CN107121609B

CN107121609B - 一种基于prbs扰动注入的电网阻抗在线辨识方法及装置

Info

Publication number: CN107121609B
Application number: CN201710361584.9A
Authority: CN
Inventors: 宋绍剑; 陶云峰; 刘斌; 廖碧莲; 宋春宁
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2037-05-22
Also published as: CN107121609A

Abstract

本发明涉及电气工程技术领域，公开一种基于PRBS扰动注入的电网阻抗在线辨识装置，主要由并网逆变器、电流环控制器、采样装置和阻抗辨识单元组成，其特征在于：所述并网逆变器与电流环控制器相连，在并网稳定情况下可利用并网逆变器向电网进行PRBS扰动的注入，在PRBS信号注入过程中，内置输出电压THD反馈控制器以确保逆变器输出电压的THD值小于5%；所述采样装置连接电网PCC处，对PCC处的电压和电流进行采样和记录；所述阻抗辨识单元将采样装置所得数据进行DFT分析，并可对该采样周期下的电压和电流各谐波分量的幅值和相位取平均值。本发明精度高、速度快、实时性强、频率范围广，降低测量成本与难度，提高稳定性。

Description

一种基于PRBS扰动注入的电网阻抗在线辨识方法及装置

技术领域

本发明涉及电气工程、计算机控制和电力电子技术技术领域，更具体地，涉及一种基于PRBS扰动注入的电网阻抗在线辨识方法及装置。

背景技术

随着风力发电和光伏发电等大规模可再生分布式电源接入电网，大规模电动汽车的接入，以及以电力电子变换接口的负载在电网总负荷占比的不断提高，电网的电源和负荷特性发生了显著的变化，电力系统的电力电子化特征越来越明显，给电网的安全稳定运行带来新的挑战。由于风电和光伏等并网逆变器在设计阶段难以事先获得逆变器投运时所在电网的电网阻抗信息，并事先考虑到其它并网逆变器和负载对所设计并网逆变器可能造成的影响，因此当电网中(特别是中低压配电网)并网逆变器与并网逆变器之间、并网逆变器与电网之间，通过并网公共点(point of common coupling，PCC)发生交互作用时，可能引发并网公共点的谐波振荡，从而产生大量谐波，它轻则影响电网的电能质量，重则会危及电网的安全稳定运行。目前的国内外研究已经表明其主要是并网逆变器的输出阻抗与并网公共点PCC的电网阻抗不匹配，引发DC/AC逆变器的谐波振荡。

当前，为了解决并网逆变器的谐波振荡问题，通常有两种解决方案：1、在逆变器并网前，先通过扫频仪离线测量并网逆变器的输出阻抗和电网阻抗，判断电网与自身阻抗是否匹配再决定是否并网；2、并网逆变器实时获取电网的阻抗信息，自动调节并网逆变器的输出阻抗，自动适应电网参数的变化，进而达到提高电网质量和稳定性的目的。

但是，方案1在现实应用中可操作性不强，难以自动适应电网参数的变化；方案2的关键的难点就在于电网阻抗的在线辨识。传统的阻抗辨识方法主要分为被动谐振法和主动注入法。其中，被动方法利用电网畸变或者并网逆变器的固有谐波，通过傅里叶变换提取一定的谐波分量并计算得到电网阻抗。被动方法是非入侵式的，辨识过程不会对电网正常运行造成影响，但这种方法的一个主要缺点是现实电网中的畸变幅值和重复率都难以正确测量，因此难以对电网阻抗做出准确的测量。而常用的主动方法需要通过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，经过计算得到电网阻抗。主动方法最大的缺点在于需要串联或者并联一个附加电力电子装置，给实际实现方法带来巨大局限性。主动注入法仍是最常用的方法，然而当需要测量多个频率下的阻抗特性时，需要同时注入多个特征信号(如：正弦波)，这使得实现难度大大提高，即需要串联多个正弦信号源，在工程实践中是非常不切实际的。

