一种三相交流系统的阻抗的测量方法和装置与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种三相交流系统的阻抗的测量方法和装置。

背景技术：

电力电子技术日益深入电能的生产与处理领域，其影响日益不能忽视。电力电子变流器与电力系统相互作用，带来了一些新风险，其中就有稳定性问题。

具有恒功率负载特性的电力电子变流器，其输入端呈现负阻抗特性，从而可能会导致系统的不稳定。大型的电网是可以承受这些负阻抗特性的，然而很多小型的电力系统却不能，比如航天器，船舶，混合动力车，以及微型电网系统。这些小型的系统在工业以及民用领域会越来越普及，这使得我们必须能够通过预测和测试以确保它们的安全运行。

在工程实践中，伴随着对大功率设备的使用，电力电子模块的互联也越来越多的出现在实际应用中。单个模块单独工作的时候，其工况相对简单，模块的稳定性也是在这种情况下进行设计。但是互联之后，不仅存在模块与源和负载之间的影响，还同时存在模块相互间的影响，这就会导致原本单独工作时稳定的模块在互联时发生不稳定的现象。

针对互联系统的稳定性问题，阻抗判据率先被提了出来，阻抗判据是指当源模块的输出阻抗与负载模块的输入导纳的乘积不超出单位圆，整个系统就是稳定的。从那时起，很多基于阻抗的稳定性判据被建立起来。而上述判据均依赖于阻抗的准确测量。

直流系统的阻抗测量方法是通过向直流系统注入不同频率的小信号扰动，然后测量与扰动同频率的电压电流相应，再经过处理就得到了所需频段的阻抗 或导纳。

然而对于一个交流系统，系统的工作点是时变的，这使得小信号扰动的方法难以施行。但是对于三相平衡的交流系统来说，如果通过帕克(Park)变换，将系统变换到旋转坐标下，那么该平衡系统的各个变量就成了直流量，系统有了稳定的工作点，因此，可以仿照直流系统的经验，在这个工作点周围施加小信号扰动，从而实现在旋转dqo坐标系下对三相交流系统阻抗的测量。

目前，在对三相交流系统阻抗的测量中会引入频率检测环节，通过实时地获取网络分析仪的扫频频率，从而实现了现有的线间注入法与网络分析仪的结合，在保证了充分利用网络分析仪功能的同时，又引入了线间注入法只需要一个外接扰动源的优势。然而，由于扫频频率处于变化之中，频率的检测存在延时，这会影响阻抗检测的准确性。

综上所述，目前在对三相交流系统阻抗的测量中引入了频率检测环节，而由于扫频频率处于变化之中，频率的检测存在延时，这会影响阻抗检测的准确性。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种三相交流系统的阻抗的测量方法和装置，用以解决目前在对三相交流系统阻抗的测量中由于引入了频率测量环节，因此，扫频频率处于变化中，而频率的检测存在延时，从而影响阻抗检测的准确性的问题。

基于上述问题，本发明实施例提供的一种三相交流系统的阻抗的测量方法，包括：

采用控制信号控制电流扰动源向所述三相交流系统输出扰动信号；所述电流扰动源设置在所述三相交流系统的源模块与所述三相交流系统的负载模块的分界处的b相和c相之间；所述控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的x轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的y轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；

根据所述分界处的与所述扫频信号的频率相同的y轴电流、d轴电压和q轴电压确定所述三相交流系统的阻抗中的分量；

其中，当x轴为dqo坐标系中的d轴时，y轴为dqo坐标系中的q轴；当x轴为dqo坐标系中的q轴时，y轴为dqo坐标系中的d轴。

本发明实施例提供的一种三相交流系统的阻抗的测量装置，包括：

控制模块，用于采用控制信号控制电流扰动源向所述三相交流系统输出扰动信号；所述电流扰动源设置在所述三相交流系统的源模块与所述三相交流系统的负载模块的分界处的b相和c相之间；所述控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的x轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的y轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；

