CN107608933B - 一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法。针对双环矢量控制的逆变器并网系统，在逆变器的内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动；使用采样设备对扰动施加前与扰动施加后的三相电压和电流进行采样，对获得的采样值坐标变换后获得电压和电流的幅值和相角；计算扰动量并离散傅里叶变换，进行两次测量所施加不同的扰动，用所施加的扰动和计算获得的扰动量计算获得广义阻抗；扫频测量直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗。本发明可以利用逆变器并网系统原有的设备对逆变器的广义阻抗进行测量，相比于使用一次侧高压扰动设备，测量更加便捷，成本更低。测得的广义阻抗可用于并网系统稳定性分析与逆变器控制设计。

Description

一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法，尤其涉及基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法。

背景技术

自从商业化电力系统建成以来，化石能源不断消耗，所导致的环境危机也日益加剧，而随着电力电子技术的日益成熟，光伏、风力发电等新能源在电力结构中的比重越来越大，使新能源所使用的三相逆变器已经成为新型电力系统中的重要组成部分。众多的电力电子设备接入电网以后，改变了电网的动态特性，也导致了新的稳定问题，引起低频振荡、次同步振荡等各种振荡现象。

分析逆变器并网稳定问题可以通过建立阻抗模型，通过对逆变器和网络的阻抗进行分析，进而判断并网系统的稳定性，并对逆变器控制的设计给出指导。而三相并网系统的广义阻抗通过严格的数学推导，得到对角形式的逆变器广义导纳矩阵和对称形式的网络广义导纳矩阵(广义阻抗为广义导纳求逆)，能够方便地分析逆变器并网稳定性。

广义阻抗模型既可以通过解析的方法求得，也可以通过外加测量设备的方法测得。已有的阻抗测量方法通过外加高压设备的方法来注入扰动，设备较为昂贵，操作也更为复杂。借助逆变器和电网本身的装置来注入扰动进行测量，尤其是在二次侧也就是控制部分加入扰动，可以使设备更加便捷，成本也可以更低。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法，可用于测量逆变器并网时逆变器的广义阻抗。

所述的二次侧是指逆变器并网系统的低压侧，本发明所述的二次侧施加扰动是指在逆变器的控制环施加扰动。

如图1所示，本发明的技术方案采用如下步骤：

1)针对双环矢量控制的逆变器并网系统，在逆变器的内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动；

2)使用采样设备对扰动施加前与扰动施加后的三相电压和电流进行采样，对获得的采样值坐标变换后获得电压和电流的幅值和相角；

3)计算扰动量，使用离散傅里叶变换将扰动量由时域变换到频域；

4)重复步骤1)～3)并在步骤1)中所施加不同的扰动进行两次测量，根据逆变器的广义阻抗端口特性，用所施加的扰动和计算获得的扰动量计算获得广义阻抗；

5)重复上述步骤1)～4)并改变步骤1)中所施加扰动的频率进行扫频，直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗。

所述步骤1)中，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环是功率控制或直流电压控制，施加扰动的位置在逆变器的内环电流控制输入端对电流环矢量控制参考值的d轴分量I_dref和电流环矢量控制参考值的q轴分量I_qref，扰动的形式为正弦扰动。

所述步骤2)中，采样设备为具有同步采样功能的六路AD采样设备，采样值包括三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c共六个电信号。

所述步骤2)中AD采样均在系统暂态过程结束之后进行，扰动施加前系统运行于稳定工作点时进行采样，扰动施加后应使系统稳定运行于正弦扰动后进行采样。

所述步骤2)中，坐标变换采用如下的公式处理，获得全局旋转直角坐标系下的电压和电流值：

其中，U_a、U_b、U_c表示采集到的静止坐标系下的三相电压，I_a、I_b、I_c表示采集到的静止坐标系下的三相电流，θ表示全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度，U_x、U_y分别表示全局旋转直角坐标系下的x轴和y轴电压值，I_x、I_y分别表示全局旋转直角坐标系下的x轴和y轴电流值，

再采用以下公式计算获得全局旋转极坐标系下电压和电流的幅值和相角：

其中，U表示全局旋转极坐标下的电压幅值，I表示全局旋转极坐标下的电流幅值，

表示全局旋转极坐标下电流相角，δ为全局旋转极坐标下电压相角。

所述的全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度θ采用给定的方式，采用随时间变化的波形为锯齿波，斜率为(2π×50)rad/s，即以同步转速ω₀(100πrad/s)增加，周期为0.02s，幅值为2π。

所述步骤3)中计算扰动量ΔD采用以下公式：

ΔD(kΔt)＝D(kΔt)-D(kΔt-T)