现有的阻抗网络测试仪需要确定比较多的参数，例如网络的工作电压等，以实现阻抗测试，且需要将测试仪串入并网系统的公共点以实现扰动的注入以及响应的测量，这样才能测量出某一个网络的阻抗值。该方法属于硬件注入扰动法，需要在并网系统中加入附加的电力电子装置，为系统增加设计难度和测量成本，且测量的阻抗属于外部变量，无法传入逆变器进行自适应控制，这无疑是阻抗测试仪的缺点。

另外，在专利CN104198843B提出的电网阻抗测试方法与装置中，其通过逆变器输出非特征频率谐波来得到非特征频率的阻抗，再拟合曲线得出阻抗频率特性，之后再通过曲线算出特征频率下的阻抗值。然而该方法想要利用非特征频率下电网无对应响应的思想，那么电压和电流的插值即为测量得到的电压和电流本身，之后通过欧姆定律算出对应阻抗。这种方法是存在着不足的，因为噪声是无处不在的，这意味着即使在非特征频率下，电网仍然存在着许多噪声，这会严重影响电网阻抗测试结果。

发明内容

本发明提出了一种基于PRBS扰动注入的电网阻抗在线辨识方法及装置，

一种基于PRBS扰动注入的电网阻抗在线辨识装置，主要由并网逆变器、电流环控制器、采样装置和阻抗辨识单元组成，其特征在于：所述并网逆变器与电流环控制器相连，在并网稳定情况下可利用并网逆变器向电网进行PRBS扰动的注入，在PRBS信号注入过程中，内置输出电压THD反馈控制器以确保逆变器输出电压的THD值小于5％；所述采样装置连接电网PCC处，对PCC处的电压和电流进行采样和记录；所述阻抗辨识单元将采样装置所得数据进行DFT分析，并可对该采样周期下的电压和电流各谐波分量的幅值和相位取平均值，利用所得到的PRBS扰动激励与电压响应各谐波分量的幅值和相位平均值，计算出电网阻抗的频率序列；本装置采用最小二乘曲线拟合方法对电网阻抗进行预测，提高在高频段的辨识精度。

特别地，所述并网逆变器为单相并网逆变器，向电网进行PRBS扰动的注入方式为在电流环控制器的参考输入中叠加。

特别地，所述并网逆变器为三相并网逆变器，向电网进行PRBS扰动的注入方式为在电流环控制器的d轴参考输入中叠加。

使用上述装置进行电网阻抗在线辨识的方法，基本步骤如下：

(1)在并网逆变器电流环控制器的幅值参考输入中，增加PRBS扰动信号通道，进行PRBS扰动的周期性叠加；其中，PRBS扰动信号的频率为电网基频的频率或根据具体要求自行设置，比特位数N可根据测量精度的要求自行选择在5-11之间的任意整数；PRBS扰动信号的幅值为逆变器额定输出的10％以下；

(2)并网逆变器输出叠加PRBS扰动信号，周期性进行PRBS扰动信号注入和停止PRBS扰动信号注入，使得逆变器周期处于含扰动与无扰动的两个稳定状态；

(3)采样装置分别在含扰动与无扰动的两个稳定状态对PCC点的输出电压和输出电流进行测量与采样，随后阻抗辨识单元对采样结果进行离散傅里叶分析取得电压和电流的频域序列，对频域序列进行矢量差值运算，取得各频率下的PRBS激励扰动及其对电网引起的电压响应，并求得该时段的电网阻抗值；同时对含扰动状态下的电压进行总谐波畸变分析得到逆变器输出电压的THD值，保证输出电压的THD<5％。