确定模块，用于根据所述分界处的与所述扫频信号的频率相同的y轴电流、d轴电压和q轴电压确定所述三相交流系统的阻抗中的分量；

其中，当x轴为dqo坐标系中的d轴时，y轴为dqo坐标系中的q轴；当x轴与dqo坐标系中的q轴时，y轴为dqo坐标系中的d轴。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法和装置，采用控制信号控制设置在三相交流系统的源模块与负载模块的分界处的b相和c相之间的电流扰动源向三相交流系统输出扰动信号，其中，控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的x轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的y轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；然后根据分界处的与所述扫频信号的频率相同的y轴电流、d轴电压和q轴电压确定所述三相交流系统的阻抗中的分量；其中，当x轴为dqo坐标系中的d轴时，y轴为dqo坐标系中的q轴；当x轴与dqo坐标系中的q轴时，y轴为dqo坐标系中的d轴。因此，当扫频信号的频率改变时，电流扰动源输出的扰动的频率也在改变，最终根据d轴电压、q轴电压和y轴电流确 定的三相交流系统的阻抗中的分量是三相交流系统在频率等于扫频信号的频率时的阻抗的分量，也就是说，通过改变扫频信号的频率，就可以测量三相交流系统在不同频率时的阻抗。因此，本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法不需要引入频率测量环节，因此，避免了由于频率检测存在延时所导致的阻抗检测不准确的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法的流程图之一；

图2为本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法的流程图之二；

图3为本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法应用在实际中时的实体框图；

图4为LRC网络的结构示意图；

图5a～图5d为采用本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法测量图4所示的LRC网络的阻抗时得到的各个分量的幅度随频率变化的曲线以及相位随频率变化的曲线；

图6为本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量装置的结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种三相交流系统的阻抗的测量方法和装置，采用控制信号控制设置在三相交流系统的源模块与负载模块的分界处的b相和c相之间的电流扰动源向三相交流系统输出扰动信号，其中，控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的x轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的y轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量，；然后根据检测到的分界处的与所述扫频信号的频率相同的 y轴电流、d轴电压和q轴电压确定所述三相交流系统的阻抗中的分量，从而可以通过改变扫频信号的频率，来确定不同频率时三相交流系统的阻抗，该方法不需要引入频率测量环节，因此，避免了由于频率检测存在延时所导致的阻抗检测不准确的问题。

下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种三相交流系统的阻抗的测量方法和装置的具体实施方式进行说明。

本发明实施例提供的一种三相交流系统的阻抗的测量方法，如图1所示，包括：

S101、采用控制信号控制电流扰动源向所述三相交流系统输出扰动信号；所述电流扰动源设置在所述三相交流系统的源模块与所述三相交流系统的负载模块的分界处的b相和c相之间；所述控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的x轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的y轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；

S102、根据所述分界处的与所述扫频信号的频率相同的y轴电流、d轴电压和q轴电压确定所述三相交流系统的阻抗中的分量；

其中，当x轴为dqo坐标系中的d轴时，y轴为dqo坐标系中的q轴；当x轴为dqo坐标系中的q轴时，y轴为dqo坐标系中的d轴。

三相交流系统按照能否独立工作划分为两部分：源模块和负载模块，其中，能独立工作的部分为源模块，不能独立工作的部分为负载模块。

也就是说，在S101中，若控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的d轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的q轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；则在S102中可以得到三相交流系统的阻抗中的Z_dq和Z_qq，其中，Z_dq＝v_d/i_q，Z_qq＝v_q/i_q，其中，v_d为三相交流系统的源模块与负载模块的分界处的与扫频信号的频率相同的d轴电压，v_q为三相交流系统的源模块与负载模块的分界处的 与扫频信号的频率相同的q轴电压，i_q为三相交流系统的源模块与负载模块的分界处的与扫频信号的频率相同的q轴电流。

在S101中，若控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的q轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的d轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；则在S102中可以得到三相交流系统的阻抗中的Z_dd和Z_qd，其中，Z_dd＝v_d/i_d，Z_qd＝v_q/i_d，其中，i_d为三相交流系统的源模块与负载模块的分界处的与扫频信号的频率相同的d轴电流。

