无功功率控制系统及其控制方法 【技术领域】
本发明有关一种无功功率控制系统及其控制方法。背景技术 一般而言, 传统的发电装置以煤作为能量源。鉴于对环境安全以及可持续再生等 因素考虑, 诸如太阳能面板和风力涡轮机等发电装置逐渐引起人们的注意。当从该等发电 装置输出的电能被并入电网进行输送时, 为了满足特定的电网需求以及维持电网稳定, 通 常需要对所输出的电能进行无功功率控制。
传统的无功功率控制基于这样的假设 : 对于三相交流电, 电网基本上在三相上保 持对称。在这样的假设下, 无功功率的控制通过直接调节在正序输出的电能而不考虑负序 的电能。然而, 在不平衡电网中, 传统的无功功率控制方法不再有效, 因为负序的分量会在 输出的电能中产生二阶的扰动。 因此, 在不考虑负序分量的无功功率控制时, 这样的无功功 率控制方法显得不够精确。
此外, 当前有许多国家都要求发电装置在电网发生故障时仍能保持与电网的连 接, 或者说具备低电压穿越的能力。 然而, 在电网发生故障时进行准确的无功功率控制显得 更加具有挑战性。
因此, 有必要提供一种无功功率控制系统及其控制方法来解决上面提及的技术问 题。
发明内容 本发明的一个方面在于提供一种无功功率控制系统。 该无功功率控制系统包括电 能转换装置和控制器。 电能转换装置用于将经由发电装置输出的第一种形式的电能转换成 适合电网输送的第二种形式的电能。 控制器用于检测在电能转换装置和电网之间传输的电 能; 从检测的电能分离出正序分量和负序分量 ; 对正序分量执行正序的无功功率控制 ; 对 负序分量执行负序的无功功率控制 ; 以及基于正序和负序的无功功率控制传送控制信号给 电能转换装置, 以使得电能转换装置调节在电能转换装置和电网之间传输的电能的无功功 率。
本发明的另一个方面在于提供一种无功功率控制方法, 用于对在发电装置和电网 之间传输的电能执行无功功率控制。该无功功率控制方法包括如下步骤 : 检测在该发电装 置和电网之间传输的电能 ; 从检测到的电能分离出正序分量和负序分量 ; 对正序分量执行 正序的无功功率控制 ; 对负序分量执行负序的无功功率控制 ; 以及基于正序的无功功率控 制和负序的无功功率控制调节在该发电装置和电网之间传输的电能的无功功率。
本发明的再一个方面在于提供一种无功功率控制系统, 该无功功率控制系统包括 电能转换器和控制器。电能转换器包括发电机侧变换器和电网侧变换器, 该发电机侧变换 器与发电装置电性连接以用于将该发电机产生的交流电变换成直流电。 该电网侧变换器与 电网相连接以用于将该直流电转换成交流电。控制器可控制性地连接该电网侧变换器, 控
制器用于检测在该电网侧变换器和电网之间传输的交流电。 控制器还用于从检测到的交流 电中分离出第一序列分量和第二序列分量, 对该第一序列分量执行第一无功功率控制以产 生第一指令信号以及对该第二序列分量执行第二无功功率控制以产生第二指令信号。 控制 器还用于响应该第一指令信号和该第二指令信号传送控制信号给该电网侧变换器, 以使得 该电网侧变换器调节在该电网侧变换器和该电网之间传输的交流电的无功功率。
本发明的无功功率控制系统和无功功率控制方法, 通过检测传输到电网的电能, 并从检测到的电能中分离不同的序列分量, 以及对不同的序列分量分别执行对应的无功功 率控制, 从而使得系统的无功功率控制变得更加精确。 附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述, 可以更好地理解本发明, 在附图 图 1 所示为本发明无功功率控制系统的一种实施方式的模块图。 图 2 所示为本发明无功功率控制系统中控制器的一种实施方式的模块图。 图 3 所示为图 2 所示的控制器中部分电路的一种实施方式的模块图。 图 4 所示为图 3 所示的电流分离电路中正序电流分离电路的一种实施方式的模块 图 5 所示为图 3 所示的电流分离电路中负序电流分离电路的一种实施方式的模块 图 6 所示为图 3 所示的功率计算电路中第一功率计算电路的一种实施方式的模块 图 7 所示为图 3 所示的功率计算电路中第二功率计算电路的一种实施方式的模块 图 8 所示为图 2 所示的正序功率调节器中第一正序调节模组的一种实施方式的模 图 9 所示为图 2 所示的正序功率调节器中第二正序调节模组的一种实施方式的模 图 10 所示为图 2 所示的负序功率调节器中第一负序调节模组的一种实施方式的中:
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块图。
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模块图。 图 11 所示为图 2 所示的负序功率调节器中第二负序调节模组的一种实施方式的 模块图。
图 12 所示为图 2 所示的控制器中电流调节器的一种实施方式的模块图。
图 13 所示为图 3 所示的电流分离电路的另一种实施方式的模块图。
图 14 所示为图 2 所示的正序功率调节器中第一正序调节模组的另一种实施方式 的模块图。
图 15 所示为图 2 所示的正序功率调节器中第二正序调节模组的另一种实施方式 的模块图。
图 16 所示为图 2 所示的负序功率调节器中第二负序调节模组的另一种实施方式 的模块图。
具体实施方式
本发明的若干个实施方式有关无功功率控制系统及无功功率控制方法。一方面, 该无功功率控制系统和无功功率控制方法从系统输出的电能中分离出正序的分量和负序 的分量。进一步, 该无功功率控制系统和无功功率控制方法对正序的分量和负序的分量分 别执行对应的无功功率控制, 以更精确地控制系统的无功功率, 从而达成稳定电网和减轻 电网的不平衡的目的。由于正序的无功功率和负序的无功功率被独立地控制, 在此特地引 入一个科学术语 “矢量无功功率控制” 或者 “矢量无功功率调节” 。可以理解, 引入该等科学 术语的目的是为了方便理解和记忆, 不应当理解为将本发明的保护范围仅仅限制在无功功 率控制。例如, 在一种实施方式中, “矢量无功功率控制” 或者 “矢量无功功率调节” 也可以 进一步包括有功功率控制或者有功功率调节。
