CN113063987B - 电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法及系统，通过扰动电压频率偏移、工况实时监测、两次线性独立的扰动电压注入、加窗与插值、基于电网基波电压的相位校正等技术，可以准确测量光伏发电、风力发电和静止无功补偿器等电力电子装备的宽频带频率耦合导纳特性，特别是基于电网基波电压的相位校正技术可以破解电力电子装备宽频带频率耦合导纳矩阵中非对角元素准确测量的难题，为验证和修正白箱化电力电子装备的宽频带频率耦合导纳模型提供核心算法，同时也为破解黑箱化电力电子装备的宽频带频率耦合导纳辨识建模提供技术支撑。本发明可满足各类型三相交流电力电子装备宽频带频率耦合导纳在线测量的需求。

Description

电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子并网装备的导纳在线测量技术领域，特别是一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法及系统。

背景技术

以新能源为主体的新型电力系统中，电力电子装备数量巨大，控制复杂且存在多时间尺度耦合，电力电子装备间及其与电网间的动态相互作用加剧，系统振荡呈宽频带、时变和多形态特征。阻抗法是分析电力电子装备接入电网宽频带振荡问题最常用的方法之一，其基本思路是将电力电子装备和交流电网看成两个独立的子系统，利用阻抗(导纳)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，其所需的导纳可以通过测量实际系统的端口外特性得到，而且可以通过导纳聚合的方法应对系统规模的扩大，特别适用于大量异构电力电子装备组成的大规模系统的分析。

阻抗法的最关键问题之一就是如何准确测量各类型电力电子装备的阻抗(导纳)。目前电力电子装备的导纳有两种形式，一种是同步旋转坐标系下的dq导纳，另一种是静止自然坐标系下的序导纳。目前电力电子装备的dq导纳测量技术较为成熟，已有不少高校和企业研制了dq导纳测量样机。然而，国内外专家学者对于静止自然坐标系下的序导纳测量研究较晚，已有的导纳测量方法并未考虑电力电子装备频率耦合特性以及FFT相位输出特性的影响。实际上，由于控制的不对称及非线性，电力电子装备的正负序频率分量相互耦合，若直接忽略该耦合，将会对电力电子装备并网系统稳定性分析的准确性产生严重的不利影响；此外，由于FFT分析得到的相位是采样起始时刻处信号的相位，并非该信号的初相位，且非对角元素导纳是表征两个不同频率之间的关系，非对角元素导纳的分子和分母无法抵消采样时刻对导纳相位的影响，导致非对角元素导纳相位测量结果出现较大误差。

本发明名词解释如下:

宽频带:频率耦合导纳测量的频率范围较宽，例如从1Hz～20000Hz。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法及系统，满足风力发电装备、光伏发电装备和静止无功补偿器等电力电子装备宽频带频率耦合导纳在线测量的需求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，包括以下步骤：

1)控制宽频带电压扰动注入装置注入频率为f_p的三相对称正序扰动电压，待被测电力电子装备运行稳定后，采集被测电力电子装备输出端口的电压信号和电流信号，提取频率为f_p的电压信号V_p1和电流信号I_p1、频率为f_pc的电压信号V_pc1和电流信号I_pc1、频率为f₁的电压信号V₁₁和电流信号I₁₁，f_pc为耦合频率，f_pc＝f_p-2f₁；以V₁₁的相位为基准，分别对V_p1、I_p1、V_pc1和I_pc1的相位进行校正，分别得到V_mp1、I_mp1、V_mpc1和I_mpc1；

控制宽频带电压扰动注入装置注入频率为f_pc的三相对称负序扰动电压，待被测电力电子装备运行稳定后，采集被测电力电子装备输出端口的电压信号和电流信号，提取频率为f_p的电压信号V_p2和电流信号I_p2、频率为f_pc的电压信号V_pc2和电流信号I_pc2、频率为f₁的电压信号V₁₂和电流信号I₁₂；以V₁₂的相位为基准，分别对V_p2、I_p2、V_pc2和I_pc2的相位进行校正，分别得到V_mp2、I_mp2、V_mpc2和I_mpc2；

