CN1729603A

CN1729603A - 用于将电能馈入交流电干线的方法和系统

Info

Publication number: CN1729603A
Application number: CN200380106727.8A
Authority: CN
Inventors: A·H·F·E·多伊迪; M·A·M·亨德里西; J·C·A·普特曼斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2006-02-01
Also published as: JP2006511188A; US20060202673A1; EP1576712A1; WO2004057721A1; AU2003283643A1

Abstract

在将电能馈入交流电干线的方法和系统中，记录干线信号并产生基准信号。根据干线信号和基准信号得到延迟干线信号和延迟基准信号。然后，将干线信号乘以延迟基准信号和将延迟干线信号乘以基准信号。通过确定乘后信号之差，可以得到干线信号与基准信号的一次谐波频率之间的相位差。利用这个相位差，可以调整基准信号的频率。根据基准信号得到用来同步变换器的同步信号，这个同步信号用来同步变换器的输出交流电能量。因此，能量由变换器与干线信号的一次谐波频率同步地馈入干线。

Description

用于将电能馈入交流电干线的方法和系统

本发明涉及一种将电能馈入交流电干线(alternating currentelectrical main)的方法和系统。

从EP-B-0712618中可以获知一种将太阳能变换成交流电来补充家庭交流电干线的适配器。这种适配器包括多个互连的光致电压太阳能电池，从而使输出电压之和超过交流电供电线的峰值电压的绝对值。为了向干线交流电供电线提供电流，将线电压的瞬时值与一个正门限值相比较，使得在瞬时线电压超过这个门限时，电流从适配器流入供电线，而在供电线电压的瞬时值低于一个负门限值时，负电流从适配器流入供电线。因此，在供电线的瞬时电压值高于正门限值时和瞬时电压值低于负门限值时将能量输送入供电线。

一个问题是，供电线受到包括任意频带的各种扰动在内的噪声以及交流供电线信号的高次谐波的影响。因此，根据超过一个门限值而将能量馈入干线导致注入噪声频带上的能量(也就是说在供电线信号的高次谐波频带以及在其他噪声和扰动的频带上的能量)。因此，出现在供电线上的高次谐波和噪声会由于这样的能量注入而被放大，从而导致供电线信号的质量的恶化。

本发明的一个目的是保持或提高在将能量馈入干线时供电线信号的质量。

为了达到这个和其他一些目的，根据本发明的方法包括下列步骤：

a)记录干线信号，以用于获得所测干线信号，

b)产生具有在干线信号的一次谐波频率附近的容差频带内的一次谐波频率的基准信号，

c)根据所测干线信号得出延迟干线信号，

d)根据基准信号得出延迟基准信号，

e)将延迟干线信号乘以基准信号，以获得第一乘后信号，

f)将干线信号乘以延迟基准信号，以获得第二乘后信号，

g)通过确定第一与第二乘后信号之差来确定干线信号的一次谐波频率与基准信号的一次谐波频率之间的相位差，

h)根据该相位差调整基准信号的一次谐波频率，

i)使将能量变换成交流电电能的变换器同步为经调整的基准信号的一次谐波频率，以及

j)将交流电能与基准信号同相地馈入干线。

交流电干线可以是公共干线，然而它也可以是专用干线或者是与公共干线电隔离的专用干线。记录干线信号可以通过利用适当的采样频率采样而实现，然而也可以用其他方式记录干线信号，诸如模拟记录之类。基准信号具有在干线信号一次谐波频率附近的容差频带内的一次谐波频率，使得基准信号的一次谐波频率与干线信号的一次谐波频率的频率差不超过预定值。延迟干线信号可以利用任何适当的延迟技术根据所测干线信号得到，如果已经采样了干线信号，则获得延迟干线信号包括非常简单且易于执行的时移操作。同样，在利用样值序列产生基准信号时，获得延迟基准信号包括非常简单且易于执行的时移操作。用于获得第一和第二乘后信号的乘法操作包括在时域内进行相乘。可以很方便地确定干线信号与基准信号的一次谐波频率之间的相位差，例如，通过计算第一与第二乘后信号之差。利用根据本发明的方法确定的相位差仅包括极少的高次谐波造成的扰动。为了滤除这样的谐波和/或其他扰动，这种方法还有利地包括其它步骤，在h)前：对基准信号的重复周期上的相位差进行平均，这进一步抑制了这样的一些扰动。或者，可以采用任何其他适当的滤波技术，诸如低通滤波之类。因此，提供了作为干线信号的一次谐波频率分量与基准信号的一次谐波频率分量之间的相位差的度量的信号(诸如模拟信号或数字采样信号)。根据该相位差，调整基准信号的一次谐波频率，优选的是使得干线信号与基准信号的一次谐波频率分量之间相位差降低为零或者使其成为预定的相位差。

