CN109459615A - 基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置及控制方法，该装置包括电压扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元、控制单元，其中电压扰动注入单元由多个功率模块单元级联构成，三相每相级联n个子功率模块单元，各单元通过变比为k：1的变压器从电网取电，各相经LC滤波后串联接入待测***，提供电压扰动源。每个子功率模块单元由前级单相全桥整流器、后级单相全桥逆变器构成。前级单相全桥整流器采用电压外环PI电流P双闭环控制，为后级单相全桥逆变器提供稳定的直流电压；级联型后级单相全桥逆变器采用开环控制，通过载波移相SPWM多电平调制控制每相后级单相全桥逆变器的功率器件导通与关断。所使用的控制方法使***具有较高的可靠性和更快的动态响应，满足***应用于高压大功率场合及宽频带扰动输出阻抗测量的要求。

Description

基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置及控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电中的阻抗测量技术领域，特别是一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置及控制方法。

背景技术

新能源的开发和利用日益增长，新能源的稳定运行及其与电网之间的相互作用成为了国内外学者聚焦的热点。在分析大规模新能源发电装备接入电网时，电网的阻抗特性对风力、光伏并网逆变器等电力电子装备的稳定运行和控制产生重要影响。理想情况下，电网应该表现为理想的电压源，新能源发电装备应控制为理想的电流源，以避免任何阻抗交互耦合问题。然而实际中，我国大容量的新能源电站多建立在沙漠等偏远地区，距离用电负荷较远。由于变压器和长输电线路引入的电网阻抗较大，且新能源发电装备的外特性也不能表现为理想的电流源，这将导致弱电网的阻抗和新能源发电装备的阻抗发生交互耦合，影响新能源发电***的稳定运行。因此，新能源发电装备的阻抗测量对大型新能源并网发电***的稳定性研究具有重要的现实意义。阻抗分析方法所需原始数据少且简单有效，阻抗测量是阻抗分析的数据来源和所建阻抗模型准确性验证的重要途径，其中扰动谐波注入法已可以实现较为准确的阻抗测量，通过选择注入不同的扰动信号可以达到不同的测量要求扰动注入方式按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，分别通过向待测装备和电网之间串联、并联注入宽频带电压扰动、电流扰动，得到待测装备侧的扰动响应，经阻抗计算得到宽频带阻抗特性曲线。

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，提供一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置及控制方法，满足***应用于高压大功率场合及宽频带扰动输出阻抗测量的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置，包括电压扰动注入单元；所述电压扰动注入单元由多个功率模块单元级联构成，三相每相级联n个子功率模块单元，各子功率模块单元通过变比为k：1的变压器从电网取电，各相经LC滤波后串联接入待测***，提供电压扰动源；每个子功率模块单元均包括前级单相全桥整流器和与所述前级单相全桥整流器连接的后级单相全桥逆变器。

相应地，本发明还提供了一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置的控制方法，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置直流侧电压v_{a_i}、v_{b_i}、v_{c_i}、前级单相全桥整流器输入电流i_{La_i}、i_{Lb_i}、i_{Lc_i}分别进行采样；i＝1,2,…,n；

2)将直流侧电压指令信号V_ref分别与采样得到的直流侧电压v_{a_i}、v_{b_i}、v_{c_i}作差，得到电压误差量Δu_{a_i}、Δu_{b_i}、Δu_{c_i}；

3)电压误差量Δu_{a_i}、Δu_{b_i}、Δu_{c_i}经电压外环PI控制后限幅输出，所得值逐相与电网同步信号sin(ωt)、sin(ωt+2π/3)、sin(ωt-2π/3)相乘，得到电流指令信号i_{refa_i}、i_{refb_i}、i_{refc_i}；ω为电网基波角频率；

4)将电流指令信号i_{refa_i}、i_{refb_i}、i_{refc_i}分别与采样得到的前级单相全桥整流器输入电流i_{La_i}、i_{Lb_i}、i_{Lc_i}作差，得到电流误差量Δi_{La_i}、Δi_{Lb_i}、Δi_{Lc_i}；

