CN109030950A - 一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法，包括：获取若干个扫描频率；搭建包含电力电子设备的被测***，并对被测***注入至少一个的扫描频率下的谐波电压；当被测***处于稳定运行状态时，将在每一谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；读取每一数据文件，获取每一扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；根据谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。本发明实施例还提供一种用于电力电子设备的阻抗扫描***。采用本发明实施例，能够适用于电力电子设备、充分反应控制***的影响、测试结果准且大幅降低阻抗扫描工作量。
Description
技术领域
本发明涉及电力***领域，尤其涉及一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法和***。
背景技术
根据阻抗稳定性分析理论，设备的阻抗特性可用于判断复杂网络的稳定性。如何获得各设备的阻抗特性是分析应用该稳定性分析理论的重要环节。电力电子设备通常采用高频控制，高频控制***能够采样电压、电流，并操作被控对象作出响应，从而改变受控对象外特性，使受控对象阻抗特性不由硬件设备参数决定。目前阻抗获得的方法包括：
(1)理论分析法，国内外大量学者开展了相关研究，优势是具有可以直观地反应影响阻抗的关键因素，具有指导意义，但是对控制复杂、或控制策略未知的设备，难以开展理论分析；
(2)直接阻抗扫描法：NimSCAN和PSCAD等专业软件可直接用于分析交流电网的阻抗特性，但其扫描的结果无法反应控制特性的影响，仅反应出无源电感、电容、发电机、线路等元件特性，不适用于电力电子设备的阻抗扫描；
(3)扰动注入测试法：向被测***中注入小扰动，分析由扰动引起的***响应，通过分析***响应与注入扰动的比值，获得***响应。其中，扰动注入源可以是脉冲注入、脉冲方波序列注入或正弦小扰动注入。但是，脉冲注入是一次注入分析出全频带响应，因控制***未处于稳态，分析的结果不能反映控制***的影响，适用于无源***的阻抗扫描，不适用于电力电子设备的阻抗扫描；脉冲方波序列注入是一次注入可以分析多个频率，但实现方式较复杂，且各频段注入的谐波幅值大小不一，易导致部分频段测试结果不准；正弦小扰动注入是一次注入一个或少量谐波，注入谐波大小可精确设置，但是为完成全频段阻抗扫描，注入谐波的次数较多，用于实际***的测试时对***的扰动时间较长。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法和***，能够适用于电力电子设备、充分反应控制***的影响、测试结果准且大幅降低阻抗扫描工作量。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法，包括：
获取若干个扫描频率；其中，所述扫描频率不包括50的整数倍的频率；
搭建包含所述电力电子设备的被测***，并对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；
当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；
读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；
根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
与现有技术相比，本发明公开的用于电力电子设备的阻抗扫描方法，首先通过获取若干个扫描频率，搭建包含所述电力电子设备的被测***，并对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；然后当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；最后获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位，并根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。解决了现有技术中理论分析法难以开展理论分析、直接阻抗扫描法不适用于电力电子设备的阻抗扫描和扰动注入测试法分析的结果不能反映控制***的影响且实现方式较复杂的问题。能够适用于电力电子设备、充分反应控制***的影响、测试结果准且大幅降低阻抗扫描工作量。
作为上述方案的改进，所述当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件，包括：
当所述被测***处于稳定运行状态时，在预设的数据时间长度内将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；其中，所述数据时间长度为时间段。
作为上述方案的改进，所述数据时间长度满足所述扫描频率信号的分析。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种用于电力电子设备的阻抗扫描***，包括：
扫描频率获取单元，用于获取若干个扫描频率；其中，所述扫描频率不包括50的整数倍的频率；
被测***搭建单元，用于搭建包含所述电力电子设备的被测***；
谐波电压注入单元，用于对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；
数据输出单元，用于当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；
