CN112964935B - 一种可控宽频带电网阻抗测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控宽频带电网阻抗测量装置及其测量方法。测量装置中，电流互感器的一个输出端通过断路器连接到第一IGBT的发射极和第三IGBT的集电极，另一个输出端连接到第二IGBT的发射极和第四IGBT的集电极；第一IGBT的集电极和第二IGBT的集电极分别连接到第一电阻的两端，第三IGBT的发射极和第四IGBT的发射极分别连接到第二电阻的两端；第一电阻和第二电阻还分别并联第一电容和第二电容；Chirp‑PWM信号发生器的第一输出端连接到第一IGBT和第二IGBT的门极，第二输出端连接到第三IGBT和第四IGBT的门极；还包括信号处理器。本发明可实现三相四线制低压配电网每一相一次性宽频阻抗测量，测量范围可设定；通过电阻和电容参数设计，增大谐波的无功功率，减小电阻的有功损耗。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种可控宽频带电网阻抗测量装置及其测量方法。
背景技术
近年来随着电力电子技术日益成熟，越来越多的电力电子器件应用到电力系统中，形成了电力电子化的新型电力系统。大规模电力电子器件接入将会在时域以及频域中改变电网的动态特性，同时远距离、大容量直流输电以及电气化铁路的建设，都会导致电力系统中频繁出现振荡与稳定性问题。
为了预测系统的稳定性，研究电网谐波渗透特性，选择电网滤波器的设计参数，避免产生电路谐振危害电网，需要对电网的阻抗进行测量。目前阻抗测量方法主要分为两大类：第一类是被动测量法，基于数学分析和数据处理等方法对阻抗进行估算，这类方法的优点在于不需要向被测系统中注入扰动，不会影响系统的电流质量，但是测量精度有限。第二类为主动测量法，依靠附加对的电力电子设备向系统注入谐波扰动，采集响应电压，电流从而计算被测系统阻抗。
电网阻抗测量过程中存在如下问题：首先，由于电网系统的复杂性，如社会电网覆盖区域广，网内设备众多等，使得直接计算阻抗的方法难以实现；其次，对于电网的阻抗测量，只需要在测量点处记录所需要的电压电流信号，不需要了解全网其它参数。
发明内容
本发明的目的是采用主动测量法，依靠附加的电力电子设备向系统注入谐波扰动，因此提供一种可控宽频带电网阻抗测量装置及其测量方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种可控宽频带电网阻抗测量装置，包括电压互感器和电流互感器；电流互感器的一个输出端通过断路器连接到第一IGBT的发射极和第三IGBT的集电极，另一个输出端连接到第二IGBT的发射极和第四IGBT的集电极；第一IGBT的集电极和第二IGBT的集电极分别连接到第一电阻的两端，第三IGBT的发射极和第四IGBT的发射极分别连接到第二电阻的两端；第一电阻和第二电阻还分别并联第一电容和第二电容；Chirp-PWM信号发生器的第一输出端连接到第一IGBT和第二IGBT的门极，第二输出端连接到第三IGBT和第四IGBT的门极；还包括信号处理器，所述信号处理器用于：接收电压互感器和电流互感器分别采集的电压和电流、控制断路器断开或闭合、设置Chirp-PWM信号发生器的频带、计算频域阻抗、以及拟合阻抗特性波形。
上述电网阻抗测量装置的测量方法，包括：
步骤1：断路器断开，电流互感器和电压互感器分别采集电网测量点处的电压US0和电流IS0；
步骤2：设置Chirp-PWM信号发生器的当前频带；
步骤3：断路器闭合，电流互感器与电压互感器采集电网测量点处在当前频带的响应电压US和响应电流IS；
步骤4：通过快速傅里叶算法，计算电网测量点处在当前频带的频域阻抗值ZS(jω)，
步骤5：多次执行步骤2-4，得到电网测量点处在不同频带的频域阻抗值，再拟合出电网阻抗特性波形。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
一、可实现三相四线制低压配电网每一相一次性宽频阻抗测量，测量范围可设定。
