CN111505439A - 一种直流系统用阻抗扫频装置及其控制方法、存储介质 - Google Patents

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姜云龙
杨景刚
史明明
袁栋
袁宇波
袁晓冬
黄强
刘瑞煌
苏伟
杨騉
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Abstract

本发明公开了一种直流系统用阻抗扫频装置及其控制方法、存储介质，包括用于注入扰动电流的扰动源注入装置、用于采集电流和电压响应的采集装置和用于计算出被测设备的阻抗幅值和阻抗相位的信号处理器；扰动源注入装置包括交流变压器和若干组AC/DC/DC扰动输出模块；采集装置包括两个电流互感器和两个电压互感器，电流互感器用于测量电流响应，电压互感器用于测量电压响应；信号处理器连接着采集装置用于采集电流响应和电压响应。本发明基于模块化扰动输出源的设计，利用IGBT或SiC等高压功率器件产生高质量谐波扰动信号，通过控制生成宽频带的扰动信号，实现中低压直流配网主设备阻抗频率特性测量的功能，为分析多换流器并网后的系统稳定性问题提供了基础。

Description

一种直流系统用阻抗扫频装置及其控制方法、存储介质
技术领域
本发明属于直流试验装备领域，具体涉及一种用于直流配电网中针对AC/DC换流器和直流变压器等设备的阻抗扫频装置及其控制方法、存储介质。
背景技术
在直流配电网中，多台AC/DC换流器和大量的DC/DC直流变压器互联后的直流电网稳定性问题是目前直流配网稳定控制的一大难题，若并网换流器之间的阻抗裕度不足，则当换流器并网或直流侧发生扰动时，都有可能因谐波传递、放大而引起系统振荡和设备损坏。
目前，在中压直流领域并未有成熟的功率级阻抗扫频设备出现于市场中，大多数的商用设备均为低压小功率设备，并不适用于直流配网中的AC/DC换流器和DC/DC直流变压器等高压大功率设备的阻抗扫频工作，直流系统中多换流器并网后可能由于阻抗不匹配导致系统失稳。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的直流系统中多换流器并网后可能由于阻抗不匹配导致系统失稳的问题，提供一种直流系统用阻抗扫频装置及其控制方法，通过本装置对并网换流器进行阻抗扫频后，判断系统振荡风险点，指导换流器控制参数的选取，保障系统稳定运行。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种直流系统用阻抗扫频装置，包括用于注入扰动电流的扰动源注入装置、用于采集被测设备的电流和电压响应的采集装置和用于计算出被测设备在频域内的阻抗幅值和阻抗相位的信号处理器；
所述扰动源注入装置包括交流变压器和若干组AC/DC/DC扰动输出模块；
所述采集装置包括两个电流互感器和两个电压互感器，所述电流互感器用于测量电流响应，所述电压互感器用于测量电压响应；
所述信号处理器连接着采集装置用于采集电流响应和电压响应。
进一步的，所述AC/DC/DC扰动输出模块包括三相IGBT整流桥、滤波电感L1、并联电容C1和全桥CHB，其中模块三相IGBT整流桥正极与滤波电感L1串联，电容C1与滤波电感L1并联，且与全桥CHB相连，并从CHB中性点引出两极输出端分别于其他扰动输出模块串联。
一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法，包括如下步骤：
S1：在信号处理器上进行如下参数设定：
目标测试频率ftest，最低测试频率fmin，最高测试频率fmax，测试频率差Δftest，扰动电流目标值Iinject(ftest)，扰动电流差ΔIinject(ftest)，扰动响应占原稳态电流电压的最低百分比M，扰动注入时间Tinject，其中，扰动电流目标值Iinject(ftest)的计算公式为：
Figure BDA0002459750270000021
其中，Uinject(ftest)为扰动源注入装置的输出端电压，L为扰动源注入装置出口处的输出电感值，扰动电压Uinject(ftest)的大小为：
