[发明专利]利用时戳电压或电流向量的变换器控制单元

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统的广域监控、保护和控制的领域。本发明从用于控制基于功率电子半导体部件的变换器的并且设置在电力系统中的变换器控制单元出发。 

背景技术

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。 

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。 

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。 

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。 

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

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。 

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。 

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。