CN107005049B - 功率控制器和功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于与负载串联且从电源接收功率或向其输送功率的AC功率转换器的功率控制器，该功率控制器包括：径向控制块，其控制AC功率转换器的电参数的径向分量；以及弦控制块，其控制AC功率转换器的电参数的弦分量。还提供了一种电力系统，其包括一个或多个负载，每个被串联到功率转换器，每个功率转换器被如上所述的功率控制器控制。还提供了一种控制与负载串联并从电源接收功率的AC功率转换器的方法，该方法包括：控制AC功率转换器的电参数的径向分量；以及控制AC功率转换器的电参数的弦分量。

Description

功率控制器和功率控制方法
技术领域
本发明涉及功率控制器和功率控制方法，并且特别地涉及用于电弹簧、静态同步串联补偿器（SSSC）及其它DC/AC功率转换器的功率控制器和功率控制方法。在本文中主要关于控制执行有功和无功功率补偿的智能负载描述本发明，但本发明不限于此特定应用。
背景技术
在用于三相AC电力系统的功率转换器、同步机和电子装置的控制方法中通常采用传统的直交零（direct–quadrature–zero）（或dq0或dqo）和α-β（
Figure DEST_PATH_IMAGE001
）变换方法。可以对以下专利进行参考：
[1] W. Said等人，“Active rectification for a variable-frequencysynchronous generator”，2013年2月19日，美国专利8,378,644；
[2] T. Suzuki等人，“Converter and power converter that becomes it withthe converter”，2008年12月30日，美国专利7,471,525；
[3] M. Kimura等人，“Electrical rotating machine control unit and powergeneration system”，2007年9月18日，美国专利7,271,500；以及
[4] S. Bhowmik等人，“Performance optimization controller and controlmethod for doubly-fed machines”，1998年8月25日，美国专利5,798,631。
鉴于简化控制器设计，在单相系统中也可以使用dq0变换。可以对以下专利进行参考：
[5] R. Zhang，“Control of single-phase power converter in d-q rotatingcoordinates”，2003年9月16日，美国专利6,621,252。
这些变换方法的主要优点是其将AC量转换成DC量，这可以简化控制环路的设计。
最近，发明了称为电弹簧（ES）的新功率电子装置，其被与非临界负载（诸如热加热器）串联地使用以形成用于有功和无功功率补偿的智能负载。可以对以下文章和专利进行参考：
[6] S. Y. R. Hui等人，“Electric springs - a new smart gridtechnology”，关于智能电网的IEEE汇报，vol. 3，no. 3，pp. 1552–1561，2012；
[7] S. C. Tan等人，“General steady-state analysis and controlprinciple of electric springs with active and reactive power compensations”，关于电力电子学的IEEE汇报，vol. 28，no. 8，pp. 3958–3969，2013；
[8] S. Y. R. Hui等人，“Power control circuit and method forstabilizing a power supply”，2011年10月3日，美国专利申请13/251,823；
[9] N. Chaudhuri等人，“Control methods for distributed power systems”，2012年，英国专利申请号：1206318.6；
[10] C. K. Lee等人，“Input AC voltage control bi-directional powerconverters”，2013年5月31日，美国专利申请13/907,350；以及
[11] S. C. Tan等人，“Adaptive ac and/or dc power supply”，2013年7月9日，美国非临时专利号61/844,277。
ES的基本功能是调节电力网的电参数，使得其线电压和频率在预定操作极限内。然而，现有控制器和控制方法在采用ES的电力网中并未提供电参数的精确且灵活的控制。这对于ES的广泛应用而言是至关重要的。
本发明的目的是克服或改善现有技术的缺点中的至少一个或者提供有用的替换方案。
遍及本说明书，最初用在方括号中的数字来引用参考文献，并且进一步通过引用方括号中的所述数字来进行相同参考文献的进一步引用。
发明内容
本发明的第一方面的实施例提供了一种用于与负载串联且从电源接收功率或者向其传送功率的AC功率转换器的功率控制器，该功率控制器包括：
径向控制块，其控制所述AC功率转换器的电参数的径向分量；以及
弦控制块，其控制所述AC功率转换器的所述电参数的弦分量。
在一个实施例中，所述电参数是以下各项中的一个：电压、电流、功率或频率。
在一个实施例中，所述功率控制器包括第一、第二以及第三输入，其中，第一输入是所述电源的电参数的量值，第二输入是所述AC功率转换器的电参数的径向分量的希望的量值，并且第三输入是所述电源的电参数的相角与所述负载的电参数的相角之间的希望的差。
