一种模块化多电平换流器在线阻抗测量方法

1.本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器在线阻抗测量方法。


背景技术：

2.基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电技术，广泛应用于大容量远距离输电、海上风电等领域。mmc具有谐波含量低、控制灵活、有功无功解耦等优点，然而由于控制系统的复杂程度较高，当系统及控制器参数设计不合理时可能引起系统中的宽频谐振振荡，通常称为谐波稳定性问题。一般分析谐振稳定性通常是在频域中进行的，并且对计算速率的要求很高。因此，分析换流器的频率响应，需要通过解析方程式对阻抗特性进行求解。但对于现有的工程或已建成的mmc装备，由于涉及电网企业的关键性技术，无法明确换流器采用何种控制方法，因此。迫切需求一种模块化多电平换流器实时阻抗测量方法，获取mmc阻抗特性，分析柔直系统的谐振稳定性。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术存在的mmc宽频带阻抗测量问题，本发明提供了一种模块化多电平换流器在线阻抗测量方法，该方法有利于准确分析mmc的阻抗特性，揭示系统参数变化对mmc阻抗特性的影响，便于在实际电力系统中应用，具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的优点。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种模块化多电平换流器在线阻抗测量方法，包括以下步骤：
6.s1：针对模块化多电平换流器的拓扑结构，建立模块化多电平换流器的数学模型；
7.s2：采用串联扰动电压源的方法，采集注入扰动电压后模块化多电平换流器的公共耦合点处的电流和电压值；
8.s3：利用快速傅里叶变换对采集到的公共耦合点电压、电流值结合设置的扰动频率进行数据处理，计算频域响应下的输出阻抗。
9.优选的，步骤s1中所述的模块化多电平换流器的拓扑结构为双极架构，其等效模型由半桥子模块、桥臂电抗组成。
10.优选的，步骤s2中所述的串联扰动电压源的方法包括频率发生器、扰动发生器和阻抗数据处理模块，具体测量步骤为：
11.s2.1：频率发生器根据设置的频率范围和采样时间，生成扰动频率信号，并将生成扰动频率信号分别发送至扰动发生器和阻抗数据处理模块；
12.s2.2：扰动发生器接受到来自频率发生器发送的频率信号后，生成扰动电压，并将扰动电压叠加到多电平换流器的电网电压上，对公共耦合点处的电压电流进行实时测量。
13.优选的，频率范围和采样时间根据实际所需的测量范围和精度进行设置。
14.优选的，步骤s2.2中所述的扰动电压的幅值为相电压0.5％-1％。
15.优选的，步骤s2.1中每次施加的扰动频率为基本频率变化量的整数倍，所述基本频率为50hz。
16.优选的，所述模块化多电平换流器的拓扑结构的数学模型为：
17.所述模块化多电平换流器的每相表示为y∈{1,2,3}，其上下桥臂分别表示为p和n，换流器各相的系统参数关系为：
[0018][0019][0020]
公式中，u
n0
为各相对地电压，u
an,1
为mmc交流侧出口电压，l
arm
为桥臂电抗，u
p,1
、u
n,1
为1相上下桥臂电压，i
p,1
和i
n,1
为1相上下桥臂电流，u
m,0
为直流侧中点对地电压；
[0021]
每相的环流表示为：
[0022][0023]
式(3)中，i
p,1
和i
n,1
为1相上下桥臂电流；
[0024]
根据式(1)-(3)，通过计算[(2) (1)]/2和[(2)-(1)]/2得到上下桥臂电压之差及上下桥臂电压之和
[0025][0026][0027]
其中，u
p,1
、u
n,1
为1相上下桥臂电压，l
arm
为桥臂电抗，为mmc出口电流，u
an,1
为mmc交流侧出口电压，u
offset
为电压的偏置量，u
dc
为直流电压。
[0028]
优选的，步骤s3中通过快速傅里叶变换计算频域响应下的输出阻抗的具体方法为：
[0029]
时域信号s(t)用傅里叶级数可表示为
[0030][0031]
其中
[0032][0033]
因此，n次谐波的幅值|an|和相角表示为
[0034][0035]
其中，阻抗数据处理模块仅需计算an、bn，并且nωt＝2πf
pert t。
[0036]
本发明具有以下有益效果：本发明主要通过生成扰动电压，并将扰动电压叠加到多电平换流器的电网电压上，将测量到的并网点处的电压电流结合设置的扰动频率一起进行数据处理，计算频域响应下的输出阻抗，后续能够根据输出阻抗设计对mmc输出电流包含的各阶次谐波抑制的方法。
附图说明
