使用本地可用参数进行独立有功和无功功率流控制的方法与流程

本发明是在由美国能源部授予的de-ar0000222的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

相关申请的交叉引用

本发明要求2015年8月14日提交的共同未决的美国临时专利申请序列号62/205,152的优先权日，通过引用在此明确地合并上述美国临时专利申请的全部公开内容。

本发明一般涉及功率控制装置，并且更具体地，涉及一种在功率控制装置中使用本地可用参数进行独立有功和无功功率流控制的方法。

背景技术：

可以通过各种配置，包括径向电网系统和网状电网系统，进行高压电力传输和分配。和径向电网系统相比，网状电网系统具有多种优点，包括更高的可靠性，尤其是在应急条件下。然而，除非能够有效控制网状电网系统，否则当分布式的、非计划的或间歇的替代能源连接到电网时，该网络可能无法处理关键传输线的拥塞。

已知的是在互连的同步电网之间提供功率控制装置，以减少拥塞、增加现有传输线的容量并提高稳定性。这种功率控制装置的示例在彭(peng)的pct国际公开号wo2013/126660中公开了。在该公开中，功率控制装置包括级联多电平逆变器(cmi)，配置和操作cmi使得可以完全去除变压器。通过减少或去除变压器，与例如仅使用统一功率流控制器(upfc)相比，功率控制装置可以更便宜、更小、响应更快(仅作为示例，可以实现1-2毫秒的动态性能响应)、效率更高、更轻、更可靠。这使得可以在新的和现有的电网设施中更广泛地使用功率控制装置。例如，功率控制装置可能非常适合于增加诸如风能和太阳能的可再生能源的渗透，这可能需要诸如高动态性能、轻重量、小尺寸和低成本等特性。

功率控制装置可以用作能量路由器，并且容易集成在现有的传输线上，以最大化通过电力线的功率流。作为示例，功率控制装置可用于从总线向特定传输线提供一定量的功率，例如100mw。使用功率控制装置可以增强电网稳定性，并且允许可再生能源发电的更快、更可靠的集成、开发和部署。仅作为示例，功率控制装置可用于调节和控制ac传输线上的功率流。在网状ac网络中，功率控制装置可用于防止功率环流，其有可能由于传输网络的过载造成严重的断电。另外，可以将功率控制装置设计为对功率因数具有最小的影响。

互连的同步电网之间需要功率控制装置，以减少拥塞、增加现有传输线的容量并提高稳定性。大多数情况下，这种互连通过架空传输线、陆上或水上的地下ac电缆或其组合进行。在这种互连的同步电网中，功率控制装置的位置通常可以由路权问题、陆地地理或其他因素决定。

在一个示例中，一个半岛上的变电站(substation)容纳两个用作功率控制装置的200mwhvdc转换器。一条138kv水下ac双回路电缆将该一个半岛上的变电站跨水连接到另一半岛上的变电站。在该示例中，功率控制装置放置在一个半岛上，但经由远离位于另一半岛的发送端的ac地下电缆连接(在半岛之间的水下互连)。

在另一示例中，三个100mw(300mw容量)变频变压器(vft)位于变电站互连之间。vft的目的是通过将功率从一端有效地路由到另一端来用作任一变电站之间的功率控制装置。vft位于一个变电站，通过345kv充油地下电缆(8500英尺)互连到另一变电站。在该示例中，使用vft来进行互连中的功率流控制，但vft远离接收端。

尽管这些技术可以有效地用作功率控制装置，但是它们有几个缺点。上述第一示例中使用的hvdc技术效率较低，设备额定功率较高。上述第二示例中使用的vft不是纯粹的电力电子选项，而是使用电机。该技术的效率和规模是主要问题。上述这些现有技术的主要限制是发送和/或接收端远离另一端。因此，本领域需要一种能够位于互连的同步电网上的任何地方的有效且按分数额定的(fractionally-rated)功率流控制器，这是需要解决的主要客户问题。

实现上述专利中的控制模块，可能导致较长的附加线或其他电路来检测远离功率控制装置的位置的参数。

另外，上述专利的权利要求25依赖于基于被命令的有功和无功功率来确定参考电压，以及控制第二cmi以创建跨过第二cmi的参考电压。但是，基于被命令的有功和无功功率的电压参考的精确计算需要关于接收端终端的和/或第二终端与接收端之间的阻抗的信息。

