用于控制电压源换流器的控制设备、电力支持系统和方法与流程

本公开涉及电力系统和电气工程领域。具体地，本公开涉及电力系统中构网型换流器和电压源换流器（vsc）的同步和控制。

背景技术：

1、全球向以可再生能源为基础的电力系统的转型正在推动传统同步发电被换流器接口发电取代。构网型（gfm）换流器已成为应对这一转变所带来的挑战的首选解决方案。这些换流器通常利用其dc侧能量进行电网同步，从而使这些换流器能够用作电压源。

2、随着时间的推移，gfm策略已经从简单地提供基本的无功功率支持演变为主动整形电网电压并响应电网电压相位角和频率的变化。附加地，vsc必须在极低短路功率条件下（比如在电网恢复期间）仍能操作并支持电网。该要求需要集成比如超级电容器和电池能量储存系统（bess）等额外的能量储存系统（ess），以补充dc支路电容器中可用于实现电网稳定的有限能量。在这种情况下，vsc的同步控制必须具备弹性并且能够提供关键阻尼服务以确保可靠的操作。

3、已经针对基于逆变器的资源（ibr）开发了各种各样的同步方法。最初，研究重点在于抑制比如电压谐波、不平衡、相位跳变和频率偏差等扰动。然而，该重点已转向确保弱电网和故障电网的同步稳定性。该转变是由电力系统中ibr占比不断提高所驱动的，这导致惯量减小且短路比（scr）降低，最终损害这些资源的稳定性。此外，用于gfm换流器的传统同步方法在大频率扰动期间会面临角稳定性问题，并且缺乏必要的gfm特性。

4、因此，需要一种改进的解决方案来至少缓解传统解决方案中存在的一些问题。

技术实现思路

1、本公开的目的是提供一种用于控制vsc的控制设备、电力支持系统和方法，其至少减轻当前解决方案存在的一些缺点或在至少一个方面改进当前解决方案或在至少一个方面提供当前解决方案的替代方案。进一步地，目的是优选地增强电力系统中构网型换流器的稳定性和可靠性。

2、本公开的另一个目的是优选地提供一种用于电压源换流器的改进的控制设备，从而在电力系统中实现高效且稳定的操作。

3、这些和其他目的至少部分地由独立权利要求中限定的本发明实现。从属权利要求中阐述了优选实施例。以下描述了附加有利的示例性实施例。

4、根据第一方面，提供了一种用于电压源换流器vsc的控制设备。该vsc经由公共连接点pcc电连接到电力系统。该控制设备被配置为向vsc提供电压参考以在静止同步补偿器statcom模式下、或在增强型statcom（即estatcom）模式下控制vsc。电压参考至少基于vsc的内部电压源ivs的相位角，其中，ivs相位角至少指示经由pcc在vsc与电力系统之间交换的有功功率的量。该控制设备包括功率控制回路，该功率控制回路被配置为至少基于能量参数的前馈阻尼来确定ivs相位角。功率控制回路进一步被配置为在与vsc的statcom模式相对应的第一模式下操作，或者在与vsc的estatcom模式相对应的第二模式下操作。在第一模式下，功率控制回路被配置为获得直流dc链路能量作为能量参数，其中，该dc链路能量指示在vsc的dc链路能量源与电力系统之间交换的电能的量。在第二模式下，功率控制回路被配置为获得估计能量作为能量参数，其中，该估计能量对应于至少基于以下各项的有功功率修正：有功功率、有功功率的有功功率参考和有功功率参考修正。有功功率参考修正至少基于能量修正。能量修正至少基于估计能量和dc链路能量。

5、换言之，该方法可以考虑dc链路能量以及可选地ac侧能量（根据功率估计），从而根据操作模式（statcom或estatcom）生成同步角度。因此，该方法为vsc提供了稳健的功率同步解决方案，从而使vsc能够阻尼振荡并更快地收敛到稳态。

6、进一步地，与传统方法中的反馈概念不同，该控制设备以前馈方式提供阻尼。因此，无需额外的回路或电路来提供阻尼。另外，功率控制回路（具体是能量修正）确保能量误差始终收敛到零。这种组合使得即使在瞬态条件下也能够实现增强的阻尼和角稳定性。

