CN109828154A - 一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，属于发电系统技术领域。该方法包括以下步骤：（1）根据三相逆变器设计参数确定电网阻抗测量带宽；（2）对测量频率范围按低频段、中频段、高频段进行频段划分；（3）针对不同频段分别设计正交的脉冲序列，并将设计的脉冲分别叠加在三相逆变器的d、q轴电流给定上；（4）分别采样各频段脉冲注入期间PCC点电压电流并利用FFT转换到频域上，并计算正负序电网阻抗；（5）将步骤（4）所得到的结果按频率复合，得到宽频率范围的三相电网阻抗测量结果。本发明可以在较少的测量次数下对较宽频率范围的电网阻抗实现高精度测量，同时减少脉冲注入期间并网电流谐波含量，提高电能质量。

Description

一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，属于发电系统技术领域。

背景技术

采用阻抗分析法研究并网系统的稳定性时，不需要掌握并网系统的动态细节，只需要知道阻抗比Z_g(s)/Z_inv(s)就能分析系统的稳定性，并且可以在获取电网阻抗信息的基础上，通过自适应控制逆变器的阻抗来实现增强系统稳定性的目的，因此获取电网阻抗信息对于系统的稳定性研究至关重要。但是电网阻抗难以通过建模的方法直接得到，一方面因为接入电网的设备、线路众多，无法一一给出等效模型；另一方面由于接入电网的设备每时每刻都在发生变化，无法实时知道设备的运行状态，因此实际应用场合中多采用在线测量的方式得到电网阻抗。

现阶段电网阻抗在线测量方法集中在两个方面。一是仅利用电力系统的固有参数或自身负载变化的激励来测量电网阻抗，但当并网系统的固有谐波或其他电力参数不明显时，会大幅降低电网阻抗的测量精度，且该方法计算量较大，实现较为复杂。二是通过在并网逆变器的控制上叠加扰动信号以激发电网响应来实现电网阻抗测量。但在叠加扰动信号的过程中，向电网引入大量谐波，对系统的稳定运行造成影响。

发明内容

本发明提出了一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，该方法可以在较少的测量次数下对较宽频率范围的电网阻抗实现高精度测量，同时大幅衰减脉冲注入期间并网电流谐波分量，提高电能质量。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，包括如下步骤：

(1)根据三相逆变器设计参数确定电网阻抗测量带宽；

(2)对测量频率范围进行频段划分；

(3)针对不同频段的特征分别设计正交的脉冲序列，并将设计的脉冲同时注入叠加在三相逆变器的d、q轴电流给定上；

(4)分别采样脉冲注入期间三相PCC点电压电流，利用FFT转换到频域上，从而计算正序电网阻抗和负序电网阻抗；

(5)将步骤(4)所获得的正序电网阻抗和负序电网阻抗测量结果按频率复合，得到宽频率范围的三相电网阻抗测量结果。

所述步骤(2)中所述对测量频率范围进行频段划分为高频段，中频段和低频段。

所述步骤(3)中所述设计的正交的脉冲序列同时注入叠加在三相逆变器的d、q轴电流给定上的具体过程如下：

假设需要在并网电流上产生频率为f_n、幅值为I_fn的正序谐波分量i_{gp_pos}，则d轴和q轴需要同时注入幅值为I_fn，频率为f_n-f₀的谐波分量，同时q轴分量相位滞后d轴分量90°；同理，若需要在并网电流上产生频率为f_n、幅值为I_fn的负序谐波分量i_{gp_neg}，则d轴和q轴需要同时注入幅值为I_fn，频率为f_n+f₀的谐波分量，同时q轴分量相位超前d轴分量90°。

步骤(4)中所述计算正序电网阻抗时，提取正序并网电压、电流的幅值|U_pos(j2πf_k)|、|I_pos(j2πf_k)|和并网电压、电流的相位∠U_pos(j2πf_k)、∠I_pos(j2πf_k)，从而得到正序电网阻抗Z_pos(j2πf_k)的表达式：

其中|Z_pos(j2πf_k)|表示电网正序阻抗幅值，∠Z_pos(j2πf_k)为电网正序阻抗相位。

步骤(4)中所述计算负序电网阻抗时，提取负序并网电压、电流的幅值|U_neg(j2πf_k)|、|I_neg(j2πf_k)|和并网电压、电流的相位∠U_neg(j2πf_k)、∠I_neg(j2πf_k)，从而得到负序电网阻抗Z_neg(j2πf_k)的表达式：

