同。第一项没有用于乘 以换流器电流的第一因子。然而此第一因子现在是(acL_RK)。应用等式(9)中的表达式时，可能在根据等式(10)的限制之后，还清楚控制信号 vKEF基于参考电流与换流器电流之差。该差此处进一步与第四因子(a eL)相乘。随后用乘 以第四因子的此差加上电网电压的前馈项的形式获得控制信号。电动势电压项可以提供为依赖于电网电压E的变量以及更特别地依赖于电网电 压参考与电网电压之差的变量。该差随后可以提供为电网电压参考与电网电压的绝对值之差。该差还可以进一步通过增益放大以及可以进行高通滤波。提供这种电动势项的激励器可以随后根据如下内容提供它[KE/(1+sTE)] * (Ekef-|E |)(11)其中，&是激励器增益，Te是激励器时间常数，Ekef是电网电压参考向量。此处既 可以自由设置增益又可以自由设置时间常数。可以例如把增益设置为一以上(涉及放大)、 一(不涉及放大)或者一与零之间(涉及衰减)的增益。如果把增益Ke选择为实数，则dq 坐标系将会大致对准电网电压。此处可以在归一化电网电压的十倍范围中有益地选取高激 励器增益，而时间常数的值可以是几百ms。以上等式(11)中的滤波器是一阶滤波器。此处应该认识到，可以替代地使用较高 阶的滤波器。在电网与电压源换流器之间的输出滤波器电感被实现为变压器的情况下，可 以通过变压器的面向换流器的一侧上提供的电压而非电网电压的绝对值来获得电网电压 的绝对值。以此方式，隐式同步机的电动态被仿真了并用于控制电压源换流器。可选地，还可以在电压源换流器的控制中仿真和使用隐式同步机的整体机械动 态。对于两极同步机，通过如下内容给出机械整体动态J' Clco1Alt = Pm-Pe (12)其中，J'是以角同步频率度量的总惯量，Pm是机械功率，S卩，来自涡轮机的功率，Pe 是电有源功率。CO1还被认为是控制装置在dq坐标系中的瞬间角度线频率，即，与“真实”同步机 中转子速度的直接对应性。为了仿真机械动态，根据本发明假设Pm瞬间可控，因此，机械功 率可以被选择为Pm = Pkef+Kg * (COkef-CO1)(13)其中，Peef是参考有源功率，Kg是调节器下降增益，是参考线频率，即，标称同 步频率。50Hz系统中的通常下降增益是Ke = 50倍的归一化电网电压，S卩，IHz频率偏差对 应于等于额定功率的功率偏差。合并(12)和(13)并求解Co1得到CO1= [l/(l+sj' /Kg)] * [qeef+(1/Kg) * (Peef-Pe) (14)这意味着电压源换流器的角度线频率被选择作为整体动态表达式的低通滤波，该 整体动态表达式此处包括参考线频率加上作为有源电功率比例控制器的项。作为比例控制 器的该项包括与参考有源功率与电有源功率之差相乘的因子(1/Ke)。该因子可被自由设置 并可以设置为在一与零之间(即，衰减)、一(即，对差没有影响)、或者一以上(即，放大)。 比例控制器项作为对主频率控制的贡献。如在等式(14)中可见，滤波器项取决于可设置的 总惯量Γ。可以自由选择所仿真的惯量和调节器下降增益，只要电压源换流器连接到具有充 足能量预留的能量源(例如，风力涡轮机)即可或者在图1中系统中的控制装置中的一个 控制装置使用上述控制而另一个控制装置控制直流链路电压并被连接到相当强大的电网。然而，如果图1中的两个控制装置均使用根据本发明原理的控制，则作为第一控 制装置的直流链路控制装置必须使用小Ke和很小的J'，以便获得输出被设置成Pkef的直流链路电压控制器的快速功率控制动作。随后可以对上述低通滤波后的整体动态表达式(即，角度线频率)进行积分以获 得控制信号vKEF被调整或变换的角度Q1以便把控制信号变换为静止参考坐标系。根据如下内容执行此变换vKEF,TK = exp(_j Q1)* vEEF(15)为了根据上述原理执行控制，可以根据本发明的优选实施例以图4中示意性示出 的大量控制单元的形式提供第二控制实体观。第二控制实体28包括第一减法单元40。第一减法单元40连接到激励器单元42， 激励器单元42继而连接到电动态单元44。电动态单元44连接到电流限制单元46。电流 限制单元46连接到电流控制单元48，电流控制单元48连接到变换单元50。