CN106771786A - 电网阻抗辨识的验证方法及实验装置 - Google Patents

电网阻抗辨识的验证方法及实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电网阻抗辨识的验证方法及实验装置。所述的实验装置结构包括电压源型逆变器(10)、电网阻抗(20)和电网阻抗辨识单元(30)；本实验装置验证电网阻抗辨识的具体操作过程为：扰动信号注入单元(301)向逆变器控制系统中注入扰动信号，通过并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug分别采集公共耦合点PCC的电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc，并将采集后的信号输入电网阻抗计算单元(305)，计算得到电网阻抗。通过本实验装置可以准确，可靠的验证电网阻抗辨识方法，避免了对电能质量造成不利影响。

Description

电网阻抗辨识的验证方法及实验装置
技术领域
本发明属于电能质量和控制领域，涉及一种不并网条件下电网阻抗辨识的验证方法及实验装置，在分布式发电研究中，提供一种电网阻抗辨识的验证方法及实验装置。
背景技术
弱电网的主要电气特性之一为高电网阻抗，电网阻抗的增大会改变控制系统受控对象的模型阶数，影响逆变器控制环路增益、带宽和控制性能，对光伏逆变器并网电能质量和稳定运行带来不利影响。因此，精确的电网阻抗信息对逆变器的运行以及光伏并网系统的稳定性来说至关重要。
目前的电网阻抗辨识方法主要可以分为主动注入方式、被动方式和准被动方式。主动注入方式主要通过并网逆变器或附加的电力电子设备向电网注入一定的电压或电流扰动，并对扰动和响应信号进行频率分析以得到各自的频率成分，最后通过计算得到电网阻抗的频域特性。
并网模式下逆变器通常是对并网电流进行控制，此时逆变器可以等效为一个受控电流源。在这种理想情况下，基于小信号等效模型，采用诺顿等效电路，并网逆变器可以视作电流源并联输出阻抗，电网则可以看作理想电压源串联电网阻抗。
然而实际并网条件下，由于并网逆变器公共耦合点PCC附近都会接有非线性设备，这些非线性设备产生的谐波电流流经线路阻抗，使得公共耦合点PCC处的电网电压存在背景谐波。导致并网逆变器输出电流谐波问题比较严重，影响电网阻抗辨识精度。
为获得精确的电网阻抗信息，国内外的专家学者们提出了一些方法，主要有：
题为“A New Method of On-line Grid Impedance Estimation for PVInverter”，Lucian Asiminoaei，Remus Teodorescu，Frede Blaabjerg，2004PowerElectronics Conference and Exposition(APEC)，pp.1527-1533，1-3Jan.2004.(“一种新型光伏逆变器电网阻抗在线辨识方法”，2004年1月1日-1月3日召开的IEEE电力电子会议和博览会收录，第1527-1533页)的文章提出为了避免电网背景谐波的影响，选取电网背景谐波中几乎不存在的非特征次谐波电流作为注入系统的扰动信号，此时可以将电网及背景谐波所等效的电压源看作短路。但是该方法通过注入某一次非特征次谐波只能测得单一频率点的电网阻抗，在需要获得多种不同频率点的电网阻抗信息情况下，需要多次注入不同频率点非特征次谐波，并多次辨识。
题为“Online Grid Impedance Identification for Adaptive Control ofGrid-Connected Inverters”，Cespedes M.and Sun J.，2012 Energy ConversionCongress and Exposition(ECCE)，pp.914-921，15-20Sep.2012.(“基于自适应控制并网逆变器的电网阻抗在线辨识方法”，2012年9月15日-9月20日召开的能源变换大会及展览会国际会议收录，第914-921页)的文章通过采用在受扰动周期的响应信号中减去不受扰动时系统的基本响应信号的方法，可以除去电网固有谐波对测量结果的影响，同时降低了电网不平稳性的影响。从而使注入的谐波扰动或脉冲扰动在相应的公共耦合点PCC的电压和电流提取计算过程复杂，DSP的计算压力大，不利于新方法的验证。
杨东升，阮新波和吴恒发表于2014年5月25日《中国工程电机学报》第34卷第15期上的《提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的虚拟阻抗方法》，通过采用型号为Chroma6590的可编程交流电源模拟电网电压并串联电感模拟电网阻抗，但可编程交流电源价格较高，且可编程交流电源本身是电力电子器件控制的，会与电网阻抗辨识方法耦合。
