CN103259281A - 具有负序电流补偿机制的能量转换系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示能量转换系统和方法，该能量转换系统包括直流母线、变流器模块、以及变流器控制模块。直流母线，用于接收来自于电源的直流电。变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电。变流器控制模块，用于：根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生第一指令信号；根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生第二指令信号；根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号，基于该第一及第二负序电流修正信号分别调节该第一及第二指令信号；及基于该调节后的第一及第二指令信号产生控制信号，以在该控制信号的作用下驱动该变流器模块工作。

Description

具有负序电流补偿机制的能量转换系统和方法

技术领域

本发明公开的实施方式涉及能量转换系统和方法，以向电力系统提供电能，特别涉及一种能量转换系统的负序电流补偿机制和方法。

背景技术

基本而言，在全世界范围内，通过可再生能源发电系统，例如光伏发电系统产生的电能，其所占据的份额越来越显著。一般的光伏发电系统包括一个或者多个光伏阵列，其中每个光伏阵列又包括多个相互连接的光伏电池单元，该光伏电池单元可以将太阳辐射能转换成直流电能。为了实现光伏阵列的并网发电，通常会使用变流器模块将光伏阵列产生的直流电能转换成可供电网传输的交流电能。

现有的供光伏发电系统使用的变流器模块的架构有多种形式。其中一种为二级式的结构，其包括一个直流-直流变流器和一个直流-交流变流器。该直流-直流变流器控制从光伏阵列到直流母线间的直流电能的传输。该直流-交流变流器则将输送到直流母线上的直流电能转换成可供电网传输的交流电能。通常，现有的光伏发电系统还具有一个变流器控制模块，其用于通过控制信号控制直流-直流变流器和一个直流-交流变流器的运作，并对各种系统变量，例如直流母线电压，交流电网电压和频率等变量作补偿控制。

在正常并网发电的过程中，传统的能量转换系统通常被设计成仅仅对正序信号进行调节，而并不会对因外部或内部等电网故障所产生的负序信号进行调节。如此，在电网发生故障时如单相故障(single phase fault)或三相系统整体不平衡时，由此产生的负序电流可能会影响系统的稳定性。具体而言，大的负序电流可能限制交流电输出端所输出的正序电流，从而可能会引起正序电流的输出不能够满足需要，而此使能量转换系统不能很好的满足电网的设计需要。

因此，有必要提供一种改进的能量转换系统和方法以解决上述的技术问题。

发明内容

有鉴于上述提及之技术问题，本发明的一个方面在于提供一种能量转换系统。该能量转换系统包括：

直流母线，用于接收来自于电源的直流电；

变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电；及

变流器控制模块，用于：

根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生第一指令信号；

根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生第二指令信号；

根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号，基于该第一及第二负序电流修正信号分别调节该第一及第二指令信号；及

基于该调节后的第一及第二指令信号产生控制信号，以在该控制信号的作用下驱动该变流器模块工作。

本发明的另一个方面在于提供一种操作能量转换系统的方法。该方法包括：

根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生第一指令信号；

根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生第二指令信号；

根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号；

基于该第一及第二负序电流修正信号分别调节该第一及第二指令信号；及

基于该调节后的第一及第二指令信号产生控制信号，以在该控制信号的作用下驱动该变流器模块工作。

本发明提供的能量转换系统及方法，通过基于电压源的控制架构，产生内部第一指令信号以及第二指令信号，并在能量转换的过程中遇到瞬态事件时或者瞬态事件恢复过程中，实时计算出电网电压发生的负序电流信息，并基于该计算出的负序电流信息对内部产生的第一指令信号及第二指令信号进行补偿，以使降低或消除该负序电流对能量转换系统造成的影响，以提高系统的稳定性，进而使得该能量转换系统更加可靠地进行并网发电。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为光伏能量转换系统的一种实施方式的模块示意图。

