CN109888767B - 一种直流电网的小扰动信号注入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流电网的小扰动信号注入装置，包括：多个输出信号模块；每个输出信号模块包括：H桥电路和控制单元，所述H桥电路的输出电压基于所述控制单元进行开环控制；所述多个输出信号模块级联后接入被测直流电网，用于向被测直流电网输入正弦波作为所述被测直流电网的扰动。本发明在输出侧用H桥电路替换了LCL滤波器，从而可以保证输出频率能够达到需要的1kHz，同时极大减少了输出阻抗的存在。
Description
技术领域
本发明涉及直流电网领域，具体涉及一种直流电网的小扰动信号注入装置。
背景技术
目前，基于分布式电力电子电源组成的直流供电系统获得了广泛的使用，例如使用电力电子变压器将交流电网变成直流电网后，各类新能源发电设备和直流负载直接同直流电网连接，从而降低系统损耗，提高系统发电效率，因此，分析基于电力电子变压器的直流电网的稳定性具有很重要的实际意义。基于电力电子变压器的直流电网的主要特点是大量电力电子设备接入电网，针对这类系统一般采用阻抗稳定性理论分析整体稳定情况，在工程实际中，一般采用向直流电网注入交流电压或者电流信号，频率从1Hz到几kHz，通过检测直流电网系统的电流或者电压响应来计算系统阻抗，并通过阻抗的伯德bode图，来分析是否满足奈奎斯特稳定判据的方法来判断系统稳定性，并针对可能发生的震荡频率进行提前预警，通过多种手段对系统阻抗特性进行优化，从而避免发生系统振荡失稳现象。因此，小扰动信号的注入装置是在实际工程中开展电力电子变压器组成的直流电网稳定性分析的关键装备。
现有的小扰动信号的注入装置只适用于小功率直流供电系统，例如输出电压在24V以内且电流在20A以内的系统，目前最大的应用案例功率不超过10kw，其中的关键核心技术是宽频率电压扰动注入装置，利用音响功率放大器等效作为理想电压源，向系统连续注入几千赫兹的交流信号，并检测每种频率信号注入后的系统电流响应，进而得到阻抗的幅频特性和相角特性。但是，针对基于电力电子变压器组成的分布式新能源直流电网系统，同小功率直流供电系统相比具有几个不同特点：
1、包含大量基于电力电子技术的新能源设备接入，导致系统内电压、电流谐波含量高，不利于特定频率信号的检测；
2、电网系统的电压、电流和功率等级高，直流母线电压几百到上千伏，功率几十千瓦到几兆瓦，目前没有对等功率等级的设备可用作小扰动信号的注入装置；
综上两点，分布式新能源直流电网的阻抗测量装置不可能采用基于音响功率放大器的方案，如何设计针对分布式直流电网系统的小扰动信号注入装置急需解决。
发明内容
为了解决现有技术中所存在没有针对分析分布式直流电网的稳定性时，注入扰动信号的小扰动信号注入装置的问题，本发明提供一种直流电网的小扰动信号注入装置。
本发明提供的技术方案是：一种直流电网的小扰动信号注入装置，包括：多个输出信号模块；
每个输出信号模块包括：H桥电路和控制单元，所述H桥电路的输出电压基于所述控制单元进行开环控制；
所述多个输出信号模块级联后接入被测直流电网，用于向被测直流电网输入正弦波作为所述被测直流电网的扰动。
优选的，所述信号输出模块，还包括：蓄电池和开关控制单元；
所述蓄电池、开关控制单元和H桥电路依次串联；
所述蓄电池用于为所述信号输出模块供电，避免从直流电网吸收功率，消除对直流电网阻抗的影响。
优选的，所述H桥电路包括：第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT。
优选的，所述信号输出模块，还包括：DC-DC变换器、电感和电容C1；
所述电感的一端与所述开关控制单元的发射极连接，所述电感的另一端和第一IGBT的集电极连接；
所述DC-DC变换器的一端与蓄电池连接，所述DC-DC变换器的另一端与第三IGBT的发射极连接；
所述电容C1并联在所述电感和DC-DC变换器之间；
所述开关控制单元包括IGBT。
优选的，所述电容C1的容量不大于100微法。
优选的，所述信号输出模块，还包括：电容C2；
所述电容C2并联在H桥电路两端，用于抵消和降低直流电网功率波动导致的输出电压波形畸变。
优选的，所述电容C2的容量大于2万微法。
优选的，所述DC-DC变换器采用降压-升压型Buck-Boost结构。
优选的，所述IGBT中的晶体管采用金氧半场效晶体管MOSFET。
