CN103516240A - 用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法及系统 - Google Patents

用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法及系统，该事件会导致所述电路中的逆变器失控，所述系统包括：在所述事件发生前对运行参数进行采样的采样装置；监测所述事件发生的监测装置；基于监测参数的推断，在所述事件发生后计算所述参数估算值的参数估算装置；以及利用所述参数的估算值控制所述逆变器的控制装置。

Description

用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法及系统。本发明特别应用于（但不限于）逆变器以及对可再生能源系统发生的瞬时产生的不稳定电流恢复控制的方法和系统。
背景技术
逆变器是一种电能变换器。例如，逆变器可作为系统的一部分，用于控制直流电源和交流电源系统之间的电能流动。逆变器一般包括一组功率切换装置，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及它们相应的反平行二极管。逆变器由基于微处理器的控制单元控制，该控制单元执行逆变器的控制算法。例如，从光伏（PV）面板提供的电能通过逆变器反馈到诸如电网网络的交流电源系统中，逆变器将光伏面板的直流输出变换为电网所用的交流电源。在某些特定应用中，对向电机供电的额外逆变器的直流连接端进行连接以构造允许双向功率流动的驱动。
在逆变器的相位输出和交流电源系统之间设置电感器以限制由于逆变器的切换操作所产生的谐波电流。为了将谐波电压失真限制在可接受的程度，通常在与交流电网的连接点处也设有附加的切换频率滤波器。
交流电源系统内会因各种不同原因产生瞬态电压变化，比如故障、或突然给系统连接额外的设备。电感器用来限制在交流电源系统和逆变器之间产生的瞬态电流。通常会提供一个过流保护系统，如果通过逆变器的电流超出可能损坏逆变器的特定值时，该系统能够禁止逆变器内切换装置的运行。交流电源系统中足够大的电压瞬变可产生足以触发该过流保护系统运行的瞬态电流。然而，由于逆变器需要一定的时间和供电电源再次保持同步，然后重启动，因此禁用逆变器被认为是最后的手段。通过增加逆变器控制系统的控制带宽来限制瞬态电流以便在各种电压瞬变的情况下不激发过流跳闸的方法是不现实的，因此为确保逆变器在交流电源电压瞬变时能够工作，传统的方法是增加交流电源和逆变器之间的电感。通过这种方法能够限制交流电源和逆变器之间的瞬态电流，甚至在最坏情况下，电压瞬变所产生的瞬态电流也可以被抑制，这样，就不会触发过流保护系统，除非是在最严重的情况下，比如逆变器系统内部的故障。然而，该方法所要求的阻抗比逆变器正常运行所要求的阻抗要大。大电感既庞大又昂贵，应尽可能避免。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法，该事件会导致所述电路中的逆变器失控，该方法包括：在所述事件发生前，对运行参数进行采样；监测所述事件的发生；基于监测参数的推断，在所述事件发生后计算所述参数的估算值；以及利用所述参数的估算值控制所述逆变器。
上述被监测的事件是电路中电流的瞬变现象。
在上述事件发生前，在多个采样周期内对所述参数进行采样和存储。
上述参数的估算值是基于一个或多个采样周期的参数。
上述采样参数与电路的交流供电电压的相位角有关。
上述参数的估算值从对控制逆变器三相交流电流的参考坐标系相角的估算获得。
上述第一个采样周期的参数用于产生估算值作为交流电压相角，第二个采样周期的参数与第一个采样周期的参数一起用于获得使逆变器与供电电压保持同步控制的交流电压频率的估算值。
上述电路包括一个附加逆变器，其向连接至所述逆变器另一侧的电机供电。
本发明还公开了一种用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的系统，该事件会导致所述电路中的逆变器失控，所述系统包括：在所述事件发生前对运行参数进行采样的采样装置；监测所述事件发生的监测装置；基于监测参数的推断，在所述事件发生后计算所述参数估算值的参数估算装置；以及利用所述参数的估算值控制所述逆变器的控制装置。
上述采样装置对所述事件发生前的多个采样周期内的参数采样并存储。
上述参数估算装置基于一个或多个采样周期内的参数估算参数值。
上述采样参数与电路的交流供电电压的相位角有关.
