CN102035215A - 功率转换控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“功率转换控制系统”。一种配电系统(10)包括在DC侧(14)的DC电压与在AC侧(16)的AC功率之间执行功率转换的功率转换模块(12)和转换控制系统。功率转换模块的AC侧电耦合到电网(18)。转换控制系统包括：锁相环电路(32)，用于接收电网电压的多相位参考信号(40)和用于生成同步的信号(42)；调整器(52)，用于接收参考命令、二相电网反馈信号和同步的信号并用于生成功率转换模块的控制信号；以及相位补偿电路(64)，用于接收同步的信号和电网电压的多相位参考信号、用于获得相位位移信号(70)、以及用于在相位位移信号超过阈值时生成补偿参考命令或补偿同步的信号的相位补偿信号(66)。

Description

功率转换控制系统 

技术领域

本发明主要涉及功率转换控制系统。 

背景技术

典型的配电系统包括含有DC侧和AC侧的功率转换模块、电耦合到功率转换模块的AC侧的电网、电耦合到功率转换模块的DC侧的配电单元以及用于执行功率转换模块的控制的转换控制系统。转换控制系统通常包括用于生成同步的相位和频率信号的锁相环(PLL)电路。 

PLL电路通常是闭合回路电路并在配电系统的基本稳定操作状况下工作得很好。但是，当例如低电压穿越(LVRT)、零电压穿越(ZVRT)或高电压穿越(HVRT)的瞬变状况发生时，电网电压有很大的相位跃变，并且PLL电路可能无法提供足够快速的响应以阻止有功功率的反向流动或可能导致配电系统中不恰当的无功功率控制。 

将合乎需要的是具有改进的功率转换控制系统和方法，其对瞬变状况有快速的响应。 

发明内容

根据本文公开的实施例，一种配电系统包括功率转换模块和转换控制系统，该功率转换模块用于执行在DC侧的DC电压与在AC侧的AC功率之间的功率转换。功率转换模块的AC侧电耦合到电网。该转换控制系统包括：锁相环电路，用于接收电网电压的多相位参考信号和用于生成同步的信号；调整器，用于接收参考命令、二相电网反馈信号和同步的信号并用于生成用于功率转换模块的控制信号；以 及相位补偿电路，用于接收同步的信号和电网电压的多相位参考信号、用于获取相位位移信号、以及用于在相位位移信号超过阈值时生成用于补偿参考命令的或补偿同步的信号的相位补偿信号。 

根据本文公开的另一个实施例，相位跟踪电路包括锁相环电路和相位补偿电路。该锁相环电路包括：相位检测器，用于接收多相位参考信号和反馈相位信号、用于执行旋转变换以将多相位参考信号转换成二相直和交(direct and quadrature)参考系中的二相信号、以及用于生成相位误差信号；相位调整器，用于接收相位误差信号并生成同步的频率信号；以及积分器，用于接收同步的频率信号和生成同步的相位信号。相位补偿电路包括快速相位误差检测器，其用于接收同步的相位信号和多相位参考信号、用于生成相位位移信号、以及用于在相位位移信号超过阈值时生成相位补偿信号以用于补偿来自锁相环电路的同步的相位信号。 

附图说明

当参考附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中相似字符表示贯穿附图的相似部分，其中： 

图1是根据本发明的一个实施例的示范配电系统的框图。 

图2是图1的配电系统中的示范锁相环(PLL)电路的框图。 

图3是示出图2中PLL电路的相位检测器所执行的旋转变换的矢量图。 

图4是示出二相d-q参考系中的电压和电流信号的矢量图。 

图5是图1的配电系统的转换控制系统的示范相位补偿电路的框图。 

具体实施方式

本文公开的实施例涉及一种包括功率转换模块和转换控制系统 的多相位配电系统。该转换控制系统包括锁相环(PLL)电路，其用于生成电网电压的同步的相位和频率信号。在某些实施例中，该配电系统包括电耦合到功率转换模块的DC侧的配电单元。在其他实施例中，该配电系统包括耦合到功率转换模块的DC侧的负载。该转换控制系统还包括相位补偿电路，其用于跟踪电网的瞬间参考相位与来自PLL电路的同步的相位信号之间的相位位移，以及用于在该相位位移超过阈值时发送相位补偿信号。因此，该转换控制系统甚至在例如低电压穿越(LVRT)、零电压穿越(ZVRT)和高电压穿越(HVRT)的瞬变电网状况下仍然提供平滑的控制。虽然配电系统的实施例示出为三相系统，但是要理解，配电系统可以包括其他多相位系统。 