在一个实施例中，所述电参数是电压，并且所述径向控制块根据以下关系式来控制径向分量：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
以及
Figure 736981DEST_PATH_IMAGE004
。
在一个实施例中，所述电参数是电压，并且所述弦控制块根据以下关系式来控制弦分量：
Figure 654121DEST_PATH_IMAGE006
。
在一个实施例中，所述功率控制器包括求和块，其将分别地由所述径向和弦控制块输出的AC功率转换器的电参数的径向和弦分量组合以提供用于所述AC功率转换器的电参数的参考量值和参考相角。
在一个实施例中，所述电源是电网，并且所述功率控制器根据所述电网的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的电参数的径向和弦分量。
在一个实施例中，所述功率控制器根据所述负载或电源的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的电参数的径向和弦分量。
在一个实施例中，所述参考电参数是以下各项中的一个或多个：电压、电流、功率以及功率因数。
在一个实施例中，所述功率控制器控制所述AC功率转换器的电参数的径向和弦分量以向所述电源提供有功和无功功率补偿。
在一个实施例中，所述功率控制器与所述AC功率转换器集成。在一个实施例中，所述功率控制器和所述AC功率转换器与所述负载集成。
在第二方面中，本发明的实施例提供了一种电力系统，其包括一个或多个负载，每个负载被串联到各自被如上所述的功率控制器控制的AC功率转换器。
在第三方面中，本发明的实施例提供了一种控制与负载串联并从电源接收功率或向其输送功率的AC功率转换器的方法，该方法包括：
控制所述AC功率转换器的电参数的径向分量；以及
控制所述AC功率转换器的所述电参数的弦分量。
在一个实施例中，所述电参数是以下各项中的一个：电压、电流、功率或频率。
在一个实施例中，所述方法还包括基于所述电源的电参数的量值、所述AC功率转换器的电参数的径向分量的希望的量值以及所述电源的电参数的相角与所述负载的电参数的相角之间的希望的差来控制所述径向和弦分量。
在一个实施例中，所述电参数是电压，并且根据以下关系式来控制径向分量：
Figure 246908DEST_PATH_IMAGE003
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
在一个实施例中，所述电参数是电压，并且根据以下关系式来控制弦分量：
Figure 642117DEST_PATH_IMAGE006
。
在一个实施例中，所述方法还包括将AC功率转换器的电参数的径向和弦分量组合以提供用于AC功率转换器的电参数的参考量值和参考相角。
在一个实施例中，所述电源是电网，并且根据所述电网的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的电参数的径向和弦分量。
在一个实施例中，根据所述负载或电源的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的电参数的径向和弦分量。
在一个实施例中，所述参考电参数是以下各项中的一个或多个：电压、电流、功率以及功率因数。
在一个实施例中，控制所述AC功率转换器的电参数的径向和弦分量以向所述电源提供有功和无功功率补偿。
附图说明
根据本发明的例证性实施例的以下详细描述和附图，本发明的前述及其它特征将更加容易地显而易见，其中除非另外指定，相同的参考标号遍及各图指代相同部分，并且在所述附图中：
图1是如[8]中所述的被串联到具有输出电压控制的非临界负载的在先AC/DC功率转换器的示意图；
图2、3和4是如[10]中所述的被分路连接到具有输入电压控制的负载的在先AC/DC转换器的示意图；
图5是如[11]中所述的用于串联到负载的AC/DC功率转换器的在先控制器的示意图；
图6是例证性电系统的示意图，其中AC功率转换器被与负载串联而形成智能负载，其被连接到AC电压源；
图7A和7B是可以提供无功功率补偿的AC功率转换器的可能拓扑的示意图，其中，图7A示出了全桥拓扑且图7B示出了半桥拓扑，并且其中一个或多个电容器被连接到这些拓扑的DC链路；
图8A和8B是可以提供有功和无功功率补偿的AC功率转换器的可能拓扑的示意图，其中，图8A示出了全桥拓扑且图8B示出了半桥拓扑，并且其中一个或多个电容器和一个或多个电池被连接到这些拓扑的DC链路；
图9A和9B是如下所述的等式（1）的相量电压的两个任意状态的示意图，其中，功率转换器电压被分解成两个分量；
图10是根据本发明的实施例的RCD功率控制器块的算法图；
图11是用于被串联到负载的AC/DC功率转换器的广义控制器的示意图；
图12是根据本发明的实施例的用于被串联到负载的AC/DC功率转换器的具有RCD功率控制器块的广义控制器的示意图；
图13A、13B、13C、13D、13E和13F是根据本发明的实施例的在RCD功率控制器的控制下的不同操作模式下的AC系统的稳态波形的图，其中所述波形描绘了在每个图的左列中示出的非临界负载电压、智能负载电流、电网电压以及功率转换器电压，并且在每个图的右列中示出了测量出的智能负载电参数，即智能负载rms电压、智能负载rms电流、智能负载实际功率、电网频率、智能负载无功功率和智能负载功率因数，并且其中，图13A示出了具有
Figure 518806DEST_PATH_IMAGE008
的径向控制下的波形，图13B示出了具有
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的径向控制下的波形，图13C示出了具有
