CN108918973B - 基于upqc的高精度阻抗测量装置及其切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置及其切换控制方法，该装置包括UPQC扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元、控制单元，其中UPQC扰动注入单元的串联侧经耦合变压器串入待测系统、并联侧直接并联接入待测系统。当电网阻抗高于待测装备阻抗时，并联侧注入电流扰动，串联侧稳定直流侧电压；当电网阻抗低于待测装备阻抗时，串联侧注入电压扰动，并联侧稳定直流侧电压，使扰动高比例分布在待测装备侧，以提高阻抗测量精度。

Description

基于UPQC的高精度阻抗测量装置及其切换控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电中的阻抗测量技术领域，特别是一种高精度宽频带的阻抗测量装置的切换控制方法。

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，阻抗测量是阻抗分析的数据来源和所建阻抗模型准确性验证的重要途径，其中扰动谐波注入法已可以实现较为准确的阻抗测量，通过选择注入不同的扰动信号可以达到不同的测量要求扰动注入方式按扰动的类型可分为电压扰动注入方式和电流扰动注入方式，分别通过向待测装备和电网之间串联、并联注入宽频带电压扰动、电流扰动，得到待测装备侧的扰动响应，经阻抗计算得到宽频带阻抗特性曲线。在进行阻抗扫频时，特别是测量新能源发电装备并网接口单元阻抗时，会出现高频段电网阻抗高于待测装备阻抗的情况，在这种情况下无法兼顾宽频带扫频结果的精确性。考虑到低频段时，待测装备阻抗高于电网阻抗；高频段时，待测装备阻抗低于电网阻抗，仅使用电流注入型阻抗测量装置或者电压注入型阻抗测量装置并不能精确的测量该待测装备宽频域阻抗的问题，本发明提出一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，待测装备阻抗高于电网阻抗时，向待测系统注入电压扰动，待测装备阻抗低于电网阻抗时，向待测系统注入电流扰动，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。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，并联电流扰动注入模式与串联电压扰动注入模式的切换方式为：当检测到电网阻抗大于待测装备阻抗时，串联侧直流电压稳定控制开关s₁闭合，串联侧扰动电压注入控制开关s₂断开，并联侧直流电压稳定控制开关s₃断开，并联侧扰动电流注入控制开关s₄闭合，串联侧用来稳定直流侧电压，并联侧注入扰动电流；当检测到电网阻抗小于待测装备阻抗时，串联侧直流电压稳定控制开关s₁断开，串联侧扰动电压注入控制开关s₂闭合，并联侧直流电压稳定控制开关s₃闭合，并联侧扰动电流注入控制开关s₄断开，串联侧注入扰动电压，并联侧用来稳定直流侧电压。该方法包括以下步骤：

1)通过UPQC阻抗测量装置向待测系统注入特定频率的电压扰动，分别检测待测装备侧与电网侧的电压、电流量；

2)将检测到的电压、电流量进行傅里叶变换，提取出该特定频率的电压、电流扰动分量；

3)将提取出的电压、电流扰动分量由时域变换到频域后，利用阻抗计算公式计算该特定频率处的电网阻抗、待测装备阻抗；

4)比较计算得到的电网阻抗与待测装备阻抗的大小；当电网阻抗小于或等于待测装备阻抗时，保存该特定频率处的电网阻抗及待测装备阻抗，继续从步骤1)开始计算下一个频率点的阻抗；当电网阻抗大于待测装备阻抗时，通过UPQC阻抗测量装置向待测系统注入该特定频率的电流扰动；

5)分别检测待测装备侧与电网侧的电压、电流量，并对其进行傅里叶变换，提取出该特定频率的电压、电流扰动分量；

6)将提取出的电压、电流扰动分量由时域变换到频域后，利用阻抗计算公式计算该特定频率处的电网阻抗、待测装备阻抗；

7)保存该特定频率处的电网阻抗及待测装备阻抗，继续从步骤1)开始计算下一个频率点的阻抗；

8)当所有频率点的阻抗计算完后，输出测量的宽频带阻抗。

步骤1)中，通过UPQC阻抗测量装置向待测系统注入特定频率的电压扰动的具体实现过程包括：

1)在每个采样周期的起始点，对基于UPQC的高精度阻抗测量装置的串联侧输出电压u_{p_abc}、并联侧输出电流i_{p_abc}、直流侧电压u_dc、流入待测装备侧的电流i_{_abc}、待测装备侧分布的电压v_{_abc}、电网电流i_{g_abc}、以及电网电压v_{g_abc}分别进行采样；