7、换言之，该方法还使得vsc能够在瞬态事件之后实现更快且更有效的阻尼，从而确保系统和控制器的稳定性。

8、由此，促进了对vsc的高效控制。该方法使得能够精确管理与电力系统的有功功率交换。功率控制回路能够进行实时调整，从而确保稳定操作并最大限度地减少电力系统中的潜在扰动。

9、该控制设备的功率控制回路进一步能够考虑源相位角和ivs相位角两者来准确计算相位角修正。能量平衡电路能够解决和/或补偿能量交换中的任何偏差，从而维持系统稳定性。换言之，能量平衡电路使得系统即使在存在扰动或误差的情况下也能够保持稳定并在预定限制内操作。

10、能量修正至少基于dc链路能量和估计能量，使得控制设备也能够考虑dc链路能量的变化，例如，确保vsc在预定限制内操作。通过将dc链路能量和估计能量两者结合到能量修正计算中，该控制设备使得能够全面理解能量动力学。

11、此外，该方法能够消除由单元（cell）dc电压引入的谐波，而无需任何额外的控制逻辑。具体地，该方法消除单元dc电压中固有的二阶谐波，并在无需额外的控制机制的情况下维持能量储存系统与电网间的能量平衡。

12、该控制设备至少基于相位角修正来控制vsc促进对vsc的精确操作控制。通过利用相位角修正，该控制设备可以确保vsc与电力系统平稳地操作，例如，最大限度地减少潜在中断并确保可靠的能量交换。

13、该控制设备可以是功率控制器，例如，该控制设备可以是功率同步控制器。

14、总体上，该方法能够实现具有固有频率和阻尼控制的稳健功率控制器，并且实现改进的gfm控制结构，从而消除对额外同步回路的需要。

15、进一步地，该方法能够提高系统稳定性、增强性能并提高效率。通过提供稳健的功率同步解决方案，该方法使得vsc能够在各种应用中有效地操作，从而确保电力系统的可靠且稳定的操作。这可以促进在不同行业中采用vsc，例如，有助于开发更高效和可持续的能源系统。

16、经由pcc在vsc与电力系统之间交换的有功功率可以根据pcc处的电流测量值和电压测量值来确定。pcc（或其他位置）处的电流可以通过电流互感器（ct）来测量。pcc（或其他位置）处的电压可以通过电压互感器（vt）来测量。电流和电压可以分别表示为相量。有功功率可以被确定为电压乘以电流再乘以功率因数（电压与电流之间的相位角的余弦）。电压和电流乘以功率因数可以是均方根rms值。

17、功率控制回路可以被配置为经由能量平衡电路获得有功功率参考修正，该能量平衡电路被配置为至少基于能量修正来确定有功功率参考修正。

18、功率控制回路可以被配置为至少基于有功功率、有功功率参考和有功功率参考修正来确定有功功率修正。

19、功率控制回路可以被配置为确定与有功功率修正相对应的估计能量。

20、功率控制回路可以被配置为基于源相位角与内部电压源ivs相位角之间的差来确定相位角修正，其中，源相位角是电力系统的相位角，并且ivs相位角至少基于估计能量的前馈阻尼。能量修正至少基于估计能量和直流dc链路能量，该直流dc链路能量指示在dc链路能量源与电力系统之间交换的电能的量。该控制设备可以被配置为至少基于相位角修正来控制vsc。

21、根据一个实施例，有功功率参考修正至少基于dc链路能量与按积分能量增益缩放的能量修正之间的差。有功功率参考修正可以经由能量平衡电路提供。

22、能量平衡电路可以被配置为修正或维持dc链路能量与估计能量之间的能量平衡。能量平衡电路可以经由有功功率参考修正来修正或维持dc链路能量与估计能量之间的能量平衡。

23、在非限制性示例中，dc链路能量与估计能量之间的差可以是能量修正。

24、通过基于dc链路能量与估计能量之间的差来确定功率参考修正，能够精确计算有功功率参考修正。换言之，dc链路能量与估计能量之间的差可以提供能量修正项。能量修正可以缓解来自dc侧的能量与发送到电网的能量的失配。进一步地，将能量修正按积分能量增益进行缩放使得控制设备能够随时间调整有功功率参考修正，例如，确保vsc在预定限制内操作。由于理论能量（例如，基于比如系统惯量常数（h）和频率偏差（）等参数计算的能量）与ess中储存的实际能量之间的差异，可能会出现能量不平衡。

