CN103154760B - 减轻电连接处电信号扰动的系统和方法、电功率生成系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种方法，用于将在电功率生成系统（110，600）和电网（150）之间的电连接（170）处存在的电信号上的扰动分解成具有第一强度的第一扰动（I1（n））（其中该第一扰动被归因于电功率生成系统（110，600））和具有第二强度的第二扰动（I2（n））（其中该第二扰动被归因于电网（150））。所述描述的方法包括：（a）确定电信号的电压的电压值（Um(n)），（b）确定电信号的电流的电流值（Im(n)），（c）基于所测量的电压值、所测量的电流值和电功率生成系统（110，600）的特性等效阻抗（Zchm(n)）来计算在电功率生成系统（110，600）的谐波模型中表征所述电功率生成系统（110，600）的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值，以及（d）基于所计算的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值来确定第一扰动（I1（n））的强度。

Description

减轻电连接处电信号扰动的系统和方法、电功率生成系统

技术领域

本发明涉及将电功率生成系统（特别是风轮机或者包括多个风轮机的风力发电厂）与电网进行电连接的技术领域。特别地，本发明涉及用于将在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动分解成具有第一强度的第一扰动（其中该第一扰动被归因于电功率生成系统）和具有第二强度的第二扰动（其中该第二扰动被归因于电网）的方法。此外，本发明涉及用于减轻这样的扰动的方法。此外，本发明涉及数据处理单元、电功率生成系统和计算机程序，它们都适用于控制以上提到的方法。

背景技术

风轮机用于以清洁且高效的方式将风能转换成电能。在风轮机中，包括转子叶片的转子直接或者借助于变速箱来驱动发电机。在发电机的定子端子处产生的交流（AC）频率与转子的旋转速度直接成比例。在定子端子处的电压也根据发电机的旋转速度而改变。为了最佳能量捕获，该旋转速度根据驱动转子叶片的风的速度而改变。为了在高的风速处限制能量捕获并且避免转子的损害，通过改变转子叶片的桨距角来控制发电机的旋转速度。

通常由功率转换器来完成发电机的可变电压和频率到电网的额定固定电压和频率的适配。功率转换器通常包括发电机桥，其在正常操作中作为有源整流器进行操作以便向直流（DC）链路供应功率。发电机桥可以具有任何适当的带有使用脉冲宽度调制（PWM）策略来完全控制并调节的一系列半导体功率开关设备的拓扑结构。功率转换器通常包括两个网桥，其中第一网桥将由发电机提供的AC功率信号转换成DC功率信号，并且第二网桥将该DC功率信号转换成AC功率信号，其在电压、频率和相位角方面与电网匹配。由于功率转换器总是实现频率转换，所以这样的功率转换器也常常被命名为频率转换器。

然而，在实践中在（一个或多个）风轮机和电网之间的电功率连接线处存在的电信号上总是存在至少一些扰动。这些扰动特别是谐波扰动，其例如可以由PWM调制的功率转换器的开关频率或者无源整流器桥、系统谐振、电弧炉…等的开关频率引起。然而，扰动也由连接到电网的电气设备引起。在这方面，电气设备可以是连接到电网的任何电气系统或电气装置。特别地，电气设备包括用电设备（electricconsumer）或者用户设备和电功率生成系统，诸如任何类型的发电厂（例如，一个或多个风轮机），其将电能馈送到电网。

需要提到的是，扰动也可以由功率系统本身中的非理想化（例如，功率系统变压器中的饱和）引起。

电网以及所连接的设备的可靠性和效率强烈地依赖于电网的系统电压中的谐波失真。因而，电网运营商被要求确保具有满足一定标准的质量的功率的可靠递送，从而确保连接到电网的任何类型的电气设备的无忧操作。因而，网运营商正在采取重要的措施以将谐波失真保持在预定义的水平内。这特别是针对由功率转换器或者频率转换器引起的谐波失真有效。然而，应当理解的是，当然，电网中的所有谐波都是有害的，并且可能在系统中和/或在所连接的电气设备中引起问题。在如何生成这些谐波之间没有差别产生。

目前，与对来自功率转换器的谐波发射的处理有关的主要焦点指向开关频率的最显著谐波、它们的边带和这些边带的倍数。已知借助于专用滤波器、不同的开关模式、在不同的开关模式之间的相移等来抑制这些谐波频率。还存在下述技术，通过这些技术，可以通过应用算法来选择恰当的PWM开关模式而除去各个谐波。