参考图1，根据本发明的一个实施例的示范三相配电系统10包括功率转换模块12，该功能转换模块12具有DC侧14和三相AC侧16。电网18电耦合到功率转换模块12的AC侧16。提供转换控制系统20以用于执行对功率转换模块12的控制。在图示的实施例中，功率转换模块12的DC侧14包括例如电容器22的电压支持装置。在某些实施例中，功率转换模块12包括多个半导体开关24(例如集成门极换流晶闸管(IGCT)和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT))，转换控制系统20发送用于控制半导体开关24的接通或断开的控制信号26。配电单元28电耦合到功率转换模块12的DC侧14。 

在一个实施例中，配电系统10是发电系统，并且配电单元28包括配电单元。在一个实施例中，配电单元28包括风力配电单元并包括例如旋转叶片的元件、用于将来自旋转叶片的机械功率转换成AC功率的发电机以及用于将AC功率转换到DC功率的AC到DC转换器。在另一个实施例中，配电单元28包括太阳能配电单元并且包括例如用于将太阳光转换到DC功率的太阳能电池的元件。在其他实施例中，配电单元28可以包括其他类型的能量源，例如，诸如蓄电池或核能。在另一个实施例中，配电单元28包括负载，例如电耦合到功率转换模块12的DC侧的电动机，而电网18通过功率转换模块12 将电力传送到负载。 

在某些实施例中，参考图1，转换控制系统20包括PLL电路32、三相转二相转换器34、电流调整器36和二相转三相调制器38。PLL电路32接收瞬时三相参考电压信号40并生成输出信号42，输出信号42包括同步的频率信号(ω_e)和同步的相位信号(δ)。三相转二相转换器34从PLL电路32接收同步的相位信号(δ)和从功率转换模块12的输出接收三相a-b-c参考系中的测量的三相电流反馈信号44，并将三相反馈电流信号44的三相量转换成同步旋转二相直和交(d-q)参考系中的二相量i_d和i_q。电流调整器36接收二相量i_d、i_q、I_dr和I_qr命令输入和同步的频率信号(ω_e)并生成二相转换器控制信号46。二相转三相调制器38将二相转换器控制信号46转换回三相控制信号，并进一步生成用于半导体开关24的控制信号26。 

PLL电路32可以包括任何适合的锁相技术。图2中示出示范PLL电路32，其中PLL电路32包括具有相位检测器48的闭合回路，相位检测器48接收三相参考电压信号40和PLL电路32的输出信号42并使用这些信号来生成相位误差信号50。相位调整器52基于相位误差信号50来确定频率信号(ω_e)，积分器54生成同步的相位信号(δ)42。在一备选实施例中，PLL电路可具有在名称为“PHASE-LOCKED-LOOP CIRCUIT”的与本申请同日提交且共同受让的美国专利申请(其公开通过引用结合于本文)中描述和示出的类型。 

当参考电压信号40包括三相电压相量(V_a、V_b和V_c)时，它能表示为如下： 

$\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]=V_m\×\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ωt}\\ \sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ \sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]$

其中“V_m”是正序列的电压振幅，“ω”是三相电压向量(V_a、V_b和 V_c)的基本旋转速度。 

相位检测器48生成相位误差信号50通常包括旋转变换。相位检测器48可以根据例如如下的等式将三相参考电压信号(V_a、V_b、V_c)40转换成二相α-β参考系： 

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\×\left[\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_m\×\cos \mathrm{\Φ}\\ V_m\×\sin \mathrm{\Φ}\end{array}\right],$ Φ＝ω×t+Φ₀

其中“ω”是三相参考信号40的旋转频率，“Φ”是参考信号40的瞬时相位角，以及Φ₀是参考相位信号40的初始相位角。然后，可以根据以下等式将二参考系α-β变换成同步旋转参考系量V_d和V_q： 

$\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\δ}& \sin \mathrm{\δ}\\ -\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ δ＝ω_e×t+δ₀