2)将电压指令信号u_dcref与采样得到的直流侧电压u_dc作差，得到电压误差量Δu_dc；

3)串联侧注入电压扰动，并联侧用来稳定直流侧电压的控制模式下：控制串联侧直流电压稳定控制开关s₁、并联侧扰动电流注入控制开关s₄断开，串联侧扰动电压注入控制开关s₂、并联侧直流电压稳定控制开关s₃闭合，电压误差量Δu_dc经直流外环PI控制后限幅输出，所得值与电网同步信号相乘，得到指令信号x_{_abc}；

4)将指令信号x_{_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{p_abc}作差，得到电流误差量Δi_{_abc}；

5)将电流误差量Δi_{_abc}经交流电流内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC并联侧开关管的控制信号m_{i_abc}，控制并联侧逆变电路开关管的开通与关断；

6)正序电压扰动指令值v^* _{p_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{p_abc}作差，或者负序电压扰动指令值、v^* _{n_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{n_abc}作差，得到电压偏差值Δv_{_abc}；

7)电压偏差值Δv_{_abc}经交流电压内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC串联侧开关管的控制信号m_{u_abc}，控制串联侧逆变电路开关管的开通与关断。

步骤4)中，通过UPQC阻抗测量装置向待测系统注入特定频率的电流扰动的具体实现过程包括：

1)将电压指令信号u_dcref与采样得到的直流侧电压u_dc作差，得到电压误差量Δu_dc；电压误差量Δu_dc经直流外环PI控制后限幅输出，所得值与电网同步信号相乘，得到指令信号x_{_abc}；

2)并联侧注入电流扰动，串联侧用来稳定直流侧电压的控制模式下：串联侧扰动电压注入控制开关s₂、并联侧直流电压稳定控制开关s₃断开，串联侧直流电压稳定控制开关s₁、并联侧扰动电流注入控制开关s₄闭合，将指令信号x_{_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{p_abc}作差，得到电压误差量Δv_{_abc}；

3)将电压误差量Δv_{_abc}经交流电压内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC串联侧开关管的控制信号m_{u_abc}，控制串联侧逆变电路开关管的开通与关断；

4)正序电流扰动指令值i^* _{p_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{p_abc}作差，或者负序电流扰动指令值i^* _{n_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{n_abc}作差，得到电流偏差值Δi_{_abc}；

5)电流偏差值Δi_{_abc}经交流电流内环QPR控制，所得信号经PWM调制，UPQC并联侧开关管的控制信号m_{i_abc}，控制并联侧逆变电路开关管的开通与关断。

当串联侧注入电压扰动时，并联侧稳定直流侧电压，当并联侧注入电流扰动时，串联侧稳定直流侧电压。UPQC的控制方式采用直流内环QPR谐振控制，交流外环PI控制的双闭环控制。得到调制波信号经PWM调制后生成控制信号控制UPQC开关管的导通与关断。

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，当电网阻抗高于待测装备阻抗时并联侧注入电流扰动，串联侧稳定直流侧电压；当电网阻抗低于待测装备阻抗时串联侧注入电压扰动，并联侧稳定直流侧电压，使扰动高比例分布在待测装备侧，有效地提高了阻抗测量的精度。