EP1995863A2公开了一种用于控制多个功率转换器的方法，所述功率转换器可以用于对接到供电网或电网。每一个功率转换器包括根据PWM策略进行操作的网桥，其具有相同的开关周期并且其引起电网的电压中的至少一个有害的谐波。该方法包括为每一个网桥的PWM策略的开关周期提供相对于时间基准的不同的时间偏移以使得供电网电压中的至少一个有害谐波被至少部分地除去的步骤。

通常，不认为低阶（频率）谐波会引起显著的失真问题。然而，在预期到与低阶谐波有关的问题的情况下，使用所谓的场水平滤波器（parklevelfilter）从而遭遇这样的问题是已知的。在这方面，场水平滤波器是高功率滤波器设备，其对由两个或更多风轮机或由整个风力发电厂或风力涡轮机组提供的公共电功率输出信号中的特定谐波进行抑制。

为了表征来自通过功率转换器（或频率转换器）连接到电网的电功率生成系统的谐波发射，通常做出的假设是，在功率转换器的端子处测量到的电流全部由功率转换器本身生成。该假设（其可以被看作为未将已经存在于电网中的谐波扰动（背景谐波）考虑在内的结果）尤其具有不能将有源滤波结合到功率转换器中的缺点，因为目前不可能在由电网内的背景谐波引起的谐波扰动和由功率转换器引起的谐波扰动之间进行区分。

随着经由功率转换器连接到电网的电功率生成系统（特别是风轮机）的日益增加的量，对用于控制和/或分析来自这样的电功率设备的谐波发射的技术的需求正变得日益重要。

可能存在对于改进在电功率生成系统和电网之间的连接处的电扰动（特别是关于电扰动的起因）的分析的需求。此外，可能存在对于减轻这样的电扰动以便改进电网的电质量的需求。

发明内容

该需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。通过从属权利要求来描述本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于将在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动分解成具有第一强度的第一扰动（其中该第一扰动被归因于电功率生成系统）和具有第二强度的第二扰动（其中该第二扰动被归因于电网）的方法。所提供的方法包括：（a）确定电信号的电压的电压值，（b）确定电信号的电流的电流值，（c）基于所测量的电压值、所测量的电流值和电功率生成系统的特性等效阻抗来计算在电功率生成系统的谐波模型中表征所述电功率生成系统的等效电压源的开路电压的值，以及（d）基于所计算的等效电压源的开路电压的值来确定第一扰动的强度。

所描述的方法基于以下思想，通过用等效电压源和用特性等效阻抗来表示电功率生成系统，第一扰动（其被归因于电功率生成系统）和第二扰动（其被归因于电网）可以被彼此独立地确定。具体地，用于将两个扰动与彼此分离的所获得的模型可以包含理想内部电压源（幅度和相位两者）以及电功率生成系统的复阻抗，它们一起形成电功率生成系统的已知的戴维南（或可替换地诺顿）表示。

在本文档中，术语“电功率生成系统”可以表明能够产生电功率的任何电气装置。该电功率生成系统可以不仅包括发电机。特别地，该电功率生成系统还可以包括电气设备，其用于以可靠的方式将发电机连接到电网。具体地，该电气设备可以是功率转换器或者频率转换器，其用于将由电功率生成系统提供的电功率信号的AC频率和电压适配成电网的给定AC频率和给定电压。

特别地，电功率生成系统可以是风轮机。该风轮机例如可以是可变速度风轮机或者双馈风轮机，其具有在它的定子和它的转子两者上带有绕组的发电机，其中两个绕组均在风轮机的转轴和电气系统之间传输有效的功率。双馈风轮机在要求针对所生成的功率信号的固定AC频率改变轴的速度的应用中是有用的。

在本文档中，术语“扰动”可以特别地表明任何有害的信号分量，其在频率方面和/或在相位方面不同于理想的电信号，其被认为是由电功率生成系统递送到电网。在这方面，“扰动”可以包括扰动的电压和/或扰动的电流。

作为“被归因于”的术语可以表明相应扰动的起因。具体地，第一扰动可以由电功率生成系统的（总是不完美的）操作引起，并且第二扰动可以由电网的（总是不完美的）操作状态引起。

根据本发明的实施例，（a）电信号包括至少两个频率分量，（b）对电压值的确定与至少两个频率分量之一有关，（c）对电流值的确定与至少两个频率分量之一有关，以及（d）特性等效阻抗与至少两个频率分量之一有关。

