一种三相交流电路阻抗测试系统及方法与流程

本发明属于阻抗测试技术领域，具体涉及一种三相交流电路阻抗测试系统及方法。

背景技术：

分布式供电系统具有可靠性高、易于实现模块化和便于维护等优点，越来越受到业界的推崇和欢迎，广泛应用于航天器、舰船、通讯基站以及大型计算机供电系统。在分布式供电系统中，各设备由不同的供应商独立设计，设计时仅仅保证自身的稳定运行，当级联成一个系统时，由于恒功率负载的负输入阻抗特性往往导致系统性能下降甚至出现系统不稳定现象。

阻抗稳定性判据广泛应用于直流系统中。在研究空间站电源系统时，fredc.lee教授针对直流系统阻抗稳定性分析做了大量的研究工作，提出了直流系统阻抗中测量的方法直流系统存在确定的直流工作点，可以直接测量端口阻抗，也可以利用商业化的测试设备来获得直流系统的端口特性，比如安捷伦公司的网络分析仪。对于交流系统，由于交流端口的电压、电流信号是时变的，因此不存在直流工作点，需要进行坐标变换，将三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系，即需要在dq坐标系下测量交流系统的输入输出阻抗。坐标变换需要利用交流系统的旋转角度，旋转角度一般通过锁相环获得，但是扰动信号会影响锁相环的精度，进而影响测量的结果。另一方面，由于dq坐标系为虚拟坐标系，三相交流电路无法直接在该坐标系下进行信号分析以及后续的测试。

研究三相交流电路的稳定性离不开阻抗的测量，因此研究三相交流电路的阻抗的测试原理对于研究三相交流电路的稳定性分析具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计新颖合理、实现方便、能够方便准确地测试三相交流阻抗的三相交流电路阻抗测试系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三相交流电路阻抗测试系统，包括依次连接的扰动信号注入模块、信号处理模块和信号放大模块，以及与信号处理模块的输入端连接的信号检测模块、与信号处理模块的输出端连接的频率响应测量模块和与频率响应测量模块连接的阻抗计算模块；所述扰动信号注入模块用于产生用于注入三相交流电路的dq坐标系下的扰动信号，并将扰动信号传输给频率响应测量模块和信号处理模块；所述信号处理模块用于将扰动信号注入模块输出的dq坐标系下的扰动信号转换为abc三相交流信号输出给信号放大模块，用于通过锁相环对信号检测模块测量的电源电压信号进行处理得到dq变换用到的相角θ的值，并用于采用dq变换将信号检测模块测量的端口响应信号从abc坐标系变换至dq坐标系下；所述信号放大模块用于对信号处理模块输出的扰动信号进行放大后注入三相交流电路中；所述信号检测模块用于测量电源电压信号和abc坐标系下的端口响应信号，并对信号进行滤波调理；所述频率响应测量模块用于通过dq坐标系下的扰动信号和端口响应信号得到相应的频率响应并输出给阻抗计算模块；所述阻抗计算模块用于计算得到三相交流电路的阻抗。

上述的一种三相交流电路阻抗测试系统，所述扰动信号注入模块和频率响应测量模块由网络分析仪构成。

上述的一种三相交流电路阻抗测试系统，所述信号处理模块包括fpga板卡。

上述的一种三相交流电路阻抗测试系统，所述fpga板卡为niusb-7845r多功能数据采集卡。

上述的一种三相交流电路阻抗测试系统，所述信号放大模块包括功率放大器。

上述的一种三相交流电路阻抗测试系统，所述阻抗计算模块包括计算机。

本发明还提供了一种针对三相交流电路阻抗测试中dq轴下信号难以处理和分析这一情况，提出了基于fpga的交流系统阻抗测试方案，能有效处理测试信号以及最后的测试结果分析，能够方便、准确地测试三相交流阻抗的三相交流电路阻抗测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、由扰动信号注入模块产生扰动信号，并将扰动信号传输给频率响应测量模块和信号处理模块；

步骤二、信号处理模块调用dq坐标系到abc坐标系的信号处理模块，将扰动信号注入模块产生的dq坐标系下的扰动信号转换为abc三相交流信号，再输出给信号放大模块；

步骤三、信号放大模块对信号处理模块输出的扰动信号进行放大后注入三相交流电路中；

步骤四、信号检测模块测量电源电压信号和端口响应信号，并对信号进行滤波调理后输出给信号处理模块；

步骤五、信号处理模块通过锁相环对电源电压信号进行处理得到dq变换用到的相角θ的值，再采用dq变换将端口响应信号从abc坐标系变换至dq坐标系下；

步骤六、频率响应测量模块通过dq轴下的扰动信号和端口响应信号得到相应的频率响应并输出给阻抗计算模块；

步骤七、由扰动信号注入模块产生两个不同的扰动信号，重复执行八次步骤一至步骤六，从而得到两个不同扰动信号对应的端口电流和电压数据组，所述阻抗计算模块根据两个不同扰动信号对应的端口电流和电压数据组计算得到三相交流电路的阻抗。

