CN113156214B - 一种双模式宽频扰动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模式扰动的宽频带阻抗测量方法及双模式扰动装置。测量方法包括步骤：测量电压扰动模式下的阻抗、测量电流扰动模式下的阻抗、分别组合VSC型装备或电力网络在电压扰动模式下和电流扰动模式下的阻抗，得到VSC型装备或电力网络的阻抗。双模式扰动装置包括第一变压器、谐波功率模块、模式选择器和耦合变压器；第一变压器的次边连接到谐波功率模块的输入端，谐波功率模块的输出端通过模式选择器连接到耦合变压器的原边。本发明满足了VSC型装备和电力网络的高精度阻抗测量要求，同时可适应VSC型装备阻抗和电力网络阻抗发生时变的测量要求，弥补在双模式、可控宽频带的高精度阻抗测量方法及扰动装置上的空白。

Description

一种双模式宽频扰动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电力网络和VSC型装备阻抗测量技术领域，特别是一种双模式宽频扰动装置。

背景技术

随着电力电子变流技术的快速发展，大功率电压源型变流器(voltage sourceconverter，VSC)已成为风力发电装备、光伏发电装备、高速列车的核心变流设备。这些非线性电力电子变流设备在发挥其优良性能的同时，也带来了一系列振荡和不稳定问题，严重干扰各大电网的安全稳定运行。现有研究指出，VSC型装备和电力网络间的阻抗特性不匹配会引发VSC控制系统振荡或失稳。采用阻抗分析法来分析系统稳定性简单有效。然而，实际工程中VSC型装备和电力网络的详细拓扑、参数难以获取，使得数学建模方法难以建立准确的阻抗模型。而阻抗测量技术无需了解系统的具体拓扑和参数，同时避免了复杂的数学推导，即可获取被测VSC型装备和电力网络的实际阻抗数据。

其中谐波扰动注入法已能实现较为准确的阻抗测量，按照扰动的类型可分为“电压扰动注入方式”和“电流扰动注入方式”两类，通过向待测VSC型装备和待测电力网络之间串联注入电压扰动或并联注入电流扰动，得到待测VSC 型装备侧或待测电力网络侧的扰动响应，再进行阻抗计算得到阻抗频率特性曲线。在实际阻抗测量过程中，由于不同参数对频域阻抗影响的差异性，在宽频范围内VSC型设备和电力网络的阻抗频率特性曲线往往会出现交互现象，造成特定频带内各自阻抗呈现一大一小的特性，仅采用电压扰动注入或电流扰动注入的单一扰动方式并不能同时精确地测量宽频带VSC型装备和电力网络的阻抗特性。此外，传统的单频率扫描式阻抗测量方法测量时间长，无法适应时变阻抗的测量要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双模式宽频扰动装置。

实现本发明目的的技术方案为：

一种双模式宽频扰动装置，包括第一变压器、谐波功率模块、模式选择器和耦合变压器；所述谐波功率模块包括背靠背H桥变流器、输入电感和直流侧电容；第一变压器的原边连接到待测电力网络，第一变压器的次边连接到谐波功率模块的输入端，谐波功率模块的输出端通过模式选择器连接到耦合变压器的原边；所述模式选择器包括单刀双掷开关，单刀双掷开关的输入端为模式选择器的输入端，单刀双掷开关的第一输出端通过第一电感连接到电感电容并联谐振电路的输入端，单刀双掷开关的第二输出端与电感电容并联谐振电路的输出端连接后构成模式选择器的输出端；还包括第四开关、第五开关和第六开关；第五开关位于电力网络和VSC型装备之间，两端分别连接到待测电力网络和待测VSC 型装备；第四开关和第六开关的一端分别连接到耦合变压器的次边的两端，第四开关和第六开关的另一端分别连接到第五开关的两端；还包括第七开关和第八开关；第七开关的一端连接到待测电力网络或待测VSC型装备，另一端连接到耦合变压器次边的一端，耦合变压器次边的另一端通过第八开关接地；如单刀双掷开关的输入端连接到第一输出端，第四开关和第六开关断开，第五开关、第七开关和第八开关闭合，则耦合变压器的次边输出电流扰动信号；如单刀双掷开关的输入端连接到第二输出端，第四开关和第六开关闭合，第五开关、第七开关和第八开关断开，则耦合变压器的次边输出电压扰动信号。