在这方面，电压值和电流值与至少两个频率分量之一的关系意指在该频率处确定相应的物理变量（电压值、电流值）。对应地，特性等效阻抗与该频率的关系意指在依赖于频率的阻抗的情况下将对应于该频率的阻抗值考虑在内。

一般地说，电信号可以包括不同频率分量的分布。结果，物理变量电压值、电流值和阻抗也可以展示频率分布，其中为了实现所描述的方法，仅将这些物理变量中的一个频率分量考虑在内。

在这方面，需要指出的是，也可以用多个方式在不同的频率处执行所描述的方法。从而，可以用依赖于频率的方式分析在电气系统内的扰动，该电气系统包括电功率生成系统、电网和在电功率生成系统和电网之间的电连接。

根据本发明的另一实施例，第一扰动是第一复谐电流，并且第二扰动是第二复谐电流。

一般地说，所描述的方法考虑在（a）由电功率生成系统或被分配到电功率生成系统的任何功率电子设备生成的各个复谐电流I1(n)和（b）由在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的背景谐波引起的各个复谐电流I2(n)之间的分离。以该方式，可以在每个谐波频率处形成电功率生成系统的更精确的电模型表示。

在这方面，术语“分离”可以特别意指第一复谐电流I1(n)和第二复谐电流I2(n)被彼此独立地确定。

需要指出的是，所述谐波可以是关于特定扰动频率的整数谐波（n是整数）或者所谓的间谐波（n是非整数）。

根据本发明的另一实施例，第一扰动由电功率生成系统的功率转换器引起。这可以提供如下优势：利用所描述的方法，可以检查出在电功率生成系统和电网之间的电连接处的电扰动的特别强的源。

如已经在以上所提到的，所述功率转换器（其常常也被称为频率转换器）通常用于将由电功率生成系统提供的电功率信号的AC频率适配成电网的给定AC频率。

根据本发明的另一实施例，第一扰动与功率转换器的开关操作有关。

在这方面，第一扰动或第一谐波电流I1(n)可以具有强的频率分量，其对应于例如由功率转换器的开关操作引起的功率转换器的基本频率的整数谐波频率。然而，需要再次指出的是，利用所描述的方法，还会可以对第一扰动和第二扰动的其它频率分量进行分析，其中相对于基本频率而言，所述其它频率是非整数谐波。

根据本发明的另一实施例，第一扰动包括扰动的电压信号，其由谐波模型中表征电功率生成系统的等效电压源的开路电压的值给出。从而，使用以下的公式（1）来计算开路电压的值：

其中，Upwm(n)是扰动的电压和开路电压，Um(n)是所测量的电压值，Im(n)是所测量的电流值，Zch(m)是电功率转换器系统的特性等效阻抗，以及n是指示在其处确定第一扰动的强度的频率分量的参数值。这可以提供如下优势：可以用简单且可靠的方式确定第一扰动的电压分量（的强度）。

根据本发明的另一实施例，第一扰动还包括扰动的电流信号Ichm(n)，其由公式（2）给出：

其中，Zgrid_f(n)是被分配给电网的等效阻抗的预定义阻抗值。

使用预定义的阻抗值Zgrid_f(n)（其可以表示假想网的阻抗）可以提供的优势是，为了分析电功率生成系统被实际连接到的所述网的第一扰动特殊特性，可以被消除。从而，来自不同的各个电功率生成系统的谐波电流发射可以与彼此直接进行比较。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于减轻在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动的方法，其中具有第一强度的第一扰动被归因于电功率生成系统，并且具有第二强度的第二扰动被归因于电网。所提供的方法包括：（a）通过执行以上描述的扰动分解方法来确定第一扰动的强度，（b）基于所确定的第一扰动的强度来获得控制信号，以及（c）响应于控制信号而控制电功率生成系统的操作。

所描述的方法基于以下思想：通过与被归因于电网的第二扰动水平独立地确定被归因于电功率生成系统的第一扰动水平，在电功率生成系统和电网之间的电连接处的整个扰动水平可以通过响应于所确定的第一扰动的强度来操作电功率生成系统而被显著地减少。

通过控制电功率生成系统谐波发射的操作，其有助于第一扰动，可以被完全消除或可以被保持在一定水平内。在风力发电厂的情况下，其中至少两个电功率生成系统经由电连接被连接到电网，可以用协作的方式操作电功率生成系统，其中例如调整由电功率生成系统中的每一个引起的各个谐波的电相位，从而使得各个谐波互相消去彼此。