图2所示为图1所示的网侧控制器的一种实施方式的控制框图。

图3所示为图1所示的网侧控制器的另一种实施方式的控制框图。

图4所示为图2及图3所示的网侧控制器中负序电流补偿单元的一种实施方式的控制框图。

图5所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流提取器的一种实施方式的详细控制框图。

图6所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流调节器的一种实施方式的详细控制框图。

图7所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流调节器的另一种实施方式的详细控制框图。

图8所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流调节器的又一种实施方式的详细控制框图。

图9所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流调节器的再一种实施方式的详细控制框图。

图10所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流调节器的再一种实施方式的详细控制框图。

图11所示为图4所示的负序电流补偿单元中的负序电流调节器的再一种实施方式的详细控制框图。

图12所示为图3所示的网侧控制器中负序电流补偿单元的另一种实施方式的控制框图。

图13所示为应用图1所示的负序电流补偿单元后电网输入端电流的仿真示意图。

图14所示为图1所示的网侧控制器的另一种实施方式的控制框图。

图15所示为图1所示的网侧控制器的又一种实施方式的控制框图。

具体实施方式

本发明揭露的一个或者多个实施方式涉及负序电流补偿机制，以用于处理能量转换系统并网发电过程中发生瞬态事件或者暂态事件或者遇到故障状况时或者在随后的恢复过程中所产生的负序电流问题。在此所谓的“负序电流补偿”是指实时追踪电网中的电流，并提供其中负序电流的瞬时信息，以用于进行负序电流补偿。在此所谓的“瞬态或者暂态事件”是指一个或者多个在电网侧引起信号扰动的事件或者状况，例如，在电网中发生的单相故障或三相不平衡故障等。更具体而言，在一种实施方式中，在此描述的负序电流补偿机制结合电压源控制(Voltage Source Control，VSC)架构或者算法来具体执行。在此所谓的“电压源控制架构或者算法”是指在一种具体的实施方式中其主要的控制变量包括交流侧电压指令如电压幅值指令和相位角指令之相关控制机制。进一步而言，基于电压源控制架构执行负序电流补偿机制涉及快速地提供电网电压的瞬时负序电流信息。因此，在遇到瞬态事件或者故障状况时或者此后的恢复过程中，基于电压源控制架构而在内部产生的交流测电压指令信号可以根据该瞬时负序电流信息进行补偿，以降低或者消除该负序电流给系统所造成的影响，从而保证系统稳定工作。

在一些实施方式中，该负序电流补偿机制还可以结合电流限制机制或相位跳变补偿机制来执行。这里所谓的“电流限制机制”是指根据预定的电流阈值限制经过负序电流补偿机制调节后的电压指令信号，以进一步限制能量转换系统输出的电流，以保护能量转换系统的内部器件。这里所谓的“相位跳变补偿机制”是指实时追踪电网中的相位跳变信息，并提供根据该相位跳变信息对系统进行相应的相位补偿。在其他实施方式中，该负序电流补偿机制还可以结合其他补偿机制来共同保证系统的稳定工作。

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。

图1所示为能量转换系统10一种实施方式的模块示意图。在下面的描述中，为了更好的理解本发明的较佳实施方式，能量转换系统10被图示并描述成一种光伏或者太阳能能量转换系统。但是，应当可以理解的是，对于本发明所属技术领域内具有一般技能的人士来讲，本发明所披露的一个或者多个实施方式应当不仅仅限制在光伏领域，其中的一些方面，例如，基于电压源控制架构或者算法的负序电流补偿机制，应当可以通过类似的方式应用到其他领域，例如，还可以应用到燃料电池发电系统、风能发电系统以及潮汐能发电系统等。

概括而言，该光伏能量转换系统10包括一个光伏变流器模块14。该光伏变流器模块14可以视作连接在光伏电源12和电网18之间的能量转换接口，以用于不同形式能量之间的转换。详细而言，该光伏变流器模块14被配置成将从光伏电源12输出的直流电压或者电流形式的能量(下文简称为直流电)转换成适合输入到电系统18的交流电压或者电流形式的能量(下文简称为交流电)。在一种实施方式中，光伏电源12可以包括一个或者多个光伏阵列，其中每个光伏阵列可以包括多个相互连接的光伏单元，该光伏单元基于光电效应进行太阳能到直流电能的转换。在一种实施方式中，电系统18可以为输送交流电的电网，该光伏能量转换系统10可以被配置成输送具有适当频率和幅值的三相交流电给电网18。在其他实施方式中，该电系统18也可以包括交流负载，例如交流电机或者马达等。

在一种实施方式中，图1所示的光伏变流器模块14基于两级式的架构，其包括光伏侧变流器142(也即靠近光伏电源12侧的变流器)和网侧变流器144(也即靠近电网18侧的变流器)。该光伏侧变流器142可以包括直流-直流变流器，例如升压型直流-直流变流器，其可以升高由光伏电源12转换输出的直流电压，并将升高后的直流电压提供给直流母线146。该直流母线146可以包括一个或者多个电容器，用以将直流母线146的直流电压的电压值维持在特定的数值，从而可以控制从直流母线146到电网18的能量流动。该网侧变流器144可以包括直流-交流变流器，用以将直流母线146处的直流电压转换成适合交流电网18输送的交流电压。可以理解的是，在其他实施方式中，该光伏变流器模块14也可以基于单级式的架构，也即，其通过一个直流-交流变流器直接将直流母线的直流电压转换成具有适当频率和幅值的交流电压，以供电网18输送。不管是单级式架构还是多级式架构的具体实施方式，该变流器模块14被控制成进行交流电能调节以确保并网发电时发出的交流电压或者交流电流能够跟随电压或者基本与电网电压保持同步。

在一种实施方式中，图1所示的该能量转换系统10进一步包括变流器控制模块或者变流器控制系统16。该变流器控制模块16被配置成调节该变流器模块14的功率。在一种实施方式中，该变流器控制模块16被配置成包括光伏侧控制器162和网侧控制器164。该光伏侧控制器162被配置成根据各种指令信号和反馈信号发送光伏侧控制信号166给光伏侧变流器142，以调节直流母线146处的电压或者功率。例如，在一种实施方式中，该光伏侧变流器142根据电压传感器145检测到的直流电压反馈信号156和输入的直流电压指令信号提供光伏侧控制信号166给光伏侧变流器142，以调节该直流母线146处的电压。该网侧控制器164被配置成根据各种指令信号和反馈信号发送网侧控制信号168给网侧变流器144，以调节从网侧变流器144输出的有功功率或者无功功率。该光伏侧变流器142可以包括任何拓扑结构的变流器，例如，半桥式变流器、全桥式变流器以及推挽式变流器等。该网侧变流器144可以包括任意拓扑结构的直流-交流变流器，例如，两电平式变流器、三电平式变流器或者多电平式变流器等。该光伏侧变流器142和该网侧变流器144可以包括一定数量的半导体开关器件，例如，集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCTs)和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBTs)等。该等开关器件可以在光伏侧控制信号166和网侧控制信号168的作用下被开通或者关断。虽然图1示出了使用两个独立的控制器162，164进行控制，但是在其他实施方式中，应当也可以使用单一的控制器对光伏侧变流器142和网侧变流器144同时进行控制。

