用于发电单元的同步系统及关联方法与流程

本发明涉及发电应用，更具体地涉及用于基于锁相环(pll：phase-lockedloop)概念促进发电单元与电力系统(电网)之间的同步的同步系统。

背景技术：

近年来已经出现对电力系统领域中的同步系统的最新关注，其中，若干发电技术变得被迫在窄时间响应窗内提供瞬态电网支持功能。

应用于发电应用领域的第一同步解决方案基于简单同步参考系锁相环(srf-pll)系统。这种srf-pll的执行在电网的稳态和平衡情况下足够，其执行在电网不平衡或扭曲情况下相当不完善。

为了解决srf-pll的主要缺点，还已知基于增加对srf-pll的改进的不同同步结构。为了凭借包括提高pll的谐波抗扰度的滤波级的高级正交信号发生(qsg)块的集成获得真正的正交信号和其他目的，这些结构中的一些提出通过集成简单qsg块进行的所测量变量的预处理的一些变化。几乎所有的这些高级srf-pll还是频率自适应的，由此即使在频率变化下也允许取得良好的同步。

虽然大多数应用被定向为估计基波分量，但还提出用于借助于级联不同组成部件检测不同谐波分量的振幅的其他应用。因为可以从输入信号减去所估计的谐波分量，所以这些多级pll的执行被示出为在同步信号被高度污染时是有效的，由此改进基波频率下的同步。

在故障情况下，基于pll的电网同步系统应面对由于由故障产生的线阻抗而出现的相角的突变。因为电信号的相是可能突然变化的参数，所以所有这些结构应处理较大瞬态，由此影响稳定时间。在这一点上，还已知基于锁频环(fll)而不是基于相的解决方案。

pll或fll的操作范围通常覆盖从零到标称值变化的宽操作范围。然而，控制器的调谐通常考虑特定操作点的附近来执行，由此如果输入信号为标称或半标称的，则整体性能非常不同。用于发电应用的同步系统领域的最新改进，关注于通过使用能够不管电网情况是哪一个而提供相同时间性能的正规化系统改进该缺点。该正规化主要集中于在处理电信号的振幅变化时改进系统的响应。

虽然许多解决方案已经覆盖振幅的正规化，但仅一些能够保证在输入信号完全缺失情况下相参考的输送。对于该特定场景，已知通常基于控制pll行为且能够使pll充当基于故障前情况下向控制器提供参考相的振荡器的离散状态机的实施方案的一些解决方案。文献us2008093853a1中公开了该解决方案中的一个。

技术实现要素：

本发明的目的是提供如权利要求所述的、用于联接到电力系统的发电单元的同步系统和同步方法。

本发明的第一方面提及一种用于发电单元的同步系统，该发电单元联接到电力系统。系统被配置为与电力系统和发电单元(电网)通信，并且促进发电单元与电力系统之间的同步。同步系统还被配置为从电力系统接收至少一个主电信号，并且基于所述主电信号借助于至少一个锁相环生成用于促进所述同步的至少一个同步信号。

锁相环包括具有多个增益参数的至少一个控制器方案，以消除所生成同步信号关于主电信号的至少一个电特性的偏差，电特性在至少振幅、频率以及相角之间选择。

同步系统还包括增益控制器，该增益控制器被配置为根据主电信号的频率或相角和振幅来调节锁相环的增益参数的值。因此，可以在主电信号的可能变化之后动态调节所述增益参数，因此，同步信号的生成基于电力系统的当前状况，这改进发电单元与电力系统之间的同步。

另外，使用主电信号的振幅和频率(或相角)这两者来调节增益参数的事实允许将主电信号的变化更快速地考虑在内，这获得更动态的同步系统。因此，所提出发明的行为在瞬态和故障场景下是特别有利的，其中，被包括在发电单元中的其他控制器的性能取决于同步系统的快速和准确动态响应。

本发明的第二方面提及一种用于发电单元的同步方法，该发电单元联接到电力系统，其中，借助于至少一个锁相环生成至少一个同步信号，所述至少一个同步信号用于促进发电单元与电力系统之间的同步。锁相环包括具有多个增益参数的至少一个控制器方案，以消除同步信号关于主电信号的至少一个电特性的偏差，电特性在至少振幅、频率以及相角之间选择。根据主电信号的频率或相角和振幅来动态调节锁相环的增益参数的值。