(4)该装置内置程序将步骤(2)至(3)周期进行，不断实时的更新测量得到的电网阻抗频率特性，完成电网阻抗的在线辨识。

特别地，所述并网逆变器为单相并网逆变器，步骤(1)所述PRBS扰动的叠加方式为PRBS扰动信号在电流环控制器的参考输入中叠加。

特别地，所述并网逆变器为三相并网逆变器，步骤(1)所述PRBS扰动的叠加方式PRBS扰动信号在电流环控制器的d轴参考输入中叠加。

特别地，所述并网逆变器输出叠加PRBS扰动信号的周期可选取为5个电网波形，周期即为0.1s。

本发明的有益效果：

PRBS是一种非特征序列，其主要参数在于序列的比特位数N，序列的比特位数又决定了序列的步长M。其中步长M与比特位数N之间的关系为M＝2^N-1。在信号领域中，PRBS由于其自身的编码特性，使得它的信号中存在的多次谐波，其中谐波基频取决于PRBS的频率。因此，我们可以利用PRBS包含多次谐波的特性，将其注入到逆变器并网点，然后进行电网阻抗的在线辨识。

本发明的主要特点是在逆变器的控制器中，周期性地在逆变器输出幅值的参考输入上叠加一个PRBS扰动信号，使得逆变器输出电压(或电流)中包含PRBS扰动信号，这就相当于输出电压(或电流)存在多个谐波分量，再对并网公共点(Point of Common Coupling，PCC)所采集到的三相电压和电流的扰动信号响应进行傅里叶分析、计算得出实时的电网阻抗。该发明属于软件法注入，与传统电网阻抗辨识方法相比，它不仅精度高、速度快、实时性强、频率范围广，同时还解决了需要串入附加电力电子装置的缺点，大大地降低了测量成本与难度，使得并网逆变器的稳定性得以提高。

无论是对于单相或是三相情况下，本专利在无须添加额外电力电子设备的情况下，合理地利用了并网逆变器的软硬件资源，通过对逆变器内部编程模块进行代码的修改，实现了其自身具备谐波扰动注入的能力，并利用扰动注入法实现电网阻抗的在线辨识。另外本发明所使用的PRBS信号可根据实际情况改变其的比特位数和扰动幅值来控制扰动对并网系统的影响。在电网阻抗辨识过程中，本发明能在保证一定的电网阻抗辨识精度的前提下降低扰动带来的影响，这是其他现有技术所不具备的。电网阻抗在线辨识的实现及其精确度为实现并网逆变器基于阻抗的自适应控制与避免并网逆变器的谐波振荡奠定了基础。

综上所述，在对电网阻抗在线辨识的方法中，基于PRBS扰动注入的在线辨识方法具有精度高、成本低、范围广和易实现等优点。而且电网阻抗可以在线实时辨识，并对辨识得到的电网阻抗在逆变器内部进行自适应控制，以达到提高逆变器并网质量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电网阻抗辨识系统框架图；

图2为本发明实施例的电网阻抗辨识注入点示意图；

图3为本发明实施例的三相并网逆变器电网在线辨识拓扑图；

图4为本发明实施例的电网输入阻抗在线辨识方法的流程图；

图5为本发明实施例辨识方法对三相平衡电网A相阻抗模型的拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例的具体实现方法如下：

(1)本实施例主要利用dq域电流控制的三相并网逆变器或单相并网逆变器进行电网在线辨识的实现。首先，在逆变器电流控制环路的输出幅值参考值I_ref(对于三相并网逆变器，则为d轴参考值I_dref)增加一个PRBS的扰动通道：

该扰动通道可根据内置程序向输出参考值I_ref(对于三相并网逆变器，则为d轴参考值I_dref)叠加或者撤销扰动。因此，该通道将有一个使能端受逆变器内置使能En信号控制通道的导通状态，其原理图如图2所示。另外，由于并网系统存在着一定的惯性作用，且DFT分析必须需要经过一个正弦周期才能得出结果。因此，在PRBS扰动注入周期的选择尤其重要，其直接影响了电网阻抗在线辨识结果的精确性。本发明的使能脉冲信号周期选择为10个电网正弦波周期，其中连续的5个正弦周期使能端置1注入扰动信号，后连续的5个正弦周期使能端置0撤销扰动的注入。这里可知，前5个周期的波形包含PRBS扰动，后5个周期无扰动。

