技术领域
[0001] 本发明涉及噪声电压信号中的基波分量（fundamental component）的估计的领域。具体地，本发明涉及用于确定AC电压的基波分量的方法和控制器以及涉及用于基于所确定的基波分量而对电转换器进行控制的方法。
相关背景技术
[0002] 中电压驱动器包含功率/频率转换器，在各种部分中使用这些转换器，以对各种各样的机器和过程进行驱动。
[0003] 电转换器的基本特征是功率流和能量存储。例如，电转换器可以从三相AC功率源（诸如输电网）吸收功率，使用电容器或电感器来将该功率存储为以DC形式的能量，并且最终使此存储的能量转换回到AC形式，且对电机（诸如电马达（electrical motor））进行驱动。例如，当收获风能时，还可以使此功率流反向，即，风力涡轮可以使机械功率转换成电功率，该电功率被整流和存储。最终，可以使所存储的DC能量逆变，且以AC形式馈送回到电网。此外，至少在整流器侧和/或逆变器侧使功率流交替对于短时间段也是可能的，以允许中电压驱动器的额外的可控性。
[0004] 功率流的控制可以基于在中电压驱动器与电网的连接点的AC电压的基波分量的估计。例如，在US 2014/0043014 A1中，以复杂的方式对AC电压的测量信号进行过滤，以对AC电压的基波分量进行估计。
[0005] 2012年8月1日在美国新泽西州皮斯卡塔韦镇IEEE服务中心发布的IEEE工业电子汇刊第59卷第8期的“Frequency Adaptive Least-Squares Kalman Technique for Real-Time Voltage Envelope and Flicker Estimation”提供了用于对AC电压的基波分量进行估计的方法。在US 2012/0253742 A1中也公开了用于对AC电压的基波分量进行估计的方法。
[0006] 在EP 2 623 997 A1中，描述了用于确定与电装置的操作相关联的电量的相位和频率的方法和设备。
具体实施方式
[0055] 图1示出转换器系统10，其包含由控制器14控制的电转换器12。电转换器12连接到输电网16或等效的功率源，并且，包含变压器18、整流器20以及DC链路22，DC链路22可以包含电容器的库（bank）。DC链路22可以连接到负载，像逆变器与电马达的组合。还可以可能的是DC链路经由逆变器而连接到发电机，即，有可能在转换器系统10中存在从电网16到DC链路22的或反之亦然从DC链路22到电网16的功率流。
[0056] 输电网16可以向电转换器12（且具体地，变压器18）供给三相AC电压Vpcc，其（在变换之后）被供给到整流器20，整流器20产生被供给到DC链路22的DC电压。
[0057] 控制器14可以适应于对电转换器14（且具体地，整流器20，其可以是有源整流器）进行控制。此外，控制器14可以适应于对连接到DC链路22的逆变器进行控制。
[0058] 具体地，控制器14可以适应于使DC链路22中的所存储的能量稳定于预先指定的级别。在存在对于从DC链路22提取（withdrawal）功率的各种请求的情况下，控制器14可以考虑从DC链路22汲取（draw）有限的功率。例如，这是全功率转换器的情况，其中DC链路22连接到逆变器，该逆变器使DC电压转换成AC电压，以便对电机进行驱动。
[0059] 为了能够将能量存储维持于某一预先指定的级别，控制器14可以对从电网/源16汲取的有功功率进行控制。控制器14的此后一功能性可以依赖于在公共耦合点的电压Vpcc的基波分量 的知识。基波分量不可测量，而必须从所测量的AC电压Vpcc而估计，该AC电压由下式给出：其中， 是测量信号的基波分量，并且， 包含存在于该信号中的所有谐波。典型地，
其中， 是第k个谐波分量。信噪比
由于切换频率的有限的值而通常在中电压转换器12中相当高。
[0060] 控制器14适应于确定基波分量 的估计 ，将相对于图2而对此进行描述。
[0061] 图2示出针对用于基于测量信号Vpcc而确定所估计的基波分量 的方法的流程图。
[0062] 必须注意到，AC电压Vpcc和所估计的基波分量 可以是向量，例如，在三相电压的情况下是三分量向量。向量Vpcc和 可以被看作多个单独的AC电压和多个单独的所估计的基波分量。
[0063] 在步骤S10中，接收AC电压Vpcc的随时间变化的测量信号。例如，可以在转换器12与输电网/源16的公共耦合点测量AC电压Vpcc。
[0064] 例如，在公共耦合点（PCC），可以测量三相AC电压Vpcc，随后可以将三相AC电压Vpcc通过Clarke变换而Clarke变换成xy或αβ固定系：照此，且无任何一般性损失，我们应当进行xy平面中的推导，但对于abc分量同样如此。
[0065] 用于从AC电压Vpcc的所测量的信号提取/估计基波分量 的方法基于代价函数J。
[0066] 具体地，方法所基于的优化问题为：，服从：
（1）
其中，J是要被最小化的二次代价函数，h是我们假设代价函数所在的时间范围或窗（几毫秒的区间内），λ≥0是连续性/凸化权因子， 和 是调制指数，并且，所估计的向量 的x和y分量中的相移是采样时间（通常几十毫秒），并且， 是在先前时步（k-1）Ts计算的先前估计的基波分量。
[0067] 代价函数J基于测量信号Vpcc与基波分量 之间的差的范数经由时间范围h的积分，该时间范围起始于实际时间点kTs，且经由预定义长度而返回。