现在，可以使将能量变换成交流电能的变换器同步为基准信号的一次谐波频率，因此可以在经调整的基准信号的一次谐波频率上将能量馈入干线，该经调整的一次谐波频率有利地基本上等于干线信号的一次谐波频率。结果，仅仅是基本上在干线信号的一次谐波频率上的能量馈入干线。因此，没有或者只有极少的在干线频率的高次谐波上或者在其他不希望的频带上的能量馈入干线。这样就保持甚至提高了干线信号的质量。

根据DE 19604207获知了一种与干线上的交流电压同步的技术，这种技术使用了一个用软件实现的锁相环。然而，缺点是必须计算干线电压的傅里叶变换，这需要相当长的计算时间，因此要求处理装置提供相当大的处理能力。根据本发明的方法不需要包括高度复杂计算的傅里叶变换计算，而只需要执行数量有限的步骤，每个步骤都不复杂。使用锁相环的另一个缺点是该锁相环含有滤波器(诸如数字滤波器或模拟滤波器之类)，它要引入延迟，从而会降低与干线信号同步的同步速度。

优选的是，这种方法还包括下列步骤：k)将干线信号乘以基准信号，获得第三乘后信号；l)将延迟干线信号乘以延迟基准信号，获得第四乘后信号；m)通过确定第三与第四乘后信号之和来确定干线信号的一次谐波频率分量的振幅，而其中步骤j)进一步包括下列步骤：j1)根据干线信号的一次谐波频率分量的振幅来确定将要馈入干线的电能的量值。因此，可以利用有限的另一些简单的步骤就可以确定作为干线信号一次谐波频率分量的振幅的度量的信号(诸如模拟信号或数字采样信号)。由于步骤a、b、c和d已经提供了干线信号、基准信号、延迟干线信号和延迟基准信号，因此确定振幅只需要在时域内进行相乘和确定第三与第四乘后信号之和就可以了。由于这些步骤只包括简单的操作，因此可以方便、迅速地执行。此外，还可以利用所提供的这些相同信号确定相位差以及与基准信号同相地将能量馈入干线，因此不需要进行其他的测量。结果，可以根据提供了干线信号的一次谐波频率分量的振幅的指示的信号方便地确定将要馈入干线的电能的量值，诸如电流的量值。确定将要馈入干线的电能的量值可以用来提供功率控制，以控制将要馈入干线的电功率的量。此外或者可选择地，可以容易地提供安全的断开功能，使得在干线信号的一次谐波频率的振幅超过预定值的情况下可以禁止将电能馈入干线。同样也可以为干线信号提供振幅控制，例如在将能量将要馈入的干线或干线的一部分与干线发电机断开的情况下，从而自发地将能量馈入干线。将要馈入干线的电能的量是根据干线信号的一次谐波频率分量的振幅确定的，因此对于将要馈入干线的电能的量值的确定是精确的，这是因为这种确定并不取决于干线信号内的任何高次谐波或噪声分量。

优选的是，这种方法还包括其它步骤，在步骤j1)前：在基准信号的重复周期中对振幅进行平均。因此，利用很简单的、几乎没有引起任何延时的滤波器，就可以滤除在为干线信号一次谐波频率振幅提供度量的信号内的很小的剩余高次谐波。

优选的是，基准信号基本上为正弦信号，这进一步简化了根据本发明的方法的这些步骤的实现。

此外，延迟干线信号和延迟基准信号优选的是各延迟了基本上为基准信号重复时间的四分之一的周期。

优选的是，重复执行至少步骤a)至j)，从而反复调整基准信号的一次谐波频率，因此可以跟随在干线信号内，尤其是干线信号的一次谐波频率内的任何改变或波动。还可以重复步骤k)至m)和j1)，从而使将要馈入干线的电能的量适应干线信号的一次谐波频率分量的振幅的波动或改变。由于根据本发明的方法的这些步骤不需要或者只需要少许滤波(诸如平均)，因此可以迅速执行对干线信号的一次谐波频率的振幅或干线信号的一次谐波频率的波动的调整，这是因为没有或者只引入由于滤波或平均引起的极小的延迟。

