TWI666844B - 識別電網共振的識別方法以及併網單元 - Google Patents

Abstract

本發明相關於用於在較短的延遲時間內識別電網共振的識別方法。該識別方法用於識別併網單元所連接之電網的共振，該方法包括，量測共同耦合點的電氣量、計算該電氣量之波形的包絡線、及基於該包絡線偵測該共振的發生。

Description

識別電網共振的識別方法以及併網單元

本發明相關於用於識別電網共振的識別方法，特別相關於針對穩定併網單元中的操作偵測共振的發生及其頻率。

電網上之共用耦合點的共振必需在，例如，由電力系統規範所指定的限制內。此共振在其係50Hz或60Hz之基頻頻率電壓及電流的頂部上發生為不同的頻率波形。電網上的該共振係由由於電網網路組態的改變、併網元件，諸如，連接至電網之生產動力單元的負載、電容器、電抗組、及發電機，的切換所致之電網阻抗的變化所導致。

在併網單元中使用用於抑制不被期望之共振的減振控制係可能的。然而，隨著將更大規模的可再生能源安裝在電網，電網阻抗變得更多變及更不可預期。此不確定性使併網單元中之減振控制的原始控制參數(使用在控制器中的係數)變得不合適，故共振問題依然發生。

因為電網共振是個問題，需要針對於電網上的阻抗改變識別電網共振的發生及估算用於併網單元的減振控制之控制參數的方法。

在電網共振的識別方法中實現改善會係有利的。在由專利文獻1(WO2014/202077A1)揭示之先前技術的方法中，電網共振的識別係藉由傅立葉轉換(FT)完成，且用於併網單元之減振控制的控制參數係在FT的計算之後估算及更新。

引用列表 專利文獻

專利文獻1：WO2014/202077A1

然而，需要較長的時間估算及更新控制參數。在此延遲時間期間，未受抑制的共振能變高，使得併網單元必需從電網分斷。

因此，本發明的目的係提供在較短的延遲時間內識別電網共振的識別方法及併網單元。

為解決上文提及的問題，用於識別併網單元所連接之電網的共振的識別方法，該方法包括，量測共同耦合點的電氣量、計算該電氣量之波形的包絡線、及基於該包絡線 偵測該共振的發生。

再者，為解決上文提及的問題，連接至電網的併網單元包含具有切換裝置之電力轉換器；量測共用耦合點之電氣量的偵測單元；在該電氣量的基礎上以該切換裝置的導通及截止控制該電力轉換器的控制器；其中該控制器基於該電氣量的包絡線偵測該共振的發生，然後該控制器對該電力轉換器實施減振控制使得減振該共振。

根據本發明的識別方法及併網單元基於包絡線偵測共振而導致電網共振在較短的延遲時間內識別。

本發明的其他目的、特性、及優點將從以下描述及隨附圖式呈現。

100‧‧‧併網單元

101‧‧‧電網阻抗

102‧‧‧電網

201‧‧‧共用耦合點(PCC)

210‧‧‧電力轉換器

211‧‧‧絕緣閘雙極場效電晶體(IGBT)

212‧‧‧直流電容器

213‧‧‧隔絕變壓器

214‧‧‧比流器(CT)

215‧‧‧比壓器(VT)

