CN109902347B - 基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法及装置 - Google Patents

基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法及装置。所述基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置包括主并网逆变器、短路比计算单元、从并网逆变器、弱电网；本实验装置测量并网系统短路比的具体操作过程为：扰动注入单元向并网逆变器注入扰动信号，通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采集公共耦合点PCC的电流响应信号和电压响应信号，通过基波阻抗辨识单元获得基波阻抗，进而计算得到系统的短路比。本实验装置可以很准确、可靠的计算并网系统短路比，从而应用于并网系统的稳定性判定及自适应控制中，提升并网系统的稳定性。

Description

基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法及装置
技术领域
本发明属于电能质量分析和控制领域，具体涉及一种基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法及装置。
技术背景
随着化石能源的不断消耗以及环境危机的日益加剧，光伏、风电等新能源在电力结构中的比重越来越大，多并网逆变器接入同一交流电网不可避免，这些距离较近新能源和交流电网一起构成多逆变器并网系统。
当多并逆变器并网系统的并网逆变器数量不断增加且容量增大后，交流电网的支撑能力就会减弱，导致设备与设备，设备与电网之间的耦合作用加剧，进而可能引起系统出现谐振现象。为此如何测量和评估多逆变器接入后电网的强度，定量的分析多逆变器系统之间的相互作用，对保证系统的稳定运行十分重要。
短路比(short circuit ratio，SCR)常被用于分析多逆变器并网系统的相对强度和稳定性：SCR越大，交流电网越强，多逆变器并网系统越稳定；反之系统越不稳定。
目前，并网系统的稳定性判定及短路比研究已经成为分布式发电的热点问题。
题为“MIMO Identification Techniques for Rapid Impedance-basedStability Assessment of Three Phase Systems in DQ Domain”，Roinila T,Messo T,Santi E，IEEE Transactions on Power Electronics,2017:1-1.(“三相系统dq域下基于多输入多输出系统辨识技术的快速阻抗稳定性判断方法”，《IEEE学报电力电子期刊》，2017年网络发表)的文章，通过测量宽频带下的电网阻抗，从阻抗的角度来分析并网系统的稳定性，但是测量点较多，耗时较长，工程实现较困难。
辛焕海，董炜，袁小明等发表于2016年11月20日《中国电机工程学报》第36卷第22期的《电力电子多馈入电力系统的广义短路比》，从理论上分析了电力电子多馈入电力系统的广义短路比的计算方法，根据电力电子设备容量和电网短路容量计算得到系统的短路比，但是没有考虑电网阻抗变化对短路比测量带来的影响，对于系统中的电力电子单元如何测量自身所处系统的短路比也缺乏研究。
中国发明专利(公开号CN 106655234A)于2017年5月10日公开的《一种线路阻抗和联络线功率对广义短路比影响的分析方法》，本发明基于广义短路比的定义，在推导时考虑了线路阻抗和联络线功率，并利用仿真分析其对广义短路比的影响，但本发明只从理论上分析了线路阻抗和联络线功率的影响，没有给出减弱线路阻抗影响的短路比测量方案。
综上所述，现在的技术存在以下问题：
1、目前通常采用阻抗稳定性判据分析系统的稳定性，需要测量宽频带的阻抗，耗时较长，短路比作为衡量并网稳定性的重要因素，现有测量短路比方案较少，为了能够更好的研究并网系统的稳定性，有必要对短路比测量方案进行研究；
2、现有短路比测量方案大多从并网系统角度，根据已知电力电子设备容量和电网的短路容量进行计算，并没有考虑处于系统中的并网逆变器单元如何测量自身所处系统的短路比；
3、实际工况条件下，电网阻抗随着运行时间和运行状态发生变化，电网阻抗变化对短路比测量会产生影响，现有方案缺乏减弱其影响的措施。
发明内容
本发明目的是研究考虑电网阻抗变化后短路比的测量方法及装置，提出了一种基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法，通过测量逆变器接入电网前后基波阻抗的变化，来测量并网系统的短路比，进而用于系统的稳定性判定及自适应控制中，提升并网系统的稳定性。
本发明的目的是这样实现的。
本发明提供了一种基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置，包括主并网逆变器、短路比计算单元、从并网逆变器、弱电网；
所述主并网逆变器包括主直流源、主三相全桥逆变电路、主三相LC滤波器、主三相接触器、主扰动注入单元、主控制单元；所述主直流源与所述主三相全桥逆变电路直流输入端相连接，所述主三相全桥逆变电路输出端与所述主三相LC滤波器电感输入端相连接，所述主三相LC滤波器电容输出端与所述主三相接触器输入端相连接，所述主三相接触器的输出端与弱电网的输入端相连接；所述主扰动注入单元的输出端与主控制单元的输入端相连，通过主控制单元将扰动信号发送到主三相全桥逆变电路，以实现对主并网逆变器的扰动信号注入；