25、根据一个实施例，ivs相位角至少基于由前馈阻尼电路提供的ivs相位角的比例部分，该前馈阻尼电路被配置为接收能量参数作为输入。能量参数可以取决于功率控制回路的模式。在第一模式下，能量参数可以是dc链路能量。在第二模式下，能量参数可以是估计能量。

26、这促进响应于估计能量的变化而更准确地调整ivs相位角，从而使得vsc能够快速地响应电力系统的变化。使用前馈阻尼电路能够进一步精确控制ivs相位角，从而确保vsc与电力系统协调操作。

27、总体上，使用前馈阻尼能够更简单地定义和理解阻尼现象，例如，实现更有效的控制。进一步地，通过前馈方法实现的阻尼比传统的基于反馈的阻尼机制相对更有效。另外，将用于阻尼的反馈控制与功率限幅器集成可能具有挑战性，因此前馈在需要功率限幅的应用中可能是优选的方法。

28、根据一个实施例，ivs相位角的比例部分至少基于按比例增益缩放的能量参数。

29、换言之，该控制设备可以响应于能量参数的变化来调整ivs相位角的比例部分。实施比例增益可以提供更快速的响应。使用比例增益可以使得控制设备能够微调ivs相位角的比例部分，例如，确保vsc在预定限制内操作。

30、比例增益可以限定控制设备的阻尼特性。具体地，比例增益与ivs相位角的阻尼部分相关，并且调整该增益可以直接影响所实现的阻尼量。更高的比例增益可以提供更多的阻尼。然而，如果选择的比例增益过高，则可能导致系统过阻尼。因此，可以对比例增益进行调谐以在阻尼与稳定性之间实现优选平衡，如本文将进一步解释的。

31、根据一个实施例，ivs相位角进一步基于ivs相位角的积分部分。ivs相位角的积分部分可以由积分电路提供，该积分电路被配置为接收能量参数作为输入。

32、因此，可以对ivs相位角进行长期调整。积分部分可以使得控制设备能够考虑能量参数的累积变化，例如，确保vsc在预定限制内操作。

33、积分部分可以作为用于跟踪系统频率并调节换流器频率的机构，例如，确保任何频率偏差或扰动都得到修正。积分部分使得控制设备能够准确地跟踪系统频率的变化并进行必要的调整以维持稳定性。另一方面，比例部分为系统提供阻尼，例如，帮助减轻振荡并稳定对频率扰动的响应。因此，ivs相位角的积分部分和比例部分的组合使得控制器能够有效地修正频率误差并提供稳定的输出。换言之，积分部分可以确保对频率变化的准确跟踪和修正，同时比例部分可以有助于系统的整体阻尼和稳定性。

34、在非限制性示例中，将ivs相位角的比例部分和ivs相位角的积分部分相加以生成ivs的最终相位角修正。进一步地，dc电压可以用于估计可用能量，即，dc链路能量。因此，可以将dc链路能量与估计能量进行比较以计算如上所讨论的相位角。

35、根据一个实施例，ivs相位角的积分部分由积分增益以及随后的能量积分器来确定。

36、这促进利用积分增益和能量积分器两者来精确计算ivs相位角的积分部分。使用积分增益使得控制设备能够随时间调整ivs相位角的积分部分，从而确保vsc在预定限制内操作。积分增益可以跟踪系统频率。进一步地，积分增益可以最终限定系统的惯量。

37、根据一个实施例，ivs相位角至少基于ivs相位角的比例部分与ivs相位角的积分部分之和。

38、这促进更准确且稳定地控制功率控制器。

39、根据一个实施例，该控制设备进一步包括交流电压控制器avc，该avc被配置为调节vsc的ac电压输出。avc可以通过调节ac电压输出来（间接地）控制经由pcc在vsc与电力系统之间交换的无功功率。