在一种实施方式中，图1所示的能量转换系统10还可以进一步包括光伏侧滤波器22，该光伏侧滤波器22包括一个或者多个容性元件和感性元件，用以滤除从光伏电源12输出的直流电能中的波动分量，并阻止波动信号从光伏侧变流器142流向光伏电源12。该能量转换系统10还可以包括网侧滤波器24，该网侧滤波器24也包括一个或者多个感性元件或者容性元件，以滤除从网侧变流器144输出的三相交流电中的谐波分量。

请继续参阅图1，该能量转换系统10或者更具体而言该网侧控制器164进一步包括负序电流补偿单元290(在后续图3的一个实施方式中以标号1290表示)，以解决电网18在发生瞬态事件或者遇到故障状况等情况所产生的负序电流干扰问题。在一种实施方式中，如图1所示，该负序电流补偿单元290可以配置在该网侧控制器164中。在其他实施方式中，该负序电流补偿单元290还可以配置在该网侧控制器164之外或者部分位于该网侧控制器164之中。更具体而言，该负序电流补偿单元290被配置成追踪电网18中的电流信号，并侦测负序电流，提供代表电流信号所存在的较大负序电流的瞬时信息。从该负序电流补偿单元290提供的瞬时信息可以被用来调节从网侧控制器164输出给网侧变流器144的网侧控制信号168。通过此调节，从网侧变流器144输出的交流电压或者交流电流可以降低或消除由负序电流引起的干扰，进而使系统稳定工作。更多关于负序电流补偿单元290(1290)的细节将在下文详细描述。

图2所示为图1所示的网侧控制器164一种实施方式的至少一部分的控制框图。图2所示网侧控制器164中的功能模块可以通过硬件(hardware)的形式来实现，也可以通过固件(firmware)或者软件(software)的形式来实现，或者通过硬件结合软件的形式来实现。在实际的应用中，该网侧控制器164可以通过微控制器来执行，也可以通过数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)等处理器来执行。基本而言，在图示的实施方式中，网侧控制器164被构建成基于电压源控制架构。

在图2所示的实施方式中，该基于电压源控制架构的网侧控制器164配置有有功功率调节器210。该有功功率调节器210被配置成接收有功功率指令信号212和有功功率反馈信号214，并基于接收到的有功功率指令信号212和有功功率反馈信号214产生相位角指令信号216(也称第一指令信号)。该有功功率指令信号212代表期望从网侧变流器144输出的有功功率，而该网侧功率反馈信号214则代表实际测量或者计算得到的有功功率。该相位角指令信号216代表期望从网侧变流器144输出的交流输出电压的相位值。在一种实施方式中，该有功功率反馈信号214可以通过电流反馈信号154和电压反馈信号152计算得到，其中，该电流反馈信号154和该电压反馈信号152可以分别通过设置在网侧变流器144输出端和电网18之间的电流传感器34和电压传感器36(如图1所示)测量得到。在一种实施方式中，该电流传感器34和电压传感器36可以为霍尔效应传感器。虽然在图1所示的实施方式中，作为一种示意性的举例，电流传感器34和电压传感器36被放置在网侧滤波器24和电网之间成为公共连接点的位置处，但是在其他实施方式中，可以在网侧变流器144和电网18之间电连接路线上的任意点进行电压和电流的测量，以用于计算该有功功率反馈信号214。

请继续参阅图2，该基于电压源控制架构的网侧控制器164还配置有无功功率调节器220。该无功功率调节器220被配置成接收无功功率指令信号222和无功功率反馈信号224，并根据该无功功率指令信号222和无功功率反馈信号224产生电压幅值指令信号226(也称第二指令信号)。该无功功率指令信号222代表希望从网侧变流器144输出的无功功率，其可以由电网运营商指定也可以根据实际的系统参数设计进行确定。该无功功率反馈信号224代表从网侧变流器144输出端测量或者计算得到的无功功率。该电压幅值指令信号226代表期望从网侧变流器144输出的交流电压的幅值。在一种实施方式中，该无功功率调节器220包括求和元件(图未示出)，以将该无功功率指令信号222和该无功功率反馈信号224相减，以得到代表该无功功率指令信号222和该网侧无功功率反馈信号224之间差值的无功功率偏差信号。该无功功率调节器220还可以包括无功调节单元和电压调节单元(图未示出)，以根据该无功功率偏差信号产生电压幅值指令信号226。

请继续参阅图2，该基于电压源控制架构的网侧控制器164进一步包括负序电流补偿单元290。可以理解，在此实施方式中，该负序电流补偿单元290配置于该网侧控制器164内部，在其他实施方式中，该负序电流补偿单元290也可以配置在该网侧控制器164的外部。该负序电流补偿单元290被配置成接收电流反馈信号(例如信号154)及负序电流指令信号155，并根据该电流反馈信号154及负序电流指令信号155产生一对负序电流修正信号291及292。该负序电流指令信号155代表期望从网侧变流器144输出的负序电流，例如零安培的负序电流，其可以由电网运营商指定也可以根据实际的系统参数设计进行确定。在一些实施方式中，使用如图1所示的相同的电流传感器34来检测电流反馈信号154。然而，在其他实施方式中，也可以使用放置在网侧变流器144和电网18之间电连接路径上不同位置的传感器，来检测电流信号。该负序电流修正信号291及292被分别输送给有功功率调节器210，以用于调节该相位角指令信号216及输送给无功功率调节器220，以用于调节该电压幅值指令信号226。

