CN109444541A - 无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置及其控制方法，该装置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通过串联注入的方式，无需变压器耦合直接向待测系统注入扰动电压。各高频隔离DC/DC变换器采用电压外环比例积分电流内环比例控制输出直流电压。级联H桥逆变器采用电压外环准比例谐振电流内环比例控制产生多电平波形。所使用的控制方法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
技术领域
本发明涉及新能源发电中的阻抗测量技术领域，特别是一种兼具兆瓦级大功率场合及宽频带扰动输出的阻抗测量装置的设计。
背景技术
随着煤炭、石油、天然气等化石能源的日渐枯竭以及环境污染等问题日渐突出，大力开发和低碳利用可再生能源、优化能源结构已成为当今能源革命的主题，成为了各国能源战略的重点。电网接纳大规模可再生能源是我国能源发展的必然趋势和选择。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。由于变压器和长距离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，这将导致弱电网条件下电网阻抗和新能源发电装备的阻抗发生交互耦合，影响新能源并网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。阻抗模型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。在可再生能源发电基地内，发电装备外特性差异大，且电网扰动与可再生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
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置及其控制方法，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：一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置的及其控制方法。该装置包括电压扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算单元。其中，电压扰动注入单元每相级联20个子功率模块单元，各相输出经LC滤波电路串联接入待测系统，注入扰动电压，无需耦合变压器。每个子功率模块单元由三相不可控整流变换器、高频隔离DC/DC 变换器、单相H桥DC/AC变换器构成。每个单相H桥DC/AC变换器直流侧电容由前级高频DC/DC变换器供电，避免了直流电容的不平衡问题，同时使得级联功率模块只需承受较小的电压。
该装置的控制方法包含对高频DC/DC变换器和级联H桥逆变器的控制。其中每相中各高频隔离DC/DC变换器采用电压外环比例积分电流内环比例控制，通过产生移相脉冲控制高频隔离DC/DC变换器的开关控制输出直流侧电压稳定。级联型H桥逆变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桥逆变器的功率器件导通与关断。具体包括以下步骤：
1)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每相的各个子功率模块单元中高频隔离DC/DC变换器瞬时输出电压udcn、瞬时输出电流idcn以及级联型H桥逆变器瞬时输出电压uoa、uob、uoc、瞬时输出电流iLa、iLb、iLc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，其中n为每相各子功率模块单元编号,取值从1-20。；
2)将高频隔离DC/DC变换器输出电压指令信号Udcref与采样得到的各高频隔离DC/DC变换器瞬时输出电压udcn作差，得到电压误差量Δudcn；
3)电压误差量Δudcn经过电压外环PI控制所得值经过限幅环节后得到电流内环指令信号Idcrefn；
4)将高频隔离DC/DC变换器电流指令信号Idcrefn与采样得到的高频隔离DC/DC变换器实际瞬时输出电流idcn作差，得到电流误差量Δidcn；
5)电流误差量Δidcn经过电流内环P控制所得值经过限幅送入移相脉冲调制器，产生高频隔离DC/DC变换器开关管占空比信号，控制开关管开通与关断。
6)待各个高频隔离DC/DC变换器输出直流侧电压稳定之后，开始对H 桥进行控制，将根据具体测量需求设定的每相输出电压指令信号 uref-a、uref-b、uref-c与采样得到的级联型H桥逆变器实际输出电压uoa、 uob、uoc作差，得到电压误差量Δua、Δub、Δuc；
7)电压误差量Δua、Δub、Δuc经电压外环准PR控制所得值经限幅环节后得到电流内环的电流参考值irefLa、irefLb、irefLc；
8)将电流参考值irefLa、irefLb、irefLc与采样得到的实际输出电流iLa、iLb、 iLc作差，得到电流误差量ΔiLa、ΔiLb、ΔiLc；
9)将电流误差量ΔiLa、ΔiLb、ΔiLc经电流内环P控制后限幅输出，并与调制系数kPWM作乘积得到调制信号ura、urb、urc；
