变换器控制单元和利用时戳电压或电流相量的方法 |
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| 申请号 | CN200780007592.8 | 申请日 | 2007-03-02 | 公开(公告)号 | CN101496250B | 公开(公告)日 | 2012-01-18 |
| 申请人 | ABB研究有限公司; | 发明人 | 彼得·科尔巴; 鲁道夫·维泽尔; 斯里尼瓦斯·波纳卢里; 马茨·拉尔森; 亚历山大·欧达洛夫; 乔斯·塔沃尔达; 彼得·斯泰默; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于削弱电 力 系统(1)中的振荡的变换器控制单元或电力系统稳定单元，其被配备并且被使用来提供和处理用于系统范围的监控、保护、控制和测定的信息。本发明包括：用于同步(例如，经由GPS或另外的绝对/全局时间基准) 采样 电压 和/或 电流 的的装置(30)、用于 下采样 以便减少采样数目的装置和用于计算相量(即电压和/或电流的时戳幅值和 相位 角 )的装置(35)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种变换器控制单元(3)，其用于控制基于功率电子半导体部件的变换器(14，16)并且设置在电力系统(1)中，所述变换器控制单元(3)包括：同步装置(34)，提供时戳用于全局时间同步，以及相量数据设备(35)，用于基于来自表示电力系统(1)的电流或电压的仪器用变压器的信号来计算时戳同步相量数据，其中所述变换器控制单元(3)要被用于电力系统(1)的发电机(13)的发电机励磁系统中并且包括电力系统稳定器(33)，所述电力系统稳定器(33)考虑到稳定所述电力系统(1)以防止功率振荡以及基于所述发电机(13)的发电机电压VG和/或发电机电流IG来控制发电机励磁系统的励磁变换器(32)，其中所述变换器控制单元(3)包括相量数据设备(35)，用于基于所述发电机电压VG和/或发电机电流IG来计算时戳同步相量数据，以及第一采样装置(30)，该第一采样装置用于以在电力系统(1)的电网频率以上的第一采样速率来对指示发电机电压VG和/或发电机电流IG的发电机信号进行采样，因此产生采样到的发电机信号，其中相量数据设备(35)包括用于对采样到的发电机信号进行下采样的第二采样装置。 |
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| 说明书全文 | 变换器控制单元和利用时戳电压或电流相量的方法技术领域[0003] 电力系统包括使地理上分离的区域相互连接的功率传输和/或配电网和多个在电力网的节点处的变电站。这些变电站包括用于转换电压和用于切换在电力网的各线路之间的连接的设备。发电和至消耗装置的负载流量由中央能量管理系统(EMS)来管理和/或由监控和数据采集(SCADA)系统来监管。 [0004] 过去，在传输资源未相应增加的情况下的持续负载增加已在世界范围内引起许多电力系统的运行裕度减少，并导致电力系统的运行日益接近于它们的稳定极限。同样地，从远程的发电机到本地负载消耗装置的负载传输和电力托送(wheeling)已变成一般惯例，并且导致通过现有网络传输的功率量相当大地增加，偶尔甚至导致部分电力系统的传输瓶颈和机电振荡。这些问题伴随一方面当前世界范围内对电力市场的反调节的趋势和另一方面对精确和更好的电网监控所增加的需求，一同产生了对动态广域监控、保护和控制的需求，该需求超越由SCADA/EMS提供的确切地说为静态的检查。 [0005] 电力系统在一个特定时刻的状态或情况可以从电力系统或电力传输网上所收集的多个同步相量度量或快照中获得。相量是本地电量(如电流、电压和负载流量)的时戳复值，如幅值和相位，并且可以借助于独立的相量测量单元(PMU)来提供。这些单元包括例如通过使用全球定位卫星(GPS)系统或任何其他相似的装置所获得的非常精确的全局时间基准，并且可使来自不同地点的时戳值同步。