CN116735971B - 一种配电网多节点阻抗测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种配电网多节点阻抗测量装置及方法，该装置包括电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块。测量方法包括完成并网逆变过程，通过在控制环路输入谐波指令，实现谐波信号的注入，然后对电网电压和电流进行快速傅里叶分解和阻抗特性计算，进而实现配电网阻抗测量。该装置通过在一个节点注入谐波电流，可以实现多节点的电网阻抗测量，从而大大提高了装置的工作效率并降低了功能的实现成本。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种配电网多节点阻抗测量装置及方法。
背景技术
由于电力电子设备在电网中的大量应用，特别是新能源并网发电装置的接入，使得电网阻抗特性比以往更加复杂。在电力系统中，并网逆变器的性能及谐振抑制效果与电网阻抗特性密切相关，而电网阻抗特性会随时间和电网运行状态的变化而发生变化，因此，精确的电网阻抗测量是实现并网逆变器在弱电网场合下高性能自适应控制的关键技术。为了保证电力系统的稳定性，各种并网装置需要基于电网阻抗特性来调整控制参数，为此，电网阻抗的在线测量变得尤为重要。
现有的电网阻抗测量方法包括被动法和主动法两大类，因被动法计算量大且精度较低，实际电网阻抗测量更多的是采用主动法。主动法是向电网注入特征谐波，然后测量电网与变流器公共耦合点特征谐波电压和电流，进而分析电网阻抗的方法。
通常情况下，在电网中某一特定位置注入谐波扰动并分析该节点的阻抗特性，不同节点阻抗特性的分析需要采用多套测量装置或在不同节点之间多次移动一套测量装置来实现，其经济性、实用性和高效性较差。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供了一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种配电网多节点阻抗测量装置，该装置并联于电网与负荷之间，包括电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块；电压电流采集模块分别与负荷、电流跟踪控制模块和电网阻抗计算模块相连，电流跟踪控制模块分别与谐波信号注入模块、直流电压控制模块和驱动模块相连，驱动模块与电力电子变换模块相连，电力电子变换模块的输出端通过三相LCL无源滤波器与电网连接。
在上述配电网多节点阻抗测量装置中，电压电流采集模块包括多个电压传感器和多个电流传感器，多个电压传感器和多个电流传感器连接于电网不同的待测量节点上，用于采集待测量支路的电压电流参数并将结果传递至电网阻抗计算模块；
谐波信号注入模块包括FPGA控制器的DDS算法；用于根据谐波信号生成算法，产生特征谐波电流指令，控制电力电子变换模块向电网公共耦合点处注入特征谐波电流；
直流电压控制模块包括直流电压反馈控制环路，用于实时检测电力电子变换模块直流侧电压并将控制指令输出至控制环路，以稳定直流侧电压；
电流跟踪控制模块采用电压电流双闭环结构，控制器采用模糊PI参数自整定控制器，模糊PI参数自整定控制器包括模糊推理模块和PI调节器模块；接收来自谐波信号注入模块和直流电压控制模块的输出指令，完成目标电流的跟踪控制以及装置稳定并网运行；
驱动模块包括驱动电路，作为主电路与控制电路之间的接口电路，用于将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的驱动信号；
电力电子变换模块包括直流侧储能电容和电压型逆变器，电压型逆变器采用3个H桥逆变器级联组成，输出三电平电压；
电网阻抗计算模块包括FFT计算环节、正负序转换环节和正负序阻抗计算环节；用于对多个电压互感器和多个电流互感器采集得到的电压和电流分别进行信号处理和分解，分析计算得到电网不同节点的阻抗特性。
