CN105259414B - 一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法，包括以下步骤：(1)逆变器同步并网后，采用轴压调节法调节所述的逆变器输出电压幅值，同时调节逆变器输出频率使其与电网频率始终保持一致，并采集两个状态下的PCC点的电压值和电流值(2)计算电网阻抗值。与现有技术相比，本发明具有操作方便、测量精度高、对电能质量影响低等优点。

Description

一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种电网阻抗在线检测方法，尤其是涉及一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法。

背景技术

分布式发电系统中，并网逆变器的性能和电网阻抗密切相关，当电网阻抗较高时，并网发电系统会变得不稳定，特别是在弱电网的情况下。而且，电网阻抗随着时间和电网运行状态的变化而变化，因此精确的电网阻抗在线测量是实现并网逆变器在弱电网场合下高性能自适应控制的关键技术，此外，对电网阻抗的测量与分析还可以快速地检测出电网的故障。现有的文献提出了一些可行的方法，目前的电网阻抗测量方法主要有主动测量方式和被动测量方式。主动测量方式如注入谐波、功率扰动等，可以实现较为准确的测量电网阻抗，但这些都需向系统注入扰动，通过扰动信息获得电网阻抗值。被动测量方式不需向逆变器引入扰动，但现有的很多被动方式都存在计算量偏大且精度不高的问题，而且很难做到快速性和准确性的兼顾。总的来说，目前普遍使用的电网阻抗检测方法均存在以下问题：

1.电网阻抗影响逆变器的稳定性，其大小与逆变器的控制系统的设计密切相关；

2.电网阻抗随着时间和电网运行状态的变化而变化；

3.传统的测量方式大多是离线测量或者需要额外的硬件电路；

4.电网阻抗的主动测量方式，如功率扰动、注入谐波等，测量精度较高，但是需要加入扰动量，大规模并网下的特性还需要进一步研究；

5.电网阻抗的被动测量方式会有计算量大，测量精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作方便、测量精度高、对电能质量影响低的基于逆变器的电网阻抗在线检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法，包括以下步骤：

(1)逆变器同步并网后，采用轴压调节法调节所述的逆变器输出电压幅值，同时调节逆变器输出频率使其与电网频率始终保持一致，并采集两个状态下的PCC点的电压值和电流值

(2)计算电网阻抗值。

所述的步骤(1)中，逆变器的输出电压幅值调节过程如下：逆变器的输出电压幅值采用开环控制，将逆变器等效成一个受控电压源，则其输出电压幅值为通过调整V₁ ^*(t)调节逆变器输出电压的幅值，

其中，V₁ ^*(t)为电压调整轴，E_co为电压参考值，K_mu1为比例调节系数，θ_i为逆变器输出相角。

所述的步骤(1)中，逆变器的输出频率调节过程如下：逆变器的输出频率采用闭环控制，把电网频率和逆变器的输出频率的交叉乘积量作为控制量V_d(t)＝V_gsin(θ_g-θ_i)，逆变器的输出电压的频率为通过调整V₂ ^*(t)调节逆变器输出电压的频率，

其中，ω_co为频率参考值，K_f和K_mu2均为比例调节系数，为频率调整轴，θ_i为逆变器输出相角，V_g为电网电压，θ_g为电网输出相角，V_i为逆变器输出电压的有效值。

所述的步骤(2)具体为：根据公式(1)计算出电网阻抗

其中，为电网阻抗，分别为不同状态下PCC点的电压值， 分别为不同状态下PCC点的电流值，R_g为电网阻抗电阻值，L_g为电网阻抗电感值。

所述的步骤(1)中，将采集到的两个状态下的PCC点的电压值和电流值分解成相应的电压直轴分量、电流直轴分量、电压交轴分量和电流交轴分量，并用两个状态下的电压直轴分量、电流直轴分量、电压交轴分量和电流交轴分量分别作差得到电压直轴分量之差ΔV_d、电流直轴分量之差ΔI_d、电压交轴分量之差ΔV_q和电流交轴分量之差ΔI_q，则电网阻抗还可以这样计算：

其中，为电网阻抗，R_g为电网阻抗电阻值，L_g为电网阻抗电感值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在电压控制型并网逆变器的基础上，仅通过对逆变器输出电压幅值轻微扰动，来测量电网阻抗，与传统的电能质量扰动相比，引入的扰动小，引入的谐波分量小，对电能质量的影响低；

(2)本发明不需增加额外的设备，电网阻抗测量作为并网逆变器的一种工作模式，同时也可应用于孤岛检测；

(3)传统的电能质量扰动测量精度受到电能质量变化量的影响，本发明通过控制逆变器输出电压幅值来间接控制电能质量，而对电压幅值可以实现精确控制，从而使得测量精度更高；

(4)本发明可以实时检测电网阻抗的大小，在电网阻抗突变的情况下也可以快速准确的测量出电网阻抗；

(5)本发明扰动量引入简单、控制电路易于实现。

附图说明

图1为本申请逆变器输出频率的控制框图；

图2为基于轴压调节的电压控制型逆变器的等效电路图；

图3为本申请电网阻抗的等效模型；

图4为本申请逆变器的输出电压有效值；

图5为本申请逆变器的输出电流；

图6为本申请PCC点电压的直轴分量；

图7为本申请PCC点电压的交轴分量；

图8为本申请PCC点电流的直轴分量；

图9为本申请PCC点电流的交轴分量；

图10为本申请电网阻抗电阻值跃变时的仿真波形；

图11为本申请电网阻抗电感值跃变时的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法，包括以下步骤：

(1)逆变器同步并网后，采用轴压调节法，通过电压调整轴和频率调整轴独立控制所述的逆变器输出电压幅值和输出频率，改变电压参考值，使PCC点的电压和电流值发生变化，同时采集两个状态下的PCC点的电压值和电流值分解成相应的电压直轴分量、电流直轴分量、电压交轴分量和电流交轴分量，并用两个状态下的电压直轴分量、电流直轴分量、电压交轴分量和电流交轴分量分别作差得到电压直轴分量之差ΔV_d、电流直轴分量之差ΔI_d、电压交轴分量之差ΔV_q和电流交轴分量之差ΔI_q，此外逆变器的输出阻抗为虚拟阻抗，可以通过调节控制参数来控制输出阻抗的大小和阻感性；

