專利名稱：使用高壓直流電流的電力傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用高壓直流電流的電力傳輸裝置，這種裝置包括兩個(gè)由相位角控制的換流器，每個(gè)換流器連接到交流電壓網(wǎng)上，兩個(gè)換流器之間通過(guò)直流連線互相連接，以及控制元件，用來(lái)控制其中的一個(gè)換流器作為整流器來(lái)使用，并控制另一個(gè)換流器作為逆變器來(lái)使用，并且控制其中的一個(gè)換流器，即電流控制換流器，以便控制流入直流連線的直流電流，以及控制另一個(gè)換流器，即電壓控制換流器，以便控制直流連線中的直流電壓。
背景技術(shù)：
上述類型的裝置是以前所熟知并且被詳盡說(shuō)明了的，例如，Erich Uhlmann的“直流電力傳輸”(“Power Transmission byDirect Current”)，斯普林格-維納格柏林-海德堡-紐約(Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-NewYork)1975，Ake Ekstrom的“高功率電子學(xué)，HVDC和SVC”(“High PowerElectronics，HVDC and SVC”)，斯德哥爾摩，皇家技術(shù)學(xué)院(TheRoyal Institute of Technology，Stockholm)，1990，J.Arrilage的“高電壓直流傳輸”(“High Voltage Direct CurrentTransmission”)，倫敦，彼德，彼里利勒斯有限公司(Peter PeregrinusLtd.，London)，1983.
在以上類型的裝置中，兩個(gè)換流器中的每一個(gè)一般都被安置在它自己的換流器站上，這些站的位置彼此相隔一定的距離，相互之間通過(guò)直流電纜和(或)架空線相連。在某些情況下(一種稱為背靠背連接的方式)，兩個(gè)換流器可能被安置在同一個(gè)換流器站上，直流連線則由站上的直流總線組成。
一般情況下，換流器是12脈沖換流器，每個(gè)換流器由兩個(gè)串連在一起的6脈沖電橋及其相關(guān)變壓器以及控制和保護(hù)設(shè)備組成。
這里涉及的這種裝置可以是單極性的，就是只有一根直流線，直流電流通過(guò)大地返回；也可以是雙極性的，即每個(gè)站上有兩個(gè)換流器，兩根直流線，其中一根相對(duì)于地?cái)y帶正電壓，另一根相對(duì)于地?cái)y帶負(fù)電壓。
在上述類型的裝置中，兩個(gè)換流器中的一個(gè)作為整流器來(lái)使用，另一個(gè)換流器作為逆變器來(lái)使用。換流器是受到控制的，使得其中一個(gè)為電流控制，另一個(gè)為電壓控制。一般來(lái)說(shuō)，整流器是電流控制的，就是說(shuō)，整流器工作在多少有些降低的直流電壓下，工作時(shí)有一個(gè)受電流控制器影響的控制角α使直流電流被控制到一個(gè)電流參考值上。而逆變器則是電壓控制換流器。它的控制角維持在一個(gè)值上，使換流器工作在熄火角γ的最小值上。這樣，逆變器就決定了傳輸中的直流電壓，這個(gè)直流電壓可以是借助逆變器上變壓器的抽頭變換開關(guān)來(lái)控制的，致使直流電壓(比如說(shuō)在整流器中)被維持在一個(gè)電壓參考值上。
在這些已知的裝置中，整流器的控制角有一個(gè)額定值，比如說(shuō)15°，而且整流器上變壓器的抽頭變換開關(guān)也是受控制的，使整流器的控制角維持在一個(gè)預(yù)定區(qū)間內(nèi)。這就確定了，比如當(dāng)控制角在其額定值和變化區(qū)間的上下限之間發(fā)生變化時(shí)，由控制角變化引起的直流電壓變化是抽頭變換開關(guān)的±1檔。在如上所述的控制角額定值15°下，控制角變化區(qū)間的典型限定值為12.5°和17.5°。一個(gè)抽頭變換開關(guān)檔典型地與額定工作電壓1.25％的電壓變化相對(duì)應(yīng)。
換流器的無(wú)功功率損耗隨控制角迅速增長(zhǎng)，并且?guī)缀跖cSinα成正比。所以，在這些已知的裝置中，整流器的無(wú)功功率是比較高的。
因此，人們期望能在較小的整流器控制角下工作，但在大多數(shù)情況下，出于各種不同的原因，在以前這實(shí)際上是不可能的。但是，某些類型的換流器被證明是可以在低控制角下工作的(控制角假定與線電壓有關(guān))。尤其是在被稱為串聯(lián)補(bǔ)償HVDC換流器的情況下就被證明是這樣的，這種換流器通過(guò)串聯(lián)電容器連接在它們的交流電網(wǎng)上。這種換流器(比如整流器)可能會(huì)在非常低甚至負(fù)的控制角下工作。這樣，無(wú)功功率可以保持在低的水平。
然而，在串聯(lián)補(bǔ)償換流器中，點(diǎn)火和熄火的電壓跳變是比較高的，并隨控制角而增長(zhǎng)，該電壓跳變是指在點(diǎn)火和熄火時(shí)換流器件上電壓的突然變化。因此在這種換流器中，維持低控制角是十分重要的。
然而整流器在低控制角下工作存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。在