请继续参阅图2，该基于电压源控制架构的网侧控制器164进一步包括信号产生器240。该信号产生器240被配置成根据相位角指令信号216和电压幅值指令信号226产生作用到网侧变流器144的网侧控制信号168。在发生瞬态事件或者遇到故障状况时或者从瞬态事件的恢复过程中，该信号产生器240根据调节后的相位角指令信号218及调节后的电压幅值指令信号228产生网侧控制信号168，该调节后的相位角指令信号218通过求和元件217将该相位角指令信号216与该负序电流修正信号291相加所得，该调节后的电压幅值指令信号228通过求和元件227将该电压幅值指令信号226与该负序电流修正信号292相加所得，通过该对负序电流修正信号291及292的补偿作用，可有效降低或消除由负序电流信号对系统产生的干扰，进而大大提高了系统的稳定性。在一种非限定的实施方式中，该信号产生器240可以使用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)单元来产生PWM型控制信号168。

图3所示为图1所示的网侧控制器164另一种实施方式的至少一部分的控制框图。图3所示的实施方式与图2所示的实施方式相似，区别仅在于，与图2实施方式相比，图3实施方式还包括一个坐标转换单元250，用于将该相位角指令信号216和电压幅值指令信号226转换至同步旋转坐标系(也称作d-q坐标系)下的一对d轴及q轴电压指令信号1216及1226。而相应地，该负序电流补偿单元290也调整为配合该坐标变换的负序电流补偿单元1290。该负序电流补偿单元1290接收该电流反馈信号154及负序电流指令信号155，并对应产生一对d-q坐标系下的负序电流修正信号1291及1292。该负序电流修正信号1291及1292被分别输送至求和元件217及227，以用于调节该对电压指令信号1216及1226。同理，通过该对负序电流修正信号1291及1292的补偿作用，可有效降低或消除由负序电流信号对系统产生的干扰，进而大大提高了系统的稳定性。

总体来说，图3所示的实施方式与图2所示的实施方式所实现的功能相同，均是对产生的负序电流进行相应的补偿，区别仅在于执行两个实施方式的算法是位于两个不同的坐标系下的，而坐标系的选择则是为了使应用的算法执行起来更加快速，具体可根据实际的算法进行选择，这里仅示意出两种不同坐标系，在其他实施方式中，也可根据需要切换至其他不同的坐标系中，以进一步简化算法。

图4所示为图2及图3所示的网侧控制器164中负序电流补偿单元290(1290)的一种实施方式的控制框图。该负序电流补偿单元290(1290)包括负序电流提取器293及负序电流调节器295。该负序电流提取器293用于接收该电流反馈信号154提取将其中的负序电流反馈信号294提出出来。该负序电流调节器295用于根据该负序电流反馈信号294及该负序电流指令信号155产生对应的负序电流修正信号291及292(1291及1292)。

图5所示为图4所示的负序电流补偿单元290(1290)中的负序电流提取器293的一种实施方式的详细控制框图。该负序电流提取器293包括坐标变换单元2931及负序电流选择器2934。该负序电流提取器293用于将该电流反馈信号154(本实施方式中包括三相交流电流1541、1542、1543)变换成d-q坐标系下的d轴电流信号2932及q轴电流信号2933。该负序电流选择器2934用于分别将该d轴电流信号2932及q轴电流信号2933中的d轴负序电流信号2935及q轴负序电流信号2936选择出来。在其他实施方式中，该电流反馈信号154还可在其他合适的坐标系下进行相应的变换，以适应不同控制算法的需求。

图6所示为图4所示的负序电流补偿单元290中的负序电流调节器295的一种实施方式的详细控制框图。该负序电流调节器295包括第一求和元件2953、第二求和元件2954、第一虚拟电阻元件2957、第二虚拟电阻元件2958及坐标变换单元2961(删除坐标变换单元2961则为负序电流补偿单元1290)。在本实施方式中，该负序电流指令信号155包括d轴负序电流指令信号2951及q轴负序电流指令信号2952。该第一求和元件2953接收该d轴负序电流指令信号2951及该d轴负序电流信号2935，并将两者作差而得到一个d轴负序电流偏差信号2955。该第二求和元件2954接收该q轴负序电流指令信号2952及该q轴负序电流信号2936，并将两者作差而得到一个q轴负序电流偏差信号2956。该d轴负序电流偏差信号2955与q轴负序电流偏差信号2956代表实际测到负序电流信号与期望的负序电流信号之间的偏差信息。该第一虚拟电阻元件2957及第二虚拟电阻元件2958分别代表了期望的一个第一增益(gain)及一个第二增益，其可以由电网运营商指定也可以根据实际的系统参数设计进行确定。图6的实施方式中，该第一虚拟电阻元件2957及第二虚拟电阻元件2958的虚拟电阻增益相同，其他实施方式中也可以选取不同的值。除了图6实施方式中的虚拟电阻类型的增益外，在后续的实施方式中，还将介绍其他类型的增益或增益组合，但不限于此。