Figure BDA0002459750270000022
其中，vout_i(ftest)为第i个AC/DC/DC扰动输出模块在ftest频率下的输出电压；
S2：将采集装置并联接入被测电源设备和被测负载装置之间，控制被测电源设备与被测负载装置互联运行于功率对拖模式并处于一稳定工作点；
S3：将扰动源注入装置通过交流变压器接入交流电源后启动，解锁扰动输出模块的AC/DC部分，控制子模块电容电压vout_i(ftest)为子模块电容电压指令值v* C_i(ftest)，完成扰动模块的充电和电容电压稳定；
S4：解锁扰动输出模块的DC/DC部分，控制子模块输出频率为ftest，幅值为vout_i(ftest)的谐波电压，持续输出时间为Tinject，完成扰动电流信号的输出；
S5：将步骤S4中输出的扰动电流注入被测系统，利用电流互感器CT1、电压互感器PT1分别测得被测电源设备的电流响应Iout和电压响应Uout，利用电流互感器CT2、电压互感器PT2测得被测负载设备的电流响应Iin和电压响应Uin；
S6：信号处理器采集到步骤S5测得的电流响应和电压响应，进行控制处理：若Iin/Idc≥M且Uin/Udc≥M则进行步骤S8；若Iin/Idc＜M或Uin/Udc＜M则进行步骤S7；
S7：修正扰动电流指令值为Iinject(ftest)+ΔIinject(ftest)并进行扰动电流注入，测量被测设备的电流电压响应，若Iin/Idc≥M且Uin/Udc≥M则进行步骤S8；若Iin/Idc＜M或Uin/Udc＜M则重复本步骤；
S8：对所测得的信号在频率ftest处进行傅里叶变换，提取出Iout(ftest)、Uout(ftest)、Iin(ftest)、Uin(ftest)的幅值AI-out(ftest)、AU-out(ftest)、AI-in(ftest)、AU-in(ftest)，以及相位PI-out(ftest)、PU-out(ftest)、PI-in(ftest)、PU-in(ftest)，计算获得被测设备的阻抗幅值和相位；
S9：在当前测量频率ftest上增加Δftest得到下一次测试频率满足f′test＝ftest+Δftest，若f′test≤fmax，则将f′test带入到下一周期扰动频率ftest，并重复步骤S4；若f′test＞fmax，则系统完成扫频工作，扰动注入装置停止工作，信号处理装置生成被测设备的阻抗幅值与相位曲线。
进一步的，所述步骤S8中被测设备的阻抗幅值和相位分别为：
输出阻抗：幅值：
Figure BDA0002459750270000031
相位：∠Zout(ftest)＝PU-out(ftest)-PI-out(ftest)；
输入阻抗：幅值：
Figure BDA0002459750270000032
相位：∠Zout(ftest)＝PU-in(ftest)-PI-in(ftest)。
因此本发明基于模块化扰动输出源的设计，利用IGBT或SiC等高压功率器件产生高质量谐波扰动信号，通过控制生成宽频带的扰动信号，实现中低压直流配网主设备阻抗频率特性测量的功能，为分析多换流器并网后的系统稳定性问题提供了基础。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
(1)采用并联扰动注入的方式，在满足耐压和输出扰动信号响应可测的条件下，减小了设备功率元件的容量，减小了阻抗测量设备的尺寸；
(2)DC/DC扰动输出模块采用Si CHB结构，可实现1-1kHz的宽频扰动信号输出，在保障能够反映并网设备1-1kHz的阻抗频率特性的基础上，实现输出谐波的高电能质量；
(3)扰动注入装置采用AC/DC、DC/DC独立控制策略，实现整流和扰动输出的独立控制，扰动模块内部的控制相互解耦，硬件设计简单且控制精度高；
(4)扰动注入装置采用模块化设计，可以根据被测设备或系统的电压等级灵活调整模块数量，具有针对多电压等级系统良好的扩展性；
(5)采用谐波幅值梯次增加的谐波电流控制手段，在保障扰动响应信号能够被精确捕捉的前提下，减小谐波扰动对装置运行产生的影响，有利于装备后期直接接入直流电网中进行实时在线阻抗扫频。
附图说明
图1为阻抗扫频装备典型工作示意图；
图2为阻抗扫频装备拓扑示意图；