一种配电网多节点阻抗测量方法，该测量方法根据谐波信号生成算法产生特征谐波信号并在公共耦合点处将特征谐波信号注入电网，在电网中的多个阻抗特性待测量处对谐波信号进行采集、处理和分解；根据分解得到的特征谐波电压信号和电流信号，计算得到该节点的阻抗特性，从而实现电网中不同待测支路的阻抗特性的测量。
在上述配电网多节点阻抗测量方法中，具体测量步骤如下：
步骤1、测量装置完成电网电压相位锁定、直流侧储能单元充电以及电网侧与直流侧能量动态平衡交换过程并实现并网稳定运行，完成电流跟踪控制和直流电压控制；
步骤2、谐波信号注入模块通过FPGA控制器的DDS算法实现，根据谐波信号生成算法，产生特定波形和频率的谐波信号，通过将指令信号输出至电流跟踪控制模块，完成谐波信号向电网的注入过程；
步骤3、电流跟踪控制模块接收谐波信号注入模块的指令，生成电力电子变换模块的控制信号，完成指令电流的跟踪控制，控制电力电子变换模块向电网公共耦合点处注入特征谐波电流；
步骤4、驱动模块接收来自电流跟踪控制模块的控制信号，利用驱动电路完成信号转换，得到驱动电力电子变换器的驱动级驱动信号；
步骤5、电力电子变换模块根据驱动级驱动信号，按照特定序列完成开关管的开通和关断，向电网与测量装置的公共耦合点处注入特定波形和频率的特征谐波电流；
步骤6、电压电流采集模块分别对电网多个阻抗特性待测量处的电压和电流进行实时检测，采集得到电网不同待测支路的三相电压信号和三相电流信号；
步骤7、电网阻抗计算模块对电压电流采集模块采集得到的电压和电流信号进行选择，得到待测量支路的端口电压和电流信号，并完成信号的处理和分解，分析计算得到电网中该支路的阻抗特性。
在上述配电网多节点阻抗测量方法中，步骤4的具体实现包括：模糊推理模块通过计算电流误差及其变化率，利用模糊规则进行模糊推理，输出PI调节器的控制参数变化量；模糊PI参数自整定控制器输入误差E和误差变化率EC以及输出PI参数变化量均被划分为7个模糊子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，隶属度函数采用简单的三角形函数；
PI调节器对控制参数进行修正，在初始控制参数基础上叠加控制参数变化量，进而得到适合于当前工况的控制参数；
对模糊PI参数自整定控制器的输出进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的三相电压控制目标，完成对直流电压控制信号和谐波注入信号的叠加，输出至电压空间矢量脉冲宽度调制环节生成驱动信号。
在上述配电网多节点阻抗测量方法中，所述直流电压控制包括对直流电压进行闭环控制，将模糊PI调节器输出结果与三相电压相乘，并将结果叠加在三相电压控制目标上。
在上述配电网多节点阻抗测量方法中，步骤6的具体实现包括：电力电子变换模块的3H桥级联型三电平逆变器每相输出电压为+Udc、0和-Udc三种工作状态，分别定义为P、O和N；
3H桥级联型三电平逆变器的基本电压空间矢量包括：长矢量6种、中矢量6种、短矢量12种和零矢量3种；
三电平逆变器的SVPWM控制算法包括：坐标变换、扇区及区域判断、基本电压空间矢量作用时间计算以及基本电压空间矢量作用次序规划；
经过基本电压空间矢量脉冲宽度调制，得到随时间变化的3H桥级联型三电平逆变器12个开关管的开通关断序列。
在上述配电网多节点阻抗测量方法中，步骤7的具体实现包括：进行快速傅里叶变换FFT计算，正负序转换和正负序阻抗计算；
三相电压电流转正负序电压电流计算公式如下：
其中：Upos为正序电压，Uneg为负序电压，fk为采样频率，a为120°矢量算子，UPCCa为a相的交流侧电压，UPCCb为b相交流侧电压，UPCCc为c相交流侧电压，Ipos为正序电流，Ineg为负序电流，Iga为a相交流电流，Igb为b相交流电流，Igc为c相交流电流；
正负序电网阻抗的表达式：
其中，Zpos为正序阻抗，Zneg为负序阻抗，∠*表示相角；
