CN112909965A - 阻抗注入单元稳定性的自适应控制技术 - Google Patents

Abstract

本公开一般涉及电力分配系统，并且特别是涉及用于功率流控制系统的阻抗注入单元的稳定系统和方法。电力传输线路上发生瞬变出于不可预测的原因，所述原因包括断路器的断开和闭合、负载变化以及从可再生能源对电网的输入的接通和关断。递归技术允许将线性函数拟合到电力线路瞬变的非线性电网动态。该技术是自适应的，并且有助于稳定阻抗注入单元，同时出于实现功率流控制的目的它将校正阻抗注入到传输线路中。当应用于许多注入单元时，该技术还有助于稳定总体电网。使用递归技术的稳定系统提供了对相关联的电力线路的实时监视和相对于电力线路瞬变的稳定。

Description

阻抗注入单元稳定性的自适应控制技术

相关申请的交叉引用

本申请要求在2019年11月15日提交的美国临时申请号62/936,101的权益，该美国临时申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开一般涉及电力分配系统，并且特别是涉及用于功率流控制系统的阻抗注入单元的稳定系统和方法。

背景技术

现代分布式发电引入了多发电机电网和新的操作模式。这些新的操作模式将有可能在低电压和中电压水平下大规模引入电力电子（PE）变换器，诸如阻抗注入单元。出于不可预测的原因，电力传输线路上发生瞬变，所述原因包括断路器的断开和闭合、负载变化以及从可再生能源对电网的输入的接通和关断。电力线路瞬变可能表现为电网电流中的非线性异常。在本领域中需要一种功率流控制系统，其可以适配于改变的电网动态，同时致力于稳定功率流控制系统的阻抗注入单元。

发明内容

本文中所公开的是一种连接到电力传输线路的阻抗注入单元的装置，诸如阻抗注入单元的稳定系统。该装置包括DC电容器、功率开关组件和控制器。控制器监视DC电容器上的电压和流过电力传输线路的线路电流的相位，以检测电力传输线路的功率流异常。控制器还基于受监视的DC电容器的电压和线路电流的相位来计算校正阻抗。控制器进一步命令功率开关组件将校正阻抗注入到电力传输线路中，以响应于电力传输线路的异常而稳定电力传输线路的功率流。

本文中所公开的是一种连接到电力传输线路的阻抗注入单元的装置。电力传输线路是电力电网的一部分。该装置包括控制器、存储器、锁相环、功率开关组件和脉宽调制器。锁相环锁定到流过电力传输线路的线路电流的相位。功率开关组件用于将阻抗注入到电力传输线路上。脉宽调制器用于生成确定所注入的阻抗的DC脉冲。控制器执行存储器中包含的指令，以自适应地控制锁相环、功率开关组件和脉宽调制器，从而响应于电力传输线路的动态而将阻抗注入到电力传输线路上。

还公开了一种阻抗注入单元稳定电力传输线路的功率流的方法。阻抗注入单元包括控制器和DC电容器，所述DC电容器存储要注入到电力传输线路上的能量。该方法包括由控制器检测DC电容器上的电压和流过电力传输线路的线路电流的相位，以检测电力传输线路的功率流异常。该方法还包括由控制器基于所检测的DC电容器的电压和线路电流的相位来计算校正阻抗。该方法还包括由控制器通过响应于电力传输线路的动态而递归地调整阻抗注入单元的参数来自适应地调整校正阻抗。该方法进一步包括将校正阻抗注入到电力传输线路上。

附图说明

为了更好地理解本发明，将随附附图与主题技术的各种方面和实施例的以下描述一起提供。附图和实施例是对本发明的说明，并不旨在限制本发明的范围。应当理解，本领域普通技术人员可以修改附图，以生成将仍然落入本发明范围内的其它实施例的附图；