也就是说，如果要得到三相交流系统的阻抗中的所有的分量，即Z_dq、Z_qq、Z_dd和Z_qd，就必须执行两次S101～S102。

若第一次执行S101～S102时，设置在源模块和负载模块的分界处的b相和c相之间的电流扰动源向三相交流系统注入的扰动信号的波形为：

第二次执行S101～S105时，设置在源模块和负载模块的分界处的b相和c相之间的电流扰动源向三相交流系统注入的扰动信号的波形为：

其中，i_{inj_1}为第一次执行S101～S105时电流扰动源向三相交流系统注入的扰动信号，i_{inj_2}为第二次执行S101～S105时电流扰动源向三相交流系统注入的扰动信号，ω_s为扫频信号的频率，ω_e为三相交流系统的工作频率，即工频50Hz，I_m为注入的扰动信号的幅度，θ_s为扫频信号的初始相角。

若源信号在dqo坐标系下的d轴分量是频率为ω_s的扫频信号、且所述源信号在dqo坐标系下的q轴分量和o轴分量均为零，控制信号为源信号在abc坐标系下的a相的分量，则在dqo坐标系下看来，d轴电流注入的频率成分分 别为ω_s-2ω_e和ω_s+2ω_e，q轴电流注入的频率成分为ω_s、ω_s-2ω_e和ω_s+2ω_e。而将扰动信号i_{inj_1}变换到dqo坐标系下时，可以看出，只有q轴存在与扫频信号同频的信号，也就是说，当源信号在dqo坐标系下的d轴分量是频率为ω_s的扫频信号、且所述源信号在dqo坐标系下的q轴分量和o轴分量均为零时，只有q轴的电流中存在与扫频信号同频的信号。

同理，当源信号在dqo坐标系下的q轴分量是频率为ω_s的扫频信号、且所述源信号在dqo坐标系下的d轴分量和o轴分量均为零时，只有d轴的电流中存在与扫频信号同频的信号。

进一步地，本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法如图2所示，其中，S102具体包括：

S201、检测所述分界处的a相电流、b相电流、c相电流、a相电压、b相电压、和c相电压；

S202、将检测到的a相电流、b相电流、c相电流通过abc坐标系到dqo坐标系的转换，得到多频率成分混合的y轴电流；

S203、将检测到的a相电压、b相电压、c相电压通过abc坐标系到dqo坐标系的转换，得到多频率成分混合的d轴电压和多频率成分混合的q轴电压；

S204、确定所述多频率成分混合的y轴电流中与所述扫频信号的频率相同的y轴电流，并确定所述多频率成分混合的d轴电压中与所述扫频信号频率相同的d轴电压，以及确定所述多频率成分混合的q轴电压中与所述扫频信号的频率相同的q轴电压；

S205、将确定的与所述扫频信号的频率相同的d轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的一部分分量；并将确定的与所述扫频信号的频率相同的q轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的其余分量。

其中，S202和S203之间没有时间上的先后顺序，可以先执行S202，后执行S203，也可以先执行S203，后执行S202；也可以同时执行S202和S203， 在实际中，通常通过数字处理器同时执行S202和S203。

在S205中，当y轴为d轴时，将确定的与所述扫频信号的频率相同的d轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的Z_dd，将确定的与所述扫频信号的频率相同的q轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的Z_qd；当y轴为q轴时，将确定的与所述扫频信号的频率相同的d轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的Z_dq，将确定的与所述扫频信号的频率相同的q轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的Z_qq。

当经过abc坐标系到dqo坐标系的转换后得到的多频率成分混合的d轴电压v_d、多频率成分混合的q轴电压v_q、多频率成分混合的d轴电流i_d和多频率成分混合的q轴电流i_q输入到网络分析仪的输入端时，本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法应用在实际中时的实体框图，如图3所示。

在图3中，三相交流系统的源模块为电网36，负载模块为负载37，电网36和负载37之间通过阻抗Z连接，网络分析仪31输出扫频信号v_sweep，扫频信号v_sweep作为源信号的x轴分量，源信号的y轴分量和o轴分量均为0，当x轴为d轴时，y轴为q轴，当x轴为q轴时，y轴为d轴。dqo坐标系中的源信号经过第一转换模块32转换到abc坐标系下，abc坐标系下的源信号中的a轴分量作为控制信号V_control来控制电流扰动源33在电网36和负载37的分界处的b相和c相之间向三相交流系统注入扰动信号。