还存在连接到调节器单元M的第二减法单元52。调节器单元M继而连接到加法 单元56，加法单元56继而连接到低通滤波单元58。低通滤波单元58连接到积分单元60， 积分单元60最终连接到变换单元50。图4中的各种单元全部执行由上述等式示出的活动以及现在还将参照图5和图6 简短描述，图5示出了图4中的单元40-48执行的大量方法步骤的流程图，图6示出了图4 中的单元50-60执行的大量方法步骤。第一减法单元40接收电网电压E的绝对值|E|以及电网电压参考Ekef并从该参考 Ekef中减去电网电压E的绝对值|E|，步骤62。该差随后提供给激励器单元42，激励器单元 42运行并确定反电动势项％。该项此处是通过放大(Ke)该差和对差进行滤波(l+sTE)(步 骤64)(即，通过执行等式(11)中的活动)确定的。随后把反电动势％提供给电动态单元 44，电动态单元44还接收换流器电流i的测量值。电动态单元44此处通过应用微分方程 (5)来确定换流器电流i与磁化电流im之间的关系，步骤66。电动态单元44还组合依赖于 换流器电流的第一项、依赖于磁化电流的第二项、代表反电动势的第三项％以及用于获得 换流器电流参考值iKEF的第四前馈电压项4，步骤68。此处根据等式(9)执行此组合。此 换流器电流参考值iKEF随后被转发给电流限制单元46，步骤70，电流限制单元46运行并根据 等式(10)限制换流器电流参考值，以及把此限制后的电流值iKEF,UM发送给电流控制单元48。 电流控制单元48随后如等式(6)中规定的基于限制后的电流参考iKEF,UM与换流器电流i之 差根据电流控制法则生成控制信号vKEF。控制信号vKEF随后被提供给变换单元50。如上所述，可以略去电流限制过程。这意味着可以略去限制单元46和电流控制单 元48。在此情形中，电动态单元44可以直接连接到变换单元50或者直接提供PWM电路的 控制信号。然而，电动态单元44仍将会根据等式( 确定换流器电流i与磁化电流、之 间的关系。然而在此情形中，电动态单元44将会通过使用等式(4)确定控制信号vKEF但是 不通过使用等式(9)确定换流器电流参考值iKEF。为了能够调整控制信号vKEF，第二减法单元52接收参考有源功率Pkef和电有源功 率I3e并从参考有源功率Pkef中减去电有源功率PE，步骤74。第二减法单元52随后把该差 提供给调节器单元M，调节器单元M运行以及通过把该差与1/Ke相乘来衰减此差。此衰 减后的差(Pkef-Pe)/Ke随后被提供给加法单元56。加法单元56还接收参考线频率ω-。加 法单元56随后把参考线频率ωΚΕΡ与衰减后的差相加，步骤78，并把总和转发给低通滤波 单元58，低通滤波单元58运行以及使用J' /Kg作为滤波器项对从加法单元接收到的该总和进行低通滤波以便获得角度线频率Q1，步骤80。角度线频率Q1随后被转发给积分单元 60，积分单元60对角度线频率《工进行积分以便获得角度G1，步骤82。角度91随后被发 送给变换单元50，变换单元50根据等式(1 通过角度θ i调节或变换控制信号vKEF以获 得调整后的控制信号vKEF, τκ。调整后的控制信号vKEF,τκ随后从控制实体28发送给相应的PWM电路32，PWM电路 32运行并控制电压源换流器20。以此方式，提供电压源换流器的控制。类似类型的控制当然也可以被第一电压源 换流器上的第一控制装置应用，原因是第一控制实体包括与第二控制实体同样类型的控制 单元。此控制如上所述有助于第二电网的电压控制。随后可以通过来自电压源换流器的无 功功率的引入对抗电网电压量值的减小。本发明具有大量更多益处。它无论电网特性如何均提供稳定性。这是重要的，因 为常常需要无论电网强度如何以及无论连接到在电学上靠近电压源换流器的电网的其它 换流器、机器和负载的动态如何均维持电网的稳定性。这还可以应用于无源电网。本发明 还允许可以在稳定状态中在某个参考维持的有源功率控制。此外它有助于主频率控制。如 果存在过量的功率容量则线频率的轻微减小应该引起从电压源换流器引入电网的有源功 率的增加。类似地，线频率的轻微增加导致电压源换流器输出功率的减小。