2)利用下式计算频率耦合导纳：

其中，Y₁₁、Y₁₂、Y₂₁、Y₂₂分别为被测电力电子装备频率耦合导纳矩阵中的四个元素。

由于FFT分析得到的相位是采样起始时刻处信号的相位，并非该信号的初相位，且非对角元素导纳Y₁₂、和Y₂₁是表征两个不同频率之间的关系，非对角元素导纳的分子和分母无法抵消采样时刻对导纳相位的影响，导致非对角元素导纳相位测量结果出现较大误差。本发明通过基波电压的相位来校正扰动频率和耦合频率的相位，从而能够准确测量出被测电力电子装备真实的导纳特性。

为了大幅减小被测电力电子装备输出端口谐波分量对频率耦合导纳测量准确性的不利影响，步骤1)之前，还包括：

a)未注入扰动电压时，采集被测电力电子装备输出端口的三相电压v_La、v_Lb、v_Lc和三相电流i_La、i_Lb、i_Lc，分别对所述三相电压和三相电流进行FFT分析，确定被测电力电子装备输出端口背景谐波的频率；根据导纳测量点数K和测量频率范围f_min～f_max的要求，在对数坐标上均分设置宽频带频率耦合导纳测量的所有待测频率点；

b)将所有待测频率点的频率与被测电力电子装备输出端口背景谐波的频率进行比对，若待测频率点的频率与背景谐波频率重合，则将该待测频率点偏移频率Δf。

步骤2)之后，还包括：3)判断所有待测频率点的频率耦合导纳是否测量完成，如果尚未完成则继续进行下一个待测频率点的频率耦合导纳测量，直至所有待测频率点测量完成。

判断待测频率点的频率耦合导纳是否测量完成的实现过程包括：判断每一次测量中电压V₁₁和电流I₁₁的幅值变化、电压V₁₁和电流I₁₁的相位差变化Δθ₁₁、每一次测量中电压V₁₂和电流I₁₂的幅值变化ΔV₁₂和ΔI₁₂、电压V₁₂和电流I₁₂的相位差变化Δθ₁₂是否均在合理范围之内，若是，则本次宽频带频率耦合导纳测量完成，否则，则本次测量的结果无效，重新开始测量。避免由于被测电力电子装备的工况发生变化而导致一次宽频带频率耦合导纳测量不准确的现象。

为了鉴定工况的变化是否在频率耦合导纳测量所能接受的范围内，ΔV₁₁合理范围的取值为小于0.1pu，pu代表标幺值，ΔI₁₁合理范围的取值为小于0.1pu，Δθ₁₁合理范围的取值为小于10°，ΔV₁₂合理范围的取值为小于0.1pu，ΔI₁₂合理范围的取值为小于0.1pu，Δθ₁₂合理范围的取值为小于10°。

对V_p1、I_p1、V_pc1和I_pc1的相位进行校正的公式为：

其中，

分别为V₁₁、V_p1、I_p1、V_pc1、I_pc1、V_mp1、I_mp1、V_mpc1、I_mpc1的相位，t_cor1为注入频率为f_p后校正相位对应的时间，单位为秒。通过基波电压的相位来校正扰动频率和耦合频率的相位，能够准确测量出被测电力电子装备真实的导纳特性。

对V_p2、I_p2、V_pc2和I_pc2的相位进行校正的公式为：

其中，

分别为V₁₂、V_p2、I_p2、V_pc2、I_pc2、V_mp2、I_mp2、V_mpc2、I_mpc2的相位，t_cor2为注入频率为f_pc后校正相位对应的时间，单位为秒。

K取值范围为10≤K≤1000，f_min取值范围为1Hz≤f_min≤100Hz，f_max取值范围为100Hz≤f_max≤20000Hz。保证既能足够描述被测电力电子装备的宽频带频率耦合导纳特性，又不会导致一次宽频带频率耦合导纳测量的时间过长。