Figure 92001DEST_PATH_IMAGE010
的弦控制下的波形，图13D示出了具有
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的弦控制下的波形，图13E示出了具有
Figure 192591DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 453808DEST_PATH_IMAGE013
的径向和弦控制两者下的波形，并且图13F示出了具有
Figure 122687DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 116051DEST_PATH_IMAGE015
的径向和弦控制两者下的波形；
图14是具有时变供应侧电压
Figure 683430DEST_PATH_IMAGE016
的实验性电系统的示意图；
图15是根据本发明的实施例的具有被串联地连接到负载以便使用RCD功率控制器块来实现电网电压调节和功率角调整的AC功率转换器的电网的示意图；
图16示出了具有随机时变供应侧电压的图15的电网的实验性波形的图；
图17是用于可再生能源和同步发电机模型的仿真的电系统的示意图；
图18是根据本发明的实施例的用于使用RCD功率控制器块来仿真电网频率调节控制的系统设置的示意图；
图19示出了根据本发明的实施例的使用RCD功率控制器块的电网频率控制下的如在图18中仿真的电网的波形的图；
图20A和20B是根据如下所述的等式（1）的等价物但是关于电参数电流的相量电流的两个任意状态的示意图，其中，功率转换器电流被分解成两个分量；
图21A和21B是根据如下所述的等式（1）的等价物但是关于电参数功率的相量功率的两个任意状态的示意图，其中，功率转换器功率被分解成两个分量；以及
图22A和22B是根据如下所述的等式（1）的等价物但是关于电参数X的电参数X的相量的两个任意状态的示意图，其中，功率转换器的电参数X被分解成两个分量。
具体实施方式
本发明的实施例提供了用于与负载3串联且从电源4接收功率或向其输送功率的AC功率转换器2的功率控制器1。功率控制器1包括控制AC功率转换器的电参数的径向分量的径向控制块5以及控制AC功率转换器2的电参数的弦分量的弦控制块6。
电参数可以是以下各项中的一个：电压、电流或功率。然而，功率控制器1也可以控制其它感兴趣的电参数，诸如例如频率。
功率控制器1包括第一输入7、第二输入8以及第三输入9。第一输入7是电源4的电参数的量值。第二输入8是AC功率转换器2的电参数的径向分量的希望的量值。第三输入9是电源4的电参数的相角与负载3的电参数的相角之间的希望的差。
在其中电参数是电压的某些实施例中，径向控制块5根据下面指定的等式（3）和（4）来控制径向分量。此外，弦控制块6根据下面指定的等式（5）来控制弦分量。
功率控制器1还包括求和块10，其计算分别地由径向和弦控制块5和6输出的AC功率转换器2的电参数的径向和弦分量的矢量和以提供用于AC功率转换器2的电参数的参考量值和参考相角。
在一个实施例中，电源是电网，并且功率控制器1根据电网的一个或多个参考电参数的要求值来控制AC功率转换器2的电参数的径向和弦分量。例如，电网的参考电参数可以是电网电压和/或电网线路功率因数。
功率控制器1还可以根据负载3或电源4的一个或多个参考电参数的要求值来控制AC功率转换器的电参数的径向和弦分量。例如，负载、智能负载或电源的参考电参数可以是以下各项中的一个或多个：电压、电流、功率以及功率因数。
重要的是，功率控制器控制AC功率转换器2的电参数的径向和弦分量以向电源4提供有功和无功功率补偿。
功率控制器1可以与AC功率转换器2集成。还可以将功率控制器1和AC功率转换器2与负载3集成。无论负载是否与功率控制器1集成，可以将负载连同功率控制器1和AC功率转换器2一起称为“智能负载”。
本发明的实施例可以与以单相或多相AC电源的形式的电源4一起使用。
本发明的实施例还提供了一种电力系统，其包括每个被串联到AC功率转换器2的一个或多个负载3，AC功率转换器2中的每一个如上所述地被功率控制器1控制。
因此，应认识到的是，本发明的实施例针对用于以可以独立地控制智能负载的功率角（或位移功率因数的反余弦）和功率振幅（或表观功率）的方式来分解AC功率转换器电压的方法和设备。应认识到的是，与电压一样，可以用类似方式来分解AC功率转换器的其它电参数，诸如电流和功率。下面进一步描述所述方法和设备的详细机制。遍及本说明书，功率控制器1也称为“功率控制器块”或“RCD控制器”、“RCD功率控制器”、“RCD块”、“RCD控制块”、“RCD功率控制器块”或“RCD算法块”，其中，“RCD”代表“径向-弦分解”。径向控制块5也称为“径向控制算法块”，并且弦控制块6也称为“弦控制算法块”。求和块10也称为“矢量求和器”或“矢量求和块”。AC功率转换器2也称为“功率转换器”、“转换器”、“AC/DC功率转换器”或“AC/DC转换器”。
如上文所讨论的，发明了称为电弹簧（ES）的功率电子装置，其被与非临界负载（诸如热加热器）串联地使用以实现有功和无功功率补偿[6]-[11]。从那时起，衍生出了嵌入式负载、嵌入式电源以及作为独立ES的形式的ES的各种版本。然而，无论实现的形式如何，ES的基本功能是调节电力网的电参数，使得其线电压和频率在预定操作极限内。本发明的实施例针对独立且灵活地通过ES来精确地控制电力网的电参数。
这对于ES的广泛应用而言是至关重要的。具有控制兴趣的电参数包括但不限于智能负载的功率因数、非临界负载的功率因数、线路供给的功率因数、智能负载的表观功率、非临界负载的表观功率以及电源电压的振幅和频率。重要的是，本发明的实施例还适用于现有的静态同步串联补偿器（SSSC）。针对此类现有补偿器，可以对以下文章进行参考：
