改進(jìn)的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗特性測量方法

趙建勇，李晗 ，吳敏，馬潤生，趙文強(qiáng)，余紫薇

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810003）

隨著雙碳時代的到來，各行各業(yè)都在謀求和 加速綠色低碳轉(zhuǎn)型。在能源發(fā)展的新形勢下，綠色、高效、穩(wěn)定、安全的電力需求促進(jìn)了風(fēng)、光等清潔新能源的開發(fā)利用。然而，各類新能源發(fā)電設(shè)備接入電網(wǎng)后，將與電網(wǎng)、其它新能源發(fā)電設(shè)備相互作用，并可能導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的復(fù)雜振蕩現(xiàn)象[1-2]。新能源發(fā)電設(shè)備-電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)可通過阻抗模型進(jìn)行電路等效。因此，為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)新能源消納，研究分析新能源發(fā)電設(shè)備的阻抗特性、基于阻抗特性研究新能源接入電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制技術(shù)十分關(guān)鍵[3-5]。

新能源發(fā)電設(shè)備-電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于兩者阻抗關(guān)系，因此，新能源發(fā)電設(shè)備的阻抗模型是進(jìn)行穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，阻抗模型可以通過理論建模和實(shí)驗(yàn)測量兩種途徑獲得[6-7]。考慮到新能源發(fā)電設(shè)備種類繁多、控制各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)灰/黑箱化等特征，推導(dǎo)并建立各類新能源發(fā)電設(shè)備的解析阻抗模型耗時并容易出現(xiàn)錯誤，且系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)多不可知。因此，如何通過外部測量設(shè)備得到測試對象較為精確的實(shí)測阻抗特性成為近幾年的研究熱點(diǎn)[8-9]。

1 阻抗測量裝置使用現(xiàn)狀分析

根據(jù)對國內(nèi)外新能源發(fā)電裝置阻抗測量技術(shù)相關(guān)的市場調(diào)研和文獻(xiàn)查閱分析，在阻抗測量方面，國內(nèi)外目前有Venable，Omicron LAB，Keysight Technologies等廠家生產(chǎn)和配套相應(yīng)的頻率響應(yīng)分析儀/阻抗分析儀系統(tǒng)。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院為促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，保持浙江大學(xué)在新能源發(fā)電設(shè)備阻抗建模研究及電網(wǎng)穩(wěn)定性分析領(lǐng)域的領(lǐng)先步伐，于2018年購置了“Venable頻率響應(yīng)分析儀”，如圖1所示。

圖1 Venable四通道頻率響應(yīng)分析儀Fig.1 Venable four-channel frequency response analyzer

系統(tǒng)主要包括頻率信號擾動發(fā)生裝置、隔離放大器、隔離變壓器等部分。阻抗測量是由測量儀器產(chǎn)生頻率擾動信號，經(jīng)過功率放大器、隔離變壓器等環(huán)節(jié)加入被測對象所在的強(qiáng)電回路，再由頻率響應(yīng)/阻抗分析儀的測量通道測量被測對象的相關(guān)信號，并進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，通過逐頻率點(diǎn)掃描獲得一定頻率范圍內(nèi)的被測對象的頻率/阻抗特性。其原理如圖2所示。

圖2 基于頻率響應(yīng)分析儀的阻抗測量原理Fig.2 Principle of impedance measurement based on frequency response analyzer

該設(shè)備有效促進(jìn)了阻抗建模領(lǐng)域的科研發(fā)展，產(chǎn)生了多項(xiàng)科研成果。但是，在深度使用該儀器的過程中，也發(fā)現(xiàn)了多項(xiàng)問題。典型問題如：系統(tǒng)造價高、功能集成度高、開放性低、不利于針對特性各異的各類新能源發(fā)電設(shè)備開展精確的阻抗測量的試驗(yàn)等。同時，在調(diào)研和對比其他同類產(chǎn)品后發(fā)現(xiàn)，目前的新能源發(fā)電裝置阻抗測量裝備等還存在以下技術(shù)問題：

