采用电流限制的电压源变换器的制作方法

文档序号:13426471
采用电流限制的电压源变换器的制作方法

本发明涉及电压源变换器。



背景技术:

在电力传输网络中,交流(AC)电通常被变换成直流(DC)电以经由架空线和/或海底电缆传输。这种变换消除了补偿由传输线或电缆施加的AC电容负载效应的需要,从而降低每千米电线和/或电缆的成本。当电力需要在远距离传输时,从AC到DC的变换因此变成成本有效的。

AC到DC电的变换还用在需要互连以不同频率操作的AC网络的电力传输网络中。在任何这种电力传输网络中,在AC和DC电的每个接口需要变换器以实现所需的变换。



技术实现要素:

根据本发明的一方面,提供了一种电压源变换器,包括:

在两个端子之间延伸的变换器臂,每个端子可连接至一个或相应的电力网络,所述变换器臂包括阀,所述阀包括至少一个模块,所述或每个模块可操作以选择性提供电压源;以及

控制器,所述控制器被编程以选择性操作所述阀,以钳制在所述两个端子的任一个或两个处的电压,从而将所述阀作为电流限制器操作,以将在所述变换器臂中流动的选择的电流限制在或低于固定或可变的电流阈值。

使用中,变换器臂中包括阀实现了电压源变换器的控制以执行电压源变换操作。在电压源变换操作期间,在变换器臂中流动的电流可能提高到超过其正常操作水平或范围,因此导致变换器臂中的过电流。在变换器臂中流动的电流的上升可能例如由关联的电力网络中的故障或干扰引起,或者由变换器臂中的部件故障或劣化引起。

变换器臂中过电流的可能性降低了预期寿命,提高了不仅变换器臂部件(例如开关元件)还有连接至变换器臂的其它设备(例如电力传输电缆)的破坏风险。此外,变换器臂中过电流的存在可能提高变换器臂部件的温度,因此不利地影响其性能。

根据本发明在电压源变换器中包括控制器实现了选择性限制在变换器臂中流动的电流,以确保在变换器臂中流动的电流被限制在或低于固定的或可变的电流阈值。这不仅提高了变换器臂部件和连接至变换器臂的其它设备的预期寿命和可靠性,还防止可能不利地影响其性能的变换器臂的温度的上升。

此外,当阀形成变换器臂的一部分时,将阀用作电流限制器实现了对需求的快速响应以限制在变换器臂中流动的电流。

而且,根据本发明在电压源变换器中包括控制器消除了安装单独的电流限制设备以实现选择性限制在变换器臂中流动的电流的需要,因此允许优化电压源变换器的成本、大小和重量。

固定的或可变的电流阈值可以被定义、计算、仿真、估计,或者基于在电压源变换操作之前或期间的观察。

在本发明的实施例中,所述控制器可以被编程以响应于所述选择的电流达到或超过所述电流阈值,将所述阀作为电流限制器操作。通过配置所述控制器以响应于所述选择的电流达到或超过电流阈值的事件,所述控制器能够在需要出现时自动地将所述阀作为电流限制器操作。

为了确定选择的电流是否已经达到或超过电流阈值,可以通过阀、变换器臂、电压源变换器或连接至电压源变换器的其它设备(例如变压器)直接地或间接地测量、估计或观察选择的电流。

如上文提到的,在变换器臂中流动的电流的增大例如可能由关联的电力网络中的故障或干扰引起。在本发明的实施例中,所述控制器可以被编程以在电力网络或者在任一个或两个电力网络中的故障或干扰出现期间将阀作为电流限制器操作。这防止由于故障或干扰的出现引起的高故障电流在变换器臂中流动。

以此方式,根据本发明在电压源变换器中控制器的加入给电压源变换器提供了故障和干扰跨越能力。这允许电压源变换器在某些故障和干扰条件下在故障或干扰周期中执行电压源变换操作,并且能够在其它故障和干扰条件下,使电压源变换器快速恢复到正常操作状态。

在故障或干扰出现期间将阀作为电流限制器操作的能力允许电压源变换器在故障或干扰期间继续执行电压源变换操作。例如,所述控制器可以被编程以在所述阀作为电流限制器操作时,选择性操作所述变换器臂,从而在所述两个端子之间传递功率。否则,需要在故障或干扰期间阻断变换器臂,以便限制在变换器臂中流动的电流,从而防止电压源变换器执行电压源变换操作,因此给依赖电压源变换器工作的终端用户带来不便。

在故障或干扰出现期间将阀作为电流限制器操作的能力消除了在故障或干扰期间有源控制在变换器臂中流动的电流的必要。在变换器臂中流动的电流的此有源控制可能难以执行,要求使用复杂的控制算法。