因此，以容易的方式生成准确且动态表示主电信号的行为的同步信号，该同步信号可以用于同步发电单元和电力系统。另外，因为所提出发明的行为允许同步信号的快速且准确的动态生成，所以在瞬态和故障场景下是特别有利的。

本发明的这些和其他优点以及特征将鉴于本发明的附图和详细描述而变得明显。

附图说明

图1示出了与发电单元和电力系统(电网)通信的、本发明的同步系统的实施方式。

图2示出了本发明的同步系统的优选实施方式的一般结构。

图3示出了不凭借和凭借图2的同步系统的增益控制器生成的同步信号的频率之间的比较。

图4示出了使用模糊逻辑的增益参数的实施方案。

图5示意性示出了图2的同步系统的锁相环的内部结构。

图6示意性示出了图2的同步系统的处理块的内部结构。

图7示出了在主电信号的频率的突变下图2的同步系统的执行。

图8示出了在主电信号的振幅的突变下图2的同步系统的执行。

图9示出了使主电信号失真的、总谐波失真(thd：totalharmonicdistorsion)的8％下图2的同步系统的执行。

具体实施方式

本发明的第一方面提及一种用于发电单元102的同步系统103，该发电单元102联接到电力系统100(电网100)。在一些实施方式中，发电单元102包括至少一个功率转换器和用于对功率转换器起作用的控制器(附图中未示出)，同步系统103被集成到所述控制器中。在其他实施方式中，发电单元102包括至少一个功率转换器和用于对功率转换器起作用的控制器(附图中未示出)，同步系统103为与所述控制器通信的另一个控制器。在其他实施方式中，发电单元102包括至少一个功率转换器和用于对所述功率转换器起作用的控制器，并且同步系统103被集成在同一控制器中。为了清楚起见，在图1中，独立于发电单元102示出了同步系统103，并且同步系统103可以集成在发电单元102的至少一个功率转换器的控制器中，或集成在发电单元102中。因此，当指示同步系统103被配置为与电网100和发电单元102通信时，必须理解，同步系统103可以集成在用于对发电单元102的功率转换器起作用的控制器中，或者集成在发电单元102中。

同步系统103被配置为与电网100和发电单元102通信，并且促进发电单元102与电网100之间的同步。图2示出了基于锁相环概念的、本发明的同步系统103的优选实施方式的总体结构。措辞“锁相环”还被俗称为pll，并且它在下文中也如此提及。发电单元102可以直接联接到电网100或借助于如所述图1所示的变压器101联接到电网100。

在优选实施方式中，同步系统103适于与三相电力系统通信，但在附图中未示出的其他实施方式中，所述同步系统103可以适于与单相电力系统通信。

同步系统103在其实施方式中的任意一个被配置为从电网100接收至少一个主电信号se。主电信号se可以是对应相的电变量中的任意一个(诸如电压或电流)。如果电网100是三相电力系统，则主电信号se可以从三相的任意一个导出。如果电网100是单相电力系统，则主电信号se明显地可以从唯一的相导出。

在同步系统的实施方式中的任意一个中，同步系统103被配置为基于主电信号se生成用于促进发电单元102与电网100之间的同步的至少一个同步信号ss。同步信号ss是被同步的主电信号se的电变量。同步系统103包括生成同步信号ss的至少一个pll4和与pll4通信的增益控制器20。pll4包括具有多个增益参数kmn的至少一个控制器方案，该控制器方案消除所生成同步信号ss关于主电信号se的至少一个电特性的偏差，电特性在至少振幅、频率以及相角之间选择。增益控制器20根据主电信号se的频率(或相角)和振幅来调节pll4的控制器方案的增益参数kmn的值。随着增益控制器20向pll4传输增益参数kmn的已调节值，所述pll4根据所述已调节增益参数kmn连续生成同步信号ss。

本发明的同步系统103总是保持有效，在稳态和瞬态情况(诸如压降、过压、或频率变化)这两者下，同步系统能够保持有效，并且通过改变kmn参数来使其动力学适应，以促进电网100与发电单元102之间的准确同步。