将电能馈入交流干线的系统包括：为系统提供电能的能源、将电能变换成交流能量的变换器和将变换器同步为交流干线的重复频率的同步电路，其特征在于：所述同步电路包括用于执行下列功能的装置：

a)记录干线信号，从而获得所测干线信号，

c)根据所测干线信号得到延迟干线信号，

d)根据基准信号得到延迟基准信号，

e)将延迟干线信号乘以基准信号，获得第一乘后信号，

f)将干线信号乘以延迟基准信号，获得第二乘后信号，

h)根据该相位差调整基准信号的一次谐波频率，

i)将变换器同步为经调整的基准信号的一次谐波频率；以及

所述变换器包括与基准信号同相地将电能馈入干线的装置。

优选的是，同步电路包括数字信号处理器，可以预期，在将来的以任何方式将电能馈入交流电干线的系统内有这样的数字信号处理器。由于需执行的只是非常简单和有限的步骤，加到数字信号处理器上的负荷是很轻的，因此在系统内业已预见的数字信号处理器除了其他任务之外可以方便地执行这些步骤。

优选的是，能源包括至少一个太阳能电池，变换器包括将太阳能电池提供的直流电能与基准信号同相地变换成交流电能的换流器。

本领域技术人员可以看到，根据本发明的系统还可以包括用来执行根据本发明的方法的如上所述的其他那些步骤的装置。

根据所附的附图可以清楚地看到根据本发明的方法和系统的其他优点和特色，其中表示了根据本发明的方法和系统的非限制性实施例，在这些附图中：

图1示出了根据本发明的系统的高度示意结构图；

图2示出了根据本发明的方法的实施例的流程图；

图3a和3b分别示出了干线信号和延迟干线信号以及基准信号和延迟基准信号；

图4示出了根据本发明的第一、第二、第三和第四乘后信号；

图5a和5b示出了根据本发明的为相位差提供度量的未过滤和经平均的信号；以及

图6a和6b示出了根据本发明的为干线信号的振幅提供度量的未过滤和经平均的信号。

图1所示的系统包括太阳能电池10，它的输出端接到变换器(在这个例子中为换流器11)的输入端上。太阳能电池10将太阳能变换成电能，电能经太阳能电池10的输出端传输给换流器11。换流器11将电能变换成交流电能。换流器11的输出端接到系统的输出端12上，输出端12将该系统与示意性地示为13的干线相连接。换流器的输出端(因此也就是输出端12)还接到用来使换流器同步为交流电干线13的重复频率的同步电路14的输入端上。因此，同步电路14具有同步输出端15，其接到换流器11的适当输入端上。虽然太阳能电池10、换流器11、干线13和同步电路14之间的连接在图1中用单线示出，但本领域技术人员很清楚还有相应的回流线，例如接地连接或回流线。同步电路可以例如包括诸如数字信号处理器之类的处理单元，用来执行将在下面结合图2进行说明的处理步骤。

在图2中的步骤20，记录干线信号，这可以连续执行或者至少在预定记录时间期间执行。术语干线信号指的是与干线的电量有关的信号，优选的是干线电压，也就是干线提供的电压。由于干线在大多数情况下提供交流电压，因此干线信号优选为交流电压信号。在步骤21，产生基准信号，这个基准信号是正弦信号。基准信号的频率在干线信号的一次谐波频率附近的容差频带内。作为一个例子，如果干线信号的标称频率为50Hz，基准信号的频率就在50Hz附近的容差频带内，例如在48Hz到52Hz之间。在步骤22，根据所测干线信号得到延迟干线信号，这个干线信号在这个例子中延迟了基准信号的重复周期的四分之一时间，例如如果基准信号的频率为50Hz，延迟就为5ms。图3a示出了干线信号30和延迟干线信号31。在步骤23，根据基准信号得到延迟基准信号，延迟时间有利的是基准信号的重复周期的四分之一，因此在基准信号为50Hz的情况下也是5ms。图3b示出了基准信号32和延迟基准信号33。

在步骤24a，在时域内将延迟干线信号乘以基准信号，获得第一乘后信号，而在步骤24b，在时域内将干线信号乘以延迟基准信号，获得第二乘后信号。第一和第二乘后信号在图4中分别示为40和41。此外，在步骤24c将干线信号乘以基准信号，而在步骤24d，将延迟干线信号乘以延迟基准信号，从而分别得到第三和第四乘后信号。第三和第四乘后信号在图4中分别示为42和43。步骤24a、24b、24c和24d可以按所说明的次序执行，但这些步骤也可以并行执行或者按任何次序执行。此外，步骤22和23也可以并行执行或者按任何次序执行。