除非另作定义, 此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有 一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的 “第 一” “第二” 以及类似的词语并不表示任何顺序、 数量或者重要性, 而只是用来区分不同的组 成部分。同样, “一个” 或者 “一” 等类似词语也不表示数量限制, 而是表示存在至少一个。 除非另行指出, “前部” “后部” “下部” 和/或 “上部” 等类似词语只是为了便于说明, 而并 非限于一个位置或者一种空间定向。 “包括” 或者 “包含” 等类似的词语意指出现在 “包括” 或者 “包含” 前面的元件或者物件涵盖出现在 “包括” 或者 “包含” 后面列举的元件或者物件 及其等同, 并不排除其他元件或者物件。 “连接” 或者 “相连” 等类似的词语并非限定于物理 的或者机械的连接, 而是可以包括电性的连接, 不管是直接的还是间接的。 图 1 是本发明一种实施方式的无功功率控制系统 100 的模块图。在图 1 所示的实 施方式中, 无功功率控制系统 100 包括发电装置 10, 电能转换装置 20, 电网 30 以及控制器 40。关于无功功率控制系统 100 每一个模块的详细内容将进一步在下文描述。
在图 1 所示的实施方式中, 发电装置 10 用于从可获得的能源中产生第一种形式的 电能 102。 在一种实施方式中, 发电装置 10 包括发电机, 例如, 风力涡轮机或者水力涡轮机。 风力涡轮机用于将机械形式的风能转换成机械形式的转动能, 并将该机械形式的转动能转 变成三相交流电。水力发电机用于将机械形式的潮汐能转换成三相交流电。可以理解, 这 里所谓的三相交流电只是用来例举第一种形式的电能 102。 在其他实施方式中, 第一种形式 的电能 102 还可以包括多相交流电或者直流电。在一种实施方式中, 发电装置 10 也可以包 括由若干太阳能电池单元封装在成的太阳能面板。 太阳能面板用于基于光电效应将太阳能 转换成直流电。
在图 1 所示的实施方式中, 电能转换装置 20 与发电装置 10 电性连接, 以从发电装 置 10 接收第一种形式的电能 102。 电能转换装置 20 用于将第一种形式的电能 102 转换成第 二种形式的电能 262。 在一种实施方式中, 当发电装置 10 包括风力涡轮机时, 电能转换装置 20 被设置成包括发电机侧变换器 22, 电网侧变换器 26 以及电性连接在发电机侧变换器 22 和电网侧变换器 26 之间的直流链路 24。发电机侧变换器 22 以整流器的方式运作, 用于将 三相交流电 102 转换成直流电 222。直流电 222 被传送到直流链路 24。直流链路 24 可以包 括一个或者多个以串联或者并联方式相连接的电容器。直流链路 24 用于减轻在交流整流 时直流链路 24 的电压波动。直流电 222 此后被传送给电网侧变换器 26。电网侧变换器 26
以逆变器的方式运作, 用于在控制器 40 的作用下将直流电 222 再转换成三相交流电 262。 三 相交流电 262 接下来被并入电网 30 进行传输。 在一种实施方式中, 发电机侧变换器 22 和电 网侧变换器 26 具有三相二电平的拓扑结构, 其包括若干个全部采用脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation, PWM) 方式进行控制的半导体开关。在其他实施方式中, 发电机侧变换 器 22 和电网侧变换器 26 也可以具有三相三电平的拓扑结构。这些半导体开关可以采用 任何合适的开关元件, 例如, 绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBTs), 门极换向晶闸管 (GateCommutated Thyristors, GCTs), 金属 - 氧化层 - 半导体 - 场 效晶体管, (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFETs)。在另一 种实施方式中, 当发电装置 10 通过太阳能面板提供直流电时, 电能转换装置 20 中的发电机 侧变换器 22 也可以省去, 或者发电机侧变换器 22 被设置成一个直流 - 直流变换器。
在图 1 所示的实施方式中, 无功功率控制系统 100 进一步包括电压检测器 32, 电 流检测器 34 以及直流电压检测器 50。电压检测器 32 和电流检测器 34 均电性连接在电网 侧变换器 26 和电网 30 之间的结合部。电压检测器 32 用于检测传送到电网 30 的三相交流 电 262 中的系统输出电压 322, 并响应该系统输出电压 322 提供反馈系统电压 324 给控制器 40。在一种实施方式中, 系统输出电压 322 可以包括传输线上的三相线电压。在另一种实 施方式中, 系统输出电压 322 也可以包括在两条传输线上传输的线间电压。电流检测器 34 用于检测传送到电网 30 的三相交流电 262 中的系统输出电流 342, 并响应该系统输出电流 342 提供反馈系统电流 344 给控制器 40。在一种实施方式中, 系统输出电流 342 包括传输 线上流过的三相电流。 直流电压检测器 50 用于检测作用在直流链路 24 的直流电压 222, 并 响应该直流电压 222 提供反馈直流电压 502 给控制器 40。
控制器 40 基于反馈系统电压 324, 系统电流 344 和直流电压 502, 并响应各种系统 指令来为电网侧变换器 26 提供控制信号 408。 这里提及的各种系统指令可以包括正序的无 功功率指令 402, 负序的无功功率指令 404, 以及直流电压指令 406。 虽然可能不是本发明描 述的重点, 控制器 40 本身或者另外设置的控制器可以用来给发电机侧变换器 22 提供控制 信号。关于控制器 40 的详细内容将在下文进一步描述。