在优选实施方式中，增益控制器20被配置为估计主电信号se的振幅和频率，并且根据所述所估计的振幅和频率来调节pll4的增益参数kmn的值。在其他实施方式中，增益控制器20被配置为至少估计主电信号se的振幅，并且接收主电信号se的频率，或主电信号se的频率与用于电网100的预定参考频率之间的频率差□f，并且根据所接收的频率或频率差□f和所估计的振幅来调节pll4的增益参数kmn的值。预定参考频率例如可以为作为电网100的标准频率值的50hz。频率误差□f例如可以由pll4来估计。为了改进动态响应，在实施方式中的任意一个中，振幅优选地用已知曼-莫里森(mann-morrison)技术来估计。

使用主电信号se的振幅和频率(或相角)这两者来调节增益参数kmn允许将主电信号se的变化更快速地考虑在内，获得更动态的同步系统103。图3以预定时间t间隔示出了在主电信号se的频率的突变出现时的、具有使用一个输入(在这种情况下为振幅)的增益控制器20的所生成同步信号ss’的频率f，与具有使用两个输入(振幅和频率)的、本发明的同步系统103的的增益控制器20的所生成同步信号ss的比较。两个同步信号ss’和ss已经对于主电信号se的相同状况且在主电信号se的频率的相同变化之前获得。如可以看到的，通过将两个输入用于增益控制器20，改进频率估计的动态执行。

当提及至少根据频率或频率差□f调节增益参数kmn时，必须注意，相反可以使用相角或相角误差。为了清楚起见，下文中提及频率或频率误差□f。

在优选实施方式中，为了改进pll4的同步环(具体地为改进pll4的执行)，在电网瞬态期间，增益控制器20被配置为应用模糊逻辑，基于主电信号se的所估计振幅和频率差□f(相反还可以使用频率)，来调节pll4的增益参数kmn。应用模糊逻辑允许增益控制器20根据主电信号se的当前情况准确调节增益参数kmn，这获得更鲁棒且可靠的系统，该系统更准确地遵循电网100的真实情况。具体地，使用所述两个输入参数(振幅和频率差□f或频率)，增益控制器20在涉及主电信号se的突变以及相角的快速变化的瞬态之前提供更可靠的响应。由此，同步系统103能够动态生成同步信号ss，其准确表示主电信号se为了同步发电单元102和电网100而进行的行为。

模糊逻辑是多值逻辑(在这种情况下为振幅和频率差□f或频率)的形式，并且因为领域中周知模糊逻辑，所以不详细描述。为了应用模糊逻辑控制，建立确定pll4的动态响应的特定数量的规则，所述规则根据关于同步系统103行为的经历(专家控制)来建立。在本发明的同步系统103中且如图4例示，为了调节增益参数kmn，根据模糊逻辑控制的输入(主电信号se的振幅和频率差□f或频率)建立多个范围z(零)、ps(正小)、pm(正中)以及pb(正大)。

在优选实施方式中，pll4被配置为基于主电信号se接收电输入信号，所述电输入信号包括所述主电信号se的相同振幅、频率以及相角，并且稍后将说明该电输入信号的生成。在其他实施方式中，pll4可以被配置为直接接收主电信号se。

pll4的控制器方案被配置为消除同步信号ss关于主电信号se的至少一个电特性的偏差，电特性在至少振幅、频率以及相角之间选择。因此，如图5所示，pll4包括输入块40，在输入块40处进行电输入信号与同步信号ss之间的减法，因所述减法产生的电信号(电误差信号)为了消除所述偏差而到达控制器方案。

在优选实施方式中，pll4的控制器方案包括并联的两个控制环41和42。第一控制环41负责消除同步信号ss与电输入信号之间的相角误差(同步信号ss与电输入信号的相角之间的偏差，由此消除同步信号ss与主电信号se的相角之间的偏差)，并且第二控制环42负责消除同步信号ss与电输入信号之间的振幅误差(同步信号ss与电输入信号的振幅之间的偏差，由此消除同步信号ss与主电信号se的振幅之间的偏差)。两个控制环41和42的输出信号借助于振荡器vco而组合，所述振荡器vco的输出是同步信号ss。