[12] K. Sen，“SSSC-static synchronous series compensator: theory,modeling, and application”，关于电力输送的IEEE汇报，vol. 13，no. 1，pp. W 241–246，1998年1月；以及
[13] L. Gyugyi等人，“Transmission line dynamic impedance compensationsystem”，1993年3月30日，美国专利5,198,746，其关于中压或高压柔性AC传输系统或者要求其线路供应电压或负载的最佳且精确控制的任何相关AC/DC功率电子转换器而使用。
本发明的实施例的控制方法采取称为径向-弦分解（RCD）控制方法的变换方法的形式。本发明采用分解控制方案，以这种方式使得可以在智能负载的功率振幅和功率角对彼此没有影响的情况下独立地对其进行控制，这是传统的dq0变换和
Figure 420441DEST_PATH_IMAGE001
变换方案不能实现的。
图1示出了被串联到具有输出电压控制的非临界负载的在先串联ES（AC/DC功率转换器）的配置[6]。在此配置中，在逆变器的DC链路中使用电容器意味着其只能提供无功功率补偿。在此配置中仅使用无功功率控制。在本发明中，AC/DC功率转换器的DC链路连接电容器和能量储存器（诸如电池）两者，如图8中所示，以这种方式使得（i）AC功率转换器可以提供有功和无功功率补偿；（ii）输送到电力系统或者被AC功率转换器吸收的有功和无功功率的量通过诸如以功率控制器1的形式的根据本发明的实施例的RCD控制方法来管理。
图2、图3和图4示出了三个在先配置，其中AC/DC功率转换器被分路连接到负载并使用输入电压控制方法[10]。在本发明中，始终将AC/DC功率转换器2串联到负载3。
如图2和图3中所示，被AC/DC转换器处理的功率量值和功率角分别地被量值计算块和角（或相位）计算块独立地控制。这种简单的控制配置不能在其中功率转换器被串联到负载的情况下使用。必须使用根据本发明的实施例的RCD控制块1以便在没有功率量值和功率角对彼此的相互影响的情况下独立地对它们进行控制。
如图4中所示，可以通过从实际和无功电流计算块定义实际和无功电流参考来独立地控制由AC/DC功率转换器处理的有功和无功功率。通过使用本发明的实施例的RCD控制块1，根据下面更详细地描述的RCD算法，通过独立地将参考
Figure 943827DEST_PATH_IMAGE017
用于径向控制或者将
Figure 435988DEST_PATH_IMAGE018
用于弦控制，可以同时调整有功和无功功率两者。
如图5中所示，用于被串联到负载的AC/DC功率转换器的控制器提供自适应功能[11]。不存在管理智能负载的功率角控制和功率振幅控制的分离的手段，并且因此它们被相互耦合。
参考图6，示出了例证性电系统图，其由被串联到负载3（
Figure 677613DEST_PATH_IMAGE019
）的AC电源4（
Figure 952737DEST_PATH_IMAGE020
）和AC功率转换器2组成。跨功率转换器2的电位差是
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，而负载3的电位差是
Figure 409257DEST_PATH_IMAGE022
。在以上描述和后文中，将表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 806740DEST_PATH_IMAGE024
的所有相量角都参考至电压相量
Figure 535662DEST_PATH_IMAGE025
。用
Figure 614476DEST_PATH_IMAGE026
表示的所有相量角是表示所述电压和电流相量之间的位移角的功率角。用其均方根（RMS）形式来表示相量量值。
AC功率转换器2和负载3被组合在一起并被视为智能负载。因此，AC功率转换器
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的复功率与负载
Figure 925503DEST_PATH_IMAGE028
的复功率的矢量和被视为智能负载复功率
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，其中，
Figure 759467DEST_PATH_IMAGE030
是智能负载的功率振幅（或表观功率），并且
Figure DEST_PATH_IMAGE031
是智能负载的功率角（或位移功率因数的反余弦）。
电源4的电压、功率转换器2的电压和负载3的电压的关系式是
Figure 710105DEST_PATH_IMAGE032
等式（1）。
AC功率转换器2被视为理想AC功率换能器（sink）或源，其可以向/从电力系统输送（当其是电源时）或吸收（当其是功率换能器时）有功和/或无功功率。此功率转换器2可以通过（但不限于）半桥或全桥双向AC/DC功率转换器实现。在图7中示出了要求仅处理无功功率补偿时的电路图，并且在图8中示出了要求处理有功和无功功率补偿两者时的电路图。图7中所示的DC链路仅由电容器组成，而图8的DC链路由电容器和能量储存器（诸如电池）两者组成。
在本发明的实施例的径向-弦分解（RCD）方法中，将功率转换器2的电压分解成两个分量。在图9A和图9B中示出了两个例证性相量图作为示例。假设电源电压被保持在恒定量值
Figure DEST_PATH_IMAGE033
处。
