用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法及系統的製作方法

2023-05-09 15:43:16 1

用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法及系統，該事件會導致所述電路中的逆變器失控，所述系統包括：在所述事件發生前對運行參數進行採樣的採樣裝置；監測所述事件發生的監測裝置；基於監測參數的推斷，在所述事件發生後計算所述參數估算值的參數估算裝置；以及利用所述參數的估算值控制所述逆變器的控制裝置。
【專利說明】用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法及系統。本發明特別應用於(但不限於)逆變器以及對可再生能源系統發生的瞬時產生的不穩定電流恢復控制的方法和系統。
【背景技術】
[0002]逆變器是一種電能變換器。例如，逆變器可作為系統的一部分，用於控制直流電源和交流電源系統之間的電能流動。逆變器一般包括一組功率切換裝置，如絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)以及它們相應的反平行二極體。逆變器由基於微處理器的控制單元控制，該控制單元執行逆變器的控制算法。例如，從光伏(PV)面板提供的電能通過逆變器反饋到諸如電網網絡的交流電源系統中，逆變器將光伏面板的直流輸出變換為電網所用的交流電源。在某些特定應用中，對向電機供電的額外逆變器的直流連接端進行連接以構造允許雙向功率流動的驅動。
[0003]在逆變器的相位輸出和交流電源系統之間設置電感器以限制由於逆變器的切換操作所產生的諧波電流。為了將諧波電壓失真限制在可接受的程度，通常在與交流電網的連接點處也設有附加的切換頻率濾波器。
[0004]交流電源系統內會因各種不同原因產生瞬態電壓變化，比如故障、或突然給系統連接額外的設備。電感器用來限制在交流電源系統和逆變器之間產生的瞬態電流。通常會提供一個過流保護系統，如果通過逆變器的電流超出可能損壞逆變器的特定值時，該系統能夠禁止逆變器內切換裝置的運行。交流電源系統中足夠大的電壓瞬變可產生足以觸發該過流保護系統運行的瞬態電流。然而，由於逆變器需要一定的時間和供電電源再次保持同步，然後重啟動，因此禁用逆變器被認為是最後的手段。通過增加逆變器控制系統的控制帶寬來限制瞬態電流以便在各種電壓瞬變的情況下不激發過流跳閘的方法是不現實的，因此為確保逆變器在交流電源電壓瞬變時能夠工作，傳統的方法是增加交流電源和逆變器之間的電感。通過這種方法能夠限制交流電源和逆變器之間的瞬態電流，甚至在最壞情況下，電壓瞬變所產生的瞬態電流也可以被抑制，這樣，就不會觸發過流保護系統，除非是在最嚴重的情況下，比如逆變器系統內部的故障。然而，該方法所要求的阻抗比逆變器正常運行所要求的阻抗要大。大電感既龐大又昂貴，應儘可能避免。

【發明內容】

[0005]為了解決以上問題，本發明提供了一種用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法，該事件會導致所述電路中的逆變器失控，該方法包括:在所述事件發生前，對運行參數進行採樣；監測所述事件的發生；基於監測參數的推斷，在所述事件發生後計算所述參數的估算值；以及利用所述參數的估算值控制所述逆變器。
[0006]上述被監測的事件是電路中電流的瞬變現象。
[0007]在上述事件發生前，在多個採樣周期內對所述參數進行採樣和存儲。[0008]上述參數的估算值是基於一個或多個採樣周期的參數。
[0009]上述採樣參數與電路的交流供電電壓的相位角有關。
[0010]上述參數的估算值從對控制逆變器三相交流電流的參考坐標系相角的估算獲得。
[0011]上述第一個採樣周期的參數用於產生估算值作為交流電壓相角，第二個採樣周期的參數與第一個採樣周期的參數一起用於獲得使逆變器與供電電壓保持同步控制的交流電壓頻率的估算值。
[0012]上述電路包括一個附加逆變器，其向連接至所述逆變器另一側的電機供電。
[0013]本發明還公開了一種用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的系統，該事件會導致所述電路中的逆變器失控，所述系統包括:在所述事件發生前對運行參數進行採樣的採樣裝置；監測所述事件發生的監測裝置；基於監測參數的推斷，在所述事件發生後計算所述參數估算值的參數估算裝置；以及利用所述參數的估算值控制所述逆變器的控制裝置。