40、通过调节无功功率，avc有助于稳定vsc的电压输出，例如，确保其保持在期望的限制内。

41、因此，avc可以增强vsc支持电网稳定性的能力，比如在可能发生电压波动的状况下。附加地，调节无功功率可以提高配电效率。

42、根据一个实施例，avc基于在pcc处测量的无功功率以及所述无功功率的无功功率参考来提供幅值电压。

43、换言之，avc可以基于在pcc处测量的无功功率以及预定义的无功功率参考来确定其所提供的电压的幅值。无功功率参考可以作为期望无功功率水平的目标或基准。通过将pcc处测量的无功功率与该参考进行比较，avc可以相应地调整电压幅值，以确保vsc的理想性能和稳定性。

44、在pcc处测量的无功功率可以经由在pcc处的电压和电流测量来间接测量。无功功率可以被确定为电压乘以电流再乘以电压与电流之间的相位角的正弦。电压和电流乘以相位角的正弦可以是均方根rms值。

45、根据一个实施例，该控制设备进一步被配置为基于ivs相位角和幅值电压来确定电动势emf。

46、换言之，通过使用ivs相位角以及电压幅值，控制设备可以得到emf。所确定的emf可以表示vsc的能量转换能力的度量。

47、由此，可以例如通过确保emf符合电网要求来提供vsc的稳健操作。

48、根据一个实施例，电压参考进一步基于emf和由虚拟导纳控制器vac确定的虚拟导纳。

49、换言之，虚拟导纳控制器可以被配置为调节vsc的输出阻抗。可以基于虚拟阻抗来调节vsc的输出阻抗。

50、在某种意义上，vac可以被设计为对vsc的有效阻抗进行重塑以提供良好和/或充分的阻尼。

51、根据一个实施例，电压参考进一步基于vsc与电力系统之间的电流的电流限值。电流可以是经由pcc在vsc与电力系统之间传导的电流。

52、使用电流限值（即，电流限制）使得控制设备能够防止过大的电流在vsc与电力系统之间流动，从而保护vsc和电力系统免受潜在损坏。换言之，电流限值可以防止vsc在高于最大允许电流阈值的情况下操作。在示例中，该控制设备可以实施特定的电流限制手段来提供额外的电流限制保护，例如，比如被配置为限制电流在vsc与pcc之间传播的电流限制单元。

53、这可以进一步促进vsc的电流限制，从而在不依赖可能损害vsc构网能力的跳闸功能的情况下保护vsc的敏感功率电子器件。作为示例，最大允许电流阈值可以由电流限值参考指定。电流限制单元可以被配置为接收所述电流参考并向电流控制器提供经处理的电流参考。

54、根据一个实施例，该控制设备被配置为至少经由vsc的电压参考来控制vsc。vsc可以是被配置为向比如电力网络等电力系统提供电力支持（有功功率支持和/或无功功率支持）的vsc。电力系统可以被配置用于高压hv应用和/或中压mv应用和/或低压lv应用。

55、hv通常是指超过用于住宅应用和/或商业应用的电压的电压，具体阈值取决于地区。例如，国际电工委员会（iec）通常将1000 v或更高的交流电（ac）电压和1500 v或更高的直流电（dc）电压归类为高压。更具体地，hv可以指等于或大于35 kv且高达几百千伏的电压水平。然而，hv可以指等于或大于115 kv的电压水平。

56、mv通常是指高于lv但低于hv的电压水平。mv通常包括等于或大于1 kv但小于35kv的电压。这些电压水平通常用于城市或工业环境中的配电以及用于将电力传输到为最终用户负载供电的变压器。然而，mv可以指等于或大于10 kv但小于66 kv的电压水平（而hv等于或大于66 kv）。

57、lv通常指用于住宅应用、商业应用和轻工业应用的电压水平。lv通常包括低于1kv的电压，最常见的是用于住宅用途的230 v和用于商业应用和工业应用的400 v。lv电力线路可以用于将电力直接分配至最终用户，诸如家庭、企业和小型工业。然而，lv可以指1000v或更低（在这种情况下mv至少大于1000v但小于35 kv或66 kv）。

58、根据本公开的第二方面，提供了一种电力支持系统。该电力支持系统包括：构网型换流器，该构网型换流器被配置为经由公共连接点pcc电连接到电力系统；以及根据第一方面或第一方面的任何实施例的控制设备。