10)对调制信号ura、urb、urc和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到级联型H桥逆变器中开关管的占空比信号Tra1、Tra2…Tra20、 Trb1、Trb2…Trb20、Trc1、Trc2…Trc20，控制逆变电路开关管的开通与关断。
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，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。且不需要耦合变压器，既降低了成本又减小了装备体积，级联H桥结构采用多个电气独立的直流电容供电，直流电容由前级三相不可控整流和高频隔离DC/DC环节稳压，解决了直流电压不平衡的问题，减小了干扰谐波的影响，提高了测量精度，同时使级联功率模块只承受较小的电压，扰动电压大部分加在待测系统上。
附图说明
图1为本发明一实施例一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置系统结构图；
图2为本发明一实施例一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置单相控制方法框图；
图3为串联注入扰动电压源法示意图；
图4为阻感性阻抗在dq坐标系下的Zdd(s)；
图5为阻感性阻抗在dq坐标系下的Zdq(s)；
图6为阻感性阻抗在dq坐标系下的Zqd(s)；
图7为阻感性阻抗在dq坐标系下的Zqq(s)。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例一种无变压器耦合注入式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20个子功率模块单元，各相输出通过LC滤波电路串联接入待测系统，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ra、rb、rc，以避免发生谐振现象；所述子功率模块单元经LC滤波电路串联接入电网，且由三相不可控整流器、高频隔离 DC/DC变换器、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。Uoa、uob、uoc为三相级联子模块输出相电压，电感La1、Lb1、Lc1、La2、Lb2、Lc2、电容Ca、Cb、Cc与电阻ra、rb、rc并联组成LC滤波器，iLa、iLb、iLc为输出相电流，Lline为线路电感、Rline为线路电阻。
图2为无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置单相控制方法框图，以A相为例，在每个采样周期的起始点，对各个子功率模块单元中高频隔离DC/DC变换器瞬时输出电压udcn、瞬时输出电流idcn、以及级联型H桥逆变器瞬时输出电压 uoa、瞬时输出电流iLa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；将高频隔离DC/DC变换器输出电压指令信号Udcref与采样得到的高频隔离DC/DC变换器瞬时输出电压udcn作差，得到电压误差量Δudcn；电压误差量Δudcn经过电压外环PI控制所得值经过限幅环节后得到电流内环指令信号Idcrefn；将高频隔离DC/DC变换器电流指令信号Idcrefn与采样得到的高频隔离DC/DC变换器实际瞬时输出电流idcn作差，得到电流误差量Δidcn；电流误差量Δidcn经过电流内环P控制所得值经过限幅送入移相脉冲调制器，产生高频隔离DC/DC变换器开关管占空比信号，控制开关管开通与关断；待高频隔离DC/DC变换器输出直流侧电压稳定之后，将根据具体测量需求设定的A相输出电压指令信号uref-a、与采样得到的级联型H桥逆变器实际输出A相电压uoa作差，得到电压误差量Δua；电压误差量Δua经电压外环准PR控制所得值经限幅环节后得到电流内环的电流参考值irefLa；将电流参考值irefLa与采样得到的实际输出电流iLa作差，得到电流误差量ΔiLa；将电流误差量ΔiLa经电流内环P控制后限幅输出，并与调制系数 kPWM作乘积得到调制信号ura；对调制信号ura和三角载波进行载波移相SPWM 多电平调制，得到级联型H桥逆变器A相的开关管占空比信号Tra1、Tra2…Tra20，控制逆变电路开关管的开通与关断。其中n即为每相各子功率模块单元编号,取值从1-20。准PR传递函数为：
式子中Kp为准PR控制的比例系数，Ki为准PR控制的积分系数，ωc为谐振带宽，ω0为电网角频率，s为复变量。