[0014]上述採樣裝置對所述事件發生前的多個採樣周期內的參數採樣並存儲。
[0015]上述參數估算裝置基於一個或多個採樣周期內的參數估算參數值。
[0016]上述採樣參數與電路的交流供電電壓的相位角有關.[0017]上述參數的估算值從對控制逆變器三相交流電流的參考坐標系相角的估算獲得。
[0018]上述參數估算裝置使用第一個採樣周期的參數產生估算值作為交流電壓相角，使用第二個採樣周期的參數與第一個採樣周期的參數一起獲得使逆變器與供電電壓保持同步控制的交流電壓頻率的估算值。
[0019]上述電路包括一個附加逆變器`，其向連接至所述逆變器另一側的電機供電。
[0020]上述被監測的事件可能是電路中電流的瞬變現象，該瞬變現象足以觸發過流保護系統運行。本發明的發明人認為只要故障(比如停機)造成的負面後果是可以彌補的，短暫禁用逆變器未必是壞事。一些監管機構允許逆變器在正常工作時停機，但停機時間應限制在很短的時間內，比如20ms。因此，過去首選的方法是使用大電感來避免禁用逆變器。
[0021]在事件發生前的多個採樣周期內可對參數採樣並存儲。
[0022]參數的估算值可以是基於一個或多個採樣周期內的參數。
[0023]特別地，採樣參數與電路的交流供電電壓的相位角有關。此時，上述參數的估算值從對控制逆變器三相交流電流的參考坐標系相角的估算獲得。例如，第一個採樣周期的參數用於產生估算值作為交流電壓相角，第二個採樣周期的參數與第一個採樣周期的參數一起用於獲得使逆變器與供電電壓保持同步控制的交流電壓頻率的估算值。
[0024]特別地，該電路包括連接至所述逆變器一側的直流電源，可選地，所述直流電源為可再生能源，如光伏陣列。進一步地，該電路可包括一個連接至電機的附加逆變器，以構成允許附加逆變器和交流電源之間雙向功率流動的驅動。
[0025]為使逆變器控制的恢復過程中產生的瞬態影響減少到最小，與所述參數估算值相一致的逆變器的電壓需求設置為非零值，該非零值小於事件發生前的電壓，比如，事件發生前的電壓值的一半，從而限制在恢復過程中電壓不匹配造成的影響。
[0026]本發明公開的實施方式允許採用電感器確保逆變電源系統中逆變器的正常運行，通過監測故障發生前的供電環境使系統從故障環境中更快地恢復正常運行，並使用該信息預測逆變器在故障後重新啟動時的運行環境。這將節省重新啟動過程的時間。因此，當交流供電瞬態事件發生時，在控制系統的操作功能中短暫關閉逆變器能被適應。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]本發明的【具體實施方式】將通過實例並參考以下附圖進一步描述:
[0028]圖1為本發明提供的逆變器；
[0029]圖2為本發明提供的逆變器系統；
[0030]圖3顯示了逆變器系統基於參考坐標系的電流控制器；
[0031]圖4顯示了參考坐標系推導的時間線；以及
[0032]圖5為本發明公開的【具體實施方式】的部分工作流程圖。
【具體實施方式】[0033]圖1是逆變器內IGBT切換設備和反平行二極體的一種典型布置。圖2是用於連接直流電源的逆變器10的一種典型布置，如光伏陣列12連接到諸如市電電網等的交流電網上。逆變器10的三相交流側通過分別設於每相的電感器14和開關頻率濾波器16連接到交流電源。
[0034]圖3顯示了用於控制電流並為如圖2所示的電氣系統提供過流保護的系統。該系統一般通過數字電路實現，該數字電路包括嵌有執行適宜控制策略程序的微處理器。本實施方式的實施是以數字電路的功能框圖以及微處理器提供的控制軟體來描述的。特別地，控制策略基於PI (比例積分)控制器，也可使用其它控制算法。本發明所公開的方法和系統也可在其它硬體控制系統中實施。
