专利名称：电力转换系统及其中lc电路阻尼方法
技术领域：
本发明有关电力转换系统以及LC电路，尤其是存在于变换器与电网之间的LC电路的阻尼设备和方法。
背景技术：
可再生能源电力系统通常包含发电模组和电力转换模组，发电模组如太阳能电池板、风力发电机等，而电力转换模组将发电模组产生的电流转换为电流强度和频率可控的交流电。在将产生的交流电并入电网时，该交流电的电压或电流需要与电网的电压或电流同步，并且其中的谐波成份尽量少。一些电力系统采用LC滤波器来减少所述交流电中的高频谐波成分。常见的LC滤波器由电感和电容元件组成。当电感电抗值与电容电抗值相等时，即称LC滤波器处于谐振状态，该谐振状态所在的频率称为谐振频率。谐振频率的数学表达式如下其中“L”为该LC滤波器的等效电感，“C”为等效电容，" τ"为谐振频率。当达到谐振频率时，滤波器的阻抗值最小，此时交流电中位于该谐振频率的谐波成分可能激发一个谐振波峰并传入电网。通常要在电力系统中设置阻尼以削弱此谐振波峰。在LC滤波器中引入阻尼的一种传统方法是把一个电阻与LC滤波器的电容串联或并联起来。电阻法的缺点是该电阻消耗较多的电能，且由于电阻体积较大，使得整个滤波器体积较大。6166929号美国专利(，拟9号专利)描述了一种在三相变换器与电动机之间的LC 滤波器中设置阻尼的方法，即在LC滤波器的输出端电容上并联一个模拟器，模拟器计算出假设采用电阻法情况下将要通过该电阻的电流值，变换器的控制电路继而将相当于该值的电流减去，从而通过控件变换器的方法削弱LC滤波器的谐波峰值，解决了在滤波器中设置电阻浪费电能的缺点。‘9 号专利适用于驱动电动机的电力系统，相比于电动机的运行，可再生能源发电并导入电网的电力系统中，电网的变量和瞬时变化都更多，如果仍采用模拟器法模拟为变换器中的LC滤波器引入阻尼，可能对变换模组的稳定性带来不良影响。因此，有必要为在发电模组和电网之间的LC滤波器中提供一种改进的阻尼方法和设备，以解决所述现有技术中的至少部分缺点。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种电力转换系统，该电力转换系统包括变换器、位于变换器与电网之间的LC滤波器、以及变换器控制系统。所述变换器包括若干半导体开关。所述LC滤波器包括一个或多个电容以及一个或多个与电网串联的电感，其所述LC滤波器与电网之间形成一等效的LC电路，该LC电路包括所述LC滤波器的电容和电感。所述变换器控制系统包括阻尼设备和一变换器控制器，该阻尼设备接收一 LC滤波器信号和等效LC电路阻抗信号，以产生一阻尼信号。所述变换器控制器接收电流或电压指令信号、以及所述阻尼信号，以产生驱动变换器中半导体开关的控制信号。本发明的另一个方面在于提供一种等效LC电路的阻尼方法，该等效LC电路包括一变换器与电网之间的LC滤波器的电感和电容、以及电网的等效阻抗，该方法包括接收LC 滤波器电容直接或间接的电压或电流信号；接收一等效LC电路阻抗信号；根据所述等效LC 电路阻抗信号得到该等效LC电路的谐振频率；选定一模拟阻抗值，使得在保证电力变换器稳定性的同时，较多的减弱等效LC电路的谐振峰值；根据该模拟阻抗值以及LC滤波器电容直接或间接的电压或电流信号，产生阻尼信号；以及用该阻尼信号产生控制变换器的电压或电流控制信号。