请继续参考图6，该d轴负序电流偏差信号2955提供给该第一虚拟电阻元件2957，并通过与其相乘获得一个d轴阻抗补偿电压信号2959(本实施方式中也为图3中的负序电流修正信号1291)。该q轴负序电流偏差信号2956提供给该第二虚拟电阻元件2958，并通过与其相乘获得一个q轴阻抗补偿电压信号2960(本实施方式中也为图3中的负序电流修正信号1292)。该d轴阻抗补偿电压信号2959及q轴阻抗补偿电压信号2960可分别用于补偿图3中的电压指令信号1216及1226。

为了在图2的实施方式中应用，图6中的d轴阻抗补偿电压信号2959及q轴阻抗补偿电压信号2960通过该坐标变换单元2961转换成极坐标系(polar coordinate)下的该对负序电流修正信号291及292，以分别用于补偿图2中的相位角指令信号216及电压幅值指令信号226。在图6的实施方式中，该第一虚拟电阻元件2957及第二虚拟电阻元件2958具有阻尼(damping)的抑制功能，从而在不期望的负序电流产生时可限制瞬时电流(transientcurrent)或动态电流(dynamic current)，提高系统的稳定性。

在一种实施方式中，该负序电流调节器295被设计成只要有负序电流产生，该负序电流修正信号291(1291)及292(1292)都会用来调节该指令信号216(1216)及226(1226)。而在另一种实施方式中，该负序电流调节器295被设计成仅针对较大的负序电流进行补偿，而对很小的负序电流则不进行补偿，这有利于提供系统的工作性能。具体而言，该负序电流调节器295可以配置成具有预设的一个电流偏差阈值或一个电流偏差阈值范围，即当该d轴负序电流偏差信号2955及该q轴负序电流偏差信号2956小于该预设的电流偏差阈值或位于该预设的电流偏差阈值范围内时，该负序电流修正信号291(1291)及292(1292)将通过适当的算法被阻断。而当该d轴负序电流偏差信号2955及该q轴负序电流偏差信号2956大于该预设的电流偏差阈值或位于该预设的电流偏差阈值范围外时，该负序电流修正信号291(1291)及292(1292)将正常通过。

图7所示为图4所示的负序电流补偿单元290中的负序电流调节器295的另一种实施方式的详细控制框图。与图6的实施方式相比较，图7实施方式中的负序电流调节器295进一步还包括一个第一虚拟感抗元件2966、一个第二虚拟感抗元件2967、一个第三求和元件2964及一个第四求和元件2965。该第一虚拟感抗元件2966与该第一虚拟阻抗元件2957共同作为该第一增益，而该第二虚拟感抗元件2967与该第二虚拟阻抗元件2958共同作为该第二增益。该第一虚拟感抗元件2966用于接收该d轴负序电流信号2935，并通过与其相乘获得一个d轴感抗补偿电压信号2982，该第二虚拟感抗元件2967用于接收该q轴负序电流信号2936，并通过与其相乘获得一个q轴感抗补偿电压信号2983。该第三求和元件2964用于将该d轴阻抗补偿电压信号2959与该q轴感抗补偿电压信号2983进行相加以得到一个d轴综合补偿电压信号2980(本实施方式中也为图3中的负序电流修正信号1291)。该第四求和元件2965用于将该q轴阻抗补偿电压信号2960与该d轴感抗补偿电压信号2982进行相减以得到一个q轴综合补偿电压信号2981(本实施方式中也为图3中的负序电流修正信号1292)。

请继续参考图7，该d轴综合补偿电压信号2980与该q轴综合补偿电压信号2981通过该坐标变换单元2961转换成该对负序电流修正信号291及292，以分别用于补偿图2中的相位角指令信号216及电压幅值指令信号226。在图7的实施方式中，除了上述讲述过的第一虚拟阻抗元件2957及第二虚拟阻抗元件2958所具有的补偿功能外，该第一虚拟感抗元件2966及第二虚拟感抗元件2967进一步提供了补充的补偿功能，即在系统中减弱(decouple)d-q坐标系d轴与q轴之间的影响。在其他实施方式中，该第一虚拟感抗元件2966及第二虚拟感抗元件2967的输入信号也可以分别接收该d轴负序电流指令信号2951及该q轴负序电流指令信号2952，或者分别接收该d轴负序电流信号2935与d轴负序电流指令信号2951的结合及该q轴负序电流信号2936与q轴负序电流指令信号2952的结合。

图8所示为图4所示的负序电流补偿单元290中的负序电流调节器295的又一种实施方式的详细控制框图。与图7的实施方式相比较，图8实施方式中的负序电流调节器295进一步还包括一个d轴积分元件2962及一个q轴积分元件2963，提供积分功能。该d轴积分元件2962结合该第一虚拟感抗元件2966与该第一虚拟阻抗元件2957共同作为该第一增益，而该q轴积分元件2963结合该第二虚拟感抗元件2967与该第二虚拟阻抗元件2958共同作为该第二增益。该d轴积分元件2962用于接收该d轴负序电流偏差信号2955并且产生一个d轴积分补偿电压信号2984，而该q轴积分元件2963用于接收该q轴负序电流偏差信号2956并且产生一个q轴积分补偿电压信号2985。该第三求和元件2964在图6实施方式的基础上进一步将该d轴积分补偿电压信号2984加入至该d轴综合补偿电压信号2980中，该第四求和元件2965在图6实施方式的基础上进一步将该q轴积分补偿电压信号2985加入至该q轴综合补偿电压信号2981中。