上述参数的估算值从对控制逆变器三相交流电流的参考坐标系相角的估算获得。
上述参数估算装置使用第一个采样周期的参数产生估算值作为交流电压相角，使用第二个采样周期的参数与第一个采样周期的参数一起获得使逆变器与供电电压保持同步控制的交流电压频率的估算值。
上述电路包括一个附加逆变器，其向连接至所述逆变器另一侧的电机供电。
上述被监测的事件可能是电路中电流的瞬变现象，该瞬变现象足以触发过流保护系统运行。本发明的发明人认为只要故障（比如停机）造成的负面后果是可以弥补的，短暂禁用逆变器未必是坏事。一些监管机构允许逆变器在正常工作时停机，但停机时间应限制在很短的时间内，比如20ms。因此，过去首选的方法是使用大电感来避免禁用逆变器。
在事件发生前的多个采样周期内可对参数采样并存储。
参数的估算值可以是基于一个或多个采样周期内的参数。
特别地，采样参数与电路的交流供电电压的相位角有关。此时，上述参数的估算值从对控制逆变器三相交流电流的参考坐标系相角的估算获得。例如，第一个采样周期的参数用于产生估算值作为交流电压相角，第二个采样周期的参数与第一个采样周期的参数一起用于获得使逆变器与供电电压保持同步控制的交流电压频率的估算值。
特别地，该电路包括连接至所述逆变器一侧的直流电源，可选地，所述直流电源为可再生能源，如光伏阵列。进一步地，该电路可包括一个连接至电机的附加逆变器，以构成允许附加逆变器和交流电源之间双向功率流动的驱动。
为使逆变器控制的恢复过程中产生的瞬态影响减少到最小，与所述参数估算值相一致的逆变器的电压需求设置为非零值，该非零值小于事件发生前的电压，比如，事件发生前的电压值的一半，从而限制在恢复过程中电压不匹配造成的影响。
本发明公开的实施方式允许采用电感器确保逆变电源系统中逆变器的正常运行，通过监测故障发生前的供电环境使系统从故障环境中更快地恢复正常运行，并使用该信息预测逆变器在故障后重新启动时的运行环境。这将节省重新启动过程的时间。因此，当交流供电瞬态事件发生时，在控制系统的操作功能中短暂关闭逆变器能被适应。
附图说明
本发明的具体实施方式将通过实例并参考以下附图进一步描述：
图1为本发明提供的逆变器；
图2为本发明提供的逆变器系统；
图3显示了逆变器系统基于参考坐标系的电流控制器；
图4显示了参考坐标系推导的时间线；以及
图5为本发明公开的具体实施方式的部分工作流程图。
具体实施方式
图1是逆变器内IGBT切换设备和反平行二极管的一种典型布置。图2是用于连接直流电源的逆变器10的一种典型布置，如光伏阵列12连接到诸如市电电网等的交流电网上。逆变器10的三相交流侧通过分别设于每相的电感器14和开关频率滤波器16连接到交流电源。
图3显示了用于控制电流并为如图2所示的电气系统提供过流保护的系统。该系统一般通过数字电路实现，该数字电路包括嵌有执行适宜控制策略程序的微处理器。本实施方式的实施是以数字电路的功能框图以及微处理器提供的控制软件来描述的。特别地，控制策略基于PI（比例积分）控制器，也可使用其它控制算法。本发明所公开的方法和系统也可在其它硬件控制系统中实施。
该控制系统包括逆变器10，逆变器10通过电感器14和滤波器16提供三相输出。该控制系统基于PI功能17/18，将正交直流电压信号分量Vx和Vy提供给直角坐标－极坐标转换器20，输出电压幅值为V及电压相角为θv。规范化的电压信号作为空间矢量调制器(SVM)22的一个输入，空间矢量调制器(SVM)22执行一种控制逆变器产生三相交流输出的算法。空间矢量调制器(SVM)22的另一个输入是调制相角信号θm。该控制系统也包括锁相环(PLL)24，锁相环24定义了参考坐标系相角，并在稳态状态下，通过在所需电压矢量和参考坐标系之间施加90o的相移把电压相角信号θv连结到控制器参考坐标系的y轴上。参考坐标系相角θREF和电压相角信号θv相加以产生调制相角信号θm。