综上所述，现在的技术存在以下问题：
(1)实际并网条件下，由于电网背景谐波的存在，使注入的谐波扰动或脉冲扰动在相应的公共耦合点PCC的电压和电流提取过程复杂，DSP的计算压力大，不利于新方法的验证；
(2)实际并网条件下，真实的电网阻抗值未知，无法准确获取电网阻抗辨识方法精确度；
(3)在光伏并网逆变器装置上直接对不成熟的电网阻抗辨识方法进行验证，会对正常运行的电网带来未知的干扰，诱发潜在的危险。
发明内容
本发明实例提供了电网阻抗辨识的验证方法及实验装置。用于解决因电网背景谐波导致并网情况下电网阻抗辨识方法验证过程复杂，很难确定电网阻抗辨识方法的精确度以及谐波扰动或脉冲扰动的注入对正常运行的电网带来较大的干扰的问题。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供了一种验证电网阻抗辨识的实验装置，包括电压源型逆变器、电网阻抗和电网阻抗辨识单元；
所述电压源型逆变器包括直流侧、三相全桥逆变电路和LC滤波器，所述直流侧的滤波电容Cinv的输出端与三相全桥逆变电路输入端相连，所述三相全桥逆变电路输出端与LC滤波器的输入端相连，所述LC滤波器的输出端与电网阻抗的输入端相连；
所述电网阻抗由电感Lg和电阻Rg组成；
所述电网阻抗辨识单元包括采样单元、扰动信号注入单元、电流闭环控制单元、PWM调制单元和电网阻抗计算单元；
所述采样单元的桥臂侧电感电流传感器HiL输出端与电流闭环控制单元的输入端相连，所述扰动信号注入单元输出端与电流闭环控制单元的输入端相连，所述电流闭环控制单元输入端接收采样单元桥臂侧电感电流传感器HiL采集的桥臂侧电感电流信号和扰动信号注入单元输出的扰动信号后进行计算，所述电流闭环控制单元的输出端与PWM调制单元相连，电流闭环控制单元将计算输出值输入到PWM调制单元，所述PWM调制单元接收到电流闭环控制单元计算输出值后经过调制生成PWM开关信号，并发送到电压源型逆变器的直流侧，所述电压源型逆变器接受PWM调制单元生成的PWM开关信号控制三相全桥逆变电路产生响应信号，所述采样单元的电流传感器Hig和电压传感器Hug的输出端与电网阻抗计算单元的输入端相连；
所述采样单元中的桥臂侧电感电流传感器HiL设置在三相全桥逆变电路和LC滤波器之间，并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug设置在公共耦合点PCC与电压源型逆变器相连的一侧。
本发明还提供了一种电网阻抗辨识的验证方法，包括以下步骤：
步骤1，电压源型逆变器正常开机运行后，扰动信号注入单元向逆变器控制系统中注入扰动信号，扰动信号经过逆变器控制环节，在公共耦合点PCC产生电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc；
步骤2，通过并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug分别采集公共耦合点PCC的电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc；
步骤3，将步骤2所采集得到的公共耦合点PCC电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc输入电网阻抗计算单元，计算得到电网阻抗中的电感Lg和电阻Rg；
步骤4，判断是否需要进行下一次电网阻抗辨识，若需要，改变电网阻抗中电感Lg或/和电阻Rg的数值后返回步骤1，否则结束本次辨识并关机。
优选地，步骤1中所述注入扰动信号后的逆变器控制环节中的控制过程包括以下步骤：
步骤1，先通过桥臂侧电感电流传感器HiL检测得到桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc，再经过abc/dq坐标变换，将桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc变换到两相同步旋转坐标系dq下的分量iLd、iLq；
步骤2，将扰动信号注入单元输出的扰动信号与给定的有功电流给定值id_ref、无功电流给定值iq_ref相叠加，得到含扰动信号的有功电流给定值idh_ref、无功电流给定值iqh_ref；
步骤3，根据步骤2得到含扰动信号的有功电流给定值idh_ref、无功电流给定值iqh_ref，以及步骤1中得到的桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq，经过电感电流环控制方程得到控制信号umd和umq，其电感电流环控制方程为：
umd＝(Kp+Ki/s)(idh_ref-iLd)
umq＝(Kp+Ki/s)(iqh_ref-iLq)
其中，Kp为比例控制系数、Ki为积分控制系数，s为拉普拉斯算子；