控制解耦进行坐标变换所需的角度信息通过锁相环PLL计算得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
①电网阻抗主动测量方法利用变流器自身产生的扰动，并将扰动主动施加给电网，然后采集相应的响应，以提取所需的信息来计算电网阻抗；
②通过改进电压电流采集模块，避免了电网阻抗测量过程中采用多套测量装置或在不同节点之间多次移动一套测量装置，达到了一点谐波注入、多点阻抗测量的目的，大大提高了装置的经济型和效率；
③控制环路调节器采用模糊PI调节器，针对不同工况和扰动，能够在线优化环路控制参数，实现了控制参数的自适应，大大提高了系统的动态性能和抗扰动能力；
④电力电子变换模块的逆变装置采用3H桥拓扑结构，实现了三电平电压输出，减小了谐波含量并优化了输出电压的正弦度，此外，三相之间独立运行，提高了控制自由度，同时降低了装置损耗；
⑤基于逆变器调制度的概念，优化了直流电压控制方法，使直流电压控制过程得到简化，同时提高了直流电压的控制效果。
附图说明
图1是本发明实施例阻抗测量装置与电网连接示意图；
图2是本发明实施例阻抗测量装置原理图；
图3是本发明实施例电力系统接线图；
图4是本发明实施例电力系统等值电路；
图5是本发明实施例模糊PI调节器原理图；
图6是本发明实施例阻抗测量装置具体实施方案图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例提出了一种多节点电网阻抗测量方法，通过在电网中一个节点注入谐波电流，实现多个节点的电网阻抗测量，进而降低了成本并大大提高了电网阻抗测量的效率和实用性。本实施例一种基于电力电子变换器的配电网阻抗测量装置，包括：电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块共7个子模块。装置工作时，首先完成并网逆变过程，在此基础上，通过在控制环路输入谐波指令，实现谐波信号的注入，然后对电网电压和电流进行快速傅里叶分解和阻抗特性计算，进而达到配电网阻抗测量的目的。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种配电网多节点阻抗测量装置及方法，包括：电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块共7个子模块。
测量装置工作时，首先完成并网逆变过程，电网电压相位锁定、直流侧储能单元充电以及电网侧与直流侧能量动态平衡交换。在此基础上，通过在控制环路输入谐波指令，实现谐波信号的注入，然后对电网与变流器公共耦合点处特征谐波电压和电流进行快速傅里叶分解和阻抗特性分析和计算，进而达到配电网阻抗测量的目的。
阻抗测量装置与电网的连接如图1所示，测量装置的输出端并联接入电网的一个特定节点，同时，根据谐波注入算法，在该节点向电网注入特征谐波电流。特征谐波电流将向电网的不同方向传播并在各个支路间流动，因为不同支路阻抗特性不同，在不同支路端口上将产生与特征谐波电流和支路阻抗相对应的特征谐波电压。通过采集分析各个支路端口的特征谐波电压和电流，即可计算得到各个支路的阻抗特性。因此，通过在电网中一个节点注入特征谐波电流，可以实现电网中多节点的阻抗特性分析与测量，相比于传统的电网阻抗测量方法，在进行多节点阻抗特性分析时，避免了需要采用多套测量装置或在不同节点之间多次移动一套测量装置，从而大大提高了装置的工作效率并降低了功能的实现成本。
阻抗测量装置与电网的连接方式采用并联型拓扑结构，装置作为一个整体并联在电网与负荷之间。其中，电力电子变换模块输出端连接在电网中某一特定节点上，多个电压电流采集模块分别连接在不同的待测量节点上。
电网和阻抗测量装置分别可以产生电网电流和谐波注入电流，在电网与阻抗测量装置的公共耦合点处，电网电流和谐波注入电流完成汇集，形成负载电流，负载电流向后传播至各个支路。由于负载电流包括电网电流和谐波注入电流两部分，因此，除公共耦合点外的各个支路上也均可检测到谐波注入电流。