在pct国际公开号wo2013/126660中公开的无变压器统一功率流控制器，有资格用作按分数额定的功率控制装置，该按分数额定的功率控制装置基于gunasekaran，d.、杨水涛(shuitaoyang)、彭方正(fangzhengpeng)发表的“用于互连同步ac电网的按分数额定的无变压器统一功率流控制器(fractionallyratedtransformer-lessunifiedpowerflowcontrollersforinterconnectingsynchronousacgrids)”，应用电力电子会议及展览会(apec)，2015年ieee，卷，期，第1795、1799页，2015年3月15-19日，数字对象标识符(doi)：10.1109/apec.2015.7104590。

技术实现要素：

因此，本发明提供了一种用于在传输线的第一终端和第二终端之间提供的功率控制装置中的不感测端电压的独立有功和无功功率流控制的方法。该方法包括以下步骤：连接用于第二终端和参考电位之间的功率控制装置的第一级联多电平逆变器(cmi)和用于第一终端和第二终端之间串联的功率控制装置的第二cmi。该方法还包括以下步骤：基于参考有功功率和从第二终端传送到接收端的感测有功功率之间的差来计算第一参考相位角；以及基于参考无功功率和从第二终端传送到接收端的感测无功功率之间的差来计算第一参考电压。

该方法还包括以下步骤：使用第一相量修改器(phasormodifier)修改计算的第一参考相位角，以提供由于第一cmi和第二cmi的操作而受到的功率损耗；基于参考有功功率和从第一终端传送的感测有功功率之间的差，计算用于第一终端的第一参考电流；计算通过第一终端的电流的第二参考相位角，以确保流入流出第一cmi和第二cmi的平均有功功率和平均无功功率为零；通过减去在第一终端和第二终端处的电压来计算跨过第二cmi的第二参考电压；以及使用所计算的第一参考电压来控制第一cmi，使用所计算的第二参考电压来控制第二cmi，用于控制通过pfc的功率流。上述所有方法仅使用功率控制装置的位置处的本地可用参数。

本发明的一个优点是提供了一种用于功率控制装置的独立有功和无功功率流控制的新方法。本发明的另一优点是，该方法可以控制电力线中的独立有功和无功功率流，而不感测互连的同步电网中的端电压。本发明的又一优点是，该方法导致仅依赖用于控制功率流的本地可用参数的控制。本发明的还一个优点是，该方法消除了为了控制诸如无变压器upfc的功率流控制装置的不同配置中的功率流而知道终端阻抗的需要。本发明的进一步优点是，该方法使得诸如无变压器upfc的功率流控制装置能够以比现有技术低得多的成本来在彼此远离的同步电网之间提供功率流控制。本发明的再一个进一步的优点是，该方法允许使用诸如无变压器upfc的功率流控制装置。本发明的仍一个进一步的优点是，该方法允许诸如无变压器upfc的功率流控制装置，在用于功率流控制的相同目的时，具有低额定功率(与基于hvdc的互连相比)和高效率(与变频变压器相比)。

结合附图阅读后续描述之后，本发明的其它特征和优点将容易地被了解，同样地将变得更好理解。

附图说明

图1a是根据现有技术的原理的传输线的示意单线图。

图1b是与图1a的传输线一起使用的根据现有技术的原理的统一功率流控制器(upfc)的示例的示意单线图。

图2是图1b的无变压器upfc的单相等效电路的示意图。

图3是表示图2的单相等效电路的功能的相位图的示意图。

图4a是用于控制cmi-1的控制模块的整体框图的示意图，示出了在图1b的无变压器upfc中使用的所有相关块。

图4b是用于提供栅极信号(gatingsignals)cmi-2的整体框图的示意图。

具体实施方式

根据现有技术的无变压器统一功率流控制器包括级联多电平逆变器(cmi)，被配置为使得可以完全去除变压器。它们可以更广义地称为功率控制装置。这些功率控制装置可以用作能量路由器，并且可以容易地集成在现有传输线上以最大化能量传输。仅作为示例，功率控制装置可以用于调节和控制在ac传输线或配电线上的功率流。应该理解，在网状ac网络中，可以使用无变压器upfc来防止功率环路，功率环路降低效率并且会导致不利的反馈环路。还应该理解，功率控制装置可以包括或被配置为不同于无变压器统一功率流控制器。