请继续参考图8，该d轴综合补偿电压信号2980与该q轴综合补偿电压信号2981通过该坐标变换单元2961转换成该对负序电流修正信号291及292，以分别用于补偿图2中的相位角指令信号216及电压幅值指令信号226。在图8的实施方式中，除了上述讲述过的第一虚拟阻抗元件2957、第二虚拟阻抗元件2958、第一虚拟感抗元件2966及第二虚拟感抗元件2967所具有的补偿功能外，该d轴积分元件2962及q轴积分元件2963进一步提供了补充的补偿功能，即在降低或消除系统的稳态错误(steady err)，以确保系统的稳定性能。具体来说，该d轴积分元件2962及q轴积分元件2963被用来处理在系统稳态下由于信号调制或者变换不平衡而引起的电压不平衡。

图9所示为图4所示的负序电流补偿单元290中的负序电流调节器295的再一种实施方式的详细控制框图。与图7的实施方式相比较，图9实施方式中的负序电流调节器295在图7实施方式的基础上通过该第三求和元件2964进一步将一个网侧d轴负序电压反馈信号2968加入该d轴综合补偿电压信号2980中，而通过该第四求和元件2965进一步将一个网侧q轴负序电压反馈信号2969加入该q轴综合补偿电压信号2981中。在一种实施方式中，该d轴负序电压反馈信号2968及q轴负序电压反馈信号2969的获取方式与图5中d轴负序电流信号2935及q轴负序电流信号2936的获取方式相似，这里不再赘述，但不限于此。

图10所示为图4所示的负序电流补偿单元290中的负序电流调节器295的再一种实施方式的详细控制框图。与图9的实施方式相比较，图10实施方式中的负序电流调节器295中该d轴负序电压反馈信号2968及q轴负序电压反馈信号2969还可进行预先处理后再输入至该第三求和元件2964及该第四求和元件2965。例如，可通过两个滤波器2970及2971分别对该d轴负序电压反馈信号2968及q轴负序电压反馈信号2969进行滤波处理，以滤除该d轴负序电压反馈信号2968及q轴负序电压反馈信号2969中不需要的频率电压信号，例如仅保留基波负序分量(如在旋转坐标轴中的直流或120赫兹频率的电压信号)。在图9及图10的实施方式中，该d轴综合补偿电压信号2980与该q轴综合补偿电压信号2981通过该坐标变换单元2961转换成该对负序电流修正信号291及292，以分别用于补偿图2中的相位角指令信号216及电压幅值指令信号226。除了上述讲述过的第一虚拟阻抗元件2957、第二虚拟阻抗元件2958、第一虚拟感抗元件2966、第二虚拟感抗元件2967、d轴积分元件2962及q轴积分元件2963所具有的补偿功能外，该d轴负序电压反馈信号2968与该q轴负序电压反馈信号2969进一步提供了补充的补偿功能，即调整在负序电压干扰突然改变(发生、消失、程度变化等)时而引起的初始状态错误。

图11所示为图4所示的负序电流补偿单元290中的负序电流调节器295的再一种实施方式的详细控制框图。该实施方式是将图6至图10的实施方式进行的一个整合，以提供对负序电流的更综合性的补偿效果。但图6至图11也仅仅给出了部分的补偿方案，在其他实施方式中，还可根据需要增加其他类型的补偿，以更进一步的优化系统的性能，降低或消除负序电流产生的影响。

图12所示为图3所示的网侧控制器164中负序电流补偿单元1290的另一种实施方式的控制框图。与图4的实施方式相比，图3的实施方式进一步的对该坐标系下的负序电流修正信号1291及1292进行了后续进一步的处理，以使处理后的负序电流修正信号1291及1292作负序电流补偿。在本实施方式中，该负序电流修正信号1291的传输路径上分别设置了第一滤波器296、第一比较器301及第一补偿元件305，该负序电流修正信号1292的传输路径上分别设置了第二滤波器297、第二比较器302及第二补偿元件306。具体来说，该第一滤波器296及第二滤波器297用于执行信号滤波，例如滤除高频噪声信号，进而分别对应产生滤波后的负序电流修正信号298及299。

该第一比较器301及第二比较器302设置有滞回比较功能，其预设有上限阈值与下限阈值，该第一比较器301及第二比较器302分别判定该滤波后的负序电流修正信号298及299是否位于上限阈值与下限阈值之内，并且在被判定成位于上限阈值与下限阈值之内时阻止该滤波后的负序电流修正信号298及299通过，而在并且在被判定成位于上限阈值与下限阈值之外时允许该滤波后的负序电流修正信号298及299通过，而产生比较后的负序电流修正信号303及304。通过这样的设定，可以使负序电流补偿单元1290仅在大的负序电流扰动下作响应，并输出负序电流修正信号298及299，而较小的负序电流扰动不做响应，并且不输出负序电流修正信号298及299。

该第一补偿元件305及第二补偿元件306用于作用增益系数给该比较后的负序电流修正信号303及304，分别产生补偿后的负序电流修正信号307及308。在其他实施方式中，也可选用上述三种信号处理方式的一种或两种，或者还可以选用其他方式进行信号处理，以使处理后的信号更好的进行负序电流的补偿。