59、这促进创建综合性电力支持系统，从而可以高效地管理电能在构网型换流器与电力系统之间的流动。该控制设备能够精确控制构网型换流器的操作，从而确保稳定且高效的性能。

60、具体地，构网型换流器可以生成支持电力系统的电压和频率，同时控制设备调节vsc与电力系统之间的功率交换。

61、电力支持系统可以包括多个vsc。该控制设备可以被配置为单独控制该多个vsc。vsc可以电连接或可电连接到可再生能源。

62、第二方面总体上可以呈现与第一方面相同或相对应的优点。

63、根据一个实施例，电力支持系统的vsc被配置为电连接到能量储存系统（ess）和/或作为静止同步补偿器（statcom）操作。当电连接到ess时，该换流器被配置为对ess进行充电或放电以向电力网络供应有功功率或吸收多余功率。当作为statcom操作时，该换流器被配置为通过注入或吸收无功功率来提供无功功率补偿，从而调节pcc处的电压。该换流器可以被配置为基于网络条件在ess操作模式与statcom操作模式之间无缝转换，从而增强电网稳定性、支持电压调节并提高电能质量。特别地，该换流器可以被配置为作为e-statcom（增强型statcom）通过经由ess提供无功功率支持和有功功率支持两者来操作。

64、根据本公开的第三方面，提供了一种用于控制电压源换流器vsc的方法。该vsc经由公共连接点pcc电连接到电力系统。该方法包括向vsc提供电压参考以在静止同步补偿器statcom模式下、或在增强型statcom（即estatcom）模式下控制vsc。电压参考至少基于vsc的内部电压源ivs的相位角，其中，ivs相位角至少指示经由pcc在vsc与电力系统之间交换的有功功率的量。该方法进一步包括：经由功率控制回路至少基于能量参数的前馈阻尼来确定ivs相位角；在与vsc的statcom模式相对应的第一模式下操作功率控制回路，或者在与vsc的estatcom模式相对应的第二模式下操作功率控制回路。在第一模式下，功率控制回路获得直流dc链路能量作为能量参数，其中，该dc链路能量指示在vsc的dc链路能量源与电力系统之间交换的电能的量。在第二模式下，功率控制回路获得估计能量作为能量参数，其中，估计能量对应于至少基于以下各项的有功功率修正：有功功率、有功功率的有功功率参考、以及至少基于能量修正的有功功率参考修正。能量修正至少基于估计能量和直流dc链路能量。

65、该方面总体上可以呈现与前几个方面相同或相对应的优点。

66、该方法可以包括通过功率控制回路经由能量平衡电路获得有功功率参考修正，该能量平衡电路至少基于能量修正来确定有功功率参考修正。

67、该方法可以包括经由功率控制回路至少基于有功功率、有功功率参考和有功功率参考修正来确定有功功率修正。

68、该方法可以包括经由功率控制回路确定与有功功率修正相对应的估计能量。

69、该方法可以包括经由功率控制回路基于源相位角与内部电压源ivs相位角之间的差来确定相位角修正。源相位角可以是电力系统的相位角。ivs相位角可以至少基于估计能量的前馈阻尼。

70、该方法可以包括至少基于相位角修正来控制vsc。能量修正可以至少基于估计能量和直流dc链路能量，该直流dc链路能量指示在dc链路能量源与电力系统之间交换的电能的量。

71、根据第四方面，提供了一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质包括指令，这些指令在由计算机执行时使该计算机执行根据第三方面的方法。

72、该方面总体上可以呈现与前几个方面相同或相对应的优点。

73、第一方面、第二方面、第三方面和第四方面的效果和特征基本类似。关于第一方面、第二方面和第三方面提及的示例基本兼容。进一步应当注意的是，除非另有明确说明，否则本公开涉及所有可能的特征组合。

74、通常，除非在本文中另外明确定义，否则权利要求中所使用的所有术语都将根据其在技术领域中的普通含义进行解释。除非另外明确声明，否则对“一个/所述[元素、设备、部件、装置、步骤等]”的所有提及都将被开放地解释为指所述元素、设备、部件、步骤等的至少一个实例。