相量通常根据2.4kHz的内部采样率以10Hz至60Hz的速率来计算，并因此可以提供瞬态或次瞬态视图。传统上，PMU设置在电力网的所选变电站处，并将它们测量到的相量值 转发到处于控制级的中央系统保护中心。在专利US6’845’333中，公开了作为变电站自动化系统的一部分的保护继电器，该自动化系统包括用于产生同步电压或当前相量值的装置以及用于经通信信道从其他遥远的继电器接收电压或电流值的装置。 [0006] 在大型电力系统中互连的同步机借助其来保持彼此同步的机制是通过只要存在使一个或者更多个发电机相对于系统中的其他发电机加速或者减速的力就发生作用的恢复力来实现的。此外，提供有电力系统稳定器(PSS)以通过调制发电机激励信号来增加对发电机振荡的阻尼转矩。PSS设备增强小信号稳定性并且提高对设备模式振荡和区间模式两者的功率振荡的阻尼。传统的PSS设备在本地运行，使用专用的本地度量用以决定如何控制发电机激励或衰减电力系统振荡。这些估计或检测主要基于机器的轴转速、终端频率、电功率和加速功率的变化，并且通常每隔25μs(即采样频率为40kHz)就进行采样。 [0007] 功率振荡实际上引起这些量上的变化，但由于其他现象也会影响它们，所以根据这些度量来对相关的电力系统振荡进行检测是非常复杂的任务。因此，普遍的问题是，测量到的量常常不足以有效检测电力系统振荡或振荡的模式。专利US6476521公开了一种基于在电力系统的鉴于差的阻尼功率振荡所评估的至少两个位置的时戳信号的度量的系统保护方案。与在传统的电力系统稳定器(PSS)的情况中所估计的间接本地度量相比，电力系统中的至少两个点之间的节点角度差的直接度量提供了转子角振荡的改进图。 发明内容 [0008] 本发明的目的是，能够在没有引入巨大的基础设施投资的情况下实现对配备有基于功率电子半导体部件的变换器的电力系统进行基于相量的监控、保护和控制应用。这个目的通过根据权利要求1的用于控制变换器的变换器控制单元以及通过根据权利要求6的执行广域保护和控制应用的方法来实现。根据从属专利权利要求，另外的优选实施例是显然的。 [0009] 根据本发明，变换器控制单元被配备并且被使用来提供和处理相量数据以用于广域监控、保护和控制功能，因此需要将更少的专用相量测量单元安装在电力系统中。硬件部件的节约得以实现，因为例如单独的变换器控制单元的外壳和电源也可以用于容纳如下装置并且为其提供功率：同步 装置，提供时戳以用于全局时间同步；和相量数据设备，用于计算时戳同步相量数据。另外，把前述同步装置和相量数据设备集成到变换器控制单元中可以包括在变换器控制单元的现有硬件中完全或部分地执行相应的功能。 [0010] 在执行根据本发明的广域保护和控制应用的有利方法中，由变换器控制单元所控制的变换器其本身用作执行由广域保护和控制应用所需要的以及从所述变换器控制单元处所计算的相量导出的控制指令的执行器。 [0011] 在本发明的优选变形方案中，变换器是用于电力系统的发电机的励磁变换器，该变换器与变换器控制单元一起形成发电机励磁系统。变换器控制单元一般负责稳定电力系统以防功率振荡，并且包括如下装置，该装置基于电力系统的发电机的发电机电压VG和/或发电机电流IG来产生用于励磁变换器的稳定的控制信号。如上所述，变换器控制单元还包括：同步装置，提供时戳以用于全局时间同步；和相量数据设备，用于基于发电机的发电机电压VG和/或发电机电流IG来计算时戳同步相量数据。 [0012] 在这种情况下，已认识到的是，针对广域应用的相量数据不是一定需要源于电力系统的变电站或其它节点，而是发电机电流和电压也表示对计算相量适合的系统量。因此，具有电力系统稳定器的发电机励磁系统或电力系统稳定单元被配备并且被使用来提供和处理相量数据以用于广域监控、保护和控制功能。由仪器用变压器所提供的且指示发电机电流或发电机电压的发电机信号考虑到阻尼机电振荡而通过电力系统稳定功能来评估，这些发电机信号还用于计算相量数据，即发电机电压和/或电流的时戳幅值和相位角值。