(2)配合扰动注入周期，测量PCC处的电压和电流(单相系统可视为三相系统中的某一相)：

由于三相系统中存在着连接类型的差异，以三相电网阻抗Y型连接为例，其中涉及的电压与电流应分别为相电压与线电流。根据扰动注入时机，在扰动注入4个周期后，检测最后1个周期的每一相相电压值u(t)与线电流值i(t)，对测量到的电压与电流进行离散傅里叶分析，之后对当前采样周期得到的各谐波分量的幅值和相位取平均值，记为

利用指数形式可得到含扰动状态下的电压和电流的表达式，分别为

和

同理可得无扰动状态下的电压和电流谐波分量幅值与相位的平均值，记为

该状态下电压和电流指数形式分别为

和

(3)计算并拟合出电网输入阻抗频率特性，并实时周期更新：

在第(2)步得到的包含扰动的电压

和电流

与无扰动的电压

和电流

对其进行减法运算，得到对应的电压和电流增量，如(3)式所示：

接着可计算得到电网输入阻抗值，如(4)式所示：

其中阻抗的幅值与相角的计算如下，如(5)式所示：

这样即可以得到电网的输入阻抗序列

其表达形式如式(11)所示：

电网阻抗频域系列

在高频段，由于电感部分阻抗增大，其对系统的阻碍作用也随之增大，使得系统响应时间加长，在电网阻抗辨识周期内比较难达到稳定。因此，此时测量得到的阻抗是存在较大误差的。为了解决在高频条件下电网阻抗辨识度不高的缺点，本发明利用了曲线拟合的方法，利用低频段辨识度较高的结果，拟合出电网阻抗的频率特性曲线，这样就可以利用拟合出来的阻抗模型曲线来校正高频段阻抗辨识度不高的点。

在远距离输电情况下，由于线路阻抗以及变压器漏抗的存在使得PCC处的电网阻抗呈感性，如式(7)所示。

Z_g(s)＝R_g+sL_g (7)

利用欧拉公式(8)：

e^ix＝cos(x)+isin(x) (8)

将低频段的辨识结果分别利用欧拉公式将实部和虚部分开出来，可得(9)：

其中Rf为拟合的电网电阻，Lf为拟合的电网电感。那么拟合的电网阻抗模型为(10)：

Z_f＝R_f+sL_f (10)

因此，我们即可得到拟合的电网阻抗曲线如图5所示，从该图可以看出拟合出来的电网阻抗与理论值吻合度较高，由此可见拟合的效果较好。

本实施例附图及实验数据结果说明如下：

图1为电网阻抗辨识系统框架图，其主要思想为通过注入与撤销PRBS扰动得到电流扰动与电压响应并通过阻抗辨识模块计算得到电网阻抗。

图2为电网阻抗辨识注入点示意图，若在单相逆变器中，应在控制环路电流幅值参考值上进行PRBS的叠加；若在三相逆变器中，应在控制环路d轴参考值上进行PRBS扰动的叠加。

图3为三相并网逆变器电网在线辨识拓扑图，该图面积较大的虚线框内为电网阻抗辨识模块，其将PCC点的相电压与线电流进行采样，通过频域中的矢量计算得到PRBS形式的电流扰动和电压响应的频率序列，最后利用式(1)～(6)计算得出电网阻抗；面积较大的虚线框内为PRBS扰动注入点示意图，与图2对应。

图4为电网输入阻抗在线辨识方法的流程图，在并网稳定情况下利用并网逆变器向电网进行PRBS扰动的注入，等待注入扰动系统稳定后，对PCC处的电压和电流进行采样和记录并进行DFT分析，对该采样周期下的电压和电流各谐波分量的幅值和相位取平均值；撤销扰动并等待系统重新稳定后，使用同样的策略得到无扰动下的电压和电流各谐波分量幅值和相位的平均值，利用逆变器内部电网阻抗辨识模块计算得出电网阻抗的频域序列。

图5给出了该辨识方法对三相平衡电网A相阻抗模型的拟合曲线，从该图中可以看出拟合出来的A相电网阻抗曲线与理论值吻合度较高，解决了高频段辨识结果较差的难题，验证了曲线拟合方法对正确性。