图3为AC/DC/DC扰动输出模块示意图；
图4为AC/DC部分控制框图；
图5为DC/DC部分控制框图；
图6为子模块电容电压值波形图；
图7为输出谐波电流波形图；
图8为输出谐波电流FFT分析。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，本发明提供一种直流系统用阻抗扫频装置，包括扰动源注入装置、采集装置、信号处理器和设备控制器，采集装置连接着信号处理器，采集装置由宽频带高精度电流互感器CT1、宽频带高精度电流互感器CT2、宽频带高精度电压互感器PT1和宽频带高精度电压互感器PT2组成。本实施例中将扰动源注入装置并联接入处于稳定运行的两个被测装置中间，两个被测装置分别为被测电源设备和被测负载设备，宽频带高精度电流互感器CT1接入被测电源设备的正极，测量其电流响应，宽频带高精度电流互感器CT2接入被测负载设备的正极，测量其电流响应；宽频带高精度电压互感器PT1接入被测电源设备的正负极，测量其极间电压响应，宽频带高精度电压互感器PT2接入被测负载设备的正负极，测量其极间电压响应。
如图2所示，扰动源注入装置包括Y-Δ交流变压器、N组AC/DC/DC扰动输出模块和输出电感1L1，Y-Δ交流变压器原边为交流进线，副边为交流出线，通过外接交流电源为扫频装置供电，并起到与主网隔离的作用，输出电感1L1一端与第1个扰动输出模块的正极相连，另一端与被测设备的正极相连，其主要功能是为了产生扰动注入电流。
如图3所示，AC/DC/DC扰动输出模块中的模块数量N根据被测设备额定工作电压以及模块中IGBT开关管和SiC MOSFET管件的工作电压所决定，该模块拓扑由三相IGBT整流桥(IGBT开关1K1、1K2、2K1、…、3K2)、滤波电感L1、并联电容C1和全桥CHB(IGBT管件1CK1、1CK2、2CK1、2CK2)组成，其中模块三相IGBT整流桥正极与滤波电感L1串联，电容C1与滤波电感L1并联，随后与全桥CHB相连，并从CHB中性点引出两极输出端分别于其他扰动输出模块串联。
本发明将上述阻抗扫频装置对直流系统进行阻抗扫频控制，其具体的控制步骤如下：
S1：在信号处理器上进行如下参数设定：
目标测试频率ftest，最低测试频率fmin，最高测试频率fmax，测试频率差Δftest，扰动电流目标值Iinject(ftest)，扰动电流差ΔIinject(ftest)，扰动响应占原稳态电流电压的最低百分比M，扰动注入时间Tinject，其中，扰动电流目标值Iinject(ftest)的计算公式为：
Figure BDA0002459750270000041
其中，Uinject(ftest)为扰动源注入装置的输出端电压，L为扰动源注入装置出口处的输出电感值，扰动电压Uinject(ftest)的大小为：
Figure BDA0002459750270000042
其中，vout_i(ftest)为第i个AC/DC/DC扰动输出模块在ftest频率下的输出电压；
S2：将采集装置并联接入被测电源设备和被测负载装置之间，控制被测电源设备与被测负载装置互联运行于功率对拖模式并处于一稳定工作点；
S3：将扰动源注入装置通过交流变压器接入交流电源后启动，解锁扰动输出模块的AC/DC部分，其控制策略如图4所示，控制子模块电容电压vout_i(ftest)为v* C_i(ftest)，完成扰动模块的充电和电容电压稳定；
S4：解锁扰动输出模块的DC/DC部分，其控制策略如图5所示，控制子模块输出频率为ftest，幅值为vout_i(ftest)的谐波电压，持续输出时间为Tinject，完成扰动电流信号的输出；
S5：将步骤S4中输出的扰动电流注入被测系统，利用电流互感器CT1、电压互感器PT1分别测得被测电源设备的电流响应Iout和电压响应Uout，利用电流互感器CT2、电压互感器PT2测得被测负载设备的电流响应Iin和电压响应Uin；
S6：信号处理器采集到步骤S5测得的电流响应和电压响应，进行控制处理：若Iin/Idc≥M且Uin/Udc≥M则进行步骤S8；若Iin/Idc＜M或Uin/Udc＜M则进行步骤S7；