上述的方法，所述扰动信号注入模块和频率响应测量模块由网络分析仪构成，所述信号处理模块包括fpga板卡，所述信号放大模块包括功率放大器，所述阻抗计算模块包括计算机。

上述的方法，步骤六中网络分析仪通过dq轴下的扰动信号和端口响应信号得到相应的频率响应并存储为excel文件，步骤七中计算机根据两个不同扰动信号对应的端口电流和电压数据组计算得到三相交流电路的阻抗时，先将excel文件导入matlab软件中，再利用frd函数将频率响应数据创建为频率响应数据模型，再通过fitfrd函数将频率响应数据模型拟合成状态空间模型，再根据状态空间模型计算得到三相交流电路的阻抗。

上述的方法，所述状态空间模型的表达式为：

其中，ud1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电压响应在d轴上的分量，uq1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电压响应在q轴上的分量，ud2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电压响应在d轴上的分量，uq2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电压响应在q轴上的分量，id1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电流响应在d轴上的分量，iq1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电流响应在q轴上的分量，id2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电流响应在d轴上的分量，iq2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电流响应在q轴上的分量；zdd表示d轴的阻抗，zdq表示d轴与q轴的耦合阻抗，zqd表示q轴与d轴的耦合阻抗，zqq表示q轴的阻抗；

根据公式(f1)得到三相交流电路(11)的阻抗的解为：

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的三相交流电路阻抗测试系统采用了模块化的设计，结构简单，设计新颖合理，实现方便。

2、本发明的三相交流电路阻抗测试系统，采用网络分析仪实现扰动信号注入模块，能够注入扫频正弦波，其频率范围、幅值都可变，并且具有信号隔离效果。

3、本发明的三相交流电路阻抗测试系统，采用网络分析仪实现扰动信号注入模块和频率响应测量模块，网络分析仪的功能完备，简化了系统结构。

4、本发明的三相交流电路阻抗测试系统，采用fpga板卡实现信号处理模块，fpga板卡具有可视化界面，在该可视化界面上设置了信号的增益控制项，能够根据需求调节扰动信号的幅值大小，能够实现dq坐标系信号与abc三相交流信号的相互转化，能在线调节锁相环的参数，还能实时监测信号的变化以及信号越限报警等功能。

5、本发明的三相交流电路阻抗测试方法，针对三相交流电路阻抗测试中dq轴下信号难以处理和分析这一情况，提出了基于fpga的交流系统阻抗测试方案，能有效处理测试信号以及最后的测试结果分析，能够方便、准确地测试三相交流阻抗。

6、本发明对于研究三相交流电路的稳定性分析具有重要意义，实用性强，推广应用价值高。

综上所述，本发明的设计新颖合理，能够方便、准确地测试三相交流阻抗，对于研究三相交流电路的稳定性分析具有重要意义，实用性强，推广应用价值高。

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。

附图说明

图1为本发明三相交流电路阻抗测试系统的电路原理框图。

图2为本发明三相交流电路阻抗测试系统具体实施的电路连接关系示意图。

图3为本发明fpga板卡的可视化界面的示意图。

图4为本发明三相交流电路阻抗测试方法的方法流程框图。

图5a为本发明方法测试得到的阻抗zdd的测试值与理论值的波形对比图。

图5b为本发明方法测试得到的阻抗zdq的测试值与理论值的波形对比图。

图5c为本发明方法测试得到的阻抗zqd的测试值与理论值的波形对比图。

图5d为本发明方法测试得到的阻抗zqq的测试值与理论值的波形对比图。

附图标记说明:

1—扰动信号注入模块；2—信号处理模块；3—信号放大模块；

4—信号检测模块；5—频率响应测量模块；6—阻抗计算模块；

7—网络分析仪；8—fpga板卡；9—功率放大器；

10—计算机；11—三相交流电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明的三相交流电路阻抗测试系统，包括依次连接的扰动信号注入模块1、信号处理模块2和信号放大模块3，以及与信号处理模块2的输入端连接的信号检测模块4、与信号处理模块2的输出端连接的频率响应测量模块5和与频率响应测量模块5连接的阻抗计算模块6；所述扰动信号注入模块1用于产生用于注入三相交流电路11的dq坐标系下的扰动信号，并将扰动信号传输给频率响应测量模块5和信号处理模块2；所述信号处理模块2用于将扰动信号注入模块1输出的dq坐标系下的扰动信号转换为abc三相交流信号输出给信号放大模块3，用于通过锁相环对信号检测模块4测量的电源电压信号进行处理得到dq变换用到的相角θ的值，并用于采用dq变换将信号检测模块4测量的端口响应信号从abc坐标系变换至dq坐标系下；所述信号放大模块3用于对信号处理模块2输出的扰动信号进行放大后注入三相交流电路11中；所述信号检测模块4用于测量电源电压信号和abc坐标系下的端口响应信号，并对信号进行滤波调理；所述频率响应测量模块5用于通过dq坐标系下的扰动信号和端口响应信号得到相应的频率响应并输出给阻抗计算模块6；所述阻抗计算模块6用于计算得到三相交流电路11的阻抗。

