CN111157798A - 一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统。包括仿真机和实物控制器，仿真机中构造逆变器并网系统和仿真机采样板卡，逆变器并网系统包含有相连接的逆变器模块和电网，仿真机采样板卡包括仿真机模拟量采样卡和仿真机数字量采样卡；实物控制器中构造控制模块和信号采集系统，信号采集系统包括分析控制器和实物控制采样板卡，实物控制采样板卡包括实物控制模拟量采样卡和实物控制数字量采样卡；逆变器并网系统和控制模块连接，逆变器并网系和分析控制器连接，分析控制器和逆变器并网系统连接。本发明能实时在线测量单台逆变器的广义阻抗，可应用于电力电子多馈入系统分析与单机小干扰稳定性。

Description

一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统

技术领域

本发明涉及小干扰稳定技术领域一种新型电力系统阻抗测量方法，尤其是涉及一种基于RT-LAB仿真平台，以及实物控制器的综合性阻抗测量平台。

背景技术

随着新能源的快速发展，光伏发电、风力发电等新能源在电力结构中比重越来越大，多新能源接入同一受端交流电网不可避免，进而可能会引起整个系统出现振荡问题。事实上国内外近年来屡次发生的次同步振荡问题，主要是由于大规模的变流器接入改变了电网的动态特性，交流电网相对变弱。光伏、风机等新能源设备在电力系统中的比重越来越大，形成了新型的电力电子化电力系统。在这种情况下，电网侧和大功率的变流器之间的耦合，以及风机等新能源电力设备本身性能不稳定的问题就会暴露出来，造成电力系统的振荡。这一问题严重影响了电力系统的正常运行，也对我们的正常生活用电造成了干扰。

而解决振荡问题主要采用频域理论中的阻抗法。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，因此得到了广泛应用。

现有的阻抗分析方法大多采用正负序阻抗分析法，而这一方法存在难以解耦的问题，广义阻抗的提出可以有效解决这一问题。同时，现有的阻抗测量方法大多是基于一次侧扰动注入测量的形式，这一方法设备体积大，成本高，在工程实际中操作困难，难以大规模推广，而基于二次侧的扰动注入测量可以有效避免这些问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统，可使整个系统能够准确地反映并网逆变器的运行状况，并且可以试试的对并网逆变器系统进行控制、采样、数据分析等功能，同时基于这一系统测量得到的广义阻抗的物理意义明确，并能准确评估并网逆变器系统的小干扰稳定性。

本发明的技术方案如下：

所述的阻抗测量系统包括仿真机和实物控制器，仿真机中构造逆变器并网系统和仿真机采样板卡，逆变器并网系统包含有相连接的逆变器模块和电网，逆变器模块作为逆变器，逆变器模块连接到电网组成逆变器并网系统，逆变器并网系统的功率因数为1，仿真机采样板卡包括仿真机模拟量采样卡和仿真机数字量采样卡；实物控制器中构造控制模块和信号采集系统，信号采集系统包括分析控制器和实物控制采样板卡，实物控制采样板卡包括实物控制模拟量采样卡和实物控制数字量采样卡；逆变器并网系统和控制模块连接，逆变器并网系统依次经仿真机模拟量采样卡、实物控制模拟量采样卡后和分析控制器连接，分析控制器依次经实物控制数字量采样卡、仿真机数字量采样卡后和逆变器并网系统连接。

具体实施中，仿真机采用Opal-RT Technologies的RT-LAB仿真机OP-5700，实物控制器采用NI公司的PXI控制器PXI-1081。

逆变器并网系统的三相电压与三相电流经由模拟量采样卡采样后输出到实物控制器中的分析控制器，并且通过数字量采样卡实现对于并网逆变器的功率控制或直流电压控制，分析控制器接收三相电压与三相电流的数据后进行分析处理，测量获得广义阻抗，输出控制并网逆变器系统开关管的PWM波，通过数字量采样卡输送给仿真机的逆变器并网系统，从而达到利用实物控制器对并网逆变器系统进行稳定控制的效果，即基于实物控制器的半实物仿真，从而由分析控制器控制采样板卡对基于实物控制器的并网逆变器系统进行采样和控制。

