CN107315112A - 一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法，该装置可接入35kV待测新能源并网发电系统，该装置包括电压扰动注入单元，电压扰动注入单元由多个功率模块单元级联构成，三相中每相级联6个子功率模块单元，各相输出通过LC滤波电路与耦合变压器原边相连接，耦合变压器副边接入待测系统，提供电压扰动源。高频隔离DC/DC变换器采用电压外环PI电流P双闭环控制，为单相H桥变换器提供稳定的直流电压；级联型H桥变换器采用电压外环准比例谐振电流内环比例控制，通过载波移相SPWM多电平调制控制每相H桥变换器的功率器件导通与关断。本发明使系统具有较高的可靠性和更快的动态响应，满足系统应用于兆瓦级大功率场合及宽频带扰动输出阻抗测量的要求。

Description

一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种新能源发电中的阻抗测量技术领域，特别是一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，以及全球变暖等环境问题加剧，新能源的开发和利用成为人们寻求能源结构调整、实现可持续发展的最佳选择。在分析大规模新能源发电装备接入电网时，电网的阻抗特性对风力、光伏并网逆变器等电力电子装备的稳定运行和控制产生重要影响。理想情况下，电网应该表现为理想的电压源，新能源发电装备应控制为理想的电流源，以避免任何阻抗交互耦合问题。然而实际中，我国大容量的新能源电站多建立在沙漠等偏远地区，距离用电负荷较远。由于变压器和长输电线路引入的电网阻抗较大，且新能源发电装备的外特性也不能表现为理想的电流源，这将导致弱电网的阻抗和新能源发电装备的阻抗发生交互耦合，影响新能源发电系统的稳定运行。因此，新能源发电装备的阻抗测量对大型新能源并网发电系统的稳定性研究具有重要的现实意义。阻抗分析方法所需原始数据少且简单有效，但国内、外现有阻抗特性测量方法及装备主要面向于低电压、小容量新能源发电装备及微电网系统。在新能源发电基地内，发电装备外特性差异大，且电网扰动与新能源能源波动等因素使得发电装备阻抗特性测量更趋复杂，缺乏对兆瓦级风电机组、光伏发电单元等发电装备的阻抗特性数据，难以满足新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，而高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备在国内外处于空白，关键技术亟待突破。

发明内容

本发明旨在提供一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法，以满足新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，弥补在高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备上的空白。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置，每一相包括N个级联的功率模块单元；每一相输出端各通过一个滤波模块与耦合变压器原边连接，所述耦合变压器副边接入待测系统。

本发明中，N＝6，由于测量装置输出电压要达到系统电压的10％，即3.5kV，6个模块容易满足电压需求；另外为了保证较好的波形效果，需要有较高的等效开关频率，其等效开关频率为2*N*f_c，f_c为开关管开关频率。IGBT开关频率以f_c＝5kHz为例，等效开关频率可达60kHz，能保证较好的波形效果。

相应地，本发明还提供了一种上述兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对单相H桥DC/AC变换器输出的直流电压u_oa、u_ob、u_oc以及输出电流i_La、i_Lb、i_Lc分别进行采样；

2)将电压指令信号u_refa、u_refb、u_refc与采样得到的直流电压u_a、u_b、u_c作差，得到电压误差量Δu_a、Δu_b、Δu_c；

3)电压误差量Δu_a、Δu_b、Δu_c经电压外环准PR控制后所得值经限幅环节得电流参考值i_refLa、i_refLb、i_refLc；

4)将电流参考值i_refLa、i_refLb、i_refLc与采样得到的输出电流i_La、i_Lb、i_Lc作差，得到电流误差量Δi_La、Δi_Lb、Δi_Lc；

5)将电流误差量Δi_La、Δi_Lb、Δi_Lc经电流内环P控制后限幅输出，并与调制系数k_PWM相乘得到电压值e_a、e_b、e_c，其中P控制的电流内环比例系数为K_c，0＜K_c≤20；

6)将电压值e_a、e_b、e_c与采样得到的直流电压u_a、u_b、u_c作差，得到PWM调制波信号u_ra、u_rb、u_rc；

7)对u_ra、u_rb、u_rc和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到单相H桥DC/AC变换器中开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断。

步骤3)中，准PR控制的传递函数为：其中K_p为准PR控制的比例系数，0＜K_p≤20，K_i为准PR控制的积分系数，1＜K_i≤100，ω_c为谐振带宽，ω₀为电网角频率。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明满足了新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，弥补了在高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备上的空白。

