功率转换器及其控制方法与流程

1.本发明总体上涉及功率转换，并且更具体地涉及在两个电源之间流动的功率的转换。


背景技术：

2.软开点(sop)是一种被安装在配电网络中的两个馈线的端子之间的常开开关(nos)处的ac/ac功率转换器系统。通常sop转换器是具有两个电压源转换器(vsc)的背靠背转换器系统。在jeffrey m.bloemink和timothy c.green的“increasing distributed generation penetration using soft normally
‑
opints”(2010年美国罗德岛普罗维登斯的ieee pes大会)中给出了示例。安装sop的好处包括优化功率流控制、无功功率凝聚、故障隔离等。但是，由于引入了sop设备，对应馈线由辐射型变为双供电型，即，一个功率来自变电站(ac电源)，而另一功率来自sop，这带来了保护问题。
3.通常，配电网络中的馈线是辐射型的。所谓的多级电流保护(mscp)法(诸如三级或四级电流保护法)已经广泛用于辐射型配电网络的故障保护，这在jia tian、houlei gao、meiyi hou、jun liang、yish zhao的“a fast current protection scheme for distribution network with distributed generation”(第十届国际电力系统保护发展会议(dpsp 2010))中有公开。但是，一旦sop设备被连接，相关馈线就变成了双电源馈线。为了在相间故障时保护系统，通常在每个保护处安装有方向继电器。此外，每段线路在线路的每一端处都需要两个断路器来隔离故障线路。这增加了系统控制复杂性成本。此外，对于包含软开点(sop)设备的配电网络，由sop贡献的短路电流通常为恒定值，并且值较低(接近标称dc电流)。因此，由于每条线路的短路电流几乎相同，因此很难使用tsocp来保护来自sop侧的故障电流线路。最后，所有sop可能会被跳脱(tripped)以避免转换器过流。


技术实现要素：

4.根据本发明的一个方面，提供了一种功率转换器，该功率转换器包括：功率转换电路，具有第一端子组和第二端子组，该功率转换电路被配置为对经由第一端子组和第二端子组中的一个端子组输入的功率进行转换并且经由第一端子组和第二端子组中的另一个端子组输出转换后的功率；测量单元，被配置为测量第一网络上的点处的电压/电流的，第一网络链接第一电源和功率转换电路的第一端子组，其中该点被布置在断路器与功率转换电路的第一端子组之间，该断路器被插入在第一网络中；控制器，被配置为控制功率转换电路以用于：响应于电压/电流的测量的变化率超过阈值的条件，利用由链接到功率转换电路的第二端子组的第二电源供应的功率来生成沿第一网络行进的电压/电流波形；从测量单元的测量中标识电压/电流波形；以及考虑到在控制器标识电压/电流波形时的第一定时与在控制器标识电压/电流波形的回波时的第二定时之间的间隔，定位第一网络上的故障。
5.根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制功率转换器的方法，该方法包括：测量第一网络上的点处的电压/电流，该第一网络链接第一电源和功率转换器的第一端子组；
响应于电压/电流的测量的变化率超过阈值的条件，控制功率转换器利用由被链接到功率转换器的第二端子组的第二电源供应的功率来生成沿第一网络行进的电压/电流波形；在该条件变为真之后读取该点处的电压/电流的测量，并且从该测量中标识电压/电流波形；以及考虑到在控制器标识电压/电流波形时的第一定时与在控制器标识电压/电流波形的回波时的第二定时之间的间隔，定位第一网络上的故障。
6.通过使用根据本发明的解决方案，功率转换电路可以被重用于不同操作模式，以用于正常条件下的功率传输或故障条件下的故障定位。这有助于经由在sop处控制转换器来实现单端行波相间故障定位。使用所提出的保护解决方案，当传统辐射型分布式网络系统升级为具有sop的双电源系统时，不需要附加断路器。该方案有助于降低sop方案的实现难度。
附图说明