步骤4，根据步骤3得到的控制信号umd和umq，经过dq/abc坐标变换，将控制信号umd和umq变换到三相静止坐标系abc下的控制信号分量uma、umb和umc，再经过PWM调制单元生成三相全桥逆变电路功率器件的控制信号，并实施对逆变器的控制。
与现有实验装置相比，本发明的有益效果：
(1)本发明避免了电网背景谐波的影响，简化了公共耦合点PCC的电压和电流的提取处理过程，减轻了DSP的计算压力；
(2)本发明实验装置的电网阻抗Zg中的电感Lg和电阻Rg具体值已知，通过将检测得到的电网阻抗值与实际电网阻抗Zg中的电感Lg和电阻Rg对比分析，可以判断电网阻抗辨识方法精确度；也可检验电网阻抗突变情况下电网阻抗辨识方法的动态响应性能；
(3)本发明的实验装置提高验证不成熟电网阻抗辨识方法的安全性，为后续并网条件下电网阻抗辨识的研究奠定基础。
附图说明
图1本发明验证电网阻抗辨识方法的实验装置拓扑结构图。
图2本发明验证电网阻抗辨识方法的实验装置控制方法图。
图3为本发明实验装置的电网阻抗辨识的验证方法流程图。
图4本发明实验装置间歇性注入75Hz谐波电流仿真波形图。
图5本发明实验装置设置电网阻抗Zg中电阻Rg＝6.5Ω和电感Lg＝1mH时，检测得到电网阻抗的电阻仿真估计值Rg_est。
图6本发明实验装置设置电网阻抗Zg中电阻Rg＝6.5Ω和电感Lg＝1mH时，检测得到电网阻抗的电感仿真估计值Lg_est1。
图7本发明实验装置设置电网阻抗Zg中电阻Rg＝6.5Ω和电感Lg＝2mH时，检测得到电网阻抗的电感仿真估计值Lg_est2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1为验证电网阻抗辨识方法的实验装置结构图，由图可见，所述实验装置结构包括电压源型逆变器10、电网阻抗20和电网阻抗辨识单元30。
所述电压源型逆变器10包括直流侧101、三相全桥逆变电路102和LC滤波器103，所述直流侧101的滤波电容Cinv的输出端与三相全桥逆变电路102输入端相连，所述三相全桥逆变电路102输出端与LC滤波器103的输入端相连，所述LC滤波器103的输出端与电网阻抗20的输入端相连。
所述电网阻抗20由电感Lg和电阻Rg组成。
所述电网阻抗辨识单元30包括采样单元301、扰动信号注入单元302、电流闭环控制单元303、PWM调制单元304和电网阻抗计算单元305。
所述采样单元301的桥臂侧电感电流传感器HiL输出端与电流闭环控制单元303的输入端相连，所述扰动信号注入单元302输出端与电流闭环控制单元303的输入端相连，所述电流闭环控制单元303输入端接收采样单元301桥臂侧电感电流传感器HiL采集的桥臂侧电感电流信号和扰动信号注入单元302输出的扰动信号后进行计算，所述电流闭环控制单元303的输出端与PWM调制单元304相连，电流闭环控制单元303将计算输出值输入到PWM调制单元304，所述PWM调制单元304接收到电流闭环控制单元303计算输出值后经过调制生成PWM开关信号，并发送到电压源型逆变器10的直流侧101，所述电压源型逆变器10接受PWM调制单元304生成的PWM开关信号控制三相全桥逆变电路102产生响应信号，所述采样单元301的电流传感器Hig和电压传感器Hug的输出端与电网阻抗计算单元305的输入端相连。
所述采样单元301中的桥臂侧电感电流传感器HiL设置在三相全桥逆变电路102和LC滤波器103之间，并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug设置在公共耦合点PCC与电压源型逆变器102相连的一侧。
表一为本实施例中实验装置实施例的逆变器硬件参数：
图2为本发明实施例验证电网阻抗辨识方法及实验装置的控制方法图，本实验装置采用的控制是网侧不并网仅接负载情况下的电流环PI控制，结合具体实施范例其控制方法步骤如下：
步骤1，先通过桥臂侧电感电流传感器HiL检测得到桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc，再经过abc/dq坐标变换，将桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc变换到两相同步旋转坐标系dq下的分量iLd、iLq。
其中，abc/dq坐标变换公式如下：
公式中，相位角θ直接给定。有功电流给定id_ref设置为29A、无功电流给定iq_ref设置为0。
步骤2，将扰动信号注入单元302输出输出的的扰动信号为75Hz幅值为10％id_ref的谐波信号，采用每隔20个基波周期注入持续7个基波周期的方式，间歇性与给定的有功电流给定值id_ref、无功电流给定值iq_ref相叠加，得到含扰动信号的有功电流给定idh_ref、无功电流给定iqh_ref，基波周期为0.02s。
