一种基于二次侧扰动的变流器多运行点阻抗测量方法

本发明涉及变流器阻抗测量，尤其是涉及一种基于二次侧扰动的变流器多运行点阻抗测量方法。

背景技术：

1、中国电网逐渐呈现出以清洁能源为主导、以特高压为骨干网架的格局，其中，风电、光伏等可再生能源发电比重持续增大并引起行业的广泛关注。随着以变流器为并网接口的可再生能源装备占比不断提升，各新能源场站与交流电网间相互作用导致变流器并网系统面临着严重的宽频振荡问题。近年来发生过多起与新能源相关的宽频振荡问题，涉及低频、中频、高频等不同频段，如中国某海上风电柔性直流示范工程出现次同步振荡，风光电缆送出系统6-800hz振荡等，这对电力行业提出了严峻挑战。

2、基于阻抗法的系统小信号稳定性分析是分析和解决上述宽频振荡问题的有效手段之一，其中各变流器宽频阻抗特性的获取是这一方法的根本，如何准确、快速、低成本地实现变流器端口阻抗测量是目前一大技术难题。进一步地，新能源场站的功率存在很大的波动性，变流器的运行点实时变化，对应的端口阻抗特性也随之改变，如何通过有限次数的变流器阻抗测量过程来计算获得该变流器在不同运行点下的阻抗特性，以减少实际所需的变流器阻抗测量的次数是本发明要解决的核心问题。

3、现有测量变流器阻抗的方法有：

4、（1）方法一：基于一次侧扰动的阻抗测量方法

5、在待测阻抗设备的端口处串联扰动电压源或并联扰动电流源，根据待测阻抗设备的端口的输出电流或端口电压计算端口的宽频阻抗特性。对于逐个运行点测量变流器多运行点阻抗，该方法成本高昂、操作复杂。

6、（2）方法二：基于二次侧扰动的阻抗测量方法

7、[1]公开号为cn202111569526.8的发明专利，公开了《基于采样信号扰动叠加的逆变器正负序阻抗测量方法》：

8、该方法在变流器并网点的电压电流采样点叠加特定扰动频率下的正弦波，与本发明一样是在二次侧进行扰动注入，但是同时需要在测量前人为地改变主电路中电网等效阻抗，即串联一个小电感。需要进行两次测量过程，通过傅里叶分析得到两次测量过程中的端口电压电流响应，计算得到待测阻抗设备（变流器）的正负序宽频阻抗。该方法需要在一次侧主电路中接入一个可投切的电感元件，成本较高，操作复杂。测量变流器在多个运行点下的阻抗时操作复杂性增加，需要依次逐个运行点测量。

9、[2]蒙志全等人在2018年发表《控制系统扰动下并网变流器广义阻抗测量方法》一文和[3]袁辉等人在2020年论述了《二次侧注入扰动的变流器次超同步频段广义阻抗测量方法》：

10、该方法在变流器的控制器中注入扰动，与方法二相同，需要进行两次测量过程，通过傅里叶分析得到两次测量过程中的端口电压电流响应，计算得到待测阻抗设备（变流器）的正负序阻抗；但是，从2篇仅有的文献中的仿真计算结果来看，该方法可能只能测量300hz以下，甚至100hz以下的低频段阻抗，并不能实现宽频阻抗测量。需要在控制器中注入扰动，当实际工程中变流器生产厂家不开放其控制器时，该方法失效。测量变流器在多个运行点下的阻抗时，需要逐个运行点进行测量，操作复杂。

11、[4]孙楚等人在2024年发表《self-measurement of the admittance matrix ofac–dc power converter by internal harmonic injection》一文记载了在变流器的控制器中加入扰动，通过在参考电压生成处以及锁相环采样电压输出处两个位置注入扰动，分别测量对应环路的导纳值，然后相加得到待测设备的阻抗。但是，该方法前提是变流器的控制器开放且其控制结构已知，在实际工程中，若变流器的生产厂家不开放其控制器，该方法将失效，局限性较大。同时，该方法对于不同的控制器注入扰动的位置和次数均发生变化，在实际中无法实现黑箱阻抗测量。测量变流器在多个运行点下的阻抗时，操作复杂。

12、[5]公开号为cn202410396063.7的发明专利，公开了《一种变流器阻抗测量方法》：

13、该方法在变流器的采样点依次注入三相对称的电压扰动、电流扰动，通过变流器输出的扰动响应计算得到变流器的端口阻抗。该方法仅针对单一运行点下的变流器阻抗进行测量，不能快速地测量或计算得到变流器在多个运行点下的阻抗，在测量变流器在多个运行点下的阻抗时操作复杂性增加。

14、（3）方法三：基于阻抗模型参数辨识的多运行点阻抗获取

15、[1]刘威、谢小荣等人在2023年发表《stability region analysis of grid-tiedvoltage sourced converters using variable operating point impedance model》一文记载了利用至少10组基于一次侧的变流器宽频阻抗的测量数据，通过联立方程辨识各部分的控制参数，从而得到变流器多运行点的阻抗模型。该方法的缺点有2个：一是10组基于一次侧的变流器宽频阻抗的测量数据数量过多，在实际中获取这些数据是较为困难的；二是该方法很难做到实时的变流器多运行点阻抗测量，在变流器的控制环路发生变化后重新获取多运行点阻抗耗时长。

