CN110988485B - 直流微电网阻抗检测系统及阻抗检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种直流微电网阻抗检测系统及阻抗检测方法，直流微电网阻抗检测系统包括：直流微电网及电压源换流器，所述直流微电网通过两端的直流并网点与所述电压源换流器并联；控制器，所述控制器与所述电压源换流器连接，所述控制器用于控制所述电压源换流器的直流母线电压，以使所述直流母线电压具有多个频率；数据处理器，所述数据处理器与所述直流并网点连接，所述数据处理器用于检测所述直流并网点的电压和电流，以获取所述直流并网点的阻抗。本发明通过使直流母线电压具有多个频率，测试出直流微电网在不同频率下的阻抗特性。

Description

直流微电网阻抗检测系统及阻抗检测方法

技术领域

本发明实施例涉及电力领域，特别涉及一种直流微电网阻抗检测系统及阻抗检测方法。

背景技术

直流微电网中分布式电源、储能、交直流负荷等电力电子变换装备的非线性控制虽然有利于快速响应负荷和供电的变化，增加系统灵活性，提升系统运行效率。但是与此同时，电力电子装置的非线性控制特征也深刻地影响了直流配电网的运行特性和行为。

本发明的发明人发现，因为电力电子设备控制大量功率器件快速导通/关断，使得直流微电网在不同频率表现出不同的阻抗特性，尤其是当电流复合增大以及互联端口增加时导致系统阻尼降低，甚至出现负阻尼，从而影响直流微网稳定运行，因此，如何准确有效地获取直流微电网在不同频率下的阻抗特性，成为分析直流微电网系统稳定性的关键。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题为提供一种直流微电网阻抗检测系统及阻抗检测方法，准确测试出直流微电网在不同频率下的阻抗特性。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种直流微电网阻抗检测系统，包括：直流微电网及电压源换流器，所述直流微电网通过两端的直流并网点与所述电压源换流器并联；控制器，所述控制器与所述电压源换流器连接，所述控制器用于控制所述电压源换流器的直流母线电压，以使所述直流母线电压具有多个频率；数据处理器，所述数据处理器与所述直流并网点连接，所述数据处理器用于检测所述直流并网点的电压和电流，以获取所述直流并网点的阻抗。

另外，所述电压源换流器的额定功率大于或等于所述直流微电网的额定功率的2倍。

另外，所述控制器包括电压外环及电容电流内环，且所述电压外环采用比例积分调节器，所述电容电流内环采用比例积分调节器。

另外，所述电压源换流器包括双相逆变桥。

相应地，本发明实施例还提供一种阻抗检测方法，应用于上述直流微电网阻抗检测系统，包括：所述直流微电网处于真实运行状态，所述电压源换流器具有初始直流母线电压；控制器生成施加于所述初始直流母线电压的扰动电压Δu；其中，所述扰动电压Δu与所述初始直流母线电压的频率不同；数据处理器检测直流并网点的电压和电流，以获取所述直流并网点的阻抗。

另外，所述扰动电压Δu包括N个谐波，且每个谐波的频率不同；其中，20≤N≤50。

另外，所述扰动电压Δu为：

其中，K为常量且随时间递增，U₀为所述直流微电网的额定电压，f_i为第i个谐波的频率，θ_i为第i个谐波的相位，t为时间变量。

另外，所述扰动电压Δu的谐波频率范围大于或等于1000Hz。

另外，所述数据处理器获取所述直流并网点的阻抗，具体包括：所述数据处理器实时检测所述直流并网点的电压和电流，并根据所述直流并网点的电压和电流得到所述直流并网点的电能质量；所述直流并网点的电能质量为预设标准阈值中的最大值时，所述数据处理器根据所述直流并网点的电压和电流得到所述直流并网点的阻抗。

另外，所述电压源换流器具有d轴参考电流和q轴参考电流；在所述控制器生成施加于所述初始直流母线电压的扰动电压Δu之前，还包括：所述控制器调整所述初始直流母线电压，调整后的所述q轴参考电流为零。

与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：

本发明实施例能够控制电压源换流器的直流母线电压具有多个频率，使得电压源换流器接收到具有多个频率的导通信号，电压源换流器根据导通信号导通/关断，使得直流并网点的电压和电流根据直流母线电压的频率而产生相应的波动，从而能够得到直流并网点在多个频率下的阻抗。