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中图1所示是本发明一实施方式的发电系统结构图；图2所示一等效LC电路的电路图；图3所示为本发明一实施方式的变换模组的结构框图；图4所示为本发明一实施方式的阻尼设备的结构框图；图5所示为采用本发明一实施方式中模拟电阻的方法，用不同的模拟阻尼电阻值降低谐振波峰所测得的幅值特性图；图6所示为采用本发明一实施方式中模拟电阻的方法，用不同的模拟电阻值所测得的变换模组的相位特性图；图7所示为本发明另一实施方式的变换模组结构框图；图8所示为本发明另一实施方式的变换模组结构框图；图9所示为本发明另一实施方式的阻尼设备的结构框图；图10所示为图9所示本发明另一实施方式的模拟电阻法，用不同的阻尼电阻值降低谐振波峰所测得的幅值特性图；图11所示采用图9所示本发明另一实施例中的模拟器法，用不同的电阻值所测得的变压模组的相位特性图。
具体实施例方式本发明的若干个实施方式有关位于变换器与电网之间的LC电路所设置的阻尼设备和方法。本文所称“LC电路”是指任何由电容元件和电感元件组成的等效电路。在某些实施例中，LC电路包括一 LC滤波器的电容和电感元件的阻抗、所述变换器与电网之间传输线以及变压器等电子元件的等效阻抗、以及电网的等效阻抗。本文所称“LC滤波器”包括任何由电容元件和电感元件组成的滤波元件。所述阻尼设备接收一个预估的或者测得的LC 电路的阻抗信号，根据该阻抗信号产生阻尼信号，变换器的控制器则根据该阻尼信号控制变换器。如图1所示，根据本发明的一个实施方式的发电系统10包含了一个发电模组12。在图1所示的实施方式中，发电模组12直接产生一直流电流14。在另一个实施方式中，发电模组12还设有一直流/直流变换器(未图示)以调控直流电流14。在本发明的其他实施方式中，发电模组12还可能产生交流电流，然后经由一交流/直流变换器(未图示)转换为直流电流14。发电系统10还包含变换模组16，用以将直流电流14转换为交流电流18， 该交流电流18继而接入电网20。发电模组12可以是一个可再生能源发电模组，例如可以是太阳能发电模组，燃料电池，储能电池或风力涡轮等。在有图示的实施方式中，发电系统 10包括一个由直流母线13，该直流母线13设有一可短暂存储电能的储能装置14，如电容。图1所示的实施方式中，变换模组16包括一变换器22、滤波器对、以及向变换器 22输出控制信号的变换控制系统沈。所述滤波器M将所变换器22输出的交流电流19进行滤波，进而得到所述交流电流18。在图示的实施方式中，LC滤波器对包含一个与电网20 串联的电感(Lf)、以及一个与电网20并联的电容(Cf)，用以对交流电流19进行滤波，以防止高频谐波成分接入电网20。在某些实施方式中，变换模组16还可能包含其他电子元件， 如包含一个变压器21，用以升高交流电流19的电压。在图1所示的实施方式中，变换器22具有三相二电平的拓扑结构，其包括若干个采用脉宽调制法(PWM)加以控制的半导体开关23。半导体开关23可以是任何合适的开关元件，例如绝缘栅极双极型功率晶体管(IGBTs)、栅通信晶闸管(GCTs)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFETs)等。在其他的本发明实施方式中，变换器22可能是其他多相多电平类型的变换器，例如五电平变换器，单相变换器。在图1所示的实施方式中，控制系统沈发出的控制信号观为控制关导体开关23的PWM信号，用以将直流电流14转换为具有可控的电压和频率的三相交流电流19。在本发明某些实施方式中，自变换器22输出的交流电流19有一基波频率是f工。半导体开关23的开闭动作可能导致交流电流19产生不同于基波频率的谐波。滤波器M 允许基波频率的成分通过，而阻却大部分谐波成分。变换器22和电网20之间形成一如图2所示的等效LC电路，该等效LC电路仅为一个示例，实际应用中，根据不同滤波器M以及变换器22与电网20之间的配置不同，该等效LC电路可以是其他任何要的包括等效电感、电容的电路。该等效LC电路包括变换器侧阻抗、电网侧阻抗、以及二者之间的电容Cf组成。