各控制环41和42包括各具有多个对应增益参数kmn的至少一个控制器41a和42a。在优选实施方式中，各控制器41a和42a包括具有对应的多个增益参数kmn(相应的比例增益和积分增益)的pi控制器，但在其他实施方式中，各控制器41a和42a可以包括其他种类的控制器配置(诸如例如pid控制器)。因此，如果下文中提及pi控制器，则必须理解，还可以使用其他种类的控制器，除非明确指示其他点。

从现有技术已知的pll仅使用一个控制环(负责消除相角误差的控制环41)，并且幸亏还使用第二控制环42，用本发明的同步系统103生成的同步信号ss更准确地表示电网100的行为，由此，改进发电单元102与电网100之间的同步。

除了控制器41a之外，在优选实施方式中，第一控制环41还包括以下元件：第一块41b、第二块41c以及积分块41d。第一块41b接收电误差信号，并且得到它与同步信号ss的向量积，产生的信号构成相角误差，因此，为了同步电输入信号和同步信号ss并由此同步电网100与发电单元102，如果所述误差不同于零，则必然引起同步信号ss的频率的变化。线性控制器41a用于清除稳态误差(该控制器在优选实施方式中为pi控制器，但可以使用其他已知的控制器(诸如pid控制器))，所述误差到达控制器41a。在第二块41c中，标称频率wo用作前馈，被加到控制器41a输出的信号。因为频率的积分表示相角的值，所以第二块41c输出的信号到达它在内部积分的积分块41d。因此，积分块41d输出的电信号的相角包括与电输入信号相同的相角，并且它用于生成同步信号ss。

除了控制器42a之外，在优选实施方式中，第二控制环42还包括以下元件：第一块42b和第二块42c。第一块42b接收电误差信号，并且获得所述信号与同步信号ss的点积。点积的输出是振幅值的误差，可以用线性控制器42a(在优选实施方式中为pi控制器，但可以使用其他已知的控制器(诸如pid控制器))来消除该误差。由此，第一块42b输出的信号到达控制器。控制器输出的信号到达第二块42c，并且所述第二块42c将电输入信号的对应测量信号(电压或电流)的标称振幅a0加到从控制器接收的信号。第二块42c输出的信号表示同步信号ss的振幅，因此它用于生成所述同步信号ss。在两个控制环41和42中获得的振幅和相角的所估计值馈入振荡器vco，该振荡器生成单相或三相120°偏移信号(同步信号ss)。

在优选实施方式中，同步系统103还包括高级估计器21，该高级估计器21与pll4通信(具体为与控制环41和42两者通信)。高级估计器21被配置为接收分别表示电网100的有功功率和无功功率的第一功率相关信号p和第二功率相关信号q，根据功率相关信号p和q以及电网阻抗z估计主电信号se将具有的相角，计算主电信号se的相角，并且获得所估计和所计算相角这两者之间的相角差off。相角差off被传输到控制环41，使得pll4也将所述相角差off考虑在内，以生成同步信号ss。具体地，相角差off作为前馈在第三块41e中加到控制环41的积分块41d输出的信号。因此，高级估计器21允许抵消并预期电网100相的相角的突变。这在弱电网100中是特别有用的，在弱电网中，阻抗z的值较高，并且有功/无功功率输送/消耗的变化引起主电信号se的相关变化。借助于高级估计器21，所述变化被预先或在线计算，且稍后提供给pll4，作为用于相角的前馈。电网阻抗z不需要为确切值，仅为合理的方法。

在优选实施方式中，高级估计器21还被配置为，估计对应于根据所接收的功率相关信号p和q以及阻抗z的情形的振幅与所述电输入信号的所估计振幅之间的振幅差aff，并且将所估计的振幅差aff作为前馈传输到第二另外控制环42，使得pll4也将所述振幅差aff考虑在内来生成同步信号ss。具体地，振幅差aff也被加到第二控制环42的控制器输出的信号。因为所述功率变化可以在被包括在电输入信号之前而被考虑在内，所以高级估计器21的使用也改进由于功率变化而引起的、电输入信号的振幅的突变下同步系统103的瞬态响应。