[0035]該控制系統包括逆變器10，逆變器10通過電感器14和濾波器16提供三相輸出。該控制系統基於PI功能17/18，將正交直流電壓信號分量Vx和Vy提供給直角坐標一極坐標轉換器20，輸出電壓幅值為V及電壓相角為θν。規範化的電壓信號作為空間矢量調製器(SVM) 22的一個輸入，空間矢量調製器(SVM) 22執行一種控制逆變器產生三相交流輸出的算法。空間矢量調製器(SVM) 22的另一個輸入是調製相角信號θπ。該控制系統也包括鎖相環(PLL) 24，鎖相環24定義了參考坐標系相角，並在穩態狀態下，通過在所需電壓矢量和參考坐標系之間施加90ο的相移把電壓相角信號θν連結到控制器參考坐標系的y軸上。參考坐標系相角Qkef和電壓相角信號θ v相加以產生調製相角信號θ m。為確保電流控制器針對逆變器端子上不同等級的直流電壓有一致的環路增益，電壓幅值V和直流電壓在規範器26中被規範化從而為空間矢量調製器(SVM) 22提供調製深度m。空間矢量調製器(SVM) 22的輸出是一組控制逆變器10的三相中每相切換設備的控制信號。鎖相環24的功能對於本領域技術人員是公知的。有關電壓源脈衝寬度調製變換器中鎖相環的功能的完整描述，請參見題目為「使用非直流電壓採樣的PWM整流器」的IEE會議論文的部分B —電氣應用，作者為P.Barrass和M.Cade, 1999年9月，第5版，第146卷。此處所描述的鎖相環的功能的完整描述都為引用。
[0036]逆變器交流側的三相交流電流指示信號『、^和iw由電流變送器28-32產生並反饋到三相或兩相變換器34中以產生兩相電流信號iD和iQ，該兩相電流信號依次被變壓器35轉換成由參考坐標系相角0KEF定義的參考坐標系中的電流分量i;jPiy。在比較器36和38中將匕和iy的電流反饋信號與其相應的電流需求信號ix *和iy *進行比較，產生的差值信號被輸入到PI功能17/18中。因此，該系統被設計為產生電流分量ix和iy以跟隨電流込*和iy *的參考值。
[0037]PI功能17/18包括比例元件和積分元件。積分元件更適合於電流的穩態控制，而比例元件提供瞬態控制。另外，交流電源系統和逆變器10之間的電感器的瞬態電流抑制效果通過PI功能的比例元件增補。比例元件增益越大，交流電源系統中由於電壓瞬變產生的電流瞬變越小。逆變器10設有過流保護禁用系統40，該保護系統的運行不依賴於控制系統處理器。過流保護禁用系統40包括閾值檢測器42 — 46，閾值檢測器42-46分別監測來自變送器28-32的電流信號;^、;^和iw。當一相或多相電流達到一個閾值，該閾值為一個幅值(正或負)，低於該幅值則會損壞逆變器，一個或多個檢測器發送信號到控制邏輯48，控制邏輯48立刻禁用逆變器的切換設備使其處於非導通狀態。
[0038]如果要避免由於上述做法而禁用逆變器的情況，則交流電源和逆變器之間的電感器組合和PI功能的比例增益必須滿足以下條件:任何電壓瞬變都不能使電流達到控制邏輯48中設置的閾值。在一個已知的系統中有兩種原因會達成妥協:首先，比例元件設有最大增益限值，超出該限值時當前控制系統會不穩定。最大增益通常被切換頻率濾波器14限制到一個水平。其次，對於給定水平的比例增益，可通過在交流電源系統和逆變器之間使用大電感來限值瞬態電流。然而，正如上面解釋的，若不把電感量增加到超過所要求的能夠限制由於逆變器切換動作產生的諧波電流的數值，則不能夠達到限制瞬態電流的效果。將電感量增加到所需要的值在商業上不可接受。
[0039]我們發現關閉逆變器可能是管理逆變器從瞬態事件或其它潛在的可能損壞控制系統的事件中恢復的可接受解決方案的一部分，並且在一些應用中，短周期禁用逆變器是可接受的，只要逆變器在該周期內可再次工作。在可再生能源應用中就有這樣的例子，如已經提到的光伏應用。通常情 況下，在交流電源系統內產生引起交流電壓跌落到低水平數值的故障的20ms內，逆變器必須能夠再次輸出可控的有功電流和無功電流。根據本發明公開的實施例，設置了逆變器過流保護系統，從而當發生大的電壓瞬變時禁用逆變器，甚至在故障後交流電源系統電壓值接近零時，系統可以在要求的時間內立即恢復從而能夠繼續輸出有功電流和無功電流。
[0040]我們期望控制系統能夠確保交流電源和逆變器之間的有功電流和無功電流在所需的基本水平。為此，交流電源系統電壓的瞬時相位被用來提供參考坐標系相角eKEF。電壓相角θν數值在鎖相環24中和90°相比較以便在正常運行中該相角將為90°。因此，供電電壓和參考坐標系的I軸對齊。鎖相環24包括PI功能50,以提供所需的參考坐標系頻率Fkef的輸出，該輸出由積分器52積分以產生參考坐標系相角Θ KEF。若供電電壓值為O或接近0，或逆變器由於過電流事件被禁用，則不能獲得交流電源系統電壓的相位。然而，在電壓瞬變發生前可獲得交流電源系統電壓的瞬時相位和穩態頻率，該信息可用來推算故障後的交流電源系統電壓相角的估算值，從而當由於電壓數值過低不能用於獲得參考坐標系相角Θ EEF時，能夠向交流電源系統輸入正確的有功功率和無功功率。