另外，扰动电压Δu中具有多个谐波，且每个谐波的频率不同，有利于保证扰动电压Δu的谐波多样性，从而获取更多频率点的阻抗，进而分析频率与阻抗之间的关系。

另外，调整后的q轴电流为零，能够消除电压源换流器自身无功功率对直流微电网的影响，进而使得直流微电网阻抗的检测结果更为准确。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为直流微电网阻抗检测系统的功能结构示意图；

图2为图1中电压电流环与空间矢量脉宽调制器的一功能结构示意图；

图3为图1中电压电流环与空间矢量脉宽调制器的另一功能结构示意图；

图4为阻抗检测方法的流程示意图；

图5为图1中直流并网点的阻抗的幅值频率曲线；

图6为图1中直流并网点的阻抗的相角频率曲线。

具体实施方式

目前尚没有针对直流微电网的阻抗测试方法，一般仅针对单个电力电子设备的全数字仿真模型进行阻抗扫描或将单个电力电子设备的一次功率回路模型置于仿真器中与外部真实二次控制器对接，基于控制器硬件在环进行阻抗扫描，均没有针对真实运行的直流微电网进行阻抗测试。

为解决上问题，本发明实施提供一种直流微电网阻抗检测系统，能够使得电压源换流器的直流母线电压具有多个频率，从而电压源换流器中的功率开关管的导通信号具有相应的频率，进而使得直流并网点的电流和电压发生相应的波动，从而获取直流微电网在不同频率下的阻抗特性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

以下将结合附图对本发明实施例提供的阻抗检测方法进行详细说明。

参考图1和图2，图1为直流微电网阻抗检测系统的功能结构示意图，图2为图1中电压电流环与空间矢量脉宽调制器的功能结构示意图。

参考图1，直流微电网阻抗检测系统包括：直流微电网11及电压源换流器13，直流微电网11通过两端的直流并网点12与电压源换流器13并联；控制器15，控制器15与电压源换流器13连接，控制器15用于控制电压源换流器13的直流母线电压，以使直流母线电压具有多个频率；数据处理器16，数据处理器16与直流并网点12连接，数据处理器16用于检测直流并网点12的电压和电流，以获取直流并网点12的阻抗。

本实施例中，电压源换流器13、控制器15及三相交流电网14可被视为直流微电网11的负载，当负载出现直流负荷变化等情况时，直流微电网11会对其做出响应，从而实现直流微电网11与负载构成的系统的稳定运行。其中，负载的直流负荷变化可以体现在电压源换流器13的功率开关管131的导通时间上，直流负荷变大就要求功率开关管131的导通时间增长，从而提供更多的电能；此外，当负载对接收的电信号的频率要一定要求时，电压源换流器13中的功率开关管131需要快速且平滑地调整自身的导通/关断频率，以实现更好的供能。

本实施例中，电压源换流器13包括直流母线电容C、三相桥臂及三相滤波电抗L，每一相桥臂都由上功率开关管131和下功率开关管131串联构成，上下功率开关管131的连接点为该相的交流输出端；电压源换流器13直流侧由并联的直流母线电容C和三相桥臂构成，直流母线电容C起到过滤杂波的作用，三相桥臂起到直流交流转换的作用，交流侧由三相桥臂的三个交流输出端和与之连接的三相滤波电抗L构成。此外，电源电压源换流器13的输出端与三相交流电网14连接。

本实施例中，电压源换流器13具有三相交流输出电流，具体为第一相电流i_a、第二相电流i_b和第三相电流i_c，电压源换流器13还具有三相交流输出电压，具体为第一相电压u_a、第二相电压u_b和第三相电压u_c。直流电在被转换为三相交流输出电流后并入三相交流电网14中。

需要说明的是，在其他实施例中，电压源换流器包括两相桥臂，与电压源换流器输出端连接的是单相交流电网。

本实施例中，电压源换流器13具有直流母线电压U_ref，直流母线电压U_ref由控制器15进行设定，并且，控制器15可以通过控制直流母线电压中的谐波数量和谐波频率，使得直流母线电压U_ref具有多个频率。此外，控制器15基于直流母线电压U_ref生成功率开关管131的导通信号，导通信号中具有直流母线电压U_ref中的多个频率，功率开关管131根据导通信号切换不同的频率，直流并网点12对功率开关管131的变化做出响应而发生相应波动，数据处理器16检测该波动并获取直流微电网11在不同频率下的阻抗特性。