以上已描述的电压源换流器控制的类型还有望用于包括风场应用的与弱或无源 电网相关的使用。控制装置的调节随后相比于常规控制装置而言会变得更加简单直接和耐 用，因为可以依赖广泛的同步机的控制和动态中的经验。可以通过A/D转换单元从检测单元获得用于控制实体中进行控制的测量值。类似 地，可以对去往PWM电路的控制信号进行D/A转换。此外可以容易地通过以上述方式检测 的电流和电压确定输出功率。可以通过逻辑电路的形式提供本发明的控制实体。这意味着可以通过逻辑电路的 形式提供控制单元。然而，优选地以软件的形式提供控制实体。这意味着可以在控制装置 中提供这种软件或计算机程序代码，该控制装置可以是包括一个或更多处理器以及存储计 算机程序代码的相关联程序存储器的控制计算机。随后把此一个或更多处理器设置为执行 由程序代码概述的控制实体的活动。还可以在当加载到这种控制计算机中时、将会执行控 制实体的功能的数据载体上提供计算机程序代码。数据载体可以是如同CD ROM盘或记忆 棒的可移动数据载体。数据载体还可以是可以经由计算机网络把计算机程序代码从其加载 到控制计算机上的服务器。存在与已经提到的这些不同的对本发明做出的大量可能变化。以上把控制装置描 述成包括PWM电路。应该认识到，这可以提供为单独实体以及不需要包括在本发明的装置 中。另外A/D和D/A单元可以提供为单独实体。在其最简单的形式中，控制装置可以只包 括上述控制实体。本发明不限于PWM，而是可以构思控制电压源换流器的其它方式。由于隐 式同步机模型的整体机械结构的使用是可选的，所以还显然控制装置不需要包括任何功率 确定单元。同理，控制实体也不需要具有任何第二减法单元、调节器单元、加法单元、低通滤 波单元、积分单元和变换单元。根据以上讨论，显然可以通过众多方式使本发明变化。因此应该认识到，本发明仅 由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种用于控制连接到电网(12;24)的电压源换流器(16;20)的方法，包括以下步骤-检测(34)所述电网与所述电压源换流器之间的接口的至少一个电属性(E，i)，以及-通过以下方式来控制(39)所述电压源换流器(16 ；20)使用通过(38)隐式同步机 的电模型到所述电压源换流器的电模型上的映射获得(38)的控制信号(vKEF,TK)以及在所 述映射的模型中应用所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之间的接口的电属性，其 中，所述隐式同步机的电模型反映该同步机的电动态。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述映射包括把在所述电压源换流器的电模型中 的面向所述电网的滤波器电感(L)设置为等于所述同步机模型的总漏感(L。)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所检测到的至少一个电属性包括在所述电网与 所述电压源换流器之间行进的换流器电流(i)，所述映射包括把所述换流器电流设置为等 于所述同步机模型的定子电流(is)，所述控制步骤包括把示出定子电流(is)与经过所述同 步机模型的磁化电感(U的磁化电流(iM)之间的关系的微分方程应用(66)到所述换流器 电流⑴上。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述控制步骤包括使用通过组合(68)依赖于所述 换流器电流(i)的第一项、依赖于所述磁化电流(iM)的第二项以及代表所述同步机模型的 可变反电动势的第三项(eM)获得的控制信号(vKEF,TK)来控制所述电压源换流器。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述控制步骤包括组合(68)所述第一项、第二项和 第三项以便获得换流器电流参考值(iKEF)，其中，所使用的控制信号取决于(72)所述换流 器电流参考值与所述换流器电流之差。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之间 的接口的一个电属性是电网电压(E)，所述组合步骤(68)还涉及组合所述电网电压的前馈 项(Ef)以便获得所述换流器电流参考值，所述控制信号还取决于所述电网电压的前馈项 F)。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，所述控制步骤包括限制(70)所述换流器电流参考值。