所述短路比计算单元包括采样单元、基波阻抗辨识单元、计算单元；所述采样单元包括一个并网电流传感器Hig和一个并网电压传感器Hug，并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug的输入端和主三相LC滤波器电容输出端相连；并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug的输出端和基波阻抗辨识单元的输入端相连；基波阻抗辨识单元的输出端与计算单元的输入单元相连；
所述从并网逆变器包括从直流源、从三相全桥逆变电路、从三相LC滤波器、从三相接触器、从扰动注入单元，从控制单元；所述从直流源与所述从三相全桥逆变电路直流输入端相连接，所述从三相全桥逆变电路输出端与所述从三相LC滤波器电感输入端相连接，所述从三相LC滤波器电容输出端与所述从三相接触器输入端相连接，所述从三相接触器的输出端与弱电网的输入端相连接；所述从扰动注入单元的输出端与从控制单元的输入端相连，通过从控制单元将扰动信号发送到从三相全桥逆变电路，以实现对从并网逆变器的扰动信号注入；
所述弱电网包括电网阻抗、电网；所述电网阻抗的输入端与主三相接触器的输出端、从三相接触器的输出端分别连接，所述电网阻抗的输出端与电网连接。
本发明还提供了一种基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，主三相接触器闭合，从三相接触器断开，即从并网逆变器停机，主并网逆变器并网运行；主扰动注入单元通过主控制单元向主并网逆变器注入扰动信号，在公共耦合点PCC产生一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1；
步骤2，采样单元通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采样，得到公共耦合点PCC的一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1；
步骤3，将步骤2中采集得到的公共耦合点PCC的一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1输入到基波阻抗辨识单元，输出为公共耦合点PCC的一次电压谐波分量ugh1和一次电流谐波分量igh1，并计算得到一次基波阻抗Zg1，计算公式如下：
Figure BDA0001956103660000051
步骤4，保持主三相接触器闭合，闭合从三相接触器，从并网逆变器并网运行，从扰动注入单元通过从控制单元向从并网逆变器注入扰动信号，在公共耦合点PCC产生二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2；
步骤5，采样单元通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采样得到公共耦合点PCC的二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2；
步骤6，将步骤5中采集得到的公共耦合点PCC的二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2输入到基波阻抗辨识单元，输出为公共耦合点PCC的二次电压谐波分量ugh2和二次电流谐波分量igh2，并计算得到二次基波阻抗Zg2，计算公式如下：
Figure BDA0001956103660000052
步骤7，由步骤3得到的一次基波阻抗Zg1和步骤6得到的二次基波阻抗Zg2，输入到计算单元，通过短路比计算公式计算得到短路比SCR，短路比计算公式为：
S2＝k(Zg2-Zg1)
Figure BDA0001956103660000061
其中，S1为主并网逆变器的投入运行容量，S2为从并网逆变器的投入运行容量，Sac为弱电网的短路容量，k为注入扰动信号幅值与投入运行容量之间的比例系数。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1、本发明所述基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置可以精确的测量系统短路比，进而判断系统的强弱及稳定性，为后续的自适应控制提供判断依据；
2、相对于现有技术，本发明将基波阻抗测量应用到短路比的测量中，解决了短路比测量困难的问题；
3、本发明所述基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法可以在电网阻抗变化时，仍然能够很好的测量系统的短路比。
附图说明
图1为本发明基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置结构图。
图2为接入从并网逆变器前后，辨识得到基波阻抗的变化波形。
图3为接入从并网逆变器前后，测量得到短路比的变化波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式做进一步详细描述。
图1为基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置结构图。由该图可见，所述基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置，包括主并网逆变器10、短路比计算单元20、从并网逆变器30、弱电网40。