数据获取单元，用于读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；
阻抗计算单元，根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
与现有技术相比，本发明公开的用于电力电子设备的阻抗扫描***，首先通过扫描频率获取单元获取若干个扫描频率，被测***搭建单元搭建包含所述电力电子设备的被测***，谐波电压注入单元对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；然后当所述被测***处于稳定运行状态时，数据输出单元将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；最后数据获取单元获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位，阻抗计算单元根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。解决了现有技术中理论分析法难以开展理论分析、直接阻抗扫描法不适用于电力电子设备的阻抗扫描和扰动注入测试法分析的结果不能反映控制***的影响且实现方式较复杂的问题。能够适用于电力电子设备、充分反应控制***的影响、测试结果准且大幅降低阻抗扫描工作量。
作为上述方案的改进，所述数据输出单元用于当所述被测***处于稳定运行状态时，在预设的数据时间长度内将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；其中，所述数据时间长度为时间段。
作为上述方案的改进，所述数据时间长度满足所述扫描频率信号的分析。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法中端口电压和端口电流的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描***的结构框图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
值得说明的是，本发明实施例所述的电力电子设备可以是并网逆变器或柔性直流输电***等设备。本发明实施例能够在离线状态下进行仿真实验，离线仿真是相对于在线实时仿真，在线是指计算需要的时间等于仿真的时间长度，需要依赖专用的硬件仿真装置，如RTDS、RTLAB。离线仿真可以在一般计算机中预算，仿真所需要的时间通常大于仿真时间长度。
实施例一
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法的流程图；包括：
S1、获取若干个扫描频率；其中，所述扫描频率不包括50的整数倍的频率；
S2、搭建包含所述电力电子设备的被测***，并对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；
S3、当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；
S4、读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；
S5、根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
具体的，在步骤S1中，获取若干个所述扫描频率，所述扫描频率不宜为所述电力电子设备的特征频率(50Hz)，根据关注问题的不同，选取的扫描频率不同，在电力***应用下，可能的一种选取方式是选取方法是：以10Hz为间隔，从10Hz至2500Hz，但宜排除50Hz的整数倍的频率，如所述扫描频率可以是10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、110Hz、…、2490Hz。对于关注频段更窄的，可以将扫描频率选取的更密，都在本发明的保护范围内。这里排除50Hz的原因电力电子设备通常会产生一定量的50Hz整数倍的谐波，从而会导致这些频率点的谐波并不是由注入源激励产生的，会导致计算结果偏离实际值。
具体的，在步骤S2中，搭建包含所述电力电子设备的被测***，所述被测***为模拟真实电力电子设备的模拟***；优选的，所述被测***可以是单相***或三相***，三相***时需区分正序谐波和负序谐波，可以在PSCAD/EMTDC(电力仿真软件)中搭建所述被测***。在搭建完所述被测***后，将所述被测***接入测试电源(电压源串所述扫描频率的谐波电压源)，优选的，谐波电压源幅值选取为基波值的0.1％～10％,所述被测***的阻抗越大，谐波幅值宜更大，反之亦然。为降低仿真工作量，可一次同时仿真多个谐波源，但需保证各个谐波源不会彼此干扰。具体的，可以利用PSCAD/EMTDC的multirun功能，用PSCAD自带的X-Y Table模块，每次注入一个或一组所述扫描频率下的谐波电压，即此时每注入一个所述扫描频率时，在当前扫描频率下注入一系列的谐波电压。
具体的，在步骤S3中，当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件。优选的，可以用PSCAD/EMTDC中的Comtrade Recorder将每次仿真运行结果中的端口电压、端口电流输出存储为数据文件；或利用PSCAD/EMTDC的输出Save channels to disk功能将每次仿真运行结果中的端口电压、端口电流输出存储为数据文件，所述数据文件可以是.out格式文件。