逆变器的输出频率调节过程如下：逆变器的输出频率采用闭环控制，同步检测单元实时检测逆变器的输出频率，把电网频率和逆变器的输出频率的交叉乘积量作为控制量V_d(t)＝V_gsin(θ_g-θ_i)，逆变器的输出电压的频率为通过调整V₂ ^*(t)调节逆变器输出电压的频率，如图1所示为逆变器输出频率的控制框图，图中，为频率调整轴的初始值，PI为比例积分放大器，V_d(t)为逆变器输出频率分量，Z_g为电网阻抗，V_g为电网电压；

其中，ω_co为频率参考值，K_f和K_mu2均为比例调节系数，为频率调整轴，θ_i为逆变器输出相角；

逆变器的输出电压幅值调节过程如下：逆变器的输出电压幅值采用开环控制，如图2所示为基于轴压调节的电压控制型逆变器的等效电路图(图中，L_sp为逆变器网侧电感，值较小，V_fil为LCL型逆变器电容侧两端电压)，将逆变器等效成一个受控电压源，则其输出电压幅值为通过调整V₁ ^*(t)调节逆变器输出电压的幅值，

其中，V₁ ^*(t)为电压调整轴，E_co为电压参考值，K_mu1为比例调节系数，θ_i为逆变器输出相角；

逆变器的虚拟阻抗为其中，G_PWM为电流比例放大器，α和T_I为PI控制器参数，β为电流前馈系数。

如图3所示为电网阻抗的等效模型，图中，Z_g为电网阻抗，V_g为电网电压；通常情况下，与负载阻抗相比，电网阻抗较小，而且二者为并联，所以可以忽略负载阻抗，

(2)根据公式(1)计算出电网阻抗

其中，为电网阻抗，分别为不同状态下PCC点的电压值， 分别为不同状态下PCC点的电流值，R_g为电网阻抗电阻值，L_g为电网阻抗电感值；

或者，电网阻抗还可以这样计算：

其中，为电网阻抗，R_g为电网阻抗电阻值，L_g为电网阻抗电感值。

根据上述方法，本实施例将逆变器同步并网后的0.1～0.2s作为之后电网阻抗测量的基准状态，即状态1；0.2秒时，微调V₁ ^*(t)后的稳定状态作为状态2；0.4秒时，电网阻抗跳变后的稳定状态作为状态3；

图4为逆变器输出电压的有效值大小，0.2s时，给电压调整轴V₁ ^*(t)增加一个较小的值，从图4中可以看出逆变器输出电压幅值变化量较小。

图5为逆变器输出电流的大小，其变化受到逆变器输出电压幅值大小的影响。

图6～9为PCC点电压和电流的直轴和交轴分量，用来计算电网阻抗。

图10为电网阻抗电阻的测量值与实际值对比图，0.4s时电网阻抗电阻由1Ω变为2Ω，由图10中可以看出，即使在电网阻抗电阻跳变的情况下，逆变器也能及时检测电网阻抗电阻。

图11为电网阻抗电感的测量值与实际值对比图，0.4s时电网阻抗电感由2.5mH变为5mH，由图11中可以看出，即使在电网阻抗电感跳变的情况下，逆变器也能及时检测电网阻抗电感。

由图10和图11可以看出，状态2和状态3下测量误差均较小，测量值与实际值基本吻合。由此可以说明，本发明的方法可行性较高。

Claims (2)

1.一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)逆变器同步并网后，采用轴压调节法调节所述的逆变器输出电压幅值，同时调节逆变器输出频率使其与电网频率始终保持一致，并采集两个状态下的PCC点的电压值和电流值

(2)计算电网阻抗值；

所述的步骤(1)中，逆变器的输出电压幅值调节过程如下：逆变器的输出电压幅值采用开环控制，将逆变器等效成一个受控电压源，则其输出电压幅值为通过调整V₁ ^*(t)调节逆变器输出电压的幅值，

其中，V₁ ^*(t)为电压调整轴，E_co为电压参考值，K_mu1为比例调节系数，θ_i为逆变器输出相角；

所述的步骤(1)中，逆变器的输出频率调节过程如下：逆变器的输出频率采用闭环控制，把电网频率和逆变器的输出频率的交叉乘积量作为控制量V_d(t)＝V_gsin(θ_g-θ_i)，逆变器的输出电压的频率为通过调整V₂ ^*(t)调节逆变器输出电压的频率，

其中，ω_co为频率参考值，K_f和K_mu2均为比例调节系数，为频率调整轴，θ_i为逆变器输出相角，V_g为电网电压，θ_g为电网输出相角，V_i为逆变器输出电压的有效值。

2.根据权利要求1所述的一种基于逆变器的电网阻抗在线检测方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：根据公式(1)计算出电网阻抗

其中，为电网阻抗，分别为不同状态下PCC点的电压值， 分别为不同状态下PCC点的电流值，R_g为电网阻抗电阻值，L_g为电网阻抗电感值。