一种基于频率监测的阻抗调节方法与系统与流程

1.本发明涉及电力系统稳定性分析技术领域，特别涉及一种基于频率监测的阻抗调节方法与系统。


背景技术：

2.随着电力电子设备的广泛应用，现代电力系统的运行特性正在发生显著改变。以柔性直流系统为例，随着大量基于电力电子设备的柔直变流器得到应用，柔直变流器在各个频段的阻抗特性呈现无规律的变化，而且这种变化正在对电力系统的稳定运行造成威胁，例如国内外发生的大量与电力电子变流器有关的振荡事件。
3.国内外研究人员通过大量研究发现，引起电力系统不稳定的主要影响因素之一是柔直变流器的阻抗特性，进而提出了一系列改善优化柔直变流器阻抗特性的控制方法和装置。但是这些装置对于柔直变流器控制器的参数要求较高，对于全频段阻抗特性优化要求的适应性较差。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于频率监测的阻抗调节方法与系统，通过快速检测需要改善的阻抗特性频段，再通过添加阻抗调节装置的方法实现柔直变流器的普适阻抗调节方法，从而在不影响柔直变流器的动态响应特性的同时，优化柔直变流器目标频段的阻抗特性。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.本发明的第一个方面，是提供一种基于频率监测的阻抗调节方法，其包括以下步骤：
7.1)获取柔直变流器接入点的三相电压信号，并对该三相电压信号进行快速频率检测，得到该三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率；
8.2)对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq变换，并基于所述三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率对阻抗调节器的传输函数进行设置，对柔直变流器的阻抗调节。
9.进一步，所述步骤1)中，对该三相电压信号进行快速频率检测，包括以下步骤：
10.1.1)对获取的柔直变流器接入点的三相电压进行采样，得到离散的三相电压信号；
11.1.2)对离散的三相电压信号进行傅里叶分解，得到柔直变流器接入点的电压幅值
ꢀ‑
频率信号；
12.1.3)通过设定频率检测阈值，对步骤1.2)得到的柔直变流器接入点的电压幅值
‑
频率信号进行检测，得到三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率。
13.进一步，所述步骤2)中，进行柔直变流器的宽频阻抗调节的方法，包括以下步骤：
14.2.1)对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq变换，得到旋转坐标系下的d轴电压信号u
d
、q轴电压信号u
q
、d轴电流信号i
d
和q轴电流信号i
q
；
15.2.2)根据d、q轴上的电压、电流信号计算得到柔直变流器接入点有功功率的实际值p和无功功率的实际值q，结合柔直变流器接入点有功功率的目标值p
*
和无功功率的目标值q
*
，计算得到柔直变流器接入点的d、q轴上的参考电流和
16.2.3)基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率对阻抗调节器的传输函数进行设置，并将d、q轴上的参考电流信号和d、q 轴上的电压、电流信号输入到阻抗调节器中，得到d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
；
17.2.4)对d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
进行dq
‑
abc反变换，得到柔直变流器接入点a相、b相、c相上的电压控制信号和完成柔直变流器的宽频阻抗调节。
18.进一步，所述步骤2.1)中，旋转坐标系下的d轴电压信号u
d
、q轴电压信号u
q
、 d轴电流信号i
d
和q轴电流信号i
q
的计算公式为：
[0019][0020]
式中，u
a
、u
b
、u
c
分别为接入点的a、b、c三相的电压信号；i
a
、i
b
、i
c
分别为接入点的a、b、c三相的电流信号；u
d
为d轴电压信号；u
q
为q轴电压信号；i
d
为d轴电流信号；i
q
为q轴电流信号；θ
p
为测量获得的接入点abc三相的电压相角；u0、i0分别是静止坐标系下电压的零序分量和电流的零序分量。
[0021]
进一步，所述步骤2.2)中，柔直变流器接入点的d、q轴上的参考电流和的计算公式为：
[0022][0023]
式中，g
p
(s)、g
q
(s)分别为柔直变流器有功功率控制外环和无功功率控制外环的传递函数；分别为d轴上的参考电流和q轴上的参考电流；p
*
、q
*
分别为柔直变流器接入点有功功率的目标值和无功功率的目标值；p、q分别为柔直变流器接入点有功功率的实际值和无功功率的实际值。
[0024]
进一步，所述步骤2.3)中，d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
，表示为：
[0025][0026]
式中，u'
d
、u'
q
分别为d轴电压控制信号和q轴电压控制信号；u
d
为d轴电压信号； u
q
为q轴电压信号；i
d
为d轴电流信号；i
q
为q轴电流信号；分别为有功功率控制外环和无
功功率控制外环的输出，即d轴上的参考电流和q轴上的参考电流；h
u
(s)、 h
i
(s)分别为电压阻抗调节控制器和电流阻抗调节控制器；g
i
(s)为电流内环传递函数； g
g
为电流内环解耦系数。
[0027]
进一步，所述步骤2.4)中，柔直变流器接入点a相、b相、c相上的电压控制信号的计算公式为：
[0028][0029]
式中，和分别为柔直变流器接入点a相、b相、c相上的电压控制信号；θ
p
为测量获得的接入点abc三相的电压相角；u'
d
和u'
q
分别为d、q轴上的电压控制信号； u0是静止坐标系下电压的零序分量。
[0030]
本发明的第二个方面，是提供一种基于频率监测的阻抗调节系统，其包括：