S7：修正扰动电流指令值为Iinject(ftest)+ΔIinject(ftest)并进行扰动电流注入，测量被测设备的电流电压响应，若Iin/Idc≥M且Uin/Udc≥M则进行步骤S8；若Iin/Idc＜M或Uin/Udc＜M则重复本步骤；
S8：对所测得的信号在频率ftest处进行傅里叶变换，提取出Iout(ftest)、Uout(ftest)、Iin(ftest)、Uin(ftest)的幅值AI-out(ftest)、AU-out(ftest)、AI-in(ftest)、AU-in(ftest)，以及相位PI-out(ftest)、PU-out(ftest)、PI-in(ftest)、PU-in(ftest)，计算获得被测设备的阻抗幅值和相位：
输出阻抗：幅值：
Figure BDA0002459750270000051
相位：∠Zout(ftest)＝PU-out(ftest)-PI-out(ftest)；
输入阻抗：幅值：
Figure BDA0002459750270000052
相位：∠Zout(ftest)＝PU-in(ftest)-PI-in(ftest)；
S9：在当前测量频率ftest上增加Δftest得到下一次测试频率满足f′test＝ftest+Δftest，若f′test≤fmax，则将f′test带入到下一周期扰动频率ftest，并重复步骤S4；若f′test＞fmax，则系统完成扫频工作，扰动注入装置停止工作，信号处理装置生成被测设备的阻抗幅值与相位曲线。
本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本实施例中主要交流电源电压为10kV，直流侧额定工作电压为20kV，Y-Δ交流变压器的原边电压为10kV，副边电压为800V，输出电感为10mH，模块数量N为30，每个扰动输出模块的电压指令值为800V，谐波分量叠加值在1kHz时峰值为20A，设定模块开关频率为800Hz。
本实施例中被测电源设备为10MW的AC/DC，被测负载设备为10MW的AC/DC，两个设备互联并运行于功率对拖工况。阻抗扫频装置并联于被测设备之间，启动并解锁，首先建立输出端电压到20kV，随后控制设备输出20A 1kHz的扰动电流，其子模块电容电压值如图6所示，电容电压稳定于800V，输出谐波电流波形如图7所示，为峰值20A，主频率为1kHz的正弦电流波，输出谐波电流的FFT分析结果如图8所示，谐波电流的THD为50.38％，电能质量不高，但基本满足扫频功能的需要，后续可以将CHB更换为SiC器件来提高模块开关频率以降低THD。由此可见设备能够输出20A的1kHz扰动电流，满足扫频设备的最高频率扰动输出要求。

Claims (8)

1.一种直流系统用阻抗扫频装置，其特征在于：包括用于注入扰动电流的扰动源注入装置、用于采集被测设备的电流和电压响应的采集装置和用于计算出被测设备在频域内的阻抗幅值和阻抗相位的信号处理器；
所述扰动源注入装置包括交流变压器和若干组AC/DC/DC扰动输出模块；
所述采集装置包括两个电流互感器和两个电压互感器，所述电流互感器用于测量电流响应，所述电压互感器用于测量电压响应；
所述信号处理器连接着采集装置用于采集电流响应和电压响应。
2.根据权利要求1所述的一种直流系统用阻抗扫频装置，其特征在于：所述AC/DC/DC扰动输出模块包括三相IGBT整流桥、滤波电感L1、并联电容C1和全桥CHB，其中模块三相IGBT整流桥正极与滤波电感L1串联，电容C1与滤波电感L1并联，且与全桥CHB相连，并从CHB中性点引出两极输出端分别于其他扰动输出模块串联。
3.根据权利要求1所述的一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：在信号处理器上进行参数设定；
S2：将采集装置并联接入被测电源设备和被测负载装置之间，控制被测电源设备与被测负载装置互联运行于功率对拖模式并处于一稳定工作点；
S3：将扰动源注入装置通过交流变压器接入交流电源后启动，解锁扰动输出模块的AC/DC部分，控制子模块电容电压vout_i(ftest)为子模块电容电压指令值v* C_i(ftest)，完成扰动模块的充电和电容电压稳定；