图 2 所示为图 1 所示的控制器 40 的一种实施方式的模块图。在图 2 所示的实施 方式中, 控制器 40 包括电压分离电路 42, 电流分离电路 44, 功率计算电路 46, 正序功率调节 器 48, 负序功率调节器 52, 电流调节器 54 以及脉冲宽度调制器 56。
如图 2 所示, 电压分离电路 42 与电压检测器 32 电性连接以从电压检测器 32 接收 反馈系统电压 324。 电压分离电路 42 用于从反馈系统电压 324 中分离出反馈正序电压分量 422 和负序电压分量 424。在一种实施方式中, 电压分离电路 42 可以包括一个如图 3 所示 的交叉耦合锁相环电路 58。在同步旋转的两相 d-q 参考坐标系中, 从交叉耦合锁相环电路 58 分离的反馈正序电压分量 422 包括 d 轴正序电压 582 和 q 轴正序电压 584( 参见图 3)。 相类似地, 从交叉耦合锁相环电路 58 分离的反馈负序电压分量 424 包括 d 轴负序电压 586 和 q 轴负序电压 588( 参见图 3)。在一种实施方式中, 交叉耦合锁相环电路 58 还用于从反 馈系统电压 324 中提取出正序相位角 426 和负序的相位角 428。关于交叉耦合锁相环电路 58 的具体实施方式, 在一种实施方式中, 可以参考受让给与本案相同的申请人, 由温海青等 人申请的美国专利, 其专利号为 US 7,456,695, 该专利的全部内容在这里被引入以作参考。
在图 2 所示的实施方式中, 电流分离电路 44 与电流检测器 34 电性连接以用于接收从电流检测器 34 输出的反馈系统电流 344。电流分离电路 44 用于根据电压分离电路 42 提取的正序相位角 426 和负序相位角 428 从反馈系统电流 344 中分离出反馈正序电流分量 442 和反馈负序电流分量 444。在图 3 所示的实施方式中, 在 d-q 参考坐标系下, 从电流分 离电路 44 分离出的反馈正序电流分量 442 包括的 d 轴正序电流 662 和 q 轴正序电流 624。 相类似地, 从电流分离电路 44 分离出的反馈负序电流分量 444 包括的 d 轴负序电流 626 和 q 轴负序电流 628。关于电流分离电路 44 的详细内容将在下文描述。
在图 2 所示的实施方式中, 功率计算电路 46 与电压分离电路 42 和电流分离电路 44 电性连接, 以用于接收分离的正负序电压分量和正负序电流分量并基于该等正负序电压 电流分量计算有功和 / 或无功功率。在一种实施方式中, 功率计算电路 46 接收反馈正序电 压 422, 反馈负序电压 424, 反馈正序电流 442 以及反馈负序电流 444, 以用于计算反馈正序 无功功率 462 和反馈负序无功功率 464。在获得反馈正序无功功率 462 和反馈负序无功功 率 464 后, 控制器 40 即可根据给定的正序无功功率指令 402 和负序无功功率指令 404 执行 无功功率控制。 在另一种实施方式中, 进一步参考图 3, 功率计算电路 46 也可以进一步被设 置成计算反馈正序有功功率 466 和负序有功功率 468 以助于执行正序的无功功率控制。关 于计算上述正负序无功功率的细节内容将在下文详细描述。
在图 2 所示的实施方式中, 正序功率调节器 48 与功率计算电路 46 电性连接。正 序功率调节器 48 用于从功率计算电路 46 接收反馈正序无功功率 462 并根据给定的正序无 功功率指令 402 执行正序无功功率控制。正序功率调节器 48 还用于接收从直流电压检测 器 50 传送的反馈直流电压 502 并根据给定的直流电压指令 406 执行正序有功功率控制。 正 序功率调节器 48 通过执行正序有功功率和无功功率控制输出正序电流指令 482。 关于正序 功率调节器 48 执行正序无功功率控制的详细内容将在下文描述。
在图 2 所示的实施方式中, 负序功率调节器 52 用于接收反馈负序电压 424 以执行 负序的无功功率控制。负序调节器 52 还可以接收从功率计算电路 46 传送的反馈负序无功 功率 464 并根据给定的负序无功功率指令 404 执行负序的无功功率控制。负序调节器 52 通过执行负序的无功功率控制输出负序电流指令 522。 关于负序功率调节器 52 执行负序无 功功率控制的详细内容将在下文描述。
在图 2 所示的实施方式中, 电流调整器 54 与正序功率调节器 48 和负序功率调节 器 52 电性连接, 以用于接收正序电流指令 482 和负序电流指令 522。电流调整器 54 还可以 连接电流分离电路 44, 以用于接收反馈正序电流 442 和反馈负序电流 444。在一种实施方 式中, 电流调整器 54 根据正序电流指令 482 和负序电流指令 522 对反馈正序电流 442, 反馈 负序电流 44 进行处理, 得到电压指令信号 540。电压指令信号 540 被传送给脉冲宽度调制 器 56, 经脉冲宽度调制器 56 处理后得到控制信号 408。控制信号 408 可以包括具有 ON 和 OFF 状态的脉冲信号, 控制信号 408 被作用到电网侧变换器 26( 参考图 1) 以驱动电网侧变 换器 26 产生期望的输出电流。
图 4 所示为图 3 所示的电流分离电路 44 中正序电流分离电路 441 的一种实施方 式的模块图。正序电流分离电路 441 用于从反馈系统电流 344 从分离出正序电流分量。在 一种实施方式中, 正序电流分离电路 441 包括正序坐标变换元件 45, 第一正序低通滤波器 (Low Pass Filter, LPF)47 及第二正序低通滤波器 49。正序坐标变换元件 45 与电流检测 器 34( 参考图 1) 连接以接收从电流感测器 34 传送的反馈系统电流 344。正序坐标旋转元件 45 将反馈系统电流 344 从三相旋转到二相, 具体而言, 正序坐标旋转元件 45 根据正序相 位角 426 输出 d 轴正序电流 621 和 q 轴正序电流 623。在一种实施方式中, 正序坐标旋转元 件 45 可以依照如下所示的矩阵公式 (1) 将三相的反馈系统电流 344 转换成在 d-q 坐标系 下的二相正序电流分量 :