图13所示为应用图1所示的负序电流补偿单元290(1290)后电网输入端电流的仿真示意图。在图3中，一个大的负序电流(在d-q坐标系下)在第3.00秒产生，而在3.20秒加入该负序电流补偿单元290(1290)。可以看出在3.00至3.20秒之间，由于没有负序电流补偿功能，q轴负序电流A及d轴负序电流B分别达到1.2KA及-2KA的最大值。而当在3.20秒加入该负序电流补偿单元290(1290)后，该q轴负序电流A及d轴负序电流B分别逐渐减小至400A及0A附近，大大的降低了负序电流，进而降低了负序电流对系统造成的影响，提高了系统的性能。

图14所示为图1所示的网侧控制器164的另一种实施方式的控制框图。图14所示的控制框图基本与图2所示的控制框图相似。在图14所示的实施方式中，该网侧控制器164进一步包括第一限制器230及第二限制器260。该第一限制器230连接该有功功率调节器210和无功功率调节器220。基本而言，该第一限制器230被配置成根据预设的电流阈值限制该相位角指令信号216和电压幅值指令信号226。更具体而言，该第一限制器230被配置成根据预设的电流阈值限制经过相位补偿机制补偿后的相位角指令信号216。经过限制后的相位角指令信号216和电压幅值指令信号226被传送给信号产生器240，以用于产生驱动网侧变流器144中开关器件工作的控制信号，例如脉冲宽度调制信号。该第二限制器260被配置成根据预设的阈值限制该负序电流修正信号291及292，然后限制后的负序电流修正信号312及314被传送至该求和元件217及227。相似地，图3中的负序电流修正信号1291及1292也可以通过一限制器(未示出)进行适当的限制，以提供更优化的补偿信号。

图15所示为图1所示的网侧控制器164的又一种实施方式的控制框图。图15所示的控制框图基本与图2所示的控制框图相似。在图15所示的实施方式中，该网侧控制器164进一步包括相位跳变补偿单元250。该相位跳变补偿单元250连接该有功功率调节器210(或无功功率调节器220)。基本而言，该相位跳变补偿单元250被配置成实时计算出电网电压发生的相位跳变信息，并基于该计算出的相位角跳变信号对内部产生的相位角指令信号216或者功率指令信号226进行补偿，以使得从能量转换系统输出的交流电流或者交流电压跟随与电网相关的电压或者保持与电网相关的电压同步，使得该能量转换系统更加可靠地进行并网发电。图14及图15仅仅给处理两种附加的补偿功能，其他实施方式中，该网侧控制器164还可包括其他类型的补偿机制。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (20)

1.一种能量转换系统，其特征在于：该能量转换系统包括：

直流母线，用于接收来自于电源的直流电；

变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电；及

变流器控制模块，用于：

根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生第一指令信号；

根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生第二指令信号；

根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补

偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号，基于该第一及第二负序电流修正信号分别调节该第一及第二指令信号；及

基于该调节后的第一及第二指令信号产生控制信号，以在该控制信号的作用下驱动该变流器模块工作。

2.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该变流器控制模块包括负序电流补偿单元，用于产生该第一及第二负序电流修正信号，该负序电流补偿单元包括：