为确保电流控制器针对逆变器端子上不同等级的直流电压有一致的环路增益，电压幅值V和直流电压在规范器26中被规范化从而为空间矢量调制器(SVM)22提供调制深度m。空间矢量调制器(SVM)22的输出是一组控制逆变器10的三相中每相切换设备的控制信号。锁相环24的功能对于本领域技术人员是公知的。有关电压源脉冲宽度调制变换器中锁相环的功能的完整描述，请参见题目为“使用非直流电压采样的PWM整流器”的IEE会议论文的部分B－电气应用，作者为P.Barrass和M.Cade，1999年9月，第5版，第146卷。此处所描述的锁相环的功能的完整描述都为引用。
逆变器交流侧的三相交流电流指示信号iu、iv和iw由电流变送器28-32产生并反馈到三相或两相变换器34中以产生两相电流信号iD和iQ，该两相电流信号依次被变压器35转换成由参考坐标系相角θREF定义的参考坐标系中的电流分量ix和iy。在比较器36和38中将ix和iy的电流反馈信号与其相应的电流需求信号ix＊和iy＊进行比较，产生的差值信号被输入到PI功能17/18中。因此，该系统被设计为产生电流分量ix和iy以跟随电流ix＊和iy＊的参考值。
PI功能17/18包括比例元件和积分元件。积分元件更适合于电流的稳态控制，而比例元件提供瞬态控制。另外，交流电源系统和逆变器10之间的电感器的瞬态电流抑制效果通过PI功能的比例元件增补。比例元件增益越大，交流电源系统中由于电压瞬变产生的电流瞬变越小。逆变器10设有过流保护禁用系统40，该保护系统的运行不依赖于控制系统处理器。过流保护禁用系统40包括阈值检测器42－46，阈值检测器42-46分别监测来自变送器28-32的电流信号iu、iv和iw。当一相或多相电流达到一个阈值，该阈值为一个幅值（正或负），低于该幅值则会损坏逆变器，一个或多个检测器发送信号到控制逻辑48，控制逻辑48立刻禁用逆变器的切换设备使其处于非导通状态。
如果要避免由于上述做法而禁用逆变器的情况，则交流电源和逆变器之间的电感器组合和PI功能的比例增益必须满足以下条件：任何电压瞬变都不能使电流达到控制逻辑48中设置的阈值。在一个已知的系统中有两种原因会达成妥协：首先，比例元件设有最大增益限值，超出该限值时当前控制系统会不稳定。最大增益通常被切换频率滤波器14限制到一个水平。其次，对于给定水平的比例增益，可通过在交流电源系统和逆变器之间使用大电感来限值瞬态电流。然而，正如上面解释的，若不把电感量增加到超过所要求的能够限制由于逆变器切换动作产生的谐波电流的数值，则不能够达到限制瞬态电流的效果。将电感量增加到所需要的值在商业上不可接受。
我们发现关闭逆变器可能是管理逆变器从瞬态事件或其它潜在的可能损坏控制系统的事件中恢复的可接受解决方案的一部分，并且在一些应用中，短周期禁用逆变器是可接受的，只要逆变器在该周期内可再次工作。在可再生能源应用中就有这样的例子，如已经提到的光伏应用。通常情况下，在交流电源系统内产生引起交流电压跌落到低水平数值的故障的20ms内，逆变器必须能够再次输出可控的有功电流和无功电流。根据本发明公开的实施例，设置了逆变器过流保护系统，从而当发生大的电压瞬变时禁用逆变器，甚至在故障后交流电源系统电压值接近零时，系统可以在要求的时间内立即恢复从而能够继续输出有功电流和无功电流。
我们期望控制系统能够确保交流电源和逆变器之间的有功电流和无功电流在所需的基本水平。为此，交流电源系统电压的瞬时相位被用来提供参考坐标系相角θREF。电压相角θv数值在锁相环24中和90°相比较以便在正常运行中该相角将为90°。因此，供电电压和参考坐标系的y轴对齐。锁相环24包括PI功能50，以提供所需的参考坐标系频率FREF的输出，该输出由积分器52积分以产生参考坐标系相角θREF。若供电电压值为0或接近0，或逆变器由于过电流事件被禁用，则不能获得交流电源系统电压的相位。然而，在电压瞬变发生前可获得交流电源系统电压的瞬时相位和稳态频率，该信息可用来推算故障后的交流电源系统电压相角的估算值，从而当由于电压数值过低不能用于获得参考坐标系相角θREF时，能够向交流电源系统输入正确的有功功率和无功功率。