在其他实施方式中，pll4仅包括一个控制环(具体为控制环41)，并且同步系统103还包括用于向所述控制环41提供相角差off的高级估计器21。

在其他实施方式中，pll4仅包括一个控制环(具体为控制环41)，并且同步系统103没有高级估计器21。

在其他实施方式中，pll4包括两个控制环41和42，并且同步系统103没有高级估计器21。

功率相关信号p和q分别表示要被输送到电网100(或设置点)的有功功率和无功功率，或被输送到电网100的有源功率和无源功率。

在一些实施方式中，如在优选实施方式中，同步系统103还包括处理块5，该处理块5被配置为接收主电信号se并处理它，以便获得主电信号se的瞬间同步分量(正序s⁺和负序s^-)中的至少一个的估计。正序s⁺或负序s^-中的一个是由pll4接收的信号，由此，所述信号是基于主电信号se的电输入信号。处理块5可以估计正序s⁺和负序s^-这两者，如由图6中的示例的方式示出的处理器块5如在优选实施方式中仅处理负序s^-或仅处理正序s⁺。因此，在优选实施方式中，如图5所示，到达pll4的、基于主电信号se的电输入信号是正序s⁺。

处理块5的结构可以被分成：如图6所示的两个主块(用于获得主电信号se的负序s^-和/或正序s⁺(在优选实施方式中为正序s⁺)的第一处理块53，和用于估计主电信号se的频率w的第二块54。第一处理块53包括在三相电力系统的情况下获得主电信号se的正序s⁺的第一序列估计器53a和/或获得负序s^-的第二序列估计器53b。在单相系统的情况下，因为无不对称是可以的且由此不需要正和负序列计算，所以可以简化处理块5，并且可以使用已经知道的技术(诸如领域中已知的t/4输送延迟技术)。

处理块5包括：变换块51，该变换块51将主电信号se变换成αβ分量；和高通滤波器52，该高通滤波器52用于清除存在于αβ分量中的可能dc分量的影响，所述已滤波的αβ分量到达两个主块。如前所述，图6示出了处理块5的结构的示例，该结构可以等于优选实施方式的处理块5的结构，其差异为在优选实施方式中，未获得负序s^-。

现在用示例的方式呈现从典型故障场景提取的三个不同场景，以例示本发明。

图7示出了在t＝0.15s和t＝0.3s时的所述主电信号se的频率突变下、用于由所述同步系统103执行的三相电力系统的主电信号se的频率fse估计、相角ose以及振幅ase的、所提出同步系统103预定时间间隔t1的执行。主电信号se是切断电力系统100的相电压。所述图7被分成四个图：(a)所测量主电信号se，(b)主电信号se的真实频率fr和所估计的频率fs，(c)主电信号se的真实相角or和所估计相角os，以及(d)所述主电信号se的正序s⁺和/或负序s^-的所估计振幅as。

图8示出了用于追踪三相主电信号se的振幅ase、相角ose以及频率fse的、所提出同步系统103预定时间间隔t2的执行。在这种情况下，示出了在存在主电信号se的正序或负序的振幅在t＝0.15s和在t＝0.4s时的突变时由同步系统103进行的这些变量的估计。主电信号se是切断电力系统100的相电压。所述图8被分成四个图：(a)所测量主电信号se，(b)主电信号se的真实频率fr和所估计的频率fs，(c)主电信号se的真实相角or和所估计相角os，以及(d)主电信号se的正序s⁺和/或负序s^-的所估计振幅as。

图9示出了与在预定时间间隔t3(在t＝0.15s至t＝0.3s之间)中进行的、在存在使所述主电信号se失真的8％thd时、由同步系统103进行的三相主电信号se的频率fse、相角ose以及振幅ase的估计。主电信号se是切断电力系统100的相电压。所述图9被分成四个图：(a)thd在t＝0.15时增大的所测量主电信号se，(b)主电信号se的真实频率fr和所估计的频率fs，(c)主电信号se的真实相角or和所估计相角os，以及(d)主电信号se的正序s⁺和/或负序s^-的所估计振幅as。如所述图9所示，同步系统103能够衰减由于内在处理块5而产生的、估计振幅和频率时的谐波。

