一种单相整流器系统阻抗模型的验证方法与流程

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种单相整流器系统阻抗模型的验证方法。

背景技术：

随着对能量产生、传输和利用的更高要求，更多的电力电子转换器由于其高效率和灵活的控制而在当今的电力系统中投入使用；考虑到每个转换器的复杂控制，基于阻抗的稳定性分析方法被广泛采用；整个系统的稳定性可以通过分析级联或并联的每个子系统的外部阻抗或导纳来分析；多重谐波线性化方法和谐波传递函数矩阵方法的应用与分析中，揭示了整流器系统为mimo系统，其阻抗矩阵为高阶矩阵；shahilshah在单相逆变器阻抗建模中发现如果在交流侧考虑三次谐波分量模型更加准确；考虑三次谐波的影响，阻抗矩阵就变成4阶矩阵；目前验证方法中不同的单相整流器系统需要不同的验证方法，比较复杂；还没有通过注入扰动来直接计算矩阵的方法；并且如果通过注入扰动来直接计算会存在计算量大、扰动注入电路多且复杂的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种只需要注入一个扰动，并适用于所有单相整流器系统阻抗模型的单相整流器系统阻抗模型的验证方法。

本发明采用的技术方案是：一种单相整流器系统阻抗模型的验证方法，包括以下步骤：

步骤1：在单相整流器系统中注入扰动，测量交流侧响应的电压vs和电流is；

步骤2：根据步骤1得到的电压vs和电流is通过快速傅里叶变换方法提取频率在|fp±f1|、|fp±3f1|下的幅值和相位；并计算对应频率下的电压频谱系数和电流频谱系数；fp为扰动频率，f1为基波频率；

步骤3：修正步骤2得到的电压频谱系数和电流频谱系数；

步骤4：将步骤3修正后的结果带入阻抗模型表达式，计算误差结果；

步骤5：根据误差结果判据，判断模型正确性。

进一步的，所述步骤3中修正步骤2得到的电压频谱系数和电流频谱系数的过程如下：

判断fp-f1是否小于0，若是则对对应频率下的电压频谱系数和电流频谱系数取共轭作为新的电压频谱系数和电流频谱系数；若否则保留原计算结果；

判断fp-3f1是否小于0，若是则对对应频率下的电压频谱系数和电流频谱系数取共轭作为新的电压频谱系数和电流频谱系数；若否则保留原计算结果。

进一步的，所述步骤2的具体过程如下：

选择一个扰动角频率ωp，在交流电源侧注入一个电压扰动vptb；

其中：vptb＝vptbcos(ωp+ω1)t；式中，ω1为基波角频率，vptb为扰动电压源峰值，t为时间；交流侧响应电压为vs，电流为is；

根据下式获得频率在|fp±f1|、|fp±3f1|下的幅值和相位：

式中：x表示电压或电流；n为采样点的数量；wn为蝶形因子，n表示第n个信号，k为第k个离散时间点，x(k)为第k个离散时间点提取的信号；

根据得到的幅值和相位计算相应频率下的电压频谱系数vn[fp+f1]、vn[fp-f1]、vn[fp+3f1]、vn[fp-3f1]，电流频谱系数in[fp+f1]、in[fp-f1]、in[fp+3f1]、in[fp-3f1]。

进一步的，所述步骤4中计算方法如下：

其中：z4×4为单相整流器系统阻抗矩阵，σ1、σ2、σ3、σ4为误差计算结果。

本发明的有益效果是：

(1)本发明为针对单相交流器系统高阶阻抗模型的验证方法，其测量方法简单、并且每个扰动频率只需要注入一个扰动；

(2)本发明对频谱系数进行修正，可修正对交流电压、电流负频率频谱系数提取的缺陷进行修正，结算结果准确。

附图说明

图1为本发明电流扰动注入示意图。

图2为本发明电压扰动注入示意图。

图3为本发明的实际扰动vptb注入到实际电路的示意图。

图4为本发明的pwm调制示意图。

图5为本发明的测量频谱系数处理方式图。

图6为本发明中fp＝10hz测量结果复平面图。

图7为本发明fp＝60hz测量结果复平面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明通过向电路中注入一个扰动，测得交流侧电压和电流；利用快速傅里叶变换fft方法提取交流侧电压、电流在|fp±f1|、|fp±3f1|频率下的幅值和相位，并计算对应频率下的电压频谱系数和电流频谱系数；判断fp-3f1、fp-f1结果是否为负，如果为负则对其绝对值频率下的频谱系数取共轭来获得负频率对应的频谱系数，最后代入阻抗验证表达式矩阵求误差量σ1、σ2、σ3、σ4，并带入误差判据来判断理论阻抗模型是否正确。