而且,在故障或干扰出现期间将阀作为电流限制器操作的能力消除了降低变换器臂部件的寿命预期以考虑在电压源变换操作期间故障或干扰出现的可能性的必要。

要认识到,在除了在电力网络中或者在任一个或两个电力网络中故障中干扰的出现之外的其它事件期间,或者甚至在变换器臂中没有可能出现过电流时,阀可以作为电流限制器操作。

所述或每个电力网络可以是AC或DC电力网络。相应地,根据本发明的电压源变换器可以是AC-DC、DC-AC、AC-AC或DC-DC 电压源变换器。

所述电压源变换器的拓扑可以根据关联的电力应用的需求变化。

例如,在本发明的实施例中,所述电压源变换器可以包括:

用于连接至第一电力网络的第一和第二端子;以及

在所述第一和第二端子之间延伸的相分支,所述相分支包括由第三端子隔开的第一和第二相分支部分,每个相分支部分在所述第三端子和所述第一和第二端子中的相应一个之间延伸,所述第三端子可连接至第二电力网络,所述第一和第二相分支部分中任一或两个为变换器臂的形式,

其中,所述控制器被编程以选择性操作所述或每个阀以钳制在所述第三端子和所述第一和第二端子的对应一个中的任一或两个处的电压,从而将所述或每个阀作为电流限制器操作,以将在所述或相应的变换器臂中流动的选择的电流限制在或低于固定或可变的电流阈值。

每个相分支部分的配置可以根据电压源变换操作的需求变化。例如,每个相分支部分可以包括以下的任何一个:至少一个开关元件;至少一个电抗器;可操作以提供电压源的至少一个模块;或其组合。

在本发明的实施例中,所述控制器可以被编程以选择性操作所述或每个阀,以钳制在所述第三端子和所述第一和第二端子的相应一个中的任一或两个处的电压,从而将所述或每个阀作为电流限制器操作,将在所述相分支中流动或流入相分支中的选择的电流限制在或低于固定或可变的电流阈值。这允许与只在变换器臂中流动的电流相对,选择性限制流入整个相分支中的电流。

所述电压源变换器可以包括多个相分支。

在所述电压源变换器包括多个相分支的实施例中,所述控制器可以被编程以选择性操作每个阀,从而钳制在所述第三端子和所述第一和第二端子的相应一个中的任一或两个处的电压,从而将每个阀作为电流限制器操作,将在所述多个相分支之间流动的选择的电流限制在或低于固定或可变的电流阈值。这允许与只在变换器臂或相分支中流动的电流相反,选择性限制在多个相分支之间流动的电流(例如通过多个相分支循环的电流)。

在本发明的另外的实施例中,所述控制器可以被编程以选择性操作每个相分支部分,从而当所述或每个阀作为电流限制器操作时,在所述第三端子和所述第一和第二端子的对应一个之间传递功率。同样地,即便在所述或每个阀作为电流限制器操作期间,电压源变换器能够执行电压源变换操作。

在电压源变换器包括多个相分支的实施例中,每个相分支的第三端子可以可连接至多相AC电力网络的相应相。

在本发明的又一些另外的实施例中,所述控制器可以被编程以处理至少一个电压参数,从而生成用于将所述或每个阀作为电流限制器操作的钳制电压命令信号。在这些实施例中,所述或每个电压参数可以从包括以下的组中选择:在所述第三端子处的电压;所述或每个变换器臂两端的电压;所述第二电力网络的电压;或者所述第二电力网络的电压和一个或多个谐波电压分量的组合。

所述或每个模块可以包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置,所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置组合以选择性提供电压源。

每个能量储存装置可以是能够存储或释放能量的任何装置,例如电容器或电池。

所述或每个模块可以是单向电压源,其能够提供零或非零电压,并且优选能够在两个方向传导电流,即所述或每个模块可以是2-象限单极模块。例如,所述或每个模块可以包括以半桥布置与能量储存装置并联连接的一对开关元件,以限定能够提供零或正电压并且能够在两个方向传导电流的2-象限单极模块。

所述或每个模块可以是双向电压源,其能够提供负、零或正电压,并且优选能够在两个方向传导电流,即所述或每个模块可以是4-象限双极模块。例如,所述或每个模块可以包括以全桥布置与能量储存装置并联连接的两对开关元件,以限定能够提供负、零或正电压并且能够在两个方向传导电流的4-象限双极模块。

所述或每个阀可以包括2-象限单极模块和4-象限双极模块的组合。

根据本发明的所述或每个阀的模块化布置意味着直接增大或降低所述或每个阀中模块的数目,以实现期望的额定值。

每个开关元件可以是自换向开关元件,比方说例如绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅极晶体管或集成门极换向晶闸管。

每个开关元件可以是自然换向的开关元件,比方说例如晶闸管或二极管。

要理解,在相分支部分的任一或两个都包括至少一个开关元件的实施例中,控制器能够通过或者向所述或每个开关元件发送接通或关断控制信号,或者通过操作所述或每个阀以控制在第三端子处电压波形的配置,控制相应的相分支部分的所述或每个开关元件的开关,从而根据使用的开关元件的类型选择性使所述或每个开关元件开关。

根据本发明的电压源变换器的应用包括:

●背靠背变换器;