所述的并网逆变器系统采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环是功率控制或直流电压控制，施加扰动是在逆变器的内环电流控制输入端对电流环矢量控制参考值的d轴分量I_dref和电流环矢量控制参考值的q轴分量I_qref施加正弦扰动。

所述仿真机中，并网逆变器系统采用小步长实时仿真处理。实物控制器对并网逆变器系统进行实时控制，且对于扰动注入后的系统进行实时的信号采样与阻抗测量。

所述仿真机中，并网逆变器系统包括逆变器的单机模型，或者包括逆变器的多馈入模型，可同时仿真多台逆变器的并网运行状态。这样构建建模方式可直接对并网逆变器系统的运行状态进行采样和数据存储，也可以在内部搭建控制结构对并网逆变器系统的运行状态进行控制，其输出结果可以在仿真机上观测，也可以通过仿真机内部的通道输出到示波器上观察按一定比例衰减后的实际波形。基于仿真机的并网逆变器系统可以在仿真运行时在软件中进行实时的控制与改变。

本发明包括了实时仿真机和实物控制器。仿真机完成对并网逆变器设备的模拟，而基于Labview软件的实物控制器则对测量过程进行编译运行，从而测量出并网逆变器系统的广义阻抗。

通过上述系统，可以直接将利用MATLAB/Simulink建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其它相关领域。利用基于RT-LAB的硬件系统可以实现单机，多机双环矢量控制的逆变器并网系统的小步长实时仿真，利用控制器PXI可以实现：功能一：作为双环矢量控制的逆变器并网系统的控制器，内环为矢量电流控制，外环可以实现功率控制或直流电压控制；功能二：作为阻抗测量仪的主体部分，对逆变器并网系统的三相电压电流量进行采样并且处理，实时在线测量单台逆变器的广义阻抗。

本发明通过搭建半实物仿真平台和阻抗测量系统对并网逆变器系统进行半实物仿真，也可通过实测的方法得到逆变器端口的广义导纳特性，为新能源并网的仿真设计提供了一种新的阻抗测量系统，同时测量得到的广义阻抗可为新能源并网时可能存在的振荡风险提出预警，也为新能源设计时提供新的技术方式。

本发明的有益效果是：

本发明基于数字化实时仿真平台RT-LAB和实物控制器搭建了一种仿真与阻抗测量系统，仿真精度高，能够对并网逆变器系统进行实时的控制与测量，体积较小，成本较低，相比于使用一次侧高压扰动设备，测量更加便捷，成本更低，测得的广义阻抗可用于并网系统稳定性分析与逆变器控制设计。

本发明搭建的半实物仿真系统具有精确、高效、节约成本的优点。

本发明采用二次侧施加扰动的方法，利用已有的控制器设备，在控制环施加扰动，无需在高压端连接扰动注入设备，也不需要使逆变器脱网，可以在逆变器并网时进行测量，能够实现准确地测量。

本发明可应用于电力电子多馈入系统分析与单机小干扰稳定性评估，使电力电子多馈入系统稳定运行。

附图说明

图1为并网逆变器系统结构示意图。

图2为逆变器并网仿真模型系统示意图。

图3为阻抗测量系统结构示意图。

图4为广义阻抗测量流程步骤示意图。

图5为两次注入扰动示意图。

图6为逆变器实施PQ控制下测量仪系统在一次侧及二次侧施加扰动的广义阻抗测量结果图。

图6(a)为实施PQ控制下测量仪系统对于广义阻抗中的Ye1的幅值与相位测量结果图。

图6(b)为实施PQ控制下测量仪系统对于广义阻抗中的Ye2的幅值与相位测量结果图。

图7为逆变器实施Udc控制下测量仪系统在一次侧及二次侧施加扰动的广义阻抗测量结果图。

图7(a)为实施Udc控制下测量仪系统对于广义阻抗中的Ye1的幅值与相位测量结果图。

图7(b)为实施Udc控制下测量仪系统对于广义阻抗中的Ye2的幅值与相位测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的实施例及其实施工作过程是：

