功率转换器控制器的电网阻抗估计

摘要

公开了一种用于估计功率转换器控制器中的电网阻抗的系统和方法，其中提供有电流控制器，以在在线操作并且在公共联接点(PCC)处联接到电网时注入注入电流，注入电流对功率转换器的工作电流有益。提供电压控制器，以调节功率转换器的输入电压。提供阻抗模块，以确定注入电流的参数，包括注入间隔和持续时间、电流幅度、电流频率和对称分量。阻抗模块可响应于注入电流而在从先前的工作点转移的工作点处提取PCC处的电流和电压的测量值。阻抗模块可以提取电流和电压测量值的对称分量，并且基于所提取的对称分量来计算估计的电网阻抗。

说明书

技术领域

本申请涉及电网。更具体地，本申请涉及通过在电网连接点处使用的功率转换器控制器的电网阻抗估计。

背景技术

诸如太阳能电池阵列和风电场的发电系统需要用于根据与连接的电网有关的兼容性约束将由发电系统产生的AC或DC电力转换成调节的AC电力输送的装置。例如，监管机构可能制定法规，要求功率转换器维持电网干扰下的有功和无功功率响应、有功功率控制和频率调节以及无功功率控制和电压调节。功率转换器可以包括逆变器和滤波器，以将DC电压转换为调谐到电网的电压和频率的三相AC电压。功率转换器控制器可以包括用于维持电压调节的操作设定点的电流控制器。电流控制器需要实时准确估计无功电网阻抗，以控制参数，例如转换器增益。

对三相电力系统组件(例如，变压器、发电机、保护继电器)的功率控制分析通常应用模型表示不平衡相，该模型由三个对称分量组成：正序、负序和零序。简而言之，该模型很有用，因为非对称三相参数等于正序、负序和零序之和，它们中的每一个都是对称的、独立的并且因此更易于处理。有功电网阻抗估算方法与功率转换器的正常运行并行地向电网注入强制干扰或信号。有功电流注入会引起相位不平衡状况，对称分量分析可与此有关。但是，有功电流注入方法通常是侵入性的，且需要注入一定的系统扰动以便提取估计过程中所需的信息。这样的有功方法破坏了系统的有功曲线，这干扰了功率转换器设定点的操作并且可能不符合电网合规规范。

因此，转换器控制器要克服的问题包括保持有功功率曲线，以及适应不确定、随时间变化的电网阻抗的鲁棒性操作，以改善控制性能，从而以准确的电网阻抗估计来快速响应较小的工作点变化。必须在转换器在线运行期间确定电网阻抗的估算值。

发明内容

根据本公开的实施方式的各方面包括一种用于估计功率转换器控制器中的电网阻抗的系统和方法。该系统可以包括用于执行具有至少以下程序模块的系统存储器的程序模块的处理器。电流控制器被配置为在在线操作并在公共联接点(PCC)被联接到电网时注入注入电流，该注入电流对功率转换器的工作电流有益。电压控制器被配置为调节功率转换器的输入电压。阻抗模块被配置为确定注入电流的参数，包括注入间隔和持续时间、电流幅度、电流频率和对称分量。阻抗模块可以响应于注入电流提取在从先前工作点转移的工作点处的PCC处的电流和电压的测量值。阻抗模块可以提取电流和电压测量值的对称分量，并且基于所提取的对称分量来计算估计的电网阻抗。

附图说明

参照以下附图描述了当前实施方式的非限制性和非穷举性的实施方式，其中除非另有说明，否则在整个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