如图2所示，电网多节点阻抗测量装置主要由7大模块组成：电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块。
并且，电压电流采集模块由多个电压电流传感器组成，多个电压电流采集模块连接在电网中不同的待测量节点上，可以分别对不同节点的电压和电流进行实时检测，采集得到电网中不同支路的三相电压和电流；
并且，谐波信号注入模块是由谐波信号生成算法构建产生的，以谐波信号生成算法为依据，可以产生特定波形和频率的特征谐波电流指令。将该指令输入至控制环路后可以控制电力电子变换模块向电网公共耦合点处注入特征谐波电流；
并且，直流电压控制模块通过构建直流电压控制环路，实时检测电力电子变换模块直流侧电压并将控制指令输出至控制环路，最终达到保证直流侧电压稳定的效果；
并且，电流跟踪控制模块采用电压电流双闭环结构，同时能够接收来自谐波信号注入模块和直流电压控制模块的输出指令，能够完成目标电流的跟踪控制过程并保证装置稳定并网运行；
并且，驱动模块由驱动电路组成，作为主电路与控制电路之间的接口电路，可以将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的驱动信号；
并且，电力电子变换模块由直流侧储能电容和电压型逆变器两部分组成。其中，电压型逆变器采用3个H桥逆变器级联组成，可以输出三电平电压；
并且，电网阻抗计算模块可以对多个电压电流采集模块采集得到的电压和电流分别进行信号处理和分解，进而分析计算得到电网不同节点的阻抗特性。
电网多节点阻抗测量装置的测量工作过程包括：
(1)装置完成电网电压相位锁定、直流侧储能单元充电以及电网侧与直流侧能量动态平衡交换等过程并实现并网稳定运行，然后完成电流跟踪控制和直流电压控制等功能；
(2)谐波信号注入模块根据谐波信号生成算法，产生特定波形和频率的特征谐波电流指令并将该指令输入至控制环路；
(3)电流跟踪控制模块接收谐波信号注入模块的指令，生成电力电子变换模块的控制信号，完成指令电流的跟踪控制过程，最终控制电力电子变换模块向电网公共耦合点处注入特征谐波电流；
(4)驱动模块接收来自电流跟踪控制模块的控制信号，将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的驱动信号；
(5)电力电子变换模块根据驱动信号，按照特定序列完成开关管的开通和关断过程，向电网与装置的公共耦合点处注入特定波形和频率的特征谐波电流；
(6)多个电压电流采集模块分别对电网不同支路的电压和电流进行实时检测，采集得到电网不同支路的三相电压和电流信号；
(7)电网阻抗计算模块对多个电压电流采集模块采集得到的电压和电流信号进行选择，选择得到待测量支路的端口电压和电流信号，然后完成信号的处理和分解过程，进而分析计算得到电网中该支路的阻抗特性。
电网多节点阻抗测量装置相当于一个信号发生—接收—分析装置，具有一个信号发生端和多个信号接收端。它能够根据谐波信号生成算法产生特征谐波信号并在公共耦合点处将特征谐波信号注入电网，然后在电网中的多个阻抗特性待测量处对谐波信号进行采集、处理和分解。根据分解得到的特征谐波电压和电流信号，分析计算得到该节点的阻抗特性，从而实现电网中不同支路的阻抗特性测量。
通过改进电压电流采集模块，可以实现电网中不同支路多节点电压电流信号的采集和选择。当需要测量电网中多条支路的阻抗特性时，避免了采用多套测量装置或在不同节点之间多次移动一套测量装置，不同支路阻抗特性的获取可仅通过切换不同电压电流传感器得以实现。实现了了一点谐波注入、多点阻抗测量的目的，大大提高了装置的经济性和测量效率。
实施例
一种配电网多节点阻抗测量装置的具体测量方法如图6所示，一种配电网多节点阻抗测量装置包括：电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块共7个子模块。