下面将描述如图3所示电路的一种工作原理。
在瞬态事件发生前－除了控制系统功能，通过采样和存储功能54在电压瞬变事件发生后以低于控制系统的采样率（即每秒一次）对参考坐标系相角θREF进行采样和存储，从而推算控制系统的参考坐标系相角。图4显示了在电压瞬变事件发生前、发生过程中以及发生后的采样系统。可以看到样本N的采样信息由于电压瞬变而被破坏。
瞬态事件在时刻t发生之后，若过电流系统48由于监测到其中一相有瞬态电流而被触发，则逆变器10被禁用。短时间内流过电感器的电流会被逆变器中的反平行二极管衰减。在此期间逆变器无净功率流输出，并且不能通过监测电压相角θv得到参考坐标系相角θREF。
由于控制系统在时刻t发生电压瞬变，样本N后的参考坐标系相角θREF不可获得，因此，有必要得到参考坐标系相角θREF的数值。事件在时刻t发生后，基于瞬态电压之前的信息来设置用来提供参考坐标系相角θREF的积分器52，积分器52装载θREF(N-2)+([θREF(N-2)-θREF(N-1)]x(2T+TN+t)/T)，其中t是瞬态电压事件发生的时刻。假设交流电源系统的频率不明显变化，那么当前的参考坐标系相角仍然和交流电源系统电压的相角保持同步，可使用现有的未破坏信息来估算当前的参考坐标系相角。由于数据是在电压瞬变发生前的至少一个采样周期(T)内获得的，故该数据不受瞬态电压本身的影响。从这一点开始，给积分器输入推导值，该推导值将基于参考坐标系相角在θREF(N-2)和θREF(N-1)之间的变化使估算的参考坐标系相角继续跟随交流电源系统电压的相角，从而避免任何数据受电压瞬变的影响。
得到θREF的估算数值后，当电感器的电流由于被禁用而衰减时，将重新启用逆变器，在本实施方式中，电流参考值ix*和iy*被设置为0。在此刻，交流电源系统的电压是未知的。任何施加任意值电压的尝试可能会造成更高的、幅值不可接受的电压瞬变。为使当逆变器重新启用时由于逆变器电压和交流电源系统电压之间不匹配而造成的瞬态电流最小化，PI功能17/18中的积分器被预设置为正常运行时的数值水平的一半。该数值可通过监测电源系统的先前活动获得的先前数据而得出。由于参考坐标系的y分量通常和交流电源系统电压产生的电压矢量一致，y轴PI功能18的积分器被设置为供电电压的一半，而x轴PI功能17的积分器被设置为0。若这种运行机制得以成功，则短时间后，逆变器将会工作并按照基于PI功能的控制功能和交流电源系统匹配，这样在逆变器和交流电源系统之间的电流是最小的基本电流。图5所示的流程图演示了这种流程。
在变送器28-32中检测到恢复的电流，并把检测到的电流信号输入到系统处理器中。现在可按照交流电源系统和逆变器之间所需要的有功电流和无功电流ix和iy来调节电流参考值。若交流电源系统电压低，则有效功率将受到限制，否则会需要过多的电流来传送大量的功率。
最后，系统恢复到正常的参考坐标系测量运行。一旦逆变器再次开始工作，又可通过监测电流PI功能17/18的输出端的电压相角θv来获得交流电源系统电压的相角。若交流电源系统电压平衡（即三相电压基本相等）且高于上述定义的能够提供可靠相位信息的阈值，则该信息可以认为是可靠的。若该信息认为是可接受的，则在正常控制环境下可获得参考坐标系相角并且可再次以采样率T对参考坐标系相角进行采样，采样数值在发生电压瞬变时将被使用。
若系统中发生电压瞬变，该瞬变没有触发过流保护系统48运行，并且交流电源系统电压保持在通过监控电压相角θv获得的参考坐标系相角θREF的电压水平之上，则不会使用过流保护系统48。然而若过流保护系统48未被触发，但是交流电源系统电压过低而不能被用来获取参考坐标系相角，则可以同样的方式，使用电压变低之前获取的参考坐标系相角信息来推断参考坐标系相角，直到电压恢复到足够高的可用水平。因此，本发明公开的具体实施方式可应用于逆变器被禁用和由于电压过低而不能获取可靠的功率控制数值的情况。