步骤3，根据步骤2得到含扰动信号的有功电流给定值idh_ref、无功电流给定值iqh_ref，以及步骤1中得到的桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq，经过电感电流环控制方程得到控制信号umd和umq，其电感电流环控制方程为：
umd＝(Kp+Ki/s)(idh_ref-iLd)
umq＝(Kp+Ki/s)(iqh_ref-iLq)
其中，Kp为比例控制系数、Ki为积分控制系数，s为拉普拉斯算子。
步骤4，根据步骤3得到的控制信号umd和umq，经过dq/abc坐标变换，将控制信号umd和umq变换到三相静止坐标系abc下的控制信号分量uma、umb和umc，再经过PWM调制单元304生成三相全桥逆变电路102功率器件的控制信号，并实施对逆变器的控制。
其中的坐标变换公式为：
图3为电网阻抗辨识的验证方法流程图，由该图可得电网阻抗辨识的验证方法具体实施步骤为：
步骤1，电压源型逆变器10正常开机运行后，扰动信号注入单元301向逆变器控制系统中注入扰动信号，扰动信号经过逆变器控制环节，在公共耦合点PCC产生电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc。
步骤2，通过并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug分别采集公共耦合点PCC的电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc。
步骤3，将步骤2所采集得到的公共耦合点PCC电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc输入电网阻抗计算单元305，计算得到电网阻抗20中的电感Lg和电阻Rg。
步骤4，判断是否需要进行下一次电网阻抗辨识，若需要，改变电网阻抗20中电感Lg或/和电阻Rg的数值后返回步骤1，否则结束本次辨识并关机。
图4给出了本实施例中实验装置间歇性注入75Hz谐波电流仿真波形图。
本发明实施例中的电网阻抗计算304选用复数滤波器，图5和图6为电网阻抗Zg20中电阻Rg＝6.5Ω和电感Lg＝1mH时采用复数滤波器得到的电网阻抗的电阻估计值Rg_est和电感估计值Lg_est1，图7为将电网阻抗Zg20中电阻Rg＝6.5Ω保持不变，电感Lg设置为Lg＝2mH时采用复数滤波器得到的电网阻抗电感估计值Lg_est2。具体操作实施步骤如下：
1、采用基于交叉解耦频率自适应复数滤波器将公共耦合点PCC电压响应信号uga、ugb、ugc和电流响应信号iga、igb、igc中的谐波分量与基波分量进行解耦提取，得到公共耦合点PCC处的电压谐波分量uga(h)、ugb(h)、ugc(h)和电流谐波分量iga(h)、igb(h)、igc(h)在两相静止坐标系下αβ坐标轴的电压谐波分量ugα(h)、ugβ(h)和电流谐波分量igα(h)、igβ(h)，其中h代表谐波的次数；
2、根据下面的公式，求得电网阻抗电阻计算值Rg_est和电网阻抗的电感计算值Lg_est：
式中ωh为注入谐波的角频率。
将如图4和图5所示采用复数滤波器辨识得到的电网阻抗电阻估计值Rg_est和电感估计值Lg_est1与实验装置设置的电网阻抗电阻Rg＝6.5Ω和电感Lg＝1mH对比，以及将如图7所示改变电网阻抗Zg20后得到的电感估计值Lg_est2与实验装置设置的电感Lg＝2mH对比，可以发现，在本实验装置实施的电网阻抗辨识方法辨识所得到的电网阻抗值与实际电网阻抗给定值相符，验证了采用复数滤波器辨识电网阻抗方法的有效性以及较高的精确度。
本发明实例通过采用注入75Hz谐波电流，应用复数滤波器提取公共耦合点PCC电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc中的谐波电压分量和谐波电流分量进行电网阻抗估算，验证了本发明一种验证电网阻抗辨识方法实验装置的可行性和实用性。
电网阻抗主要呈现为长距离输电线路的阻抗和变压器漏感等，电网阻抗主要呈现为感性和阻性，本实验装置的特征在于所述装置在公共耦合点PCC不并网仅接负载的情况下验证电网阻抗辨识方法，为统一描述避免产生歧义，本发明在权利要求书、说明书以及具体实施方式中将在公共耦合点PCC并网侧所接电阻Rg和电感Lg表述为电网阻抗，此称呼未影响所述实验装置对电网阻抗辨识可行性和实用性的验证。
显然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，基于本发明的实施例仅是本发明实施例的一部分，本领域的技术人员对本发明的具体实施方式进行修改或者变形属于本发明权利要求及等同技术范围之内，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种验证电网阻抗辨识的实验装置，其特征在于，包括电压源型逆变器(10)、电网阻抗(20)和电网阻抗辨识单元(30)；