Δf取值范围为0.1Hz≤Δf≤20Hz。显著降低被测电力电子装备输出端口谐波分量对该频率点频率耦合导纳测量准确性的不利影响，还不会影响其他频率点的测量。

本发明还提供了一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提供了一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，通过基波电压相位校正技术，可以破解电力电子装备宽频带频率耦合导纳矩阵中非对角元素准确测量的难题。

附图说明

图1为本发明一实施例电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量系统结构图；

图2为本发明一实施例电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法流程图；

图3(a)和图3(b)为本发明一实施例风电机组在两种不同工况下的宽频带频率耦合导纳仿真测量结果，其中，图3(a)中风电机组的有功功率为P_s＝0.4pu，图3(b)中风电机组的有功功率为P_s＝1pu。

具体实施方式

如图1所示，风力发电装备、光伏发电装备和静止无功补偿器等电力电子装备接入到交流电网。宽频带频率耦合导纳在线测量装置主要包括采样调理电路、宽频带频率耦合导纳计算与控制单元、宽频带电压扰动注入装置等三部分，采样调理电路、宽频带频率耦合导纳计算与控制单元、宽频带电压扰动注入装置依次连接；采样调理电路的输入端与被测电力电子装备的输出端口连接；宽频带电压扰动注入装置串联接入到被测电力电子装备系统中，其输出等效电路可以近似看作为电压源。图1中，V_Pa、V_Pb、V_Pc为宽频带电压扰动注入装置的三相输出电压，v_La、v_Lb、v_Lc为被测电力电子装备输出端口的三相电压，i_La、i_Lb、i_Lc为被测电力电子装备输出端口的三相电流。

如图2所示，本发明实施例的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法包括以下步骤：

1)未注入扰动电压时，启动A/D转换器，采集被测电力电子装备输出端口的三相电压v_La、v_Lb、v_Lc和三相电流i_La、i_Lb、i_Lc，分别对三相电压和电流进行FFT分析，确定被测电力电子装备输出端口背景谐波的频率；

2)根据导纳测量点数K和测量频率范围f_min～f_max的要求，在对数坐标上均分设置宽频带频率耦合导纳测量的所有待测频率点，K取值范围为10≤K≤1000，f_min取值范围为1Hz≤f_min≤100Hz，f_max取值范围为100Hz≤f_max≤20000Hz；

3)将步骤2)中所有待测频率点与步骤1)中被测电力电子装备输出端口背景谐波的频率进行比对，若待测频率点与背景谐波频率重合，则对该待测频率点进行频率偏移操作，将该待测频率点偏移频率Δf，保证所有待测频率点与背景谐波频率不重合，Δf取值范围为0.1Hz≤Δf≤20Hz；

4)控制宽频带电压扰动注入装置注入频率为f_p的三相对称正序扰动电压；

5)待被测电力电子装备运行稳定后，采集被测装备输出端口的电压和电流信号，通过加汉宁窗和插值处理(温和.新型窗函数与改进FFT谐波分析方法及应用研究[D].湖南大学,2009.)，减小频谱泄露和栅栏效应的影响，准确提取信号中频率为f_p的电压V_p1和电流I_p1、频率为f_pc的电压V_pc1和电流I_pc1、频率为f₁的电压V₁₁和电流I₁₁，f_pc为耦合频率，f_pc＝f_p-2f₁；

6)基于电压V₁₁的相位，分别对V_p1、I_p1、V_pc1和I_pc1的相位进行校正，分别得到V_mp1、I_mp1、V_mpc1和I_mpc1；

7)控制宽频带电压扰动注入装置注入频率为f_pc的三相对称负序扰动电压；

8)待被测电力电子装备运行稳定后，采集被测装备输出端口的电压和电流信号，通过加汉宁窗和插值处理，减小频谱泄露和栅栏效应的影响，准确提取信号中频率为f_p的电压V_p2和电流I_p2、频率为f_pc的电压V_pc2和电流I_pc2、频率为f₁的电压V₁₂和电流I₁₂；