参考图1a，示出了沿着电力线的upfc布置的示例。如图所示，电力线200连接在发送端204和接收端208之间。电力线200具有固有阻抗，图示为电感器。点对a1/a2212、b1/b2216和c1/c2220沿着传输线200。无变压器统一功率流控制器可以连接在终端a1和a2212之间、终端b1和b2216之间和/或终端d和c2220之间。

参考图1b，示出了无变压器统一功率流控制器228的示例实现。如图所示，upfc228的第一和第二终端分别被标记为1和2。例如，图1b的upfc228可以连接在图1a的点a1和a2212之间，其中，a1对应于图1b的终端1，a2对应于图1b的终端2。在各种实现中，upfc228可以是可逆的，使得a1将对应于图1b的终端2，而a2对应于图1b的终端1。图1b的upfc228可以是双向的，从而可以使用任一种配置。upfc228由连接在终端2和参考电位(例如地)之间的第一级联多电平逆变器(cmi)230和串联连接在终端1和终端2之间的第二cmi234形成。cmi230和234的每一个可以使用一系列桥模块形成。仅作为示例，第一cmi230可以由串联的桥模块m1238-1、m2238-2、...、mn238-n(统称为桥模块238)形成。类似地，第二cmi234可以由m个桥模块m1242-1、m2242-2、...、mn242-n(统称为桥模块242)形成。

第二cmi234中使用的桥模块242可以与第一cmi230中使用的桥模块238中的一些或全部桥模块不同。另外，第二cmi234中的桥模块242的数量可以不同于第一cmi230中的桥模块238的数量。应当理解，用于单个cmi的桥模块可以全部是一种类型或者不同类型。还应该理解，第一cmi230、第二cmi234以及桥模块238和242类似于pct国际公开号wo2013/12660中所公开的，该公开内容通过引用整体并入本文。

参考图2，示出了图1b的无变压器upfc228的单相等效电路。该等效电路通过将cmi230和234视为等效可变ac电压源获得。在整个分析中忽略传输线的阻抗。图2使用的术语如下：

·表示原始发送端电压；

·表示并联逆变器(shuntinverter)电压的幅度。这也是有效的发送端电压；

·表示串联逆变器电压的幅度；

·表示接收端电压的幅度；

·和表示其各自电压的相位角；

·和分别表示集总发送端(lumpedsendingend)和接收端阻抗；

·ic表示通过串联逆变器或第二cmi234的瞬时电流；以及

·表示通过并联逆变器或第一cmi230的瞬时电流，表示瞬时接收端电流。

使p^*和是要从修改的发送端发出的所需的有功功率和无功功率。控制的目的是为了改变电压幅度和角度以控制p^*和这受以下限制：

·表示为相量和的电压源，只能提供或吸收无功功率；

·控制不得涉及感测接收端电压，因为它可能远离安装点；以及

·控制器必须能够抵抗线阻抗和发送和接收端电压的变化。

应该理解，图2的电路类似于以下文章中公开的内容：由gunasekaran，d.、张绍(shaozhang)、杨水涛(shuitaoyang)、彭方正(fangzhengpeng)发表，“无变压器统一功率流控制器中不感测接收端电压的独立有功和无功功率流控制(independentrealandreactivepowerflowcontrolwithoutsensingreceivingendvoltageintransformer-lessunifiedpowerflowcontroller)”，能源转换大会暨展览会(ecce)，2014年ieee，卷978-1-4799-5776-7，第14期，第730-735页，2014年9月18日，该公开内容通过引用整体并入本文。

参考图3，对于图1b的无变压器upfc228或图2的单相等效电路示出了表示功能和有效工作点的相量图(phasordiagram)。相量图跨过的电压降被忽略。

图4a示出了控制第一cmi(cmi-1)230的整体框图。图4b示出了将栅极信号提供给第二cmi(cmi-2)234的整体框图。参考图4a，基于上述讨论，示出了期望的理想控制框图。比较参考有功功率p^*和使用方框252确定的感测有功功率方框253感测从终端2流出的有功功率。参考有功功率与感测有功功率之间的差是方框252的输入，方框252计算参考相位角的一个分量。从方框250到252的输出的总和提供用于cmi-1的参考相位角比较参考无功功率和使用方框256计算的感测无功功率和之间的差的输出用作方框255的输入，方框255生成电压幅度参考的一个分量。参考电压幅度的前馈分量是使用方框254生成的。参考相位和参考电压幅度然后被发送到方框258，方框258生成cmi-1的栅极脉冲。电网同步信号从同步模块258发送。