[0041]下面將描述如圖3所示電路的一種工作原理。
[0042]在瞬態事件發生前一除了控制系統功能，通過採樣和存儲功能54在電壓瞬變事件發生後以低於控制系統的採樣率(即每秒一次)對參考坐標系相角Θ KEF進行採樣和存儲，從而推算控制系統的參考坐標系相角。圖4顯示了在電壓瞬變事件發生前、發生過程中以及發生後的採樣系統。可以看到樣本N的採樣信息由於電壓瞬變而被破壞。
[0043]瞬態事件在時刻t發生之後，若過電流系統48由於監測到其中一相有瞬態電流而被觸發，則逆變器10被禁用。短時間內流過電感器的電流會被逆變器中的反平行二極體衰減。在此期間逆變器無淨功率流輸出，並且不能通過監測電壓相角θν得到參考坐標系相
角 9 REF。
[0044]由於控制系統在時刻t發生電壓瞬變，樣本N後的參考坐標系相角0REF不可獲得，因此，有必要得到參考坐標系相角eKEF的數值。事件在時刻t發生後，基於瞬態電壓之前的信息來設置用來提供參考坐標系相角Θ ref的積分器52,積分器52裝載Θ eef(N-2) + ([ θ εερ(Ν-2)-Θ EEF(N-l)]x(2T+TN+t)/T)，其中 t 是瞬態電壓事件發生的時刻。假設交流電源系統的頻率不明顯變化，那麼當前的參考坐標系相角仍然和交流電源系統電壓的相角保持同步，可使用現有的未破壞信息來估算當前的參考坐標系相角。由於數據是在電壓瞬變發生前的至少一個採樣周期(T)內獲得的，故該數據不受瞬態電壓本身的影響。從這一點開始，給積分器輸入推導值，該推導值將基於參考坐標系相角在Θκερ(Ν-2)和Θ EEF(N-1)之間的變化使估算的參考坐標系相角繼續跟隨交流電源系統電壓的相角，從而避免任何數據受電壓瞬變的影響。
[0045]得到0REF的估算數值後，當電感器的電流由於被禁用而衰減時，將重新啟用逆變器，在本實施方式中，電流參考值ix*和iy*被設置為O。在此刻，交流電源系統的電壓是未知的。任何施加任意值電壓的嘗試可能會造成更高的、幅值不可接受的電壓瞬變。為使當逆變器重新啟用時由於逆變器電壓和交流電源系統電壓之間不匹配而造成的瞬態電流最小化，PI功能17/18中的積分器被預設置為正常運行時的數值水平的一半。該數值可通過監測電源系統的先前活動獲得的先前數據而得出。由於參考坐標系的y分量通常和交流電源系統電壓產生的電壓矢量一致，y軸PI功能18的積分器被設置為供電電壓的一半，而X軸PI功能17的積分器被設置為O。若這種運行機製得以成功，則短時間後，逆變器將會工作並按照基於PI功能的控制功能和交流電源系統匹配，這樣在逆變器和交流電源系統之間的電流是最小的基本電流。圖5所示的流程圖演示了這種流程。
[0046]在變送器28-32中檢測到恢復的電流，並把檢測到的電流信號輸入到系統處理器中。現在可按照交流電源系統和逆變器之間所需要的有功電流和無功電流匕和iy來調節電流參考值。若交流電源系統電壓低，則有效功率將受到限制，否則會需要過多的電流來傳送大量的功率。
[0047]最後，系統恢復到正常的參考坐標系測量運行。一旦逆變器再次開始工作，又可通過監測電流PI功能17/18的輸出端的電壓相角θν來獲得交流電源系統電壓的相角。若交流電源系統電壓平衡(即三相電壓基本相等)且高於上述定義的能夠提供可靠相位信息的閾值，則該信息可以認為是可靠的。若該信息認為是可接受的，則在正常控制環境下可獲得參考坐標系相角並且可再次以採樣率T對參考坐標系相角進行採樣，採樣數值在發生電壓瞬變時將被使用。
[0048]若系統中發生電壓瞬變，該瞬變沒有觸發過流保護系統48運行，並且交流電源系統電壓保持在通過監控電壓相角07獲得的參考坐標系相角eKEF的電壓水平之上，則不會使用過流保護系統48。然而若過流保護系統48未被觸發，但是交流電源系統電壓過低而不能被用來獲取參考坐標系相角，則可以同樣的方式，使用電壓變低之前獲取的參考坐標系相角信息來推斷參考坐標系相角，直到電壓恢復到足夠高的可用水平。因此，本發明公開的【具體實施方式】可應用於逆變器被禁用和由於電壓過低而不能獲取可靠的功率控制數值的情況。