●线间变换器;

●岸上和离岸风场;

●多端子DC电力网络,例如DC电网;

●电解;

●柔性AC传输系统装置;

●滤波设备;

●太阳能、火车、地下铁道、地铁站;

●频率变换站(例如50Hz到60Hz变换站);

●AC-DC、DC-AC、AC-AC、DC-DC变换,例如用于火车领域,用于汽车、自行车和卡车领域,用于港口领域,用于民用或军用船只领域,用于航天和用于飞机领域,用于军事领域,用于可再生能量,用于核能,用于化石能。

要认识到,使用术语“第一”和“第二”描述本发明的特征只旨在帮助区分类似的特征(例如第一和第二相分支部分),不旨在指示一个特征相对另一特征相对重要。

附图说明

现在通过非限制性示例,参照附图描述本发明的优选实施例,图中:

图1以示意形式示出根据本发明的实施例的电压源变换器;

图2以示意形式示出4-象限双极模块的结构;

图3以示意形式示出2-象限单极模块的结构;

图4以示意形式图解说明在AC电力网络中故障的出现;

图5以示意形式示出在DC电力网络的每一极故障的出现;

图6和7以示意形式图解说明分别在图4和5的故障出现期间图 1中所示的阀作为电流限制器的操作;

图8和9组合示出控制器的第一拓扑;

图10和11组合示出控制器的第二拓扑;

图12示出控制器的第三拓扑;

图13示出控制器的第四拓扑;

图14示出控制器的第五拓扑;

图15和16组合示出控制器的第六拓扑;

图17到20组合示出控制器的第七拓扑;

图21示出控制器的第八拓扑;

图22到27组合示出控制器的第九拓扑;

图28以示意形式示出控制器的第一仿真拓扑;

图29以示意形式示出控制器的第二仿真拓扑;

图30以示意形式示出在AC电力网络的一相中故障的出现;

图31以示意形式示出在AC电力网络中的一相中故障的出现期间阀作为电流限制器的操作;以及

图32到35图解说明基于图28和29所示的第一和第二仿真拓扑的仿真结果。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的实施例的电压源变换器。

电压源变换器30包括第一和第二DC端子32、34和多个相分支 36。为了简单目的,图1只示出多个相分支36中的一个,但要理解其它相分支36中的每一个在结构上与图1中所示的相分支36相同。

每个相分支36在第一和第二DC端子32、34之间延伸。每个相分支36包括由第三端子42隔开的第一和第二相分支部分38、40。在所示的实施例中,第一相分支部分38在第一DC端子32和第三端子 42之间延伸,第二相分支部分40在第二DC端子34和第三端子42 之间延伸。

使用中,第一和第二DC端子32、34分别连接至DC电力网络 44的正极和负极,DC电力网络44的正和负端子分别承载VDC_top和 VDC_bottom的电压,每个相分支36的第三端子42经由变压器48连接至多相AC电力网络46的相应相,变压器48在图1中表示为变压器电感。

设想在本发明的其它实施例中,电压源变换器可以具有单个相分支或不同的多个相分支以匹配电压源变换器所连接的AC电力网络的相数。

第一和第二相分支部分38、40分别是第一和第二变换器臂38、 40的形式。每个变换器臂38、40包括阀58。每个阀58包括多个串联连接的模块60。每个模块60包括两对开关元件和为电容器形式的能量储存装置。在每个模块60中,两对开关元件与电容器以全桥布置并联连接,以限定4-象限双极模块60,该4-象限双极模块60能够提供零、负或正电压,并且能够在双方向传导电流,如图2中所示的。

设想在本发明的其它实施例中,每个模块60可以是能够提供零或正电压的单方向电压源。这种模块60优选能够在双方向传导电流,即每个模块60可以是2-象限单极模块60。例如,每个模块60可以包括以半桥布置与能量储存装置并联连接的一对开关元件,以限定2-象限单极模块60,该2-象限单极模块60能够提供零或正电压,并且能够在双方向传导电流,如在图3中所示的。

设想在本发明的另外的其它实施例中,每个阀可以包括2-象限单极模块和4-象限双极模块的组合。

每个模块60的每个开关元件由为绝缘栅双极晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成,IGBT与反并联二极管并联连接。设想在本发明的其它实施例中,每个模块60的每个开关元件可以是不同的开关器件,诸如门极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强门极晶体管、集成栅换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件。

设想在本发明的其它实施例中,电容器可以由能够储存并释放能量的另一能量储存装置例如电池代替。

通过改变开关元件的状态,每个模块60的电容器被选择性绕过或插入到对应的阀58中。这选择性引导电流通过电容,或者使电流绕过电容器,所以每个模块60提供零、负或正电压。

当每个模块60中的各对开关元件被配置成在模块60中形成短路时,每个模块60的电容器被绕过,从而使短路绕过电容器。这使阀 58中的电流通过短路部分,并绕过电容器,所以模块60提供零电压,即模块60被配置在旁路模式中。