图1示出用于对电网的等效阻抗建模的示例的图。

图2示出根据本公开的实施方式的用于转换器控制器的算法结构的示例的框图。

图3示出根据本公开的一个或多个实施方式的用于估计电网阻抗的方法的示例的流程图。

图4示出根据本公开的一个或多个实施方式的演示了良性电流注入对电力输送的影响可忽略的仿真。

图5示出根据本公开的实施方式的演示了对分解的分量的过滤的仿真。

图6示出根据本公开的实施方式的演示了阻抗估计的快速响应的仿真。

图7示出根据本公开实施方式的通过仿真的阻抗估计结果。

具体实施方式

图1示出用于对电网的等效阻抗建模的示例的图。等效电网阻抗模型105包括有功阻抗R

图2示出根据本公开的实施方式的用于转换器控制器的算法结构的示例的框图。诸如图1中所示的转换器110的转换器可以包括转换器控制器205，其被配置为控制在PCC115处传输到电网的电压、电流和频率的调节。可以根据电网所给定的频率来控制频率控制。转换器控制器205可以包括处理器225以执行存储在存储器208中的模块化算法，例如电压控制器221、电流控制器222和阻抗模块210。输入电容器230可以被用于调节来自发电源125的DC电压(例如，光伏(PV)阵列电压)。电容器230的电压可以由电压控制器221控制，其监视电容器电压并将控制命令发送到电流控制器222以调节电流调节设定点，该电流调节设定点控制流向电网的期望电流。例如，电压控制器可以监视电容器230的电压并且向电流控制器222发送控制命令信号，以将电容器电压维持在可接受的范围内。逆变器235可以包括诸如MOSFET的开关装置，以将输入的DC电压逆变为三相AC电压。可以控制电流控制器222的增益g以确保电流控制器222的稳定运行，使得产生用于逆变器235的干净的正弦输出电压。例如，用于开关装置的驱动电压不应低于最小阈值。在转换器110的在线操作期间，电流控制器222提供正序输出以操作逆变器235。注入公共频率的正序电流以改变用于电网阻抗估计的工作点会对逆变器235的平衡控制造成干扰。作为该技术问题的解决方案，本公开的实施方式提出对工作电流I

可以根据电网阻抗来调节电流控制器222的参数(例如，增益和时间常数)。因此，需要对电网感应阻抗L

图3示出根据本公开的一个或多个实施方式的用于估计电网阻抗的方法的示例的流程图。参照图2所示的相应算法模块描述方法300的步骤。

在301处，数据集确定模块211可以为N组数据预分配存储器地址以储存在储存存储器230中，其中N对应于工作点。例如，在产生三组负序功率分量的实施方式中，数据集确定模块211可以设置N＝3，并且可以相应地分配存储器地址。

在302处，除了运行电流I

在303处，响应于良性注入电流，测量确定模块213可以在适当稳定周期之后的工作点转移来提取电网阻抗估计所需的测量值。例如，电网阻抗可能会基于电网电感对注入做出反应，且在PCC处测得的电压U

在304处，分解模块214可通过在DQ参考帧中的基于矢量的分析中的逆派克变换(英语：inverse Park transformation)来提取测量值的负序对称分量。例如，在应用负序注入的情况下，可以用负标称频率-f

在305处，滤波器和存储模块215可使所提取的对称分量通过一系列低通滤波器和陷波滤波器，以去除两倍于基频2f

在306处，阻抗估计模块216使用过滤的分量来在线计算估计的电网阻抗的显式解。

在307处，可以增加序列计数器，使得重复步骤302至306，直到已经分析了至少N个工作点为止。例如，在UPQ方法中，该序列可能需要至少N＝3个工作点，而在UI方法中，该序列可能需要至少N＝2个工作点。

在308处，阻抗估计模块216可以通过提供对n>N的额外工作点的分析，通过对步骤302至306的额外重复来完善阻抗估计的结果，以改进电网阻抗估计中的解决方案。

对于使用UPQ方法记录测量值的转换器控制器205，阻抗估计模块216可以求解针对所有N个工作点的电网等效模型组合的负荷流动方程。所产生的非线性最小二乘优化问题旨在求解以下方程：

(R,,|U

方程(1)

其中

U

U

R、X分别代表电网阻抗的实部和虚部

P、Q分别代表在PCC处测得的有功功率和无功功率。

可以使用以下步骤显式地求解方程(1)。

1a)可以简化上述目标函数方程(1)，其中n是工作点索引。可以通过减去方程对(n＝1,2)和(n＝1,3)来消除元素U

1b)减去圆方程得出线性方程。

1c)对于n＝1，将(1b)的线性方程结果代入方程(1)，并求解具有一个未知数的二次方程。

1d)可以将(1c)的结果代回到1b的线性方程中。

对于N＝3，(1a)的显式解是(1b)和(1c)。可替代地，对于大于N＝3个工作点，可以数值求解(1a)(即利用显式解)。显式解(1b)、(1c)的优点在于，对于在线解决方案，它可以轻松实现。