装置工作时，首先完成并网逆变过程，具体包括：电网电压相位锁定、直流侧储能单元充电以及电网侧与直流侧能量动态平衡交换的过程。在此基础上，通过在控制环路输入谐波指令，实现谐波信号的注入，然后对电网与变流器公共耦合点处特征谐波电压和电流进行快速傅里叶分解和阻抗特性分析和计算，进而达到配电网阻抗测量的目的。
如图3所示为电力系统接线图，根据该电力系统接线图可以得到电力系统等值电路图4所示，等值电路中各节点电压与节点注入电流之间存在关系：
配电网多节点阻抗测量装置及方法的特点是：装置包括一个电力电子变换模块和多个电压电流传感器。装置工作时，装置的输出端并联接入电网的一个特定节点，同时，根据谐波注入算法，在该节点向电网注入特征谐波电流。根据等值电路中各节点电压与节点注入电流之间存在的关系，特征谐波电流将向电网的不同方向传播并在各个支路间流动，同时，因为不同支路阻抗特性不同，在不同支路端口上将产生与特征谐波电流和支路阻抗相对应的特征谐波电压。同理，通过采集分析各个支路端口的特征谐波电压和电流，即可计算得到各个支路的阻抗特性。综上所述，通过在电网中一个节点注入特征谐波电流，可以实现电网中多节点的阻抗特性分析与测量。相比于传统的电网阻抗测量方法，在进行多节点阻抗特性分析时，避免了需要采用多套测量装置或在不同节点之间多次移动一套测量装置，从而大大提高了装置的工作效率并降低了功能的实现成本。
阻抗测量装置与电网的连接方式采用并联型拓扑结构，装置作为一个整体并联在电网与负荷之间。其中，电力电子变换模块输出端连接在电网中某一特定节点上，多个电压电流传感器分别连接在不同的待测量节点上。
电网和阻抗测量装置分别产生电网电流和谐波注入电流，在电网与阻抗测量装置的公共耦合点处，电网电流和谐波注入电流完成汇集，形成负载电流，负载电流向后传播至各个支路。由于负载电流包括电网电流和谐波注入电流两部分，因此，除公共耦合点外的各个支路上也均可检测到谐波注入电流。
基于FPGA在芯片容量、组合逻辑、工作速度、设计灵活上远优于单片机的事实，阻抗测量装置的控制过程选用FPGA芯片来完成。
配电网多节点阻抗测量装置包括7个主要子模块，其中：
电压电流采集模块由多个电压电流传感器组成，多个电压电流传感器连接在电网中不同的待测量节点上，可以分别对不同节点的电压和电流进行实时检测，采集得到电网中不同支路的三相电压和电流；
谐波信号注入模块由FPGA控制器的DDS算法实现，根据谐波信号生成算法，可以生成特定波形和频率的谐波信号，通过将指令信号输出至电流跟踪控制模块，可以完成谐波信号向电网中的注入过程；
已有电网阻抗测量方法更多的是通过向电网中注入特征谐波，并测量电网两端的该特征谐波的电压和电流来分析电网阻抗。注入特征谐波的方法包括单次谐波注入和若干次谐波注入等。但是电网阻抗往往并非一阶系统甚至非线性，因此采用多个频率的谐波注入法可以更准确的获得电网阻抗和频率的关系。
本实施例一种注入谐波信号频率可变的电网阻抗测量方法，在逆变器SVPWM调制中，采用扫频法改变谐波信号频率，获得谐波从低频到高频的宽频谐波频谱，用该频率变化的谐波信号作为调制波的一部分，与逆变器控制器产生的载波信号进行调制，然后用产生的脉冲信号来控制逆变器开关管的开通和关断，由此控制的逆变器输出端也包含了多种频率的谐波信号。
电流跟踪控制模块接收谐波信号注入模块的谐波信号指令并作为电流跟踪控制的目标，用于控制电力电子变换模块向电网注入特定波形和频率的谐波电流；
众所周知，开环控制由于缺少对控制结果的观察和反馈，具有控制精度低等缺点，为了提高控制精度和响应速度等，在电流跟踪控制模块中采用了电压电流双闭环控制，此外还包括对电力电子变换模块直流侧电压的控制。
为了提高系统抗干扰能力，在常规控制系统中引入了PI调节器，但由于常系数PI调节本质上是一种线性控制，当用于控制非线性的复杂电力系统时，并不能取得很好的效果。
本实施例采用模糊控制算法与PI调节器相结合的模糊PI参数自整定控制器，通过模糊控制算法在线优化调节PI调节器的控制参数，使控制系统能够更好地抵抗扰动并服从给定。
模糊PI参数自整定控制器包括模糊推理模块和PI调节器两个模块；