当每个模块60中的各对开关元件被配置成使阀58中的电流流入并流出电容器时,每个模块60的电容器被插入到阀58中。电容器然后充电或放掉其存储的能量,以便提供非零电压,即模块60被配置在非旁路模式中。每个模块60的开关元件的全桥布置允许配置开关元件,以使电流在任一方向流入和流出电容器,所以每个模块60可以被配置成在非旁路模式中提供负或正电压。

以此方式,每个模块60可操作以选择性提供电压源。

通过插入多个模块60的电容器,每个模块将其自己的电压提供到每个阀58中,可以在每个阀58两端建立组合电压,该组合电压比其个别模块60的每一个可用的电压要高。

电压源变换器30还包括控制器62,控制器被编程为通过控制每个模块60中开关元件的开关,操作每个阀58。更具体地,控制器62 生成相应的电压命令信号Vbe_top、Vbe_bottom,以操作每个阀58,在其两端生成阀电压Vvalve_top、Vvalve_bottom。每个电压命令信号Vbe_top、Vbe_bottom是相应的阀电压Vvalve_top、Vvalve_bottom的像,由DC电压分量和AC电压分量组成。

如下参照图4到35描述图1的电压源变换器30的操作。

出于本说明书的目的,主要参照其多个相分支36中的一个描述电压源变换器30的操作。要认识到,描述的电压源变换器30的多个相分支36中一个的操作加以必要的改动适用于其它相分支36中每一个的操作。

在控制电压源变换器30执行电压源变换操作的期间,控制器62 控制每个模块60的开关元件的开关,以选择性提供电压源,从而修改相应阀58的阀电压Vvalve_top、Vvalve_bottom。这使得能够控制第三端子 42的AC电压的配置,以允许AC和DC电力网络46、44的互连,从而实现电力在AC和DC电力网络46、44之间的传输。

出于本说明书的目的,假设每个阀58中模块60的电容器的电压是平衡的,每个变换器臂38、40有无穷个数的模块60,假设每个模块60中开关元件的开关频率是无穷的,以在第三端子42提供完美的正弦AC电压。因此,每个变换器臂38、40能够由与电抗器串联的等效电压源表示,如图1中所示的。

每个相分支36的电气特性由以下等式给出:

iDC_top=iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iDC_bottom=-iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iL_transf=lDC_top-iDC_bottom

2*iDC_Bus/n_phase=iDC_top+iDC_bottom

Vnet.MTransfo_Model=Vtransf+Vconv=iL_transf.Ltransf+Vconv=(iDC_top-iDC_bottom)Ltransf+Vconv

其中,iDC_top是在第一变换器臂38中流动的电流;

iDC_bottom是在第二变换器臂40中流动的电流;

iL_transf是在变压器48中流动的电流;

iDC_Bus是在第一和第二DC端子32、34中流动的电流;

n_phase是相分支36的数目;

Vnet是AC电力网络46的AC电压;

MTransfo_Model是变压器48的匝数比;

Vtransf是变压器48两端的AC电压;

Vconv是在第三端子42处的AC电压(即,电压源变换器30和变压器48之间的电压);

Ltransf是变压器48的电感;

RLimb_top是第一变换器臂38的电阻;

RLimb_bottom是第二变换器臂40的电阻;

LLimb是相应的变换器臂38、40的电感;

VDC_top是第一DC端子32处的DC电压;

VDC_bottom是第二DC端子34处的DC电压。

在电压源变换操作中,由于在关联的电力网络44、46中的故障或扰动,在每个变换器臂38、40中流动的电流可能增大到超过其正常操作水平或范围,因此导致每个变换器臂38、40中的过电流。

图4以示意形式图解说明在AC电力网络46中故障的出现。图5 以示意形式图解说明在DC电力网络44的每一极故障的出现。要认识到,故障可能只出现在DC电力网络44的一个极。

每个变换器臂38、40中过电流的可能性降低了预期寿命,提高了不仅变换器臂组件还有连接至每个变换器臂38、40的其它设备(例如电力传输电缆)的破坏风险。此外,每个变换器臂38、40中过电流的存在可能提高变换器臂组件的温度,从而不利地影响其性能。

在关联的电力网络44、46中出现故障或扰动期间,控制器62将每个阀58作为电流限制器操作,以将在相应的变换器臂38、40中流动的选择的电流,流入相分支36中的选择的电流和/或在多个相分支 36的两个或三个之间循环的选择的电流限制在处于或低于固定或可变的电流阈值。更具体地,控制器62通过钳制钳制电压命令信号 Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp的AC电压分量,生成相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,以操作每个阀58,从而钳制在第三端子42和第一和第二端子32、34的相应一个中的任一或两者处的电压。根据相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp操作每个阀58使每个阀58形成电流源的等效,以限制选择的电流,如图6和 7中所示的,图6和7示意性图解说明分别在AC和DC电力网络46、 44中出现故障期间,阀58作为电流限制器的操作。