根据本发明的实施例，电功率生成系统包括具有控制单元的功率转换器，其响应于控制信号而以这样的方式来控制功率转换器的操作，所述方式是第一扰动的第一强度和/或第二扰动的第二强度被减轻。

功率转换器或频率转换器的控制单元例如可以是参考信号，诸如参考电压信号和/或参考电流信号。可以借助于数据处理单元来获得参考信号，其在它的输入处接收所确定的电压值和所确定的电流值并且其基于这些值获得所描述的控制信号或者所描述的参考信号。需要提到的是，在这方面，所确定的电压值和所确定的电流值是这两个量的原始采样的值。

根据本发明的另一方面，提供了一种数据处理单元，该数据处理单元用于将在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动分解成（a）具有第一强度的第一扰动（其中该第一扰动被归因于电功率生成系统）和（b）具有第二强度的第二扰动（其中该第二扰动被归因于电网）。所描述的数据处理单元被适配为控制以上提到的方法中的至少一个。

所描述的数据处理单元也是基于下述思想：通过用等效电压源和用特性等效阻抗来表示电功率生成系统，第一扰动（其被归因于电功率生成系统）和第二扰动（其被归因于电网）可以被与彼此独立地确定。

需要指出的是，所描述的数据处理单元也可以用于减轻在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动。为了实现这一点，数据处理单元（如果适用的话与用于控制电功率生成系统的操作的控制单元一起）被适配为控制以上所描述的扰动减轻方法。在该情况下，所描述的数据处理单元基于的思想是：通过与被归因于电网的第二扰动水平独立地确定被归因于电功率生成系统的第一扰动水平，在电功率生成系统和电网之间的电连接处的整个扰动水平可以通过响应于所确定的第一扰动的强度来以恰当的方式操作电功率生成系统而被显著地减少。

根据本发明的另一方面，描述了一种电功率生成系统，特别是风轮机。所描述的电功率生成系统包括：（a）用于将机械功率转换成电功率的发电机，（b）用于将发电机连接到在电功率生成系统和电网之间的电连接的电气设备，以及（c）如前述的权利要求中所阐述的数据处理单元。

所描述的电功率生成系统基于的思想是：可以使用以上提到的数据处理单元以便有效地与被归因于电网的第二扰动的第二强度分离地估计被归因于电功率生成系统的第一扰动的第一强度，所述数据处理单元用于对电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动进行分解。

当第一（依赖于频率的）扰动（其在本文档中被用I1(n)命名）和第二（依赖于频率的）扰动（其在本文档中被用I2(n)命名）已经被分离时，可以例如通过将控制信号反馈到电气设备的控制器（其特别可以是功率转换器或者频率转换器）来独立地控制这两个量。这可以允许例如将来自电功率生成系统或者功率转换器的各个谐波的发射控制到零或到小于某扰动水平的水平。此外，对I1(n)和/或I2(n)的知晓还可以允许对来自电网的特定（有害的）谐波进行部分或完全滤波。特别地，滤波可以包括有源滤波，其响应于I1(n)和/或I2(n)而被实现。此外，通过控制功率转换器或频率转换器的操作，在电连接处的总扰动（第一扰动+第二扰动）可以被最小化。一般地说，通过响应于I1(n)和/或I2(n)来控制功率转换器或频率转换器的操作，在与所描述的电连接连接的功率转换器的端子处的总谐波电流可以被减少到零或者可以被限制到某水平。

需要指出的是，数据处理单元可以是用于一个风轮机的单个处理器，或者是用于控制风力发电厂的至少两个风轮机的操作的处理器。在后者的情况下，数据处理单元可以借助于或者利用中央风力发电厂控制器来加以实现，其用于使风力发电厂的多个风轮机的操作协调。

根据本发明的另一方面，描述了一种用于将在电功率生成系统和电网之间的电连接处存在的电信号上的扰动分解成具有第一强度的第一扰动（其中该第一扰动被归因于电功率生成系统）和具有第二强度的第二扰动（其中该第二扰动被归因于电网）的计算机程序。该计算机程序当被数据处理器执行时，适用于控制以上描述的方法中的一个和/或适用于执行以上描述的方法中的一个。

如在本文中所使用的，对计算机程序的引用意图等同于对程序元素和/或对包含用于控制计算机系统以使以上描述的方法的性能协调的指令的计算机可读介质的引用。

可以用任何适当的编程语言（诸如，例如JAVA、C++）将该计算机程序实现为计算机可读指令代码，并且可以将该计算机程序存储在计算机可读介质（可移除盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等）上。指令代码可操作用于对计算机或任何其它可编程设备编程以执行想要的功能。计算机程序可以从网络（诸如万维网）获得，其可以从网络下载。