模糊推理模块通过计算电流误差及其变化率，利用模糊规则进行模糊推理，输出PI调节器的控制参数变化量，其原理如图5所示。
模糊PI参数自整定控制器输入误差E和误差变化率EC以及输出PI参数变化量均被划分为7个模糊子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，隶属度函数采用简单的三角形函数；
PI调节器对控制参数进行修正，具体过程是在初始控制参数基础上叠加控制参数变化量，进而得到适合于当前工况的控制参数。
对模糊PI参数自整定控制器的输出进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的三相电压控制目标，在此基础上，完成对直流电压控制信号和谐波注入信号的叠加，输出至电压空间矢量脉冲宽度调制环节完成驱动信号的生成；
在直流电压控制模块的设计过程中，基于逆变器调制度的概念，优化了直流电压控制方法，通过对直流电压进行闭环控制，将模糊PI调节器输出结果与三相相电压相乘，并将结果叠加在上一步得到的三相电压控制目标上。通过进行上述过程，变相改变了电力电子变换模块中逆变过程的调制度，从而使直流电压控制过程得到了简化，同时提高了直流电压的控制效果。
与直流电压控制模块和坐标变换模块输出结果进行叠加的还包括谐波信号注入指令。
电力电子变换模块由直流侧储能电容和电压型逆变器两部分组成，其中，电压型逆变器采用3个H桥逆变器级联组成，可以输出三电平电压。
3H桥级联型三电平逆变器每相的输出电压有+Udc、0和-Udc三种工作状态，分别定义为P、O和N；
由于3H桥级联型三电平逆变器有3个H桥，每个H桥有3种工作状态，所以基本电压空间矢量共有27种，在27种基本电压空间矢量中，又包括：长矢量6种、中矢量6种、短矢量12种和零矢量3种。
在逆变器调制策略中，与正弦波脉冲宽度调制SPWM相比，电压空间矢量脉冲宽度调制SVPWM的电压利用率提高了15％，可以获得优越的调制效果。本实施例的逆变器调制策略选择了SVPWM方式。
三电平逆变器的SVPWM控制算法主要包括：坐标变换、扇区及区域判断、基本电压空间矢量作用时间计算以及基本电压空间矢量作用次序规划共4个步骤。
经过电压空间矢量脉冲宽度调制过程，可以得到随时间变化的3H桥级联型三电平逆变器12个开关管的开通关断序列；
此时开关管的开通关断序列是信号级的，能量不足以有效控制开关管的开通和关断。
驱动模块由驱动电路组成，作为主电路与控制电路之间的接口电路，将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的驱动信号；驱动模块接收电流跟踪控制模块输出的信号级电力电子变换器驱动信号，利用驱动电路完成信号转换，得到可以驱动电力电子变换器的驱动级驱动信号。
电网阻抗计算模块能够接收来自电压电流采集模块的输出信号，完成对电压电流信号的选择、处理和分解过程，并最终分析计算得到特定支路的阻抗特性。
电网阻抗计算模块的实现过程共包括3个环节，分别是：快速傅里叶变换环节FFT计算，正负序转换环节和正负序阻抗计算环节。
快速傅里叶变换FFT是离散傅里叶变换DFT的快速算法，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，是计算机计算离散傅里叶变换DFT的高效、快速计算方法的统称，具有计算速度快等优点。
为了提高电网阻抗测量的速度，同时减小不同支路阻抗测量切换过程中存在的延迟，在电网阻抗计算模块中，本实施例选用了FFT算法。
本实施例中，获取并分解脉冲注入期间测量点三相电压及电流响应后，需要将三相电压电流转换成正负序电压电流，从而计算正负序电网阻抗。
三相电压电流转正负序电压电流计算公式如下：
其中：Upos为正序电压，Uneg为负序电压，fk为采样频率，a为120°矢量算子，UPCCa为a相的交流侧电压，UPCCb为b相交流侧电压，UPCCc为c相交流侧电压，Ipos为正序电流，Ineg为负序电流，Iga为a相交流电流，Igb为b相交流电流，Igc为c相交流电流。