Figure 402730DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure DEST_PATH_IMAGE035
是两个分解分量、即分别为弦分量和径向分量的量值。因此，
Figure 755214DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure DEST_PATH_IMAGE037
分别是两个分解分量的位移角，参考
Figure 697763DEST_PATH_IMAGE038
。在存在功率转换器2的情况下，负载电压
Figure DEST_PATH_IMAGE039
的量值可以大于或小于电源电压
Figure 11063DEST_PATH_IMAGE040
的量值。并且，电压相量
Figure DEST_PATH_IMAGE041
可以领先或滞后于电压相量
Figure 431680DEST_PATH_IMAGE042
。因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
等式（2）。
在此分解布置中，径向分量
Figure 966567DEST_PATH_IMAGE044
与非临界负载电压
Figure DEST_PATH_IMAGE045
同相（如图9A中所示）或反相（如图9B中所示），使得针对
Figure 80016DEST_PATH_IMAGE046
的等式是
Figure 818296DEST_PATH_IMAGE003
等式（3）
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE047
等式（4）。
考虑弦分量，如图9A中所示，电压相量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001
领先于参考电压相量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
，而电压相量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE003
滞后于参考电压相量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
。另一方面，如图9B中所示，电压相量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
滞后于参考电压相量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
，而电压相量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE007
领先于参考电压相量
Figure RE-704861DEST_PATH_IMAGE006
。可以通过考虑在图9A或图9B中指示的等腰三角形OAB的内角和来评估角
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
的绝对值。可以通过考虑关于等腰三角形的余弦法则来找出弦分量电压的量值。因此，可以导出两个函数
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE010
。我们有
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE011
等式（5）
其中，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE012
被定义为符号函数。因此，参考参考电压相量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
，根据非临界负载电压的相量角
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE014
而生成弦分量电压相量。
可以通过下式表示智能负载的复功率
Figure DEST_PATH_IMAGE063
等式（6）
其中，
Figure 476286DEST_PATH_IMAGE064
是径向分量的电压水平，定义为
Figure 777955DEST_PATH_IMAGE066
等式（7）。
虽然在上述分析中考虑的是电参数电压，但可以针对其它电参数（诸如电流和功率）导出类似等式。在这方面，并且类似于图9A和图9B中所示的电压相量图，图20A和图20B示出了针对电参数电流的相量图，并且图21A和图21B示出了针对电参数功率的相量图。针对一般情况，图22A和图22B示出了针对电参数X的相量图。
在图10中示出了示出实现RCD控制方法的可能方法的图，其由径向控制算法块5、弦控制算法块6和矢量求和块10组成。要求三个输入信号：（i）电源电压的量值
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，（ii）功率转换器的径向分量电压的量值的希望参考值
Figure 138529DEST_PATH_IMAGE068
和（iii）电源电压与负载电压之间的相角的希望参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE069
。径向控制算法块5是根据等式（3）和等式（4）构造而成。由于
Figure 338697DEST_PATH_IMAGE070
的值可以是正的（意味着
Figure 708499DEST_PATH_IMAGE071
）或负的（意味着
Figure 599094DEST_PATH_IMAGE072
），使得