在步骤25，确定第一与第二乘后信号之差，例如通过将第一与第二乘后信号相减，得到为干线信号与基准信号的一次谐波频率之间的相位差提供度量的差值。这个提供相位差的度量的信号在图5a中示为50。如图所示，表示相位差的信号50包括波纹，它包括干线信号的高次谐波和/或基准信号的高次谐波，虽然比较小，但还可以通过平均来滤掉它们，从而得到平均相位信号51，如图5b所示。利用等于基准信号的周期(即在这个例子中近似为20ms)的平均时间来完成平均。本领域技术人员可以看到，相位信号只是在计算开始后5ms才可得到，这是因为只有在5ms后才可得到延迟干线信号和延迟基准信号(延迟时间为5ms)。此外，平均相位信号再要晚20ms才可得到，这是因为在这个例子中是在20ms的周期上完成平均。由于相位信号50内只存在较少量的高频分量，因此只需要略微的滤波，例如在一个周期上进行平均，从而可以获得具有小延迟的平均相位信号51。在步骤24c和24d分别获得的第三和第四乘后信号在步骤26相加，这就得到了表示干线信号的一次谐波频率分量的振幅的信号，如图6a中60所示。由于在步骤22和23的延迟操作在这个例子中包括5ms的延迟，计算只能在5ms(即，延迟时间)后开始，因此表示干线信号的一次谐波频率分量的振幅的信号60要在5ms后才可得到。如图6a所示，表示一次谐波频率的振幅的信号包括波纹，它包括干线信号的一次谐波频率的高次谐波和基准信号的高次谐波，如果需要的话，可以很方便地滤掉它们，优选的是通过在基准信号的周期(在这个例子中近似为20ms)上进行的平均操作来实现。与以上观察的类似，如以上参照平均相位信号51所述，由于平均的影响，振幅信号61也只是在一定周期后才可得到，然而由于所需的滤波或平均只是适度的，所以这个延迟时间很短。

由于第一和第二乘后信号40、41各包括一些基本上相等的误差分量，第一与第二乘后信号40、41之差基本上不含误差分量，这导致在相位信号50上只存在少量的高次谐波等，从而避免了扩展的滤波。类似的是，第三和第四乘后信号42、43分别具有基本上相同但符号相反的误差分量。因此，在确定第三与第四乘后信号之差时这些误差分量基本上互相抵消，从而可以得到基本上不含误差分量(例如高次谐波)的振幅信号60。因此，对于振幅信号60也只需要适度的滤波，以进一步降低这些误差分量。

在步骤27，根据平均相位差51调整基准信号的频率(如虚线27a所示)，通过这样调整基准信号的频率使得相位差减为零或减为预定相位差值。这样的预定相位差值可以用来补偿相位差，即在系统通过长的连接(具有感抗的连接)接到干线上的情况下引起的相位差。在这种情况下，可以补偿由于与干线的长连接的感抗引起的相位误差。通过使干线信号与基准信号的一次谐波频率分量之间的相位差回到零或预定值，现在可以根据基准信号得到同步信号，由同步电路14用来通过同步输出端15同步换流器11。因此，换流器可以通过输出端12与干线信号的一次谐波频率基本同步地向干线13提供交流电能。有利的是，同步电路14配有能量控制输出端16，该输出端接到换流器11的相应输入端上，用来控制换流器11向干线13提供的能量的量。能量控制输出端上加有与经滤波的振幅信号61相应的信号。随着计算出干线信号的一次谐波频率的振幅，就可以控制将要馈入干线的能量的量。例如在干线电压低时可以增大馈入干线13的能量的量，而在干线电压过高时可以减小馈入干线13的能量的量。因此，可以避免不安全的情况，保证接到干线上的电器及其他设备可靠地进行工作。

优选的是，重复根据本发明的方法的这些步骤。很清楚，这些步骤可以连续重复、周期性重复或者以一种流水线的方式重复，从而实现将基准频率周期性或连续地调整到干线信号的一次谐波频率，以及连续或周期性地调整馈入干线的能量的量。

下面说明根据本发明的方法和系统所应用的数学原理。假设干线信号表示为

A₁cos(ωt+)+A₃cos(3ωt+₃)+A₅cos(5ωt+₅)+... (1)

其中A_i和φ_i为i次谐波分量的振幅和相位，ω为以每秒弧度表示的干线频率，而基准信号表示为

A_refcosω_vcot， (2)

其中A_ref为基准振幅，ω_vco为以每秒弧度计的基准频率。

延迟干线信号表示为

而延迟基准信号为

A_refsinω_vcot. (4)