每个钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp的值取决于固定或可变的电流阈值的值,该值可以被定义、计算、仿真、估计或基于在电压源变换操作之前或期间的观察。

控制器62可以被编程以响应于选择的电流达到或超过电流阈值,将每个阀58作为电流限制器操作。通过配置控制器62对选择的电流达到或超过电流阈值的事件进行响应,控制器62变得能够在需要出现时自动地将每个阀58作为电流限制器操作。为了确定选择的电流已经达到或超过电流阈值,可以通过每个阀58,每个变换器臂38、 40,电压源变换器30或连接至电压源变换器30的其它设备直接地或者间接地测量、估计或观察选择的电流。

在电压源变换器30中包括控制器62,能够选择性限制在每个变换器臂38、40中流动的电流,以确保在每个变换器臂38、40中流动的电流被限制在或低于固定的或可变的电流阈值。这防止由于故障或干扰的出现引起高故障电流在每个变换器臂38、40中的流动。这不仅提高变换器臂组件和连接至每个变换器臂38、40的其它设备的预期寿命和可靠性,还防止变换器臂组件的温度升高,这可能不利地影响其性能。

此外,由于每个阀58形成相应的变换器臂38、40的一部分,阀 58用作电流限制器实现了对需求的快速响应,以限制在每个变换器臂 38、40中流动的电流。

而且,在电压源变换器30中包括控制器62消除了安装单独的电流限制设备以实现在每个变换器臂38、40中流动的电流的选择性限制的必要,因此允许优化电压源变换器30的成本、尺寸和重量。

以此方式,在电压源变换器30中包括控制器62为电压源变换器 30提供故障和扰动穿越功能。这允许电压源变换器30在某些故障和扰动条件(诸如AC电力网络46的一相中的故障或两相中的故障)下在故障或扰动周期中执行电压源变换操作,并且使得在其它故障和扰动条件(诸如AC电力网络46的所有三相中的故障)下电压源变换器 30快速恢复到正常操作状态。

在故障或扰动出现期间将阀58作为电流限制器操作的能力允许控制器62被编程为当相应阀58作为电流限制器操作时,操作变换器臂38、40以在第三端子42和第一和第二端子32、34的对应一个之间传递电力。同样,在故障或扰动出现期间将阀58作为电流限制器操作的能力允许电压源变换器30在故障或扰动期间继续执行电压源变换操作。否则,在故障或扰动期间需要阻断变换器臂38、40,以便限制在每个变换器臂38、40中流动的电流,因此防止电压源变换器 30执行电压源变换操作,从而给依赖电压源变换器30工作的终端用户带来不便。

在故障或扰动出现期间将阀58作为电流限制器操作的能力还消除了在故障或扰动期间有源控制在每个变换器臂38、40中流动的电流的必要。在每个变换器臂38、40中流动的电流的这种有源控制可能是难以执行的,要求使用复杂的控制算法。

而且,在故障或扰动出现期间将阀58作为电流限制器操作的能力消除了降低变换器臂组件的预期寿命,以考虑在电压源变换操作期间出现的故障或扰动的可能性的必要。

控制器62可以以各种方式被编程以使得其能够将每个阀58作为电流限制器操作,其示例如下描述。

在下面的每个示例中,在适用情况下,每个增益值KP和KC可以是任何固定值或任何动态值。例如,动态值可以是测量的电流和电流需求之间的差值的函数,和/或可以是实时的LLimb的函数,和/或AC 电力网络46的频率的函数。例如,KP=KC=2πfLLimb,其中,f是AC 电力网络46的基波频率。

示例1

图8示出控制器62的第一拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处生成将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax所需的钳制电压VAC_Clamp的值:

2.Vconv=2.Vnet-2.(iDC_top-iDC_bottom).Ltransf

其中,RLimb_top和RLimb_bottom被认为是零;

ILMax是在变压器48中流动的电流的电流阈值;

VAC_Clamp是将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值 ILMax所需的在第三端子42处的钳制电压的值。

以此方式,如图8中所示,控制器62在第三端子42处生成将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax所需的钳制电压值VAC_Clamp。如图9中所示,控制器62被编程以生成相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,以操作每个阀58,将在第三端子42处的AC电压钳制在钳制电压值VAC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,将流入相分支36中的选择的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax

要认识到,代替在钳制电压值VAC_Clamp的生成期间处理AC电力网络46的AC电压Vnet,控制器则是可以处理AC电力网络46的AC 电压Vnet和一个或多个谐波电压分量的组合,以便将每个阀58作为电流限制器操作,如图9中所示。

示例2

图10和11组合示出控制器62的第二拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处生成将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax所需的钳制电压的值VAC_Clamp

RLimb_top和RLimb_bottom也被认为是零。

图10中的第二拓扑不同于图8中的第一拓扑,在于控制器62被编程以通过处理第三端子42处的AC电压Vconv,而不是AC电力网络46的AC电压Vnet,生成钳制电压值VAC_Clamp