7.下面将参考附图中所示的优选示例性实施例更详细地解释本发明的主题，在附图中：
8.图1示出了根据本发明的实施例的配电网络；
9.图2示出了根据本发明的实施例的功率转换器；
10.图3示出了根据本发明的实施例的第一网络上的故障定位；
11.图4示出了根据本发明的实施例的功率转换器电路；以及
12.图5示出了根据本发明的实施例的功率转换器的操作。
13.附图中使用的附图标记及其含义在附图标记列表中以概要形式列出。原则上，相同的部分在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
14.虽然本发明易于具有各种修改和替代形式，但其特定实施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，附图及其详细描述并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，而是相反，旨在涵盖落入如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。注意，标题仅用于组织目的，而非旨在用于限制或解释说明或权利要求。此外，注意，本技术中使用的术语“可以(may)”是在允许的意义上(即，有潜力，能够)，而不是强制性的(即，必须)。术语“包括(include)”和其派生词表示“包括但不限于”。术语“连接”表示“直接或间接连接”，术语“耦合”表示“直接或间接连接”。
15.如图1所示，配电网络1包括第一电源10、第一网络11、第二电源12、第二网络13和功率转换器14。例如，如图1所示，第一电源10和第二电源12均为ac电源，第一网络11和第二网络13为分别分配ac功率去往/来自第一电源10和第二电源12的ac网络。在功率转换器14的控制器144与每个继电器(ied)之间布置有远程通信(telecommunication)(例如，goose)。
16.功率转换器14具有功率转换电路140，并且功率转换器140具有第一端子组141和第二端子组142。功率转换电路140被配置为对经由第一端子组141和第二端子组142中的一个端子组输入的功率进行转换并且经由第一端子组141和第二端子组142中的另一个端子
组输出转换后的功率。
17.功率转换器14的功率转换电路140使用ac到ac功率转换电路拓扑。功率转换电路140的第一端子组141电耦合到第一网络11，第一网络11又被电耦合到第一电源10，并且功率转换电路140的第二端子组142电耦合到第二网络13，第二网络13又电耦合到第二电源12。功率转换电路140可以使用背靠背转换器系统，该系统具有通过dc链路c电连接的两个电压源转换器u1、u2，并且两个电压源转换器u1、u2都可以使用功率转换电路在ac与dc功率之间进行转换，它们的dc侧通过dc链路c电耦合。技术人员应当理解，作为替代，可以将诸如矩阵转换器等直接ac到ac功率转换器的拓扑用于功率转换电路140。
18.图2示出了根据本发明的实施例的功率转换器。如图2所示，电压源转换器u1使用接通和断开均可以被控制的功率半导体开关，诸如绝缘栅双极晶体管(igbt)。因此，它们可以用于制造自换向转换器。在这样的转换器中，dc电压的极性通常是固定的，并且被dc链路c的大电容平滑的dc电压可以被认为是恒定的。可控性提供了很多优势，特别是能够在每个周期多次开启和关闭igbt，以提高谐波性能。由于自换向，转换器不再依赖于ac系统中的同步电机进行操作。
19.电压源转换器ul可以使用六脉冲桥，其中功率半导体开关使用具有反并联二极管的igbt。借助于类似于dc平滑电容器的dc链路c的作用，电压源转换器可以在每相的ac输出处输出两个电压电平，这两个电压电平对应于正负dc端子的电位。脉宽调制(pwm)可以被用于改善转换器的谐波失真。作为替代，电压源转换器u1可以用某种形式的多电平转换器来构建，最常见的是模块化多电平转换器(mmc)，其中每个阀由多个独立转换器子模块组成，每个子模块包含自己的存储电容器。每个子模块中的igbt要么旁路电容器，要么将其连接到电路中，从而使阀能够合成具有极低谐波失真水平的阶跃电压。