进一步的，所述第一变压器为单相多绕组变压器，谐波功率模块为两个以上；第一谐波功率模块的输入端连接到单相多绕组变压器的第一次边绕组，第二谐波功率模块的输入端连接到单相多绕组变压器的第二次边绕组，以此类推；所有谐波功率模块的输出端级联后，通过模式选择器连接到耦合变压器的原边。

上述双模式宽频扰动装置的控制方法，包括双模式宽频扰动装置工作于电流扰动模式或电压扰动模式的控制方法；

双模式宽频扰动装置工作于电流扰动模式的控制方法为：

1.1使单刀双掷开关的输入端连接到第一输出端，第四开关和第六开关断开，第五开关、第七开关和第八开关闭合；

1.2在每个采样周期的起始点，对N个谐波功率模块的输入电压u_j、输入电流 i_j、直流侧电压u_dcj进行采样，j＝1,2,...N，N≥1；利用基于同步旋转坐标系的双闭环解耦控制，得到N路开关控制信号，对应控制N个谐波功率模块左侧开关管的开通与关断，使N个谐波功率模块的直流侧输出直流电压V_dc；

1.3设置参考电流调制波

其中，1：k为耦合变压器的变比，I为电流扰动的有效值，N_o为谐波数量，i＝1,2,...,N_o；f_i为电流扰动频率，f_i＝f₀+iΔf，f₀为起始频率，Δf为频率分辨率；

将S_{t_refi}与N个谐波功率模块的输出电流比较，经滞环电流控制，得到N 路开关控制信号，对应控制N个谐波功率模块右侧开关管的开通与关断，得到电流扰动信号；

双模式宽频扰动装置工作于电压扰动模式的控制方法为：

2.1使单刀双掷开关的输入端连接到第二输出端，第五开关、第七开关和第八开关断开，第四开关和第六开关闭合；

2.2执行1.2相同的方法；

2.3设置参考电压调制波

其中，1：k为耦合变压器的变比，V为电压扰动的有效值，N_o为谐波数量，i＝1,2,...,N_o，N为谐波功率模块数量，G为高频补偿因子；f_i为电压扰动频率，f_i＝f₀+iΔf，f₀为起始频率，Δf为频率分辨率；

将参考电压调制波归一化

将S_{t_refv}进行单极性倍频载波移相调制，得到N路开关控制信号，对应控制N个谐波功率模块右侧开关管的开通与关断，得到电压扰动信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明满足了VSC型装备和电力网络的高精度阻抗测量要求，同时可适应 VSC型装备阻抗和电力网络阻抗发生时变的测量要求，弥补在双模式、可控宽频带的高精度阻抗测量方法及扰动装置上的空白。

一、可实现电压、电流双模式扰动，电压扰动模式可使扰动高比例地施加在阻抗较大的待测对象侧，而电流扰动模式可使扰动高比例地施加在阻抗较小的待测对象侧。通过电压、电流双模式扰动的切换，能够有效提高VSC型装备阻抗和电力网络阻抗的测量精度。

二、通过一次性注入完全可控的特定频带的扰动，可得到同一时刻的待测 VSC型装备的宽频带阻抗特性，相比于传统的单频率扫描式阻抗测量方法极大地减少了测量时间，能够适应时变阻抗的测量需求。

三、在可控宽频带电压扰动串联注入模式下，考虑了阻抗测量装置内阻抗对高频信号的衰减效应，通过引入高频补偿因子可使装置输出幅值均匀的宽频带电压扰动。

四、在可控宽频带电流扰动并联注入模式下，利用模式选择器的电感电容并联谐振电路对基频信号呈现大阻抗的特性，可减小谐波功率放大模块承受的基波电压，使装置输出幅值均匀的宽频带电流扰动。

五、装置模块化设计，可根据实际谐波功率注入需求进行模块的串并联集成，使其满足高压、大容量单相/三相“电力网络-VSC型装备”系统的阻抗测量要求。

附图说明

图1为宽频带电压扰动串联注入模式及宽频带电流扰动并联注入的示意图。

图2为双模式扰动的宽频带阻抗测量方法的实施例的流程图。

图3为双模式扰动装置的系统结构图。

图4为双模式扰动装置的控制方法框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，宽频带阻抗测量的待测系统为电力网络和VSC型装备，VSC 型装备通过并网点连接到电力网络。