本实施例中，电压源换流器13的额定功率大于或等于直流微电网11的额定功率的2倍。如此，电压源换流器13自身功率较大，具有较好的稳定性，有利于避免电压源换流器13的性能受到在频率切换过程中受到影响，进而保证直流并网点12的阻抗检测的准确性。

本实施例中，控制器15具有电压电流环152，具体为，电压外环及电容电流内环。电压外环用于控制直流微电网11的直流母线电压U_ref，电流内环用于扩大直流微电网11的带宽，提高直流微电网11的动态响应速率和非线性负载适应能力；此外，电容电流内环对负载扰动的抑制能力较好，有利于降低负载扰动对直流微电网11的影响。

进一步地，电压外环采用电压比例积分调节器，电压比例积分调节器起到使得控制器15输出波形瞬时跟踪直流母线电压U_ref的给定值的作用；电容电流内环采用电流比例积分调节器，电流比例积分调节器的比例部分用于增加直流微电网11的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并保证有很强的鲁棒性；积分部分用来减少电流内环稳态误差。如此，有利于提高阻抗检测结果的准确性。

具体地，电压外环包括电压比例积分调节器152a，电压外环在给定直流母线电压U_ref后，电压比例积分调节器152a调节直流母线电压U_ref与电压源换流器13的输入电压u₁的差值以得到电压源换流器13的d轴参考电流i_dref和q轴参考电流i_qref。电压比例积分调节器152a能够实现对控制器15给定的换流器13的直流母线电压U_ref的瞬时跟踪，使得功率开关管131能够根据直流母线电压U_ref中的频率导通/关断，直流并网点12的电压能够随着直流母线电压U_ref中的频率发生波动，进而得到直流并网点12在不同频率时的阻抗。

其中，d轴和q轴指的是根据矢量旋转角度θ将三相静止坐标系进行派克变换后所得到的两相转动坐标系的坐标轴。d轴参考电流i_dref与电压源换流器13的有功功率有关，q轴参考电流i_qref与电压源换流器13的无功功率有关。

此外，电容电流内环包括第一电流比例积分调节器152b和第二电流比例积分调节器152c，第一电流比例积分调节器152b用于调节d轴参考电流i_dref与电压源换流器13三相交流输出电流的d轴电流分量i_d的差值；第二电流比例积分调节器152c用于调节q轴参考电流i_qref与电压源换流器13三相交流输出电流的q轴电流分量i_q的差值。

本实施例中，控制器15包括锁相环151，锁相环151检测三相交流电网14的三相电压，并得到三相电压的矢量旋转角度θ；在得到矢量旋转角度θ后，控制器15根据矢量旋转角度θ对电压源换流器13的三相交流输出电流和三相交流输出电压进行派克变化，以得到d轴电流分量i_d和q轴电流分量i_q，以及d轴电压分量v_d和q轴电压分量v_q。

需要说明的是，由于电压源换流器13输出的三相交流输出电流需要并入三相交流电网14中，三相交流输出电流的矢量旋转角度与θ与三相交流电网14的矢量旋转角度θ相同。

在经过第一电流比例积分调节器152b后，第一电流比例积分调节器152b输出的输出信号与滤波电抗L的q轴压差相减及与三相交流输出电压的d轴电压分量u_d相加得到d轴实际电压分量u_d1；在经过第二电流比例积分调节器152c后，第二电流比例积分调节器152c的输出信号与滤波电抗L的d轴压差相加及与三相交流输出电压的q轴电压分量u_q相加得到q轴实际电压分量u_q1。

其中，滤波电抗L的q轴压差为wLi_q，滤波电抗L的d轴压差为wLi_d，w为三相交流电网14的三相交流输出电流的角频率，L为滤波电抗L的电感值。

本实施例中，在得到d轴实际电压分量u_d1和q轴实际电压分量u_q1后，再次进行坐标变换，从两相旋转坐标系变换为两相旋转坐标系(dq/αβ)，以得到两相静止坐标系下的α轴电压u_α和β轴电压u_β，进而通过空间矢量脉冲调制器153进行脉冲调制，以得到使得电压源换流器13中功率开关管131导通/关断的导通信号，导通信号的个数与电压源换流器13中功率开关管131的数量相同。