20.类似地，另一电压源转换器u2可以使用六脉冲桥，其中功率半导体开关使用具有反并联二极管的igbt。借助于类似于dc平滑电容器的dc链路c的作用，电压源转换器可以在每相的ac输出处输出两个电压电平，这两个电压电平对应于正负dc端子的电位。脉宽调制(pwm)可以被用于改善转换器的谐波失真。作为替代，电压源转换器u1可以用某种形式的多电平转换器来构建，最常见的是模块化多电平转换器(mmc)，其中每个阀由多个独立转换器子模块组成，每个子模块包含自己的存储电容器。每个子模块中的igbt要么旁路电容器，要么将其连接到电路中，从而使阀能够合成具有极低谐波失真水平的阶跃电压。
21.再次参考图1，功率转换器14还包括至少一个测量单元143。根据本发明的测量单元143被布置在第一网络11的与其一端相邻的测量点处。在保护区域l1、l2、l3、l4内和在保护区域l1、l2、l3、l4外的可能故障位置由被插入第一网络11中的断路器s1、s2、s3、s4隔开。如图1所示，测量单元143布置在断路器s1、s2、s3、s4中的一个断路器与功率转换电路140的第一端子组141之间。测量单元143可以是电压传感器、电流传感器或其组合。测量单元143可以用于测量第一网络11的测量点处的相电压的值；此外，测量单元143可以用于测量第一网络11的测量点处的相电流的值。本领域技术人员应当理解，作为替代，测量单元143可以用于测量测量点处的线电压和/或线电流。通过这种配置，可以定位发生在第一网络11上的故障。
22.如果需要定位发生在第二网络13上的故障，则功率转换器14还包括另一测量单元145。根据本发明的测量单元145被布置在第一网络13的与其一端相邻的测量点处。在保护
区域l5、l6、l7、l8内和在保护区域l5、l6、l7、l8外的可能故障位置由插入第二网络13中的断路器s5、s6、s7、s8隔开。如图1所示，测量单元145布置在断路器s5、s6、s7、s8之一与功率转换电路140的第二端子组142之间。测量单元145可以是电压传感器、电流传感器或其组合。测量单元145可以用于测量第二网络13的测量点处的相电压的值；此外，测量单元145可以用于测量第二网络13的测量点处的相电流的值。本领域技术人员应当理解，作为替代，测量单元145可以用于测量测量点处的线电压和/或线电流。
23.图3示出了根据本发明的实施例的第一网络上的故障定位。如图3所示，当在第一网络11中的、在保护区域l1、l2、l3、l4中的一个区域内的点处发生故障时，行波形式的扰动从故障发生点沿第一网络11向外移动，并且被测量143检测。例如，在保护区域l2内的f点处发生相间故障，布置在到功率转换电路140的第一端子组141的第一网络11的一端处的测量单元143处将出现对应相线的电压骤降。功率转换器14的控制器144会控制其输出电流，该电流可以被视为由转换器贡献的短路电流，但被控制为最大限制。基于电压骤降幅度和来自转换器的短路电流或其他方法(诸如基于通信的方法)来检测故障事件。特别地，断路器s1、s2将具有从第一电源10流向保护区域l2内的故障位置f的故障电流if1。根据tsocp算法，断路器s2将立即跳脱，而断路器s1作为后备保护。断路器s3、s4将具有从功率转换器14到故障位置f的故障电流if2。在到功率转换器14的第一端子组141的一侧的测量点(即，uq1和iq1)处的输出电压和电流由测量单元143测量并且被传送到功率转换器14的控制器144。相间故障f由电压和电流测量uq1、iq1标识，因为故障f将导致明显的电压骤降和短路电流(限于电压源转换器u1的最大电流限制)。可以基于电压/电流的测量的变化率超过阈值的条件来标识故障事件。如果可以检测到故障组件电流，就知道线路发生了短路故障。例如，将故障标准定义为：
[0024][0025]
其中i
a(k)
、i
b(k)
和i
c(k)
分别为a、b、c相的第k采样点；i
a(k
‑
n)
、i
b(k
‑
n)
和i
c(k
‑
n)
分别为a、b、c相的第(k
‑
n)采样点；n为每个基本周期的采样点数，诸如50hz电网系统为20ms；i