[0049]本發明公開的【具體實施方式】適用於電氣系統的控制，比如將電能從諸如光伏陣列的可再生能源輸送到電網中。
[0050]需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0051]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、`改進等，均包含在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的方法，該事件會導致所述電路中的逆變器失控，其特徵在於，該方法包括: 在所述事件發生前，對運行參數進行採樣； 監測所述事件的發生； 基於監測參數的推斷，在所述事件發生後計算所述參數的估算值；以及 利用所述參數的估算值控制所述逆變器。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，被監測的事件是電路中電流的瞬變現象。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在所述事件發生前，在多個採樣周期內對所述參數進行採樣和存儲。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述參數的估算值是基於一個或多個採樣周期的參數。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述採樣參數與電路的交流供電電壓的相位角有關。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述參數的估算值從對控制逆變器三相交流電流的參考坐標系相角的估算獲得。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，第一個採樣周期的參數用於產生估算值作為交流電壓相角，第二個採樣周期的參數與第一個採樣周期的參數一起用於獲得使逆變器與供電電壓保持同步控制的交流電壓頻率的估算值。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述電路包括一個附加逆變器，其向連接至所述逆變器另一側的電機供電。
9.一種用於管理電氣設備從電路事件中控制恢復的系統，該事件會導致所述電路中的逆變器失控，其特徵在於，所述系統包括: 在所述事件發生前對運行參數進行採樣的採樣裝置； 監測所述事件發生的監測裝置； 基於監測參數的推斷，在所述事件發生後計算所述參數估算值的參數估算裝置；以及 利用所述參數的估算值控制所述逆變器的控制裝置。
10.根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述採樣裝置對所述事件發生前的多個採樣周期內的參數採樣並存儲。
11.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述參數估算裝置基於一個或多個採樣周期內的參數估算參數值。
12.根據權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述採樣參數與電路的交流供電電壓的相位角有關。
13.根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述參數的估算值從對控制逆變器三相交流電流的參考坐標系相角的估算獲得。
14.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述參數估算裝置使用第一個採樣周期的參數產生估算值作為交流電壓相角，使用第二個採樣周期的參數與第一個採樣周期的參數一起獲得使逆變器與供電電壓保持同步控制的交流電壓頻率的估算值。
15.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述電路包括一個附加逆變器，其向連接至所述逆變器另一側的電機供電。
【文檔編號】H02M7/48GK103516240SQ201310247165
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2012年6月20日
【發明者】麥可·凱德 申請人:控制技術有限公司