进一步的，当所述被测***处于稳定运行状态时，在预设的数据时间长度内将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；其中，所述数据时间长度为时间段，所述数据时间长度需要满足所述扫描频率信号的分析。比如，所述数据时间长度与所述扫描频率之间的间隔(20Hz-10Hz＝10Hz)的乘积大于或等于1，例如所述数据时间长度可以是0.1s，0.1s的数据时间长度可以用以分析所述扫描频率之间的间隔为10Hz的谐波；例如所述数据时间长度可以是0.2s，0.2s的数据时间长度可以分析所述扫描频率之间的间隔为5Hz的谐波；例如所述数据时间长度可以是1s，1s的数据时间长度可以分析所述扫描频率之间的间隔为1Hz的谐波。
具体的，参见图2，图2是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法中端口电压和端口电流的示意图；图中V为所述端口电压，I为所述端口电流；V0为基波电压，f0为基波频率，其值设置应保证所述被测***处于稳态工作点；f1～fn为注入的所述扫描频率(谐波频率)；V1～Vn为注入的所述谐波电压，每次注入一个或少量的谐波。
具体的，在步骤S4中，读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位。优选的，可以在MATLAB中编写程序，利用power_fftscope函数逐个读取EMTDC仿真生成的所述数据文件。
具体的，在步骤S5中，根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。优选的，取所述谐波电压幅值和所述谐波电流幅值的比值为所述阻抗幅值，取所述谐波电压相位和所述谐波电流相位的差值为所述阻抗相位。将MATLAB中的结果汇总存储，形成被测***某个频段的阻抗扫描结果。
具体实施时，首先通过获取若干个扫描频率，搭建包含所述电力电子设备的被测***，并对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；然后当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；最后获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位，并根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
与现有技术相比，本发明公开的用于电力电子设备的阻抗扫描方法，解决了现有技术中理论分析法难以开展理论分析、直接阻抗扫描法不适用于电力电子设备的阻抗扫描和扰动注入测试法分析的结果不能反映控制***的影响且实现方式较复杂的问题。能够适用于电力电子设备、充分反应控制***的影响、测试结果准且大幅降低阻抗扫描工作量。
实施例二
参见图3，图3是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描***的结构框图；包括：
扫描频率获取单元11，用于获取若干个扫描频率；其中，所述扫描频率不包括50的整数倍的频率；
被测***搭建单元12，用于搭建包含所述电力电子设备的被测***；
谐波电压注入单元13，用于对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；
数据输出单元14，用于当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；
数据获取单元15，用于读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；
阻抗计算单元16，根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
具体的，所述扫描频率获取单元11获取若干个所述扫描频率，所述扫描频率不宜为所述电力电子设备的特征频率(50Hz)，根据关注问题的不同，选取的扫描频率不同，在电力***应用下，可能的一种选取方式是选取方法是：以10Hz为间隔，从10Hz至2500Hz，但宜排除50Hz的整数倍的频率，如所述扫描频率可以是10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、110Hz、…、2490Hz。对于关注频段更窄的，可以将扫描频率选取的更密，都在本发明的保护范围内。这里排除50Hz的原因电力电子设备通常会产生一定量的50Hz整数倍的谐波，从而会导致这些频率点的谐波并不是由注入源激励产生的，会导致计算结果偏离实际值。
具体的，所述被测***搭建单元12搭建包含所述电力电子设备的被测***，所述被测***为模拟真实电力电子设备的模拟***；优选的，所述被测***可以是单相***或三相***，三相***时需区分正序谐波和负序谐波，所述被测***搭建单元12可以是PSCAD/EMTDC(电力仿真软件)。在搭建完所述被测***后，所述谐波电压注入单元13将所述被测***接入测试电源(电压源串所述扫描频率的谐波电压源)，优选的，谐波电压源幅值选取为基波值的0.1％～10％,所述被测***的阻抗越大，谐波幅值宜更大，反之亦然。为降低仿真工作量，可一次同时仿真多个谐波源，但需保证各个谐波源不会彼此干扰。具体的，可以利用PSCAD/EMTDC的multirun功能，用PSCAD自带的X-Y Table模块，每次注入一个或一组所述扫描频率下的谐波电压，即此时每注入一个所述扫描频率时，在当前扫描频率下注入一系列的谐波电压。
具体的，当所述被测***处于稳定运行状态时，所述数据输出单元14将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件。优选的，可以用PSCAD/EMTDC中的Comtrade Recorder将每次仿真运行结果中的端口电压、端口电流输出存储为数据文件；或利用PSCAD/EMTDC的输出Save channels to disk功能将每次仿真运行结果中的端口电压、端口电流输出存储为数据文件，所述数据文件可以是.out格式文件。