本发明可以借助于计算机程序或者软件来实现。然而，本发明也可以借助于一个或多个专用电子电路或者硬件来实现。此外，本发明还可以用混合形式（即，用软件模块和硬件模块的组合）来实现。

不得不注意的是，已经参考不同主题来描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域中的技术人员将从以上和以下描述中推断的是，除非另外通告，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，在与不同主题有关的特征之间（特别是在方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间）的任何组合也被认为是以本文档公开。

根据在下文中要描述的实施例的示例，本发明的以上限定的方面和其它方面是显而易见的，并且参考实施例的示例来解释本发明的以上限定的方面和其它方面。在下文中将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

附图说明

图1示意性地图示了将扰动电流分解成（a）被归因于电功率生成系统的功率转换器的第一扰动电流I1(n)和（b）被归因于电网的第二扰动电流I2(n)。

图2图示了功率转换器的谐波模型，针对感兴趣的每一个谐波的次序n将该功率转换器表示为戴维南等效电路。

图3将功率转换器的谐波模型与电网的表示一起进行图示。

图4图示了用于计算由功率转换器提供的谐波电压Upwm(n)的机构。

图5图示了用于计算由功率转换器提供的谐波电流Ipwm(n)的机构。

图6图示了经由电连接而被连接到电网的电功率生成系统，其中响应于在电连接处的电压值Um(n)和电流值Im(n)，以下述方式来控制电功率生成系统的功率转换器的操作，所述方式是由功率转换器发射的谐波电流I1(n)和由电网的背景谐波引起的谐波电流I2(n)的和被最小化。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。需要注意的是，在不同的附图中，给类似或同样的元件提供相同的附图标记或仅在第一数字内不同于对应的附图标记的附图标记。

本发明对于关于风轮机级和/或关于包括多个风轮机的风力发电厂级的风轮机应用而言尤其有用。然而，本发明还可以与其它电功率机构一起使用，所述其它电功率机构诸如是太阳能发电厂或波能发电厂到电网的连接，所述厂还具有空间分布的功率生成系统，和（如果适用的话）用于将所述功率生成系统连接到电网的功率转换器或者频率转换器。

图1示意性地图示了将扰动电流分解成（a）被归因于功率转换器110的第一扰动电流I1(n)和（b）被归因于电网150的第二扰动电流I2(n)。根据这里描述的实施例，功率转换器110是未描绘的电功率生成系统（诸如风轮机）的一部分。借助于电连接线170将功率转换器110连接到电网150。

如将在以下更加详细地阐明的那样，对扰动电流（其在本文档中还被命名为谐波电流）的分解可以通过采用谐波模型来实现。在分解或分离I1(n)和I2(n)之后，将可以与彼此独立地控制这两个量。特别通过将控制信号反馈到功率转换器110的电流或电压控制器（未在图1中示出），可以实现这样的控制。这可以允许例如：

（A）将来自功率转换器110的各个谐波的发射控制到零或者某水平内。

（B）对来自电网150的特定谐波进行部分或者完全地滤波。

（C）将在功率转换器110的端子处的总谐波电流控制到零或者控制成停留在某水平内。

图2图示了功率转换器110的谐波模型，针对感兴趣的每一个谐波的次序将该功率转换器110表示为戴维南等效电路。感兴趣的谐波的次序由“n”表明。需要指出的是，“n”可以是整数或者非整数。针对功率转换器110的戴维南等效电路包括等效电压源212和特性阻抗214。在图2中，针对第n个谐波的开路电压用Upwm(n)命名，针对第n个谐波的功率转换器110的特性阻抗值用Zchm(n)命名，以及针对第n个谐波的从功率转换器110发射的谐波电流用Ichm(n)命名。

谐波模型将用在电功率生成系统（诸如风轮机）中的功率转换器110表示为多个等效戴维南电路，每一个表示在单个谐波频率n处的谐波发射和对电网150的背景谐波的反应。在本文档中用于描述功率转换器110的谐波模型还被命名为转换器谐波模型（chm）。

