电力传输网中的电压控制装置和方法 【技术领域】
本发明涉及一种控制与多相电力传输网相连的无功电功率补偿器的装置以及用于这种控制的方法。
背景技术
静止无功功率补偿器(静止无功补偿器-SVC)传统上作为一种迅速控制电压的工具用于高压电力传输网，这种补偿器连接到网络、具体来讲是其中网络薄弱的节点中。
一本期刊中标题为“功率流的静止无功补偿器模型和动态性能仿真”的文章(IEEE Special Stability Contro1s Working Group.IEETransactions on Power Systems，第9卷第1期，1994年2月，第229-240页)中描述了各种用于此目的的补偿器及其控制系统。
作为这种补偿器的示例，上述文章中除了提及其它，还提到了晶闸管控制电抗器(TCR)，但近年来还使用了基于电压源转换器(VSC)的补偿器。
晶闸管控制电抗器使得能够控制无功功率的消耗，它包括与可控半导体阀串联的感性元件、电抗器。可控半导体阀包括两个反向并行连接的可控半导体，通常是晶闸管。通过对这种半导体进行相角控制，也就是说，通过控制它们相对于交流电网电压的相位地开启角，就可以控制电抗器的电纳，从而控制其无功功率消耗。
对于晶闸管控制电抗器的一般描述，参考ke Ekstrm的“HighPower Electronics HVDC and SVC”(Stockholm，1990年6月)，具体参考1-32至1-33以及10-8至10-12页。
晶闸管控制电抗器可以只消耗无功功率，因此，基于这种技术的补偿器通常包括产生无功功率的装置。这种装置一般包括一个或多个互相并联的滤波器，每个滤波器实质上包括与容性元件串联的感性元件，并且调谐到交流电网的标称频率的一个或多个选定的倍数，但在很多情况下还包括逐步相连的电容器组。
补偿器中的高功率的元件，例如晶闸管控制电抗器和上述产生无功功率的装置，通常连接到中压(一般是15-30kV)的母线，该母线通过变压器连接到传输网中的高压(一般是130-800kV)节点。
控制系统是基于通常在连接补偿器的节点进行的传输网中电压的检测，并且包括用于使该电压保持恒定的电压控制器，这通常利用取决于流经补偿器的电流的内建静电，如上述文章中图2所示。
电压控制器通常具有积分特性，它根据在网络中某点提供的电压参考值和网络中检测到的该电压的同样提供的实际值之差形成输出信号。电压控制器的输出信号用作流经补偿器的无功功率流的参考值。在补偿器包括晶闸管控制电抗器的那些情况中，电压控制器的输出信号可以轻易地变换成该晶闸管控制电抗器的电纳参考值。
根据将参照下面对本发明实施例的描述来较为详细地介绍的现有技术，检测网络中所有三相的电压，由此将所检测的三相电压转换到以网络中角频率旋转的两相坐标系中。在这种坐标系中，所检测的三相电压由电压向量表示，在稳定条件下，该电压向量在所述旋转坐标系中是固定的。此电压向量的大小构成提供给电压控制器的实际电压值。通过使这种旋转坐标系适当同步，将检测电压转化为向量，该向量在稳定条件下仅有方向沿着坐标系的一条轴的分量，下文称此轴为q轴或横轴，而沿着与q轴正交的轴的电压分量长度为零，下文把与q轴正交的轴称为d轴或纵轴。
然而，已经证明，在补偿器的额定功率与连接点处网络的短路功率的相当大的一部分(一般为25％或更多)对应的情况下，如上所述的控制系统不能以令人满意的方式控制所述电压。通常，最低谐振频率比系统频率的两倍还大，即，系统频率为50Hz时大于100Hz，但是，在所述条件下，尤其是在长线路的情况下，对于某些电路结构，谐振频率可能接近系统频率。这意味着，为了稳定性的原因，必须减少电压控制器的放大。
尤其是已经证明，在电压突变的情况下，例如为了将长线路接入网络中而进行切换操作时，在某些情况中会出现过电压，随之会有破坏与网络相连的设备的风险。在连接点的电压开始下降之后，连接长的空载线路就会导致过电压，并持续相对长的一段时间。
克服这些问题的传统方法是在电压控制器中引入比例增益特性，这一般还必须与稳定措施相结合，例如在控制器中引入差动特性。然而，已经证明这并不是合适的解决方案，尤其是在线路要连接到在不同切换时刻可能表现出不同电路结构的传输网中的情况下，因为一般无法找到在所有工作情况下都给出令人满意的结果的控制器设置。
发明概述
本发明的目的是提供一种实现对传输网、尤其是例如与切换操作相联系的薄弱网络中电压的改进控制的装置以及用于这种控制的方法。