表1为电网阻抗在线辨识的实验数据：

表1

表1给出了该方法对电阻R＝5Ω与电感L＝2mL串联的阻抗模型进行辨识得到的基波至25次谐波下电网阻抗的实验数据，其中主要包括1.测量得到阻抗的幅值与相角、2.对应阻抗幅值与相角的理论值、3.测量值与理论值对比得到的相对误差。

由附表1可知：1.在基波～25次谐波的阻抗辨识中，最大的相对误差不超过1.869％，无论是幅值还是相角，相对误差普遍小于0.15％。2.随着辨识频率的增大，阻抗测量带来的相对误差呈增大趋势，但仍然在可接受范围内。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于PRBS扰动注入的电网阻抗在线辨识装置，主要由并网逆变器、电流环控制器、采样装置和阻抗辨识单元组成，其特征在于：所述并网逆变器与电流环控制器相连，在并网稳定情况下可利用并网逆变器向电网进行PRBS扰动的注入，在PRBS信号注入过程中，内置输出电压THD反馈控制器以确保逆变器输出电压的THD值小于5%；所述采样装置连接电网PCC处，对PCC处的电压和电流进行采样和记录；所述阻抗辨识单元将采样装置所得数据进行DFT分析，并可对该采样周期下的电压和电流各谐波分量的幅值和相位取平均值，利用所得到的PRBS扰动激励与电压响应各谐波分量的幅值和相位平均值，计算出电网阻抗的频率序列；本装置采用最小二乘曲线拟合方法对电网阻抗进行预测，提高在高频段的辨识精度。

2.根据权利要求1所述的辨识装置，其特征在于：所述并网逆变器为单相并网逆变器，向电网进行PRBS扰动的注入方式为在电流环控制器的参考输入中叠加。

3.根据权利要求1所述的辨识装置，其特征在于：所述并网逆变器为三相并网逆变器，向电网进行PRBS扰动的注入方式为在电流环控制器的d轴参考输入中叠加。

4.使用权利要求1所述的辨识装置进行电网阻抗在线辨识的方法，基本步骤如下：

（1）在并网逆变器电流环控制器的幅值参考输入中，增加PRBS扰动信号通道，进行PRBS扰动的周期性叠加；其中，PRBS扰动信号的频率为电网基频的频率或根据具体要求自行设置，比特位数N可根据测量精度的要求自行选择在5-11之间的任意整数；PRBS扰动信号的幅值为逆变器额定输出的10%以下；

（2）并网逆变器输出叠加PRBS扰动信号，周期性进行PRBS扰动信号注入和停止PRBS扰动信号注入，使得逆变器周期处于含扰动与无扰动的两个稳定状态；

（3）采样装置分别在含扰动与无扰动的两个稳定状态对PCC点的输出电压和输出电流进行测量与采样，随后阻抗辨识单元对采样结果进行离散傅里叶分析取得电压和电流的频域序列，对频域序列进行矢量差值运算，取得各频率下的PRBS激励扰动及其对电网引起的电压响应，并求得该时段的电网阻抗值；同时对含扰动状态下的电压进行总谐波畸变分析得到逆变器输出电压的THD值，保证输出电压的THD<5%；

（4）该装置内置程序将步骤（2）至（3）周期进行，不断实时的更新测量得到的电网阻抗频率特性，完成电网阻抗的在线辨识。

5.根据权利要求4所述的辨识方法，其特征在于：所述并网逆变器为单相并网逆变器，步骤（1）所述PRBS扰动的叠加方式为PRBS扰动信号在电流环控制器的参考输入中叠加。

6.根据权利要求4所述的辨识方法，其特征在于：所述并网逆变器为三相并网逆变器，步骤（1）所述PRBS扰动的叠加方式PRBS扰动信号在电流环控制器的d轴参考输入中叠加。

7.根据权利要求4所述的辨识方法，其特征在于：所述并网逆变器输出叠加PRBS扰动信号的周期可选取为5个电网波形，周期即为0.1s。