具有有功无功功率解耦补偿机制的能量转换系统和方法技术方案

本发明专利技术揭示能量转换系统，包括直流母线、变流器模块、及变流器控制模块。直流母线，用于接收来自于电源的直流电。变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电。变流器控制模块包括有功功率调节器、无功功率调节器及有功无功功率解耦单元。该有功功率调节器根据有功功率指令和反馈信号产生相位角指令信号。该无功功率调节器根据无功功率指令和反馈信号产生电压幅值指令信号。该有功无功功率解耦单元包括有功及无功功率补偿项。该有功功率补偿项根据无功功率误差信号产生用于补偿相位角指令信号的相位角补偿信号，该无功功率补偿项根据有功功率误差信号产生用于补偿电压幅值指令信号的电压幅值补偿信号。本发明专利技术还揭示有能量转换方法。

【技术实现步骤摘要】
具有有功无功功率解耦补偿机制的能量转换系统和方法
本专利技术公开的实施方式涉及能量转换系统和方法，以向电力系统提供电能，特别涉及一种能量转换系统的有功功率与无功功率的去耦补偿机制和方法。
技术介绍
基本而言，在全世界范围内，通过可再生能源发电系统，例如光伏发电系统产生的电能，其所占据的份额越来越显著。一般的光伏发电系统包括一个或者多个光伏阵列，其中每个光伏阵列又包括多个相互连接的光伏电池单元，该光伏电池单元可以将太阳辐射能转换成直流电能。为了实现光伏阵列的并网发电，通常会使用变流器模块将光伏阵列产生的直流电能转换成可供电网传输的交流电能。现有的供光伏发电系统使用的变流器模块的架构有多种形式。其中一种为二级式的结构，其包括一个直流-直流变流器和一个直流-交流变流器。该直流-直流变流器控制从光伏阵列到直流母线间的直流电能的传输。该直流-交流变流器则将输送到直流母线上的直流电能转换成可供电网传输的交流电能。通常，现有的光伏发电系统还具有一个变流器控制模块，其用于通过控制信号控制直流-直流变流器和一个直流-交流变流器的运作，并对各种系统变量，例如直流母线电压，交流电网电压和频率等变量作补偿控制。在正常并网发电的过程中，如基于电压源控制（voltagesourcecontrol,VSC）的能量转换系统通常被设计成模拟一个同步发电机。根据电力传输理论，该能量转换系统中的一个基本的控制回路包括一个有功功率回路及一个无功功率回路，且该基本的控制回路的设计是基于忽略变流器与电网之间的电阻的情况下建立的。当电网阻抗及发电系统主电路中的电阻足够小时，有功功率与无功功率可以被认定为是非耦合的关系。但是，在真实的系统中，虚拟阻抗往往被加入到控制回路中，以提高系统的稳定性。如此，基于上述电阻包括实际的及虚拟的电阻的存在，有功功率与无功功率将会深度的耦合在一起相互影响。也就是说，当控制其中一个时，另外一个也随之变化，这样会降低系统的稳定性。因此，有必要提供一种改进的能量转换系统和方法以解决上述技术问题。
技术实现思路
有鉴于上述提及之技术问题，本专利技术的一个方面在于提供一种能量转换系统。该能量转换系统包括：直流母线，用于接收来自于电源的直流电；变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电；及变流器控制模块，用于调节该变流器模块的功率，该变流器控制模块包括：有功功率调节器，根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生相位角指令信号；无功功率调节器，根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生电压幅值指令信号；及有功无功功率解耦单元，用于去除有功功率与无功功率之间的耦合干扰，该有功无功功率解耦单元包括：有功功率补偿项，根据无功功率误差信号产生用于补偿该相位角指令信号的相位角补偿信号；及无功功率补偿项，根据有功功率误差信号产生用于补偿该电压幅值指令信号的电压幅值补偿信号。本专利技术的另一个方面在于提供一种操作能量转换系统的方法。该方法包括：根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生相位角指令信号；根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生电压幅值指令信号；及根据无功功率误差信号产生用于补偿该相位角指令信号的相位角补偿信号；根据有功功率误差信号产生用于补偿该电压幅值指令信号的电压幅值补偿信号；及基于该补偿后的相位角指令信号及补偿后的电压幅值指令信号产生控制信号，以在该控制信号的作用下驱动该变流器模块工作。本专利技术提供的能量转换系统及方法，通过加入该有功无功功率解耦单元可提供一个用于补偿相位角指令信号的相位角补偿信号及提供一个用于补偿该电压幅值指令信号的电压幅值补偿信号。经过补偿后的相位角指令信号及电压幅值指令信号可有效消除有功功率与无功功率之间耦合干扰，提高系统的稳定性。附图说明通过结合附图对于本专利技术的实施方式进行描述，可以更好地理解本专利技术，在附图中：图1所示为光伏能量转换系统的一种实施方式的模块示意图。图2所示为图1所示的网侧控制器的一种实施方式的控制框图。图3所示为图2所示的网侧控制器中有功功率调节器与有功功率补偿项的一种实施方式的控制框图。图4所示为图2所示的网侧控制器中有功功率调节器与有功功率补偿项的另一种实施方式的控制框图。图5所示为图2所示的网侧控制器中无功功率调节器与无功功率补偿项的一种实施方式的控制框图。图6所示为图2所示的网侧控制器中无功功率调节器与无功功率补偿项的另一种实施方式的控制框图。图7所示为图2所示的网侧控制器中无功功率调节器与无功功率补偿项的再一种实施方式的控制框图。图8a及8b分别所示为图2所示网侧控制器在未设有及设有有功无功功率解耦单元，有功功率指令变化时，有功功率和无功功率的反馈信号仿真图。图9a及9b分别所示为图2所示网侧控制器在未设有及设有有功无功功率解耦单元，无功功率指令变化时，有功功率和无功功率的反馈信号仿真图。图10所示为图1所示的网侧控制器的另一种实施方式的控制框图。具体实施方式本专利技术揭露的一个或者多个实施方式涉及有功功率与无功功率解耦补偿机制（或简称有功无功功率解耦补偿机制），以用于处理能量转换系统并网发电过程中有功功率与无功功率互相耦合干扰的问题。更具体而言，在一种实施方式中，在此描述的有功功率与无功功率解耦补偿机制结合电压源控制（VoltageSourceControl，VSC）架构或者算法来具体执行。在此所谓的“电压源控制架构或者算法”是指在一种具体的实施方式中其主要的控制变量包括交流侧电压指令如电压幅值指令和相位角指令之相关控制机制。在一些实施方式中，该有功功率与无功功率解耦补偿机制还可以结合电流限制机制或相位跳变补偿机制等来执行。这里所谓的“电流限制机制”是指根据预定的电流阈值限制经过负序电流补偿机制调节后的电压指令信号，以进一步限制能量转换系统输出的电流，以保护能量转换系统的内部器件。这里所谓的“相位跳变补偿机制”是指实时追踪电网中的相位跳变信息，并提供该相位跳变信息对系统进行相应的相位补偿。在其他实施方式中，该有功功率与无功功率解耦补偿机制还可以结合其他补偿机制来共同保证系统的稳定工作。以下将描述本专利技术的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本专利技术公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的
技术实现思路
的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“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。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量转换系统，其特征在于：该能量转换系统包括：直流母线，用于接收来自于电源的直流电；变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电；及变流器控制模块，用于调节该变流器模块的功率，该变流器控制模块包括：有功功率调节器，根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生相位角指令信号；无功功率调节器，根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生电压幅值指令信号；及有功无功功率解耦单元，用于去除有功功率与无功功率之间的耦合干扰，该有功无功功率解耦单元包括：有功功率补偿项，根据无功功率误差信号产生用于补偿该相位角指令信号的相位角补偿信号；及无功功率补偿项，根据有功功率误差信号产生用于补偿该电压幅值指令信号的电压幅值补偿信号。