已经证明，在上述这种网络中电压改变的情况下，上述旋转两相坐标系中表示实际电压值的电压向量不仅呈现出大小上的变化，而且呈现出坐标系中角位置的变化。在如上所述的特殊情况中，旋转坐标系同步、使得稳定条件下的电压向量仅具有方向沿着q轴的分量，则电压向量在转变期间表现出沿d轴的分量，一般是阻尼振荡序列，在此期间沿d轴的分量还改变其方向。
根据本发明，随旋转两相坐标系中的电压向量的角位置的上述变化而定，形成补偿信号，而且，随补偿信号和电压控制器的输出信号而定，形成补偿器的无功功率流的参考值，该电压控制器以上述根据现有技术的方式通过负反馈根据电压向量的大小来控制电压。
如果补偿器包括晶闸管控制电抗器，则根据补偿器的无功功率流的参考值形成该晶闸管控制电抗器的符号相反的电纳参考值。
通过以下描述和所附权利要求，本发明的其它有利的进展将变得清楚明白。
特别是在旋转坐标系同步、使得稳定条件下的电压向量仅有方向沿q轴的分量时，根据电压向量沿d轴的分量有利地形成上述补偿信号。
附图简述
通过参照附图描述各种实施例，对本发明作更为详细的介绍，附图都是示意性的，分别采取单线图和框图的形式，其中：
图1表示根据现有技术连接的具备静止无功功率补偿器的传输网的各部分；
图2表示用于根据图1的补偿器的根据本发明的控制系统的有利实施例；
图3表示与根据图2的控制系统配合使用、具备晶闸管控制电抗器的静止补偿器；以及
图4表示与根据图2的控制系统配合使用、具备电压源转换器的静止补偿器。
最佳实施例的描述
以下描述同时涉及上述方法和装置。上述装置包括图中以框图表示的计算部件，应当理解，各框的输入和输出信号可能由信号或计算值构成。因而信号和计算值在下面作同义使用。
为了不让对本领域技术人员不言自明的特性使说明变得累赘，一般对传输网中出现的涉及测量值和信号/计算值的各种电压采用相同命名，这些命名与提供给将在下面描述的控制系统并在其中加以处理的这些量对应。
不同图中所用的相同标号指的是同种部件。
图1表示高压传输网NW的一部分，例如传输线。用于补偿无功功率的静止补偿器SVC通过变压器T连接到传输网。该补偿器具有处于中压等级的母线MVB。传输网NW的电压等级一般为130-800kV，母线MVB一般为15-30kV。
滤波设备F连接到母线MVB，该滤波设备可以已知的方式包括一个或通常若干个调谐滤波器。这些滤波器在系统频率、通常是50或60Hz产生一定的无功功率，但除此以外，该滤波设备还可包括电容设备(未示出)，用于产生额外的无功功率。该滤波设备产生的无功功率用QF表示。
按照一些已知实施例设计的装置1具有可控的无功功率消耗和/或无功功率产生，例如，如图中所示，晶闸管控制电抗器还连接到母线MVB。无功功率QTCR流经装置1，并且无功功率QC从补偿器流到网络NW，QC是功率QF和QTCR之和，其中功率QTCR是负的。功率QTCR可根据控制设备2提供的参考值QCR来控制，而且，因为由母线MVB上的电压确定滤波设备产生的功率QF，所以从补偿器流入网络的功率QC可通过控制设备来控制。
三相传输网中的电压用V表示。网络的三相用a、b和c表示，其相应电压表示为Va、Vb和Vc。这些电压在图中统一表示为电压向量 Vabc，它们由电压测量装置VSD检测，并提供给控制设备2。V上的一划在这里表示向量，而上标a、b和c表示选定的参考系(这里为三相系统)中的向量的分量。
图2表示用于根据图1的补偿器的根据本发明的控制系统的有利实施例。作为介绍，首先描述各种参考系之间的若干变换，这些变换是本领域中公知的和常用的。
控制系统最好实现为在微计算机上执行的软件，并因此设计为采样系统。为了实用的理由，三相电压通过固定两相αβ参考系变换成旋转两相dq参考系，并用这种旋转两相参考系表示。因此，稳定条件下，三相电压在dq参考系中由固定电压向量表示，该向量的分量可以通过控制系统的传统技术分别进行信号处理。
这些变换在例如Anders Lindberg的“两级和三级高功率电压源变换器的PWM和控制”(Royal Institute of Technology，Department ofElectric Power Engineering，Stockholm 1995，appendix A)中详细论述，这里只给出简短概括。
一组三相量，例如在abc系统中表示的、一般分别命名为xa，xb，xc的电压在αβ系统中由向量 xαβ表示，其中，按定义：