需要指出的是，所描述的谐波模型表示在电功率生成系统内存在的无源部件（诸如电感器、电容器和电阻、变压器）以及还有包括软件控制算法的作用的功率转换器的闭环阻抗两者。

如以上所描述的，在功率转换器110的端子处测量的谐波电流由两个分离的分量组成：由功率转换器生成的电流（I1(n)）和其是功率转换器110对电网中的背景谐波的反应的结果的电流（I2(n)）。在这方面，需要提到的是，功率转换器110并且具体地是功率转换器110的特性阻抗214将减弱电网150的有害电压扰动。在这方面，功率转换器110的存在有助于电网150的改进的电压质量。此外，由功率转换器110生成的谐波电流由电网的阻抗确定。这被图示在图3中。

需要指出的是，“特性阻抗”是否减弱“有害电压扰动”依赖于该阻抗的特性（转换器的控制可以按这样的方式作用以不减弱在某些频率处的谐波）。转换器谐波模型允许将其确定为其包含闭环控制系统。

图3将功率转换器110的谐波模型与电网150的表示一起进行图示。在图3中，Upwm(n)表示通过在功率转换器110中进行脉冲宽度调制（PWM）开关而生成的谐波电压，Zchm(n)又是功率转换器110的等效阻抗214，Zgrid(n)是如从功率转换器110的端子观察的电网150的阻抗354，以及Ugrid(n)表示电网中的开路背景谐波电压352。此外，Im(n)命名在功率转换器110的端子处的所测量的谐波电流的各个频率分量。对应地，Um(n)命名在功率转换器110的端子处的所测量的谐波电压的各个频率分量。在所有量中，“n”指代谐波的次序，其可以是整数或非整数。

为了分析来自功率转换器110的谐波电流的发射，电网150的背景谐波的作用以及电网150的阻抗的影响必须被从结果中消除。这可以通过在转换器谐波模型的估计中的两个简单计算步骤（步骤1和步骤2）来完成。需要提到的是，可替换地，还可以通过借助于恰当的识别算法从所测量的谐波电压的各个频率分量Um(n)和所测量的电流的各个频率分量Im(n)中识别模型参数来获得转换器谐波模型。

步骤1：谐波电压Upwm(n)的计算

从所测量的谐波电流Im(n)和所测量的谐波电压Um(n)以及功率转换器110的内部阻抗214获得由功率转换器110生成的谐波电压（开路电压Upwm(n)）。这被图示在图4中。

图4图示了用于计算由功率转换器110提供的谐波电压Upwm(n)的机构。附图标记456命名用于测量谐波电压Um(n)的假想测量单元。

功率转换器110的开路电压Upwm(n)由以下给出：

在Upwm(n)的推导中，功率转换器110的内部阻抗214如已知的那样取得。该阻抗214的正确性例如可以通过实验室测量或者通过在不同网状况下的测量（例如通过对不同电功率生成系统进行测量）来加以验证。

步骤2：谐波电流Ichm(n)的计算

在下面，参考图5来描述谐波电流Ichm(n)的计算，图5图示了用于计算由功率转换器110提供的谐波电流Ichm(n)的机构。

当已知开路电压Upwm(n)和总阻抗Zchm(n)+Zgrid(n)时，可以获得来自功率转换器110的谐波电流发射。由于可期望从所获得的结果中移除电网的各个特性，所以通过具有特性阻抗的假想网550的假想阻抗Zgrid_f(n)来替换阻抗Zgrid(n)。在图5中，假想阻抗Zgrid_f(n)用附图标记554命名。用假想阻抗Zgrid_f(n)替换阻抗Zgrid(n)可以提供的优势是，来自不同功率转换器110的谐波电流发射（其被归因于不同电功率生成系统（例如，风轮机））可以直接与彼此进行比较。

根据图5中呈现的电路，可以通过以下公式来计算来自涡轮的谐波电流发射：

可以通过以下过程来实现对I1(n)和I2(n)的独立控制：

对于功率转换器的控制单元而言，可以将所获得的复内部电源（其是在以上示出的戴维南表示中的Uchm或者等效地通过将戴维南等效变换为诺顿等效而得到的电流源）反馈到恰当的参考信号。通过响应于这样的参考信号进行操作，功率转换器110将能够消除其谐波发射、将该发射保持在某水平内和/或改变各个谐波的相位以便抵消在上级系统（例如风力发电厂）的相邻的功率转换器之间的谐波，该上级系统包括多个电功率生成系统（例如，风轮机）。