图1是根据一个实施例的合并有示例性稳定系统的阻抗注入单元的控制流程图；

图2是示出根据一个实施例的阻抗注入单元的功率开关组件的大电流开关器件的电路图，所述阻抗注入单元连接到DC电容器并且连接到电力传输线路；

图3是示出根据一个实施例的图1的稳定系统中使用的锁相环的细节的控制流程图；

图4是根据一个实施例的用于稳定应用于电力传输线路的阻抗注入单元的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文中描述了主题技术的各种方面和变化的示例，并且在随附附图中进行图示。从结合随附附图理解的以下详细描述中，本发明的目的、特征和优点应当是显而易见的。虽然描述了主题技术的各种实施例，但是以下描述并不旨在将本发明限制于这些实施例，而是使得本领域技术人员能够制造和使用本发明。

出于不可预测的原因，电力传输线路上发生瞬变，所述原因包括断路器的断开和闭合、负载变化以及从可再生能源对电网的输入的接通和关断。所公开的是一种递归技术，其允许将线性函数拟合到电力线路瞬变的非线性电网动态。该技术是自适应的，并且有助于稳定诸如阻抗注入单元之类的功率流控制单元，同时将校正阻抗注入到传输线路中。当应用于许多阻抗注入单元时，该技术还有助于稳定总体电网。采用递归技术的稳定系统提供了对相关联的电力线路的实时监视和相对于电力线路瞬变的稳定。

图1是示出功率流控制单元（诸如阻抗注入单元10）的控制流程图，其中根据一个实施例实现稳定系统20。阻抗注入单元10包括控制器11，所述控制器11包括处理器12和存储器13。处理器12执行存储器13中包含的指令以控制稳定系统20。控制器11耦合到收发器14，所述收发器14经由天线17通过射频链路16进一步耦合到外部支持系统15。配置和操作参数可以从外部支持系统15被传送到阻抗注入单元10和稳定系统20。在一个实施例中，外部支持系统15可以由电网操作员操作，以配置和控制多个阻抗注入单元10的操作。稳定系统20可以包括电压比较器19、锁相环25、脉宽调制器23和功率开关组件27。

V*dc 18是对稳定系统20中的电压比较器19的第一输入。它是注入电压Vdc的期望值或参考值，并且可以由电网操作员提供。Vdc 21是稳定系统20的输出，该输出被反馈到电压比较器19的第二输入，以与V*dc 18进行比较。如所示出的，将Vdc 21注入到电力分配电网29的单相传输线路中，以便施加功率流校正。在一个实施例中，Vdc 21可以是用于生成DC脉冲的跨DC电容器的电压，所述DC脉冲由功率开关组件27注入到电力分配电网29的单相传输线路中。控制器11向脉宽调制器23输出θVdc 22，所述脉宽调制器23还从锁相环25接收输入θPLL 24。锁相环25可以锁定到传输线路的线路电流ILine 30的相位，以将线性函数拟合到传输线路瞬变的非线性电网动态。脉宽调制器23产生要通过功率开关组件27施加到电力传输线路的DC脉冲，以实现传输线路中所期望的功率流注入。在一个实施例中，脉宽调制器23将θVdc 22添加到θPLL 24，以确定DC脉冲的频率和幅度。功率开关组件27通过路径28将Vdc 21上注入的DC脉冲馈送到电网29的单相电力传输线路中，从而产生电流ILine 30，该电流ILine 30被反馈到锁相环25，如所示出的。稳定系统20实现了一种采用锁相环25的递归技术，以将线性函数拟合到电网29的潜在非线性行为。

图2是示出了电力传输线路41以及根据一个实施例的图1的功率开关组件27的电路图40。示出了功率开关组件27到电力传输线路41的连接42、43。传输线路41可以是传输电网29中的一个相。如所示出的，功率开关组件27包括大电流开关器件44，其可以被实现为IGBT（绝缘栅双极晶体管）。示出了到DC电容器47的附加连接45和46。在操作期间，DC电容器47利用DC脉冲充电，该DC脉冲被使用功率开关组件27的大电流开关器件44注入到电力传输线路41中。在一个实施例中，交流开关器件44对被接通，以将DC电容器47的电压作为DC脉冲的正向和负向半周期注入到电力传输线路41中。更进一步地，图1的稳定系统20监视DC电容器47上的电压VDC 21，以检测与线路电流ILine 30的相位相关的异常，在控制器11中计算校正阻抗，并且将校正阻抗注入到电力传输线路41中。这增加了阻抗注入单元10的稳定性，并且有助于电网29的稳定性。对线路电流ILine 30的相位和VDC 21的实时监视，与稳定系统20的处理能力一起，提供了对阻抗注入单元10的稳定性和电网29的稳定性的实时监视。