进一步的，当所述被测***处于稳定运行状态时，所述数据输出单元14在预设的数据时间长度内将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；其中，所述数据时间长度为时间段，所述数据时间长度需要满足所述扫描频率信号的分析。比如，所述数据时间长度与所述扫描频率之间的间隔(20Hz-10Hz＝10Hz)的乘积大于或等于1，例如所述数据时间长度可以是0.1s，0.1s的数据时间长度可以用以分析所述扫描频率之间的间隔为10Hz的谐波；例如所述数据时间长度可以是0.2s，0.2s的数据时间长度可以分析所述扫描频率之间的间隔为5Hz的谐波；例如所述数据时间长度可以是1s，1s的数据时间长度可以分析所述扫描频率之间的间隔为1Hz的谐波。
具体的，参见图2，图2是本发明实施例提供的一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法中端口电压和端口电流的示意图；图中V为所述端口电压，I为所述端口电流；V0为基波电压，f0为基波频率，其值设置应保证所述被测***处于稳态工作点；f1～fn为注入的所述扫描频率(谐波频率)；V1～Vn为注入的所述谐波电压，每次注入一个或少量的谐波。
具体的，所述数据获取单元15读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位。优选的，可以在MATLAB中编写程序，利用power_fftscope函数逐个读取EMTDC仿真生成的所述数据文件。
具体的，所述阻抗计算单元16根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。优选的，所述阻抗计算单元16取所述谐波电压幅值和所述谐波电流幅值的比值为所述阻抗幅值，所述阻抗计算单元16取所述谐波电压相位和所述谐波电流相位的差值为所述阻抗相位。将MATLAB中的结果汇总存储，形成所述被测***某个频段的阻抗扫描结果。
具体实施时，首先通过扫描频率获取单元11获取若干个扫描频率，被测***搭建单元12搭建包含所述电力电子设备的被测***，谐波电压注入单元13对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；然后当所述被测***处于稳定运行状态时，数据输出单元14将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；最后数据获取单元15获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位，阻抗计算单元16根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
与现有技术相比，本发明公开的用于电力电子设备的阻抗扫描***，解决了现有技术中理论分析法难以开展理论分析、直接阻抗扫描法不适用于电力电子设备的阻抗扫描和扰动注入测试法分析的结果不能反映控制***的影响且实现方式较复杂的问题。能够适用于电力电子设备、充分反应控制***的影响、测试结果准且大幅降低阻抗扫描工作量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于电力电子设备的阻抗扫描方法，其特征在于，包括：
获取若干个扫描频率；其中，所述扫描频率不包括50的整数倍的频率；
搭建包含所述电力电子设备的被测***，并对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；
当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；
读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；
根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
2.如权利要求1所述的用于电力电子设备的阻抗扫描方法，其特征在于，所述当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件，包括：
当所述被测***处于稳定运行状态时，在预设的数据时间长度内将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；其中，所述数据时间长度为时间段。
3.如权利要求2所述的用于电力电子设备的阻抗扫描方法，其特征在于，所述数据时间长度满足所述扫描频率信号的分析。
4.一种用于电力电子设备的阻抗扫描***，其特征在于，包括：
扫描频率获取单元，用于获取若干个扫描频率；其中，所述扫描频率不包括50的整数倍的频率；
被测***搭建单元，用于搭建包含所述电力电子设备的被测***；
谐波电压注入单元，用于对所述被测***注入至少一个的所述扫描频率下的谐波电压；
数据输出单元，用于当所述被测***处于稳定运行状态时，将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；
数据获取单元，用于读取每一所述数据文件，获取每一所述扫描频率下的谐波电压幅值、谐波电压相位、谐波电流幅值和谐波电流相位；
阻抗计算单元，根据所述谐波电压幅值、所述谐波电压相位、所述谐波电流幅值和所述谐波电流相位计算阻抗幅值和阻抗相位。
5.如权利要求4所述的用于电力电子设备的阻抗扫描***，其特征在于，所述数据输出单元用于当所述被测***处于稳定运行状态时，在预设的数据时间长度内将在每一所述谐波电压下的运行结果中的端口电压和端口电流输出并存储为对应的数据文件；其中，所述数据时间长度为时间段。
6.如权利要求5所述的用于电力电子设备的阻抗扫描***，其特征在于，所述数据时间长度满足所述扫描频率信号的分析。
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