CN102495290B - 交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置及方法，所述装置包括被测对象、等效负载、阻抗分析仪(频率响应分析仪)以及连接它们的电路，其特征在于，在被测对象和阻抗分析仪(频率响应分析仪)之间的电路上还依次设有平衡点相位检测装置和扰动相位控制装置。本发明区分了交、直流电力电子模块的工作点类型，解释并解决了扰动频率较高时出现的计算或测量结果随机变化现象，给出了交流模块端口阻抗的计算和测量方法。通过本发明可获得交流电力电子模块端口在不同扰动频率点(特别是在扰动频率接近或超过周期平衡点频率时)正确的阻抗特性。

Description

交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置及方法

技术领域

本发明涉及到一种交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置及方法。

背景技术

“模块”泛指每个空间上相互隔离、功能上相对独立的电力变换装置。由高频开关电力电子模块通过母线相互连接所形成的电能变换、传输和应用系统，称为多模块互联分布式电力电子系统。

模块在互联系统中的工作状态不完全等同于独立运行时的工作状态。从独立运行切换为互联运行时，即使互联动作本身并未改变任何模块的工作点，互联后整个系统仍可能因模块端口阻抗之间的相互耦合而出现母线电压振荡等不稳定现象。设计分布式电力电子系统时需考察模块的端口阻抗并在阻抗比判据指导下主动避免“接口稳定性”问题。

高频开关电力电子模块都是非线性系统，其端口阻抗是指由施加于模块端口的小信号扰动和对应的小信号响应进行相量除法运算所得的阻抗，即基于线性化假设的小信号复阻抗。对直流模块而言，上述阻抗定义及相应的测量方法在理论上已经成熟，工程上可通过阻抗分析仪(频率响应分析仪)直接测量。

交流模块工作时，其端口电压或电流极性要么正负交变，要么虽然极性不改但幅值在做周期波动。交流模块独立运行时没有固定工作点，只有周期工作点。由交流模块互联而成的系统也不再可能稳定于相空间中的一个点，其平衡态对应相空间中的一条闭合轨迹。该闭合曲线称为周期平衡点。

交流模块和直流模块在工作点类型上的区别使得分析、测量直流模块阻抗特性时所用的方法不可直接适用于交流模块。应用现有仪器(阻抗分析仪、频率响应分析仪)测量交流模块端口阻抗特性时，所施加的扰动频率一旦接近或超过周期平衡点频率，测量值会随机变化。即在同一扰动频率下进行多次测量，每次测量会获得不同的阻抗值。这样的结果不能正确描述模块的性质，也不能用来判定互联系统的稳定性。

发明内容

本发明在区分交流模块和直流模块工作点类型并厘清较高扰动频率下出现测量结果随机变化现象机理的基础上，提出一种适用于交流电力电子模块的端口阻抗特性获取装置和方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置，包括被测对象、等效负载、阻抗分析仪(频率响应分析仪)以及连接它们的电路，其特征在于，在被测对象和阻抗分析仪(频率响应分析仪)之间的电路上还依次设有平衡点相位检测装置和扰动相位控制装置。

交流电力电子模块端口阻抗特性的获取方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)生成无扰动输入时交流模块端口电流和电压的周期平衡点数据；

2)设定计算或测量的频率点范围，设定扰动信号的相位变化角度；

3)对周期平衡点施加给定频率、给定相位的扰动，使交流模块端口的电流和电压在扰动信号作用下达到新的平衡；

4)通过对步骤1)和步骤3)所得的周期平衡点数据进行傅里叶级数分解，求得扰动所对应的响应，进而求得该频率、该相位下的端口阻抗值；

5)保持扰动频率不变，变换扰动相位角度，然后重复步骤3)和4)，直至求得全部扰动相位角度所对应的端口阻抗值(这些阻抗值的集合称为该频率点的阻抗族)；

6)改变频率点，重复步骤3)、4)、5)，直至完成所有设定频率点的阻抗族计算或测量；

7)由各频率点的阻抗族得到整个端口的阻抗族特性。

在本发明的一个实施例中，所述频率点范围的设定方法为：在周期平衡点频率以下，扰动频率选取为周期平衡点频率的小于1的分数倍；在周期平衡点频率以上，扰动频率选取为周期平衡点频率的整数倍。