其中，D表示各个电参数，具体为全局旋转极坐标下的电压幅值U、全局旋转极坐标下的电流幅值I、全局旋转极坐标下电流相角

或者全局旋转极坐标下电压相角δ；ΔD表示各个电参数扰动量，kΔt表示扰动状态下的采样时段，kΔt-T表示未扰动状态下的采样时段，T表示扰动施加前后两段采样的起始点的时间差，k表示两段采样内各采样点对应的编号，Δt表示采样间隔。

所述步骤3)中，电流参考值扰动时所述的逆变器的广义阻抗端口特性采用以下公式表示：

其中，ΔU′、ΔI′、

Δδ′表示全局旋转极坐标下的电压幅值U、全局旋转极坐标下的电流幅值I、全局旋转极坐标下电流相角

和全局旋转极坐标下电压相角δ的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_dref和ΔI′_qref分别表示内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量和q轴分量的离散傅里叶变换结果，Y_g1(s)、Y_g4(s)分别表示逆变器端口特性矩阵中的第一、第二传递函数，Y_g5(s)、Y_g6(s)表示由电流参考值扰动至三相电流幅值扰动量ΔI的第三、第四传递函数；

所述步骤4)中，广义阻抗的计算方法及公式如下：

重复步骤1)～3)进行两次测量分别施加相同频率和不同幅值的扰动，得到的各个电参数扰动量ΔD及其离散傅里叶变换结果，用两次测量得到的电参数扰动量ΔD的离散傅里叶变换结果代入以下公式计算获得逆变器端口特性矩阵中的第一、第二传递函数Y_g1和Y_g4作为广义阻抗，即获得广义阻抗传递函数的幅频特性及相频特性：

其中，下标1和2分别表示两次测量后测得的两组结果。即ΔI′_dref1和ΔI′_dref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qref1和ΔI′_qref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU₁′和ΔU₂′分别表示第一次测量后和第二次测量后电压幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI₁′和ΔI₂′分别表示第一次测量后和第二次测量后电流幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，

和

分别表示第一次测量后和第二次测量后电流相角扰动量的离散傅里叶变换结果，Δδ₁′和Δδ₂′分别表示第一次测量后和第二次测量后电压相角扰动量的离散傅里叶变换结果，I₁′和I₂′分别表示第一次测量时和第二次测量时的稳态电流幅值，U₁′和U₂′分别表示第一次测量时和第二次测量时的稳态电压幅值。

所述的由电流参考值扰动至三相电流幅值扰动量ΔI的第三传递函数Y_g5(s)和第四传递函数Y_g6(s)采用以下公式计算：

其中，下标1和2分别表示两次测量后测得的两组结果，ΔI′_dref1和ΔI′_dref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qref1和ΔI′_qref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU₁′和ΔU₂′分别表示第一次测量后和第二次测量后电压幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI₁′和ΔI₂′分别表示第一次测量后和第二次测量后电流幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，

和

分别表示第一次测量后和第二次测量后电流相角扰动量的离散傅里叶变换结果，Δδ₁′和Δδ₂′分别表示第一次测量后和第二次测量后电压相角扰动量的离散傅里叶变换结果，I₁′和I₂′分别表示第一次测量时和第二次测量时的稳态电流幅值，U₁′和U₂′分别表示第一次测量时和第二次测量时稳态电压幅值。

本发明通过实测的方法得到逆变器端口的广义导纳特性，并作为并网逆变器稳定性的判断依据或为控制器设计提供参考，为新能源并网时可能存在的振荡风险提出预警与指导，也为新能源设计时提供新的技术指标。

本发明的有益效果是：

本发明利用逆变器并网系统原有的设备对逆变器的广义阻抗进行测量，相比于使用一次侧高压扰动设备，测量更加便捷，成本更低，测得的广义阻抗可用于并网系统稳定性分析与逆变器控制设计。

本发明采用二次侧施加扰动的方法，利用已有的控制器设备，在控制环施加扰动，无需在高压端连接扰动注入设备，也不需要使逆变器脱网，可以在逆变器并网时进行测量，能够实现准确地测量。

附图说明

图1为广义阻抗测量流程步骤示意图。

图2为逆变器并网系统示意图。

图3为全局变换角度θ随时间变化的波形。

图4为全局旋转坐标系电流电压矢量示意图。

图5为两次注入扰动示意图。

图6为在一次侧及二次侧施加扰动的广义阻抗测量结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施示例对本发明做进一步详细说明。