正负序电网阻抗的表达式：
其中，Zpos为正序阻抗，Zneg为负序阻抗，∠*表示相角。
为了实现控制的解耦，整个控制系统是在两相同步旋转坐标系下进行的，因此需要完成坐标变换，坐标变换的模块和类型如图6所示。
坐标变换所需的角度信息由锁相环PLL计算得到。
在电力电子变换模块的输出端与电网之间，连接有三相LCL无源滤波器，用于对无用谐波信号进行滤除。
综上所述，本实施例电网多节点阻抗测量装置相当于一个信号发生—接收—分析装置，具有一个信号发生端和多个信号接收端。它能够根据谐波信号生成算法产生特征谐波信号并在公共耦合点处将特征谐波信号注入电网，然后在电网中的多个阻抗特性待测量处对谐波信号进行采集、处理和分解。根据分解得到的特征谐波电压和电流信号，分析计算得到该节点的阻抗特性，从而实现电网中不同支路的阻抗特性测量。
通过改进电压电流采集模块，可以实现电网中不同支路多节点电压电流信号的采集和选择。当需要测量电网中多条支路的阻抗特性时，避免了采用多套测量装置或在不同节点之间多次移动一套测量装置，不同支路阻抗特性的获取可仅通过切换不同电压电流采集模块得以实现。完全达到了一点谐波注入、多点阻抗测量的目的，大大提高了装置的经济型和效率。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种配电网多节点阻抗测量装置，该装置并联于电网与负荷之间，其特征在于，包括电压电流采集模块、谐波信号注入模块、直流电压控制模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、电力电子变换模块和电网阻抗计算模块；电压电流采集模块分别与负荷、电流跟踪控制模块和电网阻抗计算模块相连，电流跟踪控制模块分别与谐波信号注入模块、直流电压控制模块和驱动模块相连，驱动模块与电力电子变换模块相连，电力电子变换模块的输出端通过三相LCL无源滤波器与电网连接；
电压电流采集模块包括多个电压传感器和多个电流传感器，多个电压传感器和多个电流传感器连接于电网不同的待测量节点上，用于采集待测量支路的电压电流参数并将结果传递至电网阻抗计算模块；
谐波信号注入模块包括FPGA控制器的DDS算法；用于根据谐波信号生成算法，产生特征谐波电流指令，控制电力电子变换模块向电网公共耦合点处注入特征谐波电流；
直流电压控制模块包括直流电压反馈控制环路，用于实时检测电力电子变换模块直流侧电压并将控制指令输出至控制环路，以稳定直流侧电压；
电流跟踪控制模块采用电压电流双闭环结构，控制器采用模糊PI参数自整定控制器，模糊PI参数自整定控制器包括模糊推理模块和PI调节器模块；接收来自谐波信号注入模块和直流电压控制模块的输出指令，完成目标电流的跟踪控制以及装置稳定并网运行；
驱动模块包括驱动电路，作为主电路与控制电路之间的接口电路，用于将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的驱动信号；
电力电子变换模块包括直流侧储能电容和电压型逆变器，电压型逆变器采用3个H桥逆变器级联组成，输出三电平电压；
电网阻抗计算模块包括FFT计算环节、正负序转换环节和正负序阻抗计算环节；用于对多个电压互感器和多个电流互感器采集得到的电压和电流分别进行信号处理和分解，分析计算得到电网不同节点的阻抗特性。
2.根据权利要求1所述配电网多节点阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，该测量方法根据谐波信号生成算法产生特征谐波信号并在公共耦合点处将特征谐波信号注入电网，在电网中的多个阻抗特性待测量处对谐波信号进行采集、处理和分解；根据分解得到的特征谐波电压信号和电流信号，计算得到该节点的阻抗特性，从而实现电网中不同待测支路的阻抗特性的测量；具体测量步骤如下：
步骤1、测量装置完成电网电压相位锁定、直流侧储能单元充电以及电网侧与直流侧能量动态平衡交换过程并实现并网稳定运行，完成电流跟踪控制和直流电压控制；