Figure 458466DEST_PATH_IMAGE073
可以等于
Figure 67302DEST_PATH_IMAGE074
或
Figure DEST_PATH_IMAGE075
（等价于
Figure 240794DEST_PATH_IMAGE076
）。此计算是在极矢量转换器内部执行的。弦控制算法块6是根据等式（5）构造而成。此块计算弦分量电压
Figure 64525DEST_PATH_IMAGE077
。然后使用在等式（2）中给出的矢量求和块10将径向和弦分量电压组合以给出功率转换器输出电压的参考量值
Figure 32481DEST_PATH_IMAGE078
和参考相位角
Figure 128613DEST_PATH_IMAGE079
。
图10示出了实现RCD控制方法的算法的途径。实际实施方式可以使用数字处理器（比如数字信号处理器（DSP）控制器）或模拟电路（比如模拟电压加法器或乘法器）。此外，控制方法应与其它功能块协作，所述其它功能块诸如锁相环路、同步块、正弦脉宽调制（SPWM）门码型发生器等，以实现系统的总体功能控制。
图11示出了被用于具有被串联到负载的AC/DC功率转换器的现有ES系统的输出电压控制的现有控制器的一般形式。来自电力系统的希望的电信号被馈送到控制器中并与希望的参考
Figure 902534DEST_PATH_IMAGE080
或
Figure DEST_PATH_IMAGE081
相比较，使得可以获得用于电源输出电压的两个参考信号
Figure 767722DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure DEST_PATH_IMAGE083
。在[11]中可以找出这种实施方式的示例，其中，智能负载的功率角、电网电压和电网频率是被馈送到控制器的电参数。在此控制设计中，不存在关于智能负载的功率角和功率振幅的分离的管理，并且因此它们被相互耦合。在如图12中所示的包括RCD控制块1的情况下，由RCD控制块1来处理智能负载的功率角和功率振幅的分解。结果，智能负载的功率角的调整将不影响智能负载的功率量值，并且反之亦然。
在图13中给出实验波形以例证不同操作模式下的RCD控制方法的功能。该实验是基于图12中给出的系统。负载
Figure 719628DEST_PATH_IMAGE084
是
Figure DEST_PATH_IMAGE085
且AC电源电压
Figure 303056DEST_PATH_IMAGE086
是220 V。
在未来电力系统中，很大部分的电源将是基于诸如风和日照之类的可再生能源。可再生能源的分布式和间歇性质可能很容易引起电网电压中的不稳定性，因为在不包括新的控制解决方案或储存器的情况下不能容易地平衡电力供需。由根据本发明的实施例的RCD功率控制器和控制方法控制的AC功率转换器是对该问题的解决方案。在此类配置中，智能负载的功率振幅将通过径向控制而跟随供应侧功率波动，同时使用弦控制来控制智能负载的功率因数。
在图15中图示出具有能够使用RCD功率控制器1来执行电网电压调节和功率角调整的AC功率转换器2和串联负载3的电网的示意图。在这里，
Figure 552772DEST_PATH_IMAGE087
表示某个公共耦合点（PCC）处的电网电压，并且
Figure 600362DEST_PATH_IMAGE088
是输电线缆的阻抗。图16示出了具有随机时变供应侧电压的图15的电网的实验波形的图。从t = 0至300s，AC功率转换器2被关断。从t = 300至600s，AC功率转换器2被接通有弦控制。从t = 600至900s，AC功率转换器2被接通有径向控制。从t = 900至1200s，AC功率转换器2被接通有弦和径向控制二者。
该控制示意图与图12中所示的相同，只是径向控制参考电压
Figure DEST_PATH_IMAGE089
由用于调节电网电压的闭环电路生成。采用RMS转换器来获得电网电压的RMS值，其被与电网电压参考值
Figure 910121DEST_PATH_IMAGE090
相比较以便执行电网电压调节。在图14中示出了实验性电力系统的配置。传输线阻抗被选择成
Figure DEST_PATH_IMAGE091
。临界负载电阻被选择成
Figure 790965DEST_PATH_IMAGE092
，其在
Figure DEST_PATH_IMAGE093
下消耗629.39 W的标称实际功率。为了实现弦控制的位移功率因数修正能力，使用具有
Figure 844372DEST_PATH_IMAGE094
的阻抗的电感负载，其在
Figure DEST_PATH_IMAGE095
下消耗577.68 W的标称实际功率。本实验的目的是确认弦分量可以被用于改善此电力系统的功率因数，而径向分量可以被用于调节电网电压。
可以通过下式来找出标称供应侧电压
Figure 746468DEST_PATH_IMAGE096
等式（8）
在本示例中其给出245.8 V的标称供应侧电压。
用随机电压源
Figure DEST_PATH_IMAGE097
来仿真供应侧电压波动，其仿真在所安装的间歇性电源的高普及率的情况下的未来电网系统的情况，其中，量值从-5V到5V随机改变，使得供应侧电压的量值将随机变化，并被给出为
Figure 227128DEST_PATH_IMAGE098
等式 (9)。
实验分成四个阶段。在第一阶段中，针对时段t = 0至300s，通过闭合图7和图8中所示的旁路开关
Figure 332619DEST_PATH_IMAGE099
来关断AC功率转换器2。在第二阶段中，t = 300至600 s，以参考角
Figure 189716DEST_PATH_IMAGE100