在本发明的一个实施例中，所述扰动信号相位变化角度的设定方法为：每隔A°取一点，在周期平衡点频率及以上，每个频率需计算或测量的次数约为360°/A°；在周期平衡点频率以下，若所选频率点为周期平衡点频率的1/N，测量次数约等于360°/(A°×N)。。

本发明的有益效果在于：区分了交、直流电力电子模块的工作点类型，解释并解决了扰动频率较高时出现的计算或测量结果随机变化现象，给出了交流模块端口阻抗的计算和测量方法，通过本发明可获得交流电力电子模块端口在不同扰动频率点(特别是在扰动频率接近或超过周期平衡点频率时)正确的阻抗特性。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图。

图2为本发明所述方法的流程示意图。

图3为本发明所述理想模块级联示意图。

图4为本发明所述互联交流模块周期平衡点数据拟合示意图。

图5为本发明所述扰动计算系统图。

图6为本发明所述扰动信号和周期平衡点的波形关系示意图。

图7为本发明所述交流端口的阻抗族特性示意图。

图8为本发明所述阻抗族判据系统图。

图9为本发明所述阻抗族判据示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明所述的交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置，包括被测对象100、等效负载200、阻抗分析仪(频率响应分析仪)300以及连接它们的电路，在被测对象100和阻抗分析仪(频率响应分析仪)300之间的电路上还依次设有平衡点相位检测装置400和扰动相位控制装置500。

所述平衡点波形相位检测装置400通过检测被扰动对象(周期平衡点端口电压或电流)的波形特征(比如过零点、峰值点等)确定其周期起点，以此作为控制扰动信号注入时刻的基准；所述扰动源相位控制装置500以周期平衡点电流或电压周期起点为基准，精确控制扰动信号注入时刻，以使扰动信号相对于平衡点波形的相位可按照要求得以调整。

如图2所示，交流电力电子模块端口阻抗特性的获取方法，包括如下步骤：

1)生成无扰动输入时交流模块端口电流和电压的周期平衡点数据；

2)设定计算或测量的频率范围。在周期平衡点频率以下，扰动频率选取为周期平衡点频率的小于1的分数倍即可，频率点分布的稠密程度依所关心的频率范围和计算或测量的准确度而定；在周期平衡点频率以上，扰动频率选取为周期平衡点频率的整数倍；

3)设定扰动信号的相位变化(步进)角度。假设每隔10°取一点，则在周期平衡点频率及以上，每个频率需计算或测量的次数为360°/10°＝36。在周期平衡点频率以下，若所选频率点为周期平衡点频率的1/N，则测量次数约等于36/N。步进角度在各频率点无须统一，同样可根据计算或测量的准确度要求进行调整；

4)确定频率点及步进角度的计算或测量顺序。比如：频率点可从低向高依次测量，相位取值点可从0°到360°依次取值；

5)对周期平衡点施加给定频率、给定相位的扰动，通过对扰动前后周期平衡点的数据进行傅里叶级数分解，求得扰动所对应的同频率响应，进而求得该频率、该相位下的阻抗值；

6)切换相位角度，重复步骤5)，直至完成给定频率点的所有设定相位的计算或测量，这些阻抗值的集合称为该频率点的阻抗族；

7)改变频率点，重复步骤5)和6)，直至所有频率点的计算或测量全部完成。将所有频率点的阻抗族绘出后可得到整个端口的阻抗族特性。

本发明的目的是给出一种能够正确反映交流电力电子模块端口性质并可应用于交流分布式电力电子系统稳定性分析的阻抗特性获取装置及方法。发明主要解决以下技术问题：

1.针对交流模块互联系统具有周期平衡点这一特征，定义符合小信号线性化条件的端口阻抗计算或测量起点，采用傅里叶级数方法计算阻抗；

2.厘清较高扰动频率下使用现有仪器测量交流模块端口阻抗时测量结果出现随机变化现象的机理，提出用以解决此问题的阻抗族概念；

3.给出通过计算或测量获取阻抗族特性的具体方法。

本发明所解决问题的技术方案要点如下：

1.明确交流模块的互联条件以及周期平衡点数据的获取方法

交流模块工作时，其端口电压和电流都按周期重复，而且同一端口的电压和电流波形大多数情况下并不一致。计算或测量端口阻抗时需保证待互联模块间有共同适用的端口电压及电流波形。