对于使用UI方法记录测量值的转换器控制器205，阻抗估计模块216可以为以下方程计算显式解。使用欧姆定律，可以针对两个不同的工作点n制定以下方程：

UPCC＝Z*I

其中

U

U

可以使用以下步骤显式地求解方程(2)。

(2a)减去针对n＝1和n＝2的两个方程，并根据以下方程计算Z：

Z＝[U

(2b)R和X可如下计算：

R＝Re{Z} 方程(4)

X＝IM{Z} 方程(5)

图4示出根据一个或多个实施方式的演示了良性电流注入对电力输送的可忽略影响的仿真。在401处，电流控制器输出DC正序电流(Id＝20A，Iq＝0)以控制逆变器。为引起工作点转移，使用图表402中所示的负序电流，其中Id和Ip进行了每0.2秒以±2A的幅度交替变化的相位切换，其中注入持续时间约为0.2秒。分别由有功功率P、无功功率Q和视在功率S的图表403、404、405表示输出功率，其中有功功率P的变化最小(大约±1.0％)。

图5示出根据本公开的实施方式的演示了对分解的分量的过滤的仿真。图表501示出由电流控制器输出的DC正序电流(Id＝20A，Iq＝0)以控制逆变器，例如，其中逆变器以20A的工作电流I

图6示出根据本公开的实施方式的演示了阻抗估计的快速响应的仿真。在图表601中，根据由电流Id和Iq的变化引起的电压差导出负序电压Vd和Vq。在图表602中，使用硬件实现来施加电感差，其中dL>600uH，以模拟电网阻抗变化，并且阻抗模块210估计电网电感为850uH，其中该结果在每个稳态的前100ms上平均。

图7示出根据本公开实施方式的通过仿真的阻抗估计结果。使用UPQ方法估算电网阻抗的结果产生了图701(电网电阻R

本公开的方法和系统以较小的工作点变化来产生对电网阻抗的更快和准确的估计(例如，在不到1秒内)，以实现更高的转换器控制性能。通过在低电流幅值变化方面较小的工作点变化，可以改善稳定时间。良性电流注入对输送的功率分量P和Q的影响可忽略不计，因为工作电流不会中断。基于良性电流注入的阻抗估计过程与电压和电流控制器(其以逆变器上正序电流运行)的操作解耦。

图2所示的阻抗模块210可以作为软件附件安装到功率转换器的任何控制器上，例如图1中的功率转换器110。现在参考图2描述可在其中实现本发明实施方式的计算环境。

处理器225可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或本领域中已知的任何其它处理器。更一般而言，本文所述的处理器是用于执行储存在计算机可读介质上的机器可读指令以执行任务的设备，并且可以包括硬件和固件中的任何一个或组合。处理器还可包括储存用于执行任务的可执行的机器可读指令的存储器。处理器通过操纵、分析、修改、转换或传递供可执行过程或信息设备使用的信息，和/或通过将信息路由到输出设备来对信息起作用。处理器可以例如使用或包括计算机、控制器或微处理器的能力，并且可以使用可执行指令来进行调节，以执行通用计算机没有执行的特殊目的功能。处理器可以包括任何类型的合适处理单元，包括但不限于中央处理单元、微处理器、精简指令集计算机(RISC)微处理器、复杂指令集计算机(CISC)微处理器、微控制器、应用程序专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、数字信号处理器(DSP)等。此外，处理器820可以具有任何合适的微体系结构设计，包括任何数量的组成组件，诸如，例如寄存器、路复用器、算术逻辑单元、用于控制对高速缓存存储器的读/写操作的高速缓存控制器、分支预测器或类似的。处理器的微体系结构设计可能够支持多种指令集中的任何一种。处理器可以与能够在其间进行交互和/或通信的任何其它处理器联接(电联接和/或包括可执行组件)。用户界面处理器或生成器是包括用于生成显示图像或其一部分的电子电路或软件或两者的组合的已知元件。用户界面包括一个或多个使得用户能够与处理器或其它设备进行交互的显示图像。