在图6中图示了针对这样的控制过程的可能机构。图6示出了经由电连接线170连接到电网150的电功率生成系统600。电功率生成系统600包括：（a）功率转换器110，（b）用于将机械功率转换成电功率的发电机602，（c）用于测量原始电流信号i_m的测量单元656，（d）用于测量原始电压信号u_m的测量单元658，（e）数据处理单元615以及（f）用于功率转换器110的PWM调制的控制单元611。

根据这里描述的实施例，原始测量的电流i_m和原始测量的电压u_m两者都被馈送到数据处理单元615，在其中感兴趣的各个谐波Im(n)和Um(n)分别被计算，并且与已知的功率转换器110的内部阻抗Zchm一起应用来获得各个内部谐波电源Upwm(n)和Ichm(n)（参见图5）。然后以电压参考值Uref和/或电流参考值Iref来采集这些所获得的谐波电源。然后将这个/这些参考值加入到参考信号以用于控制功率转换器110的操作的控制单元611。根据这里描述的实施例，响应于电压参考值Uref和/或电流参考值Iref，控制单元611以下述方式来控制功率转换器110的操作，所述方式是由功率转换器110发射的谐波电流I1(n)和由电网150的背景谐波引起的谐波电流I2(n)的和被最小化。

将谐波分离成I1(n)和I2(n)特别揭示了以下优势：

（A）对从包括功率电气装置（诸如，例如功率/频率转换器）的电功率生成系统发射的谐波的更加精确的表征。

（B）用于获得期望的特性的可能性，例如，通过将所获得的谐波源反馈到恰当的参考以便控制功率电气装置的操作从而消除谐波源，来除去由功率电气装置（诸如功率/频率转换器）生成的谐波。

（C）可以设计风轮机级或风力发电厂级上的滤波器设备的正确尺寸，而没有过度或不足地对滤波器设备进行尺寸标注（dimensioning）。

（D）功率/频率转换器的正确和非常准确的表示，该功率/频率转换器包括控制系统和与电网的背景谐波有关的所连接的阻抗。

（E）将谐波分离成I1(n)和I2(n)可以用于测量的目的，其中不可能将生成谐波的功率电气装置连接到电网（没有扰动）。这允许在不同功率电气装置（其可以由不同的产品公司制造）之间的可靠比较。

（F）以下述方式改变各个谐波的相位角的可能性，所述方式是它们将破坏性地妨碍来自至少一个其它功率电气装置或功率/频率转换器的对应的各个谐波。

应当注意的是，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。还可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

附图标记的列表：

110功率转换器/频率转换器

150电网

170电连接线

212功率转换器的等效电压源

214功率转换器的特性阻抗

352电网的等效电压源/开路背景谐波电压

354电网的特性阻抗

456用于测量第n个谐波的电压值的测量单元

550假想电网

554假想电网的特性阻抗

600电功率生成系统

602发电机

611用于功率转换器的PWM调制的控制单元

615数据处理单元

656用于测量原始电压的测量单元

658用于测量原始电流的测量单元

I1(n)针对第n个谐波的由功率转换器引起的谐波电流

I2(n)针对第n个谐波的由电网引起的谐波电流

Upwm(n)针对第n个谐波的开路电压

Zchm(n)针对第n个谐波的功率转换器的特性阻抗值

Ichm(n)针对第n个谐波的来自功率转换器的谐波电流

Im(n)所测量的第n个谐波的电流值

Um(n)所测量的第n个谐波的电压值

Uref电压参考值

Iref电流参考值

i_m电流的原始信号

u_m电压的原始信号。

Claims (12)

1.一种用于减轻在包括功率转换器（110）的电功率生成系统（110，600）和电网（150）之间的电连接（170）处存在的电信号上的扰动的方法，其中具有第一强度的第一扰动（I1（n））被归因于电功率生成系统（110，600），而具有第二强度的第二扰动（I2（n））被归因于电网（150），

所述方法包括：

确定所述第一扰动（I1（n））的强度，

基于所确定的第一扰动（I1（n））的强度来获得控制信号（Uref，Iref）以及

响应于控制信号（Uref，Iref）而控制电功率生成系统（110，600）的操作，采用这样的方式使得由功率转换器（110）发射的谐波电流I1(n)和由电网（150）的背景谐波引起的谐波电流I2(n)的和被最小化，

其中确定所述第一扰动(I1(n))的强度包括

确定电信号的电压的电压值（Um(n)），

确定电信号（Ichm(n)）的电流的电流值（Im(n)），

基于所确定的电压值(Um(n)）、所确定的电流值（Im(n)）和电功率生成系统（110，600）的特性等效阻抗（Zchm(n)）来计算在电功率生成系统（110，600）的谐波模型中表征所述电功率生成系统（110，600）的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值，以及