以图3所示模块级联为例，互联前两个模块的端口电压和电流须满足：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_o\left(t\right)=i_{\mathrm{in}}\left(t\right)\\ v_o\left(t\right)=v_{\mathrm{in}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

即只有当两个待互联模块的端口电压和电流都各自按完全一致的规律变化时，才可保证互联后各模块原有的工作状态不会立即遭到破坏。式(1)称为交流模块的理想互联条件。

对独立运行时不满足理想互联条件的模块，可通过电源或负载拟合法获得模块假想互联后的端口电压和电流。在仿真或实验中用理想电源构造上游模块负载、下游模块电源的方法如图4所示。通过调节各电源取值权重及其中交流部分的相位，最终可拟合出基本满足互联条件的电压、电流波形。即实现

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\≈i_o\left(t\right)=I_{\mathrm{dc}}+i_{\mathrm{\ω}}+i_{2\mathrm{\ω}}+K+i_{\mathrm{n\ω}}\\ v_o\left(t\right)\≈v_{\mathrm{in}}\left(t\right)=V_{\mathrm{dc}}+v_{\mathrm{\ω}}+v_{2\mathrm{\ω}}+K+v_{\mathrm{n\ω}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

满足式(1)或(2)的端口电压和电流，称为端口电压或电流的周期平衡点数据。该数据是通过扰动方法计算或测量模块端口阻抗时的扰动对象。

2.采用傅里叶级数分解扰动前后端口电流或电压的波形，提取响应增量计算阻抗特性

对交流模块端口电压(电流)施加正弦小信号扰动，会使端口电流(电压)偏离周期平衡点数据而达到新的稳态。从扰动施加前后的端口电流或电压波形中分离出相应的增量并用此增量与扰动信号作相量除法运算，可获得扰动频率处端口的复阻抗值：

在小信号线性化假设成立前提下，图5及式(3)、(4)中各响应增量均为正弦量。计算中扰动及响应信号均需以相量表示。

获取响应增量及其对应的相量时，可先进行时域波形相减，然后对结果进行傅里叶级数分析；也可先将扰动施加前、后的时域波形直接展开成傅里叶级数，再根据级数比较确定响应增量的相量。通过数值方法具体实施傅里叶级数分析时，可采用离散傅里叶级数(DFS)，也可以采用包括快速傅里叶变换(FFT)在内的离散傅里叶变换(DFT)。

3.明确扰动信号随机注入是扰动频率接近或超过周期平衡点频率时发生计算或测量结果随机变化的惟一原因

通过扰动法计算或测量交流模块端口阻抗特性过程中，不同时刻注入的同频率、同幅值的扰动信号会与周期平衡点波形具有不同的相对位置，两者相对位置的差别可折算为扰动信号相对于周期平衡点波形的相位差。

如图6所示，扰动信号和周期平衡点波形之间的相对位置变化具有周期性：扰动频率低于或等于周期平衡点频率时，两个波形所能错开的最大有效时间等于一个周期平衡点周期。设扰动频率等于周期平衡点频率的1/N倍，则这段时间对应扰动信号相位的360°/N；扰动频率高于周期平衡点频率时，两个波形所能错开的最大有效时间等于一个扰动周期，由扰动信号随机注入所带来扰动信号最大相位差等于360°。

对小信号扰动注入时刻不加控制会导致扰动信号相对于周期平衡点的相位随机，进而导致每次计算或测量呈现不同的结果。扰动信号随机注入是扰动频率接近或超过周期平衡点频率时发生计算或测量结果随机变化的惟一原因。

严格讲，对交流模块采用直流以外的其它任何频率的扰动信号时都存在由扰动随机注入而引起的随机相位差问题。扰动频率低于周期平衡点频率时最大相位差会随着N增大而线性减小。只有当N大到一定程度后，扰动注入时刻所带来的相位差才可忽略不计。

4.定义、计算、测量扰动频率接近或超过周期平衡点频率时交流模块端口的阻抗族特性

通过扰动方法计算或测量交流模块端口阻抗时，所得到的阻抗值不仅仅是扰动信号频率的函数，还是扰动信号以周期平衡点波形为参照时的相位的函数。若在计算和测量过程中以周期平衡点波形为参照精确控制和调整扰动相位，对同一扰动频率在不同相位下进行多次测量，则随着扰动信号相位变动，每次均会得到不同的复阻抗值。交流模块在每个频率点处所对应的端口阻抗是一族阻抗。本发明称之为该频率点的阻抗族。