如图11中所示,控制器62被编程以生成相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,以操作每个阀58,将第三端子42处的 AC电压钳制在钳制电压值VAC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,将流入相分支36中的选择电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax

示例3

图12示出控制器62的第三拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第一和第二DC端子32、34两端生成将在相分支36中流动的电流限制在或低于电流阈值所需的钳制电压的值VDC_Clamp

VDC_Clamp=[Vbottom_valve(t)+Vtop_valve(t)]Clamp

其中,ILMax是在变压器48中流动的电流的电流阈值。

以此方式,如图12中所示,控制器62在第一和第二DC端子32、 34两端生成将在相分支36中流动的电流限制在或低于电流阈值ILMax所需的钳制电压值VDC_Clamp。控制器62被编程以生成用于操作每个阀 58的相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,将第一和第二DC端子32、34两端的DC电压钳制在钳制电压值VDC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,从而将在相分支36中流动的选择电流限制在或低于电流阈值ILMax

示例4

图13示出控制器62的第四拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处和第一和第二DC端子32、34两端生成将流入相分支36中的电流iL_transf和在相分支36中流动的电流限制在或低于相应的电流阈值ILmax、2*IDG_Max/n_phase所需的钳制电压的值 VAC_Clamp、VDC_Clamp

控制器62的第四拓扑是图9中所示的控制器62的第一拓扑和图 12中所示的控制器62的第三拓扑的组合。

以此方式,如图13中所示,控制器62在第三端子42处和第一和第二DC端子32、34两端生成将流入相分支36中的电流iL_transf和在相分支36中流动的电流限制在或低于相应的电流阈值ILmax、 2*IDC_Max/n_phase所需的AC和DC钳制电压值VAC_Clamp、VDC_Clamp。控制器62被编程以生成用于操作每个阀58的相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,将第三端子42处的AC电压钳制在AC 钳制电压值VAC_Clamp,将第三端子42处的DC电压钳制在DC钳制电压值VDC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,从而将流入相分支36中的电流iL_transf和在相分支36中流动的电流限制在或低于相应的电流阈值ILmax、2*IDC_Max/n_phase。

示例5

图14示出控制器62的第五拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处和第一和第二DC端子32、34两端生成将流入相分支36中的电流iL_transf和在相分支36中流动的电流限制在或低于相应的电流阈值ILmax、2*IDC_Max/n_phase所需的钳制电压的值 VAC_Clamp、VDC_Clamp

图14中的第五拓扑不同于图13中的第四拓扑在于控制器62的第五拓扑是图11中所示的控制器62的第二拓扑和图12中所示的控制器62的第三拓扑的组合。因此,控制器62被编程以通过处理在第三端子42处的AC电压Vconv而不是AC电力网络46的AC电压Vnet,生成钳制电压值VAC_Clamp,VDC_Clamp

以此方式,如图14中所示,控制器62在第三端子42处和第一和第二DC端子32、34两端生成将流入相分支36中的电流iL_transf和在相分支36中流动的电流限制在或低于相应的电流阈值ILmax、 2*IDC_Max/n_phase所需的AC和DC钳制电压值VAC_Clamp、VDC_Clamp。控制器62被编程以生成用于操作每个阀58的相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,将第三端子42处的AC电压钳制在AC 钳制电压值VAC_Clamp,将第三端子42处的DC电压钳制在DC钳制电压值VDC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,从而将流入相分支36中的电流iL_transf和在相分支36中流动的电流限制在或低于相应的电流阈值ILmax、2*IDC_Max/n_phase。

示例6

图15和16组合示出控制器62的第六拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处生成钳制电压的值VAC_Clamp,从而将在每个变换器臂38、40中流动的相应电流iDC_top、iDC_bottom限制在或低于电流阈值IMAX_IGBT

Vtop_arm=Vtop_valve+KP.(IMAX_IGBT-iLimb_top)

Vbottomn_arm=Vbottom_valve+KP.(IMAX_IGBT-iLimb_bottom)

iLimb_top=iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iLimb_bottom=-iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

以此方式,如图15和16中所示,控制器62在第三端子42处生成将在每个变换器臂38、40流动的相应电流iDC_top、IDC_bottom限制在或低于电流阈值IMAX_IGBT所需的钳制电压值VAC_Clamp。控制器62被编程以生成用于操作每个阀58的相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、 Vbe_bottom_Clamp,将第三端子42处的AC电压钳制在AC钳制电压值 VAC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作从而将在每个变换器臂38、40中流动的相应电流iDC_top,、IDC_bottom限制在或低于电流阈值IMAX_IGBT

示例7

图17到20组合示出控制器62的第七拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处生成将在多个相分支36之间循环的电流限制在或低于电流阈值Delta_ILMax所需的相应的钳制电压的值 VAC_Clamp_phaseA、VAC_Clamp_phaseB、VAC_Clamp_phaseC

iDC_top=iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iDC_bottom=-iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iDC_bottomA-iDC_topA=-iLA_transf