其中, Idp_fbk0, Iqp_fbk0 分别是在 d-q 坐标系下的 d 轴正序电流 621 和 q 轴正序电流 623, θp 是正序相位角 426, Ia_fbk, Ib_fbk, Ic_fbk 分别是反馈系统电流 344 的三相分量。第一 正序低通滤波器 47 将 d 轴正序电流 621 中的高频成分滤除以输出 d 轴正序电流 622( 参考 图 3)。第二正序低通滤波器 49 将 q 轴正序电流 623 中的高频成分滤除以输出 q 轴正序电 流 624( 参考图 3)。
图 5 所示为图 3 所示的电流分离电路中负序电流分离电路 443 一种实施方式的模 块图。负序电流分离电路 443 用于从反馈系统电流 344 中分离出负序的电流分量。在一种 实施方式中, 负序电流分离电路 443 包括负序坐标变换元件 51, 第一负序低通滤波器 53 及 第二负序低通滤波器 55。负序坐标变换元件 51 与电流检测器 34( 参考图 1) 连接以接收 从电流感测器 34 传送的反馈系统电流 344。负序坐标旋转元件 51 将反馈系统电流 344 从 三相旋转到二相, 具体而言, 负序坐标旋转元件 51 根据负序相位角 428 输出 d 轴负序电流 625 和 q 轴负序电流 627。在一种实施方式中, 负序坐标旋转元件 51 可以依照如下所示的 矩阵公式 (2) 将三相的反馈系统电流 344 转换成在 d-q 坐标系下的二相负序电流分量 :
其中, Idn_fbk0, Iqn_fbk0 分别是在 d-q 坐标系下的 d 轴负序电流 625 和 q 轴负序电流 627, θn 是负序相位角 428, Ia_fbk, Ib_fbk, Ic_fbk 分别是反馈系统电流 344 的三相分量。
第一负序低通滤波器 53 将 d 轴负序电流 625 中的高频成分滤除以输出 d 轴负序 电流 626( 参考图 3)。第二负序低通滤波器 55 将 q 轴负序电流 627 中的高频成分滤除以输 出 q 轴负序电流 628( 参考图 3)。
图 6 所示为图 3 所示的功率计算电路 46 中第一功率计算模组 461 一种实施方式 的模块图。第一功率计算模组 461 用于根据反馈正序电压 582, 584 和反馈正序电流 622, 624 计算反馈正序无功功率 462 和反馈正序有功功率 466。在一种实施方式中, 第一功率计 算模组 461 包括第一乘法元件 11, 第二乘法元件 13, 第三乘法元件 15, 第四乘法元件 17, 第 一求和元件 19, 第二求和元件 21, 第一处理元件 23 以及第二处理元件 25。第一乘法元件 11 将 d 轴正序电压 582 和 d 轴正序电流 622 相乘, 以得到第一乘积信号 112。第二乘法元 件 13 将 q 轴正序电压 584 和 q 轴正序电流 624 相乘, 以得到第二乘积信号 132。第一求和
元件 19 将第一乘积信号 112 和第二乘积信号 132 相加, 以得到求和信号 192。该求和信号 192 被第一处理元件 23 处理后得到反馈正序有功功率 466。在一种实施方式中, 第一处理 元件 23 将求和信号 192 乘上一个特定的由公式决定的系数或者因子, 例如 1.5。第三乘法 元件 15 将 d 轴正序电压 582 与 q 轴正序电流 624 相乘, 以得到第三乘积信号 152。第四乘 法元件 17 将 q 轴正序电压 584 和 d 轴正序电流 622 相乘, 以得到第四乘积信号 172。第二 求和元件 21 将第三乘积信号 152 从第四乘积信号 172 中减去, 以得到差值信号 212。该差 值信号 212 被第二处理元件 25 处理后得到反馈正序无功功率 462。同样地, 在一种实施方 式中, 第二处理元件 25 将差值信号 212 乘上一个特定的由公式决定的系数或者因子, 例如 1.5。
图 7 所示为图 3 所示的功率计算电路 46 中第二功率计算模组 463 一种实施方式 的模块图。第二功率计算模组 463 用于根据反馈负序电压 586, 588 和反馈负序电流 626, 628 计算反馈负序无功功率 464 和反馈负序有功功率 468。在一种实施方式中, 第二功率计 算模组 461 包括第一乘法元件 27, 第二乘法元件 29, 第三乘法元件 31, 第四乘法元件 33, 第 一求和元件 35, 第二求和元件 37, 第一处理元件 39 以及第二处理元件 41。第一乘法元件 27 将 d 轴负序电压 586 和 d 轴负序电流 626 相乘, 以得到第一乘积信号 272。第二乘法元 件 29 将 q 轴负序电压 588 和 q 轴负序电流 628 相乘, 以得到第二乘积信号 292。第一求和 元件 39 将第一乘积信号 272 和第二乘积信号 292 相加, 以得到求和信号 352。该求和信号 352 被第一处理元件 39 处理后得到反馈负序有功功率 468。在一种实施方式中, 第一处理 元件 39 将求和信号 352 乘上一个特定的由公式决定的系数或者因子, 例如 1.5。第三乘法 元件 31 将 d 轴负序电压 626 与 q 轴负序电流 628 相乘, 以得到第三乘积信号 312。第四乘 法元件 33 将 q 轴负序电压 588 和 d 轴负序电流 628 相乘, 以得到第四乘积信号 332。第二 求和元件 37 将第三乘积信号 312 从第四乘积信号 332 中减去, 以得到差值信号 372。该差 值信号 372 被第二处理元件 41 处理后得到反馈负序无功功率 464。同样地, 在一种实施方 式中, 第二处理元件 41 将差值信号 372 乘上一个特定的由公式决定的系数或者因子, 例如 1.5。