图3是根据一个实施例的描述图1的锁相环25的内部的控制流程图。锁相环25包括相位检测器51、环路滤波器52和受控振荡器53。受控振荡器53以由其输入控制的频率振荡。在进一步的细节中，线路电流ILine 30是二阶广义积分器（SOGI）54的输入，该二阶广义积分器（SOGI）54具有输出Iα 55和Iβ 56。Iα 55和Iβ 56是正交静止参考系中的第一和第二分量。在一个实施例中，Iα 55和Iβ 56是ILine 30与来自受控振荡器53的频率ω 65之间的相位差在将围绕第三轴旋转的正交静止参考系的两个轴上的投影。框57执行派克变换，以将平衡的两相正交静止系统中的向量转换到正交旋转参考系中，具有输出Id 59和Iq 60。Iq60表示到SOGI 54的输入ILine 30和ω 65之间的相位差。Iq 60被输入到具有输出

62的比例积分器61，其中

62是角频率误差。在一个实施例中，比例积分器61可以对与Id 59正交的Iq 60进行积分，以生成

62。

62被输入到受控振荡器53的具有第二输入ωff 63的比较器64，其中ωff 63是参考角频率。比较器64的输出是角频率ω 65，其表示

62和参考角频率ωff 63之间的差，并且是积分器66的输入，以产生输出θ 67，该输出θ 67是输入信号ILine 30的相位。如所示出的，ω 65反馈到SOGI 54，并且θ 67反馈到框57作为派克变换的输入。因此，锁相环25实现四阶传递函数，其包括递归最小二乘拟合，以将线性函数拟合到传输线路电流ILine 30上的瞬变的非线性电网动态。

已经示出了稳定系统20如何监视DC电容器47上的电压，以检测与在传输线路中流动的线路电流（ILine 30）的相位相关的系统异常，计算控制器11中的校正阻抗，并且将校正阻抗注入到传输线路中，从而增加阻抗注入单元10中的稳定性。

有利地，响应于动态电网，功率开关组件27、锁相环25、脉宽调制器23和控制器11的集成行为是自适应的，尽管在电网29的一个或多个系统组件中可能发生非线性转变。稳定系统20可操作以实时监视包括所有这些组件的集成系统的稳定性，并且进一步可操作以响应于可能发生的各种异常使它们稳定。例如，电网电流异常可能是由于电力系统的交替的上线或下线而发生的。例如作为组件故障或劣化的结果，阻抗注入单元的行为也可能发生异常。这种组件故障或劣化对系统操作可能是重要的，也可能不重要。

稳定系统20将以大约1秒的响应时间响应于电网异常。为了稳定性，该响应时间比电网上的许多瞬变更慢。它也比控制器的周期时间更慢。然而，该系统响应的速度足够快，以处置许多异常，而不需要关闭电力分配系统（电力电网）中相关联的传输线路，这是本公开的目的。

图4是根据一个实施例的用于稳定电力传输线路的阻抗注入单元的示例性方法400的流程图。方法400可以通过由操作402提供的稳定系统来实践，该稳定系统包括控制器和DC电容器，该DC电容器存储作为DC脉冲注入传输线路的一个相中的能量。在一个实施例中，方法400可以由图1的阻抗注入单元10的稳定系统20来实践。