其中|Z_neg(j2πf_k)|表示电网负序阻抗幅值，∠Z_neg(j2πf_k)为电网负序阻抗相位。

本发明的有益效果如下：

本发明根据测量带宽范围内不同频段的特性设计不同的正交伪随机二进制序列进行阻抗测量，可以保证在较少的测量次数下得到较为准确的电网阻抗结果，明显减少测量时间，降低测量复杂性，同时向dq轴同时注入正交伪随机二进制序列可以在并网电流上只产生正序或负序谐波分量，从而大幅减少并网电流的谐波含量，提高谐波注入期间的电能质量。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明实施例的电网阻抗在线测量示意图。

图3是本发明实施例的采用数字控制的三相逆变器控制框图。

图4(a)是本发明实施例的电网阻抗测量结果幅值图；

图4(b)是本发明实施例的电网阻抗测量结果相位图。

图5是本发明实施例的谐波注入期间A相并网电流谐波分布对比图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，本发明为一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，该阻抗测量方案包括以下步骤：

(1)根据三相逆变器设计参数确定电网阻抗测量带宽；

(2)对测量频率范围进行频段划分；

在步骤(2)中，将电网阻抗测量带宽范围根据阻抗特性的不同划分为高频段、中频段和低频段，在不同频段内根据阻抗特性设计不同的注入脉冲进行电网阻抗测量。

(3)针对不同频段的特征分别设计正交的脉冲序列，并将设计的脉冲同时叠加在三相逆变器的d、q轴电流给定上；

在步骤(3)中，针对不同频段特征设计脉冲是指低频段受基波频谱泄露影响较大，高频段受噪声影响较大，因此需要设计功率频谱幅值较大的脉冲进行阻抗测量，中频段受背景谐波及噪声影响较小，可以选择功率强度较小的脉冲进行阻抗测量，以减小并网电流的谐波含量。

同时，在步骤(3)中，假设需要在并网电流上产生频率为f_n、幅值为I_fn的正序谐波分量I_{gp_pos}，则需要在d轴和q轴上同时注入幅值为I_fn，频率为f_n-f₀的谐波分量，同时q轴谐波分量相位滞后d轴谐波分量90°。同理，若需要在并网电流上产生频率为f_n、幅值为I_fn的负序谐波分量I_{gp_neg}，则需要在d轴和q轴上同时注入幅值为I_fn，频率为f_n+f₀的谐波分量，同时q轴谐波分量相位超前d轴谐波分量90°。即，若在d轴和q轴的参考给定处同时注入扰动信号，且两种扰动信号的幅值和频率相等，相位相差90°，则在并网电流上可只产生正序或负序谐波分量，以减小并网电流的谐波含量。

(4)分别采样脉冲注入期间三相PCC点(公共连接点)电压电流，利用FFT(快速傅里叶变换)转换到频域上，从而计算正负序电网阻抗；

(5)将步骤(4)所获得的电网阻抗测量结果按频率复合，得到宽频率范围的三相电网阻抗测量结果。

本发明中，提出一种分频段脉冲注入的思想，即将电网阻抗测量带宽范围根据阻抗特性的不同划分为高频段、中频段和低频段，在不同频段内根据阻抗特性设计不同的注入脉冲进行电网阻抗测量。相比于传统的全测量带宽内单一脉冲注入的电网阻抗测量方案，本发明所提出的分频段脉冲注入的方法在保证测量结果准确性的基础上，明显减少了测量时间，降低测量复杂性，并且对系统稳定性影响较小。

其次，提出一种正交脉冲注入方法，即在d轴和q轴给定上同时叠加频率为f_n-f₀、幅值为I_fn的谐波分量，且q轴上叠加的谐波分量相位滞后d轴对应谐波分量90°，产生一种正序的谐波注入分量，或者在d轴和q轴给定上同时叠加频率为f_n+f₀、幅值为I_fn的谐波分量，且q轴上叠加的谐波分量相位超前d轴对应谐波分量90°，产生一种负序的谐波注入分量。该方法只产生幅值为I_fn的正序/负序谐波注入分量，而消除了负序/正序谐波注入分量。采用正交脉冲注入法由于消除了对应频率的负序/正序谐波分量，因此大幅减少了并网电流的谐波含量，有助于谐波注入期间电能质量的提高。

下面例举一实施例

如图2所示，本实施例为基于三相LCL并网逆变器的三相电网阻抗的在线测量。其中，为考虑电网阻抗Z_g时的PCC点电压。为了便于分析，本发明将电网阻抗Z_g等效为电阻L_g和电感R_g串联的形式，在电流环的dq轴给定上叠加扰动信号i_p，经过闭环控制回路后会在PCC点产生对应的电压和电流响应。采样获取三相PCC点电压和并网电流响应后，对得到的响应数据进行数字信号处理，然后通过快速傅里叶变换将其转换为频域表示，经过正负序转换后即可计算得到正负序电网阻抗。