216‧‧‧控制器

217‧‧‧脈寬調變(PWM)調變器

311‧‧‧θ偵測

312-314‧‧‧轉變

321‧‧‧ACR控制器

322‧‧‧解耦合補償

323‧‧‧低通濾波器

331‧‧‧減振控制

341‧‧‧電網共振的識別方法

401‧‧‧包絡線偵測及共振識別

402‧‧‧控制參數估算

403‧‧‧更新控制參數

411‧‧‧量測電流i_c

412、511‧‧‧波形

413‧‧‧共振

414‧‧‧共振頻率

415‧‧‧更新的共振頻率

416‧‧‧估算的控制增益量

417‧‧‧更新的控制增益量

512‧‧‧指定的時間區間

i_{c_dq}‧‧‧量測電流

i^* _{c_dq}‧‧‧電流基準

i^* _{cdp_dq}‧‧‧減振基準

K_dp‧‧‧估算的控制參數

v_s‧‧‧量測電壓

v_{s_dq}‧‧‧電壓

圖1顯示連接至電網的併網單元。

圖2顯示併網單元的實作。

圖3描繪控制器的功能方塊圖。

圖4顯示電網共振之識別方法的組態。

圖5顯示電網共振之識別方法的對應波形。

圖6顯示各種指定的時間區間。

圖1顯示經由電網阻抗[101]連接至電網[102]的併網 單元[100]。此併網單元[100]主要由DC至AC轉換器(變流器)組成，且其係用於像是靜態同步補償器(STATCOM)、用於光伏(PV)及風電場(WF)的電力調整系統(PCS)的應用，及其他併網應用的核心組件。因為輸/配電網路，電網阻抗[101]典型地表現為在基頻頻率的電感。然而，在輸/配電網路中，像是網路組態的因子及網路中的其他併網元件也影響此電網阻抗[101]的特性。

圖2顯示併網單元[100]的實作，其包括電力轉換器[210]，其係由半導體電力切換裝置，諸如，絕緣閘雙極場效電晶體(IGBT)[211]、直流電容器[212]、隔絕變壓器[213]、比流器(CT)[214]、比壓器(VT)[215]、控制器[216]、及脈寬調變(PWM)調變器[217]組成。在下文中將此併網單元連接的該點稱為共用耦合點(PCC)[201]。CT[214]偵測電力轉換器210之AC側上的電流(相位電流)i_c。VT[215]偵測PCC[201]的電壓v_s。

在圖2中，併網單元[100]藉由使用IGBT[211]之導通及截止狀態的不同組合操作電力轉換器[210]而完成DC至AC電力轉換，因此從直流電容器[212]的電壓產生具有數kHz之典型截波頻率的截波波形。因為藉由隔絕變壓器[213]的效應將在截波頻率的頻率成分濾掉，在PCC[201]的該側能得到正弦波形。此等導通及截止狀態係使用由控制器[216]產生的信號由PWM調變器[217]決定。

圖3描繪依據對應於注入至PCC[201]中的期望電流 量之電流基準i^* _{c_dq}控制併網單元[100]之控制器[216]原理的功能方塊圖。電流基準i^* _{c_dq}係輸出自其他控制器。電流i_c及電壓v_s分別藉由CT[214]及VT[215]量測，且此等資訊係以自動電流調整器(ACR)[321]處理以實現電流調整。另外，由圖3中之方塊顯示的功能係藉由處理單元，諸如，實施電腦程式的微電腦，所產生。

ACR[321]使用比例及積分(PI)控制器實施電流調整，其在DC成分提供零穩態誤差。然而，諸如3相位系統中的電壓及電流之參數隨基頻頻率(亦即，電網的頻率)而時變。為得到更佳的電流調整，將3相位系統中的參數轉變為2相位系統中的參數，其中將該等值呈現在隨電網之頻率旋轉的基準框中。因此，θ偵測[311]針對轉變[312-314]偵測旋轉基準框的相位角，並將量測的電壓v_s及電流i_c轉變為旋轉參考框中的值v_{s_dq}及i_{c_dq}。

另外，在實施例中，將使用d-q軸的「向量控制」施用至控制器[216]。因此，在圖3中，藉由具有下標「dq」之符號表示的各電流(i^* _{c_dq}、i_{c_dq}、i^* _{cdp_dq})及電壓(v_{s_dq})具有d軸成分及q軸成分。