5)将电流误差量Δi_{La_i}、Δi_{Lb_i}、Δi_{Lc_i}经电流内环P控制，所得信号经PWM调制，得到前级单相全桥整流器开关管的控制信号u_ra1、u_ra2、…、u_ra4n、u_rb1、u_rb2、…、u_rb4n、u_rc1、u_rc2、…、u_rc4n，控制前级整流电路开关管的开通与关断；

6)开环控制指令信号U_{ref_a}、U_{ref_b}、U_{ref_c}经载波移相SPWM多电平调制，得到后级单相全桥逆变器开关管的控制信号u_ia1、u_ia2、…、u_ia4n、u_ib1、u_ib2、…、u_ib4n、u_ic1、u_ic2、…、u_ic4n，控制后级逆变电路开关管的开通与关断。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明满足了新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，提供了一种在高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备。

附图说明

图1为本发明一实施例基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置***结构及其控制框图；

图2为本发明一实施例基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置的控制框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置及控制方法，包括电压扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元、控制单元，其中电压扰动注入单元由多个功率模块单元级联构成，三相每相级联n个子功率模块单元，各单元通过变比为k：1的变压器从电网取电，各相经LC滤波后串联接入待测***，提供电压扰动源。每个子功率模块单元由前级单相全桥整流器、后级单相全桥逆变器构成。图中，v_{a_1}为A相第1组整流器的直流侧电压，v_{a_2}为A相第2组整流器的直流侧电压，v_{a_n}为A相第n组整流器的直流侧电压，v_{b_1}为B相第1组整流器的直流侧电压，v_{b_2}为B相第2组整流器的直流侧电压，v_{b_n}为B相第n组整流器的直流侧电压，v_{c_1}为C相第1组整流器的直流侧电压，v_{c_2}为C相第2组整流器的直流侧电压，v_{c_n}为C相第n组整流器的直流侧电压，i_{La_1}为A相第1个整流器的输入电流，i_{La_2}为A相第2个整流器的输入电流，i_{La_n}为A相第n个整流器的输入电流，i_{Lb_1}为B相第1个整流器的输入电流，i_{Lb_2}为B相第2个整流器的输入电流，i_{Lb_n}为B相第n个整流器的输入电流，i_{Lc_1}为C相第1个整流器的输入电流，i_{Lc_2}为C相第2个整流器的输入电流，i_{Lc_n}为C相第n个整流器的输入电流，L为滤波电感，本装置中所有电感取1mH，C为滤波电容，L_g为电网等效电感，R_g为电网等效电阻，v_pa、v_pb、v_pc为注入的三相扰动电压，i_ga、i_gb、i_gc为三相电网电流，v_ga、v_gb、v_gc为三相电网电压，T₁₁、T₁₂、T₁₃、T₁₄为单相全桥整流器的开关管，T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄为单相全桥逆变器的开关管。