1)通过控制模块向逆变器模块的内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动，扰动施加前与扰动施加后的逆变器并网系统的三相电压与三相电流经由模拟量采样卡采样获得采样值后输出到实物控制器中的分析控制器，并且通过数字量采样卡实现对于并网逆变器的功率控制或直流电压控制，分析控制器接收三相电压与三相电流的数据后进行分析处理，测量获得广义阻抗，输出控制并网逆变器系统开关管的PWM波，通过数字量采样卡输送给仿真机的逆变器并网系统，从而达到利用实物控制器对并网逆变器系统进行稳定控制的效果，即基于实物控制器的半实物仿真，从而由分析控制器控制采样板卡对基于实物控制器的并网逆变器系统进行采样和控制：

1.1)对获得的采样值坐标变换后获得电压和电流在dq坐标系下的分量；

1.2)计算扰动量，使用离散傅里叶变换将扰动量由时域变换到频域；

步骤1)中AD采样均在系统暂态过程结束之后进行，扰动施加前系统运行于稳定工作点时进行采样，扰动施加后应使系统稳定运行于正弦扰动后进行采样。具体实施中，采样后的数据经由分析控制器传输入，通过烧入的程序进行进一步的处理。

步骤1)中，坐标变换采用如下公式处理，获得dq坐标系下的电压和电流值：

其中，U_a、U_b、U_c表示采样到的静止坐标系下的三相电压，I_a、I_b、I_c表示采样到的静止坐标系下的三相电流，θ表示全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度，U_d、U_q分别表示全局旋转直角坐标系下的d轴和q轴电压值，I_d、I_q分别表示全局旋转直角坐标系下的d轴和q轴电流值，θ表示全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度；

再采用以下公式计算获得全局旋转极坐标系下电压和电流的幅值和相角：

其中，U表示全局旋转极坐标下的电压幅值，I表示全局旋转极坐标下的电流幅值，

表示全局旋转极坐标下电流相角，δ为全局旋转极坐标下电压相角，

2)重复步骤1)并在步骤1)中所施加不同的扰动，共进行两次测量，根据逆变器的广义阻抗端口特性，用所施加的扰动、计算获得的扰动量和锁相环的传递参数计算获得广义阻抗；

2.1)在电流参考值施加扰动时，建立以下逆变器的广义阻抗端口特性：

其中，ΔU′、ΔI′、

Δδ′表示采样值在全局旋转极坐标下的电压幅值U、电流幅值I、电流相角

和电压相角δ的扰动量的离散傅里叶变换结果，即步骤3)的结果，ΔI′_dper和ΔI′_qper分别表示内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量和q轴分量的离散傅里叶变换结果，Yg11(s)、Yg22(s)分别表示逆变器端口特性矩阵中的第一、第二传递参数，Ydper(s)、Yqper(s)表示由电流参考值扰动至三相电流幅值扰动量ΔI的第三、第四传递参数；

其中，

为广义阻抗矩阵。

根据全局xy旋转坐标系的定义可知，坐标轴的旋转速度为全局角速度ω₀＝100πrad/s。考虑到实际测量实验中可能不具备对无穷大电网进行锁相的条件，为方便地得到θ从而简化测量算法。对于全局旋转极坐标系相对于静止坐标系的角度θ采用给定的方式，采用随时间变化的波形为锯齿波，斜率为(2π×50)rad/s，即以同步转速ω₀(100πrad/s)增加，周期为0.02s，幅值为2π。静止坐标系是指常见的xy二维坐标系。

2.2)重复步骤1)并在步骤1)中所施加相同频率和不同幅值的扰动，共进行两次测量，得到的各个电参数的扰动量ΔD及离散傅里叶变换的频域结果，各个电参数包括逆变器输出的三相电压和三相电流；

步骤2.2)中，采用以下公式计算扰动量ΔD：

ΔD(kΔt)＝D(kΔt)-D(kΔt-T)