利用本发明的测量方案进行三相电网阻抗测量，具体过程如下：

首先计算实施例的电网阻抗测量带宽。图3给出系统的离散域模型。其中，并网电流i_gd(s)经采样开关后，输出离散化的并网电流i_gd(z)，给定电流i_dref(z)与其作差后经PI(比例积分调节器)调节器，可以输出调制波u_M(z)。PI调节器离散化后的传递函数G_i(z)为：

其中，T_s为采样频率，本实施例中为80kHz，K_p，K_i为PI调节器参数，本实施例中K_p＝10，K_i＝666，s为连续域的变量，z为离散域变量。

在DSP(数字信号处理器)所用的算法中，实际装载调制信号的时刻相对于计算得到调制信号的时刻延迟了一个采样周期，即为计算延时，也称为一拍延时，在z域中表示为：

G_{delay_c}(z)＝z^-1 (5)

通过在模型中增加零阶保持器来描述PWM调制(脉冲宽度调制)的延时特性，零阶保持器会引入0.5拍延时，其传递函数G_h(s)为：

根据图3，可以推得调制波u_M(z)经计算延时后得到的u_M'到并网电流i_gd的传递函数G_oZOH(s)为：

式中，滤波电容C_f＝6.8μF，阻尼电阻R_d＝3Ω，逆变器侧电感L₁＝1.5mH，网侧电感L₂＝0.2mH。

将式(6)代入式(7)，并对其进行离散化，可得：

上式中，K_PWM为调制比，Z(﹒)表示对频域函数进行离散化，变量m、m₁、m₂被定义为：

m＝|(ω_r ²C_fR_d)²-4ω_r ²| (9)

其中，j为纯虚数ω_r为不考虑无源阻尼R_d时的LCL滤波器的谐振角频率，即：

从而可以得到系统开环增益在离散域的表达式：

G_oi(z)＝G_i(z)·G_{delay_c}(z)·G_oZOH(z) (13)

其中：G_oi(z)为系统开环增益在离散域的表达式，G_i(z)为PI调节器在离散域的传递函数，G_{delay_c}(z)为考虑数字控制中PWM调制带来的计算延时，G_oZOH(z)调制波到并网电流的离散化传递函数。

进一步可以得到系统闭环增益在离散域的表达式G_ci(z)为：

根据式(14)，并结合本实施例的设计参数，可以绘制出数字控制下系统的闭环增益曲线，本文设计的三相系统带宽约为4kHz，即在高于4kHz的频带上，系统闭环输出电流对输入给定电流的增益将大幅衰减。

本实施例中采用的脉冲序列为MLBS(最大长度二进制序列)信号和DIBS(离散区间二进制序列)信号。MLBS信号由于将功率分布在很多谐波频率点上，且频率间隔可以做到很小，只需要注入一次MLBS信号即可获取在较宽频带上的较为细密的电网阻抗曲线分布，因此适用于电网阻抗频率曲线复杂或需要知道具体分布细节的阻抗测量。DIBS信号的功率谱分布可以由用户指定，在不增加信号时域幅值的基础上，能保证指定谐波频率点处的功率谱幅值最大化，从而提高相应频率点的测量精度。

本发明针对4kHz频带范围内的正序电网阻抗在线测量，考虑到在100～1000Hz频带内，背景谐波及噪声的影响较小，利用具有宽频谱信息的伪随机二进制序列即可得到较为准确的电网阻抗测量结果，并且可以知道具体的分布细节。而在100Hz以下，基波频谱泄露造成的影响较大，在1kHz以上，噪声造成影响较大，需要利用功率谱幅值较大的信号进行阻抗测量，从而得到这两个频段上较为准确的电网阻抗测量结果。因此以此为依据进行频段划分：低频段为100Hz以下，设计DIBS信号，中频段为100～1000Hz，设计MLBS信号，高频段为1000～4000Hz，设计DIBS信号。具体设计参数如下：

(a)低频段(100Hz以下)：设计信号DIBS1，f_c＝5kHz，N＝512，a＝1.6A，指定在正序分量上的8个谐波频率点功率最大化；

(b)中频段(100～1000Hz)：设计信号MLBS2，f_c＝10kHz，N＝511，a＝1.6A；

(c)高频段(1000～4000Hz)：设计信号DIBS3，f_c＝10kHz、N＝512，a＝1.6A，指定在正序分量上的10个谐波频率点功率最大化。

将上述设计的三组伪随机二进制序列分别叠加在d轴电流给定上，将与上述三组伪随机二进制序列正交的，且幅值滞后d轴电流给定90°信号叠加在q轴电流给定上，从而实现基于dq轴的正交信号注入，dq轴正交信号注入法将消除对应频率的负序谐波分量。同理，将上述设计的三组伪随机二进制序列分别叠加在d轴电流给定上，将与上述三组伪随机二进制序列正交的，且幅值超前d轴电流给定90°信号叠加在q轴电流给定上，从而实现基于dq轴的正交信号注入，dq轴正交信号注入法将消除对应频率的负序谐波分量因此大幅减少了并网电流的谐波含量，有助于谐波注入期间电能质量的提高。