1）目前企業(yè)生成的裝置無法靈活配置、匹配被測對象特征的頻率擾動信號，對于新能源發(fā)電設(shè)備阻抗的準(zhǔn)確測量影響較大；

2）現(xiàn)有的頻率響應(yīng)/阻抗分析儀的頻率擾動信號均為單一擾動信號，在應(yīng)用于三相交流系統(tǒng)測量時具有一定的局限性；

3）現(xiàn)有的頻率響應(yīng)/阻抗分析儀在進(jìn)行逐頻率點(diǎn)掃描時，頻率擾動信號的頻率點(diǎn)來源于固定設(shè)置，因此面臨著關(guān)注頻段頻率測量間隔不足、非關(guān)注頻段測量點(diǎn)過多測試導(dǎo)致速度緩慢的問題，且擾動信號幅值相位在逐頻率點(diǎn)掃描時固定不變，存在某些頻段信噪比較低，而薄弱頻段可能激發(fā)系統(tǒng)振蕩的問題；

4）現(xiàn)有的頻率響應(yīng)/阻抗分析儀通常只能通過固定計(jì)算方式得到單輸入單輸出的頻率響應(yīng)/阻抗波特圖，而新能源發(fā)電設(shè)備特征各異，統(tǒng)一的且不可靈活配置的數(shù)據(jù)處理、信息提取方式存在著適用性受限的問題。

2 阻抗測量系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)

2.1 阻抗測量系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)選取依據(jù)

針對上節(jié)分析的問題，需要通過調(diào)研常用的各類新能源發(fā)電設(shè)備頻率響應(yīng)/阻抗測量的實(shí)際需求，總結(jié)和改進(jìn)目前頻率響應(yīng)/阻抗分析儀的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量技術(shù)，探索設(shè)計(jì)以安全可靠為原則，以精確性、快速性、靈活性和開放性為特點(diǎn)的頻率擾動信號，并安全穩(wěn)定地驅(qū)動功率放大器，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電設(shè)備阻抗的準(zhǔn)確測量與分析，建立基于頻率響應(yīng)/阻抗分析儀的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量系統(tǒng)，可滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與工程應(yīng)用的實(shí)際需求，并最大化保證設(shè)備的使用壽命和系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)效益。具體可以從測量系統(tǒng)的擾動信號、測量精度以及數(shù)據(jù)處理等幾個方面進(jìn)行改進(jìn)。

現(xiàn)有Venable阻抗測量裝置為廠商最新產(chǎn)品之一，同上一代產(chǎn)品相比，實(shí)現(xiàn)了三相電路阻抗測量的功能。但是，該儀器同樣存在擾動信號輸出單一、擾動信號頻點(diǎn)固定等問題。例如：只有單一擾動信號施加通道，要求電源或電網(wǎng)三相電路完全對稱，不具備各類復(fù)雜環(huán)境下阻抗數(shù)據(jù)測量功能。因此，應(yīng)在原實(shí)驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的擾動施加電路，滿足三相不對稱等各類情況下的阻抗測量需求及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理功能，同時，為應(yīng)對各類復(fù)雜環(huán)境可能給裝置造成的故障影響，需增加必需的反饋保護(hù)裝置，保證實(shí)驗(yàn)平臺的安全性和可靠性。

2.2 阻抗測量系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)設(shè)定

新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量系統(tǒng)立足于新能源發(fā)電工程領(lǐng)域的技術(shù)需求和規(guī)范，以現(xiàn)有電力系統(tǒng)阻抗測量儀器為載體，以實(shí)現(xiàn)各類電力裝置阻抗建模的特殊數(shù)據(jù)測量需求為目標(biāo)，使原有儀器增加相應(yīng)的測量功能，適應(yīng)于新能源發(fā)電設(shè)備阻抗建模的特殊科研需求。因此，系統(tǒng)在改進(jìn)設(shè)計(jì)時可以參考如圖3所示的思路。

圖3 測量系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)思路圖Fig.3 The improvement design of the measurement system

本系統(tǒng)的構(gòu)建以原實(shí)驗(yàn)平臺為載體，基于頻率響應(yīng)測量與分析技術(shù)，總體結(jié)構(gòu)包括上層數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、中間層軟件控制系統(tǒng)和底層阻抗測量硬件裝置系統(tǒng)3個部分。其中，底層阻抗測量硬件裝置系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集單元、頻率擾動信號發(fā)生單元、功率放大器單元、隔離變壓器單元。中間層軟件控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊、三路可編程頻率擾動信號控制模塊、反饋控制模塊等。為了提升靈活性和開放性，打造良好的用戶友好體驗(yàn)，還配置了上層數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，具體由系統(tǒng)監(jiān)控單元和人機(jī)交互控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)測量指令由用戶靈活配置、測量結(jié)果多類型展示。