x‾αβ=xα+jxβ=23(xα*ej0+xb*ej2π/3+xc*e-j2π/3)...(1)]]>
用ω表示三相传输网的角频率以及
和向量 xαβ变成：
该向量在固定αβ参考系中长度为以角频率ω旋转。
将向量 xαβ变换到dq参考系中的向量 xdq可以形式上表示为：
xdq＝xd+jxq＝ xαβ*e-jξ (3)
其中ξ＝ωt，则从等式(2)-(3)得出下式：
该式表示一个向量，该向量在稳定条件下在旋转dq参考系中是固定的，并且具有相对于d轴方向的相位。
通过电压测量装置VSD(图1)检测的电压向量 Vabc提供给以某种实质上已知的方式修改的第一变换部件3，以便执行根据上述表达式(1)的变换。其输出信号则构成电压向量 Vαβ，该向量与传输网中的电压V对应，但表示在αβ参考系中。
电压向量 Vαβ提供给以某种实质上已知的方式修改的计算部件4，以便从所提供的电压向量中分离出其正序分量并只转发此分量。
对如何进行这种分离的描述不在本说明书的范围之内，利用框图所作的如何进行这种分离的详细描述在上述Anders Lindberg的文章中第81-84页给出。电压向量 Vαβ的正序分量在图2中用 Vpsαβ表示，它由计算部件4转发，提供给以某种实质上已知的方式修改的第二变换部件5，以执行根据上述表达式(3)的变换。在该变换部件中，由此创建表示传输网中电压V的电压向量 Vdq的两个分量Vd和Vq，电压V在以角频率ω旋转并且由此变换部件来定义的dq参考系中被表示成互相正交的两个分量。下面称为纵向分量的分量Vd是电压向量沿d轴的分量，而下面称为横向分量的分量Vq是电压向量沿q轴的分量。
根据现有技术，把以某种已知方式形成的电压向量的绝对值| Vdq|转发至低通滤波部件6，低通滤波部件的输出信号| V|′提供给差值形成部件7。还向该差值形成部件提供电压向量绝对值的参考值V，ref，差值形成部件以所提供的这两个信号之差(差值形成部件7的符号上输入端的小图表示负输入)形成输出信号。该输出信号提供给电压控制器8，电压控制器8的输出信号根据传统技术构成参照图1所述的补偿器的可控无功功率流的参考值QCR。在传统方式中，电压控制器具有积分特性，其积分间隔常数等于1/K1。
表达式(3)中出现的变量ξ＝ωt和图中标出的ξq(引入此变量的理由在下文中说明)也是根据所提供的电压向量 Vpsαβ由锁相电路10以某种实质上已知的方式生成，并与旋转坐标系同步，使得在稳定条件下电压向量 Vdq仅具有沿q轴的分量Vq而分量Vd在这些条件下等于零。
在本发明的最佳实施例中，由于下面将作更详细说明的一些原因，还将电压向量 Vpsαβ提供给变换部件12。该变换部件与变换部件5是同种类型的，从而也产生表示传输网中电压V的电压向量 Vdq的两个分量Vd和Vq，电压V在以角频率ω旋转并且由变换部件12定义的dq参考系中被表示成彼此正交的两个分量。
如上所述，在本发明的概述部分已经证明，例如，在该介绍中所述的切换序列的情况下，在两相参考系中电压向量的大小和角位置将出现变化。
根据本发明，检测以角频率ω旋转的两相坐标系中的电压向量的角位置变化，该坐标系在本发明的这个实施例中由变换部件12定义。
特别是，由此可以使变换部件12定义的坐标系同步，使得其中的电压向量在稳定条件下只表现出沿q轴的分量。在线电压扰动时，电压向量的角位置变化由此用电压向量沿d轴的分量Vd表示。
根据本发明的这个特殊实施例，这样利用电压向量的纵向分量Vd控制补偿器。将此分量提供给以某种已知方式修改的乘法部件11，将提供给乘法部件的信号乘以因子K2，由此将乘法部件11的输出信号Sc和电压控制器8的输出信号都提供给求和部件9。根据本发明，求和部件9输出的信号构成参照图1所述的补偿器的可控无功功率流的参考值QCR。
尽管如上所述还在变换部件5定义的旋转坐标系中形成纵向分量Vd，但与此无关、由变换部件12定义的旋转坐标系的创建意味着有可能动态适应干扰，这正是在形成参考值QCR时检测电压向量的角位置变化所要实现的。
上述这种锁相电路实现旋转坐标系和电压向量之间的同步，根据以上等式(4)给出的原理，这意味着后者在稳定条件下在该坐标系中是固定的，并具有相对于该坐标系的一定角位置。在所提供的电压的相位发生变化时，即其相对于坐标系的角位置发生变化时，这种锁相电路表现出一种时间常数，这涉及到坐标系跟随这些变化的延迟。因此短的延迟意味着同步相对迅速地试图恢复电压向量相对于坐标系的角位置，而长的延迟意味着例如由传输网中切换操作引起的电压向量的角位置的变化将维持较长一段时间。
