CN110095654B - 一种电网电感检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电网电感检测方法，包括基于电网电感的光伏逆变系统模型建立和基于电压振荡特性的电网电感检测方法；所述基于电网电感的光伏逆变系统模型作为基于电压振荡特性的电网电感检测方法的基础，基于电压振荡特性的电网电感检测方法得出方法的最终计算结果。本发明建立了逆变器端电压分析模型，研究了光伏发电控制系统与联网滤波器及电网阻抗相互作用的机理，分析了功率调整过程逆变器端电压振荡特性，提出了基于逆变器端电压振荡特性的电网电感检测方法，实现了电网电感的高精度在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及电网电感检测方法，具体涉及一种基于逆变器端电压振荡特性的电网电感检测方法。
背景技术
目前，大力发展光伏发电是应对能源危机和环境污染，推动能源低碳化变革的重要途径。由于受土地资源及光照的限制，大型光伏电站往往位于电网结构薄弱的偏远地区。随着光伏电站联网规模的增加，所接入电网呈现弱电网特性，使得光伏发电联网系统的稳定性受到威胁。电网电感的准确检测可使光伏逆变器及时获取网侧状态变化，正确匹配逆变器控制系统参数，有利于提高并网逆变器在弱电网条件下的适应性，对逆变系统的稳定运行具有重要意义。
针对电网电感测量技术已有一定研究。比较成熟的测量方法有主动测量法、被动测量法和准被动测量法。其中，主动测量法在公共耦合点注入一个或多个特定频率次的谐波电流，待系统稳定运行后对电网电压和并网电流进行采样，利用离散傅里叶变换法处理采样得到的各组电压、电流数据，从而得出电网电感。在电网背景谐波的干扰下，采样后的傅里叶运算准确度下降，如不加以考虑将严重影响电网电感的计算精度。被动测量法测量精度较高且无需向系统注入扰动信号，但对于一个运行良好的逆变系统而言，滤波器等环节已对并网电流开关频率处的高次谐波充分抑制，通过对并网点固有谐波的分析来实现电网电感的测量可行性较低。准被动测量法结合了主动与被动测量两种方式，具有精度高、扰动少的优点，但目前对该方法中电网电感突变阀值的设定缺乏研究。
上述电网电感测量方法无法同时保证实现的可行性和精确性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于逆变器端电压振荡特性的电网电感检测方法，利用逆变器端部电压振荡特性推算出网侧电感值，此方法易于实现且具有较高检测精度。
本发明采用的技术方案是：一种电网电感检测方法，包括基于电网电感的光伏逆变系统模型建立和基于电压振荡特性的电网电感检测方法；所述基于电网电感的光伏逆变系统模型作为基于电压振荡特性的电网电感检测方法的基础，基于电压振荡特性的电网电感检测方法得出方法的最终计算结果；
所述基于电网电感的光伏逆变系统模型建立包括以下步骤：
在LC型非隔离光伏逆变器并网系统中，L 1、C f分别为滤波电感、滤波电容，L 2为共模电感，L g、R g分别为线路等效电感、等效电阻，u dc为直流母线电压，u sx 为电网电压，u x、i 1x分别为逆变器输出电压、输出电流，x=a,b,c；u cx 为逆变器滤波电容电压，即逆变器端部电压，PCC为逆变器与公共电网耦合点；
由LC型非隔离光伏逆变器并网系统结构得到逆变器侧dq坐标系下输出电流i 1x的d轴分量i 1d和q轴分量i 1q为：
逆变器侧dq坐标系下输出电压u x的d轴分量u d和q轴分量u q为：
将电网电感L g与LCL滤波器的L2相加，看作一个电感L 2g；电容电压表示为：
由公式（1）-（3），得到同步旋转坐标系下逆变器输出电路，当采用比例积分控制时，受控源u d、u q的受控策略如式（4）所示：
将受控源u d、u q的受控式（4）代入式（2），可得：
由式（5）可以得到i 1d控制框图，q轴电流i 1q的控制方式与i 1d相同；
得到电流环控制传递函数为：
由式（6）可以得到i 1d (s)的表达式如下：
由式（7）可知，光伏逆变系统能对外等效为一个受控电流源，得到等效电路模型；