双模式扰动的宽频带阻抗测量方法的具体实施例，如图2所示。

1)向待测系统一次性注入特定频带的电压扰动(模式①)，一次性注入的扰动频率有f₁、f₂、f₃、f₄、f₅(实际使用时，根据需要，可以注入更多的扰动频率)。

2)分别检测待测VSC型装备侧电压、电流时域响应u_{p_vsc}(t)、i_{p_vsc}(t)与待测电力网络侧电压、电流时域响应u_{p_net}(t)、i_{p_net}(t)。

3)将检测到的电压、电流时域响应进行傅里叶变换，提取特定频带的待测 VSC型装备侧电压、电流频域响应分量u_{p_vsc}(f_i)、i_{p_vsc}(f_i)和待测电力网络侧电压、电流频域响应分量u_{p_net}(f_i)、i_{p_net}(f_i)，其中i＝1、2、3、4、5。

4)利用特定频带的电压、电流频域响应分量进行阻抗计算，得到该特定频带的待测VSC型装备阻抗Z_vsc(f_i)和待测电力网络阻抗Z_net(f_i)，其中i＝1、2、 3、4、5。

5)比较该特定频带中同一频率点的待测VSC型装备阻抗和待测电力网络阻抗的大小，选择较大的待测VSC型装备阻抗或较大的待测电力网络阻抗进行保存，假设Z_vsc(f₁)≤Z_net(f₁)、Z_vsc(f₂)≤Z_net(f₂)、Z_vsc(f₃)≤Z_net(f₃)， Z_vsc(f₄)≥Z_net(f₄)、Z_vsc(f₅)≥Z_net(f₅)，则待测VSC型装备的阻抗测量结果保存Z_vsc(f₄)、Z_vsc(f₅)，待测电力网络的阻抗测量结果保存Z_net(f₁)、Z_net(f₂)、Z_net(f₃)。

6)再向待测系统一次性注入同一特定频带的电流扰动(模式②)，扰动频率同样有f₁、f₂、f₃、f₄、f₅。

7)分别检测待测VSC型装备侧电压、电流时域响应u_{p_vsc}(t)、i_{p_vsc}(t)与待测电力网络侧电压、电流时域响应u_{p_net}(t)、i_{p_net}(t)，其中i＝1、2、3、4、5。

8)将检测到的电压、电流时域响应进行傅里叶变换，提取特定频带的待测 VSC型装备侧电压、电流频域响应分量u_{p_vsc}(f_i)、i_{p_vsc}(f_i)和待测电力网络侧电压、电流频域响应分量u_{p_net}(f_i)、i_{p_net}(f_i)，其中i＝1、2、3、4、5。

9)利用特定频带的电压、电流频域响应分量进行阻抗计算，得到该特定频带的待测VSC型装备阻抗Z_vsc(f_i)和待测电力网络阻抗Z_net(f_i)，其中i＝1、2、 3、4、5。

10)比较该特定频带中同一频率点的待测VSC型装备阻抗和待测电力网络阻抗的大小，选择较小的待测VSC型装备阻抗或较小的待测电力网络阻抗进行保存，通常恒有Z_vsc(f₁)≤Z_net(f₁)、Z_vsc(f₂)≤Z_net(f₂)、Z_vsc(f₃)≤Z_net(f₃)、Z_vsc(f₄)≥Z_net(f₄)、Z_vsc(f₅)≥Z_net(f₅)时，则待测VSC型装备的阻抗测量结果保存Z_vsc(f₁)、Z_vsc(f₂)、Z_vsc(f₃)，待测电力网络的阻抗测量结果保存 Z_net(f₄)、Z_net(f₅)。

11)综合步骤5)和步骤10)中待测VSC型装备阻抗和待测电力网络阻抗的保存结果，可得到待测VSC型装备和待测电力网络在f₁、f₂、f₃、f₄、f₅的阻抗值，进而绘制出二者的阻抗频率特性曲线。

本发明还提供了一种双模式扰动的装置，具体实施例如图3所示。包括一组谐波功率注入单元(也可以是并联的两组结构相同的谐波功率注入单元)、电压扰动注入接口和电流扰动注入支路。谐波功率注入单元包括单相多绕组变压器、N个谐波功率模块(N值可根据实际电路进行选定，N≥1)、模式选择器和耦合变压器；单相多绕组变压器的原边通过开关S1从电网取电，次边向谐波功率模块供电；谐波功率模块包括背靠背H桥变流器、电感、电容；模式选择器包括开关S2、电感、电感电容并联谐振电路；各个背靠背H桥变流器的左端连接单相多绕组变压器的次边绕组，背靠背H桥变流器的右端级联后与模式选择器的输入端连接；在电流扰动注入方式下模式选择器的S2闭合于端子1，在电压扰动注入方式下模式选择器的S2闭合于端子2，模式选择器的输出端与耦合变压器的原边连接；耦合变压器次边与电压扰动注入接口及电流扰动注入支路连接，用于输出电压扰动信号或者电流扰动信号；电压扰动注入接口由开关S4、 S5、S6构成；电流扰动注入支路由开关S7、S8构成。

以一组谐波功率注入单元的装置为例，上述装置的控制方法为：

可控宽频带电压扰动注入模式，包括以下步骤：(1)考虑待测系统的额定电压和电流水平、系统噪声和背景谐波干扰，结合装置容量的大小和信噪比的要求，确定电压扰动的有效值V、谐波数量N_o及频率分辨率Δf，同时考虑阻抗测量装置内阻抗对高频信号的衰减效应，设定高频补偿因子G，从而构造一个在特定频带内带高频补偿的线性调幅多频率正弦调制波。假设耦合变压器变比为1：k，则每组参考电压调制波的表达式为

(2)闭合开关S1，在每个采样周期的起始点，对N个谐波功率模块的输入电压u_j、输入电流i_j、直流侧电压u_dcj进行采样，其中j＝1、2……N，N≥1；(3)利用基于同步旋转坐标系的双闭环解耦控制策略和(2)中采集到的电气量对谐波功率注入单元中各个谐波功率模块的左侧开关管进行控制，得到N路开关控制信号，控制各个谐波功率模块左侧开关管的开通与关断，使各个谐波功率模块的直流侧保持输出一个稳定的直流电压 V_dc，可通过灵活调节V_dc来使电压扰动达到参考值；(4)由于谐波功率模块数量为 N，所以稳定运行时直流侧总电压为NV_dc，需将调制波进行如下归一化

(5)将归一化后的调制波S_{t_refv}进行单极性倍频载波移相调制，得到 N路开关控制信号，控制谐波功率注入单元中各个谐波功率模块右侧开关管的开通与关断，使其逆变出可控宽频带的电压扰动信号；(6)开关S2闭合于端子2，电压扰动注入接口的开关S5断开，开关S4和S6闭合，电流扰动注入支路的开关S7、S8全部断开，从而将可控宽频带的电压扰动信号串联注入系统中。

可控宽频带电流扰动注入模式，包括以下步骤：(1)考虑待测系统的额定电压和电流水平、系统噪声和背景谐波干扰，结合装置容量的大小和信噪比的要求，确定电流扰动的有效值I、谐波数量N_o及频率分辨率Δf，构造一个在特定频带内等幅的多频率正弦调制波。假设耦合变压器的变比为1：k，考虑谐波功率注入单元的分流作用，则谐波功率注入单元的参考电流调制波表达式为

(2)闭合开关S1，在每个采样周期的起始点，对N个谐波功率模块的输入电压u_j、输入电流i_j、直流侧电压u_dcj进行采样，其中j＝1、2……N，N≥1；(3)利用基于同步旋转坐标系的双闭环解耦控制策略和(2)中采集到的电气量对谐波功率注入单元中各个谐波功率模块的左侧开关管进行控制，得到N路开关控制信号，控制各个谐波功率模块左侧开关管的开通与关断，使各个谐波功率模块的直流侧保持输出一个稳定的直流电压V_dc，可通过灵活调节V_dc来使电压扰动达到参考值；(4)开关S2闭合于端子1，电压扰动注入接口的开关S5闭合，开关S4和S6断开，电流扰动注入支路的开关S7、 S8全部闭合；(5)采集谐波功率模块输出电流i与调制波S_{t_refi}比较，经滞环电流控制，得到N路开关控制信号，控制谐波功率注入单元中各个谐波功率模块右侧开关管的开通与关断，使其逆变出可控宽频带的电流扰动信号。