表达式(3)中出现的变量ξ＝ωt和图中标出的ξd由锁相电路13以类似于上述的方式生成。锁相电路13中的时间常数以某种实质上已知的方式取决于锁相电路的设计参数，于是可有利地进行修改，以适合传输网的动态特性，从而在形成参考值QCR时将由检测的电压向量的角位置变化得到的干扰以上述方式动态优化。
变换部件12、锁相电路13以及乘法部件11因此构成变换装置，此变换装置将检测电压表示为旋转两相坐标系中的电压向量 Vdq，并根据所检测的两相坐标系中电压向量的角位置变化来形成补偿信号Sc。该变换装置的动态特性能够受旋转坐标系同步过程中的延迟影响，在本发明的最佳实施例中，通过锁相电路13中的延迟受到影响，而其幅度可通过乘法部件11受到影响。变换部件12和锁相电路13构成相位校正装置，此装置根据锁相电路的延迟，动态校正旋转坐标系中电压向量的角位置。尤其是在锁相电路如上所述被设置成具有长的延迟的情况下，控制系统的动态特性还可能通过设置乘法部件11而受影响，使得在适当选择的频率范围内，该控制系统还表现出相位超前特性。
乘法部件11可有利地设置成在其输出上具有死区(未示出)，使得其输入信号的大小必须超过选定的电平，才被转发以与因子K2相乘，而忽略其大小低于此电平的它的输入信号的变化。
图3表示具有晶闸管控制电抗器1的静止补偿器的实施例，这种静止补偿器有利地与根据本发明的控制系统配合使用。所述晶闸管控制电抗器以传统方式连接到处于中压等级的母线MVB，上述那种滤波设备F也连接到该母线MVB。滤波设备产生标记为QF的无功功率。
上述补偿器包括电抗器11，电抗器11与包括两个反向并联的晶闸管T1、T2的可控半导体电路12串联。电抗器的电纳以及由此产生的无功功率消耗可通过这些晶闸管的相角控制、即通过控制它们相对于交流电网电压的相位的开启角，以某种实质上已知的方式进行控制。
在晶闸管控制电抗器的无功功率消耗QTCR及其电纳B之间，运用如下已知的关系：
QTCR=-3/2*B*|V‾|2...(5)]]>
其中| V|表示电压向量V＝Vd+jVq的绝对值。
将参照图2描述的控制设备2根据本发明生成的通过补偿器的无功功率流的参考值QCR提供给差值形成部件15。还为该差值形成部件提供滤波设备生成的无功功率QF的以某种已知方式形成的带负号的值，该差值形成部件形成所提供的这些值之差以作为输出信号。
把此差值提供给根据表达式(5)以某种已知方式修改后的计算部件13，从而将此参考值变换成电抗器电纳的参考值B，ref。
在电纳B和开启角α之间，下述已知关系适用：
B(α)＝-[2(π-α)+sin 2α]/πωL (6)
将电抗器电纳的参考值B，ref提供给计算部件14，计算部件14生成所述晶闸管的开启角α的参考值α，ref。
图4表示具有电压源转换器21的静止补偿器的实施例，这种实施例也有利地用于根据本发明的控制系统中。
所述转换器以传统方式在其交流电压侧通过电感22连接到中压母线MVB，上述那种滤波设备F也连接到该母线MVB。该滤波设备产生标记为QF的无功功率。电容设备23连接到所述转换器的直流电压侧。流经转换器的功率流标记为QVSC。
将参照图2描述的控制设备2根据本发明生成的流经补偿器的无功功率流的参考值QCR提供给变换部件26，变换部件26以某种实质上已知的方式将所提供的参考值变换成所述转换器的无功电流的参考值Iq，ref。测量设备25(仅示意性地示出)以某种类似的实质上已知的方式形成表示所述转换器的无功电流的实际值Iq。
将所述转换器的无功电流的参考值和实际值提供给差值形成部件24，差值形成部件将所提供的信号间的差值提供给电流控制器27。
电流控制器的输出信号具有所述转换器生成的相电压参考值的特性，将该输出信号提供给脉冲产生单元28，脉冲产生单元28以某种实质上已知的方式，根据选定的相关脉宽调制(PWM)模式生成分别用于开启和熄灭转换器中包含的半导体阀的脉冲序列。
可以有利地设计用于转换器的所述电流控制系统，使之按照前述Anders Lindberg所著文章“两级和三级高功率电压源转换器的PWM和控制”(Royal Institute of Technology，Department of ElectricPower Engineering，Stockholm 1995，appendix A)尤其是在第34-35和77-104页中描述的原理工作。