3 阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)方案

3.1 阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要依托于現(xiàn)有頻率響應(yīng)分析儀、功率放大器與隔離變壓器裝置系統(tǒng)，以新能源發(fā)電設(shè)備為研究對象，基于頻率響應(yīng)測量與分析技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)施新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括軟件、硬件、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及阻抗測量計(jì)算幾部分。

3.1.1 設(shè)計(jì)功能模塊

從精確性、快速性、靈活性和開放性的要求出發(fā)，設(shè)計(jì)軟件控制系統(tǒng)的功能模塊。功能模塊主要包括對現(xiàn)有頻率響應(yīng)分析儀改進(jìn)后的數(shù)據(jù)處理模塊、頻率擾動信號控制模塊與反饋控制模塊。具體的，通過改進(jìn)三路可編程信號的控制策略，實(shí)現(xiàn)用戶個性化的頻率擾動信號的靈活配置，滿足各類特征各異的三相新能源發(fā)電系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性/阻抗特性的準(zhǔn)確測量需求；充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有的硬件采樣資源的作用，進(jìn)行擾動電壓的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而避免因頻率擾動激發(fā)被測系統(tǒng)振蕩而造成的設(shè)備損壞等安全穩(wěn)定問題。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)單元模塊

從系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行原則出發(fā)，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)各單元模塊。在硬件模塊中，數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)對被測對象電壓電流信息采集；頻率擾動信號發(fā)生單元產(chǎn)生所設(shè)定的頻率擾動控制信號輸出，并驅(qū)動功率放大器；功率放大器與隔離變壓器串接，則經(jīng)過功率放大器放大的頻率擾動信號可通過隔離變壓器加入被測對象所在的強(qiáng)電回路。由此可見，硬件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、硬件驅(qū)動、信號放大與擾動注入等功能。

3.1.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個單元之間的信息實(shí)時采集和控制信號傳遞，采用分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換以及人機(jī)交互控制。為了保證控制信號與強(qiáng)電回路的隔離，頻率擾動信號控制系統(tǒng)與擾動信號發(fā)生單元采用串行外圍設(shè)備接口（serial peripheral interface，SPI）通信，并通過四通道驅(qū)動12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）用于產(chǎn)生可編程的三路可編程的雙極性擾動信號。系統(tǒng)監(jiān)控單元主機(jī)與頻率擾動控制系統(tǒng)通過相關(guān)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的通信傳遞，電壓電流測量信號傳輸至監(jiān)控單元主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控分析。通過在監(jiān)控單元主機(jī)開發(fā)上位機(jī)配套程序，實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)控單元與軟件控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

3.1.4 提出改進(jìn)的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗特性測量策略

目前，基于擾動注入的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量的基本思路是：當(dāng)新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)工況時，在新能源設(shè)備的穩(wěn)態(tài)正弦工作軌跡上疊加一個擾動頻率下的小信號擾動電壓，通過擾動注入硬件裝置注入待測設(shè)備，小擾動電壓會在待測新能源設(shè)備系統(tǒng)端口激發(fā)出電流響應(yīng)，對待測設(shè)備的端口電壓電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，在對采樣得到數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析和對稱分量處理，所得到的該擾動頻率下的電壓擾動與電流響應(yīng)之間的比值定義為系統(tǒng)在該頻率處的阻抗。通過改變擾動頻率，重復(fù)以上步驟進(jìn)行掃頻測量，即可得到一定范圍內(nèi)的新能源發(fā)電設(shè)備的阻抗特性。新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量的基本原理如圖4所示。

圖4 擾動注入的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量的基本原理Fig.4 The basic principle of disturbance injection impedance measurement of new energy power generation equipment