假设，在两个情况下，延迟时间为T/4秒，其中ωT＝2π，使ω_vco等于ω。将式(1)与(4)相乘，得

而将式(2)与(3)相乘，得

现在可得到(6)与(5)之差，为

A₁A_refsin+A₃A_refsin(2ωt+₃)+A₅A_refsin(4ωt+₅)+... (7)

用适当的滤波，可以除去这个信号内的2次和更高次谐波。因此，获得了为基准信号与干线信号的一次谐波频率分量之间的相位差提供度量的表达式。

根据本发明，可以按照与以上类似的方式，通过将式(1)与(3)相乘，再将式(2)与(4)相乘后将相乘的结果相加，如果需要的话再用适当的滤波去除基准信号的高次谐波和/或干线信号的一次谐波频率，来确定为干线信号的一次谐波频率分量的振幅提供度量的表达式。

因此，本发明提供了一种将电能馈入干线的方法和系统，其中由于使得将能量馈入干线与干线信号的一次谐波频率同步因此可以获得高效率，从而基本上只有这个频率上的能量馈入干线。此外，还可以方便地添加用于控制将要馈入干线的能量的量的能量控制和/或用于补偿诸如在长的线路内产生或对干线产生的感抗之类的感应的相位补偿。由于根据本发明的这种方法只需要简易地执行一些步骤，因此可以方便地在例如诸如数字信号处理器或者任何其他处理或计算单元之类的信号处理器内实现。或者，也可以是在包括例如延迟电路、乘法电路之类的适当的硬件内执行这些操作。

Claims

1.一种用于将电能馈入交流电干线的方法，所述方法包括下列步骤：

a)记录干线信号，以便获得所测干线信号；

b)产生具有在干线信号的一次谐波频率附近的容差频带内的一次谐波频率的基准信号；

c)根据所测干线信号得到延迟干线信号；

d)根据基准信号得到延迟基准信号；

e)将延迟干线信号乘以基准信号，获得第一乘后信号；

f)将干线信号乘以延迟基准信号，获得第二乘后信号；

g)通过确定第一与第二乘后信号之差来确定干线信号的一次谐波频率与基准信号的一次谐波频率之间的相位差；

h)根据该相位差调整基准信号的一次谐波频率；

i)使将能量变换成交流电电能的变换器同步为基准信号的经调整的一次谐波频率；以及

j)将交流电能与基准信号同相地馈入干线。

2.按照权利要求1所述的方法，所述方法还包括下列步骤：

k)将干线信号乘以基准信号，以便获得第三乘后信号；

l)将延迟干线信号乘以延迟基准信号，以便得到第四乘后信号；

m)通过确定第三与第四乘后信号之和来确定干线信号的一次谐波频率分量的振幅，

而其中步骤j)进一步包括下列步骤：

j1)根据干线信号的一次谐波频率分量的振幅确定将要馈入干线的电能的量值。

3.按照以上权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其特征在于延迟干线信号和延迟基准信号各延迟了基本上为基准信号重复时间的四分之一的周期。

4.按照以上权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其特征在于所述方法包括其它步骤，在步骤h)前：

在基准信号的重复周期中对相位差进行平均。

5.按照权利要求2-4中的任意一项权利要求所述的方法，其特征是所述方法包括其它步骤，在步骤j1)前：

在基准信号的重复周期中对振幅进行平均。

6.按照以上权利要求中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于所述基准信号基本上是正弦信号。

7.按照以上权利要求中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于至少重复步骤a)至j)。

8.一种将电能馈入交流电干线的系统，所述系统包括：

为系统提供电能的能源，

将电能变换成交流电能量的变换器，以及

将变换器同步为交流干线的重复频率的同步电路，

所述系统的特征在于：

所述同步电路包括用于执行以下功能的装置：

a)记录干线信号，从而获得所测干线信号，

c)根据所测干线信号得到延迟干线信号，

d)根据基准信号得到延迟基准信号，

e)将延迟干线信号乘以基准信号，以便得到第一乘后信号，

f)将干线信号乘以延迟基准信号，以便得到第二乘后信号，

g)通过确定第一与第二乘后信号之差，确定干线信号的一次谐波频率与基准信号的一次谐波频率之间的相位差，

h)根据相位差调整基准信号的一次谐波频率，

i)将变换器同步为基准信号的经调整的一次谐波频率；以及

所述变换器包括与基准信号同相地将电能馈入干线的装置。

9.按照权利要求8所述的系统，其特征是所述同步电路包括数字信号处理器。

10.按照权利要求8或9所述的系统，其特征是所述能源包括至少一个太阳能电池，而所述变换器包括换流器。