附图说明

图1为本发明一实施例基于UPQC的高精度阻抗测量装置系统结构及其控制框图；

图2为并联注入扰动电压源法示意图；

图3为串联注入扰动电压源法示意图；

图4为阻性负载在abc坐标系下的电流扰动注入法测量值与理论值对比示意图；

图5为阻性负载在abc坐标系下的电压扰动注入法测量值与理论值对比示意图；

图6为阻性负载在abc坐标系下的本发明所提方法测量值与理论值对比示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置，包括UPQC扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元、控制单元，其中UPQC扰动注入单元的UPQC串联侧经耦合变压器串入待测系统、UPQC并联侧直接并联接入待测系统，分别提供电压型、电流型扰动源。一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，其特征在于，并联电流扰动注入模式与串联电压扰动注入模式的切换方式为：当检测到电网阻抗大于待测装备阻抗时，串联侧直流电压稳定控制开关s₁闭合，串联侧扰动电压注入控制开关s₂断开，并联侧直流电压稳定控制开关s₃断开，并联侧扰动电流注入控制开关s₄闭合，串联侧用来稳定直流侧电压，并联侧注入扰动电流；当检测到电网阻抗小于待测装备阻抗时，串联侧直流电压稳定控制开关s₁断开，串联侧扰动电压注入控制开关s₂闭合，并联侧直流电压稳定控制开关s₃闭合，并联侧扰动电流注入控制开关s₄断开，串联侧注入扰动电压，并联侧用来稳定直流侧电压。该方法包括以下步骤：1)通过UPQC阻抗测量装置向待测系统注入特定频率的电压扰动，分别检测待测装备侧与电网侧的电压、电流量；2)将检测到的电压、电流量进行傅里叶变换，提取出该特定频率的电压、电流扰动分量；3)将提取出的电压、电流扰动分量由时域变换到频域后，利用阻抗计算公式计算该特定频率处的电网阻抗、待测装备阻抗；比较计算得到的电网阻抗与待测装备阻抗的大小；4)当电网阻抗小于或等于待测装备阻抗时，保存该特定频率处的电网阻抗及待测装备阻抗，继续从步骤1)开始计算下一个频率点的阻抗；5)当电网阻抗大于待测装备阻抗时，通过UPQC阻抗测量装置向待测系统注入该特定频率的电流扰动；6)分别检测待测装备侧与电网侧的电压、电流量，并对其进行傅里叶变换，提取出该特定频率的电压、电流扰动分量；7)将提取出的电压、电流扰动分量由时域变换到频域后，利用阻抗计算公式计算该特定频率处的电网阻抗、待测装备阻抗；8)保存该特定频率处的电网阻抗及待测装备阻抗，继续从步骤1)开始计算下一个频率点的阻抗；9)当所有频率点的阻抗计算完后，输出测量的宽频带阻抗。一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，其特征在于，当串联侧注入电压扰动时，并联侧稳定直流侧电压，当并联侧注入电流扰动时，串联侧稳定直流侧电压。UPQC的控制方式采用直流内环QPR控制，交流外环PI控制的双闭环控制。得到调制波信号经PWM调制后生成控制信号控制UPQC开关管的导通与关断。该方法包括以下步骤：在每个采样周期的起始点，对基于UPQC的高精度阻抗测量装置的串联侧输出电压u_{p_abc}、并联侧输出电流i_{p_abc}、直流侧电压u_dc、流入待测装备侧的电流i_{a_abc}、待测装备侧分布的电压v_{_abc}、电网电流i_{g_abc}、以及电网电压v_{g_abc}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，进行信号处理；将电压指令信号u_dcref与采样得到的直流侧电压u_dc作差，得到电压误差量Δu_dc；串联侧注入电压扰动，并联侧稳定直流侧电压的控制模式下：控制模式切换开关s₁、s₄断开，s₂、s₃闭合。电压误差量Δu_dc经直流外环PI控制后限幅输出，所得值与电网同步信号相乘可得指令信号x_{_abc}；将指令信号x_{_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{p_abc}作差，得到电流误差量Δi_{_abc}；将电流误差量Δi_{_abc}经交流电流内环QPR控制，所得信号经PWM调制，UPQC并联侧开关管的控制信号m_{i_abc}，控制并联侧逆变电路开关管的开通与关断；正负序电压扰动指令值v^* _{p_abc}、v^* _{n_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{p_abc}作差，得到电压偏差值Δv_{_abc}；电压偏差值Δv_{_abc}经交流电压内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC串联侧开关管的控制信号m_{u_abc}，控制串联侧逆变电路开关管的开通与关断；并联侧注入电流扰动，串联侧稳定直流侧电压的控制模式下：控制模式切换开关s₂、s₃断开，s₁、s₄闭合。将指令信号x_{_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{p_abc}作差，得到电压误差量Δv_{_abc}；将电压误差量Δv_{_abc}经交流电压内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC串联侧开关管的控制信号m_{u_abc}，控制串联侧逆变电路开关管的开通与关断；正负序电流扰动指令值i^* _{p_abc}、i^* _{n_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{p_abc}作差，得到电流偏差值Δi_{_abc}；电流偏差值Δi_{_abc}经交流电流内环QPR控制，所得信号经PWM调制，UPQC并联侧开关管的控制信号m_{i_abc}，控制并联侧逆变电路开关管的开通与关断。