所述主并网逆变器10包括主直流源101、主三相全桥逆变电路102、主三相LC滤波器103、主三相接触器104、主扰动注入单元105、主控制单元106；所述主直流源101与所述主三相全桥逆变电路10)直流输入端相连接，所述主三相全桥逆变电路102输出端与所述主三相LC滤波器103电感输入端相连接，所述主三相LC滤波器103电容输出端与所述主三相接触器104输入端相连接，所述主三相接触器104的输出端与弱电网40的输入端相连接；所述主扰动注入单元105的输出端与主控制单元106的输入端相连，通过主控制单元106将扰动信号发送到主三相全桥逆变电路102，以实现对主并网逆变器10的扰动信号注入。
所述短路比计算单元20包括采样单元201、基波阻抗辨识单元202、计算单元203；所述采样单元201包括一个并网电流传感器Hig和一个并网电压传感器Hug，并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug的输入端和主三相LC滤波器103电容输出端相连；并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug的输出端和基波阻抗辨识单元202的输入端相连；基波阻抗辨识单元202的输出端与计算单元203的输入单元相连。
所述从并网逆变器30包括从直流源301、从三相全桥逆变电路302、从三相LC滤波器303、从三相接触器304、从扰动注入单元305，从控制单元306；；所述从直流源301与所述从三相全桥逆变电路302直流输入端相连接，所述从三相全桥逆变电路302输出端与所述从三相LC滤波器303电感输入端相连接，所述从三相LC滤波器303电容输出端与所述从三相接触器304输入端相连接，所述从三相接触器304的输出端与弱电网40的输入端相连接；所述从扰动注入单元305的输出端与从控制单元306的输入端相连，通过从控制单元306将扰动信号发送到从三相全桥逆变电路302，以实现对从并网逆变器30的扰动信号注入。
所述弱电网40包括电网阻抗401、电网402；所述电网阻抗401的输入端与主三相接触器104的输出端、从三相接触器304的输出端分别连接，所述电网阻抗401的输出端与电网402连接。
本实施例中测量装置实施例的主并网逆变器10和从并网逆变器30的硬件参数相同，具体参数如下表所示：
表1
Figure BDA0001956103660000081
所述基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量方法包括以下步骤：
步骤1，主三相接触器104闭合，从三相接触器304断开，即从并网逆变器30停机，主并网逆变器10并网运行；主扰动注入单元105通过主控制单元106向主并网逆变器10注入扰动信号，在公共耦合点PCC产生一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1；
步骤2，采样单元201通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采样，得到公共耦合点PCC的一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1；
步骤3，将步骤2中采集得到的公共耦合点PCC的一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1输入到基波阻抗辨识单元202，输出为公共耦合点PCC的一次电压谐波分量ugh1和一次电流谐波分量igh1，并计算得到一次基波阻抗Zg1，计算公式如下：
Figure BDA0001956103660000091
步骤4，保持主三相接触器104闭合，闭合从三相接触器304，从并网逆变器30并网运行，从扰动注入单元305通过从控制单元306向从并网逆变器30注入扰动信号，在公共耦合点PCC产生二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2；
步骤5，采样单元201通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采样得到公共耦合点PCC的二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2；
步骤6，将步骤5中采集得到的公共耦合点PCC的二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2输入到基波阻抗辨识单元202，输出为公共耦合点PCC的二次电压谐波分量ugh2和二次电流谐波分量igh2，并计算得到二次基波阻抗Zg2，计算公式如下：
Figure BDA0001956103660000092
步骤7，由步骤3得到的一次基波阻抗Zg1和步骤6得到的二次基波阻抗Zg2，输入到计算单元203，通过短路比计算公式计算得到短路比SCR，短路比计算公式为：
S2＝k(Zg2-Zg1)
Figure BDA0001956103660000093
其中，S1为主并网逆变器10的投入运行容量，S2为从并网逆变器30的投入运行容量，Sac为弱电网40的短路容量，k为注入扰动信号幅值与投入运行容量之间的比例系数。
本实施例中，S1＝100kW，Sac＝2MW，k＝0.1。
图2为在t0时刻接入从并网逆变器30接入前后，基波阻抗的变化波形。由该图可见，从并网逆变器30投入运行前，辨识得到的基波阻抗为0.24mH，从并网逆变器30投入运行后，基波阻抗变为0.48mH。
图3为在t0时刻接入从并网逆变器30前后，短路比的变化波形，可以发现从并网逆变器30投入运行前，测量得到的短路比为20，从并网逆变器投入运行后，短路比变为10，证明该发明可以很精确的测量并网系统的短路比。

Claims (2)