-lDC_bottomB+lDC_topB=lLB_transf

-iDC_bottomC+iDC_topC=iLC_transf

VAC_Clamp_phaseA_up1(t)=(Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLB_Transf)*KP+VAC_int_phaseB(t))

VAC_Clamp_phaseA_downl(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLB_Transf)*KP+VAC_int_phaseB(t))

VAC_Clamp_phaseAup2(t)=(Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLC_Transf)*KP+VAC_int_phaseC(t))

VAC_Clamp_phaseA_down2(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLC_Transf)*KP+VAC_int_phaseC(t))

VAC_Clamp_phaseA_Minup(t)={VAC_Clamp_phaseA_up1,VAC_Clamp_phaseA_up2}

VAC_Clamp_phaseA_Mindown(t)={VAC_Clamp_phaseA_downl,VAC_Clamp_phaseA_down2}

VAC_ClampphaseB_up1(t)=(Delta_ILMAX-(-iLB_transf+iLC_Transf)*KP+VAC_int_phaseC(t))

VAC_Clamp_phaseB_down1(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLB_transf+iLC_Transf)*KP+VAC_int_phaseC(t))

VAC_Clamp_phaseB_up2(t)=(Delta_ILMAX-(-iLB_transf+iLA_Transf)*KP+VAC_int_phaseA(t))

VAC_Clamp_phaseA_down2(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLB_transf+iLA_Transf)*KP+VAC_int_phaseA(t))

VAC_Clamp_phaseB_Minup(t)={VAC_Clamp_phaseB_up1,VAC_Clamp_phaseB_up2}

VAC_Clamp_phaseB_Mindown(t)={VAC_Clamp_phaseB_down1,VAC_Clamp_phaseB_down2} VAC_Clamp_phaseC_up1(t)=(Delta_ILMAX-(-iLC_transf+iLA_Transf)*KP+VAC_int_phaseA(t))

VAC_Clamp_phaseC_down1(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLC_transf+iLA_Transf)*KP+VAC_int_phaseA(t))

VAC_Clamp_phaseC_up2(t)=(Delta_ILMAX-(-iLC_transf+iLB_Transf)*KP+VAC_int_phaseB(t))

VAC_Clamp_phaseC_down2(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLC_transf+iLB_Transf)*KP+VAC_int_phaseB(t))

VAC_Clamp_phaseC_Minup(t)={VAC_Clamp_phaseC_up1,VAC_Clamp_phaseC_up2}

VAC_Clamp_phaseC_Mindown(t)={VAC_Clamp_phaseC_down1,VAC_Clamp_phaseC_down2}

其中,VAC_Clamp_phaseA_up和VAC_Clamp_phaseA_down一起限定关于相分支36 的第一个在第三端子42处的AC钳制电压VAC_Clamp_phaseA

VAC_Clamp_phaseB_up和VAC_Clamp_phaseB_down一起限定关于相分支36的第二个在第三端子42处的AC钳制电压VAC_Clamp_phaseB

VAC_Clamp_phaseC_up和VAC_Clamp_phaseC_down一起限定关于相分支36的第三个在第三端子42处的AC钳制电压VAC_Clamp_phaseC

VAC_int_phaseA、VAC_int_phaseB和VAC_int_phaseC是在相应的相分支36中循环的交流电。

以此方式,如图17到20所示,控制器62在每个第三端子42处生成将在多个相分支36之间循环的电流限制在或低于电流阈值 Delta_ILMax所需的钳制电压值VAC_Clamp。如图18到20中所示,控制器62被编程以生成用于操作每个阀58的相应的钳制电压命令信号 Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,从而将在第三端子42处的AC电压钳制在钳制电压值VAC_Clamp。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,从而将在多个相分支36之间循环的选择的电流限制在或低于电流阈值Delta_ILMax

示例8

图21示出控制器62的第八拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处和第一和第二DC端子32、34两端生成将在多个相分支36之间循环的电流限制在或低于电流阈值Delta_ILMax所需的相应的钳制电压的值VAC_Clamp_phaseA、VDC_Clamp_phaseA

iDC_top=iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iDC_bottom=-iL_transf/2+iDC_Bus/n_phase

iDC_bottomA-iDC_topA=-iLA_transf

-iDC_bottomB+iDC_topB=iLB_transf

-iDC_bottomC+iDC_topC=iLC_transf

VAC_Clamp_phaseA_up1(t)=(Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLB_Transf)*KP+VAC_int_phaseB(t))

VAC_Clamp_phaseA_down1(t)=(-Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLB_Transf)*KP+VAC_int_phaseB(t))

VAC_Clamp_phaseA_up2(t)=(Delta_ILMAX-(-iLA_transf+iLC_Transf)*KP+VACint_phaseC(t))

VAC_Clamp_phaseA_down2(t)=(-Delta-ILMAX-(-iLA_transf+iLC_Transf)*KP+VAC_int_phaseC(t))