图2为并联注入扰动电压源法示意图，图中，i_pa、i_pb和i_pc为扰动电流源；v_pa、v_pb和v_pc为扰动电流源产生的电压响应；I_pa、I_pb和I_pc为注入扰动电流后流入新能源发电装备侧的电流；I_pga、I_pgb和I_pgc为注入扰动电流后流入电网的电流；v_ga、v_gb和v_gc为电网电压；Z_ga(s)、Z_gb(s)和Z_gc(s)为电网的等效阻抗；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。根据电流的并联分流特性，高比例的扰动电流会分布在阻抗较小的一端。当电网阻抗比待测装备的阻抗大时，扰动多数分布在待测侧，使得扰动分量的提取计算更为精确，可获得更准确的阻抗测量结果。而当待测装备阻抗远大于电网的等效输出阻抗，几乎所有的扰动电流流入到电网，而不是流入待测对象，导致注入扰动电流信号的利用率不高，扰动电流产生的电压响应较小，容易受到噪声的干扰，大大影响了测量的精度。

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为注入扰动电压后降落在待测装备的电压；v_pga、v_pgb和v_pgc为注入扰动电压后降落在电网上的电压。当电网阻抗远小于待测装备的阻抗时，根据电压的串联分压特性，大部分的扰动电压分布在待测侧，有效提高了扰动信号的利用率，可实现高精度的阻抗测量；当电网阻抗高于待测装备的阻抗时，注入的扰动电压大量分布在电网侧，使得待测装备侧的扰动电压小，影响扰动分量的提取，进而影响了阻抗计算精度。本发明中阻抗计算是在abc坐标系下的序阻抗计算，正负序阻抗计算公式如式(1)、式(2)所示：

其中：

式中：I_p为正序电流；I_n为负序电流；

i_a、i_b、i_c为逆变器输出三相相电流。

式中：V_p为正序电压；V_n为负序电压；v_ab、v_bc、v_ca为逆变器输出三相线电压。

图4为阻性负载在abc坐标系下的电流扰动注入法测量值与理论值对比示意图。

图5为阻性负载在abc坐标系下的电压扰动注入法测量值与理论值对比示意图。

图6为阻性负载在abc坐标系下的本发明所提方法测量值与理论值对比示意图。

用纯阻性负载接入电网进行效果验证分析，由图4至图6对比可得：可发现单一的电流扰动注入测量方式在低频段正负序阻抗与理论值偏差较大，其测量精度不如本发明所提注入测量方式。单一的电压扰动注入测量方式下高频段1100Hz以上所测得的阻抗值与理论建模值相差甚远，已不能得到正确的阻抗值。本发明所提的扰动注入测量方式，低频段由于低频噪声的干扰，测量结果稍有偏差，但是总体吻合，与单一的电流扰动注入测量方式相比，低频段扫频测得的阻抗偏离度小，与单一的电压扰动注入测量方式相比，高频段扫频测得的阻抗精度高，几乎完全吻合理论建模值。本发明所提的阻抗测量装置及其切换控制方法，当电网阻抗高于待测装备阻抗时，并联侧注入电流扰动，串联侧用来稳定直流侧电压；当电网阻抗低于待测装备阻抗时，串联侧注入电压扰动，并联侧用来稳定直流侧电压，使扰动高比例分布在待测装备侧，可以有效地提高阻抗测量。

Claims (3)

1.一种基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，基于UPQC的高精度阻抗测量装置包括UPQC扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元、控制单元，其中UPQC扰动注入单元的串联侧经耦合变压器串入待测装备，并联侧直接并联接入待测装备；所述信号处理单元与所述UPQC扰动注入单元并联侧连接；所述信号处理单元通过所述宽频带阻抗计算与监控单元连接所述控制单元，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过UPQC阻抗测量装置向待测装备注入特定频率的电压扰动，分别检测待测装备侧与电网侧的电压、电流量；