基于电压振荡特性的电网电感检测方法包括：
对式（7）进行反拉普拉斯变换，可得i 1d(t)表达式如下：
其中，
，
，A1、A2为待定系数，可根据电路初始条件求得；
利用节点电压法，可求得逆变器端部电压u cd(s)的表达式，对u cd(s)进行反拉普拉斯变换，得到u cd (t)的表达式如下：
由式（9）可知：光伏发电系统功率突变过程，逆变器端电压u cd (t)由暂态分量和稳态分量组成；ω为振荡角频率，B 1- B 5为与电网电感无关的待定系数，可根据逆变器及其并网系统的固有特性求得；
由式（10）可知：滤波电容电压u cd的衰减振荡频率ω由滤波电容C f、线路电感L 2g和线路电阻R g决定，其值随着L 2g和C f的增大而减小；光伏逆变系统一般为远距离输电系统，采用高压输电线路进行电能的传输，其线路的阻性成分R g远远小于其感性成分，故R g可忽略，此时衰减振荡分量中的ω可表示为：
若已知逆变器端电压振荡角频率ω以及滤波器电容值C f，能求得电感值L 2g，进而求得电网电感L g，表达式如式（12）:
进一步地，所述基于电网电感的光伏逆变系统模型建立还包括：
忽略光伏逆变系统并网模型中的q轴回路，逆变器端部电压振荡过程仅用d轴回路来表征。
本发明的优点：
本发明针对光伏发电并网逆变器无法获取电网电感信息，可能导致逆变器控制系统参数不匹配问题，建立了逆变器端电压分析模型，研究了光伏发电控制系统与联网滤波器及电网阻抗相互作用的机理，分析了功率调整过程逆变器端电压振荡特性，提出了基于逆变器端电压振荡特性的电网电感检测方法，实现了电网电感的高精度在线检测。
本发明的方法针对并网逆变器因无法获取电网电感波动信息，可能导致逆变器控制系统参数不匹配的问题，建立了逆变器端电压分析模型，分析了功率调整过程逆变器端电压振荡特性，提出了一种基于电压振荡特性的电网电感检测方法，该方法通过激起的并网点可控衰减振荡，根据振荡频率得到电网电感。此方法易于实现且具有较高检测精度，为光伏逆变器及时获取网侧状态变化和逆变系统稳定运行提供了理论支撑，具有重要工程应用价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的一种电网电感检测方法的LC型光伏并网逆变器系统结构图；
图2是本发明实施例的一种电网电感检测方法的同步旋转坐标系下光伏逆变器输出电路图；
图3是本发明实施例的一种电网电感检测方法的i1d控制框图；
图4是本发明实施例的一种电网电感检测方法的光伏逆变器等效为电流源后并网模型；
图5是本发明实施例的一种电网电感检测方法的光伏逆变器复频域并网模型；
图6是本发明实施例的一种电网电感检测方法的不同Lg情况下逆变器端电压振荡波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图6，如图1至图6所示，一种电网电感检测方法，包括基于电网电感的光伏逆变系统模型建立和基于电压振荡特性的电网电感检测方法；所述基于电网电感的光伏逆变系统模型作为基于电压振荡特性的电网电感检测方法的基础，基于电压振荡特性的电网电感检测方法得出方法的最终计算结果。
图1为LC型非隔离光伏逆变器并网系统，参考图1。如图1所示，在LC型非隔离光伏逆变器并网系统中，L 1、C f分别为滤波电感、滤波电容，L 2为共模电感，L g、R g分别为线路等效电感、等效电阻，u dc为直流母线电压，u sx 为电网电压，u x、i 1x分别为逆变器实际输出电压、实际输出电流，其中x=a,b,c；u cx 为逆变器滤波电容电压，即逆变器端部电压，PCC为逆变器与公共电网耦合点。
所述基于电网电感的光伏逆变系统模型建立包括以下步骤：
由图1系统结构得到逆变器侧dq坐标系下输出电流i 1x的d轴分量i 1d和q轴分量i 1q为：
逆变器侧dq坐标系下输出电压u x的d轴分量u d和q轴分量u q为：
为了表达方便，将电网电感L g与LCL滤波器的L2相加，看作一个电感L 2g；电容电压表示为：