将所有扰动频率点的阻抗族绘出后可得到整个端口的阻抗族特性，如图7所示。

本发明的有益效果在于：

1.本发明区分了交、直流电力电子模块的工作点类型，解释并解决了扰动频率较高时出现的计算或测量结果随机变化现象，给出了交流模块端口阻抗的计算和测量方法。采用本发明可获得交流电力电子模块端口在不同扰动频率点(特别是在扰动频率接近或超过周期平衡点频率时)正确的阻抗特性；

2.作为一项具体应用，应用本发明中得到的阻抗族特性可为交流分布式电力电子系统建立新的稳定性判据。

如图8所示，用表示扰动相位并分别用

和

表示上下游模块的阻抗族特性。根据奈奎斯特判据，若

其中

则互联后系统一定稳定。本发明称式(5)为交流分布式电力电子系统的阻抗族判据。

针对图8，阻抗族判据更加直观的表述是：两个交流模块级联，若在任意频率点源变换器(上游模块)输出阻抗族的最大幅值都小于同频率下负载变换器(下游模块)输入阻抗族的最小幅值，则互联后的系统不会因互联而不稳定。

阻抗族判据还可用图9来表示。欲使互联系统稳定，源变换器输出阻抗族幅频特性的上包络必须处于负载变换器输入阻抗族幅频特性的下包络的下方。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置，包括被测对象、等效负载、阻抗分析仪以及连接它们的电路，其特征在于，在被测对象和阻抗分析仪之间的电路上还依次设有平衡点相位检测装置和扰动相位控制装置；所述平衡点波形相位检测装置通过检测被扰动对象的波形特征确定其周期起点，以此作为控制扰动信号注入时刻的基准；所述扰动源相位控制装置以周期平衡点电流或电压周期起点为基准，精确控制扰动信号注入时刻，以使扰动信号相对于平衡点波形的相位可按照要求得以调整。 

2.交流电力电子模块端口阻抗特性的获取方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 

1）生成无扰动输入时交流模块端口电流和电压的周期平衡点数据； 

2）设定计算或测量的频率点范围，设定扰动信号的相位变化角度； 

3）对周期平衡点施加给定频率、给定相位的扰动，使交流模块端口的电流和电压在扰动信号作用下达到新的平衡； 

4）通过对步骤1）和步骤3）所得的周期平衡点数据进行傅里叶级数分解，求得扰动所对应的响应，进而求得该频率、该相位下的端口阻抗值； 

5）保持扰动频率不变，变换扰动相位角度，然后重复步骤3）和4），直至求得全部扰动相位角度所对应的端口阻抗值（这些阻抗值的集合称为该频率点的阻抗族）； 

6）改变频率点，重复步骤3）、4）、5），直至完成所有设定频率点的阻抗族计算或测量； 

7）由各频率点的阻抗族得到整个端口的阻抗族特性。 

3.根据权利要求2所述的交流电力电子模块端口阻抗特性的获取方法，其特征在于，在周期平衡点频率以下，扰动频率选取为周期平衡点频率的小于1的分数倍，频率点分布的稠密程度依所关心的频率范围和计算或测量准确度而定；在周期平衡点频率以上，扰动频率选取为周期平衡点频率的整数倍。 

4.根据权利要求2所述的交流电力电子模块端口阻抗特性的获取方法，其特征在于，扰动信号相位变化角度在各频率点无须统一，根据计算或测量的准确 度要求进行调整；若等间隔设定，每隔A°取一点，则在周期平衡点频率及以上，每个频率需计算或测量的次数约为360°/A°；在周期平衡点频率以下，若所选频率点为周期平衡点频率的1/N，则测量次数约等于360°/（A°×N）。 

5.根据权利要求2所述的交流电力电子模块端口阻抗特性的获取方法，其特征在于，所述扰动相位的控制和调整根据所述平衡点相位检测装置的检测结果为基准，通过所述扰动相位控制装置准确控制扰动注入时刻来实现。 

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