所述电压源型逆变器(10)包括直流侧(101)、三相全桥逆变电路(102)和LC滤波器(103)，所述直流侧(101)的滤波电容Cinv的输出端与三相全桥逆变电路(102)输入端相连，所述三相全桥逆变电路(102)输出端与LC滤波器(103)的输入端相连，所述LC滤波器(103)的输出端与电网阻抗(20)的输入端相连；
所述电网阻抗(20)由电感Lg和电阻Rg组成；
所述电网阻抗辨识单元(30)包括采样单元(301)、扰动信号注入单元(302)、电流闭环控制单元(303)、PWM调制单元(304)和电网阻抗计算单元(305)；
所述采样单元(301)的桥臂侧电感电流传感器HiL输出端与电流闭环控制单元(303)的输入端相连，所述扰动信号注入单元(302)输出端与电流闭环控制单元(303)的输入端相连，所述电流闭环控制单元(303)输入端接收采样单元(301)桥臂侧电感电流传感器HiL采集的桥臂侧电感电流信号和扰动信号注入单元(302)输出的扰动信号后进行计算，所述电流闭环控制单元(303)的输出端与PWM调制单元(304)相连，电流闭环控制单元(303)将计算输出值输入到PWM调制单元(304)，所述PWM调制单元(304)接收到电流闭环控制单元(303)计算输出值后经过调制生成PWM开关信号，并发送到电压源型逆变器(10)的直流侧(101)，所述电压源型逆变器(10)接受PWM调制单元(304)生成的PWM开关信号控制三相全桥逆变电路(102)产生响应信号，所述采样单元(301)的电流传感器Hig和电压传感器Hug的输出端与电网阻抗计算单元(305)的输入端相连；
所述采样单元(301)中的桥臂侧电感电流传感器HiL设置在三相全桥逆变电路(102)和LC滤波器(103)之间，并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug设置在公共耦合点PCC与电压源型逆变器(102)相连的一侧。
2.一种电网阻抗辨识的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，电压源型逆变器(10)正常开机运行后，扰动信号注入单元(301)向逆变器控制系统中注入扰动信号，扰动信号经过逆变器控制环节，在公共耦合点PCC产生电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc；
步骤2，通过并网侧电流传感器Hig和电压传感器Hug分别采集公共耦合点PCC的电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc；
步骤3，将步骤2所采集得到的公共耦合点PCC电流响应信号iga、igb、igc和电压响应信号uga、ugb、ugc输入电网阻抗计算单元(305)，计算得到电网阻抗(20)中的电感Lg和电阻Rg；
步骤4，判断是否需要进行下一次电网阻抗辨识，若需要，改变电网阻抗(20)中电感Lg或/和电阻Rg的数值后返回步骤1，否则结束本次辨识并关机。
3.根据权利2所述一种电网阻抗辨识的验证方法，其特征在于，步骤1中所述注入扰动信号后的逆变器控制环节中的控制过程包括以下步骤：
步骤1，先通过桥臂侧电感电流传感器HiL检测得到桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc，再经过abc/dq坐标变换，将桥臂侧电感电流iLa、iLb、iLc变换到两相同步旋转坐标系dq下的分量iLd、iLq；
步骤2，将扰动信号注入单元(302)输出的扰动信号与给定的有功电流给定值id_ref、无功电流给定值iq_ref相叠加，得到含扰动信号的有功电流给定值idh_ref、无功电流给定值iqh_ref；
步骤3，根据步骤2得到含扰动信号的有功电流给定值idh_ref、无功电流给定值iqh_ref，以及步骤1中得到的桥臂侧电感电流的dq分量iLd、iLq，经过电感电流环控制方程得到控制信号umd和umq，其电感电流环控制方程为：
umd＝(Kp+Ki/s)(idh_ref-iLd)
umq＝(Kp+Ki/s)(iqh_ref-iLq)
其中，Kp为比例控制系数、Ki为积分控制系数，s为拉普拉斯算子；
步骤4，根据步骤3得到的控制信号umd和umq，经过dq/abc坐标变换，将控制信号umd和umq变换到三相静止坐标系abc下的控制信号分量uma、umb和umc，再经过PWM调制单元(304)生成三相全桥逆变电路(102)功率器件的控制信号，并实施对逆变器的控制。
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