图3为串联注入扰动电压源法示意图，图中，vpa、vpb和vpc为扰动电压源；ipa、 ipb和ipc为扰动电压源产生的电流响应；vpma、vpmb、vpmc、为扰动电压加到新能源发电装备上的电压；vpga、vpgb、vpgc为扰动电压加到在交流电网上的电压；Zga(s)、 Zgb(s)和Zgc(s)为交流电网的等效阻抗；Ima、Imb和Imc为新能源发电装备的并网电流；Zma(s)、Zmb(s)和Zmc(s)为新能源发电装备的等效阻抗。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为扰动正弦电流的角频率。需特别说明的是：ipa(s)、ipb(s)、ipc(s)、 vpma(s)、vpmb(s)和vpmc(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：Zmdd(s)、Zmdq(s)、Zmqd(s)和Zmqq(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Tdq如(3)所示。式中：θ＝ωt为初相角为0的基准相位角。
图4阻感性阻抗在dq坐标系下的Zdd(s)。
图5阻感性阻抗在dq坐标系下的Zdq(s)。
图6阻感性阻抗在dq坐标系下的Zqd(s)。
图7阻感性阻抗在dq坐标系下的Zqq(s)。
当新能源发电装备用电阻和电感串联Rm+sLm代替时，其阻抗在dq坐标下的阻抗
矩阵表达式为：
由图4至图7可以看出：测量阻抗和实际阻抗能够较好吻合，验证了所提方法的有效性。
Claims (3)
1.一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置，其特征在于，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；所述电压扰动注入单元每相级联20个子功率模块单元，各相输出通过LC滤波电路串联接入待测系统，提供电压源扰动，无需耦合变压器；每个子功率模块单元由三相不可控整流变换器、高频隔离DC/DC变换器、单相H桥DC/AC变换器依次连接构成；每个单相H桥DC/AC变换器直流侧电容由前级高频DC/DC变换器供电；所述信号处理单元主要对电压电流响应进行滤波、FFT处理，将处理后的信号送进宽频带阻抗计算与监控单元；所述宽频带阻抗计算与监控单元接受信号处理单元的数据后，进行阻抗计算，同时对扰动注入单元输出及投切进行控制。
2.一种无变压器耦合注入式宽频带阻抗测量装置的控制方法，其特征在于，该控制方法包含对高频隔离DC/DC变换器和级联H桥逆变器的控制，高频DC/DC采用电压外环比例积分电流内环比例控制实现直流侧稳定，级联H桥采用电压外环准比例谐振电流内环比例控制实现多电平输出；具体包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对兆瓦级宽频带阻抗测量装置每相的各个子功率模块单元中高频隔离DC/DC变换器瞬时输出电压udcn、瞬时输出电流idcn以及级联型H桥逆变器瞬时输出电压uoa、uob、uoc、瞬时输出电流iLa、iLb、iLc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；n为每相各子功率模块单元编号,取值为1～20；
2)将高频隔离DC/DC变换器输出电压指令信号Udcref与采样得到的高频隔离DC/DC变换器瞬时输出电压udcn作差，得到电压误差量Δudcn；
3)电压误差量Δudcn经过电压外环PI控制所得值经过限幅环节后得到高频隔离DC/DC变换器电流内环指令信号Idcrefn；
4)将电流指令信号Idcrefn与采样得到的高频隔离DC/DC变换器实际瞬时输出电流idcn作差，得到电流误差量Δidcn；
5)电流误差量Δidcn经过电流内环P控制所得值经过限幅送入移相脉冲调制器，产生高频隔离DC/DC变换器开关管占空比信号，控制开关管开通与关断；
6)待各个高频隔离DC/DC变换器输出直流侧电压稳定之后，开始对级联H桥进行控制，将根据具体测量需求设定的每相输出电压指令信号uref-a、uref-b、uref-c对应与采样得到的级联型H桥逆变器瞬时输出电压uoa、uob、uoc作差，得到电压误差量Δua、Δub、Δuc；
7)电压误差量Δua、Δub、Δuc经电压外环准PR控制所得值经限幅环节后得到电流内环的电流参考值irefLa、irefLb、irefLc；
8)将电流参考值irefLa、irefLb、irefLc与采样得到的实际输出电流iLa、iLb、iLc作差，得到电流误差量ΔiLa、ΔiLb、ΔiLc；
9)将电流误差量ΔiLa、ΔiLb、ΔiLc经电流内环P控制后限幅输出，并与调制系数kPWM作乘积得到调制信号ura-pwm、urb-pwm、urc-pwm；
10)对调制信号ura-pwm、urb-pwm、urc-pwm和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到级联型H桥逆变器开关管的占空比信号Tra1、Tra2…Tra20、Trb1、Trb2…Trb20、Trc1、Trc2…Trc20，控制逆变电路开关管的开通与关断。
3.根据权利要求2所述的一种兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法，其特征在于，步骤7)中，所述准PR控制的传递函数为：其中Kp为准PR控制的比例系数，Ki为准PR控制的积分系数，ωc为谐振带宽，ω0为电网角频率，s为复变量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190308 |
|
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