在本实例中，获取脉冲注入期间三相PCC点电压及并网电流响应后，需要对这些数据进行FFT变换，提取其在频域上的幅值和相位信息，并将三相电压电流转换成正负序电压电流，从而计算正负序电网阻抗。

三相电压电流转正负序电压电流计算公式如下：

其中：U_pos为正序电压，U_neg为负序电压，f_k为采样频率，a为120°矢量算子，U_PCCa为a相的交流侧电压，U_PCCb为b相交流侧电压，U_PCCc为c相交流侧电压，I_pos为正序电流，I_neg为负序电流，I_ga为a相交流电流，I_gb为b相交流电流，I_gc为c相交流电流，

正负序电网阻抗的表达式：

其中：Z_pos为正序阻抗，Z_neg为负序阻抗，∠*表示相角，

从图4(a)和(b)可以看出，采用本发明所提出的一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法测得的正序电网阻抗和理论曲线完全吻合。说明本专利所提出的电网阻抗测量方法可以准确地进行阻抗测量。同时分别对谐波注入期间本文所提的方法与传统d/q轴单点注入宽频带阻抗测量方法下的A相并网电流i_ga作傅里叶分析，谐波分布见图5。可以看出采用新型dq轴正交信号注入法后并网电流的整体谐波明显减小，采用传统d轴单点信号注入法时A相并网电流的THD(谐波含量)为7.22％，采用新型dq轴正交信号注入法后THD降至4.85％。说明本专利所提出的一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法通过构造正交脉冲以及在测量带宽内分频段进行脉冲注入，实现了对应于指定频率的正序/负序分量注入，在保证电网阻抗测量精度的同时，有效减小并网电流的谐波含量。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据三相逆变器设计参数确定电网阻抗测量带宽；

(2)对测量频率范围进行频段划分；

(3)针对不同频段的特征分别设计正交的脉冲序列，并将设计的脉冲同时注入叠加在三相逆变器的d、q轴电流给定上；

(4)分别采样脉冲注入期间三相PCC点电压电流，利用FFT转换到频域上，从而计算正序电网阻抗和负序电网阻抗；

(5)将步骤(4)所获得的正序电网阻抗和负序电网阻抗测量结果按频率复合，得到宽频率范围的三相电网阻抗测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述对测量频率范围进行频段划分为高频段，中频段和低频段。

3.根据权利要求1所述的一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述设计的正交的脉冲序列同时注入叠加在三相逆变器的d、q轴电流给定上的具体过程如下：

假设需要在并网电流上产生频率为f_n、幅值为I_fn的正序谐波分量i_{gp_pos}，则d轴和q轴需要同时注入幅值为I_fn，频率为f_n-f₀的谐波分量，同时q轴分量相位滞后d轴分量90°；同理，若需要在并网电流上产生频率为f_n、幅值为I_fn的负序谐波分量i_{gp_neg}，则d轴和q轴需要同时注入幅值为I_fn，频率为f_n+f₀的谐波分量，同时q轴分量相位超前d轴分量90°。

4.根据权利要求1所述的一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，其特征在于，步骤(4)中所述计算正序电网阻抗时，提取正序并网电压、电流的幅值|U_pos(j2πf_k)|、|I_pos(j2πf_k)|和并网电压、电流的相位∠U_pos(j2πf_k)、∠I_pos(j2πf_k)，从而得到正序电网阻抗Z_pos(j2πf_k)的表达式：

其中|Z_pos(j2πf_k)|表示电网正序阻抗幅值，∠Z_pos(j2πf_k)为电网正序阻抗相位。

5.根据权利要求1所述的一种分频段复合正交脉冲注入的三相电网阻抗测量方法，其特征在于，步骤(4)中所述计算负序电网阻抗时，提取负序并网电压、电流的幅值|U_neg(j2πf_k)|、|I_neg(j2πf_k)|和并网电压、电流的相位∠U_neg(j2πf_k)、∠I_neg(j2πf_k)，从而得到负序电网阻抗Z_neg(j2πf_k)的表达式：

其中|Z_neg(j2πf_k)|表示电网负序阻抗幅值，∠Z_neg(j2πf_k)为电网负序阻抗相位。