其中“δ”是瞬时同步相位角，δ₀是初始同步的相位角，以及“ω_e”是同步的旋转速度，并且由此：V_d＝V_α×cosδ+V_β×sinδ＝V_m×cosΦcosδ+V_m×sin Φsinδ＝V_m×cos(Φ-δ)＝V_m×cosθV_q＝V_α×(-sinδ)+V_β×cosδ＝V_m×cosΦ(-sinδ)+V_m×sinΦcosδ＝V_m×sin(Φ-δ)＝V_m×sinθ其中“θ”是参考电压信号(V_a、V_b、V_c)40的相位(Φ)与同步的相位(δ)之间的相位误差，即θ＝Φ-δ。来自相位检测器12的相位误差信号50通常是V_q的值。如果V_q＝0，即锁相状态，则无需调节。如果V_q≠0，则有调节的余量，因此相位调整器52相应地调节同步的旋转频率(ω_e)，以及积分器54相应地生成随时间变化的同步的相位信号(δ)。将同步的相位信号(δ)发送到三相转二相转换器34，将同步的频率信号(ω_e)发送到电流调整器36。 

再次参考图1，在图示的实施例中，三相转二相转换器34接收的三相电流反馈信号44包括功率转换模块12的三相输出处的三相量(i_a、i_b、i_c)。测量的三相量(i_a、i_b、i_c)和来自PLL电路32的随时 间变化的相位信号(δ)用于将三相量(i_a、i_b、i_c)转换成同步二相d-q参考系中的二相量(i_q、i_d)。 

在图1所示的实施例中，转换控制系统20还包括DC电压调整器58和电压-VAR(volt-VAR)调整器60，它们分别用于向电流调整器36传送I_dr命令和I_qr命令。在配电系统10的稳态操作期间，DC电压调整器58接收跨功率转换模块12的DC侧处的电容器22测量的瞬变DC电压信号V_dc。DC电压信号V_dc因有功功率(P)流经功率转换模块12而被改变，期望的是将DC电压信号V_dc保持在期望值。电压-VAR调整器60接收瞬时测量的无功功率信号，例如从来自功率转换模块12的输出信号的功率因子(power factor)或参考电压信号来计算的无功功率(Q_r)。在一个实施例中，转换控制系统20包括VAR参考计算单元61，其用于接收电网的测量的三相电流和电压信号41并计算参考无功功率(Q_r)。电压-VAR调整器60使用参考无功功率(Q_r)来生成用于电流调整器36的I_qr命令。 

电流调整器36接收来自三相转二相转换器34的二相电流(i_d、i_q)，来自PLL电路32的同步的频率信号(ω_e)，以及分别来自DC电压调整器58和电压-VAR调整器60的(I_dr、I_qr)，然后生成传送到二相转三相转换38的二相转换器控制信号46。二相转三相转换器38又将二相转换器控制信号46转换成三相电压信号，并进一步通过例如将三相电压信号与三角波形相互作用以生成驱动功率转换模块12的半导体开关24的一系列脉冲信号(转换器信号)来生成转换器信号26。 

正如在图3和图4中最好见到的，二相电压信号(V_d、V_q)能表示为电压矢量 

并且二相电流信号(i_d、i_q)能表示为电流矢量 

电压矢量 

和电流矢量 

有相位位移 

配电系统的有功功率(P)和无功功率(Q)分别根据以下等式： 

$P=\frac{3}{2}(V_d\×i_d+V_q\×i_q)$

$Q=\frac{3}{2}(V_q\×i_d-V_d\×i_q)$

因为将V_q控制为基本等于零，并因此用于有功功率(P)和无功功率(Q)的前面等式能表示为： 

$P\≅\frac{3}{2}(V_d\×i_d)$

$Q\≅-\frac{3}{2}(V_d\×i_q)$

相应地，电流I_d信号是影响有功功率(P)的“有功电流”，i_q是与无功功率(Q)相关的“无功电流”。 

在图1的配电系统10的稳定操作中，当作为发电系统操作时，配电单元28将电力馈送到电网18，即P＞0。相应地，期望的是相量 

和 

的相位位移 

小于90度，并且一般将其控制为小于更小的值，例如30度。但是，当电网动态事件、例如低电压穿越(LVRT)、零电压穿越(ZVRT)或高电压穿越(HVRT)中的一个或多个发生时，电网电压有很大的相位跃变。在此类相位跃变期间，PLL电路32可能无法如期望的快速操作。PLL电路32无法响应瞬变事件可能导致相位位移 