具体过程如下：

步骤1：在单相整流器系统中注入扰动，测量交流侧响应的电压vs和电流is；

为了测量子系统的外部阻抗的值，需要注入扰动，如图1和图2所示；有两种类型的扰动，电压扰动和电流扰动，其与源的类型相关；在单相整流器系统中，注入电压扰动量为：

vptb＝vptbcos(ωp+ω1)t

式中：ω1为基波角频率，vptb为扰动电压源峰值，t为时间，ωp为扰动角频率，vptb为电压扰动。

步骤2：根据步骤1得到的电压vs和电流is通过快速傅里叶变换方法提取频率在|fp±f1|、|fp±3f1|下的幅值和相位；并计算对应频率下的电压频谱系数和电流频谱系数；fp为扰动频率，f1为基波频率；

根据下式获得频率在|fp±f1|、|fp±3f1|下的幅值和相位：

式中：x表示电压或电流；n为采样点的数量；wn为蝶形因子，n表示第n个信号，k为第k个离散时间点，x(k)为第k个离散时间点提取的信号；

根据得到的幅值和相位计算相应频率下的电压频谱系数vn[fp+f1]、vn[fp-f1]、vn[fp+3f1]、vn[fp-3f1]，电流频谱系数in[fp+f1]、in[fp-f1]、in[fp+3f1]、in[fp-3f1]。

步骤3：修正步骤2得到的电压频谱系数和电流频谱系数；

判断fp-f1是否小于0，若是则对对应频率下的电压频谱系数vn[fp-f1]和电流频谱系数in[fp-f1]取共轭作为新的电压频谱系数和电流频谱系数；若否则保留原计算结果；

判断fp-3f1是否小于0，若是则对对应频率下的电压频谱系数vn[fp-3f1]和电流频谱系数in[fp-3f1]取共轭作为新的电压频谱系数和电流频谱系数；若否则保留原计算结果。

因为电压和电流在|fp±f1|、|fp±3f1|频率下的频谱系数都是正频率的频谱系数，而实际系统可能存在负频率，因此fft的方法存在缺陷，所以需要进行修正。

步骤4：将步骤3修正后的结果带入阻抗模型表达式，计算误差结果

其中：z4×4为单相整流器系统阻抗矩阵，σ1、σ2、σ3、σ4为误差计算结果。

步骤5：根据误差结果判据，判断模型正确性

判断|σi|≤ε是否成立，如果成立则阻抗模型准确，反之阻抗模型不准确，其中，ε为精度。

下面通过具体实施例对本发明的有效性和正确性进行验证。

在matlab/simulink搭建一个简单的模型，即开环控制的电压整流器如图3所示；该整流器为crh3型动车组四象限整流器电路，来验证该方法的有效性和正确性；该电路使用了电压源，所以选择图2的扰动方式；整流器采用开环控制策略，正弦信号m设置峰值为m1初始相位为为θm1，经过pwm调制输出4路信号到4个igbt，如图4所示；控制直流侧电压vd稳定在3000v；vs为交流电压源，幅值为v1，相位为0，频率为f1＝50hz；rs、ls为电压源vs的等效电阻、电抗；rn、ln为牵引变压器的等效电阻、电抗；cd为输出侧电容、rd为逆变器的等效电阻；开关频率fsw为350hz；采样频率fs为20khz；公共耦合点(pointofcommoncoupling,pcc)电压为vn。

电路而定参数如表1所示：

表1单相整流器参数

通过推导，crh3型车的单个整流器输入阻抗表达式为：

其中：

z41＝z42＝0；

对于电压vn、电流in的相应频率下经过fft计算频谱系数的示意图如图5；将提取计算的频谱系数代入阻抗表达式验证测量结果：

通过频率扫描法，fp取值以5hz为步长，计算从fp等于5hz到fp等于100hz(其中fp≠50、100hz)扰动频率注入下计算σ1、σ2、σ3、σ4的模长如表2；精度ε＝0.3；分别对fp＝10hz和fp＝60hz的两种扰动电压源注入电路后，计算的阻抗表达式的误差结果σ1、σ2、σ3、σ4绘制在复平面图中如图6、7所示，这些点分布在以原点为中心，0.3为半径的圆中，因此|σ1|、|σ2|、|σ3|、|σ4|均小于0.3，说明阻抗模型正确。

表2仿真计算结果

从表2数据看出，当注入扰动频率为fp+f1＝55hz时，计算|σ3|为0.3096，其他扰动频率注入后计算的|σ1|、|σ2|、|σ3|、|σ4|均小于0.3，可见模型建立正确，测量方法准确。

本发明方法适用于测量所有单相整流器系统阻抗模型的验证，并解决了信号负频率求取频谱系数的问题。