图2为本发明一实施例一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置的控制方法，其特征在于，前级单相全桥整流器采用电压外环PI电流P双闭环控制，为后级单相全桥逆变器提供稳定的直流电压；级联型后级单相全桥逆变器采用开环控制，通过载波移相SPWM多电平调制控制每相后级单相全桥逆变器的功率器件导通与关断。该方法包括以下步骤：在每个采样周期的起始点，对基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置直流侧电压v_{a_i}(v_{a_i}表示A相第i个整流器的直流侧电压，i＝1,2,…,n，下文示意以此类推)、v_{b_i}、v_{c_i}、前级单相全桥整流器输入电流i_{La_i}、i_{Lb_i}、i_{Lc_i}分别进行采样；将直流侧电压指令信号V_ref分别与采样得到的直流侧电压v_{a_i}、v_{b_i}、v_{c_i}作差，得到电压误差量Δu_{a_i}、Δu_{b_i}、Δu_{c_i}；电压误差量Δu_{a_i}、Δu_{b_i}、Δu_{c_i}经电压外环PI控制后限幅输出，所得值逐相与电网同步信号sin(ωt)、sin(ωt+2π/3)、sin(ωt-2π/3)相乘(ω为电网基波角频率)，得到电流指令信号i_{refa_i}、i_{refb_i}、i_{refc_i}；将电流指令信号i_{refa_i}、i_{refb_i}、i_{refc_i}分别与采样得到的前级单相全桥整流器输入电流i_{La_i}、i_{Lb_i}、i_{Lc_i}作差，得到电流误差量Δi_{La_i}、Δi_{Lb_i}、Δi_{Lc_i}；将电流误差量Δi_{La_i}、Δi_{Lb_i}、Δi_{Lc_i}经电流内环P控制，所得信号经PWM调制，得到前级单相全桥整流器开关管的控制信号u_ra1、u_ra2、…、u_ra4n、u_rb1、u_rb2、…、u_rb4n、u_rc1、u_rc2、…、u_rc4n，控制前级整流电路开关管的开通与关断；开环控制指令信号U_{ref_a}、U_{ref_b}、U_{ref_c}经载波移相SPWM多电平调制，得到后级单相全桥逆变器开关管的控制信号u_ia1、u_ia2、…、u_ia4n、u_ib1、u_ib2、…、u_ib4n、u_ic1、u_ic2、…、u_ic4n，控制后级逆变电路开关管的开通与关断。

Claims (2)

1.一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置，其特征在于，包括电压扰动注入单元；所述电压扰动注入单元由多个功率模块单元级联构成，三相每相级联n个子功率模块单元，各子功率模块单元通过变比为k：1的变压器从电网取电，各相经LC滤波后串联接入待测***，提供电压扰动源；每个子功率模块单元均包括前级单相全桥整流器和与所述前级单相全桥整流器连接的后级单相全桥逆变器。

2.一种基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对基于级联型多电平变换器的高压阻抗测量装置直流侧电压v_{a_i}、v_{b_i}、v_{c_i}、前级单相全桥整流器输入电流i_{La_i}、i_{Lb_i}、i_{Lc_i}分别进行采样；i＝1,2,…,n；

2)将直流侧电压指令信号V_ref分别与采样得到的直流侧电压v_{a_i}、v_{b_i}、v_{c_i}作差，得到电压误差量Δu_{a_i}、Δu_{b_i}、Δu_{c_i}；

3)电压误差量Δu_{a_i}、Δu_{b_i}、Δu_{c_i}经电压外环PI控制后限幅输出，所得值逐相与电网同步信号sin(ωt)、sin(ωt+2π/3)、sin(ωt-2π/3)相乘，得到电流指令信号i_{refa_i}、i_{refb_i}、i_{refc_i}；ω为电网基波角频率；

4)将电流指令信号i_{refa_i}、i_{refb_i}、i_{refc_i}分别与采样得到的前级单相全桥整流器输入电流i_{La_i}、i_{Lb_i}、i_{Lc_i}作差，得到电流误差量Δi_{La_i}、Δi_{Lb_i}、Δi_{Lc_i}；

5)将电流误差量Δi_{La_i}、Δi_{Lb_i}、Δi_{Lc_i}经电流内环P控制，所得信号经PWM调制，得到前级单相全桥整流器开关管的控制信号u_ra1、u_ra2、…、u_ra4n、u_rb1、u_rb2、…、u_rb4n、u_rc1、u_rc2、…、u_rc4n，控制前级整流电路开关管的开通与关断；

6)开环控制指令信号U_{ref_a}、U_{ref_b}、U_{ref_c}经载波移相SPWM多电平调制，得到后级单相全桥逆变器开关管的控制信号u_ia1、u_ia2、…、u_ia4n、u_ib1、u_ib2、…、u_ib4n、u_ic1、u_ic2、…、u_ic4n，控制后级逆变电路开关管的开通与关断。