本发明的实施例及其实施过程是：

本发明具体实施的并网逆变器系统如图2所示，逆变器输出接LCL滤波器，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环为PQ控制或直流电压控制。在MATLAB/Simulink中建立如图2所示的仿真模型，算例中的逆变器仅采用内环矢量电流控制，逆变器直流电压恒定，输出采用LC滤波，逆变器有功和无功电流的参考值为I_dref和I_qref，逆变器所用的参数如表1所示。

表1

描述	数值
		系统功率基值	10000VA
系统电压基值	690V
		LC滤波器电感	0.2pu
LC滤波器电容	0.1pu
		内环PI比例增益	1
内环PI积分增益	20
		锁相环PI比例增益	150
锁相环PI积分增益	150
		逆变器控制频率	4kHz
测量装置采样率	1MHz
		采样数据宽度	0.2s

通过内环注入扰动的为向内环电流参考值I_dref和I_qref叠加正弦信号，如图2中所示，向控制模块叠加正弦的扰动信号ΔI_dref和ΔI_qref，使用采样模块对逆变器输出的三相电压U_a、U_b、U_c或三相电流I_a、I_b、I_c进行采样记录。

采样对象如图2所示，包括三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c共6个电信号，三相电压为逆变器滤波器输出点电压，三相电流为逆变器输出滤波电感上的电流，AD采样设备为具有同步采样功能的6路AD采样设备。

施加扰动时，全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度θ随时间变化的波形如图3所示以同步转速ω₀(100πrad/s)增加。

全局旋转坐标下的电流和电压矢量如图4所示，电流和电压矢量可以表示成直角坐标和极坐标形式，根据公式进行坐标变换将全局旋转直角坐标变换至全局旋转极坐标。

当考虑中频段(几～几十Hz)时，外环动态及电压前馈动态可以忽略，或仅有内环控制时，Y_g1(s)≈0，端口导纳将只存在右下角。当计及电流参考值扰动时，逆变器的端口导纳特性需要将扰动量加入。

实施例对于同一频率的广义阻抗，分两次次扰动注入，如图4所示，在一个频率点注入的多次dq轴参考值扰动频率相同，幅值相对大小不同，在dq坐标系上形成的向量线性无关。

由此使用本发明的广义阻抗测量计算方法，计算0-100Hz内广义阻抗端口特性的传递函数，绘制幅频特性与相频特性，与通过在一次侧施加扰动进行测量以及理论计算得到的传递函数进行比较，结果如图6所示。

从图6中可以看出，使用本发明的广义阻抗测量方法测得的广义阻抗传递函数，其幅频特性与相频特性和理论计算得到的广义阻抗基本吻合，测量效果和在一次侧施加扰动的效果也基本相同。这说明使用本发明同样可以准确的计算得到逆变器的广义阻抗端口特性。

通过上述仿真实例可以看出，本发明提出的基于二次侧施加扰动的广义阻抗方法可以准确测量并网系统的逆变器及网侧的广义阻抗端口特性。本发明提出的测量方法，利用已有的控制器设备，在控制环施加扰动，无需新的高压扰动注入设备，也不需要使逆变器和网络脱离，成本更低，操作也更简便。该方法测得广义阻抗可以用于逆变器并网稳定性分析及逆变器控制设计，对于新能源并网的稳定性研究具有重要意义。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于主要包括以下三个步骤：

1)针对双环矢量控制的逆变器并网系统，在逆变器的内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动；

所述步骤1)中，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环是功率控制或直流电压控制，施加扰动的位置在逆变器的内环电流控制输入端对电流环矢量控制参考值的d轴分量I_dref和电流环矢量控制参考值的q轴分量I_qref，扰动的形式为正弦扰动；

2)使用采样设备对扰动施加前与扰动施加后的三相电压和电流进行采样，对获得的采样值坐标变换后获得电压和电流的幅值和相角；

所述步骤2)中，坐标变换采用如下的公式处理，获得全局旋转直角坐标系下的电压和电流值：

其中，U_a、U_b、U_c表示采集到的静止坐标系下的三相电压，I_a、I_b、I_c表示采集到的静止坐标系下的三相电流，θ表示全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度，U_x、U_y分别表示全局旋转直角坐标系下的x轴和y轴电压值，I_x、I_y分别表示全局旋转直角坐标系下的x轴和y轴电流值；

再采用以下公式计算获得电压和电流的幅值和相角：

其中，U表示全局旋转直角坐标下的电压幅值，I表示全局旋转直角坐标下的电流幅值，

表示全局旋转极坐标下电流相角，δ为全局旋转极坐标下电压相角；

3)计算扰动量，使用离散傅里叶变换将扰动量由时域变换到频域；

所述步骤3)中计算扰动量ΔD采用以下公式：

ΔD(kΔt)＝D(kΔt)-D(kΔt-T)