[0031]
频率监测模块，用于获取柔性变流器接入点的三相电压和电流信号，并基于获取的三相电压信号，得到该三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率；
[0032]
宽频阻抗调节模块，用于对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq 变换，并基于得到的基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率值对阻抗调节器的传输函数进行设置，实现对柔直变流器的阻抗调节。
[0033]
进一步，所述频率监测模块包括：
[0034]
电压采用模块，用于根据fft分析模块设置要求，以采样周期为间隔对柔直变流器接入点的a相、b相、c相电压信号进行采样，得到对应数量的电压信号序列；
[0035]
fft计算模块，用于根据输入电压信号序列，计算出某段频率区间的电压信号频谱；
[0036]
阈值检测模块用于根据预设阈值对电压信号频谱进行检测，得到三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率。
[0037]
进一步，所述宽频阻抗调节模块包括：
[0038]
abc/dq转换模块，用于对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq 变换，得到旋转坐标系下的d、q轴电压、电流信号；
[0039]
外环控制模块，用于根据根据d、q轴上的电压、电流信号计算得到柔直变流器接入点有功功率的实际值和无功功率的实际值，并结合柔直变流器接入点有功功率的目标值和无功功率的目标值，计算得到柔直变流器接入点的d、q轴上的参考电流；
[0040]
内环控制模块，用于基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率对阻抗调节器的传输函数进行设置，并将d、q轴上的参考电流信号和d、q轴上的电压、电流信号输入到阻抗调节器中，得到d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
；
[0041]
dq/abc转换模块，用于对d、q轴上的电压控制信号进行dq
‑
abc反变换，得到柔直变流器接入点a相、b相、c相上的电压控制信号，完成柔直变流器的宽频阻抗调节。
[0042]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明涉及一种基于频率监测的阻抗调节方法与装置，基于柔直系统端口电压谐波的快速检测，确定需要改善的柔直阻
抗频段，筛选出对该频段阻抗特性影响较大的控制回路，然后通过添加阻抗调节控制回路来实现柔直变流器的阻抗调节，以此实现柔直变流器的高频振荡控制。该发明的有益效果为，在不影响柔直变流器动态响应特性的情况下，实现柔直变流器宽频阻抗特性的改善，根据工况调节柔直变流器不同频段的阻抗特性，有效提升柔直变流器的宽频振荡稳定性。
附图说明
[0043]
图1为本发明一实施例提供的基于频率监测的阻抗调节装置中的频率监测装置；
[0044]
图2为本发明一实施例的基于频率监测的阻抗调节装置中的阻抗调节装置。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0046]
如图1、图2所示，本发明提供一种基于频率监测的阻抗调节系统，其包括频率监测模块和阻抗调节模块。具体的，频率监测模块用于获取柔性变流器接入点的三相电压和电流信号，并基于获取的三相电压信号，得到该三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率；宽频阻抗调节模块，用于对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq变换，并基于得到的基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率值对阻抗调节器的传输函数进行设置，实现对柔直变流器的阻抗调节。
[0047]
进一步，频率监测模块包括电压采样模块、fft分析模块以及阈值检测模块。其中，电压采用模块，用于根据fft分析模块设置要求，以采样周期为间隔对柔直变流器接入点的a相、b相、c相电压信号进行采样，得到对应数量的电压信号序列x(n)； fft计算模块，用于根据输入电压信号序列，计算出某段频率区间的电压信号频谱；阈值检测模块用于根据预设阈值对电压信号频谱进行检测，得到三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率。
[0048]
进一步，阻抗调节模块包括：abc/dq转换模块，用于对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq变换，得到旋转坐标系下的d、q轴电压、电流信号；外环控制模块，用于根据根据d、q轴上的电压、电流信号计算得到柔直变流器接入点有功功率的实际值和无功功率的实际值，并结合柔直变流器接入点有功功率的目标值和无功功率的目标值，计算得到柔直变流器接入点的d、q轴上的参考电流；内环控制模块，用于基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率值对阻抗调节器的传输函数进行设置，并将d、q轴上的参考电流信号和d、 q轴上的电压、电流信号输入到阻抗调节器中，得到d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
； dq/abc转换模块，用于对d、q轴上的电压控制信号进行dq
‑
abc反变换，得到柔直变流器接入点a相、b相、c相上的电压控制信号，完成柔直变流器的宽频阻抗调节。
[0049]
本发明还提供一种基于频率监测的阻抗调节方法，包括以下步骤：
[0050]
1)获取柔直变流器接入点的三相电压信号，并对该三相电压信号进行快速频率检测，得到该三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率ω