然而，在新能源發(fā)電設(shè)備阻抗研究分析中，發(fā)現(xiàn)新能源發(fā)電設(shè)備的阻抗具有耦合關(guān)系，使得傳統(tǒng)的單相序單頻率點(diǎn)的阻抗測量結(jié)果不再適用。具體的，新能源發(fā)電設(shè)備的非線性控制結(jié)構(gòu)使其具有頻率耦合的特征，體現(xiàn)為兩個頻率的阻抗相互耦合[10]。設(shè)電網(wǎng)基頻為f1，頻率耦合特征表現(xiàn)為當(dāng)在并網(wǎng)點(diǎn)施加頻率為fp的正序電壓擾動，除了產(chǎn)生同頻率的正序電流響應(yīng)分量之外，還會產(chǎn)生（fp-2f1）的負(fù)序電流響應(yīng)分量。頻率耦合特性一般由導(dǎo)納矩陣的形式來表示：

其中，Y11與Y22為序?qū)Ъ{，Y21與Y12可以表征頻率耦合程度的強(qiáng)弱，其幅值越大，則表示頻率耦合程度越強(qiáng)。

另外，當(dāng)新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行于不平衡工況時，新能源發(fā)電設(shè)備的正、負(fù)序同頻率的阻抗也存在相互耦合的關(guān)系[11]。此外，一些復(fù)雜的新能源發(fā)電設(shè)備由于其內(nèi)部的復(fù)雜諧波特性，在阻抗測量時也會存在多頻率點(diǎn)相互耦合的情況[12]。

因此，為了適應(yīng)新能源發(fā)電設(shè)備阻抗存在的相序耦合、頻率耦合特征，在進(jìn)行新能源設(shè)備阻抗特性計(jì)算時，需要設(shè)計(jì)適用于測量系統(tǒng)的新型計(jì)算方法：

由式（2）可知，測量頻率耦合導(dǎo)納矩陣需要注入兩組線性無關(guān)的擾動信號。一般的做法是，第1次注入頻率為fp的正序擾動，相應(yīng)地提取被測設(shè)備端口相同頻率的電壓與電流分量，定義為Vp，Ip。此外還要提取頻率為（fp-2f1）的負(fù)序電壓、電流分量，定義為Vp2，Ip2。第2次注入頻率為（fp-2f1）的負(fù)序擾動，提取被測設(shè)備端口電壓與電流信號中頻率為（fp-2f1）的負(fù)序分量，定義為Vn2，In2；以及頻率為fp的正序分量Vn，In。在獲得上述測量信號后，通過式（2）可測得頻率耦合導(dǎo)納矩陣的4個元素[13]。

新的計(jì)算方法不僅需要考慮處理當(dāng)前擾動頻率下的數(shù)據(jù)信息，還需要具備阻抗模型維度、耦合關(guān)系自定義的功能，根據(jù)用戶需求靈活設(shè)置處理和存儲的頻率序列。因此，需要新的阻抗測量系統(tǒng)不僅能夠靈活匹配頻率信息，還需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對阻抗的準(zhǔn)確測量。同時，為了避免測量未知特征的設(shè)備阻抗時遺漏關(guān)鍵的耦合信息，需要具備頻譜分析顯示的功能，通過圖形化界面化的方式顯示被測設(shè)備的頻率響應(yīng)特性。

3.2 阻抗測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要綜合利用信號分析與處理、控制理論和新能源發(fā)電系統(tǒng)等相關(guān)的知識和工具，針對現(xiàn)有新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量平臺設(shè)計(jì)上的不足，基于頻率響應(yīng)/阻抗分析儀研制一種新型的以安全可靠為原則，以精確性、快速性、靈活性和開放性為特點(diǎn)的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)對各類新能源發(fā)電設(shè)備頻率響應(yīng)/阻抗特性的準(zhǔn)確測量和分析。在構(gòu)建新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時，主要體現(xiàn)科研應(yīng)用與工程實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 阻抗測量系統(tǒng)實(shí)施方案思路圖Fig.5 Idea diagram of the impedance measurement system implementation plan

具體的設(shè)計(jì)技術(shù)路線如下：

1）在前期的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與方案設(shè)計(jì)階段，綜合考慮新能源發(fā)電設(shè)備的阻抗測量技術(shù)要求。首先通過廣泛調(diào)研以及查閱資料，掌握國內(nèi)外頻率響應(yīng)分析/阻抗測量技術(shù)相關(guān)工程應(yīng)用系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，通過橫向?qū)Ρ确治龈鞣N裝置和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，吸取各種裝置和控制策略的優(yōu)良性能。同時針對各類新能源發(fā)電設(shè)備的頻率響應(yīng)/阻抗特征進(jìn)行需求分析，以此為標(biāo)準(zhǔn)制定系統(tǒng)的研發(fā)目標(biāo)。基于前期調(diào)研結(jié)果進(jìn)行研究內(nèi)容和實(shí)施形式的深入探討，并根據(jù)研發(fā)目標(biāo)，統(tǒng)籌制定實(shí)驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架。