16、（4）方法四：基于机器学习算法的变流器多运行点阻抗获取

17、[1]张孟芳、王雄飞等人在2021年发表《artificial neural network basedidentification of multi-operating-point impedance model》一文以及[2]张孟芳、王雄飞等人在2023年发表《physics-informed neural network based online impedanceidentification of voltage source converters》一文均记载了利用若干基于一次侧的变流器宽频阻抗的测量数据和机器学习算法，通过对神经网络的训练来获得变流器多运行点阻抗。该方法的缺点有2个：一是基于一次侧的变流器宽频阻抗的测量数据在实际中难以获取足够数量来组成数据集进行神经网络训练；二是该方法的可解释性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于二次侧扰动的变流器多运行点阻抗测量方法，以克服传统的基于一次侧扰动的阻抗测量方法成本高昂、操作复杂的弊端，解决现有的基于二次侧阻抗测量方法在获取多运行点变流器阻抗时需要逐个运行点进行测量、缺少预判功能的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于二次侧扰动的变流器多运行点阻抗测量方法，包括以下步骤：

3、s1、在电流采样值中叠加正序电流扰动，并记录输出变流器电压电流波形；

4、s2、在电压采样值中叠加正序电压扰动，并记录输出变流器电压电流波形；

5、s3、判断是否获得大于等于两个电流运行点下的变流器的测量数据，若结果为否，则等待变流器的电流运行点变化，重复上述测量过程，对变流器新的电流运行点下的阻抗进行测量并记录波形数据，若结果为是则进入步骤s4；

6、s4、基于两个电流运行点下的变流器的测量数据，计算不同频率点的表达式和的值；

7、s5、进一步计算在各频率点下系数、、、的值，最终计算得到变流器在多电流运行点下的阻抗值。

8、优选的，在步骤s1前还包括，采用lcl滤波器的变流器，控制器采用单电流环控制，通过锁相环环路产生相角，则变流器交流侧正序阻抗的理论模型为：

9、（1）；

10、式中，

11、（2）

12、其中，为微分算子，、为滤波电感值，为滤波电容值，为与滤波电容串联的电阻值，为变流器电流环控制器的传递函数，为工频50hz，为变流器的电流运行点，为电流幅值，为变流器电压运行点，为锁相环控制器传递函数，为电压前馈系数，为输出电流采样延时，为pcc点电压采样延时，为变流器的电压增益；

13、将式（1）简化表达为：

14、（3）；

15、其中，

16、（4）；

17、优选的，步骤s1中，在电流采样值中叠加正序电流扰动，则变流器在二次侧电流扰动下的计算表达式为：

18、（5）；

19、其中，为在电流采样值中叠加扰动时的变流器并网点电压；

20、（6）。

21、优选的，步骤s2中，在电压采样值中注入正序电压扰动，则变流器在二次侧电压扰动下的计算表达式为：

22、（7）；

23、其中，为在电压采样值中叠加扰动时的变流器输出电流，联立式（5）、式（7）解得的值，即：

24、（8）。

25、优选的，步骤s4具体为：根据式（6）、式（8）得到的值为：

26、（9）；

27、再将式（9）代入式（7），得到的值：

28、（10）。

29、优选的，步骤s5中，由于变流器的电压运行点在系统运行没有发生大的变化下一般是保持不变或在小范围内变化，因此在某一稳定工况下可以认为基本不变，根据式（1）、式（2）将和表达为变流器电流运行点的一次函数，即：

30、（11）；

31、求解扰动频率下系数、、、的值，得到变流器端口阻抗值与其不同的电流运行点之间的关系表达式，则变流器在其他电流运行点下端口阻抗值通过该关系表达式计算得到，无需每个运行点重复测量。

32、优选的，所述系数、、、的值的求解方法为：

33、当变流器电压运行点在小范围内变化时，任意选取变流器两个不同的电流运行点、，分别按照上述方法进行全频段的阻抗测量，得到变流器在这两个电流运行点下表达式和的值；然后，在每一个测量频率点下，通过式（12）、式（13）联立计算得到系数、、、的值：

34、（12）；

35、（13）。

36、因此，本发明采用上述一种基于二次侧扰动的变流器多运行点阻抗测量方法，有益效果如下：

37、（1）本发明提供一种快速、低成本的变流器多运行点阻抗的测量和计算方法，以克服传统的基于一次侧扰动的阻抗测量方法成本高昂、操作复杂的弊端。

38、（2）本发明可以解决现有基于二次侧阻抗测量方法在获取多运行点变流器阻抗时需要逐个运行点进行测量、缺少预判功能的问题。

39、（3）本发明降低了目前基于阻抗模型参数辨识和基于机器学习算法的变流器多运行点阻抗获取所需的一次侧阻抗测量数据的需求，做到快速测量、计算获取变流器多运行点的阻抗值。

40、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。