CN109738703A - 高压宽频带阻抗测量装置及其控制方法 - Google Patents

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伍文华
陈燕东
谢志为
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Abstract

本发明公开了一种高压宽频带阻抗测量装置及其控制方法，高压宽频带阻抗测量装置主要包括高压宽频带电压扰动注入装置、电压与电流信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控系统。高压宽频带电压扰动注入装置采用工频降压变压器+多绕组移相变压器两级变压方式从高压侧取电，多绕组移相变压器二次侧的每个绕组均接一个AC/DC/AC功率单元；AC/DC/AC功率单元由三相可控全桥、直流侧电容和单相H桥组成；扰动注入装置通过宽频带升压变压器串联接入到待测新能源发电装备的高压侧线路中，电压扰动注入装置的三相可控全桥采用整流/回馈控制、其输出采用考虑直流侧电压波动的开环控制。本发明可满足光伏、风电、无功补偿等电力电子装备的宽频带输出阻抗特性在线测量的需求。

Description

高压宽频带阻抗测量装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源发电中的宽频带阻抗在线测量技术领域，特别是一种高 压宽频带阻抗测量装置的控制方法。
背景技术
2020年我国风、光发电装机容量将达到3.2亿千瓦，其中2亿千瓦位于“三 北”地区。为解决“三北”地区新能源消纳问题，已建、在建和规划建设特高压直 流外送通道有8条，大基地、直流送出目前和将来一段时间将是我国新能源开发 利用的主导形式。新能源发电基地直流外送系统中，电力电子发电装备数量巨大， 控制复杂且存在多时间尺度耦合，基地间及其与直流输电的动态相互作用加剧， 系统振荡呈宽频带、时变和多形态特征。频域理论中的阻抗法是分析新能源变流 器并网系统振荡问题最常用的方法之一，其基本思路是将变流器和交流电网看成 两个独立的子系统，利用阻抗矩阵描述子系统的外特性，并利用子系统的阻抗比 判断系统稳定性。与基于状态空间模型的特征值分析方法相比，阻抗法不依赖于 系统的详细模型和具体参数，其所需的阻抗矩阵可以通过测量实际系统的端口外 特性得到，而且可以通过阻抗聚合的方法应对系统规模的扩大，特别适用于大量异构新能源机组组成的大规模系统的分析，因此得到了广泛应用。研发新能源发 电装备的宽频带阻抗特性测量技术与装备是阻抗法应用的基础和关键，是解决新 能源发电装备的阻抗特性难以精确测量、现有仿真工具无法适应新能源机组数量 巨大的问题的有效手段。因此，开展宽频带阻抗特性测量技术与装备的研究对揭 示新能源发电基地直流外送系统的宽频带振荡机理和提出振荡防御及抑制方法 有着重大的意义。然后，目前阻抗测量装备的研究主要集中在低压小容量领域， 35kV、兆瓦级的阻抗测量装备鲜见报道，但目前主流风机的容量都在兆瓦级。
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，提供一种高压宽频带 阻抗测量装置的控制方法，满足光伏、风力发电等高压大容量场景下宽频带输出 阻抗在线测量的需求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高压宽频带阻抗测 量装置，包括与电网连接的降压变压器；所述降压变压器与多绕组移相变压器连 接；所述多绕组移相变压器依次与多个AC/DC/AC功率子模块、宽频带耦合变 压器连接；所述宽频带耦合变压器通过切换柜接入所述电网；所述AC/DC/AC 功率子模块由三相可控全桥、直流侧电容和单相H桥组成；各三相可控全桥中A 相、B相、C相中电压最大的一相上桥臂的IGBT导通，电压最小的一相的下桥 臂的IGBT导通，其余IGBT关断。
本发明的控制方法包括以下步骤：
1)采集高压宽频带电压扰动注入装置中A相N个AC/DC/AC功率单元 的直流侧电压信息vdca1、vdca2、…、vdcaN，B相N个AC/DC/AC功 率单元的直流侧电压信息vdcb1、vdcb2、…、vdcbN和C相N个AC/DC/AC 功率单元的直流侧电压信息vdcc1、vdcc2、…、vdccN，N为各相AC/DC/AC 功率单元的数量；
2)将vdca1、vdca2、…、vdcaN求和，得到A相N个AC/DC/AC功率单元 的直流侧电压之和vdca，将vdcb1、vdcb2、…、vdcbN求和，得到B相N 个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和vdcb，将vdcc1、vdcc2、…、 vdccN求和，得到C相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和 vdcc；
3)将A相扰动电压幅值指令Vrefa除以vdca得到A相调制波形的幅值 Ma，将B相扰动电压幅值指令Vrefb除以vdcb得到B相调制波形的幅 值Mb，将C相扰动电压幅值指令Vrefc除以vdcc得到C相调制波形的 幅值Mc；
4)根据频率指令ω、A相初相位指令B相初相位指令C相初 相位指令以及Ma、Mb和Mc，得到A、B、C三相的调制波分别 为t为时间；
5)将经单极性倍频载波移相 SPWM多电平调制，得到A相各AC/DC/AC功率单元的控制信号 Sa1、Sa2、…、SaN，B相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sb1、Sb2、…、 SbN以及C相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sc1、Sc2、…、ScN， 从而控制各单相H桥功率器件的导通与关断。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出了一种高压、大 容量、宽频带阻抗测量装备及其扰动控制方法，可满足光伏、风力发电等高压大 容量场景下宽频带输出阻抗在线测量的需求。
附图说明
图1为本发明一实施例高压宽频带阻抗测量装置的系统结构图；
图2为本发明一实施例高压宽频带阻抗测量装置中高压宽频带电压扰动注 入装置的拓扑结构；
图3为本发明一实施例高压宽频带阻抗测量装置采用增量法+扫频法进行 宽频带阻抗测量的基本步骤；
图4为本发明一实施例高压宽频带电压扰动注入装置的控制方法；图4(a) 为三相可控全桥采用整流/回馈控制，图4(b)为高压宽频带电压扰动注入装置 考虑直流侧电压波动的开环控制；