如图2所示，变换器侧阻抗包括变换器侧电感L1和变换器侧电阻R1,电网侧阻抗包括电网侧电感L2和电网侧电阻&组成。在某些实施方式中，变换器侧电感L1和变换器侧电阻R1主要包括LC滤波器M的电感和电阻；电网侧电感L2包括电网的等效电感Lg以及变换器与电网间的传输线及其他电子元件(例如变压器21)的等效电感Lp电网侧电阻&则主要由电网的等效电阻Rg以及LC滤波器M和电网20之间的其他电子元件的等效电阻艮实现。在其他实施方式中，变换器阻抗和电网阻抗还可以包含电容元件。LC电路输入输出端之间的阻抗最小时，LC电路产生谐振，其所在的频率为谐振频率&。如果此时LC电路中没有引入阻尼，交流电流19或电网20中在谐振频率&处的高频谐波有可能激发一个高频谐振峰值。一种图2所示等效LC电路的传统阻尼方法是设置一个与电容器Cf并联的阻尼电阻Rdl或者与电容器Cf串联的阻尼电阻Rd2。阻尼电阻I dl、Rd2分担谐振能量，从而削弱谐振频率fo下的谐振峰值。如前所述，这种阻尼电阻会消耗系统中的能量。在某些实施方式中， LC电路中变换器侧阻抗相对较稳定，而电网侧阻抗因电网状态的变化相对变化较大，进而产生LC电路谐振频率&的变化。如图1所示，作为本发明一个实施方式的控制系统沈包括一阻尼设备32和转换控制器30，该阻尼设备32接收一预估或者测量的LC电路阻抗信号34以及LC滤波器信号36，根据该LC电路阻抗信号34和LC滤波器信号36产生阻尼信号40，转换控制器30接收该阻尼信号40以产生控制变换器22中半导体开关23的PWM信号观。因此，本发明阻尼设备32能适应电网变化而产生相应的阻尼控制。图3是根据本发明的一个实施方式发电系统10的更为详细的结构框图。转换控制器30包括锁相环电路(PLL) 44、三/ 二相转换器46、转换器调节器48、以及二 /三相调制器50。在该发明的某些实施方式中，转换控制器30可以使用该技术领域任何可能的拓扑结构。在所描述的实施方式中，转换控制器30根据一个测得的三相电流反馈信号(ia，ib， i。)，产生一 PWM控制信号观以控制变换器22产生所需的电流输出(交流电流19)。在其他实施方式中，转换控制器30可能接收经测量的电压反馈信号，并控制变换器22产生相应的电压输出在所描述的实施方式中，转换控制器30还接收经测量的直流母线13的电压Vd。 以及功率因数(Q山并且控制直流母线的电压和功率因数。在其他实施方式中(未标出)， 转换控制器30可能接收转矩控制指令，并对发电机的转矩进行控制。在图3所描述的实施方式中，PLL电路44接收经测量的三相电压信号52，产生电网的同步频率信号(ωε)和同步相位信号(Θ)。三/ 二相转换器46接收PLL电路44产生的同步相位信号(θ )以及三相电流反馈信号ia、ib、i。，将该三相电流值ia，ib，i。转变为同步旋转的d-q坐标系下的二相电流值id和、。在所描述的实施方式中，转换控制器30还包括直流电压调节器58和无功控制器 60，该直流电压调节器58和无功控制器60分别向转换器调节器48传送有功和无功电流指令Idr、Iff。在发电系统10稳定运行状态下，直流电压调节器58接收直流电压指令(Vde cJ 和直流母线13的直流电压反馈信号Vd。，通过控制变换器22，将直流电压信号Vd。保持在预定的值。直流电压调节器58使用直流电压指令和直流电压反馈信号向转换调节器48发出 Itt命令。无功控制器60接收无功功率指令(Q cJ以及测得的无功功率反馈信号，该无功功率指令(Q—。。m)可以直接由上一级控制系统(没示出)给出或由上一级控制系统给出的功率因数指令计算得到。无功控制器60使用无功功率命令Q com和无功功率反馈信号产生无功电流指令Iff。