f
。
[0051]
具体的，包括以下步骤：
[0052]
1.1)对获取的柔直变流器接入点的三相电压进行采样，即对三相电压信号进行加
窗控制，得到离散的三相电压信号；
[0053]
1.2)对离散的三相电压信号进行傅里叶分解h
fft
(s)，得到柔直变流器接入点的电压幅值
‑
频率信号；
[0054]
1.3)通过设定频率检测阈值，对步骤1.2)得到的柔直变流器接入点电压幅值
‑ꢀ
频率信号进行检测，即可得到三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率ω
f
。
[0055]
上述信号的传递过程可以表示为：
[0056][0057]
式中，x(n)为接入点电压的离散信号序列集合；n为离散信号序列数量；k为频率检测频带的信号范围；i
k
是大小为k
×
k的单位矩阵；ω
f
为检测出的除基频电压信号外幅值最大的谐波电压所对应的频率。
[0058]
2)对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq变换，并基于得到的基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率值对阻抗调节器的传输函数进行设置，实现对柔直变流器的阻抗调节。
[0059]
具体的，包括以下步骤：
[0060]
2.1)对柔直变流器接入点的三相电压、电流信号进行abc/dq变换，得到旋转坐标系下的d轴电压信号u
d
、q轴电压信号u
q
、d轴电流信号i
d
和q轴电流信号i
q
。
[0061]
其中，abc/dq变换环节可以表示为：
[0062][0063]
式中，u
a
、u
b
、u
c
分别为柔直变流器接入点的a、b、c三相的电压信号；i
a
、i
b
、 i
c
分别为柔直变流器接入点的a、b、c三相的电流信号；u
d
为d轴电压信号；u
q
为q 轴电压信号；i
d
为d轴电流信号；i
q
为q轴电流信号；θ
p
为测量获得的接入点abc三相的电压相角；u0、i0分别是静止坐标系下电压的零序分量和电流的零序分量，在三相平衡系统中u0、i0的量为0。
[0064]
2.2)根据d、q轴上的电压、电流信号计算得到柔直变流器接入点有功功率的实际值p和无功功率的实际值q，结合柔直变流器接入点有功功率的目标值p
*
和无功功率的目标值q
*
，计算得到柔直变流器接入点在d、q轴上的参考电流和
[0065]
其中，柔直变流器接入点的d、q轴上的参考电流和的计算公式可以表示为：
[0066][0067]
式中，g
p
(s)、g
q
(s)分别为柔直变流器有功功率控制外环和无功功率控制外环的传递函数；分别为有功功率控制外环和无功功率控制外环的输出，即d轴上的参考电流和q轴上的参考电流；p
*
、q
*
分别为柔直变流器接入点有功功率的目标值和无功功率的目标值；p、q分别为柔直变流器接入点有功功率的实际值和无功功率的实际值，他们可以通过以下计算公式得到：
[0068][0069]
有功功率控制外环的传递函数g
p
(s)和无功功率控制外环的传递函数g
q
(s)可以表示为：
[0070][0071]
式中，k
pp
、k
pq
分别为有功功率控制外环的比例增益系数和无功功率控制外环的比例增益系数；t
p
、t
q
分别为有功功率控制外环的时间常数和无功功率控制外环的时间常数。
[0072]
2.3)基于得到的三相电压信号中除基频电压信号外幅值最大的谐波信号所对应的频率值对阻抗调节器的传输函数进行设置，并将d、q轴上的参考电流信号和d、q轴上的电压、电流信号输入到阻抗调节器中，得到d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
。
[0073]
在经过电流内环前，d轴电压信号u
d
、q轴电压信号u
q
、d轴电流信号i
d
、q轴电流信号i
q
，需要经过宽频阻抗调节器，分别是电压阻抗调节控制器和电流阻抗调节控制器，表示为：
[0074][0075]
式中，h
u
(s)、h
i
(s)分别为电压阻抗调节控制器和电流阻抗调节控制器；g
u
、g
i
分别为电压阻抗调节控制器的增益和电流阻抗调节控制器的增益；ξ
u
、ξ
i
分别为电压阻抗调节控制器的阻尼系数和电流阻抗调节控制器的阻尼系数；ω
fc
为阻抗调节控制器的中心频率，其值与频率ω
f
相同。
[0076]
d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
，可以表示为：
[0077][0078]
式中，u'
d
、u'
q
分别为d轴电压控制信号和q轴电压控制信号；g
i
(s)为电流内环传递函数；g
g
为电流内环解耦系数。他们可以表示为：
[0079][0080]
式中，k
pi
为电流内环传递函数的比例增益；t
i
为电流内环传递函数的时间常数； l
s
为柔直变流器的桥臂电抗；f为基波频率。
[0081]
2.4)对d、q轴上的电压控制信号u'
d
和u'
q
进行dq
‑
abc反变换，得到柔直变流器接入点a相、b相、c相上的电压控制信号和完成柔直变流器的宽频阻抗调节。
[0082]
上述生成的d轴电压控制信号u'
d
和q轴电压控制信号u'
q
，经过dq
‑
abc变换生成柔直变流器a相电压控制信号b相电压控制信号c相电压控制信号完成柔直变流器的宽频阻抗调节。
[0083][0084]
式中，零序分量一般认为等于零。
[0085]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0086]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0087]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0088]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0089]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。