图 8 所示为图 2 所示的正序功率调节器 48 中第一正序调节模组 120 的一种实施 方式的模块图。第一正序调节模组 120 用于根据给定的直流电压指令 406 调节从直流电压 检测器 50 输出的反馈直流电压 502, 并提供 d 轴正序电流指令 802。在一种实施方式中, 第 一正序调节模组 120 包括相互串联连接的第一求和元件 76, 直流电压调节器 78 以及电流 限制器 80。第一求和元件 76 将给定的直流电压指令 406 和反馈直流电压 502 作差, 以得 到差值电压指令 762。该差值电压指令 762 被直流电压调节器 78 转换成 d 轴正序电流指 令 782。电流限制器 80 对 d 轴正序电流指令 782 作幅值限制, 以产生不超过电网侧变换器 26( 参见图 1) 的工作范围的目标 d 轴正序电流指令 802。
图 9 所示为图 2 所示的正序功率调节器 48 中第二正序调节模组 140 的一种实施 方式的模块图。第二正序调节模组 140 用于根据给定的正序无功功率指令 402 调节从功率 计算电路 46 输出的反馈正序无功功率 462, 以提供 q 轴正序电流指令 742。在一种实施方 式中, 第二正序调节模组 140 包括相互串联连接的第一求和元件 66, 无功调节器 68, 第二去 和元件 70, 电压调节器 72 以及电流限制器 74。第一求和元件 66 将给定的正序无功功率指 令 402 与反馈正序无功功率 462 作差, 以得到差值正序无功功率指令 662。无功调节器 68对差值无功功率指令 662 进行无功功率调节, 并输出调节的电压指令 682。第二求和元件 70 将调节的电压指令 682 与反馈正序电压的幅值 110 作差, 以得到差值调节电压指令 702。 反馈正序电压的幅值 110 可以通过下列公式 (1) 求得 : (3), 其中, Vp_mag代表正序电压的幅值 110, Vdp 代表 d 轴正序电压 582, Vqp 代表 q 轴正序电压 584。电压调节 器 72 对差值调节电压指令 702 进行调节后提供 q 轴正序电流指令 722。电流限制器 74 对 q 轴正序电流指令 722 作幅值限制, 以产生不超过电网侧变换器 26( 参见图 1) 的工作范围 的目标 q 轴正序电流指令 742。
图 10 所示为图 2 所示的负序功率调节器 52 中第一负序调节模组 260 的一种实施 方式的模块图。第一负序调节模组 260 用于调节 q 轴负序电压 588, 以提供 d 轴负序电流指 令 105。在一种实施方式中, 第一负序调节模组 260 模拟负序的电感 - 电阻负载, 例如, 负 序的电感。第一负序调节模组 260 包括相互串联连接的乘法元件 98, 滤波器 102 以及限制 器 104。乘法元件 98 将 q 轴负序电压 588 与 q 轴负序增益信号 230 相乘, 以得到 d 轴负序 电流 982。滤波器 102 根据 q 轴信号 250 对 d 轴负序电流 982 进行滤波, 并提供滤波后的 d 轴负序电流指令 1022。在这里, 滤波器 102 输入的 q 轴信号 250 被特别地输入以用于指示 滤波器 102 的带宽。限制器 104 对滤除后的 d 轴负序电流指令 1022 进行幅值限制, 以提供 d 轴负序电流指令 105。 图 11 所示为图 2 所示的负序功率调节器 52 中第二负序调节模组 280 的一种实施 方式的模块图。第二负序调节模组 280 用于调节 d 轴负序电压 586, 以提供 q 轴负序电流指 令 113。 在一种实施方式中, 第二负序调节模组 280 也模拟负序的电感 - 电阻负载, 例如, 负 序的电感。 第二负序调节模组 280 包括相互串联连接的乘法元件 106, 滤波器 108 以及限制 器 112。乘法元件 106 将 d 轴负序电压 586 与 d 轴负序增益信号 270 相乘, 以得到 q 轴负序 电流 1062。滤波器 108 根据 d 轴信号 290 对 q 轴负序电流 1062 进行滤波, 并提供滤波后的 q 轴负序电流指令 1082。在这里, 滤波器 108 输入的 d 轴信号 290 也被特别地输入以用于 指示滤波器 108 的带宽。限制器 112 对滤除后的 q 轴负序电流指令 1082 进行幅值限制, 以 提供 q 轴负序电流指令 113。
图 12 所示为图 2 所示的控制器中电流调节器 54 的一种实施方式的模块图。电流 调节器 54 用于控制反馈的正负序电流与其对应的正序需电流指令之间的差值在稳态时为 零。在一种实施方式中, 电流调节器 54 包括正序电流调节器 128, 负序电流调节器 134, 第 一求和元件 132, 第二求和元件 138, 序列变换元件 136, 以及二相 / 三相变换器 142。
在图 12 所示的实施方式中, 正序电流调节器 128 接收 d 轴正序电流 622, q 轴正序 电流 624, d 轴正序电流指令 802, 以及 q 轴正序电流指令 742。正序电流调节器 128 根据 d 轴正序电流指令 802 和 q 轴正序电流指令 742 对 d 轴正序电流 622 和 q 轴正序电流 624 进 行调节, 以提供第一 d 轴正序电压指令 1282 和第一 q 轴正序电压指令 1284。
在图 12 所示的实施方式中, 负序电流调节器 134 接收 d 轴负序电流 626, q 轴负序 电流 628, d 轴负序电流指令 105, 以及 q 轴负序电流指令 113。负序电流调节器 134 根据 d 轴负序电流指令 105 和 q 轴负序电流指令 113 对 d 轴负序电流 626 和 q 轴负序电流 628 进 行调节, 并提供 d 轴负序电压指令 1342 和 q 轴负序电压指令 1344。序列变换元件 136 将 d 轴负序电压指令 1342 和 q 轴负序电压指令 1344 从负序旋转到正序, 并提供第二 d 轴正序 电压指令 1362 和第二 q 轴正序电压指令 1364。在一种实施方式中, 序列变换元件 136 可