圖1中用圖解的方式對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，該圖顯示的是整流器在某一電流值和兩個(gè)不同的控制角α1和α2下，視在功率S、有效功率P(P＝cosα)和無(wú)功功率Q(Q＝Ssinα)之間的關(guān)系。整流器的直流電壓Ud與有效功率P成正比，并和P在同一個(gè)坐標(biāo)軸上顯示。如上所述，控制角需要在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，以至于會(huì)引起某一給定直流電壓的變化ΔUd，ΔUd的大小是由抽頭變換開關(guān)檔的大小決定的。在較高的控制角α2和視在功率S2下，為了達(dá)到電壓變化ΔUd要求具有控制角變化Δα2。這個(gè)控制角的變化會(huì)引起無(wú)功功率的變化ΔQ2。而在較低的控制角α1和視在功率S1下，為了達(dá)到同樣的電壓變化ΔUd要求具有明顯大得多的控制角變化Δα1，這個(gè)電壓變化會(huì)引起明顯大得多的無(wú)功功率變化ΔQ1。在更低的控制角下，或者在直流電壓具有最大值的控制角數(shù)值附近，所要求的控制角變化及相應(yīng)的無(wú)功功率變化就會(huì)變得很大。工作在低控制角下會(huì)引起大的無(wú)功功率變化，這在某些電力網(wǎng)的布局情況下可能是不利的。盡管這些無(wú)功功率的變化，或至少是其一部分，可以借助引入晶閘管開關(guān)的旁路電容器來(lái)抵消，但這從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看又是不利的。在理論上，控制角變化及相應(yīng)的無(wú)功功率變化可以通過(guò)減少抽頭變換開關(guān)各檔的數(shù)值大小來(lái)降低。然而這種數(shù)值大小的減少會(huì)相應(yīng)地增加抽頭變換開關(guān)的開關(guān)頻度，從而引起相當(dāng)大的抽頭變換開關(guān)磨損的增加，而這在大多數(shù)情況下是不可接受的。
以上關(guān)于把換流器作為整流器使用的描述，在作必要的改變后對(duì)于把換流器作為逆變器使用是同樣適合的。對(duì)于這樣的換流器，比如通過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?，在低熄火?以線電壓為參考)下工作是可能的，而且在這種情況下，上面提到的巨大的無(wú)功功率變化將隨控制角的變化而增加。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種在以上介紹中所描述的裝置，這種裝置能明顯地減少上述在低控制角(或熄火角)下工作時(shí)的無(wú)功功率變化。本發(fā)明的目的就是在不需要增加元件(比如晶閘管開關(guān)的旁路電容器)的情況下，只借助一種新的控制方法來(lái)使在較低的控制角和較低的無(wú)功功率變化下的工作成為可能，在此情況下的控制角的和無(wú)功功率變化比迄今已知可行的控制角和無(wú)功功率變化要明顯地小得多，相應(yīng)的，換流器的無(wú)功功率損耗以及點(diǎn)火和熄火電壓跳變的大小相比于現(xiàn)有技術(shù)的控制方法都會(huì)明顯的減少。
本發(fā)明裝置的特征將在后附的權(quán)利要求中有清楚的闡述。
當(dāng)調(diào)整比如整流器的抽頭變換開關(guān)的檔位或當(dāng)整流器交流電網(wǎng)的電壓發(fā)生變換時(shí)，整流器會(huì)變換它的控制角來(lái)維持額定的直流電流。在本發(fā)明裝置中，傳輸?shù)闹绷麟妷簳?huì)發(fā)生變化，使整流器控制角的變化及相應(yīng)的無(wú)功功率變化受到了限制。
附圖簡(jiǎn)述下面將參考附圖1-7而對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加詳盡的解釋說(shuō)明。如上所述，圖1顯示的是工作在兩種不同控制角下各種功率之間的關(guān)系。圖2a所示為本發(fā)明裝置的總體圖，其中通過(guò)給逆變器控制角一個(gè)控制角增量而使整流器控制角的變化受到限制。圖2b所示為一種可選實(shí)施方案的相應(yīng)總體圖，其中逆變器有一個(gè)電壓控制器，通過(guò)給這個(gè)電壓控制器的參考電壓一個(gè)增量而使整流器的控制角變化受到限制。圖3-7更加詳盡地顯示了圖2中裝置各個(gè)不同單元的實(shí)施方案示例。圖3顯示的是圖2a和圖2b所示裝置中整流器的控制角發(fā)生器。圖4a顯示的是圖2a所示裝置中整流器的參考值發(fā)生器控制單元。圖4b和圖4c顯示的是圖2b所示裝置中整流器的參考值發(fā)生器的兩種可選實(shí)施方案。圖5a顯示的是圖2a所示裝置中整流器抽頭變換開關(guān)的控制設(shè)備，而圖5b顯示的是圖2b所示裝置中的相同控制設(shè)備。圖6a顯示的是圖2a所示裝置中逆變器的控制角發(fā)生器，而圖6b顯示的是圖2b所示裝置中的控制角發(fā)生器。圖7a和圖7b則分別對(duì)應(yīng)圖2a和圖2b所示裝置中逆變器抽頭變換開關(guān)的控制單元。
優(yōu)選實(shí)施方案說(shuō)明圖1已在上面說(shuō)明過(guò)。
圖2a顯示了本發(fā)明HVDC裝置的一個(gè)例子。該裝置是為了在兩個(gè)三相電力網(wǎng)NI和NII之間進(jìn)行電力傳輸而安置的。換流器SRI通過(guò)它的換流器變壓器TRI與電力網(wǎng)NI相連接，而換流器SRII則通過(guò)它的換流器變壓器TRII與電力網(wǎng)NII相連接。變壓器具有抽頭變換開關(guān)，而控制信號(hào)tcI和tcII則加到這些開關(guān)上。本發(fā)明尤其在使用串聯(lián)補(bǔ)償換流器時(shí)是有利的，因?yàn)槿缟纤鲈谶@種情況下可能在非常低的控制角下工作。因此圖中顯示這些換流器通過(guò)串聯(lián)電容器CI和CII連接在交流電網(wǎng)上。如圖所示串聯(lián)電容器放置在換流器變壓器和換流器之間是比較可取的，但是在本發(fā)明裝置中它們是可以任選地放置在換流器變壓器的電力網(wǎng)一側(cè)的。
各換流器之間是通過(guò)高壓線L連接的，L可以由一根電纜和(或)一根架空線組成，高壓線有電阻RL。流過(guò)高壓線和換流器的直流電流命名為Id。換流器具有直流測(cè)量元件INI和INII，而且為了簡(jiǎn)單起見從測(cè)量元件流出的被測(cè)信號(hào)與實(shí)際直流電流一樣使用命名Id。
除非另外聲明，在這里說(shuō)明的例子中都假定是最常見的工作狀態(tài)，即SRI作為整流器使用，SRII作為逆變器使用，SRI為電流控制，SRII為電壓控制，并且顯示出來(lái)的只是那些與這種工作狀態(tài)有關(guān)的裝置的部分控制設(shè)備。然而在一般情況下，假定換流器及其控制設(shè)備相互之間都是對(duì)等的，也就是說(shuō)任何一個(gè)換流器都可以作為整流器使用(于是另一個(gè)就作為逆變器使用)，任何一個(gè)換流器都可以是電流控制的(于是另一個(gè)就是電壓控制的)。