1.一种基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置，其特征在于，包括主并网逆变器(10)、短路比计算单元(20)、从并网逆变器(30)、弱电网(40)；
所述主并网逆变器(10)包括主直流源(101)、主三相全桥逆变电路(102)、主三相LC滤波器(103)、主三相接触器(104)、主扰动注入单元(105)、主控制单元(106)；所述主直流源(101)与所述主三相全桥逆变电路(102)直流输入端相连接，所述主三相全桥逆变电路(102)输出端与所述主三相LC滤波器(103)电感输入端相连接，所述主三相LC滤波器(103)电容输出端与所述主三相接触器(104)输入端相连接，所述主三相接触器(104)的输出端与弱电网(40)的输入端相连接；所述主扰动注入单元(105)的输出端与主控制单元(106)的输入端相连，通过主控制单元(106)将扰动信号发送到主三相全桥逆变电路(102)，以实现对主并网逆变器(10)的扰动信号注入；
所述短路比计算单元(20)包括采样单元(201)、基波阻抗辨识单元(202)、计算单元(203)；所述采样单元(201)包括一个并网电流传感器Hig和一个并网电压传感器Hug，并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug的输入端和主三相LC滤波器(103)电容输出端相连；并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug的输出端和基波阻抗辨识单元(202)的输入端相连；基波阻抗辨识单元(202)的输出端与计算单元(203)的输入单元相连；
所述从并网逆变器(30)包括从直流源(301)、从三相全桥逆变电路(302)、从三相LC滤波器(303)、从三相接触器(304)、从扰动注入单元(305)，从控制单元(306)；所述从直流源(301)与所述从三相全桥逆变电路(302)直流输入端相连接，所述从三相全桥逆变电路(302)输出端与所述从三相LC滤波器(303)电感输入端相连接，所述从三相LC滤波器(303)电容输出端与所述从三相接触器(304)输入端相连接，所述从三相接触器(304)的输出端与弱电网(40)的输入端相连接；所述从扰动注入单元(305)的输出端与从控制单元(306)的输入端相连，通过从控制单元(306)将扰动信号发送到从三相全桥逆变电路(302)，以实现对从并网逆变器(30)的扰动信号注入；
所述弱电网(40)包括电网阻抗(401)、电网(402)；所述电网阻抗(401)的输入端与主三相接触器(104)的输出端、从三相接触器(304)的输出端分别连接，所述电网阻抗(401)的输出端与电网(402)连接。
2.一种根据权利要求1所述的基于基波阻抗辨识的并网系统短路比测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，主三相接触器(104)闭合，从三相接触器(304)断开，即从并网逆变器(30)停机，主并网逆变器(10)并网运行；主扰动注入单元(105)通过主控制单元(106)向主并网逆变器(10)注入扰动信号，在公共耦合点PCC产生一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1；
步骤2，采样单元(201)通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采样，得到公共耦合点PCC的一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1；
步骤3，将步骤2中采集得到的公共耦合点PCC的一次电流响应信号iga1、igb1、igc1和一次电压响应信号uga1、ugb1、ugc1输入到基波阻抗辨识单元(202)，输出为公共耦合点PCC的一次电压谐波分量ugh1和一次电流谐波分量igh1，并计算得到一次基波阻抗Zg1，计算公式如下：
Figure FDA0001956103650000031
步骤4，保持主三相接触器(104)闭合，闭合从三相接触器(304)，从并网逆变器(30)并网运行，从扰动注入单元(305)通过从控制单元(306)向从并网逆变器(30)注入扰动信号，在公共耦合点PCC产生二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2；
步骤5，采样单元(201)通过并网电流传感器Hig和并网电压传感器Hug分别采样得到公共耦合点PCC的二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2；
步骤6，将步骤5中采集得到的公共耦合点PCC的二次电流响应信号iga2、igb2、igc2和二次电压响应信号uga2、ugb2、ugc2输入到基波阻抗辨识单元(202)，输出为公共耦合点PCC的二次电压谐波分量ugh2和二次电流谐波分量igh2，并计算得到二次基波阻抗Zg2，计算公式如下：
Figure FDA0001956103650000032
步骤7，由步骤3得到的一次基波阻抗Zg1和步骤6得到的二次基波阻抗Zg2，输入到计算单元(203)，通过短路比计算公式计算得到短路比SCR，短路比计算公式为：
S2＝k(Zg2-Zg1)
Figure FDA0001956103650000033
其中，S1为主并网逆变器(10)的投入运行容量，S2为从并网逆变器(30)的投入运行容量，Sac为弱电网(40)的短路容量，k为注入扰动信号幅值与投入运行容量之间的比例系数。
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