2)将检测到的电压、电流量进行傅里叶变换，提取出所述特定频率的电压、电流扰动分量；

3)将提取出的电压、电流扰动分量由时域变换到频域后，利用阻抗计算公式计算所述特定频率处的电网阻抗、待测装备阻抗；

4)比较计算得到的电网阻抗与待测装备阻抗的大小；当电网阻抗小于或等于待测装备阻抗时，保存所述特定频率处的电网阻抗及待测装备阻抗，继续从步骤1)开始计算下一个频率点的阻抗；当电网阻抗大于待测装备阻抗时，通过UPQC阻抗测量装置向待测装备注入所述特定频率的电流扰动；

5)分别检测待测装备侧与电网侧的电压、电流量，并对其进行傅里叶变换，提取出所述特定频率的电压、电流扰动分量；

6)将提取出的电压、电流扰动分量由时域变换到频域后，利用阻抗计算公式计算所述特定频率处的电网阻抗、待测装备阻抗；

7)保存所述特定频率处的电网阻抗及待测装备阻抗，继续从步骤1)开始计算下一个频率点的阻抗；

8)当所有频率点的阻抗计算完后，输出测量的宽频带阻抗。

2.根据权利要求1所述的基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，其特征在于，步骤1)中，通过UPQC阻抗测量装置向待测装备注入特定频率的电压扰动的具体实现过程包括：

1)在每个采样周期的起始点，对基于UPQC的高精度阻抗测量装置的串联侧输出电压u_{p_abc}、并联侧输出电流i_{p_abc}、直流侧电压u_dc、流入待测装备侧的电流i_{_abc}、待测装备侧分布的电压v_{_abc}、电网电流i_{g_abc}、以及电网电压v_{g_abc}分别进行采样；

2)将电压指令信号u_dcref与采样得到的直流侧电压u_dc作差，得到电压误差量Δu_dc；

3)串联侧注入电压扰动，并联侧用来稳定直流侧电压的控制模式下：串联侧直流电压稳定控制开关s₁、并联侧扰动电流注入控制开关s₄断开，串联侧扰动电压注入控制开关s₂、并联侧直流电压稳定控制开关s₃闭合，电压误差量Δu_dc经直流外环PI控制后限幅输出，所得值与电网同步信号相乘，得到指令信号x_{_abc}；

4)将指令信号x_{_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{p_abc}作差，得到电流误差量Δi_{_abc}；

5)将电流误差量Δi_{_abc}经交流电流内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC并联侧开关管的控制信号m_{i_abc}，控制并联侧逆变电路开关管的开通与关断；

6)正序电压扰动指令值v^* _{p_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{p_abc}作差，或者负序电压扰动指令值v^* _{n_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{n_abc}作差，得到电压偏差值Δv_{_abc}；

7)电压偏差值Δv_{_abc}经交流电压内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC串联侧开关管的控制信号m_{u_abc}，控制串联侧逆变电路开关管的开通与关断。

3.根据权利要求1所述的基于UPQC的高精度阻抗测量装置的切换控制方法，其特征在于，步骤4)中，通过UPQC阻抗测量装置向待测装备注入特定频率的电流扰动的具体实现过程包括：

1)将电压指令信号u_dcref与采样得到的直流侧电压u_dc作差，得到电压误差量Δu_dc；电压误差量Δu_dc经直流外环PI控制后限幅输出，所得值与电网同步信号相乘，得到指令信号x_{_abc}；

2)并联侧注入电流扰动，串联侧用来稳定直流侧电压的控制模式下：串联侧扰动电压注入控制开关s₂、并联侧直流电压稳定控制开关s₃断开，串联侧直流电压稳定控制开关s₁、并联侧扰动电流注入控制开关s₄闭合，将指令信号x_{_abc}与采样得到的UPQC串联侧输出电压v_{p_abc}作差，得到电压误差量Δv_{_abc}；

3)将电压误差量Δv_{_abc}经交流电压内环QPR控制，所得信号经PWM调制，得到UPQC串联侧开关管的控制信号m_{u_abc}，控制串联侧逆变电路开关管的开通与关断；

4)正序电流扰动指令值i^* _{p_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{p_abc}作差，或者负序电流扰动指令值i^* _{n_abc}与采样得到的UPQC并联侧输出电流i_{n_abc}作差，得到电流偏差值Δi_{_abc}；

5)电流偏差值Δi_{_abc}经交流电流内环QPR控制，所得信号经PWM调制，UPQC并联侧开关管的控制信号m_{i_abc}，控制并联侧逆变电路开关管的开通与关断。

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