因此，不必为了相量测量的目的而提供单独的仪器用变压器。 [0013] 在这个实施例的优选变形方案中，通过以适于电力系统稳定器需要的高采样速率对发电机信号进行采样来获得被采样的发电机信号。然后，采样到的发电机信号被下采样和/或被滤波以便以明显低于上述采样速率的相量更新频率来产生相量。因此，不必为了相量测量的目的而提供单独的采样装置或A/D转换器。 [0014] 在本发明的优选实施例中，提供通信接口用于将所计算的相量数据传送到系统保护中心或其它智能电子设备，其中执行针对广域应用的监控、保护和控制计算。所得到的保护和控制信号可以经该通信接口被接收，并且根据所述广域功能而用于控制变换器。附图说明 [0015] 在下文中参考在附图中说明的优选的示例性实施例更为详细地说明本发明的主题，其中： [0016] 图1示意性地示出电力系统；以及 [0017] 图2描绘了发电机励磁系统的功能块或部件。 [0018] 在附图中所使用的参考标记及其含义概括性地列于参考标记表中。原则上，相同的部分在图中用相同的参考标记表示。 具体实施方式[0019] 图1示出了具有多个变电站的示例性的电力系统1，每个变电站由汇流条11表示并且通过传输线路12相互连接来形成电网或者电力传输网。从拓扑点来看，变电站中的汇流条11形成电力系统1的网络节点。因此，两个专用相量测量单元20被分配给汇流条中的两个汇流条。它们接收来自GPS卫星21的全局同步时间信号，并且以通信的方式连接到系统保护中心22。 [0020] 电力系统1还包括发电机13和由变换器控制单元3所控制的相关励磁变换器14，以及功率变换器16。该功率变换器通常经电力变压器15将有功或无功功率的源或消耗装置17连接到电网，并且同样由变换器控制单元3控制。正如基于功率电子半导体部件的任何变换器一样，励磁变换器14和功率变换器16包括由控制信号单独控制的许多半导体部件或模块，所述控制信号是由变换器控制单元3的栅极驱动器或其它控制硬件产生的。变换器控制单元3还能够接收来自GPS卫星21的全局同步时间信号并且能够将同步相量提供给系统保护中心22。 [0021] 通常，功率变换器，诸如整流器、倒相器、斩波器和周波变换器连接到电力传输网或配电网，并且产生或消耗有功功率。例如，如图1示意性示出的那样，在风力应用中，产生电功率，然而在电机驱动应用中，消耗有功功率。在频率联络中，不同的额定频率的两个网络被连接，其中在任一方向上交换有功功率。 [0022] 基于时戳同步相量数据，进行广域保护和控制应用，并且相应的控制信号被设计并被应用于不同的执行器。至少针对所提及的特定应用，如在 电力系统中的电机振荡的衰减，上述功率变换器表示重要的执行器。功率变换器能够例如借助通过减小电机速度暂时减少从电网提取的用于电机的有功功率，以低频率交换有功功率，并且当其为了所述广域应用而提供无功功率时能够提供甚至更大的自由度。在前文中已就广域保护和控制所提及的内容作为整体主要应用于电力系统。然而，在配置所谓的分布式发电或甚至通过功率变换器使整个电力系统的与其分离的一部分独立时，可根据所述部分、子系统、本地电网或微电网的要求来定制和执行保护和控制应用。 [0023] 图2更为详细地描绘了本发明的具有励磁变换器14的实施方式。三相发电机10经线路12和电力变压器15连接到汇流条11。包括电流和电压变压器的仪器用变压器18将指示线路12中的发电机电流IG和发电机电压VG的信号提供给发电机13的励磁系统的变换器控制单元3。变换器控制单元3包括在图2中作为功能块所描绘的许多部件或子系统30-36。模数(A/D)转换器30采样来自仪器用变压器18的模拟信号，并且将采样到的数据提供给变换器栅极驱动器31。该变换器栅极驱动器例如借助闭环配置来控制励磁变换器14的输出电压，主要为了保持发电机13的端电压。变换器栅极驱动器31也被称为自动电压调节器(AVR)和/或静止型励磁系统(SES)。 [0024] 变换器控制单元3还包括用于电力系统稳定、被称为电力系统稳定器(PSS)的装置33。