超过90度和有功功率(P)的反向流，并且还导致不正确的无功功率控制。 

继续参考图1，在某些实施例中，配电系统10还包括相位补偿电路64，相位补偿电路64用于跟踪电网电压的瞬时相位、用于将该瞬时相位与来自PLL电路32的同步的相位信号(δ)比较以得到它们之间的相位误差、以及用于在相位误差超过阈值相位误差值θ_t时生成补偿相位信号(Δθ)。补偿相位信号(Δθ)66可以通过路线L1来发送以补偿PLL电路32的相位信号(δ)和/或可以通过路线L2来发送以调节参考有功和无功电流命令(I_dr、I_qr)。 

图5中示出相位补偿电路64的示范框图，其包括：快速相位误差检测器68，用于接收瞬时三相参考信号(V_a、V_b、V_c)40和PLL 电路32的同步的相位信号(δ)以生成瞬时相位位移信号70；噪声抑制器72，用于过滤相位位移信号70中的噪声并在相位位移信号70超过阈值时发送相位校准信号74；以及相位误差调整器76，用于生成相位补偿信号(Δθ)66。 

在本发明的一个实施例中，快速相位误差检测器68执行旋转变换以计算相位误差(θ)，并生成相位位移信号70，相位位移信号70是相位误差(θ)的函数。在本发明的某些实施例中，相位位移信号70是具有-π＜θ＜π的相位误差范围的单调信号。在一个实施例中，相位位移信号能表示为： 

相位误差信号＝k₁×sin(θ/2)， 

其中k₁是常系数(k₁＞1)。在一个实施例中，k₁＝2。在另一个实施例中，相位位移信号70是根据以下等式的V_q和V_d之比的反正切函数： 

相位误差信号＝k₁×atan2(V_q，V_d)。 

在另一个实施例中，相位位移信号还能表示为： 

继续参考图5，在某些实施例中，噪声抑制器72包括用于去除高频噪声的低通滤波器80和用于将相位位移信号70与阈值相位误差信号比较的比较器82。在一个实施例中，比较器82包括迟滞控制电路，并在相位位移信号70超过阈值相位误差信号时向相位误差调整器76发送相位校正信号74。 

在图5所示的实施例中，相位误差调整器76通过来自噪声抑制器72的相位校正信号74根据以下等式来生成相位补偿信号(Δθ)66： 

相位补偿信号＝k3×相位校正信号， 

其中0＜k3＜2。在一个实施例中，k＝0.8。在图5所示的实施例中，由求和点85从相位位移信号70减去相位补偿信号(Δθ)66，然后 将相位位移信号70发送到噪声抑制器72以用于生成相位校正信号74。 

再次参考图1，在一个实施例中，沿着路线L1将补偿相位信号(Δθ)66加到PLL信号32的输出信号42以直接校正同步的相位角(δ)。在另一个实施例中，将补偿相位信号(Δθ)66发送到DC电压调整器58和电压-VAR调整器60，而DC电压调整器58和电压-VAR调整器60相应地调节参考有功和无功电流命令(I_dr、I_qr)以根据以下等式获得补偿的参考电流命令(I_dr-t、I_qr-t)： 

I_dr-t＝I_dr×cosΔθ-I_qr×sinΔθ 

I_qr-t＝I_dr×sinΔθ+I_qr×cosΔθ 

在本发明的某些实施例中，将PLL电路32和相位补偿电路64组合为独立的相位跟踪电路以在任何配电系统中使用。 

除非另外定义，否则本文使用的技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的技术人员所共识的含义相同的含义。术语“第一”、“第二”等在本文中使用时不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素从另一个区分开。而且，术语“一(a/an)”不表示量的限制，而是表示存在所引用的项中的至少一个，以及除非另行提到，否则例如“前”、“后”、“底部”和/或“顶部”的术语仅是用于便于描述，而并不限于任何一个位置或空间朝向。 

虽然本发明是参考示范实施例来描述的，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明范围的前提下可以进行多种改变以及以等效物替换其要素。此外，在不背离本发明范围的前提下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适合于本发明的教导。因此，本发明并非旨在局限于作为实现本发明设想的最佳方式来公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。 

要理解，并不一定根据任何一个特定实施例即可实现上文描述的所有此类目的或优点。例如，上文描述的实施例是参考接收电流参考 命令和三相电流反馈信号以生成用于功率转换模块的控制信号的电流控制器来说明的。在本发明的其他实施例中，控制器能够是其他控制器，例如接收电压命令和电压反馈信号以生成用于功率转换模块的控制信号的电压控制器。 