9)基于电压V₁₂的相位，分别对V_p2、I_p2、V_pc2和I_pc2的相位进行校正，分别得到V_mp2、I_mp2、V_mpc2和I_mpc2；

10)根据V_mp1、I_mp1、V_mpc1、I_mpc1、V_mp2、I_mp2、V_mpc2、I_mpc2和频率耦合导纳计算公式，可以求解出被测电力电子装备在频率为f_p处的频率耦合导纳，频率耦合导纳的计算公式为：

其中，Y₁₁、Y₁₂、Y₂₁、Y₂₂分别为被测装备频率耦合导纳矩阵中的四个元素。

11)判断所有待测频率点的频率耦合导纳是否测量完成，如果尚未完成则继续进行下一个频率点的频率耦合导纳测量，直至所有待测频率点测量完成；

12)判断每一次测量中电压V₁₁和电流I₁₁的幅值变化ΔV₁₁和ΔI₁₁以及电压电流的相位差变化Δθ₁₁在合理范围之内，判断每一次测量中电压V₁₂和电流I₁₂的幅值变化ΔV₁₂和ΔI₁₂以及电压电流的相位差变化Δθ₁₂在合理范围之内，如果每次测量中ΔV₁₁、ΔI₁₁、Δθ₁₁、ΔV₁₂、ΔI₁₂、Δθ₁₂都在合理范围之内，则本次宽频带频率耦合导纳测量完成，如果在某一次测量中ΔV₁₁、ΔI₁₁、Δθ₁₁、ΔV₁₂、ΔI₁₂、Δθ₁₂的某个值超出了合理范围，则本次测量的结果无效，需要重新开始测量，ΔV₁₁合理范围的取值为小于0.1pu，pu代表标幺值，ΔI₁₁合理范围的取值为小于0.1pu，Δθ₁₁合理范围的取值为小于10°，ΔV₁₂合理范围的取值为小于0.1pu，ΔI₁₂合理范围的取值为小于0.1pu，Δθ₁₂合理范围的取值为小于10°。

所述步骤6)中，相位校正的公式为：

其中，

分别为V₁₁、V_p1、I_p1、V_pc1、I_pc1、V_mp1、I_mp1、V_mpc1、I_mpc1的相位，t_cor1第一组扰动注入下校正相位所对应的时间，单位为秒。

所述步骤9)中，相位校正的公式为：

其中，

分别为V₁₂、V_p2、I_p2、V_pc2、I_pc2、V_mp2、I_mp2、V_mpc2、I_mpc2的相位，t_cor2第二组扰动注入下校正相位所对应的时间，单位为秒。

图3(a)和图3(b)所示分别为本发明实施例风电机组在有功功率P_s＝0.4pu和P_s＝1pu时的宽频带频率耦合导纳仿真测量结果，圆圈代表采用本发明电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法的仿真测量结果，图中实线代表风电机组的宽频带频率耦合导纳理论模型。从图3(a)和图3(b)可知：测量结果和理论模型能够很好的吻合，证明了本发明电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法的有效性。

Claims (8)

1.一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)控制宽频带电压扰动注入装置注入频率为f_p的三相对称正序扰动电压，待被测电力电子装备运行稳定后，采集被测电力电子装备输出端口的电压信号和电流信号，提取频率为f_p的电压信号V_p1和电流信号I_p1、频率为f_pc的电压信号V_pc1和电流信号I_pc1、频率为f₁的电压信号V₁₁和电流信号I₁₁，f_pc为耦合频率，f_pc＝f_p-2f₁；以V₁₁的相位为基准，分别对V_p1、I_p1、V_pc1和I_pc1的相位进行校正，分别得到V_mp1、I_mp1、V_mpc1和I_mpc1；