以依照如下所示的矩阵公式 (4) 将 d-q 坐标系下的负序电压分量转换成对应的正序电压分 量:
其中, Vdp_cmd2 是第二 d 轴正序电压指令 1362, Vqp_cmd2 是第二 q 轴正序电压指令 1364, Δθ = θp-θn, θp 是正序相位角 426, θn 是负序相位角 428, Vdn_cmd 是 d 轴负序电压指令 1342, Vqn_cmd 是 q 轴负序电压指令 1344。
继续参阅图 12 所示的实施方式, 第一求和元件对第一 d 轴正序电压指令 1282 和 第二 d 轴正序电压指令 1362 执行加法运算以提供第三 d 轴正序电压指令 1322。第二求和 元件 138 对第一 q 轴正序电压指令 1284 和第二 q 轴正序电压指令 1364 执行加法运算以提 供第三 q 轴正序电压指令 1382。二相 / 三相变换器 142 根据正序相位角 426 将第三 d 轴正 序电压指令 1322 和第三 q 轴正序电压指令 1382 从二相转换成三相, 并提供三相电压指令 542, 544, 546。在一种实施方式中, 该二相 / 三相变换器 142 可以依照如下所示的矩阵公式 (5) 将二相电压指令转换成三相电压指令 :
其中, Ua_cmd, Ub_cmd, Uc_cmd 是电压指令 540 的三相电压指令 542, 544, 546, θp 是正序 相位角 426, Vdp_cmd3, Vqp_cmd3 分别是 d-q 坐标系下的第三 d 轴正序电压指令 1322 和第三 q 轴 正序电压指令 1382。三相电压指令 542, 544, 546 作用到脉冲宽度调制器 56 以产生控制信 号 408。电网侧变换器 26 根据该控制信号 408 输出期望的电流。
如上所述, 控制器 40 在运作时可以从传送到电网 30 的电能中分离出正序的电压 和电流分量以及负序的电压和电流分量。在所揭示的具体实施方式中, 一方面, 控制器 40 可以根据分离的正序电压和电流分量计算正序的无功功率, 以及根据分离的负序的电压和 电流分量计算负序的无功功率。由于正序的无功功率和负序的无功功率可以被独立的算 出, 因此控制器 40 进一步可以分别在正负序上进行独立的正序无功功率控制和负序的无 功功率控制。 由此, 正序的无功功率和负序的无功功率均可以进行调节, 从而传送到电网 30
的电能的无功功率可以进行更加精确的调节。
图 13 所示为图 3 所示的电流分离电路 44 的另一种实施方式的模块图。在一种实 施方式中, 电流分离电路 44 包括三相 / 二相变换器 63, 第一求和元件 65, 第二求和元件 67, 第一正序坐标变换元件 69, 第一正序低通滤波器 71, 第二正序低通滤波器 73, 第二正序坐 标变换元件 75, 第三求和元件 77, 第四求和元件 79, 第一负序坐标变换元件 81, 第一负序低 通滤波器 83, 第二负序低通滤波器 85, 以及第二负序坐标变换元件 87。三相 / 二相变换器 63 与电流检测器 34 相连接, 以接收从电流检测器 34 输出的反馈系统电流 344。电流分离 电路 44 被设置成交叉耦合的方式。具体而言, 第二正序坐标变换元件 75 的两个输出端被 分别连接到第三求和元件 77 和第四求和元件 79。另外, 第二负序坐标变换元件 87 的两个输出端杯分别连接到第一求和元件 65 和第二求和元件 67。
在一种实施方式中, 三相 / 二相变换器 63 将三相反馈系统电流 344 从三相转换成 二相, 也即, 提供 α 轴反馈电流 632 和 β 轴反馈电流 634。在一种实施方式中, 三相 / 二相 变换器 63 可以依照如下所示的矩阵公式 (6) 将三相反馈系统电流 344 转换成 α-β 坐标 系下的二相分量 :
其中, Iα_fbk, Iβ_fbk 分别是 α-β 坐标系下的 α 轴反馈电流 632 和 β 轴反馈电流 634, Ia_fbk, Ib_fbk, Ic_fbk 分别是反馈系统电流 344 的三相分量。
由于第二负序坐标变换元件 87 输出 α 轴负序反馈电流 872 和 β 轴负序反馈电 流 874, 第一求和元件 65 对 α 轴反馈电流 632 和 α 轴负序反馈电流 872 执行减法运算, 并 提供 α 轴正序反馈电流 652。第二求和元件 67 对 β 轴反馈电流 634 和 β 轴负序反馈电 流 874 执行减法运算, 并提供 β 轴正序反馈电流 672。第一正序坐标变换元件 69 根据正序 相位角 426 将 α-β 坐标系下的 α 轴正序反馈电流 652 和 β 轴正序反馈电流 672 旋转到 d-q 坐标系下对应的分量, 以输出 d 轴正序电流 622 和 q 轴正序电流 624。在一种实施方式 中, 第一正序坐标变换元件 69 可以依照如下所示的矩阵公式 (7) 将 α-β 坐标系下的二相 正序电流旋转到 d-q 坐标系下的二相正序电流 :
其中, Idp_fbk, Iqp_fbk 分别是 d-q 坐标系下的 d 轴正序电流 622 和 q 轴正序电流 624, θp 是正序相位角 426, Iαp_fbk0, Iβp_fbk0 分别是 α-β 坐标系下的 α 轴正序反馈电流 652 和 β 轴正序反馈电流 672。第一正序低通滤波器 71 和第二正序低通滤波器 73 分别将 d 轴正 序电流 622 和 q 轴正序电流 624 中的高频成分滤除, 以输出滤波的 d 轴正序电流 712 和滤 波的 q 轴正序电流 732。第二正序坐标变换元件 75 根据正序相位角 426 重新将 d-q 坐标系 下的 d 轴正序电流 712 和 q 轴正序电流 732 旋转到 α-β 坐标系下对应的分量, 以输出 α 轴正序反馈电流 752 和 β 轴正序反馈电流 754。在一种实施方式中, 第二正序坐标变换元 件 75 可以依照如下所示的矩阵公式 (8) 将 d-q 坐标系下的二相正序电流旋转到 α-β 坐 标系下的二相正序电流 :