其中，D表示一电参数，具体为全局旋转极坐标下的电压幅值U、全局旋转极坐标下的电流幅值I、全局旋转极坐标下电流相角或者全局旋转极坐标下电压相角δ，ΔD表示各个电参数的扰动量，kΔt表示扰动状态下的采样时段，kΔt-T表示未扰动状态下的采样时段，T表示扰动施加前后采样的起始点的时间差，k表示扰动施加前后采样内各采样的序数，Δt表示采样间隔。

2.3)然后利用步骤2.2)获得的结果在dq坐标系进行求解，然后转化到全局极坐标系得到广义阻抗：

2.3.1)用两次测量得到频域下的电参数扰动量ΔD的离散傅里叶变换结果代入以下公式计算获得广义阻抗矩阵中的dq轴下的传递参数：

其中，下标1和2分别表示两次施加扰动后测得的两组结果，ΔI′_dper1和ΔI′_dper2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qper1和ΔI′_qper2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU′_d1和ΔU′_d2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后的电压的d轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔU′_q1和ΔU′_q2分别表示第一次测量后和第二次测量后电压的q轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_d1和ΔI′_d2分别表示第一次测量后和第二次测量后电流的d轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_q1和ΔI′_q2分别表示第一次测量后和第二次测量后电流的q轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果；Y_dd、Y_dq、Y_qq、Y_per分别是dq坐标系下的第一、第二、第三、第四阻抗端口特性参数；

第一、第二、第三、第四阻抗端口特性参数Y_dd、Y_dq、Y_qq、Y_per是dq坐标系下的阻抗端口特性参数，具体表达式为：

然后将第一、第二、第三阻抗端口特性参数Y_dd、Y_dq、Y_qq代入如下公式计算获得第一、第二、第三、第四传递参数Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)：

其中，H_pll(s)是锁相环的传递参数，I_d和I_q分别表示非变工况时稳态电流的d轴和q轴分量，U_d表示该工况时稳态电压的d轴分量，δ为全局旋转极坐标下电压相角，

表示

表示全局旋转极坐标下电流相角；

2.3.2)最后由获得的八个传递参数形成广义阻抗矩阵。

现有技术以往解决功率因数非1的测量问题，采用的是变工况测量的处理方法。本发明通过非变工况，使系统运行在空载和常规两个工况下，进行四次扰动注入，然后求解出Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)、Y_g5(s)、Y_g6(s)、Y_g7(s)、Y_g8(s)，本发明在同一工况下进行测量，只需要2次扰动注入进行测量。

3)重复上述步骤1)～2)并改变步骤1)中所施加扰动的频率进行扫频，直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗。

步骤3)中，为提高精度，在同一个频率点进行多次扰动实验，并利用多次测量的信息，用回归的方法计算得到各个传递函数，从而能降低由于背景的谐波影响所导致的测量误差。

具体计算采用如下公式

计算得到的结果在同一个频率点可以进行多次扰动实验，并利用多次测量的信息，用回归的方法降低由于背景的谐波影响所导致的测量误差。进行n次扰动实验，并采用回归的方法计算得到各个传递函数，写成矩阵的形式并且在实物控制器PXI的测量主界面输出。

按照本发明方法内容完整实施的具体实施例如下：

在RT-LAB软件中搭建并网逆变器系统，如图1所示。逆变器输出接LCL滤波器，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环为PQ控制或直流电压控制。在RT-LAB中建立如图1所示的仿真模型,得到基于RT-LAB的并网逆变器系统如图2所示。图1中各变量物理意义如下表1所示：

表1 U_dc控制逆变器变量对应表

系统整体的示意图如图3所示。

通过内环注入扰动的为向内环电流参考值Idref和Iqref叠加正弦信号，向控制模块叠加正弦的扰动信号ΔIdref和ΔIqref，使用PXI-7846R对逆变器输出的三相电压Ua、Ub、Uc或三相电流Ia、Ib、Ic进行采样记录。

采样对象包括三相电压Ua、Ub、Uc和三相电流Ia、Ib、Ic共6个电信号，三相电压为逆变器滤波器输出点电压，三相电流为逆变器输出滤波电感上的电流，AD采样设备为具有同步采样功能的6路AD采样设备。