转换调节器48接收有功和无功电流指令Ito和Itff、二相电流值‘、以及来自PLL电路44的同步频率信号(ω e)，产生二相电压控制信号VtnVtr阻尼设备32接收经测量的LC滤波器信号36以及经预估或者测量的LC电路阻抗信号34，产生二相电压阻尼信号Δ V △ Vtl (阻尼信号40)。在图3所示的实施方式中，二相电压阻尼信号Ma, AVtl在节点62处从二相电压控制信号V,中扣除，然后传送到二 /三相调制器50。二 /三相调制器50将二相电压信号转换回三相控制信号，并进一步转换为向半导体开关23发出的PWM控制信号观。图4是根据本发明一种实施方式所提供的阻尼设备32的结构框图。在所示实施方式中，阻尼设备32包括一个用于接收LC滤波器信号36的三/ 二相转换器64。在一个实施方式中，LC滤波器信号36是测量的流经电容器Cf (如图2所示)的三相电流信号iaf、 ibf、i。f。三/ 二相转换器64还从PLL电路44接收同步相位信号θ，并将三相电流信号iaf， ibf，icf转换成d-q坐标系下的二相电流值idf、itf。在另一个实施方式中，经测量的LC滤波器信号36是经测量的电容器Cf两侧的电压信号。阻尼设备32接收经测量的电压信号，并计算流经电容器Cf的等效电流信号。在图示的实施方式中，阻尼设备32还包括一阻尼控制器66，阻尼控制器66包括滤波器，如高通滤波器(HPFs) 68、以及两个阻抗模拟器70。每个HPF68有一个临界频率fhl， 其允许二相电流值idf和、中频率高于临界频率fhl的频率成分通过阻抗模拟器70，同时阻止频率低于临界频率fhl的频率成分通过。在一种实施方式中，根据下列公式，在阻抗模拟器中，经过滤波的二相电流值乘以模拟电阻Rdl，从而获得二相电压阻尼信号AVd、AVqAVd = K1XidfXRdlAVq = K1XiqfXRdl其中，K1是变换系数。在一种实施方式中，K1 = 1。据此，获得的阻尼信号40是电压阻尼信号，实现了用控制的方法模拟电容器Cf串连的电阻。在所描述的实施方式中，阻尼设备32包括一阻抗控制单元74和一阻抗匹配单元 72。该阻抗控制单元74接收经预估或者测量的LC电路阻抗信号34，从而决定HPF68的临界频率fhl和模拟电阻Rdl的电阻值。在一个实施方式中，阻抗匹配单元72根据估算的电网 20的短路容量产生经预估的LC电路阻抗信号34。电网的短路容量越大，表示电网越强，短路容量越小，表示电网越弱。在一个实施方式中，阻抗匹配单元72接收估算的电网20的最小短路容量，并计算最小短路容量下相应的电网阻抗。从而，阻尼设备32使得LC电路的阻尼在可接受的最弱的电网状态下也可以发挥阻尼的作用。短路容量(MVA_short)可以作如下表示MVA _ Short = S* Vll* Is其中，“MVAJhort”是短路容量，“VII”是电网20的线路线电压，“Is”是电网20 的短路电流。电网20的阻抗Z可以作如下表示
因此，可计算得到在该预估的电网20的最小短路容量时电网20的阻抗信号。因为LC电路中其他阻抗成分都是相对稳定且已知的，因此可以获得估算的LC电路的阻抗。例如，在一个实施方式中，LC滤波器M的阻抗可以用滤波器电容和电感、传输线和其他组件的阻抗来计算。在图3所描述的实施方式中，阻抗匹配单元72将LC电路阻抗信号34传送到阻抗控制单元74。阻抗控制单元74通过解下列方程计算LC电路的谐振频率& L1L2Cs3+ (L1R^L2R1) Cs2+ (I^I^C+!^+!^) s+ (R1+R2) = 0
8
|Z| 二 V"
‘ 芯* Is
V2ll
‘MVA 一 Short
因此，Z、&和Ls可以表示为
|ζ|Γ2·
· ■ ."
