用于检测供给电网中的电压的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种根据基波和至少一个谐波的幅值和相位来检测三相供给电网中的电压的方法，所述方法包括下述步骤：测量所述供给电网的三相电压；将所测量的电压值变换为极坐标，所述极坐标具有代表所述基波的旋转电压相量，作为所测量的参考相量；并且借助于状态观测器分别观测代表所述基波的至少一个电压相量的值和代表待检测的至少一个谐波的至少一个电压相量的值；以及根据所述所测量的参考相量来跟踪所观测的所述值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测供给电网中的电压的方法和设备
本专利技术涉及一种用于根据基波和至少一个谐波的幅值和相位来检测三相供给电网中的电压的方法。此外，本专利技术涉及一种用于补偿供给电网中的谐波的方法，尤其基于根据本专利技术的检测来补偿。此外，本专利技术不仅涉及一种用于检测电压的设备而且涉及一种用于补偿谐波的设备。本专利技术还涉及一种风能设备，在所述风能设备中执行一个或多个这种方法或者在所述风能设备中安装一个或多个这种设备。
技术介绍
为了将电功率馈入到通常三相地构建的供给电网中，需要根据幅值和相位检测电压，这也隐含检测或了解频率。检测这种电压的要求越来越高，这尤其也涉及用于检测变化的速度。用于快速且精确地检测电压的幅值和相位的方法例如在美国专利8,981,755中描述。除此之外，特别借助于以全控变流器设计方案工作的风能设备可行的是，针对性地使馈入的电功率的质量与电网中的不对称性匹配，所述全控变流器设计方案亦即风能设备的电功率完全经由逆变器馈入到电网中。馈入不对称三相电流的一个实例在美国申请US2013/0141951中描述。在那里使用对称分量法。在此，正序的电流分量和负序的电流分量彼此无关地产生并随后叠加为所期望的不平衡的电流并且馈入。这种馈电的质量最终也取决于不对称性的检测质量。在此，需注意的是，目前为止，供给电网方面的设计方案如是进行，即具有处于主导的、直接与电网耦合的同步发电机的大型发电厂基本上通过同步发电机的电流的支配性已确定电压的质量并且尤其确定电压的对称性。虽然长久以来已经存在有针对性地补偿不对称性的初始考虑，如例如从美国专利6,924,627中所获悉的那样，但是仍然保持在上文中所描述的原理，尤其是因为大型发电厂的所描述的同步发电机只能够被动地通过其设计而无法通过主动控制来完成这种补偿。此外，在现代能量系统中，生成单元和消耗器日益经由频率变换器或整流器连接到输电网或配电网上。由于这种功率电子系统的进行开关的部件产生在理想情况中为正弦状的50Hz或者60Hz的交变电压受频率范围高达大约10kHz的谐波干扰。这些谐波以加负荷的方式作用于能量系统中的不同的运行机构并因此在过高地出现时通过有源滤波器或者无源滤波器衰减。风能设备在一些能量系统中已经提供所产生的能量的大部分。所述风能设备常常部分主要通过频率变换器与电网连接并因此在最糟糕的情况下同样贡献着电网中的谐波。德国专利商标局在本PCT申请的优先权申请中已检索到下述现有技术：DE10032447A1、US2012/0150468A1、US2014/0307488A1、EP2223405B1。AzamBagheri等人的“DetectionofGridVoltageFundamentalandHarmonicComponentsUsingKalmanFilterandGeneraliziedAveragingMethod”，MingSun等人的“ExtendedKalmanFilterBasedGridSynchronizationinthePresenceofVoltageUnbalanceforSmartGrid”和RobertR.Bitmead等人的“AKalmanFilteringApproachtoShort-TimeFourierAnalysis”。
技术实现思路
本专利技术因此基于下述目的：解决这些所提到的问题中的至少一个，特别是提出改进方案。尤其是，要提出如下解决方案，所述解决方案实现电网改进包括补偿电网中的谐波在内的可行性。至少要提出相对于目前已知的解决方案替选的解决方案。根据本专利技术提出一种根据权利要求1所述的方法。据此根据基波和至少一个谐波的幅值和相位检测三相供给电网中的电压。在此，例如也将供给电网理解为配电网。原则上这涉及如下电网，在所述电网上连接有许多电力生产商和电力消费者。首先测量供给电网的三相电压。所测量的三相电压随后被变换成极坐标，使得产生基波的旋转电压相量。该旋转电压相量被称为所测量的参考相量并且相应地后续也被使用。所述变换例如能够如也在美国专利8,981,755中所描述的那样进行。此外，基波的至少一个电压相量和待检测的谐波的至少一个电压相量的值分别借助于状态观测器来观测。这表示控制技术意义下的状态观测器。所观测的值现在根据所测量的参考相量来跟踪。换言之，基于如下观测器模型，所述观测器模型为了表示电网电压基于至少一个基波和至少一个谐波并且分别使用至少一个电压相量。所测量的系统利用基波的电压相量表示，其中由于持续的测量和变换，该电压相量也会在幅值和相位方面改变。用于跟踪观测器的比较尤其经由如下方式进行：将极坐标中的该测量值即出自测量的这一个旋转电压相量的值与观测器所基于的所有电压相量的总和进行比较。