优选的，所述控制单元采用SPWM调制对H桥电路中的IGBT进行开断控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的技术方案，小扰动注入装置包括多个输出信号模块；每个输出信号模块包括H桥电路和控制单元，所述H桥电路的输出电压基于所述控制单元进行开环控制；所述多个输出信号模块级联后接入被测直流电网，用于向被测直流电网输入正弦波作为所述被测直流电网的扰动，在输出侧用H桥电路替换了LCL滤波器，从而可以保证输出频率能够达到需要的1kHz，同时极大减少了输出阻抗的存在。
2、本发明提供的技术方案，交流小扰动输出电压采用开环控制，不存在闭环系统引入的闭环输出频率特性。
3、本发明提供的技术方案，每个输出信号模块的直流母线电压独立供电，并联大容量电容，抵消和降低电网功率波动导致的输出电压波形畸变；消除了现有小功率的阻抗注入装置中因采用多绕组变压器引入的阻抗；通过不从电网吸收功率，从而消除了对电网阻抗的影响。
4、本发明提供的技术方案，各输出信号模块采用电池加DC-DC的方式对小扰动注入装置的输入电压，即直流母线电压进行闭环控制，进一步降低直流母线电压波动，保证输出交流小扰动电压波形不产生畸变。
5、本发明提供的技术方案，采用了直流电压控制，因为直流电压控制比交流电压控制性能更好，且控制方式更简单，同时由H桥构成的交流串联结构也会使得直流输出阻抗极大降低。
6、本发明提供的技术方案，各独立输出信号模块级联后采用基于载波移相技术的SPWM脉宽调制技术，提高系统开关频率，降低系统输出电压谐波，达到近似“完美无谐波”的效果。
7、本发明提供的技术方案，可以宽频带集中注入谐波，只注入一次小扰动即可测量全部频带响应，为实时阻抗测量和稳定性预警提供可能性。
附图说明
图1为本发明的小扰动注入装置结构示意图；
图2为本发明的输出信号模块结构示意图；
图3为本发明实施例中单个输出信号模块PWM调制算法输出的波形示意图；
图4为本发明实施例中输出信号模块级联PWM调制算法输出的波形示意图；
图5为本发明实施例中单个输出信号模块PWM调制算法在间隔0.01s时输出电压波形示意图；
图6为本发明实施例中单个输出信号模块PWM调制算法在间隔0.005s时输出电压波形示意图；
图7为本发明实施例中交流小扰动注入电压在间隔0.05s时的波形示意图；
图8为本发明实施例中交流小扰动注入电压在间隔0.01s时的波形示意图；
图9为本发明实施例中对图5中单个输出信号模块在间隔0.01s时输出电压的频谱图；
图10为本发明实施例中对串联拓扑输出波形进行傅里叶分析得到频谱图；
图11为本发明实施例中被测线性电路示意图；
图12为本发明实施例中精确bode图和测量bode图的对比示意图；
1、4和7-电池；2、5和8-DC-DC变换器；3、6和9-H桥单元；10-被测试的分布式直流电网；11-小扰动注入装置的输出端；12-输出信号模块。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
阻抗稳定测量装置的核心部分是扰动注入装置，基于电力电子变压器的设计的小扰动注入装置用于测量由电力电子变压器组成的直流电网，由电力电子变压器的直流电网，其电源是基于电力电子开关器件的电压源，该电网能够保证电网内部均是由直流电力电子变换器组成，可以用于小信号扰动方式分析稳定性。
扰动注入装置输入的大功率的扰动是测量直流电网阻抗稳定性的关键点，本发明主要针对扰动注入装置进行改进，分别研究一种大功率、低谐波的可用于直流电网级别的扰动注入装置，详细介绍了装置的拓扑结构和PWM调制算法，其中拓扑结构的目的是实现高压、大功率的扰动信号输出，PWM调试算法是针对该拓扑结构，采用何种控制算法控制IGBT的开关，保证扰动注入装置能够注入高压、大功率的扰动信号。
如图1所示，为本发明提出基于模块级联的小扰动注入装置的电路拓扑图，包括：多个输出信号模块；
每个输出信号模块包括H桥电路和控制单元，所述H桥电路的输出电压基于所述控制单元进行开环控制；
所述多个输出信号模块级联后接入被测直流电网，用于向被测直流电网输入正弦波作为所述被测直流电网的扰动。
如图2所示，信号输出模块包括：蓄电池、开关控制单元、H桥电路、DC-DC变换器、电感、电容C1和电容C2，
所述蓄电池、开关控制单元和H桥电路依次串联；
所述蓄电池用于为所述信号输出模块供电，避免从直流电网吸收功率，消除对直流电网阻抗的影响。
其中，H桥电路包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT；所述开关控制单元为IGBT。
所述电感的一端与开关控制单元的发射极连接，所述电感的另一端和第一IGBT的集电极连接；
所述DC-DC变换器的一端与蓄电池连接，所述DC-DC变换器的另一端与第三IGBT的发射极连接；