步骤2、谐波信号注入模块通过FPGA控制器的DDS算法实现，根据谐波信号生成算法，产生特定波形和频率的谐波信号，通过将指令信号输出至电流跟踪控制模块，完成谐波信号向电网的注入过程；
步骤3、电流跟踪控制模块接收谐波信号注入模块的指令，生成电力电子变换模块的控制信号，完成指令电流的跟踪控制，控制电力电子变换模块向电网公共耦合点处注入特征谐波电流；
步骤4、驱动模块接收来自电流跟踪控制模块的控制信号，利用驱动电路完成信号转换，得到驱动电力电子变换器的驱动级驱动信号；
步骤5、电力电子变换模块根据驱动级驱动信号，按照特定序列完成开关管的开通和关断，向电网与测量装置的公共耦合点处注入特定波形和频率的特征谐波电流；
步骤6、电压电流采集模块分别对电网多个阻抗特性待测量处的电压和电流进行实时检测，采集得到电网不同待测支路的三相电压信号和三相电流信号；
步骤7、电网阻抗计算模块对电压电流采集模块采集得到的电压和电流信号进行选择，得到待测量支路的端口电压和电流信号，并完成信号的处理和分解，分析计算得到电网中该支路的阻抗特性。
3.根据权利要求2所述配电网多节点阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，步骤4的具体实现包括：模糊推理模块通过计算电流误差及其变化率，利用模糊规则进行模糊推理，输出PI调节器的控制参数变化量；模糊PI参数自整定控制器输入误差E和误差变化率EC以及输出PI参数变化量均被划分为7个模糊子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，隶属度函数采用简单的三角形函数；
PI调节器对控制参数进行修正，在初始控制参数基础上叠加控制参数变化量，进而得到适合于当前工况的控制参数；
对模糊PI参数自整定控制器的输出进行坐标变换，得到三相静止坐标系下的三相电压控制目标，完成对直流电压控制信号和谐波注入信号的叠加，输出至电压空间矢量脉冲宽度调制环节生成驱动信号。
4.根据权利要求3所述配电网多节点阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，所述直流电压控制包括对直流电压进行闭环控制，将模糊PI调节器输出结果与三相电压相乘，并将结果叠加在三相电压控制目标上。
5.根据权利要求2所述配电网多节点阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，步骤6的具体实现包括：电力电子变换模块的3H桥级联型三电平逆变器每相输出电压为+Udc、0和-Udc三种工作状态，分别定义为P、O和N；
3H桥级联型三电平逆变器的基本电压空间矢量包括：长矢量6种、中矢量6种、短矢量12种和零矢量3种；
三电平逆变器的SVPWM控制算法包括：坐标变换、扇区及区域判断、基本电压空间矢量作用时间计算以及基本电压空间矢量作用次序规划；
经过基本电压空间矢量脉冲宽度调制，得到随时间变化的3H桥级联型三电平逆变器12个开关管的开通关断序列。
6.根据权利要求2所述配电网多节点阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，步骤7的具体实现包括：进行快速傅里叶变换FFT计算，正负序转换和正负序阻抗计算；
三相电压电流转正负序电压电流计算公式如下：
其中：Upos为正序电压，Uneg为负序电压，fk为采样频率，a为120°矢量算子，UPCCa为a相的交流侧电压，UPCCb为b相交流侧电压，UPCCc为c相交流侧电压，Ipos为正序电流，Ineg为负序电流，Iga为a相交流电流，Igb为b相交流电流，Igc为c相交流电流；
正负序电网阻抗的表达式：
其中，Zpos为正序阻抗，Zneg为负序阻抗，∠*表示相角；
控制解耦进行坐标变换所需的角度信息通过锁相环PLL计算得到。
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