网络故障或接近于稳定性极限的网络运行引起在发电机和网络之间的有功功率振荡。转子的这些机电振荡可以通过励磁电流的受控影响来减小。因此，PSS33考虑到这些功率振荡评估采样到的数据，并且导出影响变换器栅极驱动器31或特别是AVR的设定点的信号，目的是衰减本地振荡、网络区域之间的振荡或全局振荡。 [0025] 变换器控制单元3还配备有同步装置34，其根据全局时问基准(如与GPS信号一同传送的全局时间基准)提供时戳。同步装置34用作A/D转换器30的时钟。变换器控制单元3还包括相量数据设备35，用于产生发电机电流和电压的幅值或相位角形式的同步相量值。基于A/D转换器30所采样的数据，这必须按10Hz的普通相量更新频率进行下采样。换言之，至少每隔100毫秒就测定相量数据，其中由同步装置34导出的相关时戳的时间分辨率优选小于1ms。 [0026] 电力系统稳定器33可以被提供作为变换器控制单元3的单独的、可分离的PSS单元，并且甚至可以是安置在变换器栅极驱动器31的外壳附 近的独立的设备。在这样的情况下，A/D转换器30、同步装置34和相量数据设备35同样可以是所述PSS单元的一部分。因此，本发明也涉及计算机程序产品，其包括用于控制PSS单元的处理器的计算机程序代码装置，以便能够使PSS单元产生相量数据。 [0027] 为了能够适当地执行作为目标的广域(WA)监控、保护和控制功能，将来自不同源(常常分离数百公里)的同步相量数据结合起来分析。因此，用于将测量到的相量数据转发给系统保护中心(SPC)或变电站自动化系统的智能电子设备(IED)的通信接口36表示励磁系统3的另一I/O部件。通信接口36因此可以是用于MODBUS或Profibus(现场总线)的总线耦合器、用于LAN集成的以太网适配器(TCP/IP)或者连接到专用通信信道的接口。 [0028] 因此，相量数据的分析使得能够执行WA功能，如线路差动保护、线路热监控、相位角监控、功率振荡保护和电压稳定性监控，这些都被总结在未公开的欧洲专利申请05405615.5中。这些WA应用提供控制信号，而无论是在SPC处计算的还是在相量数据设备 35的位置处计算的，其同样可以用于影响变换器栅极驱动器31的设定点。 [0029] 简而言之，用于削弱电力系统1中的振荡的变换器控制单元或电力系统稳定单元被配备并且被使用来提供和处理用于系统范围内的监控、保护、控制和测定的信息。该变换器控制单元包括用于同步(例如，经由GPS或另一绝对/全局时间基准)采样电压和/或电流的装置30、用于下采样以便减少采样数目的装置和用于计算相量(即电压和/或电流的时戳幅值和相位角)的装置35。优选地，采样的或下采样的数据被施加到具有固定或时变系数的滤波器。相量可以存储在电力系统稳定单元中，或根据IEEE1344同步相量标准(PC37.118)和/或类似的协议来传输。系统保护中心或任何分散计算系统因此使用来自一个或者多个地点的上述相量以执行任何电力系统保护、控制和分析计算，或确定用于测定功能的信号的RMS值。 [0030] 标记列表 [0031] 1 电力系统 [0032] 11 汇流条 [0033] 12 传输线路 [0034] 13 发电机 [0035] 14 励磁变换器 [0036] 15 电力变压器 [0037] 16 功率变换器 [0038] 17 有功功率的源或消耗装置 [0039] 18 仪器用变压器 [0040] 20 相量测量单元 [0041] 21 GPS卫星 [0042] 22 系统保护中心 [0043] 3 变换器控制单元 [0044] 30 A/D转换器 [0045] 31 变换器栅极驱动器 [0046] 32 励磁功率变换器 [0047] 33 电力系统稳定器 [0048] 34 同步装置 [0049] 35 相量数据设备 [0050] 36 通信接口 |
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