当考虑中频段(几～几十Hz)时，外环动态及电压前馈动态可以忽略，或仅有内环控制时，Yg1(s)≈0，端口导纳将只存在右下角。当计及电流参考值扰动时，逆变器的端口导纳特性需要将扰动量加入。

实施例对于同一频率的广义阻抗，分两次次扰动注入，如图5所示，在一个频率点注入的多次dq轴参考值扰动频率相同，幅值相对大小不同，在dq坐标系上形成的向量线性无关。

经由图4所示的基于NI公司的PXI控制器的广义阻抗测量程序，实现步骤1)到步骤5)所描述的广义阻抗测量，，计算0-100Hz内广义阻抗端口特性的传递函数，绘制幅频特性与相频特性，与通过在一次侧施加扰动进行测量以及理论计算得到的传递函数进行比较，逆变器实施PQ控制下测量仪系统在一次侧及二次侧施加扰动的广义阻抗测量结果如图6所示，逆变器实施Udc控制下测量仪系统在一次侧及二次侧施加扰动的广义阻抗测量结果如图7所示。具体数据分析如表2,3,4,5所示：

表2 PQ控制变流器Y_{e1_VSC}测量误差

表3 PQ控制变流器Y_{e2_VSC}测量误差

表4 Udc控制变流器Y_{e1_VSC}测量误差

表5 Udc控制变流器Y_{e2_VSC}测量误差

上述结果中可以看出，使用本发明的广义阻抗测量仪器法，能够实时测量的前提下准确测量变流器控制带宽内的广义阻抗。与理论分析的结论相比，测量仪测量得到的广义阻抗幅频特性与相频特性和理论计算得到的广义阻抗基本吻合，测量效果和在一次侧施加扰动的效果也基本相同。这说明使用本发明可以准确的计算得到逆变器的广义阻抗端口特性。

通过上述仿真与测量实例可以看出，本发明搭建了一种基于RT-LAB和PXI的阻抗测量系统，一方面可以实现并网逆变器系统的半实物仿真，另一方面通过基于二次侧施加扰动的广义阻抗测量仪器可以准确测量并网系统的逆变器及网侧的广义阻抗端口特性。本发明提出的测量系统，利用PXI控制器设备，在控制环施加扰动，无需新的高压扰动注入设备，操作也更简便。仿真和测量的精度高，可以对系统进行实时控制与测量。可用于并网系统稳定性分析与逆变器控制设计。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统，其特征在于：所述的阻抗测量系统包括仿真机和实物控制器，仿真机中构造逆变器并网系统和仿真机采样板卡，逆变器并网系统包含有相连接的逆变器模块和电网，仿真机采样板卡包括仿真机模拟量采样卡和仿真机数字量采样卡；实物控制器中构造控制模块和信号采集系统，信号采集系统包括分析控制器和实物控制采样板卡，实物控制采样板卡包括实物控制模拟量采样卡和实物控制数字量采样卡；逆变器并网系统和控制模块连接，逆变器并网系统依次经仿真机模拟量采样卡、实物控制模拟量采样卡后和分析控制器连接，分析控制器依次经实物控制数字量采样卡、仿真机数字量采样卡后和逆变器并网系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统，其特征在于：逆变器并网系统的三相电压与三相电流经由模拟量采样卡采样后输出到实物控制器中的分析控制器，分析控制器接收三相电压与三相电流的数据后进行分析处理，测量获得广义阻抗，输出控制的PWM波，通过数字量采样卡输送给仿真机的逆变器并网系统，从而达到利用实物控制器对并网逆变器系统进行稳定控制的效果。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统，其特征在于：所述的并网逆变器系统采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环是功率控制或直流电压控制，施加扰动是在逆变器的内环电流控制输入端对电流环矢量控制参考值的d轴分量I_dref和电流环矢量控制参考值的q轴分量I_qref施加正弦扰动。

4.根据权利要求1所述的一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统，其特征在于：所述仿真机中，并网逆变器系统采用小步长实时仿真处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于实时仿真机和实物控制器的阻抗测量系统，其特征在于：所述仿真机中，并网逆变器系统包括逆变器的单机模型，或者包括逆变器的多馈入模型。

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