根据公式（1）-（3），可得到如图2所示的同步旋转坐标系下逆变器输出电路。当采用比例积分（Proportional Integral，PI）控制时，图中受控源ud、uq的受控策略如式（4）所示。
将受控源u d、u q的受控式（4）代入式（2），可得：
根据式（5）可以得到i 1d控制框图，q轴电流i 1q的控制方式与i 1d相同。
根据图3可以得到电流环控制传递函数为：
由式（6）可以得到i 1d (s)的表达式如下：
由式（7）可知，光伏逆变系统可对外等效为一个受控电流源，等效后的电路模型如图4所示。
考虑到光伏逆变器一般采用逆变器端电压矢量定位控制，且运行于单位功率因数模式，电流、电压的q轴分量均为零。可忽略光伏逆变系统并网模型中的q轴回路，逆变器端部电压振荡过程仅用d轴回路来表征，如图4（a）所示。
基于电压振荡特性的电网电感检测方法包括： 在光伏侧给予一个电流脉冲信号，光伏逆变系统输出功率将发生波动，进而引起逆变器端部电压振荡响应，为了准确分析该振荡的响应过程，将如图4（a）所示的并网电路模型变换为复频域形式，如图5所示。图中，ucd(0-)和i2d(0-)为未加电流脉冲前ucd和i2d值。由图5可知，逆变器端部电压响应由光伏侧电流突变引发，此响应由电流源i2d、电网电压usd共同作用引起的零状态响应和由电路初始值ucd(0-)和i2d(0-)共同作用引起的零输入响应组成。 对式（7）进行反拉普拉斯变换，可得i1d(t)表达式如下：
其中，
，
，A 1、A 2为待定系数，可根据电路初始条件求得；
利用节点电压法，可求得逆变器端部电压u cd(s)的表达式，对u cd(s)进行反拉普拉斯变换，得到u cd (t)的表达式如下：
由式（9）可知：光伏发电系统功率突变过程，逆变器端电压u cd(t)由暂态分量和稳态分量组成。ω为振荡角频率，B 1- B 5为与电网电感无关的待定系数，可根据逆变器及其并网系统的固有特性求得；
光伏逆变器端部电压与激励的关系，是计及网侧参数、控制器响应特性、系统初始状态的激励响应间关系表达式。若已知表达式中某些可供测量的分量，通过求解便可得到一些不方便直接测量的参数值。可以利用光伏逆变器端部电压所能提供的信息实现电网电感的检测。
由式（10）可知：滤波电容电压u cd的衰减振荡频率ω由滤波电容C f、线路电感L 2g和线路电阻R g决定，其值随着L 2g和C f的增大而减小；光伏逆变系统一般为远距离输电系统，采用高压输电线路进行电能的传输，其线路的阻性成分R g远远小于其感性成分，故R g可忽略，此时衰减振荡分量中的ω可表示为：
若已知逆变器端电压振荡角频率ω以及滤波器电容值C f，能求得电感值L 2g，进而求得电网电感L g，表达式如式（12）。
本发明的方法仅需在光伏侧施加小脉冲电流，得到逆变器端部振荡衰减的电压信号。对电压进行取样及分析后，根据振荡频率的大小推算出电感量的大小。与谐波注入法相比，此方法在测量时仅需获取振荡频率，采样较为简单且精确度较高；此外，端部电压高频振荡所处频率范围与电网背景谐波频率差别很大，因此可以较好的规避网侧固有背景谐波对电网电感检测结果的干扰。
在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建如图1所示的光伏发电联网仿真系统，检验本发明的电网电感检测方法的有效性。
假设在u ca处于峰值时刻，光伏侧施加一电流脉冲，在逆变器与电网的交互作用下引发端部电压的高频振荡，且并网点功率波动在安全运行范围内。设置电网电感值由1mH变化至5mH，仿真实验得到端部电压高频振荡。其中，当电网电感分别为1mH、2mH和3mH时，逆变器端电压振荡处局部放大如图6所示。
对不同电网电感下，电流脉冲引起的逆变器端部电压高频振荡仿真测试结果进行整理，并利用公式（12）计算检测电网电感。给定电网电感分别为1mH、2mH和3mH时的测量数据及检测电网电感计算结果如表1所示。
表1 不同Lg情况下的仿真结果
由图6和表1的实验结果可知：逆变器端电压u c振荡幅度会随电网电感L g的增大而增大，振荡频率随电网电感L g的增大而减小（振荡频率由2744.63Hz降至1636.66Hz）。当L g增大时，电网电感的检测误差增加，但检测精度仍然处于较高水平。因此该电网电感检测方法对端电压的影响较小且检测精度较高，是一种测量准确、适用性较好的检测方法。