在用於d軸成分及q軸成分之間的解耦合控制之旋轉基準框的2相位系統中，將電流基準i^* _{c_dq}及量測電流i_{c_dq}之間的差供應至ACR控制器[321]，且解耦合補償[322]計算耦合效應的值，其係由3相位至2相位轉變所導致。另外，藉由低通濾波器[323]處理量測電壓v_{s_dq}以避免影響電流調整的效能之此前饋電壓的電壓扭曲。將 ACR[321]、解耦合補償[322]、及低通濾波器[323]的輸出相加以在2相位系統中產生電壓基準。此2相位電壓基準(d軸、q軸)係使用2相位至3相位轉變[314]實施以為圖2中之PWM調變器[217]導出3相位電壓基準。

在圖1中，電網阻抗[101]受許多因子影響，如電網網路組態及併網元件，諸如，負載、電容器、電抗組、及發電機。此等影響能在PCC[201]導致共振問題。一旦此共振發生，不同頻率波形出現在基頻頻率電壓及電流上。因此，併網單元的電壓及電流扭曲。

PCC[201]的共振應抑制在由，例如，「電力系統規範」所指定的限制內。典型地，使用用於抑制不被期望之共振的減振控制係可能的。在圖3中，減振控制[331]使用其係由具有顯示於[數學式1]中的轉移函數之濾波器處理的量測電壓v_{s_dq}，以導出減振基準i^* _{cdp_dq}。此處，K_dp及係減振控制[331]的控制參數。K_dp及係由稍後提及之電網共振的識別方法[341]給定。值得注意減振控制331能以其他方式實作。

然而，隨著將更大規模的可再生能源安裝在電網，電網阻抗[101]變得更多變及更不可預期。此不確定性使減振控制[331]中的原始控制參數變得不合適，且共振問題可依然發生。在此情況中，若減振控制[331]未迅速地回應共振，則未受抑制的共振能變高，使得併網單元100必需從電網[102]斷開。

針對此目的，實作電網共振的識別方法[341]，以提供共振的快速識別，且其迅速地將估算的控制參數及K_dp更新至減振控制[331]。因此，併網單元[100]能對抗由電網阻抗[101]中的不確定性導致的共振而使PCC[201]的電壓及電流穩定。

圖4顯示電網共振之識別方法[341]的組態。包絡線偵測及共振識別[401]的方塊藉由分析量測電流i_c[411]的包絡線，並在分析結果(圖5中的波形[412]、[511])的基礎上，指示共振的發生，控制參數估算[402]估算包括共振頻率[414]及控制增益量[416]的控制參數。更新控制參數[403]的方塊負責將控制參數([415]、K_dp[417])更新至減振控制[331]。

圖5顯示電網共振之識別方法[341]的對應波形。量測電流i_c[411]在其在共振發生前係50Hz或60Hz的基頻頻率操作。一旦共振發生，不同頻率波形發生在基頻頻率電流的頂部上。亦即，具有高於基頻頻率之共振頻率的波形疊加至基頻頻率電流波形。方塊[401](圖4)從量測電流i_c[411]去除基頻成分並得到波形[412]，然後此方塊[401]也基於波形[412]產生包絡線波形[511]，且該方法在所指定的時間區間[512]期間監視此包絡線[511]的變化。因此，當包絡線波形[511]的變化在所指定的時間區間[512]期間繼續增加時，方塊[401]偵測共振，然後改變共振[413]的識別狀態(參考圖4)。

包絡線[511]係使用以下之已為人所熟知的措施計 算。將量測電流i_c[411]平方，然後計算平方i_c的平方根。使用LPF(低通濾波器)消除該平方根的高頻(共振頻率)成分。

在分析結果的基礎上，控制參數估算[402]的方塊(圖4)藉由使用波形[412]及[511]估算共振頻率[414]及控制增益量K_dp[416]。例如，共振頻率係在波形[412]之頻率的基礎上估算，且控制增益量係在波形[412]或[511]之幅度的基礎上估算。