每一個(gè)換流器的控制設(shè)備包括一個(gè)控制角發(fā)生器，CFCrect和CFCinv；一個(gè)參考值發(fā)生器，VARCreet和VARCinv；一個(gè)抽頭變換開關(guān)控制設(shè)備TCCrect和TCCinv。另外，還有一個(gè)附加的控制單元SC，它向換流器提供一種電流指令I(lǐng)O。控制設(shè)備的各個(gè)不同部分在圖上是作為模擬功能單元來(lái)顯示的，但是這些部分在技術(shù)上既可以設(shè)計(jì)成模擬的，也可以設(shè)計(jì)成數(shù)字的。
向這兩個(gè)換流器站或者在它們之間傳輸所必需的控制、參考和測(cè)量信號(hào)(比如說(shuō)Udref、IO)是借助于通信線路通過(guò)一種已知的方法進(jìn)行的(未詳細(xì)示出)。
在圖2a所示的裝置中，控制角的變化受到了限制，其方法是給逆變器加上一個(gè)或正或負(fù)的控制角增量，下面將有更詳盡的說(shuō)明。
圖2b顯示的是本發(fā)明裝置的一種可選實(shí)施方案，其中逆變器有一個(gè)電壓控制器，通過(guò)給這個(gè)電壓控制器的參考電壓一個(gè)或正或負(fù)的增量而使整流器的控制角變化受到限制。除了該裝置中某些控制單元和它們之間交換信號(hào)的組合之外，該裝置與圖2a所示的裝置相對(duì)應(yīng)。
圖3顯示的是圖2a和圖2b所示裝置中整流器SRI的控制角發(fā)生器CFCrect。電流指令I(lǐng)O和電流測(cè)量值Id加給加法器SU1，形成電流偏差ΔIrect。這個(gè)偏差加給電流控制器CCArect，而該電流控制器則接下來(lái)給出信號(hào)αrect。這個(gè)信號(hào)加給換流器并控制那里的控制角?？刂平铅羠ect上下雙邊被限定在值αmax rect和αmin rect之間。角αmax rect是允許范圍內(nèi)最大的控制角，對(duì)應(yīng)于允許范圍內(nèi)最小的整流余量。在逆變器中最大控制角αmax inv也是同樣定義的，由圖6a中的電路UAL所確定(見下面圖6a的說(shuō)明)。限定值αmin rect確保了開關(guān)器件具有足夠的點(diǎn)火電壓以及控制角不會(huì)降低到獲得最大直流電壓的點(diǎn)以下。
在其它條件恒定的情況下，整流器的控制角αrect將會(huì)受到某些影向，這些影響來(lái)自于電力網(wǎng)NI的電壓以及整流器抽頭變換開關(guān)的動(dòng)作。線電壓的增長(zhǎng)或相應(yīng)的抽頭變換開關(guān)動(dòng)作會(huì)使整流器的直流電壓上升，從而引起直流電流的增長(zhǎng)。整流器的電流控制器就會(huì)增加控制角以試圖把直流電流維持在電流參考值上。相應(yīng)的，線電壓的減少或相應(yīng)的抽頭變換開關(guān)動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致整流器控制角的降低。
圖4a顯示的是圖2a所示裝置中整流器的參考值發(fā)生器VARCrect。整流器的控制角αrect加給該發(fā)生器，而該發(fā)生器則通過(guò)逆變器的參考值發(fā)生器VARCinv把信號(hào)αmaxCCA傳導(dǎo)給控制角發(fā)生器CFCinv和逆變器的抽頭變換開關(guān)控制設(shè)備TCCinv。在加法器SU2和SU3中，αrect與上限αmax nom rect和下限αmin nom rect相比較，而這兩個(gè)限定值則確定了在穩(wěn)態(tài)條件下期望控制角能保持的區(qū)間。
參考值αmax nom rect是指一種控制角，這種控制角給出一個(gè)直流電壓Ud，而Ud則是在控制角αnom rect下對(duì)應(yīng)于低于額定直流電壓0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的電壓下降。相應(yīng)的，參考值αmin nom rect也是一種控制角，該控制角同樣給出一個(gè)直流電壓Ud，而這個(gè)Ud則是在控制角αnom rect下對(duì)應(yīng)于高于額定直流電壓0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的電壓增長(zhǎng)。
加法器的輸出信號(hào)加給積分器IA1和IA2，積分器的輸出信號(hào)則與值αnom inv一起加給加法器SU6，αnom inv表示的是逆變器的額定控制角(控制角αnom inv的定義請(qǐng)見下面圖6a中說(shuō)明)。
積分器IA1的輸出信號(hào)上限為一個(gè)由加法器SU4輸出信號(hào)決定的數(shù)值，下限為數(shù)值0。而積分器IA2的輸出信號(hào)上限為數(shù)值0，下限則為一個(gè)由加法器SU5輸出信號(hào)決定的數(shù)值。
加給加法器SU4的量一個(gè)是αmax inv，另一個(gè)是αnom inv，其中αmax inv表示的是逆變器動(dòng)態(tài)工作范圍的上限值。于是積分器IA1輸出信號(hào)的上限等同于控制角上限值αmax inv和額定控制角αnom inv之間的差值。
加給加法器SU5的量一個(gè)是αmin nov inv，另一個(gè)是αnom inv，其中αmin nov inv表示的是逆變器穩(wěn)態(tài)工作范圍的下限值。于是積分器IA2輸出信號(hào)的下限等同于控制角下限值αmax inv和額定控制角αnom inv之間的差值。
量αnom inv、αmin inv和αmax inv從逆變器的控制角發(fā)生器CFCinv加給了整流器的參考值發(fā)生器。