负序电流提取器，用于接收电网上的电流反馈信号，并从该电流反馈信号中提取出该负序电流反馈信号；及

负序电流调节器，用于接收该负序电流反馈信号及该负序电流指令信号，并对应产生该第一及第二负序电流修正信号。

3.如权利要求2所述的能量转换系统，其特征在于：该负序电流提取器包括：

坐标变换单元，用于将电网上的电流反馈信号由三相坐标系转换至d-q坐标系下的一个d轴电流信号及一个q轴电流信号；及

负序选择器，用于从该d轴电流信号及q轴电流信号中提取出一个d轴负序电流信号及一个q轴负序电流信号。

4.如权利要求3所述的能量转换系统，其特征在于：该负序电流调节器包括：

第一求和元件，用于将该负序电流指令信号中的d轴负序电流指令信号与该d轴电流信号作差而产生一个d轴负序电流偏差信号；

第二求和元件，用于将该负序电流指令信号中的q轴负序电流指令信号与该q轴电流信号作差而产生一个q轴负序电流偏差信号；

第一虚拟阻抗元件，基于该d轴负序电流偏差信号产生一个d轴阻抗补偿电压信号，作为该第一负序电流修正信号；及

第二虚拟阻抗元件，基于该q轴负序电流偏差信号产生一个q轴阻抗补偿电压信号，作为该第二负序电流修正信号；

该负序电流调节器还选择性地包括坐标变换单元，用于将该d轴阻抗补偿电压信号及q轴阻抗补偿电压信号从d-q坐标系转换至极坐标系下的第一及第二负序电流修正信号。

5.如权利要求4所述的能量转换系统，其特征在于：该负序电流调节器还包括：

第一虚拟感抗元件，基于该d轴负序电流反馈信号或d轴负序电流指令信号产生一个d轴感抗补偿电压信号；

第二虚拟感抗元件，基于该q轴负序电流反馈信号或q轴负序电流指令信号产生一个q轴感抗补偿电压信号；

第三求和元件，用于将该q轴感抗补偿电压信号加入该d轴阻抗补偿电压信号中，并产生一个d轴综合补偿电压信号作为该第一负序电流修正信号；及

第四求和元件，用于将该q轴阻抗补偿电压信号与该d轴感抗补偿电压信号作差，并产生一个q轴综合补偿电压信号作为该第二负序电流修正信号；

该负序电流调节器还选择性地包括坐标变换单元，用于将该d轴综合补偿电压信号及q轴综合补偿电压信号从d-q坐标系转换至极坐标系下的第一及第二负序电流修正信号。

6.如权利要求5所述的能量转换系统，其特征在于：该负序电流调节器还包括：

d轴积分元件，基于该d轴负序电流偏差信号产生一个d轴积分补偿电压信号；及

q轴积分元件，基于该q轴负序电流偏差信号产生一个q轴积分补偿电压信号；

该第三求和元件还用于将该d轴积分补偿电压信号加入该d轴综合补偿电压信号中，该第四求和元件还用于将该q轴积分补偿电压信号加入该q轴综合补偿电压信号中。

7.如权利要求5所述的能量转换系统，其特征在于：该第三求和元件还用于将网侧d轴负序电压反馈信号加入该d轴综合补偿电压信号中，该第四求和元件还用于将网侧q轴负序电压反馈信号加入该q轴综合补偿电压信号中。

8.如权利要求7所述的能量转换系统，其特征在于：该负序电流调节器还包括用于对该d轴负序电压反馈信号及q轴负序电压反馈信号进行滤波的滤波器。

9.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该第一及第二指令信号包括相位角指令信号及电压幅值指令信号，或者包括由相位角指令信号及电压幅值指令信号变换的d轴及q轴电压指令信号。

10.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：在调节该第一及第二指令信号之前，该第一及第二负序电流修正信号还通过滤波器、比较器、补偿元件之一或它们的组合进行预先处理。

11.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该变流器控制模块还包括限制器，用于限制调节后的第一及第二指令信号产生控制信号，或限制该第一及第二负序电流修正信号。

12.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该变流器控制模块还包括相位跳变补偿单元，用于实时计算电网电压发生的相位跳变信息，并基于该计算出的相位角跳变信号对内部产生的相位角指令信号或者功率指令信号进行补偿。

13.一种操作能量转换系统的方法，其特征在于：该方法包括：

根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生第一指令信号；

根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生第二指令信号；

根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号；

基于该第一及第二负序电流修正信号分别调节该第一及第二指令信号；及

基于该调节后的第一及第二指令信号产生控制信号，以在该控制信号的作用下驱动该变流器模块工作。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：该方法进一步包括：

从该负序电流反馈信号中提取出d轴负序电流反馈信号及q轴负序电流反馈信号；

基于该负序电流指令信号中的d轴负序电流指令信号与该d轴负序电流反馈信号产生该第一负序电流修正信号；及

基于该负序电流指令信号中的q轴负序电流指令信号与该q轴负序电流反馈信号产生该第二负序电流修正信号。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：该步骤“根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号”包括：

将该负序电流指令信号中的d轴负序电流指令信号与该d轴电流信号作差而产生一个d轴负序电流偏差信号；

将该负序电流指令信号中的q轴负序电流指令信号与该q轴电流信号作差而产生一个q轴负序电流偏差信号；

通过将第一虚拟阻抗元件与该d轴负序电流偏差信号相乘产生一个d轴阻抗补偿电压信号，作为该第一负序电流修正信号；

通过将第二虚拟阻抗元件与该q轴负序电流偏差信号相乘产生一个q轴阻抗补偿电压信号，作为该第二负序电流修正信号；及

将该d轴阻抗补偿电压信号及q轴阻抗补偿电压信号从d-q坐标系转换至极坐标系下的第一及第二负序电流修正信号。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：该步骤“根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号”还包括：

通过将第一虚拟感抗元件与该d轴负序电流反馈信号或该d轴负序电流指令信号相乘产生一个d轴感抗补偿电压信号；

通过将第二虚拟感抗元件与该q轴负序电流反馈信号或该q轴负序电流指令信号相乘产生一个q轴感抗补偿电压信号；

将该q轴感抗补偿电压信号加入该d轴阻抗补偿电压信号中，并产生一个d轴综合补偿电压信号作为该第一负序电流修正信号；

将该q轴阻抗补偿电压信号与该d轴感抗补偿电压信号作差，并产生一个q轴综合补偿电压信号作为该第二负序电流修正信号；及

将该d轴综合补偿电压信号及q轴综合补偿电压信号从d-q坐标系转换至极坐标系下的第一及第二负序电流修正信号。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：该步骤“根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号”还包括：

通过将d轴积分元件与该d轴负序电流偏差信号相乘产生一个d轴积分补偿电压信号；

通过将q轴积分元件与该q轴负序电流偏差信号相乘产生一个q轴积分补偿电压信号；

将该d轴积分补偿电压信号加入该d轴综合补偿电压信号中；及

将该q轴积分补偿电压信号加入该q轴综合补偿电压信号中。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于：该步骤“根据负序电流指令信号和电网上的负序电流反馈信号产生用于补偿负序电流的第一及第二负序电流修正信号”还包括：

将网侧d轴负序电压反馈信号加入该d轴综合补偿电压信号中；及

将网侧q轴负序电压反馈信号加入该q轴综合补偿电压信号中。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于：在调节该第一及第二指令信号之前对该第一及第二指令信号进行滤波、限制或补偿操作。

20.如权利要求13所述的方法，其特征在于：该方法还包括限制调整后的第一及第二指令信号或限制该第一及第二负序电流修正信号。

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