如此，空间矢量脉冲调制器153输出的导通信号中具有直流母线电压U_ref中的多个频率，而功率开关管131根据导通信号导通或关断，当导通信号中具有多个频率时，随之导通/关断的功率开关管131使得直流并网点12的电压和电流特性具有一定的波动，从而获取直流微电网11在不同频率下的阻抗特性。

本实施例中，控制器15能够控制电压源换流器13的直流母线电压U_ref具有多个频率，使得电压源换流器13中功率开关管131接收到具有多个频率的导通信号，功率开关管131根据导通信号实现快速导通/关断，使得直流并网点12的电压和电流会根据直流母线电压U_ref的频率而产生相应的波动，从而能够得到直流并网点12在多个频率下的阻抗。

相应地，本发明实施例还提供一种阻抗检测方法，应用于上述直流微电网阻抗检测系统，包括：所述直流微电网处于真实运行状态，所述电压源换流器具有初始直流母线电压；控制器生成施加于所述初始直流母线电压的扰动电压Δu；其中，所述扰动电压Δu具有多个频率；数据处理器检测直流并网点的电压和电流，以获取所述直流并网点的阻抗。以下将结合附图进行详细说明。

参考图1、图3及图4，步骤101：调整q轴参考电流i_qref。

电压源换流器13具有初始直流母线电压U_ref1，初始直流母线电压U_ref1用于控制功率开关管131导通/关断，该初始直流母线电压U_ref1由控制器15设置，初始直流母线电压U_ref1通常具有一固定的频率。

本实施例中，在施加扰动电压Δu之前调整初始直流母线电压U_ref1，以使q轴参考电流i_qref为零。如此，能够减小甚至消除电压源换流器13无功功率对直流微电网11的影响，放大直流微电网11有功功率部分频率和阻抗的关系，进一步提高阻抗测试结果的准确性。

步骤102：控制器15生成施加于初始直流母线电压U_ref1的扰动电压Δu。

本实施例中，控制器15在初始直流母线电压U_ref1的基础上生成扰动电压Δu，扰动电压Δu的频率与初始直流母线电压U_ref1的频率不同，从而使得具有扰动电压Δu的实际直流母线电压具有多个频率。如此，电压源换流器13的实际直流母线电压U_ref1+Δu。

需要说明的是，扰动电压Δu可包含有多个谐波，每个谐波可以具有各自的频率，也就是说，扰动电压Δu可被视为由多个谐波构成的信号集合，扰动电压Δu的频率由其所包含的多个谐波的频率决定。

本实施例中，扰动电压Δu中包括N个谐波，且每个谐波的频率不同；其中，20≤N≤50。如此，有利于保证扰动电压Δu中的谐波多样性，进而获取更多频率点的电压波形和电流波形，从而得到频率与阻抗之间的关系。

扰动电压Δu的施加使得实际直流母线电压具有多个频率，控制器15基于实际直流母线电压生成功率开关管131的导通信号，导通信号中包含实际直流母线电压的多个频率，功率开关管131按照导通信号中的频率导通/关断，从而使得直流并网点12的电压和电流发生波动，因此，可以通过测试直流并网点12的电压和电流得到直流微电网11在不同频率下的阻抗特性。

参考图5和图6，本实施例中，扰动电压Δu的谐波频率范围为3000Hz，且直流微电网11的直流母线电压为±375V；在其他实施例中，扰动电压Δu的谐波频率范围不小于1000Hz。如此，能够获取直流并网点12在不同频率下的阻抗特性，进而分析直流微电网11的稳定性。

步骤103：数据处理器16检测直流并网点12的电压和电流。

具体地，数据处理器16检测直流并网点12的电压，获取直流并网点12的电压幅值、电压频率和电压波形，以获取直流并网点12的电能质量。电能质量指的是电压波形或电流波形相较于完美对称的正谐波的偏差，电能质量具有预设标准阈值，当电能质量超出预设标准阈值时，容易导致用电设备发生故障或者无法正常工作。

需要说明的是，直流并网点12的电能质量代表了直流并网点12的波动情况，电能质量越大代表波动越强；而强烈的波动能够放大频率变化对电压和电流的影响，进而获得更为准确的阻抗信息。

步骤104：数据处理器16计算直流并网点12的电能质量。

直流并网点12的电能质量与扰动电压Δu的幅值有关，扰动电压Δu的幅值越大，功率开关管131切换导通/关断状态所需要的时间越长，而留给功率开关管131的响应时间很短，两者产生冲突。如此，使得电压源换流器13造成的波动更大，进而使得直流并网点12的电能质量更大。