[0037]
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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它的附图。
[0038]
图1为本发明的模块化多电平换流器实时阻抗测量原理图；
[0039]
图2为本发明的阻抗测量频率序列；
[0040]
图3为本发明的基于fft的阻抗数据分析方法原理图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]
参考图1，一种模块化多电平换流器(modular multilevel converters，mmc)在线阻抗测量方法，主要包括以下步骤：
[0043]
s1：针对模块化多电平换流器的拓扑结构，建立模块化多电平换流器的数学模型；
[0044]
s2：采用串联扰动电压源的方法，采集注入扰动电压后模块化多电平换流器的公共耦合点处的电流和电压值；
[0045]
s3：利用快速傅里叶变换对采集到的公共耦合点电压、电流值结合设置的扰动频率进行数据处理，计算频域响应下的输出阻抗。
[0046]
本实施例的步骤s1中，所述的模块化多电平换流器的拓扑结构为双极架构，其等效模型由半桥子模块，桥臂电抗组成。
[0047]
所述模块化多电平换流器的拓扑结构的数学模型为：
[0048]
所述模块化多电平换流器的每相表示为y∈{1,2,3}，其上下桥臂分别表示为p和n，换流器各相的系统参数关系为：
[0049][0050][0051]
公式中，u
n0
为各相对地电压，u
an,1
为mmc交流侧出口电压，l
arm
为桥臂电抗，u
p,1
、u
n,1
为1相上下桥臂电压，i
p,1
和i
n,1
为1相上下桥臂电流，u
m,0
为直流侧中点对地电压；
[0052]
每相的环流表示为：
[0053]
[0054]
式(3)中，i
p,1
和i
n,1
为1相上下桥臂电流；
[0055]
根据式(1)-(3)，通过计算[(2) (1)]/2和[(2)-(1)]/2得到上下桥臂电压之差及上下桥臂电压之和
[0056][0057][0058]
其中，u
p,1
、u
n,1
为1相上下桥臂电压，l
arm
为桥臂电抗，为mmc出口电流，u
an,1
为mmc交流侧出口电压，u
offset
为电压的偏置量，u
dc
为直流电压。
[0059]
步骤s2中所述的串联扰动电压源的方法包括频率发生器、扰动发生器和阻抗数据处理模块，阻抗数据处理模块主要为基于fft(快速傅里叶变换，fast fourier transform，fft)的阻抗数据处理模块，具体测量步骤为：
[0060]
s2.1：频率发生器根据设置的频率范围和采样时间，本实施例中频率范围和采样时间为根据所需的测量范围和精度进行设置，生成扰动频率信号f
pert
(t)，并将生成扰动频率信号f
pert
(t)分别发送至扰动发生器和阻抗数据处理模块；
[0061]
s2.2：扰动发生器接受到来自频率发生器发送的频率信号后，生成扰动电压u
pert
(t)，本实施例中生成的扰动电压u
pert
(t)的幅值为相电压0.5％-1％，目的是保证扰动不改变稳定运行点，并将扰动电压u
pert
(t)叠加到多电平换流器的电网电压u
grid
(t)上之后，对公共耦合点处的电压电流进行实时测量，从而得到不同采样时间下的电压电流值，需要注意的是，由于扰动电压是一个小信号，为了不影响系统的运行，扰动电压u
pert
(t)的幅值需要很小。
[0062]
步骤s2.1中每次施加的扰动频率为基本频率变化量的整数倍，基本频率为50hz备，扰动频率多大则测量的就为多大，这里整数倍指的是基频的倍数，100hz是2次谐波，150hz三次谐波，依次类推。
[0063]
参考图2-3所示，mmc阻抗的频域响应特性由基于fft的阻抗数据处理模块计算获取，步骤s3中通过快速傅里叶变换计算频域响应下的输出阻抗的具体方法为：
[0064]
时域信号s(t)用傅里叶级数可表示为
[0065][0066]
其中
[0067][0068]
因此，n次谐波的幅值|an|和相角表示为
[0069]
[0070]
由于仅需考虑扰动频率、幅值和相角，阻抗数据处理模块仅需计算an、bn，并且有nωt＝2πf
pert t。其中，每次施加的扰动频率必须为基本频率变化量的整数倍，因为需要测量各谐波次数下的阻抗数据，各谐波次数对应的频率为基本频率的整数倍。
[0071]
通过上述说明，本发明一种模块化多电平换流器实时阻抗测量方法能够起到对mmc输出电流包含的各阶次谐波抑制的作用。
[0072]
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。