优选地，状态观测器根据所检测的电网频率工作，其中所检测的电网频率作为输入变量输入到状态观测器中。据此提出：状态观测器并非作为待观测的并且可选地要追踪的状态来观测电网频率，而是采用频率的被检测的并且输入给所述观测器的值作为给定并且以其为基础。由此能够实现稳定性改进或者换言之实现对观测的稳定，因为对每个被观测的旋转电压相量有影响的或者作为这种电压相量的特征性变量的频率是不变的变量。观测器能够在观测时专注于幅值和相位并从而排除一方面为频率而另一方面为幅值和相位之间的可能的干扰性的或者甚至危害稳定性的相互作用。根据一个实施方式提出，状态观测器借助于当前的观测器矩阵来观测电压相量的值并且根据所检测的电网频率从多个预先计算的观测器矩阵中选出当前的观测器矩阵。应指出的是，在此术语“Matrix”和“Matrize(矩阵)”同义地使用。这种观测器矩阵是观测器结构中的已知的部件并且基本上具有下述目的：根据比较测量值跟踪所观测的状态。在此，参考相量用作为比较测量值。在此，为了在观测时考虑变化的频率，计算与频率相关的观测器矩阵会是非常耗费的。所述耗费在某些情况下会超过在预设的时间步长中微控制器的可支配的计算能力，使得计算无法以所需要的时钟频率进行。通过使用之前所计算的观测器矩阵能够降低该耗费，所述观测器矩阵随后与频率相关地，也就是说，尤其与当前分别检测的频率相关地被选出。由此，对频率变化的这种考虑有时才完全是可行的。对于一些频率而言不存在预定的观测器矩阵，这也是频率检测精确性的问题，在这些频率中该观测器矩阵能够通过在两个观测器矩阵之间插值来确定。优选地，将卡尔曼滤波器用作为状态观测器。就此而言，在对状态的当前观测中也指的是滤波或者将状态观测器称为滤波器。通过使用卡尔曼滤波器，观测或滤波特别良好地适合考虑干扰，特别是测量噪声，也就是说，滤掉干扰，特别是测量噪声。根据一个实施方式提出，通过状态观测器检测直流分量并且针对待检测的电压的基波和每个待检测的谐波分别检测正序和负序。由此也能够通过状态观测器考虑和检测三相电压的不对称性。即使不存在显著的不对称性，这在测量之前不一定是已知的，也能够执行负序的这种检测。可选地，负序的份额相应小地产生。由此在检测正序和负序时基于对称分量法意义下的观测。优选地，对于直流分量而言基于一个电压相量，而对于基波和对于每个待检测的谐波而言分别基于两个电压相量并且观测其值，使得亦即分别采用正序的电压向量和负序的电压相量。对于直流分量而言也能够合理地采用两个值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种根据基波和至少一个谐波的幅值和相位来检测三相供给电网中的电压的方法，所述方法包括下述步骤：‑测量所述供给电网的三相电压，‑将所测量的电压值变换为极坐标，所述极坐标具有代表所述基波的旋转电压相量，作为所测量的参考相量，以及‑借助于状态观测器分别观测代表所述基波的至少一个电压相量的值和代表待检测的至少一个谐波的至少一个电压相量的值，‑根据所述所测量的参考相量来跟踪所观测的值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.24 DE 102015112155.71.一种根据基波和至少一个谐波的幅值和相位来检测三相供给电网中的电压的方法，所述方法包括下述步骤：-测量所述供给电网的三相电压，-将所测量的电压值变换为极坐标，所述极坐标具有代表所述基波的旋转电压相量，作为所测量的参考相量，以及-借助于状态观测器分别观测代表所述基波的至少一个电压相量的值和代表待检测的至少一个谐波的至少一个电压相量的值，-根据所述所测量的参考相量来跟踪所观测的值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态观测器根据所检测的电网频率来工作并且将所述所检测的电网频率作为输入变量输入到所述状态观测器中。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述状态观测器借助于当前的观测器矩阵观测所述电压相量的值，并且根据所检测的电网频率从多个预先计算的观测器矩阵中选出当前的所述观测器矩阵。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用卡尔曼滤波器作为状态观测器。5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对所述基波并且针对每个待检测的谐波分别通过状态观测器检测正序和负序，并且可选地检测直流分量。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对所述基波并且针对每个待检测的谐波分别以用于正序的电压相量和用于负序的电压相量为基础并且观测所述电压相量的值，并且可选地针对直流分量以电压相量为基础并且检测其值。7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在连接到所述供给电网上的变压器上，尤其在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·施特拉菲尔，森克·恩格尔肯，因戈·麦肯森，斯特凡·格特耶格德斯，
申请(专利权)人：乌本产权有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE