CN114814363A - 一种三级式宽频带阻抗测量装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级式宽频带阻抗测量装备及方法，涉及电力系统与电力电子技术领域，包括宽频带电压扰动注入单元、信号处理单元、阻抗计算单元和控制单元；所述宽频带电压扰动注入单元用于向待测系统注入一定频率和大小的电压扰动信号，待测系统相应地将产生同频率的电流响应信号；所述信号处理单元用于采集待测系统的电压与电流信号并进行滤波、傅里叶分解等处理，同时发送和接收控制单元指令；所述阻抗计算单元基于电压扰动信号和电流响应信号来计算待测系统在各频率下的阻抗；所述控制单元用于宽频带电压扰动注入单元的控制，本发明满足风力、光伏并网发电等高压大功率场景下宽频带阻抗在线测量的应用需求。

Description

一种三级式宽频带阻抗测量装备及方法

技术领域

本发明涉及电力系统与电力电子技术领域，具体的是一种三级式宽频带阻抗测量装备及方法。

背景技术

随着资源需求的日益紧张、环境问题的逐步恶化，开发和利用新能源是保障人类可持续发展的最佳选择，为实现电力系统低碳化，促进“双碳”目标落实，需要大规模快速发展以风力和光伏发电为主的可再生能源发电技术，但是，随着新能源装机规模的扩大，将电网视为理想电压源的假设不再成立，从而导致新能源发电设备的等效阻抗与电网阻抗间的交互作用越来越强烈，很容易引发复杂的宽频带、多形态系统振荡问题，进而影响电网系统的可靠稳定运行，严重制约了新能源的大规模并网和消纳，根据频域理论下基于阻抗的系统稳定性评估方法，可以将新能源设备和交流电网看成两个独立的子系统，再结合奈奎斯特稳定判据，通过分析两个子系统各自的阻抗特性曲线或它们阻抗比的奈奎斯特曲线，即可对整个系统进行稳定性分析和设计，综上，新能源发电设备等效阻抗的测量对研究大型新能源并网发电系统的稳定性具有重要意义，研发新能源发电设备的宽频带阻抗测量装备是揭示新能源并网发电系统振荡机理并提出相应振荡抑制措施的基础和关键，但目前国内外已投入工程应用的高压、大功率、宽频带阻抗测量装备鲜见报道；为此，本发明提出一种三级式宽频带阻抗测量装备及方法，提出了一种面向新能源并网发电系统的新型阻抗测量装置，拓扑结构及控制方法相对于现有技术较为新颖。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种三级式宽频带阻抗测量装备及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种三级式宽频带阻抗测量装备，包括宽频带电压扰动注入单元、信号处理单元、阻抗计算单元和控制单元；所述宽频带电压扰动注入单元用于向待测系统注入特定频率和大小的电压扰动，并且在待测系统受到电压扰动后产生了电流响应信号；

所述信号处理单元用于采集待测系统的电压电流信号并进行滤波变换和傅里叶分解，同时发送和接收控制单元指令；

所述阻抗计算单元基于电压扰动和响应信号来计算待测系统在各频率下的阻抗，所述控制单元用于在接收到信号处理单元发送的电压电流信号后实现对系统的控制。

进一步地，所述宽频带电压扰动注入单元包括输入级、中间级、输出级，所述输入级采用多绕组变压器并联接入三相电网。

进一步地，所述多绕组变压器二次侧共有6个三相绕组，每个三相绕组均接一个AC-DC三相全桥模块，两个AC-DC三相全桥模块的输出侧串联并向后级提供稳定的直流电压。

进一步地，所述中间级采用Buck模块，控制装备输出扰动电压的幅值。

进一步地，所述输出级采用载波移相SPWM调制控制模块化多电平桥臂中各半桥子模块开关管的导通与关断，并经单相全桥逆变器输出频率可变的阶梯波电压，再经LC滤波后由1:1耦合变压器串联注入到待测新能源发电设备的侧线路中。

一种三级式宽频带阻抗测量方法，方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对多绕组变压器的二次侧电压ua、ub、uc，AC-DC三相全桥模块的三相输入电流ia、ib、ic，AC-DC三相全桥模块的直流侧电压Udc_a1、Udc_a2、Udc_b1、Udc_b2、Udc_c1、Udc_c2，模块化多电平桥臂中各子模块电容电压Usm_a1、Usm_a2、…、Usm_aN，Usm_b1、Usm_b2、…、Usm_bN，Usm_c1、Usm_c2、…、Usm_cN，模块化多电平桥臂电流Ism_a、Ism_b、Ism_c，单相全桥逆变器输出的扰动电压uoa、uob、uoc，以及单相全桥逆变器的输出电流ioa、iob、ioc分别进行采样；

2)将多绕组变压器的二次侧电压ua、ub、uc经abc/dq变换后得到AC-DC三相全桥模块的三相输入电压d轴分量ud、q轴分量uq，AC-DC三相全桥模块的三相输入电流ia、ib、ic经abc/dq变换后得到AC-DC三相全桥模块的三相输入电流d轴分量id、q轴分量iq；

3)将电压参考值U_d*_{c_xy}与AC-DC三相全桥模块的直流侧电压Udc_xy作差，得到电压误差量ΔUdc_xy,其中，x＝a,b,c，y＝1,2；

4)将电压误差量ΔUdc_xy经PI控制后得到的d轴电流参考量i_d*，d轴电流参考量i_d*与AC-DC三相全桥模块的三相输入电流d轴分量id作差后，再经过PI控制器得到控制信号u1，然后将AC-DC三相全桥模块的三相输入电压d轴分量ud与控制信号u1作差后得到占空比的d轴分量dd；

5)将0与AC-DC三相全桥模块的三相输入电流q轴分量iq作差后，再经过PI控制器得到控制信号u2，然后将AC-DC三相全桥模块的三相输入电压q轴分量uq与控制信号u2作差后得到占空比的q轴分量dq；

6)将占空比的d轴分量dd、q轴分量dq经dq/abc变换后，所得信号经过PWM调制，得到AC-DC三相全桥模块开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断；

7)利用设定的单相全桥逆变器输出的扰动电压幅值Mp、频率ωp和电网相位

构造x相正弦调制波

8)将

经过符号函数模块sgn后，所得信号经过PWM调制，得到单相H桥逆变器开关管的控制占空比，控制开关管的开通与关断；

9)将

经过绝对值模块|abs|后，再与调制系数MR相乘，得到调制信号mb，然后经过SPWM调制，得到Buck模块开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断；

10)将模块化多电平桥臂中各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN经过求和模块sum后，再乘以比例系数1/N，得到子模块电容电压平均值Usm_ave，然后将子模块电容电压平均值Usm_ave与各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN分别作差，得到各子模块电容电压误差量ΔUsm_x1、ΔUsm_x2、…、ΔUsm_xN；

11)将子模块电容电压平均值Usm_ave与各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN分别作差，再分别经过PI控制器得到控制信号us_x1、us_x2、…、us_xN，然后将桥臂电流Ism_x经过符号函数模块sgn后，再分别与电压量us_x1、us_x2、…、us_xN相乘，得到控制信号uss_x1、uss_x2、…、uss_xN；

12)将调制信号mb乘以比例系数1/Mp后，再分别与控制信号uss_x1、uss_x2、…、uss_xN相加，得到各子模块调制信号ms_x1、ms_x2、…、ms_xN，然后和三角载波进行载波移相SPWM调制，得到各子模块中开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断。

本发明的有益效果：

本发明包括宽频带电压扰动注入单元、信号处理单元、阻抗计算单元和控制单元；所述宽频带电压扰动注入单元用于向待测系统注入一定频率和大小的电压扰动信号，待测系统相应地将产生同频率的电流响应信号；所述信号处理单元用于采集待测系统的电压与电流信号并进行滤波、傅里叶分解等处理，同时发送和接收控制单元指令；所述阻抗计算单元基于电压扰动信号和电流响应信号来计算待测系统在各频率下的阻抗；所述控制单元用于宽频带电压扰动注入单元的控制。三级式宽频带阻抗测量装备可从交流系统直接取电，无需额外提供系统供电电源，既降低了成本又减小了装备体积，由于装备向系统注入的扰动电压采用开环调制方式，因此其谐波含量是一定的且不随扰动电压的频率和幅值变化；Buck模块和模块化多电平桥臂采用相同的SPWM调制方式，有效减小了滤波电感Lb的电流纹波；由于装备本身仅包含一个模块化多电平桥臂，因此不存在模块化多电平变换器桥臂间的环流问题；单相全桥逆变器中所有开关管的导通与关断过程均在扰动电压为0的阶段内完成，几乎没有开关损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明原理图；

图2是本发明装备系统结构图；

图3是本发明方法控制框图；

图4是本发明中间级与输出级的输出的电压波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种三级式宽频带阻抗测量装备，包括宽频带电压扰动注入单元、信号处理单元、阻抗计算单元和控制单元；所述宽频带电压扰动注入单元用于向待测系统注入特定频率和大小的电压扰动，并且在待测系统收到电压扰动后产生了响应信号；

所述信号处理单元用于采集待测系统的电压电流信号并进行滤波变换和傅里叶分解，同时发送和接收控制单元指令；需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，这样设计的好处是实现各单元之间的通信；

所述阻抗计算单元基于电压扰动和响应信号来计算待测系统在各频率下的阻抗，所述控制单元用于在接收到信号处理单元发送的电压电流信号后实现对系统的控制。

需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述宽频带电压扰动注入单元宽频带电压扰动注入单元由多个功率模块级联构成，分为输入级、中间级和输出级，其中，所述宽频带电压扰动注入单元的输入级经电压变比为35kV/380V的△-Y多绕组变压器并联接入三相电网；所述多绕组变压器的二次侧共有6个三相绕组，每个三相绕组均接一个AC-DC三相全桥整流模块，两个AC-DC三相全桥整流模块的输出侧串联，如图2所示，通过采用双闭环控制方式，向后级提供1600V稳定的直流电压；所述宽频带电压扰动注入单元的中间级Buck模块采用SPWM调制方式，如图2所示，通过设定输出扰动电压幅值Mp，以控制装备输出扰动电压的幅值；所述宽频带电压扰动注入单元的输出级采用载波移相SPWM调制控制模块化多电平桥臂中各半桥子模块，并经单相全桥逆变器输出设定频率为ωp的阶梯波电压，如图3所示，再经LC滤波后得到频率为ωp的正弦扰动电压，并经1:1耦合变压器串联注入到待测新能源发电设备的35kV侧线路中；所述模块化多电平桥臂包含N个半桥子模块，这里N取6。

一种三级式宽频带阻抗测量方法，方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对多绕组变压器的二次侧电压ua、ub、uc，AC-DC三相全桥模块的三相输入电流ia、ib、ic，AC-DC三相全桥模块的直流侧电压Udc_a1、Udc_a2、Udc_b1、Udc_b2、Udc_c1、Udc_c2，模块化多电平桥臂中各子模块电容电压Usm_a1、Usm_a2、…、Usm_aN，Usm_b1、Usm_b2、…、Usm_bN，Usm_c1、Usm_c2、…、Usm_cN，模块化多电平桥臂电流Ism_a、Ism_b、Ism_c，单相全桥逆变器输出的扰动电压uoa、uob、uoc，以及单相全桥逆变器的输出电流ioa、iob、ioc分别进行采样；

2)将多绕组变压器的二次侧电压ua、ub、uc经abc/dq变换后得到AC-DC三相全桥模块的三相输入电压d轴分量ud、q轴分量uq，AC-DC三相全桥模块的三相输入电流ia、ib、ic经abc/dq变换后得到AC-DC三相全桥模块的三相输入电流d轴分量id、q轴分量iq；

3)将电压参考值U_d*_{c_xy}与AC-DC三相全桥模块的直流侧电压Udc_xy作差，得到电压误差量ΔUdc_xy,其中，x＝a,b,c，y＝1,2；

4)将电压误差量ΔUdc_xy经PI控制后得到的d轴电流参考量i_d*，d轴电流参考量i_d*与AC-DC三相全桥模块的三相输入电流d轴分量id作差后，再经过PI控制器得到控制信号u1，然后将AC-DC三相全桥模块的三相输入电压d轴分量ud与控制信号u1作差后得到占空比的d轴分量dd；

5)将0与AC-DC三相全桥模块的三相输入电流q轴分量iq作差后，再经过PI控制器得到控制信号u2，然后将AC-DC三相全桥模块的三相输入电压q轴分量uq与控制信号u2作差后得到占空比的q轴分量dq；

6)将占空比的d轴分量dd、q轴分量dq经dq/abc变换后，所得信号经过PWM调制，得到AC-DC三相全桥模块开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断；

7)利用设定的单相全桥逆变器输出的扰动电压幅值Mp、频率ωp和电网相位

构造x相正弦调制波

8)将

经过符号函数模块sgn后，所得信号经过PWM调制，得到单相H桥逆变器开关管的控制占空比，控制开关管的开通与关断；

9)将

经过绝对值模块|abs|后，再与调制系数MR相乘，得到调制信号mb，然后经过SPWM调制，得到Buck模块开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断；

10)将模块化多电平桥臂中各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN经过求和模块sum后，再乘以比例系数1/N，得到子模块电容电压平均值Usm_ave，然后将子模块电容电压平均值Usm_ave与各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN分别作差，得到各子模块电容电压误差量ΔUsm_x1、ΔUsm_x2、…、ΔUsm_xN；

11)将子模块电容电压平均值Usm_ave与各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN分别作差，再分别经过PI控制器得到控制信号us_x1、us_x2、…、us_xN，然后将桥臂电流Ism_x经过符号函数模块sgn后，再分别与电压量us_x1、us_x2、…、us_xN相乘，得到控制信号uss_x1、uss_x2、…、uss_xN；

12)将调制信号mb乘以比例系数1/Mp后，再分别与控制信号uss_x1、uss_x2、…、uss_xN相加，得到各子模块调制信号ms_x1、ms_x2、…、ms_xN，然后和三角载波进行载波移相SPWM调制，得到各子模块中开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种三级式宽频带阻抗测量装备，其特征在于，包括宽频带电压扰动注入单元、信号处理单元、阻抗计算单元和控制单元；所述宽频带电压扰动注入单元用于向待测系统注入特定频率和大小的电压扰动，并且在待测系统受到电压扰动后产生了电流响应信号；

所述信号处理单元用于采集待测系统的电压电流信号并进行滤波变换和傅里叶分解，同时发送和接收控制单元指令；

所述阻抗计算单元基于电压扰动和响应信号来计算待测系统在各频率下的阻抗，所述控制单元用于在接收到信号处理单元发送的电压电流信号后实现对系统的控制。

2.根据权利要求1所述的一种三级式宽频带阻抗测量装备，其特征在于，所述宽频带电压扰动注入单元包括输入级、中间级、输出级，所述输入级采用多绕组变压器并联接入三相电网。

3.根据权利要求2所述的一种三级式宽频带阻抗测量装备，其特征在于，所述多绕组变压器二次侧共有6个三相绕组，每个三相绕组均接一个AC-DC三相全桥模块，两个AC-DC三相全桥模块的输出侧串联并向后级提供稳定的直流电压。

4.根据权利要求2所述的一种三级式宽频带阻抗测量装备，其特征在于，所述中间级采用Buck模块，控制装备输出扰动电压的幅值。

5.根据权利要求2所述的一种三级式宽频带阻抗测量装备，其特征在于，所述输出级采用载波移相SPWM调制控制模块化多电平桥臂中各半桥子模块开关管的导通与关断，并经单相全桥逆变器输出频率可变的阶梯波电压，再经LC滤波后由1:1耦合变压器串联注入到待测新能源发电设备的侧线路中。

6.一种三级式宽频带阻抗测量方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对多绕组变压器的二次侧电压ua、ub、uc，AC-DC三相全桥模块的三相输入电流ia、ib、ic，AC-DC三相全桥模块的直流侧电压Udc_a1、Udc_a2、Udc_b1、Udc_b2、Udc_c1、Udc_c2，模块化多电平桥臂中各子模块电容电压Usm_a1、Usm_a2、…、Usm_aN，Usm_b1、Usm_b2、…、Usm_bN，Usm_c1、Usm_c2、…、Usm_cN，模块化多电平桥臂电流Ism_a、Ism_b、Ism_c，单相全桥逆变器输出的扰动电压uoa、uob、uoc，以及单相全桥逆变器的输出电流ioa、iob、ioc分别进行采样；

2)将多绕组变压器的二次侧电压ua、ub、uc经abc/dq变换后得到AC-DC三相全桥模块的三相输入电压d轴分量ud、q轴分量uq，AC-DC三相全桥模块的三相输入电流ia、ib、ic经abc/dq变换后得到AC-DC三相全桥模块的三相输入电流d轴分量id、q轴分量iq；

3)将电压参考值

与AC-DC三相全桥模块的直流侧电压Udc_xy作差，得到电压误差量ΔUdc_xy,其中，x＝a,b,c，y＝1,2；

4)将电压误差量ΔUdc_xy经PI控制后得到的d轴电流参考量

d轴电流参考量

与AC-DC三相全桥模块的三相输入电流d轴分量id作差后，再经过PI控制器得到控制信号u1，然后将AC-DC三相全桥模块的三相输入电压d轴分量ud与控制信号u1作差后得到占空比的d轴分量dd；

5)将0与AC-DC三相全桥模块的三相输入电流q轴分量iq作差后，再经过PI控制器得到控制信号u2，然后将AC-DC三相全桥模块的三相输入电压q轴分量uq与控制信号u2作差后得到占空比的q轴分量dq；

6)将占空比的d轴分量dd、q轴分量dq经dq/abc变换后，所得信号经过PWM调制，得到AC-DC三相全桥模块开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断；

7)利用设定的单相全桥逆变器输出的扰动电压幅值Mp、频率ωp和电网相位

构造x相正弦调制波

8)将

经过符号函数模块sgn后，所得信号经过PWM调制，得到单相H桥逆变器开关管的控制占空比，控制开关管的开通与关断；

9)将

经过绝对值模块|abs|后，再与调制系数MR相乘，得到调制信号mb，然后经过SPWM调制，得到Buck模块开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断；

10)将模块化多电平桥臂中各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN经过求和模块sum后，再乘以比例系数1/N，得到子模块电容电压平均值Usm_ave，然后将子模块电容电压平均值Usm_ave与各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN分别作差，得到各子模块电容电压误差量ΔUsm_x1、ΔUsm_x2、…、ΔUsm_xN；

11)将子模块电容电压平均值Usm_ave与各子模块电容电压Usm_x1、Usm_x2、…、Usm_xN分别作差，再分别经过PI控制器得到控制信号us_x1、us_x2、…、us_xN，然后将桥臂电流Ism_x经过符号函数模块sgn后，再分别与电压量us_x1、us_x2、…、us_xN相乘，得到控制信号uss_x1、uss_x2、…、uss_xN；

12)将调制信号mb乘以比例系数1/Mp后，再分别与控制信号uss_x1、uss_x2、…、uss_xN相加，得到各子模块调制信号ms_x1、ms_x2、…、ms_xN，然后和三角载波进行载波移相SPWM调制，得到各子模块中开关管的占空比信号，控制开关管的开通与关断。

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