二、通过电阻和电容参数设计，增大谐波的无功功率，减小电阻的有功损耗，可降低装置的散热要求和减小装置的体积。
附图说明
图1为装置的结构图。
图2为“蝶形桥式”的谐波激励电路图。
图3-1为谐波激励电路的上翼回路导通时，输入电压为正半周的电流流向图。
图3-2为谐波激励电路的上翼回路导通时，输入电压为负半周的电流流向图。
图3-3为谐波激励电路的下翼回路导通时，输入电压为正半周的电流流向图。
图3-4为谐波激励电路的下翼回路导通时，输入电压为负半周的电流流向图。
图4为仿真结果分析图。
图5为电网频域阻抗测量流程图。
具体实施方式
如图1，一种可控宽频带电网阻抗测量装置，由单刀三掷开关B、断路器C、电力电子器件D、电流互感器E、电压互感器G、数字信号处理器H(DSP)、触控显示屏K等组成。
其中，A为模拟三相低压配电网，是装置能量的来源，也是装置的测量对象。
触控显示屏K作为人机交互界面实现整个装置命令的输入、内部开关的操控及测量结果的显示。
单刀三掷开关B可控制整个装置的开通关断以及实现测量单相电网或三相电网之间的转换。
断路器C可实现装置内部测量的转换。当断路器C断开时，此时电网无外加谐波激励，通过电流互感器E与电压互感器G采集测量点F处的电压US0和电流IS0，其含有背景谐波信息，并把采集信息传送给数字信号处理器H；当断路器C闭合时，通过产生能有效控制电力电子器件IGBT(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)开关的Chirp-PWM (chirp pulse width modulation，鸟鸣脉宽调制信号)调制信号，向被测电网系统施加谐波激励，再通过电流互感器E和电压互感器G采集测量点F处的响应电压US和响应电流IS，同样把采集信息传送给数字信号处理器H。
信息采集完成后，在数字信号处理器H中，通过快速傅里叶算法，根据下式计算出消除背景谐波影响的电网测量点处的频域阻抗特性，并通过人机交互设计，在触控显示屏K上实现带宽的设置，以及根据数字信号处理器H计算出的阻抗值拟合出的电网阻抗特性波形的输出。
电力电子器件D为可控宽频带阻抗测量装置的核心电路，该谐波激励电路的拓扑是在传统H桥电路的上进行改造，得到一种新型的“蝶形桥式”可控宽频带谐波扰动电路。如图2所示，由IGBT反并联二极管模块T1、T2、T3、T4，电阻R1、R2和电容C1、C2组成。
该“蝶形桥式”谐波激励电路有四个拓扑阶段，当数字信号处理器H控制断路器C闭合后，数字信号处理器H控制Chirp-PWM信号发生器，产生Chirp-PWM信号轮流触发IGBT门极的信号g1、g2。当信号g1有效时，由IGBT反并联二极管模块T1和T2，电阻R1，电阻C1 组成的上翼回路导通。当输入电压us为正半周时，电流顺序通过的图3-1中虚线所指的电路；当输入电压us为负半周时，电流顺序通过的图3-2中虚线所指的电路。在这两种拓扑结构下响应电流为下式：
I1＝us/(R1+jωC1)
当信号g2有效时，由IGBT反并联二极管模块T3和T4，电阻R2，电容C2组成的下翼回路导通。当输入电压us为负半周时，电流顺序通过的图3-3中虚线所指的电路；当输入电压us为负半周时，电流顺序通过的图3-4中虚线所指的电路。在这两种拓扑结构下响应电流为下式：
I2＝us/(R2+jωC2)
由于I1，I2随着g1，g2的改变交替变化，使响应电流的波形出现与Chirp-PWM信号特性一致的“缺口”，也正是因为这些“缺口”的出现，使得响应电流的频带可控，其与Chirp-PWM 信号的频带分布一致。
本装置注重对元器件参数的选择，在保证其测量结果精度的前提下，改进谐波激励电路，综合考虑下列影响因素，建立多目标优化模型，选择各元器件的参数，最大程度地减小装置体积。参数选择目标如下：
1.母线电压电流不超过上限(电流小于50A，电压小于400V)；
2.母线电流FFT后，在设定频带范围内，谐波含量均匀分布，其他频带范围可忽略不计；
3.装置功率约为5KV·A；
4.电阻搭载的功率尽可能小；
5.阻抗测量理论值与实测值在设定频带范围内近似相等，即测量结果准确。