在操作403中，方法400通过测量DC电容器上的电压和传输线路中流动的电流的相位来检测功率流异常。功率流异常可能由于电力传输线路的断路器的断开和闭合、负载变化、从可再生能源对电网的输入的接通和关断、组件故障或其它阻抗注入单元的劣化等。在一个实施例中，稳定系统可以监视DC电容器上的电压，该电压与在稳定系统向其注入DC脉冲的传输线路的一个相中流动的电流的相位相关。

在操作404中，方法400基于对DC电容器上的电压和线路电流的相位的测量来计算校正阻抗。在一个实施例中，当计算校正阻抗时，稳定系统的处理器可以计算递归最小二乘拟合，以将线性函数拟合到线路电流上的瞬变的非线性电网动态。

在操作405中，方法400通过递归地调整控制器对其进行操作的参数来自适应地调整校正阻抗。在一个实施例中，稳定系统的处理器可以调整从DC电容器的能量注入的DC脉冲的频率和幅度。

在操作406中，方法400将校正阻抗注入到传输线路中。在一个实施例中，稳定系统可以将DC电容器的电压作为DC脉冲的正向和负向半周期注入到电力传输线路的一个相中。可以重复操作403、404、405和406，以响应于线路电流的瞬变来自适应地调整校正阻抗，从而稳定阻抗注入单元。

上面所描述的方法、设备、处理和逻辑可以以许多不同的方式并且以硬件和软件的许多不同组合来实现。例如，电子电路或控制器可以配置有硬件和/或固件来执行所描述的各种功能。实施方式的全部或部分可以是包括如下各项的电路：指令处理器，诸如中央处理单元（CPU）、微控制器或微处理器；专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑设备（PLD）或现场可编程门阵列（FPGA）；或者包括分立逻辑电路组件或其它电路组件的电路，所述其它电路组件包括模拟电路组件、数字电路组件或这两者；或者它们的任何组合。作为示例，该电路可以包括分立的互连硬件组件和/或可以组合在单个集成电路管芯上，分布在多个集成电路管芯之中，或者实现在公共封装中的多个集成电路管芯的多芯片模块（MCM）中。所述实施方式可以作为电路分布在多个系统组件之中，诸如分布在多个处理器和存储器之中，可选地包括多个分布式处理系统。

该电路可以进一步包括或访问用于由该电路执行的指令。所述指令可以存储在不同于暂时性信号的有形的存储介质中，诸如闪速存储器、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）；或者存储在磁性盘或光盘上，诸如压缩盘只读存储器（CDROM）、硬盘驱动器（HDD）或其它磁性盘或光盘；或者存储在另外的机器可读介质中或机器可读介质上。

出于解释的目的，前述描述使用特定的术语来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说应当显而易见的是，为了实践本发明，不需要特定的细节。因此，出于说明和描述的目的，呈现了本发明的特定实施例的前述描述。它们不旨在是详尽的或将本发明限制于所公开的精确形式；显然，鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。所述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选取和描述的。由此，它们使得本领域的其它技术人员能够最好地利用本发明以及具有适于所设想的特定用途的各种修改的各种实施例。例如，为了应用功率流校正，尽管已经使用电力分配电网的单相传输线路来图示稳定系统，但是所描述的原理同等适用于其它相或其它交流传输配置。因此，示例是说明性的并且是非限制性的。以下权利要求及其等同物旨在限定本发明的范围。

Claims (15)

1.一种可连接到电力传输线路（41）的阻抗注入单元（10）的装置，包括：

DC电容器（47），

功率开关组件（27）；

控制器（11），被配置为执行如下操作，包括：

监视所述DC电容器（47）上的电压和流过所述电力传输线路（41）的线路电流（30）的相位，以检测所述电力传输线路（41）的功率流异常；以及

基于所述DC电容器（47）上的电压和所述线路电流（30）的相位来计算校正阻抗；

其中所述控制器（11）命令所述功率开关组件（27）将所述校正阻抗注入到所述电力传输线路（41）中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中为了基于所述DC电容器（47）上的电压和所述线路电流（30）的相位来计算校正阻抗，所述控制器（11）被配置为成比例地积分所述线路电流（30）的相位。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电力传输线路（41）是电力电网的一部分，并且所述控制器（11）被配置为执行所述操作以使阻抗注入单元（10）适配电力电网的线路电流（30）的动态，并且其中优选地，所述电力电网的线路电流（30）的动态是非线性的。