本实施例中，如图2所示，所述扰动信号注入模块1和频率响应测量模块5由网络分析仪7构成。

具体实施时，所述扰动信号注入模块1产生的用于注入三相交流电路11的dq坐标系下的扰动信号为电压信号，所述信号检测模块4测量的端口响应信号为电流响应信号。

采用网络分析仪7能够注入扫频正弦波，其频率范围、幅值都可变，并且具有信号隔离效果。

本实施例中，如图2所示，所述信号处理模块2包括fpga板卡8。优选地，所述fpga板卡8为niusb-7845r多功能数据采集卡。该fpga板卡具有可视化界面，如图3所示，在该可视化界面上设置了信号的增益控制项，能够根据需求调节扰动信号的幅值大小，能够实现dq坐标系信号与abc三相交流信号的相互转化，能在线调节锁相环的参数，还能实时监测信号的变化以及信号越限报警等功能。

本实施例中，如图2所示，所述信号放大模块3包括功率放大器9。

本实施例中，如图2所示，所述阻抗计算模块6包括计算机10。

如图4所示，本发明的三相交流电路11阻抗测试方法，包括以下步骤：

步骤一、由扰动信号注入模块1产生扰动信号，并将扰动信号传输给频率响应测量模块5和信号处理模块2；

步骤二、信号处理模块2调用dq坐标系到abc坐标系的信号处理模块2，将扰动信号注入模块1产生的dq坐标系下的扰动信号转换为abc三相交流信号，再输出给信号放大模块3；

步骤三、信号放大模块3对信号处理模块2输出的扰动信号进行放大后注入三相交流电路11中；

步骤四、信号检测模块4测量电源电压信号和端口响应信号，并对信号进行滤波调理后输出给信号处理模块2；

步骤五、信号处理模块2通过锁相环对电源电压信号进行处理得到dq变换用到的相角θ的值，再采用dq变换将端口响应信号从abc坐标系变换至dq坐标系下；

步骤六、频率响应测量模块5通过dq轴下的扰动信号和端口响应信号得到相应的频率响应并输出给阻抗计算模块6；

步骤七、由扰动信号注入模块1产生两个不同的扰动信号，重复执行八次步骤一至步骤六，从而得到两个不同扰动信号对应的端口电流和电压数据组，所述阻抗计算模块6根据两个不同扰动信号对应的端口电流和电压数据组计算得到三相交流电路11的阻抗。

本实施例中，所述扰动信号注入模块1和频率响应测量模块5由网络分析仪7构成，所述信号处理模块2包括fpga板卡8，所述信号放大模块3包括功率放大器9，所述阻抗计算模块6包括计算机10。

本实施例中，步骤六中网络分析仪7通过dq轴下的扰动信号和端口响应信号得到相应的频率响应并存储为excel文件，步骤七中计算机10根据两个不同扰动信号对应的端口电流和电压数据组计算得到三相交流电路11的阻抗时，先将excel文件导入matlab软件中，再利用frd函数将频率响应数据创建为频率响应数据模型，再通过fitfrd函数将频率响应数据模型拟合成状态空间模型，再根据状态空间模型计算得到三相交流电路11的阻抗。

本实施例中，所述状态空间模型的表达式为：

其中，ud1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电压响应在d轴上的分量，uq1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电压响应在q轴上的分量，ud2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电压响应在d轴上的分量，uq2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电压响应在q轴上的分量，id1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电流响应在d轴上的分量，iq1表示第一个扰动信号对应的第一种端口电流响应在q轴上的分量，id2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电流响应在d轴上的分量，iq2表示第二个扰动信号对应的第二种端口电流响应在q轴上的分量；zdd表示d轴的阻抗，zdq表示d轴与q轴的耦合阻抗，zqd表示q轴与d轴的耦合阻抗，zqq表示q轴的阻抗；

根据公式f1得到三相交流电路11的阻抗的解为：

为了验证本发明能够产生的技术效果，以三相rl网络电路为例，绘制了本发明方法测试得到的阻抗的测试值与理论值的对比图如图5a-5d所示，测试得到的阻抗zdd、zdq、zqd、zqq与理论算出的阻抗值吻合度很高，只是在耦合项zdq、zqd处测试结果与理论结果存在一些差距，分析其误差来源为：一方面是由于zdq、zqd的幅值偏小，对误差较为敏感，另一方面误差是在仿真计算过程和参数辨识过程中引入的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。