基于所计算的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值来确定第一扰动（I1（n））的强度。

2.如在前述权利要求中所阐述的方法，其中所述电信号包括至少两个频率分量，

对电压值（Im(n)）的确定与所述至少两个频率分量之一有关，

对电流值（Um(n)）的确定与所述至少两个频率分量之一有关，以及

特性等效阻抗（214）与所述至少两个频率分量之一有关。

3.如在权利要求1或2所阐述的方法，其中，

第一扰动是第一复谐电流（I1（n）），并且，

第二扰动是第二复谐电流（I2（n））。

4.如在权利要求1或2所阐述的方法，其中，

第一扰动（I1（n））由电功率生成系统（600）的功率转换器（110）引起。

5.如在权利要求1或2所阐述的方法，其中，

所述第一扰动（I1（n））与功率转换器（110）的开关操作有关。

6.如在权利要求1或2所阐述的方法，其中，

第一扰动（I1（n））包括扰动的电压信号，其由谐波模型中表征电功率生成系统（110，600）的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值给出，其中，使用以下公式来计算开路电压（Upwm(n)）的值：

其中

–Upwm(n)是扰动的电压和开路电压，

–Um(n)是所测量的电压值，

–Im(n)是所测量的电流值，

–Zchm(n)是电功率生成系统的特性等效阻抗，以及

–n是指示在其处确定第一扰动的强度的频率分量的参数值。

7.如权利要求1或2所阐述的方法，其中，

第一扰动（I1（n））还包括扰动的电流信号（Ichm(n)），其由以下公式给出：

其中，

–Zgrid_f(n)是被分配给电网的等效阻抗的预定义阻抗值。

8.如权利要求1或2所阐述的方法，其中电功率生成系统（600）包括具有控制单元（611）的功率转换器（110），其响应于控制信号（Uref，Iref）来以下述方式控制功率转换器（110）的操作，所述方式是第一扰动（I1（n））的第一强度和/或第二扰动（I2（n））的第二强度被减轻。

9.一种用于减轻在电功率生成系统（110，600）和电网（150）之间的电连接（170）处存在的电信号上的扰动的方法，其中具有第一强度的第一扰动（I1（n））被归因于电功率生成系统（110，600），而具有第二强度的第二扰动（I2（n））被归因于电网（150），其中数据处理单元（615）被适配为控制如前述权利要求1或7中的任何一项中所阐述的方法。

10.一种电功率生成系统（600），所述电功率生成系统包括：

用于将机械功率转换成电功率的发电机（602），

用于将发电机连接到在电功率生成系统（600）和电网（150）之间的电连接（170）的电气设备（110），以及

如权利要求9中所阐述的数据处理单元（615）。

11.一种风轮机，所述风轮机包括：

用于将机械功率转换成电功率的发电机（602），

用于将发电机连接到在电功率生成系统（600）和电网（150）之间的电连接（170）的电气设备（110），以及

如权利要求9中所阐述的数据处理单元（615）。

12.一种用于减轻在包括功率转换器（110）的电功率生成系统（110，600）和电网（150）之间的电连接（170）处存在的电信号上的扰动的系统，其中具有第一强度的第一扰动（I1（n））被归因于电功率生成系统（110，600），而具有第二强度的第二扰动（I2（n））被归因于电网（150），

所述系统包括：

用于确定所述第一扰动（I1（n））的强度的装置，

用于基于所确定的第一扰动（I1（n））的强度来获得控制信号（Uref，Iref）的装置以及

用于响应于控制信号（Uref，Iref）而控制电功率生成系统（110，600）的操作，采用这样的方式使得由功率转换器（110）发射的谐波电流I1(n)和由电网（150）的背景谐波引起的谐波电流I2(n)的和被最小化的装置，

其中用于确定所述第一扰动(I1(n))的强度的装置包括

用于确定电信号的电压的电压值（Um(n)）的装置，

用于确定电信号（Ichm(n)）的电流的电流值（Im(n)）的装置，

用于基于所确定的电压值(Um(n)）、所确定的电流值（Im(n)）和电功率生成系统（110，600）的特性等效阻抗（Zchm(n)）来计算在电功率生成系统（110，600）的谐波模型中表征所述电功率生成系统（110，600）的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值的装置，以及

用于基于所计算的等效电压源（212）的开路电压（Upwm(n)）的值来确定第一扰动（I1（n））的强度的装置。