因此，例如本领域技术人员将认识到，可以在实现或优化本文教导的一个或一组优点而不一定实现如本文教导或暗示的其他目的或优点的方式中实施或实现本文描述的系统和技术。 

而且，技术人员将从不同实施例认识到多种特征的可互换性。本领域技术人员能够将描述的多种特征以及对于每个特征的其他已知等效物进行混合和匹配，以构造根据本公开的原理的附加系统和技术。 

部件列表 

10    配电系统 

12    功率转换模块 

14    DC侧 

16    AC侧 

18    电网 

20    转换控制系统 

22    电压支持装置(电容器) 

24    半导体开关 

26    控制信号 

28    配电单元 

32    PLL电路 

34    三相转二相转换器 

36    电流调整器 

38    二相转三相调制器 

40    参考电压信号(Va、Vb、Vc) 

42    PLL生成的输出信号 

44    三相电流反馈信号(ia、ib、ic) 

46    二相转换器控制信号 

48    相位检测器 

50    相位误差信号 

58    DC电压调整器 

60    电压-VAR调整器 

61    VAR计算单元 

64    相位补偿电路 

66    相位补偿信号(Δθ) 

68    快速相位误差检测器 

70    相位位移信号 

72    噪声抑制器 

74    相位校正信号 

76    相位误差调整器 

80    低通滤波器 

82    比较器。 

Claims (10)

1.一种配电系统(10)，包括

功率转换模块(12)，用于执行在DC侧(14)的DC电压与在AC侧(16)的AC功率之间的功率转换，所述AC侧电耦合到电网(18)；以及

转换控制系统，包括：

锁相环电路(32)，用于接收电网电压的多相位参考信号(40)和用于生成同步的信号(42)；

调整器，用于接收参考命令、二相电网反馈信号和所述同步的信号以及用于生成用于所述功率转换模块的控制信号；以及相位补偿电路(64)，用于接收所述同步的信号和所述电网电压的所述多相位参考信号、用于获得相位位移信号(70)、以及用于在所述相位位移信号超过阈值时生成用于补偿所述参考命令的或用于补偿所述同步的信号的相位补偿信号(66)。

2.如权利要求1所述的配电系统，还包括电耦合到所述功率转换模块的DC侧的发电源，以用于通过所述功率转换模块向所述电网馈送电力。

3.如权利要求1所述的配电系统，其中所述控制器包括电流控制器，所述参考命令包括参考电流命令，以及所述二相电网反馈信号包括二相电网电流信号。

4.如权利要求3所述的配电系统，其中所述功率转换控制系统还包括：转换器，用于将测量的多相位电网电流信号转换成所述二相电网电流信号；电流调整器，用于根据所述二相电流信号生成二相控制信号；以及调制器，用于将所述二相控制信号转换成多相位控制信号。

5.如权利要求3所述的配电系统，其中所述参考电流命令包括参考有功电流命令和参考无功功率命令，以及其中所述功率转换控制系统还包括DC电压调整器和电压-VAR调整器，所述DC电压调整器用于接收在所述功率转换模块的DC侧的测量的DC电压并用于生成所述参考有功电流命令，以及所述电压-VAR调整器用于接收无功功率信号并用于生成所述参考无功电流命令。

6.如权利要求5所述的配电系统，其中所述相位补偿电路配置成将所述相位补偿信号发送到所述DC电压调整器和所述电压-VAR调整器以用于补偿所述参考有功和无功电流命令。

7.如权利要求1所述的配电系统，其中所述相位补偿电路包括快速相位误差检测器，所述快速相位误差检测器用于接收所述同步的相位信号和所述多相位参考信号并用于获得所述相位位移信号。

8.如权利要求1所述的配电系统，其中所述相位补偿电路包括噪声抑制器，所述噪声抑制器包括低通滤波器，所述低通滤波器用于去除所述相位位移信号中的高频信号。

9.如权利要求1所述的配电系统，其中所述相位补偿电路包括噪声抑制器，所述噪声抑制器包括用于将所述相位位移信号与所述阈值比较并用于在所述相位位移信号超过所述阈值时生成相位校正信号的比较器。

10.如权利要求9所述的配电系统，其中所述相位补偿电路包括配置用于根据所述相位校正信号来生成相位补偿信号的相位误差调整器。

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