2）在中期的功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段，需要充分研究現(xiàn)有頻率響應(yīng)/阻抗分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合各類新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量的具體需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件部分、軟件部分和數(shù)據(jù)監(jiān)控部分。

系統(tǒng)硬件部分是實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)，需要從系統(tǒng)的安全可靠的運(yùn)行原則出發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、硬件驅(qū)動、信號放大與擾動注入等功能。具體的，硬件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)對被測對象電壓電流信息采集；頻率擾動信號發(fā)生單元產(chǎn)生所設(shè)定的頻率擾動控制信號輸出，并驅(qū)動功率放大器；功率放大器與隔離變壓器串接，則經(jīng)過功率放大器放大的頻率擾動信號可通過隔離變壓器加入被測對象所在的強(qiáng)電回路。

系統(tǒng)軟件部分從精確性、快速性、靈活性和開放性的要求出發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理、頻率擾動信號控制與反饋控制。具體的，通過改進(jìn)三路可編程信號的控制策略，實(shí)現(xiàn)用戶個性化的頻率擾動信號的靈活配置，滿足各類特征各異的三相新能源發(fā)電系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性/阻抗特性的準(zhǔn)確測量需求；充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有的硬件采樣資源的作用，進(jìn)行擾動電壓的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而避免因頻率擾動激發(fā)被測系統(tǒng)振蕩而造成的設(shè)備損壞等安全穩(wěn)定問題。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控部分采用分層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換以及人機(jī)交互控制。為了保證控制信號與強(qiáng)電回路的隔離，頻率擾動信號控制系統(tǒng)與擾動信號發(fā)生單元采用SPI通信，并通過四通道驅(qū)動12位DAC用于產(chǎn)生可編程的三路可編程的雙極性擾動信號。系統(tǒng)監(jiān)控單元主機(jī)與頻率擾動控制系統(tǒng)通過相關(guān)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的通信傳遞，電壓電流測量信號傳輸至監(jiān)控單元主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控分析。通過在監(jiān)控單元主機(jī)開發(fā)上位機(jī)配套程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控單元與軟件控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

3）在后期的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和測試優(yōu)化階段，主要是基于系統(tǒng)硬件、軟件、數(shù)據(jù)監(jiān)控的模塊化設(shè)計(jì)與調(diào)試結(jié)果，進(jìn)行系統(tǒng)級模塊聯(lián)調(diào)測試，以典型的多類型新能源發(fā)電設(shè)備為測試對象，對測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)案例的測試結(jié)果進(jìn)行理論分析，不斷反饋優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊實(shí)現(xiàn)，提升系統(tǒng)阻抗測量的精確性、快速性、靈活性和開放性。同時，針對系統(tǒng)試驗(yàn)測試中出現(xiàn)的異常故障，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的故障保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)能夠安全可靠運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證文中所提方法的有效性，借助實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有Venable-7001，搭建了基于擾動諧波注入法的新能源發(fā)電裝置阻抗測量實(shí)驗(yàn)平臺。設(shè)計(jì)基于STM32和AD9959芯片的擾動信號發(fā)生電路[14]，可以生成三路幅值、頻率和相位可調(diào)的獨(dú)立正弦波；設(shè)計(jì)基于USB的信號采集電路，可將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)PC存儲于Excel表格，后續(xù)可以在Matlab中對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信號波形還原和快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT），提取待求頻率下的電壓電流數(shù)據(jù)得到測量系統(tǒng)阻抗。同時，通過LabVIEW設(shè)計(jì)了與系統(tǒng)硬件平臺對應(yīng)的圖形化界面，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器以及采集電路的通信，方便用戶下達(dá)操作指令和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，操作界面簡潔，人機(jī)交互友好。