附图说明

图1为本发明一实施例兆瓦级宽频带阻抗测量装置系统结构图；

图2为本发明一实施例兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法控制框图；

图3为串联注入扰动电压源法示意图；

图4为dq坐标下测量系统等效电路模型图；

图5为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_dd(s)；

图6为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_dq(s)；

图7为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_qd(s)；

图8为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_qq(s)。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例兆瓦级宽频带阻抗测量装置系统结构图包括电压扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元，其中电压扰动注入单元包括多个功率模块单元、LC滤波电路、耦合变压器以及宽频带输出控制单元；所述装置由多个功率模块单元级联构成，三相中每相级联6个子功率模块单元，各相输出通过LC滤波电路与耦合变压器原边相连接，耦合变压器副边接入待测系统，提供电压扰动源；所述LC滤波电路，在滤波电容支路串联阻尼电阻r_a、r_b、r_c，避免发生谐振现象；所述子功率模块单元是通过多绕组变压器与电网相连，且由三相不可控整流、高频隔离DC/DC变换器和单相H桥DC/AC变换器构成；所述待测系统为与电网相连的风力发电装备，包括风机，DFIG，整流桥，逆变桥，变压器。u_a、u_b、u_c为三相级联子模块输出相电压，电感L_a、L_b、L_c、电容C_a、C_b、C_c与电阻r_a、r_b、r_c并联组成LC滤波器，u_oa、u_ob、u_oc为三相输出相电压，i_La、i_Lb、i_Lc为输出相电流，N为零电位中性点，L_line为线路电感、R_line为线路电阻。

图2为控制框图，在每个采样周期的起始点，对兆瓦级宽频带阻抗测量装置的子功率模块单元中级联型H桥变换器输出的直流电压u_oa、u_ob、u_oc、输出电流i_La、i_Lb、i_Lc分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器，将电压指令信号u_refa、u_refb、u_refc与采样得到的直流电压u_oa、u_ob、u_oc作差，得到电压误差量Δu_a、Δu_b、Δu_c；电压误差量Δu_a、Δu_b、Δu_c经电压外环准PR控制后所得值经限幅环节可得电流参考值i_refLa、i_refLb、i_refLc，准PR控制的传递函数为：

其中K_p为准PR控制的比例系数，0＜K_p≤20，K_i为准PR控制的积分系数，1＜K_i≤100，ω_c为谐振带宽，ω₀为电网角频率。

将电流参考值i_refLa、i_refLb、i_refLc与采样得到的输出电流i_La、i_Lb、i_Lc作差，得到电流误差量Δi_La、Δi_Lb、Δi_Lc；将电流误差量Δi_La、Δi_Lb、Δi_Lc经电流内环P控制后限幅输出，并与调制系数k_PWM作乘积得到电压值e_a、e_b、e_c，其中K_c为电流内环P控制的比例系数，0＜K_c≤20；将电压值e_a、e_b、e_c与采样得到的直流电压u_oa、u_ob、u_oc作差，即可得到PWM调制波信号u_ra、u_rb、u_rc；对u_ra、u_rb、u_rc和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到级联型H桥变换器中逆变器开关管的占空比信号u_ra1、u_ra2…u_ra6、u_rb1、u_rb2…u_rb6、u_rc1、u_rc2…u_rc6，控制逆变电路开关管的开通与关断。

图3为串联注入扰动电压源法示意图，图中，v_pa、v_pb和v_pc为扰动电压源；i_pa、i_pb和i_pc为扰动电压源产生的电流响应；v_pma、v_pmb和v_pmc为扰动电压降落在新能源发电装备的电压；v_pga、v_pgb和v_pgc为扰动电压降落在交流电网上的电压，v_ga、v_gb和v_gc为交流电网电压；Z_ga(s)、Z_gb(s)和Z_gc(s)为交流电网的等效阻抗；I_ma、I_mb和I_mc为新能源发电装备的并网电流；Z_ma(s)、Z_mb(s)和Z_mc(s)为新能源发电装备的等效阻抗。由于新能源发电装备的等效输出阻抗是远远大于交流电网的等效输出阻抗，按照串联分压定律，大部分的扰动电压降落在了新能源发电装备上。注入扰动电压信号的利用率很高，扰动电压产生的电流响应较好。因此，串联注入扰动电压源方式适合本文场景下的阻抗测量，本发明选用该种方式进行设计。

根据图3可得新能源发电装备侧在自然坐标系下的电路方程为：

式中：s＝jω，ω为扰动正弦电压的角频率。需特别说明的是：v_pma(s)、v_pmb(s)、v_pmc(s)、i_pa(s)、i_pb(s)和i_pc(s)都不含有交流电网的基波分量，也就是说这些量是经过带阻滤波器等滤波处理过的。

对(1)两边均左乘abc坐标系至dq坐标系的变换矩阵T，可得新能源发电装备侧在dq旋转坐标系下的电路方程为：

式中：Z_mdd(s)、Z_mdq(s)、Z_mqd(s)和Z_mqq(s)为新能源发电装备的阻抗矩阵的各元素。abc坐标系至dq坐标系的变换矩阵T_dq如(3)所示。式中：θ＝ωt为初相角为0的基准相位角。