通过理论值计算与Simulink仿真后，确定核心电路所需元器件的选型及参数：IGBT—SKM75GB063D(600V/75A)，电阻R1＝20Ω，R2＝40Ω，电容C1＝C2＝0.1μF。当断路器C闭合时，通过数字信号处理器H产生有效控制IGBT开关的Chirp-PWM调制信号，使电路能在预期的频带内较好产生谐波扰动，能在设定的频带内准确测量电网阻抗频域值，其仿真结果如图4，响应电流在设定频带范围内的谐波含量明显多于其它频带，在谐波阻抗幅值和相位图中，较光滑曲线为理论值，分散的点记录实测值，如图示可以获得在设定频带范围内测量准确的电网阻抗。
综上，“蝶形桥式”谐波激励电路的主要作用为通过四个IGBT模块(T1、T2、T3、T4)及负载(R1、R2、C1、C2)产生谐波扰动。在装置容量一定的条件下，在电阻两端并上电容可以分担无功功率，减小了电阻的有功损耗，有效减小装置体积，此外利用电容的滤波作用，减小本装置电路中的冲击电压，使各元器件可在安全状态下工作。
如图5所示，可控宽频带电网阻抗测量装置测量电网阻抗的步骤如下：
1.在触控显示屏的开始界面选择三相电网中的某一相(如A相)，此时装置内相应的开关导通，本装置接入该相；
2.在触控显示屏上选择断开断路器C，此时装置内部没有接入谐波激励电路，电流值为0，装置采集系统含有背景谐波信息的电压值，并送入DSP中；
3.在触控显示屏上设定测量的频带范围，并选择闭合断路器C，此时装置内部接入谐波激励电路，装置采集注入谐波扰动后的响应电压及响应电流，并送入DSP进行计算分析；
4.回到步骤1，切换相，重复步骤1-3，直到三相都测量完毕后，由DSP输出数据至触控显示屏，绘制出三相电网时域频域电压电流信息波形及频域阻抗信息波形。
本装置针对三相低压配电网，分别在三相测量点处注入谐波扰动，通过设定Chirp信号频带的上下限得到对应频带范围的Chirp-PWM开关信号，从而实现测量频带可控，以此得到对应频带的谐波扰动电流。装置采集扰动注入前的背景谐波信息，和扰动注入后的响应电压及响应电流，经过DSP计算得到每相电路在不同谐波下的阻抗，最后将三相电网的阻抗数据实时显示到屏幕上。
本装置注重对元器件参数的选择，在谐波激励电路的两翼，都分别采用电阻并联电容的形式，减小了电阻的有功损耗，有效减小装置体积。由于电网系统等效电路中存在电感，电感电流不能突变以致响应电压有较大的冲击幅值，而并联的电容可以阻碍低频电流的通过，从而降低响应电压中存在的冲击幅值。在保证电网阻抗测量结果精度的前提下，改进的谐波激励电路，即“蝶形桥式”电路可以减小装置体积，保护装置内部电力电子元件免受冲击，使其满足便携式装置要求。
Claims (2)
1.一种可控宽频带电网阻抗测量装置，其特征在于，包括电压互感器和电流互感器；电流互感器的一个输出端通过断路器连接到第一IGBT的发射极和第三IGBT的集电极，另一个输出端连接到第二IGBT的发射极和第四IGBT的集电极；第一IGBT的集电极和第二IGBT的集电极分别连接到第一电阻的两端，第三IGBT的发射极和第四IGBT的发射极分别连接到第二电阻的两端；第一电阻和第二电阻还分别并联第一电容和第二电容；Chirp-PWM信号发生器的第一输出端连接到第一IGBT和第二IGBT的门极，第二输出端连接到第三IGBT和第四IGBT的门极；还包括信号处理器，所述信号处理器用于：接收电压互感器和电流互感器分别采集的电压和电流、控制断路器断开或闭合、设置Chirp-PWM信号发生器的频带、计算频域阻抗、以及拟合阻抗特性波形。
2.如权利要求1所述的电网阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
步骤1：断路器断开，电流互感器和电压互感器分别采集电网测量点处的电压US0和电流IS0；
步骤2：设置Chirp-PWM信号发生器的当前频带；
步骤3：断路器闭合，电流互感器与电压互感器采集电网测量点处在当前频带的响应电压US和响应电流IS；
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