采用實(shí)驗(yàn)室無源三相RL電路作為阻抗測量對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，被測對象中，電阻阻值為9.8 Ω，電感標(biāo)稱值為26.7 mH。原阻抗測量實(shí)驗(yàn)平臺由于存在信號發(fā)生頻率固定不可靈活配置的問題，難以對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行多頻率逐點(diǎn)測量。同時其無法將測量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)絇C端進(jìn)行監(jiān)控和計(jì)算。而通過在改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺用戶界面寫入命令，即可靈活控制擾動電路輸出三路頻率、幅值、相位可調(diào)節(jié)正弦信號并通過功率放大器和隔離變壓器注入待測對象，并將實(shí)測數(shù)據(jù)通過USB傳輸至PC端進(jìn)行圖像化展示和計(jì)算。其中，三路正弦信號經(jīng)放大后幅值為10 V，相位互差120°，在1～1 000 Hz頻率范圍進(jìn)行34組實(shí)驗(yàn)。通過示波器對施加的放大信號進(jìn)行觀測，圖6為采樣得到在LabVIEW中的A相電感電壓和電阻電壓波形。實(shí)驗(yàn)采集測量得到的數(shù)據(jù)表格如表1所示。

圖6 上位機(jī)界面測量A相波形Fig.6 The A-phase waveforms measured by the upper computer interface

表1 實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental datas

計(jì)算得到電感平均值為24.8 mH，計(jì)算誤差為7.12%。繪制電感阻抗波特圖如圖7中數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。測量得到的幅頻特性基本為一條直線，相頻特性曲線在高頻段基本為水平直線，而在低頻段有明顯下垂，這是由于電感本身帶有0.55 Ω左右的電阻，而在低頻段電感阻值很低，導(dǎo)致整體呈現(xiàn)阻性，隨著頻率升高，電感阻抗增大，整體呈現(xiàn)感性。為了更好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過Matlab對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真，電感由26.7 mH的電感和0.55 Ω電阻代替，得到頻率響應(yīng)為圖7中曲線?？梢钥吹綄?shí)驗(yàn)測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。通過測量三相RL實(shí)驗(yàn)證明了本套測量系統(tǒng)確實(shí)具備產(chǎn)生三相獨(dú)立可靈活配置正弦波以及能夠?qū)﹄妷弘娏鲾?shù)據(jù)實(shí)時采集并運(yùn)算得到阻抗響應(yīng)的功能。

圖7 阻抗頻率響應(yīng)波特圖Fig.7 Bode plot of impedance frequency response

5 結(jié)論

本文分析了新能源發(fā)電裝置進(jìn)行阻抗建模的重要意義，說明了現(xiàn)有的阻抗模型建立方法及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對現(xiàn)階段廣泛使用實(shí)驗(yàn)測量建立阻抗模型方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，討論了改進(jìn)的新能源發(fā)電設(shè)備阻抗特性測量方法以及適用于新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，闡述了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目標(biāo)設(shè)定依據(jù)、設(shè)計(jì)內(nèi)容以及實(shí)現(xiàn)方案。最后結(jié)合文中討論的設(shè)計(jì)方法，依托于現(xiàn)有阻抗測量設(shè)備Venable-7001，搭建了基于擾動諧波注入法的新能源發(fā)電裝置阻抗測量實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺具備以安全可靠為原則，以精確性、靈活性和開放性為特點(diǎn)的頻率擾動信號，能夠?qū)崿F(xiàn)三路可靈活調(diào)節(jié)頻率、幅值和相位的獨(dú)立正弦波信號發(fā)射并配備安全穩(wěn)定的功率放大器和隔離變壓器以接入電網(wǎng)，采用數(shù)據(jù)采集卡可提供最多達(dá)8路差分輸入采樣，采樣精度高，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電設(shè)備阻抗的準(zhǔn)確測量與分析。同時，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的圖形化界面，方便用戶靈活配置擾動信號，監(jiān)測波形數(shù)據(jù)。

通過在實(shí)驗(yàn)平臺展開對無源三相RL電路的實(shí)驗(yàn)，測取到了電感阻抗波特圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性和有效性。新型阻抗測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及新能源發(fā)電設(shè)備阻抗測量方法的改進(jìn)，將改善現(xiàn)有阻抗測量裝置及測量方法存在的缺陷，為高?？蒲腥藛T在新能源發(fā)電系統(tǒng)及電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制等研究應(yīng)用提供平臺基礎(chǔ)，有利于開展新能源發(fā)電設(shè)備在各種場景下的阻抗建模及穩(wěn)定性控制實(shí)驗(yàn)。