一般來(lái)說(shuō)，整流器的控制角應(yīng)該在由數(shù)值αmax nom rect和αmin nom rect決定的額定范圍內(nèi)。加法器SU2的輸出信號(hào)是負(fù)的，SU3的輸出信號(hào)是正的，積分器的輸出信號(hào)為0，并且參考值發(fā)生器的輸出信號(hào)αmaxCCA具有額定值αnom inv。如果整流器的控制角增長(zhǎng)，其原因比如說(shuō)是電力網(wǎng)NI的電壓變化或者是抽頭變換開關(guān)的動(dòng)作，以至于它超過(guò)了額定范圍的上限，積分器IA1的輸出信號(hào)就會(huì)變成正的，并且不斷增長(zhǎng)。這個(gè)信號(hào)給信號(hào)αmaxCCA提供了一個(gè)增量，該增量(如下參考圖6a所示)導(dǎo)致逆變器控制角的增長(zhǎng)和傳輸中直流電壓的增長(zhǎng)，而且還導(dǎo)致了對(duì)整流器控制角變化的限制。相應(yīng)的，如果整流器的控制角超過(guò)了額定范圍的下限，積分器IA2的輸出信號(hào)就會(huì)變成負(fù)的，并且不斷增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致逆變器控制角的負(fù)增量和傳輸中直流電壓的降低，而且還導(dǎo)致了對(duì)整流器控制角變化的限制。
在這里說(shuō)明的方法中，整流器控制角將維持在預(yù)定的額定范圍內(nèi)，除了在動(dòng)態(tài)情況下。
圖4b顯示的是參考值發(fā)生器VARCrect在圖2b中所示裝置中是怎樣設(shè)計(jì)的。整流器的控制角αrect加給了該發(fā)生器，而該發(fā)生器則經(jīng)過(guò)逆變器參考值發(fā)生器VARCinv把一個(gè)直流電壓參考值Udref傳送給安置在逆變器控制角發(fā)生器CFCinv中的電壓控制器。原則上說(shuō)，該發(fā)生器與參考圖4a所說(shuō)明的發(fā)生器以相同的方式組成和工作。但是，加給加法器SU6的數(shù)值是Udref nom，它構(gòu)成了整流器端的額定傳輸直流電壓的參考值。
積分器的輸出信號(hào)限定在數(shù)值0和±ΔUdmax之間。根據(jù)以上給出的參考值αmax nom rect和αmin nom rect的定義，限定值ΔUdmax應(yīng)該設(shè)定在某一個(gè)數(shù)值上，該數(shù)值構(gòu)成了對(duì)應(yīng)于0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的直流電壓變化。
在一般情況下，即整流器的控制角不超出它的額定范圍，積分器的輸出信號(hào)為0，輸出信號(hào)Udref的值是Udref nom，并且傳輸電壓通過(guò)逆變器的電壓控制器控制來(lái)達(dá)到這個(gè)數(shù)值。與以上說(shuō)明相同的是，如果整流器的控制角趨向于超出額定范圍，其中一個(gè)積分器就會(huì)給數(shù)值Udref nom提供一個(gè)增量(正的或者負(fù)的)。這將導(dǎo)致傳輸直流電壓這樣的變化，即整流器的控制角將受到限制，并且控制角的穩(wěn)態(tài)數(shù)值將會(huì)維持在額定范圍內(nèi)。
圖4c顯示的是圖2b所示裝置中整流器的參考值發(fā)生器VARCrect的一種可選實(shí)施方案。與圖4b所示電路相似，整流器控制角αrect加給了該發(fā)生器，而該發(fā)生器則送出直流電壓參考值Udref。整流器控制角αrect與一個(gè)恒定角Δα一起加給加法器SU7和SU8，其中Δα對(duì)應(yīng)于一個(gè)小角度，典型地可能是對(duì)應(yīng)于一個(gè)1°角。在加法器中產(chǎn)生限定值αmax nom rect-Δα和αmin nom rect+Δα，這些限定值在電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV1和NV2中與αrect相比較。如果αrect高于限定值的上限或低于限定值的下限，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)或電路OG1傳導(dǎo)到開關(guān)SW，而這個(gè)開關(guān)把參考值發(fā)生器的輸出與計(jì)算電路BC的輸出信號(hào)連接起來(lái)，其中計(jì)算電路BC的輸出信號(hào)在限定電路FB2中被限定。當(dāng)αrect在兩個(gè)限定值之間時(shí)，開關(guān)SW就位于如圖所示的位置，這時(shí)Udref＝Idref nom。
在限制器FB1中，整流器的控制角αrect被限定在穩(wěn)態(tài)額定控制角區(qū)間內(nèi)，上下限是αmax nom rect和αmin nom rect。被限定的控制角加給計(jì)算電路BC。另外，加給計(jì)算電路的還有整流器最大無(wú)負(fù)載電壓Udio和直流電流Id。根據(jù)已知的整流器主要電路公式Ud＝f(Udio，Id，αrect)該電路計(jì)算的是加給電路以后，在電流工作條件下(Udio，Id)與控制角(αrect)相對(duì)應(yīng)的直流電壓值。計(jì)算電路的輸出信號(hào)命名為Udref comp，加給了限定電路FB2，在FB2中該信號(hào)被限定在上限值Udref nom+ΔUd max和下限值Udref nom-ΔUd max之間(這些量的定義請(qǐng)見以上圖4b說(shuō)明)。
圖4c所示參考值發(fā)生器的功能基本上與上面參考圖4b說(shuō)明的功能相對(duì)應(yīng)。如果整流器的控制角αrect達(dá)到了加法器SU7和SU8所確定區(qū)間的任一個(gè)限定值，開關(guān)SW就會(huì)啟動(dòng)。計(jì)算電路計(jì)算出直流電壓數(shù)值，該電壓對(duì)應(yīng)于從限制器FB1得到受限定控制角，并且作為電壓參考值Udref由開關(guān)向前傳輸。這就意味著傳輸直流電壓的變化Ud達(dá)到某一個(gè)數(shù)值，在該數(shù)值下控制角既沒有超過(guò)數(shù)值αmax nom rect也不低于數(shù)值αminnom rect。一旦控制角αrect返回到加法器SU7和SU8所確定的區(qū)間內(nèi)，開關(guān)SW就會(huì)復(fù)位，并且電壓參考值Udref返回到數(shù)值Udref nom。