set
为预定义保护阈值电流值。
[0026]
如果满足三个标准中的任何一个标准，则可以标识短路故障。同样，电压变化率也可以用于相间短路标识。
[0027]
图5示出了根据本发明的实施例的功率转换器的操作。当标识出a相与b相之间的短路时，将按如下顺序排列操作序列，其中q1g、q2g和q4g分别为q1、q2和q4的栅极驱动信号。这里，假定转换器u1是三相半桥2电平转换器。其他转换器类型也适用于类似概念。在t0，s
a
和s
b
的关闭信号被排序，相抗器l
a
和l
b
被旁路。在t2，q4导通，q1和q2以高频互补地导通和截止。因此，u1在a相与b相之间施加高频电压脉冲v
ab
。
[0028]
一旦控制器144标识出故障事件，控制器144就控制功率转换电路140生成沿第一网络11行进的电压/电流波形。在这种情况下，功率转换器14作为ac到ac功率转换器进行操作，其将从第二电源12提供的功率转换为沿第一网络11行进的电压/电流波形。一旦标识出故障事件，将由转换器u1生成检测波形，例如，检测波形是一系列高频电流脉冲。为了实现
陡峭的电流波形边沿，由相应旁路开关sa、sb或sc旁路相抗器la、lb或lc中的至少两个。具有旁路开关的转换器u1如图4所示。
[0029]
因为该解决方案依赖于瞬态行波，所以必须通过从由测量单元143内的换能器提供的信号中去除稳态电流和电压分量来隔离这些。有几种方法用于这一操作，过去已经使用过的一种令人满意的方法是连续监测换能器输出，并且在与功率系统的一个完整周期的持续时间(即，50hz系统的0.02或0.01s)相对应的时段内存储信号。在这种情况下，当电路条件不变时，在下一周期期间从信号中减去所存储的量以在每种情况下给出零输出。这个过程可以通过对波进行采样并且以数字方式存储它们来进行。然后可以通过使用数字/模拟转换器以原始形式恢复它们以进行减法。
[0030]
在该过程结束时非零量的输出指示干扰的存在。控制器144被配置为从测量单元143的测量中标识电压/电流波形并且在其标识波形时记录第一定时。
[0031]
如上所述，在控制器144的控制下，功率转换器14生成检测波形并且在第一网络11上发起电压和电流的行波，并且行波从功率转换器14的第一端子组141沿第一网络11向外移动，并且被测量143检测，并且又行进到第一网络11的另一端。在到达第一网络11的故障位置f时，行波被完全或部分反射，具体取决于连接到第一网络11的故障点f的电路。从故障位置f反射的回波电压波形将由测量单元143测量，并且由控制器144从即时测量中标识。控制器144在其标识波形的回波时记录第二定时。可以从线路末端电压和电流中已经发生的变化中找到这些电压存在的时间，因此可以确定波从故障传播到线路末端所花费的时间。因为行波的速度是已知的，所以可以找到故障位置。
[0032]
下面描述确定线路故障位置的可能方法，为了简单起见考虑长度为l的单相电路。根据测量点处第一电压/电流波形的移动，响应于由测量单元143检测到的电压骤降，电压/电流波形被注入第一网络11中。基于第一定时与第二定时之间的时间差δt，可以计算功率转换器14与故障位置f之间的距离d。基于d的值，确定故障位置。在该示例中，故障位于线路段l2处，在断路器s2、s3之间。最后，断路器跳脱信号经由远程通信被发送到断路器s3，以便将故障与功率转换器侧的其余线路隔离。
[0033]
向该基本方案添加若干改良以避免由以下条件强加的可能故障。功率转换器14还包括旁路器件，旁路器件被配置为将插入在第一网络与功率转换电路的第一端子组之间的滤波器短路；其中：控制器还被配置为与电压/电流波形的生成基本并行地发出关闭旁路器件的命令。
[0034]
虽然已经基于一些优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，这些实施例决不应当限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何变化和修改应当在本领域普通技术人员的理解范围内，并且因而落入由所附权利要求限定的本发明的保护范围内。