λΙι + XOR2 MVA _Short*+ XOR2 Χ R *XOR
“g g
Lg =
ωω
其中，民和Ls分别是电网20的电阻和电感，XOR表示电网20电抗和电阻的比值c
其中，L1和R1分别是变换器侧电感和电阻，s代表导数算子，L2和&分别是电网侧电感和电阻，L2和&符合以下等式L2 = L+Lr, R2 = Rg+Rr其中，Lr和艮分别是传输线路以及其LC电路M和电网20之间他电子元件的等效电感和电阻。在某些实施方式中，谐振频率&可以根据以下等式获得，其中，为了简化计算，电阻元件被忽略
权利要求
1.一种电力转换系统，包括变换器，该变换器包括若干半导体开关；位于变换器与电网之间的LC滤波器，该LC滤波器包括一个电容以及一与电网串联的电感，其所述LC滤波器与电网之间形成一等效的LC电路，该LC电路包括所述LC滤波器的电容和电感；以及变换器控制系统包括阻尼设备，该阻尼设备接收一 LC滤波器信号和等效LC电路阻抗信号，以产生一阻尼信号；以及变换器控制器，该变换器控制器接收电流或电压指令信号、以及所述阻尼信号，以产生驱动变换器中半导体开关的控制信号。
2.如权利要求1所述的电力转换系统，其中所述LC滤波信号包括流经LC滤波器的电容的直接或间接的电流信号或电容上的直接或间接的电压信号，其中所述阻尼信号包括电压阻尼信号或者电流阻尼信号。
3.如权利要求2所述的电力转换系统，其中所述阻尼设备包含阻尼控制器，该阻尼控制器包含阻抗模拟器。
4.如权利要求3所述的电力转换系统，其中所述阻尼设备包含阻抗匹配单元，该阻抗匹配单元计算等效LC电路的阻抗。
5.如权利要求4所述的电力转换系统，其中所述阻尼设备包括阻抗控制单元，用以确定阻抗模拟器中的模拟电阻值，其所确定的模拟电阻值使得在保持变换控制系统的稳定性的同时，尽量多的衰减等效LC电路中的电流谐振峰值。
6.如权利要求5所述的电力转换系统，其中所述阻抗控制单元在保证相位裕量大于45 度的前提下选择可能达到的最大或最小电阻值。
7.如权利要求6所述的电力转换系统，其中所述阻尼控制器包含滤波器，该滤波器设有一临界频率，从而阻却频率低于该临界频率的信号进入阻抗模拟器。
8.如权利要求7所述的电力转换系统，其中所述临界频率高于基波频率，小于等效LC 电路的谐振频率。
9.如权利要求4-8中任何一项所述的电力转换系统，其中所述阻抗匹配电路根据电网的短路容量范围确定一电网阻抗。
10.如权利要求4-8中任何一项所述的电力转换系统，其中所述阻抗匹配单元根据一注入特定频率的电流，在电网侧检测该注入频率的电流和电压，进而计算出所述等效LC电路电网侧的阻抗值。
11.一种等效LC电路的阻尼方法，该等效LC电路包括一变换器与电网之间的LC滤波器的电感和电容、以及电网的等效阻抗，该方法包括接收LC滤波器电容的电压或电流信号；接收一等效LC电路阻抗信号；根据所述等效LC电路阻抗信号得到该等效LC电路的谐振频率；选定一模拟阻抗值，使得在保证电力变换器稳定性的同时，较多的减弱等效LC电路的谐振峰值；根据该模拟阻抗值以及LC滤波器电容的电压或电流信号，产生阻尼信号；以及用该阻尼信号产生控制变换器的电压或电流控制信号。
全文摘要
本发明揭示一种电力转换系统和一种等效LC电路的阻尼方法，该电力转换系统包括变换器、位于变换器与电网之间的LC滤波器、以及变换器控制系统。所述变换器包括若干半导体开关。所述LC滤波器包括一个电容以及一与电网串联的电感，其所述LC滤波器与电网之间形成一等效的LC电路，该LC电路包括所述LC滤波器的电容和电感。所述变换器控制系统包括阻尼设备和一变换器控制器，该阻尼设备接收一LC滤波器信号和等效LC电路阻抗信号，以产生一阻尼信号。所述变换器控制器接收电流或电压指令信号、以及所述阻尼信号，以产生驱动变换器中半导体开关的控制信号。
文档编号H02M7/48GK102223094SQ20101015304
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者公茂忠, 袁小明, 谭卓辉, 邬雪琴 申请人:通用电气公司