系统总线206可以包括系统总线、存储器总线、地址总线或消息总线中的至少一种，并且可以允许在转换器控制器205的各个组件之间交换信息(例如，数据(包括计算机可执行代码)、信令等)。系统总线206可以包括但不限于存储器总线或存储器控制器、外围总线、加速图形端口等。系统总线206可以与任何合适的总线架构相关联，包括但不限于工业标准架构(ISA)、微通道架构(MCA)、增强型ISA(EISA)、视频电子标准协会(VESA)架构、加速图形端口(AGP)架构、外围组件互连(PCI)架构、PCI Express架构、国际个人计算机存储卡协会(PCMCIA)架构、通用串行总线(USB)架构等。

转换器控制器205还可以包括联接到系统总线206的系统存储器208，用于储存信息和待由处理器225执行的指令。系统存储器208可包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机可读储存介质，例如只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。RAM可以包括其它动态储存设备(例如，动态RAM、静态RAM以及同步DRAM)。ROM可以包括其它静态储存设备(例如，可编程ROM、可擦除PROM和电可擦除PROM)。另外，系统存储器208可用于在处理器225执行指令期间储存临时变量或其它中间信息。可以在ROM 831中储存基本输入/输出系统(BIOS)，该基本输入/输出系统包含诸如在启动期间帮助在转换器控制器205内的元件之间传递信息的基本例行程序。RAM可以包含数据和/或程序模块，它们可以被处理器225立即访问和/或当前被其操作。系统存储器208可以附加地包括例如操作系统、应用程序和其它程序模块。

操作系统可以被加载到存储器208中，并且可以提供在转换器控制器205上执行的其它应用软件与转换器控制器205的硬件资源之间的接口。更具体地，操作系统可以包括一组用于管理转换器控制器205的硬件资源以及向其它应用程序提供公共服务(例如，管理各种应用程序之间的存储器分配)的计算机可执行指令。在某些示例实施方式中，操作系统可以控制被描绘为储存在数据存储器227中的一个或多个程序模块的执行。操作系统可以包括现在已知或将来可以开发的任何操作系统，包括但不限于任何服务器操作系统、任何大型机操作系统或任何其它专有或非专有操作系统。

转换器控制器205可以响应于处理器225执行包含在诸如系统存储器208的存储器中的一个或多个指令的一个或多个序列，来执行本发明实施方式的一部分或全部处理步骤。这样的指令可以从诸如可以包含一个或多个本发明的实施方式使用的数据储存器和数据文件的存储存储器227的另一计算机可读介质读取到系统存储器208中。数据储存器可包括但不限于数据库(例如，关系型、面向对象等)、文件系统、平面文件、分布式数据储存器(其中数据被储存在计算机网络的多个节点上)、点对点网络数据储存器等。处理器225还可以用在多处理装置中以执行系统存储器208中包含的一个或多个指令序列。在替代实施方式中，可以使用硬连线电路代替软件指令或与软件指令结合。因此，实施方式不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

如上所述，转换器控制器205可以包括至少一个计算机可读介质或存储器，用于保存根据本发明的实施方式编程的指令并且用于包含本文描述的数据结构、表、记录或其它数据。如本文所使用的术语“计算机可读介质”是指参与向处理器225提供指令以供执行的任何介质。计算机可读介质可以采用许多形式，包括但不限于非暂时性、非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质的非限制性示例包括光盘、固态驱动器、磁盘和磁光盘，例如磁性硬盘或可移动介质驱动器。易失性介质的非限制性示例包括动态存储器，例如系统存储器208。传输介质的非限制性示例包括同轴电缆、铜线和光纤、包括构成系统总线206的线。传输介质也可以采用声波或光波的形式，例如在无线电波和红外数据通信过程中产生的那些。