【技术特征摘要】
1.一种能量转换系统，其特征在于：该能量转换系统包括：直流母线，用于接收来自于电源的直流电；变流器模块，用于将该直流母线上的直流电转换成交流电；及变流器控制模块，用于调节该变流器模块的功率，该变流器控制模块包括：有功功率调节器，根据有功功率指令信号和有功功率反馈信号产生相位角指令信号；无功功率调节器，根据无功功率指令信号和无功功率反馈信号产生电压幅值指令信号；及有功无功功率解耦单元，用于去除有功功率与无功功率之间的耦合干扰，该有功无功功率解耦单元包括：有功功率补偿项，根据无功功率误差信号产生用于补偿该相位角指令信号的相位角补偿信号；及无功功率补偿项，根据有功功率误差信号产生用于补偿该电压幅值指令信号的电压幅值补偿信号。2.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该无功功率误差信号等于无功功率指令信号与无功功率反馈信号的差值，或等于无功功率反馈信号在不同时间点的差值；该有功功率误差信号等于有功功率指令信号与有功功率反馈信号的差值，或等于有功功率反馈信号在不同时间点的差值。3.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该有功功率补偿项包括一个第一比例环节，该无功功率补偿项包括一个第二比例环节。4.如权利要求3所述的能量转换系统，其特征在于：该第一比例环节的比例系数K1＝-R/VA*VB*cos(θA-θB)，该第二比例环节的比例系数K2＝R/VA*cos(θA-θB)，其中，R为一个设定点A与一个设定点B之间的阻值，VA为该设定点A处的电压值，VB为该设定点B处的电压值，θA为电压向量VA的相位角，θB为电压向量VB的相位角。5.如权利要求4所述的能量转换系统，其特征在于：该第一比例环节的比例系数K1＝-R/V2Base，该第二比例环节的比例系数K2＝R/VBase，其中VBase为电压基值。6.如权利要求3所述的能量转换系统，其特征在于：该有功功率补偿项还包括一个限制器，该无功功率补偿项还包括一个限制器。7.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该有功功率调节器包括：第一求和元件，用于将该有功功率指令信号和有功功率反馈信号相减，以提供有功功率误差信号；功率调节器，根据该有功功率误差信号产生频率指令信号；相位角产生器，根据该频率指令信号产生相位角指令信号；及第二求和元件，用于将该相位角指令信号与该相位角补偿信号相加，以得到一个补偿后的相位角指令信号。8.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该无功功率调节器包括：第一求和元件，用于将该无功功率指令信号和无功功率反馈信号相减，以提供无功功率误差信号；无功调节器，根据该无功功率误差信号产生一个测试点电压指令信号；第二求和元件，用于将该测试点电压指令信号和测试点电压反馈信号相减，以提供测试点电压误差信号，还进一步将该电压幅值补偿信号加入该测试点电压误差信号中，以产生了补偿后的测试点电压误差信号；及电压调节器，根据该补偿后的测试点电压误差信号产生该补偿后的电压幅值指令信号。9.如权利要求1所述的能量转换系统，其特征在于：该无功功率调节器包括：第一求和元件，用于将该无功功率指令信号和无功功率反馈信...

【专利技术属性】
技术研发人员：邬心慧，刘姣，侯丹，邬雪琴，谭卓辉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US