圖4c所示的參考值發(fā)生器比圖4b中的發(fā)生器少一個(gè)反饋回路，但是它要求對(duì)換流器主要電路公式的求解具有較高的計(jì)算能力。
圖5a顯示的是圖2a所示裝置中抽頭變換開關(guān)的控制設(shè)備TCCrect。整流器控制角αrect、信號(hào)αmaxCCA、αmax inv和αmin nom inv加給了該控制設(shè)備。在電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV3和NV4中，控制角αrect與限定值αmax nom rect和αmin nom rect分別進(jìn)行比較，目的是得到期望能在穩(wěn)態(tài)條件下維持控制角的區(qū)間。如果αrect上升至數(shù)值αmax nom rect，電路NV3將產(chǎn)生一個(gè)正的輸出信號(hào)，而如果αrect下降至數(shù)值αmin nom rect，電路NV4將產(chǎn)生一個(gè)正的輸出信號(hào)。在電路EC1和EC2中，信號(hào)αmaxCCA與控制限定值αmax inv和αmin nom inv進(jìn)行比較，這兩個(gè)限定值是與額定直流電壓±0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔相對(duì)應(yīng)的。
如果以下兩式同時(shí)成立αmaxCCA＝αmax inv及αrect≥αmax nom rect則與電路AG1將把一個(gè)電壓減小信號(hào)tcdI傳導(dǎo)到變壓器TRI的抽頭變換開關(guān)，于是該抽頭變換開關(guān)向下調(diào)一檔。
如果以下兩式同時(shí)成立αmaxCCA＝αmin nom invαrect≤αmin nom rect則與電路AG2將把一個(gè)電壓增大信號(hào)tcuI傳導(dǎo)到變壓器TRI的抽頭變換開關(guān)，于是該抽頭變換開關(guān)向上調(diào)一檔。
在圖2a和圖5a中，加給抽頭變換開關(guān)的兩個(gè)控制信號(hào)統(tǒng)一命名為信號(hào)tcI。
抽頭變換開關(guān)的檔數(shù)是這樣調(diào)整的，每一檔給出一個(gè)適當(dāng)大小的電壓變化。每一檔的典型電壓變化為額定電壓的1.25％。
抽頭變換開關(guān)控制設(shè)備的功能是在逆變器控制角的變化范圍全部被利用的條件下當(dāng)控制角超過(guò)了預(yù)定的區(qū)間時(shí)，要求調(diào)整開關(guān)的檔位。
圖5b顯示的是圖2b所示裝置中抽頭變換開關(guān)的控制設(shè)備TCCrect。整流器控制角αrect和電壓參考值Udref加給了該控制設(shè)備。在電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV3和NV4中，αrect與限定值αmaxnom rect和αmin nom rect分別進(jìn)行比較，目的是得到期望能在穩(wěn)態(tài)條件下維持控制角的區(qū)間。如果αrect上升至數(shù)值αmax nom rect，電路NV3將產(chǎn)生一個(gè)正的輸出信號(hào)，而如果αrect下降至數(shù)值αminnom rect，電路NV4將產(chǎn)生一個(gè)正的輸出信號(hào)。在電路EC1和EC2中，電壓參考值Udref與數(shù)值Udref nom±ΔUdmax進(jìn)行比較，這個(gè)數(shù)值是與額定直流電壓±0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔相對(duì)應(yīng)的。
如果以下兩式同時(shí)成立Udref＝Udref nom+ΔUd maxαrect≥αmax nom rect則與電路AG1將把一個(gè)電壓減小信號(hào)tcdI傳導(dǎo)到變壓器TRI的抽頭變換開關(guān)，于是該抽頭變換開關(guān)向下調(diào)一檔。
如果以下兩式同時(shí)成立Udref＝Udref nom-ΔUdmax及αrect≤αmin nom rect則與電路AG2將把一個(gè)電壓增大信號(hào)tcuI傳導(dǎo)到變壓器TRI的抽頭變換開關(guān)，于是該抽頭變換開關(guān)向上調(diào)一檔。
在圖2b和圖5b中，加給抽頭變換開關(guān)的兩個(gè)控制信號(hào)統(tǒng)一命名為信號(hào)tcI。
抽頭變換開關(guān)的擋數(shù)是這樣調(diào)整的，每一檔給出一個(gè)適當(dāng)大小的電壓變化。每一檔的典型電壓變化為額定電壓的1.25％。
抽頭變換開關(guān)控制設(shè)備的功能是在逆變器控制角的變化范圍全部被利用的條件下當(dāng)控制角超過(guò)了預(yù)定的區(qū)間時(shí)，要求調(diào)整開關(guān)的檔位。
圖6a顯示的是圖2a所示的實(shí)施方案中逆變器控制角發(fā)生器CFCinv的實(shí)施方案，在圖2a的實(shí)施方案中逆變器的控制角被給予一個(gè)增量來(lái)改變直流電壓。控制角發(fā)生器具有一個(gè)電流控制器CCAinv，一個(gè)加法器SU9和一個(gè)電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV5。
電流指令I(lǐng)O加給了加法器SU9，在這個(gè)加法器中通過(guò)一種已知的方法從電流指令中減去了電流余量ΔI。因此只要整流器是電流控制的，實(shí)際的電流Id就會(huì)大于合成電流指令I(lǐng)O-ΔI，而且電流控制器的輸出信號(hào)αinv將達(dá)到它的上限值。這是由從參考值發(fā)生器VARCrect得到的信號(hào)αmaxCCA所控制的。電流控制器的輸出信號(hào)向下被限定在數(shù)值αmin inv以上，該數(shù)值在典型情況下剛好大于90°，這是為了防止逆變器動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)變?yōu)檎髌鞴ぷ鳌?br> 電流控制器的輸出信號(hào)αinv加給了逆變器SRII，并且決定它的控制角。