[0068] 必须注意到，在优化问题（1）中，基波分量 具有额定频率ω、可变幅值 以及可变相移 。然而，为了对优化问题（1）进行求解，不使用变量 和 ，而是使用其它参数。
[0069] 具体地，可以通过使用三角恒等式来将基波分量 改写为下式来使优化问题（1）简化： （2）
其中， 是与变量 和 非线性相关的基波分量 的参数的另一集合。在
（2）中，对于任何两个矩阵A和B，Kronecker乘积被定义为：
。
[0070] 利用该参数化，可以将优化问题（1）变换成下文的（几乎）等效的问题（其中，同样地已重新定义权λ）：使
（3）最小化。
[0071] 因此，在步骤S12中，利用参数 来使AC电压Vpcc的基波分量 参数化。
[0072] 当由下式定义代价函数矩阵：且由下式定义代价函数向量：
时，
代价函数J能够被改写为：
其中，c是不取决于参数 的项。
[0073] 以这样的方式，已在标准二次形式或二次规划（在此，具有平凡约束）中计算优化问题。
[0074] 在存在另外的约束的情况下，可以由控制器14对该二次规划进行在线地求解。
[0075] 备选地，二次规划的最优（无约束的）求解通过设置 而计算，并且，由下式给出： （4）
重要的是，注意到，逆代价函数矩阵H（kTs）-1存在并且随着我们增大h和λ的值在数值上变得更稳定。
[0076] 在方法的步骤S14中，基于通过对二次规划进行在线地求解或通过使用已分析地确定的方程（4）使代价函数J最小化来确定基波分量的参数 的最优值 。
[0077] 在步骤S18中，在最优值 的估计之后，可以从最优估计值 而运算基波分量和/或基于基波分量的至少一些特定量。参数 的（2）中的所估计的最优值 的定义可以用于将在时步kTs的幅值和/或相移作为下式而得到：此外，所估计的向量 的所估计的幅度可以通过下式而运算：
另外，对应的所估计的角可以通过下式而运算：
为了得到所估计的旋转速度 或所估计的频率（即，所估计的基波旋转频率），可以取角的离散导数，即，
重要的是，注意到，存在依赖于作为对于控制的量的所谓虚拟通量（flux）的方法，对于此类方法，能够容易地通过下文的操作而创建通量估计：
此外，必须注意到，基波分量 的x和y分量以及abc分量可以被视为单独的估计问题，即，可以使这些分量独立于彼此而优化。以该方式，多维优化问题被分成两个或更多个同样的较低维的优化问题。
[0078] 图3示出用于确定基波分量 的最优估计 的可以由控制器14实现的控制方案。
[0079] 积分器块24可以接收AC电压Vabc的测量信号，并且，可以如上文相对于步骤S10而描述的来对测量信号进行变换。
[0080] 此外，积分器块24可以接收如上文中相对于步骤S12而定义的参数化的代价函数矩阵H（kTs）和代价函数向量f（kTs）中所使用的正弦和余弦函数的值，并且，可以通过对所接收的值执行离散积分来运算代价函数矩阵H（kTs）和代价函数向量f（kTs）的积分部分。
[0081] 在接收先前时步的权因子λ和最优估计参数x*((k-1)Ts)的优化器块26中，运算代价函数矩阵H（kTs）和代价函数向量f（kTs）的最终结果，使代价函数矩阵H（kTs）反转，且乘以代价函数向量f（kTs），以运算实际时步的最优估计参数x*(kTs)。
[0082] 在后处理块28中接收最优估计参数x*(kTs)，后处理块28确定另外的量，诸如最优估计基波分量 的估计幅度 和/或估计角 。
[0083] 图4示出用于基于基波分量 的最优估计 对有源整流器18进行控制的可以由控制器14实现的控制方案。
[0084] 估计块30可以执行图2的方法的步骤，和/或可以实现图3的控制方案。
[0085] 最优估计基波分量 的估计幅度 用于修改针对整流器20的参考电压 。
[0086] 参考电压 基于DC链路电流（其从有功电流 和无功电流 而确定）与移位的转换器电流（其基于转换器电流和最优估计基波分量的估计角 而确定）之间的差。
[0087] 虽然在附图和前文的描述中，已经详细地图示和描述了本发明，但此类图示和描述要被认为是说明性的或示范性的且非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。从附图、本公开以及所附权利要求的学习，由本领域技术人员和通过实践要求保护的发明能够理解且实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，单词“包含”不排除其它元件或步骤，并且，不定冠词“一（a或an）”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可以完成权利要求中所记载的若干项的功能。仅仅在互不相同的从属权利要求中记载某些措施这一事实不指示这些措施的组合不能用于获利。权利要求中的任何参考符号都不应当被解释为限制范畴。
[0088] 参考符号列表10 转换器系统
12 电转换器
14 控制器
16 输电网/源
18 变压器
20 整流器
22 DC链路
Vpcc AC电压
基波分量
待优化的基波分量
J 代价函数
h 范围
基波分量的参数
H（kTs） 代价函数矩阵
f（kTs） 代价函数向量
所估计的基波分量
所估计的旋转速度
24 积分器块
26 优化器块
28 后处理块
30 估计块。