控制宽频带电压扰动注入装置注入频率为f_pc的三相对称负序扰动电压，待被测电力电子装备运行稳定后，采集被测电力电子装备输出端口的电压信号和电流信号，提取频率为f_p的电压信号V_p2和电流信号I_p2、频率为f_pc的电压信号V_pc2和电流信号I_pc2、频率为f₁的电压信号V₁₂和电流信号I₁₂；以V₁₂的相位为基准，分别对V_p2、I_p2、V_pc2和I_pc2的相位进行校正，分别得到V_mp2、I_mp2、V_mpc2和I_mpc2；

对V_p1、I_p1、V_pc1和I_pc1的相位进行校正的公式为：

其中，

分别为V₁₁、V_p1、I_p1、V_pc1、I_pc1、V_mp1、I_mp1、V_mpc1、I_mpc1的相位，t_cor1为注入频率为f_p后校正相位对应的时间，单位为秒；

对V_p2、I_p2、V_pc2和I_pc2的相位进行校正的公式为：

其中，

分别为V₁₂、V_p2、I_p2、V_pc2、I_pc2、V_mp2、I_mp2、V_mpc2、I_mpc2的相位，t_cor2为注入频率为f_pc后校正相位对应的时间，单位为秒；

2)利用下式计算频率耦合导纳：

其中，Y₁₁、Y₁₂、Y₂₁、Y₂₂分别为被测电力电子装备频率耦合导纳矩阵中的四个元素。

2.根据权利要求1所述的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，步骤1)之前，还包括：

a)未注入扰动电压时，采集被测电力电子装备输出端口的三相电压v_La、v_Lb、v_Lc和三相电流i_La、i_Lb、i_Lc，分别对所述三相电压和三相电流进行FFT分析，确定被测电力电子装备输出端口背景谐波的频率；根据导纳测量点数K和测量频率范围f_min～f_max的要求，在对数坐标上均分设置宽频带频率耦合导纳测量的所有待测频率点；

b)将所有待测频率点的频率与被测电力电子装备输出端口背景谐波的频率进行比对，若待测频率点的频率与背景谐波频率重合，则将该待测频率点偏移频率Δf。

3.根据权利要求1所述的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，步骤2)之后，还包括：

3)判断所有待测频率点的频率耦合导纳是否测量完成，如果尚未完成则继续进行下一个待测频率点的频率耦合导纳测量，直至所有待测频率点测量完成。

4.根据权利要求3所述的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，判断待测频率点的频率耦合导纳是否测量完成的实现过程包括：判断每一次测量中电压V₁₁和电流I₁₁的幅值变化、电压V₁₁和电流I₁₁的相位差变化Δθ₁₁、每一次测量中电压V₁₂和电流I₁₂的幅值变化ΔV₁₂和ΔI₁₂、电压V₁₂和电流I₁₂的相位差变化Δθ₁₂是否均在合理范围之内，若是，则本次宽频带频率耦合导纳测量完成，否则，则本次测量的结果无效，重新开始测量。

5.根据权利要求4所述的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，ΔV₁₁合理范围的取值为小于0.1pu，pu代表标幺值，ΔI₁₁合理范围的取值为小于0.1pu，Δθ₁₁合理范围的取值为小于10°，ΔV₁₂合理范围的取值为小于0.1pu，ΔI₁₂合理范围的取值为小于0.1pu，Δθ₁₂合理范围的取值为小于10°。

6.根据权利要求1～5之一所述的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，K取值范围为10≤K≤1000，f_min取值范围为1Hz≤f_min≤100Hz，f_max取值范围为100Hz≤f_max≤20000Hz。

7.根据权利要求1～5之一所述的电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量方法，其特征在于，Δf取值范围为0.1Hz≤Δf≤20Hz。

8.一种电力电子装备的宽频带频率耦合导纳在线测量系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行权利要求1～7之一所述方法的步骤。

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