只要整流器是電流控制的并由此αinv達(dá)到上限值αmaxCCA，電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV5的輸出信號(hào)ICC就為”0”。如果逆變器臨時(shí)變?yōu)殡娏骺刂?，它的控制角αinv一般就會(huì)落到上限值αmaxCCA以下，并且信號(hào)ICC會(huì)變?yōu)椤?”，這就表明逆變器是電流控制的。
量αmax inv、αmin nom inv和αnom inv是由電路UAL給出的。
電路UAL根據(jù)兩個(gè)準(zhǔn)則決定逆變器控制角的上限值αmax inv。一方面，在已知情況下，這個(gè)逆變器控制角在具有某個(gè)預(yù)定的整流余量時(shí)是絕對(duì)不允許被超過(guò)的。而另一方面，當(dāng)逆變器的(負(fù))直流電壓不再隨控制角的上升而上升時(shí)，該控制角也是不應(yīng)該被超過(guò)的，因?yàn)榉駝t的話，控制電壓就會(huì)有兩個(gè)可能的工作點(diǎn)。
下限值αmin nom inv是這樣一個(gè)控制角，它給出相應(yīng)于一個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的逆變器直流電壓的減小，這個(gè)抽頭變換開關(guān)檔是與當(dāng)αinv＝αmax inv時(shí)得到的直流電壓有關(guān)的。
逆變器的額定工作點(diǎn)是控制角αnom inv，在這個(gè)工作點(diǎn)上得到一個(gè)比αmin＝αmax inv時(shí)的電壓低0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的逆變器電壓。
圖6b顯示的是在存在一個(gè)電壓控制器而且傳輸直流電壓受控制器參考電壓控制影響的情況下的逆變器控制角發(fā)生器CFCinv。加給電壓控制器vCAinv的是來(lái)自整流器參考值發(fā)生器VARrect的參考電壓Udref和整流器直流電壓的測(cè)量值Udrect。該電壓控制器把輸出信號(hào)αVCA傳輸給電流控制器CCAinv和逆變器變壓器抽頭變換開關(guān)的控制設(shè)備TCCinv。
當(dāng)整流器為電流控制時(shí)，電流控制器的輸出信號(hào)αinv被驅(qū)動(dòng)到它的上限值。該信號(hào)由電壓控制器VCAinv控制到數(shù)值αVCA。電壓控制器的輸出信號(hào)向上被限定在數(shù)值αmax inv，向下被限定在數(shù)值αmin nom inv。如上參考圖6a所述，這些限定值是由電路UAL得到的。
如上所述，電壓控制器的輸入信號(hào)一方面由參考電壓Udref組成，另一方面由傳輸直流電壓Udrect的測(cè)量值組成。這個(gè)參考電壓和測(cè)量值都是與傳輸?shù)恼髌鞫穗妷河嘘P(guān)，并都是通過(guò)通信線路而從那里傳輸過(guò)來(lái)的。測(cè)量值也能可選地由逆變器的控制設(shè)備把直流電流和已知的線路電阻的乘積加上逆變器直流電壓而形成。
圖7a顯示的是在給逆變器控制角一個(gè)增量來(lái)改變直流電壓的實(shí)施方案中逆變器抽頭變換開關(guān)的控制單元TCCinv。加給電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV6和NV7的是傳輸直流電壓Udrect以及參考數(shù)值Udmax a和Udmin a，其中的參考數(shù)值是與額定直流電壓±1.0個(gè)抽頭變換開關(guān)檔相對(duì)應(yīng)的。如果Udrect＞Udmax a則從NV6得到一個(gè)信號(hào)來(lái)向下調(diào)整抽頭變換開關(guān)的檔位，而如果Udrect＜Udmax a則從NV7得到一個(gè)信號(hào)來(lái)向上調(diào)整抽頭變換開關(guān)的檔位。
這些信號(hào)通過(guò)與電路AG3和AG4加給抽頭變換開關(guān)，另外檔位下調(diào)信號(hào)還通過(guò)或電路OG2加給抽頭變換開關(guān)。合成檔位下調(diào)信號(hào)命名為tcdII，合成檔位上調(diào)信號(hào)命名為tcuII，而且這兩個(gè)信號(hào)用共同的命名tcII來(lái)表示。
如果逆變器臨時(shí)變?yōu)殡娏骺刂?，信?hào)ICC將變?yōu)椤?”，與電路AG3和AG4切斷抽頭變換開關(guān)的工作。在這種工作狀態(tài)中，為了確保逆變器不會(huì)工作在過(guò)低的控制角下，需要借助電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV8或者當(dāng)αinv＜αmin nom inv時(shí)借助與電路OG2再給出一個(gè)無(wú)條件檔位下調(diào)信號(hào)。
圖7b顯示的是在逆變器具有電壓控制器而且傳輸直流電壓受控制器參考電壓控制影響的實(shí)施方案中逆變器抽頭變換開關(guān)的控制單元TCCinv。
由于上面說(shuō)明的借助參考電壓Udref的直流電壓控制將在Udmin b和Udmax b之間的區(qū)間內(nèi)改變直流電壓，其中Udmin b和Udmax b與額定電壓±0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔相對(duì)應(yīng)，所以設(shè)備必須能夠區(qū)分整流器引起的這些電壓變化和逆變器交流電壓網(wǎng)電壓變化引起的電壓變化。這個(gè)功能是借助上述的比較電路EC3和EC4、電平雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器NV8以及門電路AG3、AG4和OG2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