图4b示出了导致为cmi-2提供的栅极脉冲的整体控制框图。参考有功功率p^*与从终端2发出的参考有功功率相同。将其与感测有功功率进行比较。p^*和之间的差馈送到方框259，方框259计算参考电流幅度的一个分量。使用方框258来计算的前馈分量。比较参考电流幅度和感测电流ic，并且将这两个参数之间的差作为方框265的输入之一来发送。方框261接收参考电流幅度感测电流相量和感测电压相量作为输入以确定其输出。方框263取该输出和感测电流相位之间的差作为输入并确定参考电流相位该参考值然后借助方框264修改，以考虑在cmi-2操作期间受到的功率损耗。

参考电流幅度和参考相位被提供作为方框265的输入，方框265生成方框266的输入。方框266的输出向栅极信号生成模块267提供参考电压相量该方框使用来自电网同步模块258的信号对cmi-2提供栅极脉冲。

参考相位计算器1(252)

参考相位计算器1，方框252，计算用于要由cmi-1生成的电压相量的参考相位。从终端2发出的参考功率为p^*。从终端2流出到电力线或从电力线流入终端2中的感测有功功率为从基本的电力系统方程，可以很容易地推导出链接相位角和功率流的表达式。方框252的示例实现是使用比例加积分控制器。其他示例实现可以包括比例加谐振控制器或由所需动态响应所要求的任何其他实现。

感测功率计算器1(253)

与通过电力线的电流相量一起感测终端2处的电压相量在一个示例实现中，可以求解极性表达式以确定流入或流出终端2的感测有功功率，其中，表示电流相量的共轭。

前馈计算器1(251)

方框251的目的是基于用于接收端和发送端电压和阻抗的标称值来提供预先计算的稳态相位角该方框可以是也可以不是整个系统的一部分。应该理解，也可以将整个方框图设计成在不需要前馈方框251的情况下起作用，而不改变其余的方框。

相位修改器1(250)

方框250的作用是向由方框251和252生成的相位参考提供校正项。示例实现涉及感测cmi-1的所有cmi模块的平均dc电压并将其与标称参考进行比较。方框250的输出将校正项提供给相位角参考这是为了考虑由于cmi操作而受到的有功功损。应该理解，这些通常是器件的传导和开关损耗，但是其可以被设计为涉及系统中的其他损耗。

参考电压计算器1(255)

参考电压计算器1，方框255，计算用于要由cmi-1生成的电压相量(voltagephasor)的参考电压幅度。要从终端2发出的参考无功功率为从终端2流出到电力线上的感测无功功率为从基本的电力系统方程，可以容易地推导出与电压幅度之间的关系。方框255的目的是提供输出，该输出将输入驱动为零。在稳态下，必须等于方框252的示例实现是使用比例加积分控制器。如果不需要严格的无功功率控制，则该模块的使用是可选的。互连两个强同步电网的功率控制装置的一个示例可能是这种情况。

与通过电力线的电流相量一起感测终端2处的电压相量在一个示例实现中，可以求解极性表达式以确定从电力线流出或流入终端2的无功功率。其中，表示相量的共轭。

前馈计算器2(254)

方框254的目的是基于用于接收端和发送端电压和阻抗的标称值来提供预先计算的稳态电压幅度参考在示例实现中，可以使用基于系统中的阻抗和端电压的标称值的dq变换方程来设计方框254。

仅供参考，包含用于d-q域中的的前馈项的方程如下：

仅举例来说，可以通过控制模块内的数字信号处理器中的查找表，针对参考有功功率和无功功率的不同情况存储前馈值。

栅极信号生成模块1(257)

方框257接收参考电压幅度和参考相位作为输入。电网同步信号也作为输入提供。在示例实现中，方框257可以使用诸如基本频率调制、脉宽调制的方法或其他这样的方法来将参考值转换成栅极脉冲。