VAC_Clamp_phaseA_Minup(t)={VAC_Clamp_phaseA_up1,VAC_Clamp_phaseA_up2}

VAC_Clamp_phaseA_Mindown(t)={VAC-Clamp-phaseA_down1,VAC_Clamp_phaseA_down2}

示例9

图22到27组合示出控制器62的第九拓扑,控制器62被编程以根据以下等式在第三端子42处生成将在多个相分支36之间循环的电流限制在或低于电流阈值Delta_ILMax所需的相应的钳制电压的值:

以此方式,如图22到27所示,控制器62在第三端子42处生成将在多个相分支36之间循环的电流限制在或低于电流阈值Delta_ILMax所需的钳制电压值。控制器62被编程以生成用于操作相分支36中的每个阀58的相应的钳制电压命令信号Vbe_top_Clamp、Vbe_bottom_Clamp,从而将在第三端子42处的AC电压钳制在相应的钳制电压值。以此方式,控制器被编程以将每个阀58作为电流限制器操作,从而将在多个相分支36之间循环的选择的电流限制在或低于电流阈值Delta_ILMax

仿真结果

图28以示意形式示出控制器62的第一仿真拓扑,其用来仿真在 AC电力网络46的一相中出现故障期间,在第三端子42处生成将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax所需的钳制命令值VAC_clamp。控制器62的第一仿真拓扑基于图10中所示的控制器62的第二拓扑。在第一仿真拓扑中,控制器62被编程以通过处理在第三端子42处的AC电压Vconv,生成钳制电压值VAC_Clamp

图29以示意形式示出控制器62的第二仿真拓扑,其用来仿真在 AC电力网络46的一相中出现故障期间在第三端子42处和第一和第二DC端子32、34两端将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax所需的钳制命令值VAC_clamp、VDC_clamp的生成。控制器62的第二仿真拓扑基于图14中所示的控制器62的第五拓扑。在第二仿真拓扑中,控制器62被编程以通过处理在第三端子42处的 AC电压Vconv,生成钳制电压值VAC_Clamp

图30以示意形式示出在AC电力网络46的一相中故障的出现。图31以示意形式示出在AC电力网络46的一相中出现故障期间相应的阀58作为电流限制器的操作以将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax

在仿真中,在故障期间,在第一和第二DC端子32、34中流动的电流IDC_MAX保持在额定值。

图32到35比较在相应的阀58作为和不作为电流限制器操作时,在AC电力网络46的一相中出现故障期间,在电压源变换器30的相分支36中流动的电流的行为。

图32到35中的仿真结果基于图1的电压源变换器30应用于 HVDC点对点配置时的仿真。在仿真中,在AC和DC电力网络44、46之间的功率流是720MW,DC端子32、34两端的DC电压VDC是 600kV,在DC电力网络44中流动的电流IDC_Bus是1200A。故障为单相接地故障的形式,并施加到AC电力网络24持续1秒。

图32图解说明在AC电力网络46的一相中出现故障期间,当阀 58作为电流限制器操作以将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax时,电压源变换器30的DC功率、流入第三端子 42中的电流ILA_transf和第一和第二DC端子32、34两端的电压的仿真。

图33图解说明在AC电力网络46的一相中出现故障期间,当阀 58不作为电流限制器操作以将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax时,电压源变换器30的DC功率、流入第三端子42中的电流ILA_transf和第一和第二DC端子32、34两端的电压的仿真。

图34图解说明在AC电力网络46的一相中出现故障期间,当阀 58作为电流限制器操作以将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax时,在第一和第二变换器臂38、40中流动的电流的仿真。

图35图解说明在AC电力网络46的一相中出现故障期间,当阀 58不作为电流限制器操作以将流入相分支36中的电流iL_transf限制在或低于电流阈值ILMax时,在第一和第二变换器臂38、40中流动的电流的仿真。

从图32可以看出,当相应的阀58作为电流限制器操作时,在 DC电力网络44中流动的电流IDC_Bus、在DC端子32、34两端的DC 电压VDC以及在DC电力网络44中的DC功率流是稳定的,处于控制中。从图35还可以看出,在故障之前、期间和之后,在第一变换器臂中的电流IDC_top处于控制中,没有任何显著的峰值电流。

同时,从图33可以看出,当相应的阀58不作为电流限制器操作时,在DC电力网络44中流动的电流IDC_Bus、在DC端子32、34两端的DC电压VDC以及在DC电力网络44中的DC功率流是不稳定的,相对不受控。此外,在DC电力网络44中的DC功率流包含零序振荡。从图35还可以看出,在故障之前、期间和之后,在第一变换器臂中的电流IDC_top是不稳定,相对不受控,具有会损坏变换器臂的任意显著的峰值电流。

要认识到,选择在所示的实施例中的电压源变换器30的拓扑以便只是帮助图解说明本发明的操作,电压源变换器30可以由具有不同拓扑的另一电压源变换器代替。还要认识到,选择如上文陈述的控制器62的拓扑以便只是帮助图解说明本发明的操作,控制器62可以由具有不同拓扑的另一控制器代替。

再多了解一些
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