電路EC3和EC4當(dāng)量αVCA達(dá)到限定值αmax inv或αmin nom inv中的任一個(gè)時(shí)分別給出信號(hào)”1”。如果逆變器是電流控制的，逆變器的控制角就會(huì)與量αVCA相等。這就意味著只要信號(hào)αVCA及控制角在上述限定值之間，逆變器電壓控制器VCAinv就會(huì)單獨(dú)抵銷直流電壓的偏差。只有當(dāng)不存在電壓控制器的控制可能性時(shí)(這將由電路EC3和EC4中的一個(gè)產(chǎn)生信號(hào)”1”來(lái)表示)才會(huì)送出一個(gè)工作信號(hào)給抽頭變換開關(guān)。
前面說(shuō)明了一些本發(fā)明的實(shí)施方案，但是，本發(fā)明當(dāng)然不會(huì)只局限于這些實(shí)施方案。
本發(fā)明的控制方法結(jié)果是，在整流器或逆變器的Udio的變化高達(dá)±1個(gè)抽頭變換開關(guān)檔時(shí)， 整流器的控制角會(huì)維持在限定值αmax nom rect和αmin nom rect之間。而且，逆變器的控制角會(huì)維持在限定值αmax inv和αmin nom inv之間。在這兩種情況下都給出了一個(gè)相應(yīng)于±0.5個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的最大控制角變化。這種對(duì)控制角變化的限制是通過(guò)用上述方法控制傳輸?shù)闹绷麟妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)的。于是這個(gè)最大控制角變化相比于現(xiàn)有技術(shù)裝置和控制方法來(lái)說(shuō)幾乎只有一半。這就導(dǎo)致了整流器和逆變器兩者的無(wú)功功率損耗變化的相應(yīng)降低。無(wú)功功率損耗的變化在整流器和逆變器之間是對(duì)等分配的。
整流器Udio的變化比相應(yīng)于±1個(gè)抽頭變換開關(guān)檔的變化更大時(shí)，這將引起整流器的控制角超出預(yù)定范圍之外和引起抽頭變換開關(guān)的動(dòng)作，并因此使控制角和直流電壓恢復(fù)到額定數(shù)值。
為了防止抽頭變換開關(guān)控制可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，使抽頭變換開關(guān)的換檔在兩個(gè)傳輸站(換流器)之間進(jìn)行同步可能是有利的，也就是當(dāng)一個(gè)站要求換檔時(shí)，使另一個(gè)站的換檔延遲到前一個(gè)站的換檔完成為止。
實(shí)現(xiàn)上面所說(shuō)明的線電壓變化最大幅度近乎減少一半時(shí)，抽頭變換開關(guān)檔的大小沒有改變，并且所有的工作頻度和抽頭變換開關(guān)磨損也沒有絲毫增加。
以上說(shuō)明是關(guān)于為了在兩個(gè)交流電壓網(wǎng)之間進(jìn)行電力傳輸而安置的裝置。然而，本發(fā)明也可以應(yīng)用于所謂多站點(diǎn)傳輸，即三個(gè)或三個(gè)以上的交流電壓網(wǎng)通過(guò)換流器和公共直流電壓連線互相連接在一起的裝置。
另外，可以選擇整流器是電壓控制的，而逆變器是電流控制的。同樣在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明，電流控制的換流器(在這里是逆變器)的控制角變化減少了，這是通過(guò)使電壓控制換流器以上述控制角變化被抵銷的同樣方法來(lái)改變直流電壓而實(shí)現(xiàn)的。
在上面說(shuō)明的實(shí)施方案中，控制設(shè)備的限定值是這樣選擇的，它們使控制角的變化以及無(wú)功功率的變化在電流控制換流器和電壓控制換流器之間對(duì)等分配。如果兩個(gè)電力網(wǎng)的強(qiáng)度幾乎是平均的，則上述分配可能是合理的。如果其中一個(gè)電力網(wǎng)強(qiáng)而另一個(gè)弱，前者就會(huì)對(duì)電壓變化的某一給定程度承受較高的無(wú)功功率變化。這樣，就應(yīng)該控制傳輸，使比較強(qiáng)的電力網(wǎng)分配控制角變化的較大部分，比較弱的電力網(wǎng)分配控制角變化的較小部分，這可以通過(guò)在控制設(shè)備中選擇合適的限定值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種使用高壓直流電流的電力傳輸裝置，這種裝置包括兩個(gè)相位角控制的換流器(SRI，SRII)，每個(gè)換流器連接到交流電壓網(wǎng)(NI，NII)上，兩個(gè)換流器之間通過(guò)直流連線(L)互相連接，以及控制單元(SC，CFCrect，CFCinv)，用來(lái)控制其中一個(gè)的換流器(SRI)作為整流器來(lái)使用，控制另一個(gè)換流器(SRII)作為逆變器來(lái)使用，并且控制其中一個(gè)的換流器，即電流控制換流器(SRI)，以便控制流入直流連線的直流電流(Id)，以及控制另一個(gè)換流器，即電壓控制換流器(SRII)，以便控制直流連線中的直流電壓(Ud)，其特征在于控制單元包括單元(VARCrect)，用來(lái)讀出電流換流器(SRI)的控制角(αrect)，以及當(dāng)發(fā)生下述這樣一個(gè)變化時(shí)，即該變化達(dá)到了預(yù)定區(qū)間的一個(gè)限定值(αmax nom rect-αmin nom