其中，基于同步旋转坐标系的双闭环解耦控制、开环电压控制和滞环电流控制，如图4所示。

Claims (3)

1.一种双模式宽频扰动装置，其特征在于，包括第一变压器、谐波功率模块、模式选择器和耦合变压器；所述谐波功率模块包括背靠背H桥变流器、输入电感和直流侧电容；第一变压器的原边连接到待测电力网络，第一变压器的次边连接到谐波功率模块的输入端，谐波功率模块的输出端通过模式选择器连接到耦合变压器的原边；所述模式选择器包括单刀双掷开关，单刀双掷开关的输入端为模式选择器的输入端，单刀双掷开关的第一输出端通过第一电感连接到电感电容并联谐振电路的输入端，单刀双掷开关的第二输出端与电感电容并联谐振电路的输出端连接后构成模式选择器的输出端；还包括第四开关、第五开关和第六开关；第五开关位于电力网络和VSC型装备之间，两端分别连接到待测电力网络和待测VSC型装备；第四开关和第六开关的一端分别连接到耦合变压器的次边的两端，第四开关和第六开关的另一端分别连接到第五开关的两端；还包括第七开关和第八开关；第七开关的一端连接到待测电力网络或待测VSC型装备，另一端连接到耦合变压器次边的一端，耦合变压器次边的另一端通过第八开关接地；如单刀双掷开关的输入端连接到第一输出端，第四开关和第六开关断开，第五开关、第七开关和第八开关闭合，则耦合变压器的次边输出电流扰动信号；如单刀双掷开关的输入端连接到第二输出端，第四开关和第六开关闭合，第五开关、第七开关和第八开关断开，则耦合变压器的次边输出电压扰动信号。

2.如权利要求1所述的一种双模式宽频扰动装置，其特征在于，所述第一变压器为单相多绕组变压器，谐波功率模块为两个以上；第一谐波功率模块的输入端连接到单相多绕组变压器的第一次边绕组，第二谐波功率模块的输入端连接到单相多绕组变压器的第二次边绕组，以此类推；所有谐波功率模块的输出端级联后，通过模式选择器连接到耦合变压器的原边。

3.如权利要求1或2所述的一种双模式宽频扰动装置的控制方法，其特征在于，包括双模式宽频扰动装置工作于电流扰动模式或电压扰动模式的控制方法；双模式宽频扰动装置工作于电流扰动模式的控制方法为：

1.1使单刀双掷开关的输入端连接到第一输出端，第四开关和第六开关断开，第五开关、第七开关和第八开关闭合；

1.2在每个采样周期的起始点，对N个谐波功率模块的输入电压u_j、输入电流i_j、直流侧电压u_dcj进行采样，j＝1,2,...N，N≥1；利用基于同步旋转坐标系的双闭环解耦控制，得到N路开关控制信号，对应控制N个谐波功率模块左侧开关管的开通与关断，使N个谐波功率模块的直流侧输出直流电压V_dc；

1.3设置参考电流调制波

其中，1：k为耦合变压器的变比，I为电流扰动的有效值，N_o为谐波数量，i＝1,2,...,N_o；f_i为电流扰动频率，f_i＝f₀+iΔf，f₀为起始频率，Δf为频率分辨率；

将S_{t_refi}与N个谐波功率模块的输出电流比较，经滞环电流控制，得到N路开关控制信号，对应控制N个谐波功率模块右侧开关管的开通与关断，得到电流扰动信号；

双模式宽频扰动装置工作于电压扰动模式的控制方法为：

2.1使单刀双掷开关的输入端连接到第二输出端，第五开关、第七开关和第八开关断开，第四开关和第六开关闭合；

2.2执行1.2相同的方法；

2.3设置参考电压调制波

其中，1：k为耦合变压器的变比，V为电压扰动的有效值，N_o为谐波数量，i＝1,2,...,N_o，N为谐波功率模块数量，G为高频补偿因子；f_i为电压扰动频率，f_i＝f₀+iΔf，f₀为起始频率，Δf为频率分辨率；

将参考电压调制波归一化

将S_{t_refv}进行单极性倍频载波移相调制，得到N路开关控制信号，对应控制N个谐波功率模块右侧开关管的开通与关断，得到电压扰动信号。

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