其中，D表示各个电参数，具体为全局旋转极坐标下的电压幅值U、全局旋转极坐标下的电流幅值I、全局旋转极坐标下电流相角

或者全局旋转极坐标下电压相角δ；ΔD表示各个电参数扰动量，kΔt表示扰动状态下的采样时段，kΔt-T表示未扰动状态下的采样时段，T表示扰动施加前后两段采样的起始点的时间差，k表示两段采样内各采样点对应的编号，Δt表示采样间隔；

4)重复步骤1)～3)并在步骤1)中所施加不同的扰动进行两次测量，根据逆变器的广义阻抗端口特性，用所施加的扰动和计算获得的扰动量计算获得广义阻抗；

所述步骤4)具体为：

电流参考值扰动时所述的逆变器的广义阻抗端口特性采用以下公式表示：

其中，ΔU′、ΔI′、

Δδ′表示全局旋转极坐标下的电压幅值扰动量的离散傅里叶变换结果、全局旋转极坐标下的电流幅值扰动量的离散傅里叶变换结果、全局旋转极坐标下电流相角和全局旋转极坐标下电压相角扰动量的离散傅里叶变换结果，I′表示全局旋转直角坐标下的稳态电流幅值，U′表示全局旋转直角坐标下的稳态电压幅值，ΔI′_dref和ΔI′_qref分别表示内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量和q轴分量的离散傅里叶变换结果，Y_g1(s)、Y_g4(s)分别表示逆变器端口特性矩阵中的第一、第二传递函数，Y_g5(s)、Y_g6(s)表示由电流参考值扰动至三相电流幅值扰动量ΔI的第三、第四传递函数；

根据逆变器的广义阻抗端口特性，重复步骤1)～3)进行两次测量分别施加相同频率和不同幅值的扰动，得到的各个电参数扰动量ΔD及其离散傅里叶变换结果，用两次测量得到的电参数扰动量ΔD的离散傅里叶变换结果代入以下公式计算获得逆变器端口特性矩阵中的第一、第二传递函数Y_g1和Y_g4作为广义阻抗，即获得广义阻抗传递函数的幅频特性及相频特性：

其中，下标1和2分别表示两次测量后测得的两组结果，即ΔI′_dref1和ΔI′_dref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qref1和ΔI′_qref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU′₁和ΔU′₂分别表示第一次测量后和第二次测量后电压幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′₁和ΔI′₂分别表示第一次测量后和第二次测量后电流幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，

和

分别表示第一次测量后和第二次测量后电流相角扰动量的离散傅里叶变换结果，Δδ′₁和Δδ′₂分别表示第一次测量后和第二次测量后电压相角扰动量的离散傅里叶变换结果，I′₁和I′₂分别表示第一次测量时和第二次测量时的稳态电流幅值，U′₁和U′₂分别表示第一次测量时和第二次测量时的稳态电压幅值；

所述的由电流参考值扰动至三相电流幅值扰动量ΔI的第三传递函数Y_g5(s)和第四传递函数Y_g6(s)采用以下公式计算：

其中，ΔI′_dref1和ΔI′_dref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qref1和ΔI′_qref2分别表示第一次测量后和第二次测量后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU′₁和ΔU′₂分别表示第一次测量后和第二次测量后电压幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′₁和ΔI′₂分别表示第一次测量后和第二次测量后电流幅值扰动量的离散傅里叶变换结果，

和

分别表示第一次测量后和第二次测量后电流相角扰动量的离散傅里叶变换结果，Δδ′₁和Δδ′₂分别表示第一次测量后和第二次测量后电压相角扰动量的离散傅里叶变换结果，I′₁和I′₂分别表示第一次测量时和第二次测量时的稳态电流幅值，U′₁和U′₂分别表示第一次测量时和第二次测量时稳态电压幅值；

5)重复上述步骤1)～4)并改变步骤1)中所施加扰动的频率进行扫频，直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，采样设备为具有同步采样功能的六路AD采样设备，采样值包括三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c共六个电信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤2)中AD采样均在系统暂态过程结束之后进行，扰动施加前系统运行于稳定工作点时进行采样，扰动施加后应使系统稳定运行于正弦扰动后进行采样。

4.根据权利要求1所述的一种基于二次侧施加扰动的逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于：

所述的全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度θ采用给定的方式，采用随时间变化的波形为锯齿波，斜率为(2π×50)rad/s，即以同步转速ω₀(100πrad/s)增加，周期为0.02s，幅值为2π。

Images