本发明公开的具体实施方式适用于电气系统的控制，比如将电能从诸如光伏阵列的可再生能源输送到电网中。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的方法，该事件会导致所述电路中的逆变器失控，其特征在于，该方法包括：
在所述事件发生前，对运行参数进行采样；
监测所述事件的发生；
基于监测参数的推断，在所述事件发生后计算所述参数的估算值；以及
利用所述参数的估算值控制所述逆变器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被监测的事件是电路中电流的瞬变现象。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述事件发生前，在多个采样周期内对所述参数进行采样和存储。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述参数的估算值是基于一个或多个采样周期的参数。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采样参数与电路的交流供电电压的相位角有关。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述参数的估算值从对控制逆变器三相交流电流的参考坐标系相角的估算获得。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一个采样周期的参数用于产生估算值作为交流电压相角，第二个采样周期的参数与第一个采样周期的参数一起用于获得使逆变器与供电电压保持同步控制的交流电压频率的估算值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电路包括一个附加逆变器，其向连接至所述逆变器另一侧的电机供电。
9.一种用于管理电气设备从电路事件中控制恢复的系统，该事件会导致所述电路中的逆变器失控，其特征在于，所述系统包括：
在所述事件发生前对运行参数进行采样的采样装置；
监测所述事件发生的监测装置；
基于监测参数的推断，在所述事件发生后计算所述参数估算值的参数估算装置；以及
利用所述参数的估算值控制所述逆变器的控制装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述采样装置对所述事件发生前的多个采样周期内的参数采样并存储。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述参数估算装置基于一个或多个采样周期内的参数估算参数值。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述采样参数与电路的交流供电电压的相位角有关。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述参数的估算值从对控制逆变器三相交流电流的参考坐标系相角的估算获得。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述参数估算装置使用第一个采样周期的参数产生估算值作为交流电压相角，使用第二个采样周期的参数与第一个采样周期的参数一起获得使逆变器与供电电压保持同步控制的交流电压频率的估算值。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述电路包括一个附加逆变器，其向连接至所述逆变器另一侧的电机供电。
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