本实施例中，扰动电压Δu的幅值按照由小到大的顺序逐渐增大，具体地，扰动电压

其中，K随时间递增，U₀为直流微电网11的额定电压，f_i为第i个谐波的频率，θ_i为第i个谐波的相位，t为时间变量。如此，通过随时间递增扰动电压Δu的幅值可获得直流并网点12在不同电能质量下的阻抗特性。

步骤104：判断电能质量是否为预设标准阈值中的最大值。

由于电能质量越大，检测出的直流并网点12的阻抗特性越准确，而电能质量不能超出预设标准阈值，以使得直流微电网11及其负载构成的系统具有稳定性，因此，在电能质量处于预设标准阈值的最大值时获取直流并网点12的阻抗，既能够满足相关电能质量标准，又可以保证直流微电网11稳定运行。

当电能质量为预设标准阈值中的最大值时，执行步骤106；若否，执行步骤103。

步骤106：根据直流并网点12的电压和电流得到阻抗。

直流并网点12的阻抗通过如下方式获取：数据处理器16检测直流并网点12的电压和电流，并对电压和电流和进行傅里叶分析，以得到各频率点的直流并网点12电压幅值和相位与电流幅值和相位；将各频率点电压幅值除以相应频率点的电流幅值，得到该频率点的阻抗幅值；将各频率点的电压相位减去相应频率点的电流相位，得到该频率点的阻抗相角。

本实施例中，通过控制器15生成施加于初始直流母线电压的扰动电压，并针对真实运行的直流微电网11进行测试，能够准确获取直流微电网11在不同频率下的阻抗特性。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种直流微电网阻抗检测系统，其特征在于，包括：

直流微电网及电压源换流器，所述直流微电网通过两端的直流并网点与所述电压源换流器并联；

控制器，所述控制器与所述电压源换流器连接；

数据处理器，所述数据处理器与所述直流并网点连接；

所述直流微电网处于真实运行状态，所述电压源换流器具有初始直流母线电压；控制器生成施加于所述初始直流母线电压的扰动电压Δu；其中，所述扰动电压Δu与所述初始直流母线电压的频率不同；数据处理器检测直流并网点的电压和电流，以获取所述直流并网点的阻抗；

其中，所述扰动电压Δu为：

其中，K为常量且随时间递增，U₀为所述直流微电网的额定电压，f_i为第i个谐波的频率，θ_i为第i个谐波的相位，t为时间变量；

其中，所述数据处理器获取所述直流并网点的阻抗，具体包括：所述数据处理器实时检测所述直流并网点的电压和电流，并根据所述直流并网点的电压和电流得到所述直流并网点的电能质量，其中所述电能质量是电压波形或电流波形相较于完美对称的正谐波的偏差，所述电能质量具有预设标准阈值；所述直流并网点的电能质量为预设标准阈值中的最大值时，所述数据处理器根据所述直流并网点的电压和电流得到所述直流并网点的阻抗。

2.根据权利要求1所述的直流微电网阻抗检测系统，其特征在于，所述电压源换流器的额定功率大于或等于所述直流微电网的额定功率的2倍。

3.根据权利要求1或2所述的直流微电网阻抗检测系统，其特征在于，所述控制器包括电压外环及电容电流内环，且所述电压外环采用比例积分调节器，所述电容电流内环采用比例积分调节器。

4.根据权利要求3所述的直流微电网阻抗检测系统，其特征在于，所述电压源换流器包括双相逆变桥。

5.根据权利要求1所述的阻抗检测系统，其特征在于，所述扰动电压Δu包括N个谐波，且每个谐波的频率不同；其中，20≤N≤50。

6.根据权利要求5所述的阻抗检测系统，其特征在于，所述扰动电压Δu的谐波频率范围大于或等于1000Hz。

7.根据权利要求1所述的阻抗检测系统，其特征在于，所述电压源换流器具有d轴参考电流和q轴参考电流；在所述控制器生成施加于所述初始直流母线电压的扰动电压Δu之前，还包括：所述控制器调整所述初始直流母线电压，调整后的所述q轴参考电流为零。

8.一种阻抗检测方法，其特征在于，应用于权利要求1至7中任一项所述的直流微电网阻抗检测系统。

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