本发明的第二方面提及一种用于联接到电力系统100的发电单元102的同步方法，其中，借助于至少一个锁相环4生成至少一个同步信号ss，所述至少一个同步信号ss用于促进发电单元102与电力系统100之间的同步。锁相环4包括具有多个增益参数kmn的控制器方案，用于消除同步信号ss关于主电信号se的至少一个电特性的偏差，电特性从至少振幅、频率以及相角选择。如已经对于本发明的第一方面说明的，首先估计主电信号se的振幅和频率。已经对于本发明的第一方面说明了使用主电信号se的振幅和频率(或相角)这两者调节增益参数kmn的优点。

方法在其实施方式中的任意一个中被配置为，基于主电信号se生成用于促进发电单元102与电网100之间的同步的至少一个同步信号ss。主电信号se可以为对应相的电变量中的任意一个(诸如电压或电流)。如果电网100是三相电力系统，则主电信号se可以从三相的任意一个导出。如果电网100是单相电力系统，则主电信号se明显地可以从唯一的相导出。

在方法的任意实施方式中，根据主电信号se的频率或相角和振幅来动态调节锁相环4的增益参数kmn的值。增益参数kmn由增益控制器20来生成，并且随后被传输给pll4。方法不仅可以在电网故障或其他故障期间继续执行，方法还能够在发电单元102的问题下保持有效，以便促进电网100与发电单元102之间的同步更准确。

在优选实施方式中，为了改进电网瞬态期间同步信号ss的生成(具体地为改进pll4的执行)，应用模糊逻辑以基于振幅和频率调节pll4的增益参数kmn。已经对于本发明的第一方面说明了应用模糊逻辑的优点。如已经对于本发明的第一方面说明的，为了应用模糊逻辑，可以直接使用所估计的频率(或所估计的相角)，或者相反可以使用频率差εf(或相角差)。

在方法中，消除同步信号ss关于主电信号se的至少一个电特性的偏差，电特性在至少振幅、频率以及相角之间选择。为此，进行主电信号(或包括与主电信号se相同的振幅、频率以及相角的电输入信号)与同步信号ss之间的减法。本发明的第一方面中对于电输入信号的生成给出的说明对于本发明的第二方面也有效，并且在优选的实施方式中，方法实施电输入信号与同步信号ss之间的减法。在方法中，为了至少消除所述偏差，由控制器方案处理因减法产生的电信号(电误差信号)。

在优选实施方式中，为了消除同步信号ss与主电信号se之间的两个偏差(相角误差和振幅误差)，处理电误差信号。如之前对于本发明的第一方面说明的，所述消除由两个并联的控制环41和42来实施。两个控制环41和42的输出信号借助于振荡器vco组合，所述振荡器vco的输出为同步信号ss。

在优选实施方式中，方法适于根据功率相关信号p和q以及电网阻抗z来估计主电信号se将具有的相角，以计算主电信号se的相角，并且获得所估计和所计算相角这两者之间的相角差off。功率相关信号p和q分别表示电网100的有源和无源功率。如已经对于本发明的第一方面说明的，为了消除相角误差，相角差off被考虑在内。

在优选实施方式中，方法还适于估计对应于根据所接收功率相关信号p和q和电网阻抗z的情形的振幅与所述电输入信号的所估计振幅之间的振幅差。如已经对于本发明的第一方面说明的，为了消除振幅误差，振幅差aff被考虑在内。

在本方法的其他实施方式中，电误差信号被处理为仅消除相角误差(而不消除振幅误差aff)，并且为了消除电误差信号还将相角差off考虑在内。

在本方法的其他实施方式中，电误差信号被处理为仅消除相角误差(而不消除振幅误差aff)，并且不生成相角差off(或者不为了消除相角误差而将相角误差考虑在内)。

在本方法的其他实施方式中，电误差信号被处理为消除同步信号ss与主电信号se之间的相角误差和振幅误差这两者，但不生成相角差off和振幅误差aff(或者不为了消除它们而将相角差和振幅误差考虑在内)。

功率相关信号p和q分别表示要被输送到电网100的有功功率和无功功率或被输送到电网100的有源功率和无源功率。