一种高压大功率直流系统宽频信号发生装置及控制方法

本发明属于电力电子，涉及一种高压大功率直流系统宽频信号发生装置及控制方法。

背景技术：

1、电力电子技术的飞速发展极大的方便了电能的变换，因而广泛的应用于工业生产、交通运输、电力系统以及日常生活中。随着近些年风力发电、光伏发电等新能源的发展，原来越多的发电设备通过电力电子装置接入系统，这些装置的接入给系统的稳定性带来了一些问题，曾多次诱发系统发生低频振荡现象。

2、现有技术中文献《分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析》(佟强等.中国电机工程学报,2011年)从原理上对系统低频振荡的成因进行了探究，发现系统低频振荡是由于电力电子设备引入负阻抗的原因导致的，因此将系统的稳定性问题转移到了系统阻抗特性的研究。

3、目前，宽频阻抗特性的测量大部分集中在低压小功率场合，高压大功率场合研究并不充分，而且集中于交流系统，中高压直流系统研究空缺。宽频信号发生装置作为宽频阻抗测量的核心装备，其性能关乎阻抗测量结果的准确性，因此，急需设计一套高精度宽频信号发生装置。

技术实现思路

1、本发明的技术方案用于解决直流系统宽频阻抗测量中扰动信号生成的问题，为直流系统阻抗特性的测量提供技术支撑。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、一种高压大功率直流系统宽频信号发生装置，包括：主电路以及控制电路；所述主电路包括：n个子模块sm1、sm2…smn，滤波电感l，子模块sm1、sm2…smn依次串联级联后再与滤波电感l串联，最后与直流系统相连；所述控制电路包括：外环pi控制单元、内环自适应pir控制单元、均压控制单元以及载波移相调制器(19)；所述外环pi控制单元包括：减法器(10)、比例积分控制器(11)、加减法器(12)；所述内环自适应pir控制单元包括：自适应pir控制器(13)、加法器(14)、前馈量计算单元(15)；所述均压控制单元包括：鉴向单元(16)以及n个相同的均压支路，每个均压支路中均包括：减法器(10)、加法器(14)、比例控制器(17)、乘法器(18)；所述外环pi控制单元中的减法器(10)的一个输入端输入参考电压vref、另一个输入端输入电压平均值vave、输出端与比例积分控制器(11)的输入端连接，比例积分控制器(11)的输出端与加减法器(12)的第一个输入端连接、加减法器(12)的第二个输入端输入正弦指令信号、加减法器(12)的第三个输入端输入滤波电感l的电流i1、加减法器(12)的输出端与自适应pir控制器(13)的输入端连接，自适应pir控制器(13)的输出端与内环自适应pir控制单元中的加法器(14)的一个输入端连接，前馈量计算单元(15)的输出端与内环自适应pir控制单元中的加法器(14)的另一个输入端连接，前馈量计算单元(15)的两个输入端分别输入直流系统的电压vdc以及子模块电压之和vsum，每个均压支路中的减法器(10)的一个输入端分别对应输入电容电压vc1、vc2…vcn，每个均压支路中的减法器(10)的另一个输入端均输入电压平均值vave，每个均压支路中的减法器(10)的输出端均对应与该均压支路中的比例控制器(17)的输入端连接，每个均压支路中的比例控制器(17)的输出端对应与该均压支路中的乘法器(18)的一个输入端连接，每个均压支路中的乘法器(18)的另一个输入端均与鉴向单元(16)的输出端连接，鉴向单元(16)的输入端输入滤波电感l的电流i1，每个均压支路中的乘法器(18)的输出端与该均压支路中的加法器(14)的一个输入端连接，每个均压支路中的加法器(14)的另一个输入端均与内环自适应pir控制单元中的加法器(14)的输出端连接，每个均压支路中的加法器(14)的输出端对应与载波移相调制器(19)的输入端连接，载波移相调制器(19)的输出端分别对应与n个子模块sm1、sm2…smn连接。

4、进一步地，所述比例积分控制器(11)包括：第一pi控制器(111)以及第二pi控制器(112)，第一pi控制器(111)以及第二pi控制器(112)根据切换条件进行切换使用，切换条件为：当输出频率为1～10hz时采用第一pi控制器(111)，10～1000hz采用第二pi控制器(112)。

5、进一步地，所述子模块采用半桥拓扑，所述半桥拓扑包括：第一igbt、第二igbt以及电容c，第一igbt的集电极与电容c的正极相连，第一igbt的发射极与第二igbt的集电极相连，并作为半桥拓扑的输出正端子，第二igbt的发射极与电容c的负极相连，并作为子模块的输出负端子。

6、一种应用于所述高压大功率直流系统宽频信号发生装置的控制方法，包括以下步骤：

7、步骤(1)：采集直流系统的电压vdc、n个子模块sm1、sm2…smn的电容电压vc1、vc2…vcn以及滤波电感l的电流i1；

8、步骤(2)：根据步骤(1)采集的各个子模块的电容电压计算电压平均值vave；

9、步骤(3)：将参考电压vref与电压平均值vave输入减法器(10)作差，并将误差信号输入比例积分控制器(11)中；

10、步骤(4)：比例积分控制器(11)的输出信号通过加减法器(12)与正弦指令信号相加并与滤波电感l的电流i1作差后作为自适应pir控制器(13)的输入；

11、步骤(5)：将直流系统的电压vdc与子模块电压之和vsum输入前馈量计算单元(15)后计算得到前馈量cff；

12、步骤(6)：将自适应pir控制器(13)的输出与前馈量cff相加后作为控制输出分量；

13、步骤(7)：各子模块的电容电压vc1、vc2…vcn与电压平均值vave分别输入到对应的减法器(10)中作差，误差信号经过比例控制器(17)后输入到对应的乘法器(18)中，再与鉴向单元(16)的输出相乘后作为模块均压分量；

14、步骤(8)：将步骤(6)的控制输出分量与步骤(7)的模块均压分量共同输入到对应的加法器(14)中相加后作为调制信号，经过载波移相调制器(19)后得到各个子模块的驱动信号d1、d2、d3…dn。

15、进一步地，所述自适应pir控制器(13)的传递函数为：

16、

17、其中，kp为比例系数、ki为积分系数、kr为谐振增益、ωc为谐振频宽、ω0为谐振频率。

18、进一步地，所述前馈量计算单元(15)的计算前馈量cff的公式如下：

19、

20、其中：

21、

22、其中，vcj代表第j个子模块的电容电压，j＝1、2、3…n。

23、进一步地，所述鉴向单元(16)的输出由以下公式表示：

24、

25、其中，out表示鉴向单元(16)的输出。

26、本发明的优点在于：

27、(1)本发明的装置包括n个子模块、滤波电感以及对应的控制电路，控制电路采用电压电流双闭环控制以及子模块的均压控制环节，其中外环电压采用pi控制器，电流内环采用自适应pir控制器，电流内环采用自适应pir控制器，控制器根据输出电流的频率自适应的调整pir控制器参数，实现了在1～1000hz较宽频率范围的正弦信号无静差跟踪，提高了输出信号的效果，满足了装置的宽频的需求，能够广泛的应用于各种电压等级直流系统的阻抗测量；

28、(2)子模块采用半桥结构，相较于全桥结构，igbt使用数量减半，在满足需求的同时成本低；

29、(3)前馈量计算单元的计算前馈量cff的作用是为了提高系统的动态性能，将前馈量cff通过开环的方式加入控制环节，减小控制器积分环节的负担。