本发明针对光伏发电并网逆变器无法获取电网电感信息，可能导致逆变器控制系统参数不匹配问题，建立了逆变器端电压分析模型，研究了光伏发电控制系统与联网滤波器及电网阻抗相互作用的机理，分析了功率调整过程逆变器端电压振荡特性，提出了基于逆变器端电压振荡特性的电网电感检测方法，实现了电网电感的高精度在线检测。
本发明的方法针对并网逆变器因无法获取电网电感波动信息，可能导致逆变器控制系统参数不匹配的问题，建立了逆变器端电压分析模型，分析了功率调整过程逆变器端电压振荡特性，提出了一种基于电压振荡特性的电网电感检测方法，该方法通过激起的并网点可控衰减振荡，根据振荡频率得到电网电感。此方法易于实现且具有较高检测精度，为光伏逆变器及时获取网侧状态变化和逆变系统稳定运行提供了理论支撑，具有重要工程应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种电网电感检测方法，其特征在于，包括基于电网电感的光伏逆
变系统模型建立和基于电压振荡特性的电网电感检测方法；所述基于电网电感的光伏逆变系统模型作为基于电压振荡特性的电网电感检测方法的基础，基于电压振荡特性的电网电感检测方法得出方法的最终计算结果；
所述基于电网电感的光伏逆变系统模型建立包括以下步骤：
在LC型非隔离光伏逆变器并网系统中，L 1、C f分别为滤波电感、滤波电容，L 2为共模电感，L g、R g分别为线路等效电感、等效电阻，u dc为直流母线电压，u sx 为电网电压，u x、i 1x分别为逆变器输出电压、输出电流，x=a,b,c；u cx 为逆变器滤波电容电压，即逆变器端部电压，PCC为逆变器与公共电网耦合点；
由LC型非隔离光伏逆变器并网系统结构得到逆变器侧dq坐标系下输出电流i 1x的d轴分量i 1d和q轴分量i 1q为：
逆变器侧dq坐标系下输出电压u x的d轴分量u d和q轴分量u q为：
将电网电感L g与LCL滤波器的L2相加，看作一个电感L 2g；电容电压表示为：
由公式（1）-（3），得到同步旋转坐标系下逆变器输出电路，当采用比例积分控制时，受控源u d、u q的受控策略如式（4）所示：
将受控源u d、u q的受控式（4）代入式（2），可得：
由式（5）可以得到i 1d控制框图，q轴电流i 1q的控制方式与i 1d相同；
得到电流环控制传递函数为：
由式（6）可以得到i 1d (s)的表达式如下：
由式（7）可知，光伏逆变系统能对外等效为一个受控电流源，得到等效电路模型；
基于电压振荡特性的电网电感检测方法包括：
对式（7）进行反拉普拉斯变换，可得i 1d(t)表达式如下：
其中，
，A1、A2为待定系数，可根据电路初始条件求得；
利用节点电压法，可求得逆变器端部电压u cd(s)的表达式，对u cd(s)进行反拉普拉斯变换，得到u cd (t)的表达式如下：
由式（9）可知：光伏发电系统功率突变过程，逆变器端电压u cd (t)由暂态分量和稳态分量组成；ω为振荡角频率，B 1- B 5为与电网电感无关的待定系数，可根据逆变器及其并网系统的固有特性求得；
由式（10）可知：滤波电容电压u cd的衰减振荡频率ω由滤波电容C f、线路电感L 2g和线路电阻R g决定，其值随着L 2g和C f的增大而减小；光伏逆变系统一般为远距离输电系统，采用高压输电线路进行电能的传输，其线路的阻性成分R g远远小于其感性成分，故R g可忽略，此时衰减振荡分量中的ω可表示为：
若已知逆变器端电压振荡角频率ω以及滤波器电容值C f，能求得电感值L 2g，进而求得电网电感L g，表达式如式（12）:
2.根据权利要求1所述的电网电感检测方法，其特征在于，所述基于
电网电感的光伏逆变系统模型建立还包括：
忽略光伏逆变系统并网模型中的q轴回路，逆变器端部电压振荡过程仅用d轴回路来表征。
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