图5为本发明一实施例高压宽频带电压扰动注入装置输出10Hz电压扰动的 仿真波形；图5(a)为扰动输出电压波形，图5(b)为AC/DC/AC功率单元的 直流侧电压波形，图5(c)为被测对象的输入电压，图5(d)为被测对象的输 入电流；
图6为本发明一实施例高压宽频带电压扰动注入装置输出100Hz电压扰动 的仿真波形；图6(a)为扰动输出电压波形，图6(b)为AC/DC/AC功率单元 的直流侧电压波形，图6(c)为被测对象的输入电压，图6(d)为被测对象的 输入电流；
图7为本发明一实施例高压宽频带电压扰动注入装置输出500Hz电压扰动 的仿真波形；图7(a)为扰动输出电压波形，图7(b)为AC/DC/AC功率单元 的直流侧电压波形，图7(c)为被测对象的输入电压，图7(d)为被测对象的 输入电流；
图8为本发明一实施例高压宽频带电压扰动注入装置输出1000Hz电压扰动 的仿真波形；图8(a)为扰动输出电压波形，图8(b)为AC/DC/AC功率单元 的直流侧电压波形，图8(c)为被测对象的输入电压，图8(d)为被测对象的 输入电流；
图9为发明一实施例光伏、永磁直驱风力发电装备的阻抗模型与阻抗测量 的仿真结果；
图10为发明一实施例双馈风力发电装备的阻抗模型与阻抗测量的仿真结果。
具体实施方式
如图1所示，高压宽频带阻抗测量装置能够对双馈异步风力发电装备、永 磁直驱风力发电装备和光伏发电装备等高压大容量电力电子装备进行宽频带阻 抗特性测量。高压宽频带阻抗测量装置主要包括高压宽频带电压扰动注入装置、 电压与电流信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控系统。所述高压宽频带电压扰 动注入装置用于提供测量频率下的电压扰动，所述电压与电流信号处理单元用于 采集被测对象低压侧与高压侧的电压和电流，所述宽频带阻抗计算与监控系统用 于阻抗计算和上层监测与控制。
如图2所示，高压宽频带阻抗测量装置中的高压宽频带电压扰动注入装置 采用工频35kV/380V变压器+多绕组移相变压器两级变压方式从高压侧取电，多 绕组移相变压器二次侧的每个绕组均接一个AC/DC/AC功率单元；AC/DC/AC 功率单元由三相可控全桥、直流侧电容和单相H桥组成；扰动注入装置各相采 用8个AC/DC/AC功率单元级联的方式构成三单相独立输出，其输出侧接单电 感滤波器，并通过宽频带升压变压器串联接入到待测新能源发电装备的高压侧线 路中，可作为宽频带电压扰动源。为了能够在实际中应用，该装置配备了配电柜 和切换柜，能够直接从35kV交流母线上取电且有利于装置的投入与切除。
如图3所示，高压宽频带阻抗测量装置采用增量法+扫频法进行宽频带阻抗 测量，其主要步骤为：1)先检测未注入扰动电压时被测电力电子装备的端口电 压和电流；2)高压宽频带电压扰动注入装置向系统注入小扰动电压信号；3)检 测注入扰动电压后被测电力电子装备的端口电压和电流，并分别与步骤1)中的 电压和电流作差；4)根据对称分量法，提取出电压差和电流差的正、负序分量； 5)通过FFT分析，将电压差和电流差的正、负序分量由时域变换到频域；6) 根据电压差和电流差的正、负序分量的频域结果计算出该扰动频率下的阻抗值； 7)然后进行下一个频率点的测量，直到把宽频带的阻抗数据全部测量完成，然 后可绘制宽频带的阻抗特性曲线，阻抗测量完成。
如图4所示，高压宽频带阻抗测量装置的控制方法主要包括AC/DC/AC功 率单元中三相可控全桥的整流/回馈控制、扰动注入装置的级联宽频带输出控制。 主要包括以下步骤：
1)高压宽频带阻抗测量装置中三相可控全桥的IGBT控制规则为：三相中 哪一相的电压最大，则该相上桥臂的IGBT导通，三相中哪一相的电压 最小，则该相下桥臂的IGBT导通，其余IGBT关断；
2)级联控制单元采集高压宽频带电压扰动注入装置中A相N个 AC/DC/AC功率单元的直流侧电压信息vdca1、vdca2、…、vdcaN，B相N 个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压信息vdcb1、vdcb2、…、vdcbN和C相 N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压信息vdcc1、vdcc2、…、vdccN，N 为各相AC/DC/AC功率单元的数量；
3)将vdca1、vdca2、…、vdcaN求和，得到A相N个AC/DC/AC功率单元的 直流侧电压之和vdca，将vdcb1、vdcb2、…、vdcbN求和，得到B相N个 AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和vdcb，将vdcc1、vdcc2、…、vdccN求和，得到C相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和vdcc；
4)将A相扰动电压幅值指令Vrefa除以vdca得到A相调制波形的幅值Ma， 将B相扰动电压幅值指令Vrefb除以vdcb得到B相调制波形的幅值Mb， 将C相扰动电压幅值指令Vrefc除以vdcc得到C相调制波形的幅值Mc；
5)根据频率指令ω、A相初相位指令B相初相位指令C相初相位 指令以及Ma、Mb和Mc，得到A、B、C三相的调制波分别为 t为时间；
6)将经单极性倍频载波移相 SPWM多电平调制，得到A相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sa1、 Sa2、…、SaN，B相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sb1、Sb2、…、SbN以及C相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sc1、Sc2、…、ScN，从而控 制各单相H桥的功率器件导通与关断。
如图5～图8所示，分别为高压宽频带电压扰动注入装置输出10Hz、100Hz、 500Hz和1000Hz电压扰动的仿真波形，从这些图中可知：高压宽频带电压扰动 注入装置可以发出宽频带的正弦波扰动电压，各AC/DC/AC功率单元稳定运行， 所注入的扰动电压基本叠加在了被测新能源发电装备的端口处。因此，仿真证明 了高压宽频带电压扰动注入装置及其控制方法的有效性。
如图9所示，为光伏、永磁直驱风力发电装备的阻抗模型与阻抗测量的仿 真结果，从图中可知理论推导的阻抗模型和采用本发明仿真测量出的阻抗结果能 够很好的吻合，证明了高压宽频带阻抗测量装置及其控制方法的有效性。如图 10所示，为双馈风力发电装备的阻抗模型与阻抗测量的仿真结果，同样，该仿 真结果证明了本发明的有效性。