其中, Iαp_fbk1, Iβp_fbk1 分别是 α-β 坐标系下的 α 轴正序反馈电流 752 和 β 轴正 序反馈电流 754, θp 是正序相位角 426, Iαp_fbk0, Iβp_fbk0 分别是 d-q 坐标系下的 d 轴正序电 流 712 和 q 轴正序电流 732。在一种实施方式中, d 轴正序电流 622 和 q 轴正序电流 624 被 传送到功率计算电路 46( 参阅图 3) 以计算正序下的瞬时有功功率和无功功率。可以理解, 在其他实施方式中, 也可以将滤波的 d 轴正序电流 712 和滤波的 q 轴正序电流 732 传送到 功率计算单元 46( 参阅图 3), 以计算正序下的瞬时有功功率和无功功率。
进一步参阅图 13 所示的实施方式, 由于第二正序坐标变换元件 75 输出 α 轴正序 反馈电流 752 和 β 轴正序反馈电流 754, 第三求和元件 77 对 α 轴反馈电流 632 和 α 轴正 序反馈电流 752 执行减法运算, 以输出 α 轴负序反馈电流 772。第四求和元件 79 对 β 轴 反馈电流 634 和 β 轴正序反馈电流 754 执行减法运算, 以输出 β 轴负序反馈电流 792。第 一负序坐标变换元件 81 根据负序相位角 428 将 α-β 坐标系下的 α 轴负序反馈电流 772 和 β 轴负序反馈电流 792 旋转到 d-q 坐标系下对应的分量, 以输出 d 轴负序电流 626 和 q 轴负序电流 628。在一种实施方式中, 第一负序坐标变换元件 81 可以依照如下所示的矩阵 公式 (9) 将 α-β 坐标系下的二相负序电流旋转到 d-q 坐标系下的二相负序电流 :
其中, Idn_fbk, Iqn_fbk 分别是 d-q 坐标系下的 d 轴负序电流 626 和 q 轴负序电流 628, θn 是负序相位角 428, Iαn_fbk0, Iβn_fbk0 分别是 α-β 坐标系下的 α 轴负序反馈电流 772 和 β 轴负序反馈电流 792。第一负序低通滤波器 83 和第二负序低通滤波器 85 分别将 d 轴负 序电流 626 和 q 轴负序电流 628 中的高频成分滤除, 以输出滤波的 d 轴负序电流 832 和滤 波的 q 轴负序电流 852。第二负序坐标变换元件 87 根据负序相位角 428 重新将 d-q 坐标系 下的 d 轴负序电流 832 和 q 轴负序电流 852 旋转到 α-β 坐标系下对应的分量, 以输出 α 轴负序反馈电流 872 和 β 轴负序反馈电流 874。在一种实施方式中, 第二负序坐标变换元 件 87 可以依照如下所示的矩阵公式 (10) 将 d-q 坐标系下的二相正序电流旋转到 α-β 坐 标系下的二相正序电流 :
其中, Iαn_fbk1, Iβn_fbk1 分别是 α-β 坐标系下的 α 轴负序反馈电流 872 和 β 轴负 序反馈电流 874, θn 是负序相位角 428, Idn_fbk, Iqn_fbk 分别是 d-q 坐标系下的 d 轴负序电流 832 和 q 轴负序电流 852。
在一种实施方式中, d 轴负序电流 626 和 q 轴负序电流 628 被传送到功率计算电路 46( 参阅图 3) 以计算负序下的瞬时有功功率和无功功率。 可以理解, 在其他实施方式中, 也 可以将滤波的 d 轴负序电流 832 和滤波的 q 轴负序电流 852 传送到功率计算单元 46( 参阅 图 3), 以计算负序下的瞬时有功功率和无功功率。
在其他实施方式中, 无功功率控制系统 100 中的控制器 40 还可以进一步设置成具 有电压穿越能力, 并且在发生电压穿越情形时同时提供 “矢量无功功率控制” 或者 “矢量无 功功率调节” 功能。可以理解, 此处所谓的 “电压穿越” 包括低电压穿越 (Low Voltage Ride Through, LVRT), 零电压穿越 (ZeroVoltage Ride Through, ZVRT) 以及高电压穿越 (High Voltage Ride Through, HVRT)。
图 14 所示为图 2 所示的正序功率调节器 48 中第一正序调节模组 220 的另一种实 施方式的模块图。第一正序调节模组 220 用于进一步在发生时电压穿越情形提供电流指 令。在一种实施方式中, 第一正序调节模组 220 包括第一求和元件 76, 直流电压调节器 78, 第二求和元件 96, 第一电流限制器 80, 乘法元件 88, 滤波器 92 以及第二电流限制器 94。
如图 14 的下方所示, 第一求和元件 76 将反馈直流电压 502 从直流电压指令 406 中减去, 以提供差值直流电压指令 762。直流电压调节器 78 对差值直流电压指令 762 进行
调节以提供异地 d 轴正序电力指令 782。如图 14 的上方所示, 乘法元件 88 将 q 轴正序电压 584 与 q 轴增益信号 190 相乘, 并提供 d 轴正序电流 882。滤波器 92 根据 q 轴信号 210 对 d 轴正序电流 882 进行滤波, 以提供滤波的 d 轴正序电流指令 922。应当理解, 这里输入的 q 轴信号 210 用于指示滤波器 92 的带宽。第二限制器 94 对滤波的 d 轴正序电流指令 922 进行幅值限制, 并提供第二 d 轴正序电流指令 942。第二求和元件 96 对第一 d 轴正序电流 指令 782 和第二 d 轴正序电流指令 942 执行加法运算, 以提供第三 d 轴正序电流指令 962。 第一电流限制器 80 对第三 d 轴正序电流指令 962 进行幅值限制, 并提供限幅 d 轴正序电流 指令 802。该限幅 d 轴正序电流指令 802 被传送到正序电流调节器 128。