用于执行本公开的操作的计算机可读介质指令可以是汇编程序指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据或以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，该编程语言包括面向对象的编程语言，例如Smalltalk、C++等，以及常规的过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上执行，部分在用户计算机上执行，作为独立软件包执行，部分在用户计算机上并且部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种场景中，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户的计算机，或者可以与外部计算机建立连接(例如，使用Internet服务提供商通过Internet)。在一些实施方式中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来使电子电路个性化，从而执行计算机可读程序指令，以便执行本公开的各方面。

本文参考根据本公开的实施方式的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应该理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读介质指令来实现。

转换器控制器205可以使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接在联网环境中操作。例如，远程计算设备可以是个人计算机(笔记本电脑或台式机)、移动设备、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其它公共网络节点，并且通常包括上述相对于转换器控制器205的许多或全部元件。当在网络环境中使用时，转换器控制器205可以包括用于通过诸如因特网的网络建立通信的调制解调器。调制解调器可以经由用户网络接口或经由另一种适当的机制连接至系统总线206。

联网环境可以是本领域中通常已知的任何网络或系统，包括因特网、内联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)、直接连接或一系列连接，蜂窝电话网络或能够促进转换器控制器205与其它计算机之间的通信的任何其它网络或介质。网络可以是有线的，无线的或其组合。可以使用以太网、通用串行总线(USB)、RJ-6或本领域通常已知的任何其它有线连接来实现有线连接。可以使用Wi-Fi、WiMAX和蓝牙、红外、蜂窝网络、卫星或本领域通常已知的任何其它无线连接方法来实现无线连接。另外，几个网络可以单独工作或彼此通信以促进网络中的通信。

应当理解，图2中所描述的存储在系统存储器208中的程序模块、应用程序、计算机可执行指令、代码等仅是示例性的，并且不是穷举性的，并且被描述为受任何特定模块支持的处理可以替代地分布在多个模块中或由不同模块执行。另外，可以提供各种程序模块、脚本、插件、应用程序编程接口(API)、或本地托管在转换器控制器205、远程设备和/或托管在可通过一个或多个网络访问的其它计算设备上的任何其它合适的计算机可执行代码，以支持程序模块、应用程序或计算机可执行代码提供的功能和/或其它或替代功能。此外，功能可以被不同地模块化，使得描述为程序模块集合共同支持的处理可以由更少或更多数量的模块来执行，或者被描述为由任何特定模块支持的功能可以至少部分地由另一模块支持。另外，支持本文所描述功能的程序模块可以形成一个或多个可以根据任何合适的计算模型(例如客户端-服务器模型、点对点模型等)在任何数量的系统或设备上执行的应用程序的一部分。另外，被描述为由图2中描绘的任何程序模块支持的任何功能可以至少部分地在任意数量的设备上以硬件和/或固件来实现。

如本文所使用的，可执行应用程序包括用于调节处理器以实现预定功能的代码或机器可读指令，例如操作系统、上下文数据采集系统或其它信息处理系统的代码或机器可读指令，例如，响应用户命令或输入。可执行过程是用于执行一个或多个处理的代码段或机器可读指令、子例程或代码的其它不同部分或可执行应用的一部分。这些处理可包括接收输入数据和/或参数，对接收的输入数据执行操作和/或响应于接收的输入参数执行功能，以及提供结果输出数据和/或参数。

本文的功能和处理步骤可响应于用户命令自动地或全部地或部分地执行。响应于一个或多个可执行指令或设备操作执行自动执行的活动(包括步骤)而无需用户直接启动活动。

附图的系统和处理不是唯一性的。可根据本发明的原理导出其它系统、处理和菜单以实现相同的目的。尽管已经具体特定实施方式描述了本发明，但是应该理解，本文示出和描述的实施方式和变化仅用于说明目的。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可实现对当前设计的修改。如本文所述，可使用硬件组件、软件组件和/或其组合来实现各种系统、子系统、代理、管理器和处理过程。本文中的任何权利要求元素都不应根据35U.S.C 112(f)的规定来解释，除非使用短语“用于......装置”明确叙述该元素。