Claims (2)

1.一种高压宽频带阻抗测量装置，其特征在于，包括与电网连接的降压变压器；所述降压变压器与多绕组移相变压器连接；所述多绕组移相变压器依次与多个AC/DC/AC功率子模块、宽频带耦合变压器连接；所述宽频带耦合变压器通过切换柜接入所述电网；所述AC/DC/AC功率子模块由三相可控全桥、直流侧电容和单相H桥组成；各三相可控全桥中A相、B相、C相中电压最大的一相上桥臂的IGBT导通，电压最小的一相的下桥臂的IGBT导通，其余IGBT关断。
2.根据权利要求1所述的高压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)采集高压宽频带电压扰动注入装置中A相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压信息vdca1、vdca2、…、vdcaN，B相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压信息vdcb1、vdcb2、…、vdcbN和C相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压信息vdcc1、vdcc2、…、vdccN，N为各相AC/DC/AC功率单元的数量；
2)将vdca1、vdca2、…、vdcaN求和，得到A相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和vdca，将vdcb1、vdcb2、…、vdcbN求和，得到B相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和vdcb，将vdcc1、vdcc2、…、vdccN求和，得到C相N个AC/DC/AC功率单元的直流侧电压之和vdcc；
3)将A相扰动电压幅值指令Vrefa除以vdca得到A相调制波形的幅值Ma，将B相扰动电压幅值指令Vrefb除以vdcb得到B相调制波形的幅值Mb，将C相扰动电压幅值指令Vrefc除以vdcc得到C相调制波形的幅值Mc；
4)根据频率指令ω、A相初相位指令B相初相位指令C相初相位指令以及Ma、Mb和Mc，得到A、B、C三相的调制波分别为t为时间；
5)将经单极性倍频载波移相SPWM多电平调制，得到A相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sa1、Sa2、…、SaN，B相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sb1、Sb2、…、SbN以及C相各AC/DC/AC功率单元的控制信号Sc1、Sc2、…、ScN，从而控制各单相H桥功率器件的导通与关断。
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