接通仅具有弦控制的AC功率转换器2。在第三阶段中，t = 600至900 s，以电网参考电压
Figure DEST_PATH_IMAGE102A
接通仅具有径向控制的AC功率转换器2。最后，在第四阶段中，t =900至1200 s，对系统应用弦和径向控制两者。参考角
Figure DEST_PATH_IMAGE103
被设置成
Figure 759369DEST_PATH_IMAGE104
，而电网参考电压被设置成220 V。
在图16中示出了实验结果。如图所示，在t = 0至300s期间，当AC功率转换器被关断时，电网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE105
是未调节的，并且智能负载的功率因数约为
Figure 410930DEST_PATH_IMAGE106
等式（10）。
从t = 300至600 s，弦AC功率转换器被接通。电网电压
Figure DEST_PATH_IMAGE107
仍未被调节，但是根据等式（7），智能负载的功率角已减小
Figure 518564DEST_PATH_IMAGE104
，智能负载的功率因数增加，被测量为约
Figure 913773DEST_PATH_IMAGE108
等式（11）。
从t = 600至900s，AC功率转换器2被接通有径向控制。电网电压被调节在220 V处。由于径向分量电压的相位与非临界负载电压同相或反相，所以智能负载的功率因数将不受影响并保持在0.786处。从t = 900至1200s，AC功率转换器2被接通有径向和弦控制两者的应用。功率因数改善和电网电压调节两者同时执行。可以将智能负载的功率因数改善至0.881，同时电网电压可以被调节在约220V处。
可以观察到的是，从t = 600至1200 s，智能负载表观功率保持随着供应侧电压的波动而改变，以这样的方式可以实现减载或增载。此外，从t = 300至600 s和t = 900至1200 s，可以将智能负载的功率因数从0.786改善至0.881。结果，可以通过使用径向控制来完成电网电压调节过程，同时通过使用弦控制此输电系统的功率质量将不会受到电网电压调节过程的影响。
以下示例验证了RCD功率控制器1在电网的电网频率调节上的应用。在此仿真中使用PSIM软件。在图17中示出了电力系统示意图。在现实电网中，供应侧安装有用于供电的同步发电机。用调速器来调节频率。在此仿真中，使用同步发电机模型。对发电机的扭矩供应取决于发电机产生的功率的量。使用并联地连接到发电机的随机AC电流源来仿真间歇性可再生能量源。
在图18中示出了RCD功率控制器1的控制示意图。
Figure DEST_PATH_IMAGE109
被设置成控制智能负载的功率因数。在闭环控制电路中生成用于径向分量的参考值
Figure 275615DEST_PATH_IMAGE110
，其中，电网频率在仿真中被调节成
Figure DEST_PATH_IMAGE111
的参考值。通过使用频率检测器来获得电网频率。
在图19中示出了仿真结果。在从t = 0至120 s的时段中，AC功率转换器被关断。电网频率在49.5至51 Hz之间变化。针对接下来的120 s（从t = 121至240 s），AC功率转换器被接通。频率的变化由于RCD功率控制器1的反馈控制而被减小至在49.7至50.3 Hz内。
可以认识到的是，上述实施例仅仅是用来描述本发明的原理的示例性实施例，并且本发明不仅限于此。可以由本领域技术人员进行各种变体和修改而不脱离本发明的精神和实质，并且这些变体和修改也涵盖在本发明的范围内。因此，虽然已参考特定示例描述了本发明，但本领域技术人员可以认识到的是，可以用许多其它形式来体现本发明。本领域技术人员还可以认识到的是，可以将所述的各示例的特征组合在其它组合中。

Claims (15)

1.一种用于AC功率转换器的功率控制器，所述AC功率转换器与负载串联并从电源接收功率或向其输送功率，所述功率控制器包括：
径向控制块，其控制所述AC功率转换器的电参数的径向分量；以及
弦控制块，其控制所述AC功率转换器的所述电参数的弦分量
其中，对于保持在恒定量值
Figure 684109DEST_PATH_IMAGE001
处的电源处的电参数，
所述径向分量具有量值
Figure 335670DEST_PATH_IMAGE002
和参考至
Figure 849828DEST_PATH_IMAGE003
的位移角
Figure 979458DEST_PATH_IMAGE004
；并且
所述弦分量具有量值
Figure 262672DEST_PATH_IMAGE005
和参考至
Figure 819555DEST_PATH_IMAGE006
的位移角
Figure 24272DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，所述电参数是以下各项中的一个：电压、电流、或功率；
其中，所述功率控制器包括第一、第二和第三输入，其中，第一输入是所述电源的所述电参数的量值，第二输入是所述AC功率转换器的所述电参数的径向分量的希望的量值，并且第三输入是所述电源的所述电参数的相角与所述负载的所述电参数的相角之间的希望的差；
其中，所述径向控制块根据以下关系式来控制所述径向分量：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
以及
Figure 692013DEST_PATH_IMAGE009
，
其中
Figure 829734DEST_PATH_IMAGE010
是所述电参数的径向分量的位移角，
Figure 557518DEST_PATH_IMAGE011