rect)時(shí)，用電壓控制換流器來(lái)使該變化被限定的方法來(lái)控制傳輸?shù)闹绷麟妷?Ud)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于控制單元包括用來(lái)為電壓控制換流器(SRII)的控制角(αinv)產(chǎn)生控制信號(hào)(αmaxCCA)的單元(VARCrect)，該控制信號(hào)依賴于電流控制換流器(SRI)的控制角(αrect)，以及單元(CCAinv)，它按照控制信號(hào)來(lái)控制電壓控制換流器(SRII)的控制角(αinv)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中電壓控制換流器(SRII)通過(guò)帶有抽頭變換開關(guān)的變壓器(TRII)連接到交流電壓網(wǎng)(NII)上，其特征在于，控制單元包括單元(SU4，SU5)，用于把電壓控制換流器的控制角(αinv)限定到一個(gè)對(duì)應(yīng)于某個(gè)電壓區(qū)間的控制角范圍(αmax inv-αmin nom inv)，這個(gè)電壓區(qū)間比抽頭變換開關(guān)的兩個(gè)抽頭變換開關(guān)檔所對(duì)應(yīng)的電壓變化要小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于控制單元包括根據(jù)電流控制換流器的控制角(αrect)來(lái)為傳輸?shù)闹绷麟妷寒a(chǎn)生參考電壓(Udref)的單元，以及控制角決定單元(VCAinv)，它被供以該參考電壓、并且能影響電壓控制換流器(SRII)的控制角(αinv)，以按照參考數(shù)值來(lái)控制傳輸?shù)闹绷麟妷?Ud)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其特征在于，控制單元包括單元(BC，SW)，用于當(dāng)控制角(αrect)達(dá)到所說(shuō)的預(yù)定區(qū)間的一個(gè)限定值時(shí)，在第一個(gè)換流器(SRI)的主電路公式的基礎(chǔ)上計(jì)算對(duì)應(yīng)于區(qū)間限定值上的控制角的直流電壓值(Udref comp)，以及用來(lái)把這個(gè)直流電壓值作為參考電壓(Udref)提供給控制角決定單元(VCAinv)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中電壓控制換流器(SRII)通過(guò)帶有抽頭變換開關(guān)的變壓器(TRII)連接到交流電網(wǎng)(NII)上，其特征在于，控制單元包括單元(UAL，VCAinv)，用于把電壓控制換流器的控制角(αinv)限定到一個(gè)對(duì)應(yīng)于某個(gè)電壓區(qū)間的控制角范圍(αmax inv-αmin nom inv)，這個(gè)電壓區(qū)間比抽頭變換開關(guān)兩個(gè)抽頭變換開關(guān)檔所對(duì)應(yīng)的電壓變化要小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其特征在于控制單元包括單元(EC3，EC4)，用于當(dāng)只要電壓控制換流器(SRII)的控制角在所說(shuō)的控制角范圍之內(nèi)時(shí)就防止抽頭變換開關(guān)的操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中電壓控制換流器(SRI)通過(guò)帶有抽頭變換開關(guān)的變壓器(TRI)連接到交流電網(wǎng)(NI)上，其特征在于，所說(shuō)的預(yù)定控制角區(qū)間(αmax nom rect-αmin nom rect)是這樣選擇的，使在區(qū)間中點(diǎn)和一個(gè)區(qū)間限定值之間的電壓控制換流器的控制角的變化對(duì)應(yīng)于換流器的這樣一個(gè)直流電壓變化，該直流電壓變化比由抽頭變換開關(guān)變化一個(gè)檔引起的直流電壓變化要小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，控制單元包括單元(VARCrect)，該單元根據(jù)電流控制換流器的控制角(αrect)來(lái)控制在控制范圍(αmax inv-αmin nom inv； Udrefnom±ΔUdmax)內(nèi)的一個(gè)電壓控制換流器的變量(αmax CCA，Ud)，該控制范圍是由一個(gè)上限值和一個(gè)下限值確定的，另外還有單元(EC1，EC2，AG1，AG2)，只要這個(gè)變量在控制范圍內(nèi)，這些單元就能用來(lái)防止抽頭變換開關(guān)的操作。
10.根據(jù)以前任一個(gè)權(quán)利要求的裝置，其特征在于，至少一個(gè)換流器是通過(guò)串聯(lián)電容器(CI，CII)連接在交流電壓網(wǎng)上的。
全文摘要
一種使用高壓直流電流的電力傳輸裝置，具有兩個(gè)換流器(SRI，SRII)，其中每個(gè)換流器連接到交流電網(wǎng)(NI，NII)上，兩個(gè)換流器之間通過(guò)直流連線(L)互相連接。一個(gè)換流器(SRI)被控制成為整流器，另一個(gè)換流器(SRII)被控制成為逆變器。一個(gè)換流器(SRI)為電流控制。另一個(gè)換流器(SRII)為電壓控制。這個(gè)裝置具有這樣單元(VARCrect)，當(dāng)電流控制換流器(SRI)的控制角(α rect)達(dá)到預(yù)定區(qū)間(α max nom vect-α min nom rect)的一個(gè)限定值，即在控制角的這種變化時(shí)，該單元通過(guò)電壓控制換流器(SRII)來(lái)控制傳輸直流電壓(Ud)，使這個(gè)所說(shuō)的變化受到限制。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1146830SQ9619009
公開日1997年4月2日 申請(qǐng)日期1996年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月10日
發(fā)明者P·E·比約隆德, T·揚(yáng)森, L·E·尤林 申請(qǐng)人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司