4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括锁相环（25）。

5.根据权利要求4所述的装置，其中为了基于DC电容器（47）上的电压和线路电流（30）的相位来计算校正阻抗，所述锁相环（25）被配置为：

- 执行最小二乘拟合，以将线性函数拟合到所述线路电流（30）的非线性动态；和/或

- 锁定到所述线路电流（30）的相位。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述锁相环（25）的传递函数包括四阶传递函数。

7.根据权利要求4所述的装置，其中所述锁相环（25）包括正交锁相环，所述正交锁相环使用正交旋转参考系来生成所述线路电流（30）的相位的角频率误差。

8.一种可连接到作为电力电网一部分的电力传输线路（41）的阻抗注入单元的装置，包括：

控制器（11）；

包含指令的存储器（13）；

锁相环（25），被配置为锁定到流过电力传输线路（41）的线路电流（30）的相位；

功率开关组件（27），被配置为将阻抗注入到所述电力传输线路（41）上；以及

脉宽调制器（23），被配置为生成确定阻抗的DC脉冲，

其中所述控制器（11）执行存储器（13）中包含的指令，以自适应地控制锁相环（25）、功率开关组件（27）和脉宽调制器（23），从而响应于所述电力传输线路（41）的动态而将阻抗注入到所述电力传输线路（41）中。

9.根据权利要求8所述的装置，其中电力传输线路（41）的动态是非线性的，并且其中优选地，所述锁相环（25）被配置为将线性函数拟合到所述电力传输线路（41）的非线性动态。

10.一种用于通过阻抗注入单元（10）来稳定电力传输线路（41）的功率流的方法，所述阻抗注入单元（10）包括控制器（11）和存储要注入的能量的DC电容器（47），所述方法包括：

由所述控制器（11）检测所述DC电容器（47）上的电压和流过所述电力传输线路（41）的线路电流（30）的相位，以检测所述电力传输线路（41）的功率流异常；

由所述控制器（11）基于所述DC电容器（47）上的电压和所述线路电流（30）的相位来计算校正阻抗；

由所述控制器（11）通过递归地调整所述阻抗注入单元（10）的参数来自适应地调整所述校正阻抗；以及

将所述校正阻抗注入到所述电力传输线路（41）上。

11.根据权利要求10所述的方法，其中由控制器（11）基于DC电容器（47）上的电压和线路电流（30）的相位来计算校正阻抗包括：

- 成比例地积分所述线路电流（30）的相位；或者

- 使用锁相环（25）锁定到所述线路电流（30）的相位，并且其中由所述控制器（11）通过递归地调整所述阻抗注入单元（10）的参数来自适应地调整校正阻抗包括响应于如由所述锁相环（25）检测到的电力电网的非线性动态来调整校正阻抗。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述电力传输线路（10）是电力电网的一部分，并且其中由控制器（11）通过递归地调整阻抗注入单元（10）的参数来自适应地调整校正阻抗包括响应于电力电网的非线性动态来自适应地调整注入到电力传输线路（41）上的DC脉冲的幅度和频率。

13.根据权利要求11所述的方法，其中由所述控制器通过使用锁相环锁定到所述线路电流的相位基于所述DC电容器上的电压和所述线路电流的相位来计算校正阻抗进一步包括：

- 通过锁相环将线性函数拟合到电力电网的非线性动态；或者

- 通过使用正交旋转参考系的正交锁相环来生成线路电流相位的角频率误差，其中所述锁相环进一步包括正交锁相环。

14.根据权利要求11所述的方法，其中锁相环的传递函数包括四阶传递函数。

15.根据权利要求10所述的方法，其中将校正阻抗注入到电力传输线路上包括通过功率开关组件注入校正阻抗。

Images