在分界处检测到的a相电压、b相电压和c相电压经过第二转换模块342转换到dqo坐标系中，得到d轴电压和q轴电压，其中，得到的d轴电压和q轴电压均是多个频率成分混合后的电压；在分界处检测到的a相电流、b相电流和c相电流经过第三转换模块341转换到dqo坐标系中，得到d轴电流和q轴电流，其中，得到的d轴电流和q轴电流均是多个频率成分混合的电流。

多路选择电路35根据选择信号Index，从接收到的d轴电压和q轴电压选择一个输入到网络分析仪31的输入端的测量端子Vy，并从接收到的d轴电流 和q轴电流中选择一个输入到网络分析仪31的输入端的参考端子Vx，网络分析仪31的窄带跟踪特性可以将测量端子Vy接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分提取出来，并将参考端子Vx接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分提取出来，然后测量测量端子Vy接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分与参考端子Vx接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分的比值的幅度和相位并输出，即显示结果Vy/Vx。

由于三相交流系统的阻抗的分量有4个Z_dd、Z_dq、Z_qd和Z_qq，而网络分析仪在一次测量过程中仅能测量三相交流系统的阻抗的一个分量，因此，要测量三相交流系统的阻抗的所有分量，就需要进行4次测量。

采用图3所示的框图对三相交流系统的阻抗进行测量时，可以采用如下流程：

1)在第一次扫频过程中，向三相交流系统注入的扰动信号i_{inj_1},网络分析仪31输出的扫频信号v_sweep作为源信号的d轴分量，源信号的q轴分量和o轴分量均为0，多路选择信号index控制多路选择电路35将q轴电流输入到网络分析仪31的输入端中的参考端子Vx，并且多路选择信号index控制多路选择电路35将d轴电压输入到网络分析仪31的输入端中的测量端子Vy，网络分析仪31将测量端子Vy接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分提取出来，并将参考端子Vx接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分提取出来，然后测量测量端子Vy接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分与参考端子Vx接收到的信号中与扫频信号v_sweep同频率的成分的比值的幅度和相位并输出，即显示结果Vy/Vx，由此得到三相交流系统的阻抗的分量Z_dq。

2)多路选择信号index控制多路选择电路35将q轴电压输入到网络分析仪31的输入端中的测量端子Vy，由网络分析仪31的窄带跟踪特性可以得到三相交流系统的阻抗的分量Z_qq。

3)在第二次扫频过程中，向三相交流系统注入的扰动信号i_{inj_2},网络分析 仪31输出的扫频信号v_sweep作为源信号的q轴分量，源信号的d轴分量和o轴分量均为0，多路选择信号index控制多路选择电路35将d轴电流输入到网络分析仪31的输入端中的参考端子Vx，并且多路选择信号index控制多路选择电路35将d轴电压输入到网络分析仪31的输入端中的测量端子Vy，由网络分析仪31的窄带跟踪特性可以得到三相交流系统的阻抗的分量Z_dd。

4)多路选择信号index控制多路选择电路35将q轴电压输入到网络分析仪31的输入端中的测量端子Vy，由网络分析仪31的窄带跟踪特性可以得到三相交流系统的阻抗的分量Z_qd。

由于扫频信号v_sweep由网络分析仪输出，并且三相交流系统的阻抗的各个分量均可以由网络分析仪输出，在测量过程中仅需要外接一个电流扰动源，因此，测量平台可以得到很大的简化。

在采用本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法对图4所示的LRC网络的阻抗进行测量时，假设图4所示的LRC网络中C＝9mF,L＝10mH,R＝1Ω。

图5a中给出了三相交流系统的阻抗分量Z_dd的幅度(dB)随频率f(Hz)变化的曲线(上图)以及相位(deg)随频率f(Hz)变化的曲线(下图)，其中，实线为采用本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法进行仿真得到的结果，虚线为理论计算的结果。

图5b中给出了三相交流系统的阻抗分量Z_dq的幅度(dB)随频率f(Hz)变化的曲线(上图)以及相位(deg)随频率f(Hz)变化的曲线(下图)，其中，实线为采用本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法进行仿真得到的结果，虚线为理论计算的结果。