8.如权利要求4-7中任一项所述的方法，其中，所检测到的在所述电网与所述电压 源换流器之间的接口的一个电属性是电网电压(E)，所述控制步骤包括基于电网电压参考 (Eeef)与绝对电网电压(|E|)之差(62)来确定(64)代表所述反电动势的第三项。
9.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述控制步骤包括应用(38)所述隐式同步 机的整体机械动态的仿真以便调整所述控制信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中，应用整体机械动态的仿真包括使用低通滤波项 对整体动态表达式进行低通滤波(80)以及应用(82，84)低通滤波后的项以便调整所述控 制信号，所述整体动态表达式包括参考线频率(ωKEF)，所述低通滤波项包括取决于机械动 态的能够设置的总惯量的项。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括确定(36)所述电压源换流器的电有源功率 (Pe)的步骤，所述应用整体机械动态的仿真涉及提供(76)与参考有源功率(Pkef)和所述电 有源功率(Pe)之差成比例的项以用于所述整体动态表达式中。
12.如权利要求10或11所述的方法，进一步包括以下步骤对低通滤波后的整体动态表达式进行积分(8 以便获得所述控制信号要被调整的角度(θ》。
13.一种用于控制连接到电网(12 ；24)的电压源换流器(16 ；20)的装置(25 ；26),括-第一输入，用于接收所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之间的接口的至少 一个电属性(E，i)，以及-控制实体⑶；观)，被布置成通过以下方式来控制所述电压源换流器(16 ；20)通过 使用隐式同步机的电模型到所述电压源换流器的电模型上的映射获得的控制信号(vKEF,TK) 以及在所述映射的模型中应用所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之间的接口的 电属性，其中，所述隐式同步机的电模型反映该同步机的电动态。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述映射包括把在所述电压源换流器的电模型 中的面向所述电网的滤波器电感(L)设置为等于所述同步机模型的总漏感(L。)。
15.如权利要求13或14所述的装置，其中，所检测到的在所述电网与所述电压源换流 器之间的接口的至少一个电属性是在所述电网与所述电压源换流器之间行进的换流器电 流(i)，所述映射包括把所述换流器电流(i)设置为等于所述同步机模型的定子电流(is)， 所述控制实体08)被进一步布置为当控制所述电压源换流器时，把示出所述定子电流 (is)与经过所述同步机模型的磁化电感(U1)的磁化电流(iM)之间的关系的微分方程应用 到所述换流器电流(i)上。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述控制实体在被布置成控制所述电压源换流 器时被布置成使用通过组合依赖于所述换流器电流(i)的第一项、依赖于所述磁化电流 (i )的第二项以及代表所述同步机模型的可变反电动势的第三项(eM)获得的控制信号 (vEEF,TE)来控制所述电压源换流器。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述控制实体08)包括电动态单元(44)，被 布置成组合所述第一项、第二项和第三项以便获得换流器电流参考值(iKEF)；以及电流控制 单元(48)，被布置成基于所述换流器电流参考值与所述换流器电流之差来提供所述控制信 号。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之 间的接口的一个电属性是电网电压(E)，所述电动态单元04)在被布置成执行所述组合时 被布置成还组合所述电网电压的前馈项(Ef)以便获得所述换流器电流参考值，所述电流控 制单元G8)被布置成还基于所述电网电压的前馈项(Ef)来提供所述控制信号。