所述电容C1并联在所述电感和DC-DC变换器之间，且电容C1的容量不大于100微法。
所述电容C2并联在H桥电路两端，用于抵消和降低直流电网功率波动导致的输出电压波形畸变，且电容C2的容量大于2万微法。
本实施例中的DC-DC变换器采用降压-升压型Buck-Boost结构。
相比较传统电力电子变流器方案，在其主要优势如下：
1、在小扰动输出侧取消LCL滤波器，从而可以保证输出频率能够达到需要的1kHz，同时极大减少了输出阻抗的存在。
2、交流小扰动输出电压采用开环控制，不存在闭环系统引入的闭环输出频率特性。
3、每个输出信号模块的直流母线电压独立供电，并联大容量电容，抵消和降低电网功率波动导致的输出电压波形畸变；消除多绕组变压器引入的阻抗；不从电网吸收功率，消除对电网阻抗的影响。
4、各输出信号模块采用电池加DC-DC直流母线电压闭环控制，进一步降低直流母线电压波动，保证输出交流小扰动电压波形不产生畸变。同时直流电压控制比交流电压控制性能更好，控制更简单，交流串联结构也会使得直流输出阻抗极大降低。
5、各独立输出信号模块级联后采用基于载波移相技术的SPWM脉宽调制技术，提高系统开关频率，降低系统输出电压谐波，达到近似“完美无谐波”的效果。
6、可以宽频带集中注入谐波，只注入一次小扰动即可测量全部频带响应。为实时阻抗测量和稳定性预警提供可能性。
本实施例中IGBT的晶体管采用金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,MOSFET)。
本实施例还提供了小扰动信号注入装置的PWM调制算法，包括：
在进行稳定性分析的阻抗测量时，一般要注入1kHz以内的理想正弦电压波形，如果要使注入的波形是理想电压源，则要满足下列两个条件：
一是开关频率在10kHz以上，开关产生的谐波能量主要集中在高频段，不会对1kHz的有用频率段产生明显影响；
二是系统输出波形具备较好的总谐波畸变率，保证注入系统的谐波功率不足以影响阻抗测量精度。
只有在满足上述两个条件时，才能近似认为注入的电压扰动是理想电压源。
本实施例所设计的拓扑结构中，输出信号模块的结构如图2所示，交流输出全桥结构采用双极性SPWM调试算法。假设直流母线电压恒定，单独输出信号模块的双极性调试算法和交流侧输出电压u的波形和模块级联的调制算法分别如图3、图4所示，图3中横坐标为时间，纵坐标为级数(magnitude)。
在稳态时，输出电压Uan可以看做是周期函数，因此可以得到它的傅里叶级数表达式如公式(1)所示：
公式(1)中，Qkm代表电压幅值，E代表直流侧电压幅值，ωm代表输出基波频率，代表输出基波初相角，ωc代表三角载波角频率，/>代表三角载波初相角，Jn(x)是贝塞尔函数。
通过推导可以得到本实施例所述的Lx个输出信号模块级联的电路拓扑输出波形的傅里叶级数表达式如公式(2)所示：
在公式(2)中，可以得到下列结论：
1、基波幅值；当K＝Km时：
有公式(3)可见，输出交流侧电压幅值比单个输出信号模块提高Lx倍。
2、谐波频率和幅值；
当K＝MLxKC，M＝1,2,…，∞时：
由公式(4)可见，最低次谐波频率从单个输出信号模块工作时的Kc提高到LxKc，因此，等效开关频率提高Lx倍。
3、边带谐波频率和幅值；
当K＝MLxKC+nKm，M＝1,2,…，∞,n＝±1,±2,…,±∞时：
由公式(5)可见，通常边带谐波在当n>3时，影响较小，最低次频率边带谐波分布在LxKc附近，因此，等效开关频率提高Lx倍。
单一输出信号模块的调制算法和傅里叶分析是分析本实施例设计的拓扑模块级联输出波形品质的基础，假设本实施例所用拓扑采用Lx个输出信号模块级联，每个输出信号模块的三角载波相位错开角度2π/Lx，在Lx取40的时候，绘制小扰动交流注入侧的波形。为了便于比较，将开关频率2kHz的单一输出信号模块在不同时间间隔的输出波形在图5和图6中进行展示，将输出信号模块级联后在不同时间间隔输出的波形在图7和图8中展示。
为了保证测量结果的准确性，本实施例中没有在被测电网模型中加入非线性的直流DC-DC，而是采用纯线性元件组成线性电路，并通过推导得到精确的传递函数模型；根据精确的传递函数模型得到精确的阻抗bode图。采用本实施例提供的扰动注入装置构成的电压型阻抗测量装置测量得到的阻抗bode图同精确的bode图对比，进而验证阻抗测量装置的准确性。
对单个输出信号模块拓扑和串联拓扑输出波形进行傅里叶分析，并绘制频谱图，由图9和图10的频谱图可知，输出信号模块级联拓扑不但将等效开关频率提高到80kHz，同时谐波总能量也极大降低，在基波幅值相同的条件下，例如在谐波(fundamental)为139伏，总谐波畸变率THD从177.18％下降到4.14％，在图9和图10中横坐标为频率(frequency)，纵坐标为谐波(fundamental)的幅度。