同步模块(258)

方框258向栅极信号生成模块1和2提供输入。该输入提供使各栅极信号与参考信号同步所需的信息。该参考信号可以是电力线上不由功率控制装置生成的任何可访问的电压。在该方框的示例实现中，锁相环可以关联到由给出的终端1的电压。

参考电流计算器1(259)

要从功率控制装置的第二终端发出的参考有功功率也用作从第一终端1流出的有功功率的参考有功功率。这是基于cmi-1和cmi-2单独地不消耗或传从任何有功功率的事实。方框259的输入是参考有功功率p^*和流经终端1的感测有功功率之间的差。方框259的示例实现将包括比例加积分控制器或其他常用现有方法，诸如迫使输入接近于零的比例加谐振控制器。应该理解，在稳态下，一旦建立参考电流，被汲取或传送到发送端的功率是恒定的。

感测功率计算器3(260)

方框260计算从终端1汲取的有功功率。表示计算的有功功率。在示例实现中，可以通过求解下面的表达式来计算

其中，表示终端1处的电压相量，表示电流相量ic的极性共轭。

电流控制模块2(261)

方框261的输入是通过终端1的参考电流幅度通过电力线的电流相量以及终端2处的电压相量基于这些输入，方框260确定通过终端1的电流的所需相位角。来自方框261的输出有助于最终参考电流相位角，该最终参考电流相位角确保通过cmi-1的电流相量正交于电压相量下面介绍示例实现中涉及的步骤。基于和的信息，可以使用以下约束来预测的方向：

和

通过终端1的电流ic的幅度由方框258、259和262来控制。使用感测电流ic，使用上述约束来求解由表示的通过终端1的电流的相位。仅作为示例，可以使用位于控制模块中的数字信号处理器在实时基础上求解这些方程。

前馈计算器3(258)

方框258生成稳态电流幅度其被加到由方框259生成的输出上，以生成参考电流幅度对于示例实现，方框258可以包括用于不同标称电压和参考功率级别的查找表。

参考相位计算器2(263)

方框263的输入是由方框261生成的输出与通过终端1的电流的测量相位之间的差。方框263的作用是将输入中的误差减小到接近零。对于示例实现，方框263可以包括比例加积分控制器或诸如比例加谐振控制器的其他形式的控制器。

相位修改器2(264)

方框264修改由方框263生成的相位参考。是传达关于cmi-2的m个级联模块的dc链路电压的一些方面的信息的输入。对其提供参考。方框264的输出在参考相位中生成小的变化，以考虑由于cmi-2中的多个模块的操作而在设备中受到的损耗。对于示例实现，cmi-2的一个相位的跨过所有“m”模块的平均dc电压被用作反馈。标称dc链路电压用作参考。

参考电压计算器2(265)

方框265分别从方框262和263接收参考电流幅度和参考电流相位信息。参考电流计算器2提供输出信号，该输出信号在被矢量加到相量和上时提供输入给方框266。因此，方框265将电流参考信息转换成等效电压输出。方框265的输出补偿发送端阻抗中的任何变化、发送端电压中的任何变化和/或向整个系统提供快速的动态响应。方框265的示例实现可以包括将电流输入转换成电压输出的虚拟阻抗功能。它也可能涉及帧变换(frametransformation)方程或坐标变换方程，以提供相量电压输出。

参考电压计算器3(266)

方框266生成用于cmi-2的参考电压相量。该方框计算需要跨过cmi-2形成的参考电压相量。这作为参考提供给方框267。在示例实现中，方框266可以包含可变增益、帧变换方程和坐标变换方程，以便以栅极信号生成模块2可理解的形式提供输出。

栅极信号生成模块2

该方框接收用于cmi-2的参考电压相量电网同步信号也作为输入提供。输出提供栅极脉冲，所述栅极脉冲驱动cmi-2的cmi模块中的各半导体器件。

在示例实现中，该方框可以使用诸如基频调制、脉宽调制的方法或其他这种方法来将参考值转换成栅极脉冲。

已经以说明性的方式描述了本发明。应该理解，所使用的术语旨在词的本义的描述而不是限制本发明。

鉴于上述教导，本发明可以有许多修改和变化。因此，可以以不同于所具体描述的方式来实施本发明。