图 15 所示为图 2 所示的正序功率调节器 48 中第二正序调节模组 240 的另一种实 施方式的模块图。第二正序调节模组 240 进一步用于在发生电压穿越情形时提供电流指 令。在一种实施方式中, 第二正序调节模组 240 包括第一求和元件 66, 无功调节器 68, 第二 求和元件 70, 电压调节器 72, 第三求和元件 77, 电压限制器 75, 增益元件 82, 滤波器 84, 第 一电流限制器 86, 第四求和元件 73 以及第二电流限制器 74。
在图 15 所示的上部支路中, 第一求和元件 66 将反馈正序无功功率 462 从正序无 功功率指令 402 中减去, 以提供差值正序无功功率指令 662。无功功率调节器 68 对差值正 序无功功率指令 662 进行调节, 并提供调节后的正序电压指令 682。在一种实施方式中, 无 功功率调节器 68 可以包括比例积分控制器。在其他实施方式中, 也可以使用其他类型的控 制器, 例如, 比例微分控制器和比例积分微分控制器。 第二求和元件 70 将正序电压幅值 110 从调节后的正序电压指令 682 中减去, 以提供差值正序电压指令 702。 正序电压幅值 110 可 以通过在描述图 9 所示的实施方式时用到的公式 (3) 进行计算。电压调节器 72 进一步对 差值正序电压指令 702 进行调节, 以提供第一 q 轴正序电流指令 722。在一种实施方式中, 电压调节器 72 可以包括比例积分控制器。在其他实施方式中, 也可以使用其他类型的控制 器, 例如, 比例微分控制器和比例积分微分控制器。
在图 15 所示的下部支路中, 电压限制器 75 对 d 轴正序电压 582 进行幅值限制, 并提供限幅 d 轴正序电压 752。第三求和元件 77 将限幅 d 轴正序电压 752 从 d 轴正序电 压 582 中减去, 以得到差值 d 轴正序电压 772。增益元件 82 将差值 d 轴正序电压 772 与 d 轴增益信号 150 相乘, 以得到 q 轴正序电流 822。滤波器 84 根据 d 轴信号 170 对 q 轴正序 电流 822 进行滤波, 以提供滤波的 q 轴正序电流指令 842。应当理解, 这里输入的 d 轴信号 170 用来指示滤波器 84 的带宽。第一电流限制器 86 对滤波的 q 轴正序电流指令 842 进行 幅值限制, 以提供第二 q 轴正序电流指令 862。第四求和元件 73 对第一 q 轴正序电流指令 722 和第二 q 轴正序电流指令 862 执行加法运算, 并提供第三 q 轴正序电流指令 732。第二 电流限制器 74 对第三 q 轴正序电流指令 732 进行幅值限制, 并提供限幅 q 轴正序电流指令 742。限幅 q 轴正序电流指令 742 被传送到正序电流调节器 128。
图 16 所示为图 2 所示的负序功率调节器 52 中第二负序调节模组 340 的另一种实 施方式的模块图。 第二负序调节模组 340 用于对 d 轴负序电压 586 进行调节, 并进一步根据 负序无功功率指令 404 对反馈负序无功功率 464 进行调节, 以提供 q 轴负序电流指令 1262。 在一种实施方式中, 第二负序调节模组 340 包括乘法元件 106, 滤波器 108, 第一限制器 112, 第一加法元件 114, 无功调节器 116, 第二求和元件 118, 电压调节器 122, 第三求和元件 124 以及第二电流限制器 126。在图 16 所示的上部支路中, 乘法元件 106 将 d 轴负序电压 584 与 d 轴增益信号 270 相乘, 并提供相乘的 d 轴负序电压 1062。滤波器 108 根据 d 轴信号 290 对相乘的 d 轴 负序电压 1062 进行处理, 以提供第一 q 轴负序电流指令 1082。第一限制器 112 对 q 轴负序 电流指令 1082 进行幅值限制, 并提供限幅的第一 q 轴负序电流指令 1122。
在图 16 所示的下部支路中, 第一求和元件 114 将反馈负序无功功率 464 从负序无 功功率指令 404 中减去, 并提供差值负序无功功率指令 1142。无功调节器 116 对差值负序 无功功率指令 1142 进行调节, 并提供调节的负序电压指令 1162。 第二求和元件 118 将负序 电压幅值 350 从调节后的负序电压指令 1162 中减去, 以提供差值负序电压指令 1182。 负序 电压幅值 350 可以通过下列公式 (2) 进行计算, (11), 其中, Vn_mag 代表负Vqn 代表 q 轴负序电压 588。电压调节器 122 序电压的幅值 350, Vdn 代表 d 轴负序电压 586, 进一步对差值正序电压指令 1182 进行调节, 以提供第二 q 轴负序电流指令 1222。 第三求和 元件 124 对第一 q 轴负序电流指令 1122 和第二 q 后负序电流指令 1222 执行加法运算, 以 提供第三 q 轴负序电流指令 1242。第二电流限制器 126 对第三 q 轴负序电流指令 1242 进 行幅值限制, 以提供限幅 q 轴负序电流指令 1262。该限幅 q 轴负序电流指令 1262 被传送到 负序电流调节器 134 中进行电流调节。
可以理解, 控制器 40 可以通过多种方式来实现。例如, 控制器 40 可以通过硬件连 线的方式来实现或者通过在通用计算上运行计算机程序的方式来实现, 这里的通用计算机 可以通过输入输出接口与电压检测器 32, 电流检测器 34 以及直流电压检测器 50 相连接。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明, 但本领域的技术人员可以理解, 对本发明可以作出许多修改和变型。 因此, 要认识到, 权利要求书的意图在于涵盖在本发明 真正构思和范围内的所有这些修改和变型。