由此可见，采用本实施例提出的拓扑结构和调制算法，可以极大提高等效开关频率，同时降低谐波含量，即使取消输出侧LCL滤波器的前提下，也可以获得很好的波形效果，可以近似认为是理想电压源输出。被测线性电路如图11所示，元件参数表所示：
| 元件名称 | 参数数值 |
| R1 | 10ohm |
| L1 | 10mH |
| C1 | 1000uF |
| R2 | 10ohm |
| R3· | 10ohm |
被测线性电路的阻抗模型如公式(6)：
注入信号为基波为10Hz的谐波集合，最高频率为1kHz，其Simulink仿真模型，通过仿真验证可知，本发明提供的阻抗测量装置具有近似理想电压源特性，能够作为阻抗测量装置的扰动注入源；另外，本装置不需要每一个频率分量单独注入，可以直接注入谐波集合，为阻抗测量实时应用奠定了基础。
被测电路阻抗精确模型得到的bode图和阻抗测量装置测量得到的bode图如图12所示，其中横坐标为频率(frequency)，纵坐标分别为级数(magnitude)和相位(phase)。有图12可见，在基波10Hz到1000Hz之间，bode图吻合程度较好，基本验证的阻抗测量装置的准确性。在低于10Hz和高于1000Hz的部分，由于FFT计算的误差(基2的FFT要求采样点数是2的整数次幂，但是这样很难保证采样波形是完整的基波周期，从而产生误差)，两个bode图有一些差别，但是并不影响测量精度。
本实施例提供的技术方案主要优点在于：
1、采用H桥级联模式作为扰动注入装置的拓扑结构，输出侧不用LCL滤波器，即可输出近似正弦，且输出频率不受LCL滤波器的限制。
2、输出侧采用开环控制，避免了闭环电压控制产生的波形畸变和干扰。
3、直流母线侧采用独立的电池和DC-DC闭环控制，保证每个模块的直流母线稳定。
4、注入的波形的频率叠加后注入，不需要一一注入各个频率。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种直流电网的小扰动信号注入装置，其特征在于，包括：多个输出信号模块；
每个输出信号模块包括：H桥电路和控制单元，所述H桥电路的输出电压基于所述控制单元进行开环控制；
所述多个输出信号模块级联后接入被测直流电网，用于向被测直流电网输入正弦波作为所述被测直流电网的扰动；
所述输出信号模块，还包括：蓄电池和开关控制单元；
所述蓄电池、开关控制单元和H桥电路依次串联；
所述蓄电池用于为所述输出信号模块供电，避免从直流电网吸收功率，消除对直流电网阻抗的影响；
所述H桥电路包括：第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT；
所述输出信号模块，还包括：DC-DC变换器、电感和电容C1；
所述电感的一端与所述开关控制单元的发射极连接，所述电感的另一端和第一IGBT的集电极连接；
所述DC-DC变换器的一端与蓄电池连接，所述DC-DC变换器的另一端与第三IGBT的发射极连接；
所述电容C1并联在所述电感和DC-DC变换器之间；
所述开关控制单元包括IGBT。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容C1的容量不大于100微法。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出信号模块，还包括：电容C2；
所述电容C2并联在H桥电路两端，用于抵消和降低直流电网功率波动导致的输出电压波形畸变。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电容C2的容量大于2万微法。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DC-DC变换器采用降压-升压型Buck-Boost结构。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述IGBT中的晶体管采用金氧半场效晶体管MOSFET。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元采用SPWM调制对H桥电路中的IGBT进行开断控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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