19.如权利要求17或18所述的装置，进一步包括被布置成限制所述换流器电流参考值 的电流限制单元G6)。
20.如权利要求16-19中任一项所述的装置，其中，所检测到的在所述电网与所述电压 源换流器之间的接口的一个电属性是电网电压(E)，以及所述装置进一步包括激励器单元 (42)，被布置成基于电网电压参考(Ekef)与绝对电网电压(IEI)之差来确定代表所述反电 动势的第三项。
21.如权利要求13-20中任一项所述的装置，其中，所述控制实体在被布置成控制所述 电压源换流器时被进一步被布置成应用所述隐式同步机的整体机械动态的仿真以便调整 所述控制信号。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述控制实体包括低通滤波单元(58)，具有被布置成对整体动态表达式进行低通滤波的低通滤波项，所述整体动态表达式包括参考线频 率(ωΚΕΡ)，所述低通滤波项包括取决于机械动态的能够设置的总惯量的项，所述控制实体 被进一步布置成应用低通滤波后的项以便调整所述控制信号。
23.如权利要求22所述的装置，其中，所述控制装置进一步包括功率确定单元30)，被布置成确定所述电压源换流器的电有源功率(Pe)，所述控制实体包括调节器单元 (M)，所述调节器单元(54)被布置成提供与参考有源功率(Pkef)和所述电有源功率(Pe)之 差成比例的项以被所述低通滤波单元(58)用于所述整体动态表达式中。
24.如权利要求22或23所述的装置(10')，其中，所述控制实体进一步包括积分器单 元(60)，所述积分器单元(60)被布置成对低通滤波后的整体动态表达式进行积分以便获 得所述控制信号要被调整的角度(θ D。
25.如权利要求M所述的装置(10')，其中所述控制实体还包括变换单元(50)，所述 变换单元(50)用于以所述角度调整所述控制信号。
26.一种在数据载体上提供的计算机程序产品，用于控制连接到电网(12;24)的电压 源换流器(16 ；20)，所述计算机程序产品包括计算机程序代码以使得控制装置05 ；26)在 所述代码被加载到所述控制装置中时执行-接收所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之间的接口的至少一个电属性(E， i)，以及-通过以下方式来控制所述电压源换流器(16;20)通过使用隐式同步机的电模型到 所述电压源换流器的电模型上的映射获得的控制信号(vKEF,TK)以及在所述映射的模型中应 用所检测到的在所述电网与所述电压源换流器之间的接口的电属性，其中，所述隐式同步 机的电模型反映该同步机的电动态。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制连接到电网(12；24)的电压源换流器(16；20)的方法、装置和计算机程序产品。该装置(25；26)包括第一输入，用于接收所检测到的在电网与电压源换流器之间的接口的至少一个电属性(E，i)，以及控制实体(27；28)，被布置成通过以下方式来控制电压源换流器(16；20)通过使用隐式同步机的电模型到电压源换流器的电模型上的映射获得的控制信号(vREF，TR)以及在所述映射的模型中应用所检测到的在电网与电压源换流器之间的接口的电属性，其中，隐式同步机的电模型反映该同步机的电动态。
文档编号H02P9/02GK102132487SQ200880130901
公开日2011年7月20日 申请日期2008年8月26日 优先权日2008年8月26日
发明者伦纳特·哈内福什 申请人:Abb技术有限公司