图5c中给出了三相交流系统的阻抗分量Z_qd的幅度(dB)随频率f(Hz)变化的曲线(上图)以及相位(deg)随频率f(Hz)变化的曲线(下图)，其中，实线为采用本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法进行仿真得到的结果，虚线为理论计算的结果。

图5d中给出了三相交流系统的阻抗分量Z_qq的幅度(dB)随频率f(Hz)变化的曲线(上图)以及相位(deg)随频率f(Hz)变化的曲线(下图)，其中，实线为采用本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法进行仿真得到的结果，虚线为理论计算的结果。

从图5a～图5d可以看出，本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法可以正确的测量三相交流系统的阻抗，并且，当本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量方法采用图3所示的测量平台时，信号的发生(即扫频信号的生成)与处理(即计算出三相交流系统的阻抗的各个分量)都由网络分析仪完成，只需要外接一个扰动源即可，因此，测量平台的结构简单。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种三相交流系统的阻抗的测量装置，由于该装置所解决问题的原理与前述三相交流系统的阻抗的测量方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的三相交流系统的阻抗的测量装置，如图6所示，包括：

控制模块61，用于采用控制信号控制电流扰动源向所述三相交流系统输出扰动信号；所述电流扰动源设置在所述三相交流系统的源模块与所述三相交流系统的负载模块的分界处的b相和c相之间；所述控制信号是在扫频信号作为源信号在dqo坐标系下的x轴分量、且所述源信号在dqo坐标系下的y轴分量和o轴分量均为零时，将dqo坐标系下的源信号转换为abc坐标系下的源信号后的a相分量；

确定模块62，用于根据所述分界处的与所述扫频信号的频率相同的y轴电流、d轴电压和q轴电压确定所述三相交流系统的阻抗中的分量；

其中，当x轴为dqo坐标系中的d轴时，y轴为dqo坐标系中的q轴；当x轴与dqo坐标系中的q轴时，y轴为dqo坐标系中的d轴。

可选地，确定模块62具体用于：检测所述分界处的a相电流、b相电流、c相电流、a相电压、b相电压、和c相电压；将检测到的a相电流、b相电流、c相电流通过abc坐标系到dqo坐标系的转换，得到多频率成分混合的y轴电 流；将检测到的a相电压、b相电压、c相电压通过abc坐标系到dqo坐标系的转换，得到多频率成分混合的d轴电压和多频率成分混合的q轴电压；确定所述多频率成分混合的y轴电流中与所述扫频信号的频率相同的y轴电流，并确定所述多频率成分混合的d轴电压中与所述扫频信号频率相同的d轴电压，以及确定所述多频率成分混合的q轴电压中与所述扫频信号的频率相同的q轴电压；将确定的与所述扫频信号的频率相同的d轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的一部分分量；并将确定的与所述扫频信号的频率相同的q轴电压和y轴电流的比值作为所述三相交流系统的阻抗中的其余分量。

可选地，确定模块62具体用于：检测所述分界处的a相电流、b相电流、c相电流、a相电压、b相电压、和c相电压；将检测到的a相电流、b相电流、c相电流通过abc坐标系到dqo坐标系的转换，得到多频率成分混合的y轴电流；将检测到的a相电压、b相电压、c相电压通过abc坐标系到dqo坐标系的转换，得到多频率成分混合的d轴电压和多频率成分混合的q轴电压；将得到的d轴电压输入到网络分析仪的输入端的测量端子，并将得到的y轴电流输入到所述网络分析仪的输入端的参考端子；将所述网络分析仪输出的与所述扫频信号的频率相同的d轴电压和与所述扫频信号的频率相同的y轴电流的比值，作为所述三相交流系统的阻抗中的一部分分量；将得到的q轴电压输入到网络分析仪的输入端的测量端子，并将得到的y轴电流输入到所述网络分析仪的输入端的参考端子；将所述网络分析仪输出的与所述扫频信号的频率相同的q轴电压和与所述扫频信号的频率相同的y轴电流的比值，作为所述三相交流系统的阻抗中的其余分量。

较佳地，所述扫频信号为网络分析仪输出的信号。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘， 移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。