图4为dq坐标下测量系统等效电路模型图，即将图3中自然坐标系下的串联注入扰动电压源法示意图变换到dq坐标系下，图中，v_pq、v_pd为扰动电压源；i_pq、i_pd为扰动电压源产生的电流响应；v_pmd、v_pmq为扰动电压降落在新能源发电装备的电压；v_pgq、v_pgd为扰动电压降落在交流电网上的电压；Z_gdd(s)、Z_gqq(s)、Z_gqd(s)和Z_gdq(s)为交流电网的等效阻抗；I_mq和I_md为新能源发电装备的并网电流；Z_mdd(s)、Z_mqq(s)、Z_mqd(s)和Z_mdq(s)为新能源发电装备的等效阻抗。图4与(2)相对应。式(2)中，Z_mdd(s)、Z_mdq(s)、Z_mqd(s)和Z_mqq(s)为四个待求未知量，v_pmd(s)、v_pmq(s)、i_pd(s)和i_pq(s)为可测变量。因此，式(2)是含有四个独立未知量的两个方程式，为了求出阻抗矩阵需要四个方程式。在同一个频率处注入两组不同的扰动可得(4)和(5)如下：

对(4)和(5)进行重组可得(6)和(7)：

综合(6)和(7)，并进行矩阵求逆运算可得新能源发电装备的阻抗矩阵为：

为了减少噪声的影响，可以在短时间内测量多次，对测量结果进行平均值滤波处理可提高阻抗测量的精确性。

由图4可知，交流电网侧在dq旋转坐标系下的电路方程为：

式中：Z_gdd(s)、Z_gdq(s)、Z_gqd(s)和Z_gqq(s)为交流电网阻抗矩阵的各元素。

由基尔霍夫电压定律和图4可得：

将(2)和(9)带入(10)，并整理可得：

由式(11)可知：采用串联注入扰动电压源法时，当新能源发电装备的等效输出阻抗远远大于交流电网的等效输出阻抗时，产生的电流响应主要由新能源发电装备的等效输出阻抗和扰动电压的大小决定，这样能够保证扰动电压和扰动响应电流都可控。

图5为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_dd(s)，图6为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_dq(s)，图7为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_qd(s)，图8为阻感性阻抗在dq坐标系下的Z_qq(s)。

当新能源发电装备用电阻和电感串联R_m+sL_m代替时，其阻抗在dq坐标下的阻抗矩阵表达式为：

由图5至图8可以看出：测量阻抗和实际阻抗能够吻合，验证了所提方法的有效性。

Claims (7)

1.一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，每一相包括N个级联的功率模块单元；每一相输出端各通过一个滤波模块与耦合变压器原边连接，所述耦合变压器副边接入待测系统。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，N＝6。

3.根据权利要求1所述的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述滤波模块为LC滤波模块。

4.根据权利要求1所述的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述耦合变压器为耦合变压器。

5.根据权利要求1所述的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述功率模块单元包括依次连接的三相不可控整流模块、高频隔离DC/DC变换器和单相H桥DC/AC变换器。

6.一种权利要求1～5之一所述的兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对单相H桥DC/AC变换器输出的直流电压u_oa、u_ob、u_oc以及输出电流i_La、i_Lb、i_Lc分别进行采样；

2)将电压指令信号u_refa、u_refb、u_refc与采样得到的直流电压u_a、u_b、u_c作差，得到电压误差量Δu_a、Δu_b、Δu_c；

3)电压误差量Δu_a、Δu_b、Δu_c经电压外环准PR控制后所得值经限幅环节得电流参考值i_refLa、i_refLb、i_refLc；

4)将电流参考值i_refLa、i_refLb、i_refLc与采样得到的输出电流i_La、i_Lb、i_Lc作差，得到电流误差量Δi_La、Δi_Lb、Δi_Lc；

5)将电流误差量Δi_La、Δi_Lb、Δi_Lc经电流内环P控制后限幅输出，并与调制系数k_PWM相乘得到电压值e_a、e_b、e_c，其中P控制的电流内环比例系数为K_c，0＜K_c≤20；

6)将电压值e_a、e_b、e_c与采样得到的直流电压u_a、u_b、u_c作差，得到PWM调制波信号u_ra、u_rb、u_rc；

7)对u_ra、u_rb、u_rc和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到单相H桥DC/AC变换器中开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中，准PR控制的传递函数为：其中K_p为准PR控制的比例系数，0＜K_p≤20，K_i为准PR控制的积分系数，1＜K_i≤100，ω_c为谐振带宽，ω₀为电网角频率。