S4：解锁扰动输出模块的DC/DC部分，控制子模块输出频率为ftest，幅值为vout_i(ftest)的谐波电压，持续输出时间为Tinject，完成扰动电流信号的输出；
S5：将步骤S4中输出的扰动电流注入被测系统，利用电流互感器CT1、电压互感器PT1分别测得被测电源设备的电流响应Iout和电压响应Uout，利用电流互感器CT2、电压互感器PT2测得被测负载设备的电流响应Iin和电压响应Uin；
S6：信号处理器采集到步骤S5测得的电流响应和电压响应，进行控制处理：若满足设定条件则进行步骤S8；若不满足设定条件进行步骤S7；
S7：修正扰动电流指令值为Iinject(ftest)+ΔIinject(ftest)并进行扰动电流注入，测量被测设备的电流电压响应，若满足设定条件则进行步骤S8；若不满足设定条件则重复本步骤；
S8：对所测得的信号在频率ftest处进行傅里叶变换，提取出Iout(ftest)、Uout(ftest)、Iin(ftest)、Uin(ftest)的幅值AI-out(ftest)、AU-out(ftest)、AI-in(ftest)、AU-in(ftest)，以及相位PI-out(ftest)、PU-out(ftest)、PI-in(ftest)、PU-in(ftest)，计算获得被测设备的阻抗幅值和相位；
S9：在当前测量频率ftest上增加Δftest得到下一次测试频率f'test，若f'test符合测试频率限制，则将f'test带入到下一周期扰动频率ftest，并重复步骤S4；若f'test超出测试频率限制，则系统完成扫频工作。
4.根据权利要求3所述的一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中设定的参数具体为：
目标测试频率ftest，最低测试频率fmin，最高测试频率fmax，测试频率差Δftest，扰动电流目标值Iinject(ftest)，扰动电流差ΔIinject(ftest)，扰动响应占原稳态电流电压的最低百分比M，扰动注入时间Tinject。
5.根据权利要求4所述的一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法，其特征在于：所述扰动电流目标值Iinject(ftest)的计算公式为：
Figure FDA0002459750260000021
其中，Uinject(ftest)为扰动源注入装置的输出端电压，L为扰动源注入装置出口处的输出电感值；Uinject(ftest)的大小为：
Figure FDA0002459750260000022
其中，vout_i(ftest)为第i个AC/DC/DC扰动输出模块在ftest频率下的输出电压。
6.根据权利要求3所述的一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S8中被测设备的阻抗幅值和相位分别为：
输出阻抗：幅值：
Figure FDA0002459750260000023
相位：∠Zout(ftest)＝PU-out(ftest)-PI-out(ftest)；
输入阻抗：幅值：
Figure FDA0002459750260000024
相位：∠Zout(ftest)＝PU-in(ftest)-PI-in(ftest)。
7.根据权利要求3所述的一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S6和S7中设定条件为Iin/Idc≥M且Uin/Udc≥M，M为扰动响应占原稳态电流电压的最低百分比。
8.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质存储有一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法的程序，所述一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求3和4中任一项所述的一种直流系统用阻抗扫频装置的控制方法的步骤。
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