是负载处的所述电参数的相角，X pr 是所述电参数的径向分量，X S 是电源处的所述电参数，以及X O 是负载处的所述电参数；
并且其中，所述弦控制块根据以下关系式来控制所述弦分量：
Figure 282154DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 753587DEST_PATH_IMAGE007
是所述电参数的弦分量的位移角，
Figure 683496DEST_PATH_IMAGE011
是负载处的所述电参数的相角，X pc 是所述电参数的弦分量，以及X S 是电源处的所述电参数。
2.根据权利要求1所述的功率控制器，包括，求和块，其将分别地由所述径向和弦控制块输出的所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量组合以提供用于所述AC功率转换器的所述电参数的参考量值和参考相角。
3.根据权利要求1所述的功率控制器，其中，所述电源是电网，并且所述功率控制器根据所述电网的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量。
4.根据权利要求1所述的功率控制器，其中，所述功率控制器根据所述负载或电源的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量。
5.根据权利要求3至4中的任一项所述的功率控制器，其中，所述参考电参数是以下各项中的一个或多个：电压、电流、功率以及功率因数。
6.根据权利要求1所述的功率控制器，其中，所述功率控制器控制所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量以向所述电源提供有功和无功功率补偿。
7.根据权利要求1所述的功率控制器，其中，所述功率控制器与所述AC功率转换器集成。
8.根据权利要求1所述的功率控制器，其中，所述功率控制器和所述AC功率转换器与所述负载集成。
9.一种电力系统，其包括一个或多个负载，每个负载都被串联到AC功率转换器，每个AC功率转换器都通过根据权利要求1至8中的任一项所述的功率控制器来控制。
10.一种控制与负载串联并从电源接收功率或向其输送功率的AC功率转换器的方法，所述方法包括：
控制所述AC功率转换器的电参数的径向分量；以及
控制所述AC功率转换器的所述电参数的弦分量，
其中，对于保持在恒定量值
Figure 847762DEST_PATH_IMAGE001
处的电源处的电参数，
所述径向分量具有量值
Figure 728868DEST_PATH_IMAGE002
和参考至
Figure 738412DEST_PATH_IMAGE003
的位移角
Figure 116304DEST_PATH_IMAGE004
；并且
所述弦分量具有量值
Figure 654732DEST_PATH_IMAGE005
和参考至
Figure 370272DEST_PATH_IMAGE006
的位移角
Figure 917928DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，所述电参数是以下各项中的一个：电压、电流、或功率；
其中，所述方法还包括基于所述电源的所述电参数的量值、所述AC功率转换器的所述电参数的径向分量的希望量值以及所述电源的所述电参数的相角与所述负载的所述电参数的相角之间的希望的差来控制所述径向和弦分量；
其中，根据以下关系式来控制所述径向分量：
Figure 884747DEST_PATH_IMAGE013
以及
Figure 125235DEST_PATH_IMAGE009
，
其中
Figure 810295DEST_PATH_IMAGE010
是所述电参数的径向分量的位移角，
Figure 427221DEST_PATH_IMAGE011
是负载处的所述电参数的相角，X pr 是所述电参数的径向分量，X S 是电源处的所述电参数，以及X O 是负载处的所述电参数；
并且其中，根据以下关系式来控制所述弦分量：
Figure 514126DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 689630DEST_PATH_IMAGE007
是所述电参数的弦分量的位移角，
Figure 861985DEST_PATH_IMAGE011
是负载处的所述电参数的相角，X pc 是所述电参数的弦分量，以及X S 是电源处的所述电参数。
11.根据权利要求10所述的方法，包括将所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量组合以提供用于所述AC功率转换器的所述电参数的参考量值和参考相角。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电源是电网，并且根据所述电网的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，根据所述负载或电源的一个或多个参考电参数的要求值来控制所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量。
14.根据权利要求12至13中的任一项所述的方法，其中，所述参考电参数是以下各项中的一个或多个：电压、电流、功率以及功率因数。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述AC功率转换器的所述电参数的径向和弦分量以向所述电源提供有功和无功功率补偿。
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