共振頻率係使用如下的措施估算。偵測圖5中之波形[412]中的零交越點。然後，計算任二個相鄰零交越點之間的時間區間。一個時間區間對應於振盪波形[412]的半個週期。因此，共振頻率係使用所計算的時間區間估算。

當共振受識別時，藉由估算的共振頻率[414]及估算的控制增益量[416]將更新的共振頻率[415]及更新的控制增益量[417]更新以取代原始的控制參數。在控制參數更新後，共振由使用迅速更新的控制參數[415]及[417]的減振控制[331](圖3)抑制。

圖5中的時間區間[512]係藉由常數指定，而該時間區間能針對共振發生的精準偵測根據量測電流i_c[411]的對應值指定。圖6顯示各種指定的時間區間[512]。例如，能施用量測電流i_c[411]的尖峰值以指定時間區間[512]。當尖峰值甚高時(圖6中的上波形)，所指定的時間區間[512]減少，因此共振的識別時間較短。另一方面，若尖峰值甚低(圖6中的下波形)，則所指定的時間區間 [512]增加，且然後共振的識別時間較長。

使用上文提及的實施例，電網共振在較短的延遲時間內識別。另外，共振的發生使用較短的時間偵測，且控制參數使用較短的時間更新。因此，併網單元迅速回應電網阻抗的改變，並避免由共振導致的併網單元分斷。

在本發明已於該等圖式及描述中詳細地描繪及描述的同時，應將此種描繪及描述視為係說明及例示性的而非限制性的；本發明並未受限於所揭示的實施例。從對該等圖式，本揭示、以及隨附之申請專利範圍的研究，已揭示實施例的其他變化能在實踐本發明時為熟悉本發明之人士理解。

例如，以MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)及GTO(閘極關閉閘流體)取代IGBT施用至圖2中的電力轉換器[210]。另外，共振頻率及控制增益量能在其他量測電氣量，例如，取代量測電流i_c的量測電壓v_s，的基礎上估算。

Claims (13)

1. 一種用於識別其中併網單元所連接之電網的共振的識別方法，該方法包括，量測共同耦合點的電氣量，計算該電氣量之波形的包絡線，基於該包絡線偵測該共振的發生。
2. 如申請專利範圍第1項的識別方法，其中該電氣量係在該共用耦合點的電流。
3. 如申請專利範圍第1項的識別方法，其中該併網單元具有包含切換裝置的電力轉換器。
4. 如申請專利範圍第1項的識別方法，更包括：在疊加至該電氣量的基本成分之波形的基礎上估算用於該併網單元之減振控制的參數。
5. 如申請專利範圍第4項的識別方法，其中設定在該併網單元中用於減振控制的該參數係在該估算之參數的基礎上更新。
6. 如申請專利範圍第4項的識別方法，其中該參數係共振頻率及控制增益量。
7. 如申請專利範圍第1項的識別方法，其中該電氣量係在時間區間期間量測。
8. 如申請專利範圍第7項的識別方法，其中該時間區間係藉由常數或根據該量測電氣量的值指定。
9. 一種連接至電網的併網單元，包含：具有切換裝置之電力轉換器；偵測單元，其量測共用耦合點的電氣量；控制器，其在該電氣量的基礎上以該切換裝置的導通及截止控制該電力轉換器；其中該控制器基於該電氣量的包絡線偵測該共振的發生，然後對該電力轉換器實施減振控制使得減振該共振。
10. 如申請專利範圍第9項的併網單元，其中將包括用於該減振控制之參數的資訊設定在該控制器中。
11. 如申請專利範圍第10項的併網單元，其中該控制器在疊加至該電氣量的基本成分之波形的基礎上估算該參數，及其中該控制器在該參數的基礎上更新該資訊。
12. 如申請專利範圍第9項的併網單元，其中該電氣量係在時間區間期間量測。
13. 如申請專利範圍第12項的併網單元，其中該時間區間係藉由常數或根據該量測電氣量的值指定。