CN111175578B - 一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统及方法 - Google Patents
一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及逆变器并网系统阻抗检测技术领域，且公开了一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，包括逆变器并网系统、电流扰动系统和阻抗计算系统，所述逆变器并网系统由并网逆变器及复杂电网组成；所述电流扰动系统是由扰动电流源和扰动控制系统组成，其中扰动控制系统根据可辨识的快速特征扰动方法的指导控制电流源向逆变器并网系统注入扰动电流；从而实现了复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测，可辨识快速特征扰动方法，保障了外加注入扰动具有快速且唯一可辨识的特征，自适应多模块复数滤波器实现了复杂工况下扰动分量的准确提取，保证了复杂工况下逆变器并网系统的阻抗检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器并网系统阻抗检测技术领域，具体为一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统及方法，尤其是采用可辨识的快速特征扰动注入法进行扰动能量注入，并使用一种自适应多模块复数滤波器开展注入扰动及其系统响应分量的提取的复杂工况逆变器并网系统的阻抗检测。
背景技术
随着并网逆变器技术的发展、成熟和应用，涌现了大量集中式和分布式的发电系统。这些发电系统经过并网逆变器接入电网，增强了电网能量供给能力，但同时也让电力系统面临新的挑战。大量并网逆变器的接入，增加逆变器并网系统(逆变器+电网)的谐振风险，甚至导致逆变器并网系统的不稳定。现有研究表明，基于阻抗的稳定性和谐振特性分析方法，能够有效的评估逆变器并网系统稳定运行能力。
目前获取逆变器和电网的阻抗的途径主要有两种，其一是通过理论建模获取其阻抗特性，但这要求获悉逆变器并网系统的详细结构及其各环节的参数，然而实际系统中结构复杂、各环节参数更是难以获取，因此采用理论建模方法获取阻抗特性难以在实际系统中开展。其二是通过外加激励进行阻抗检测，在实施过程中通过向系统注入扰动，并提取扰动及其响应实现特定频率扰动的检测。目前研究多局限于电网阻抗检测及扰动源设计方面，且检测环境过于理想化未考虑实际系统的复杂工况，因此在实际应用现有方法难以准确提取阻抗。
本发明提取的采用可辨识的快速特征扰动注入法进行扰动能量注入，并使用一种自适应多模块复数滤波器开展注入扰动及其系统响应分量提取的阻抗检测方法；提供了一种复杂工况下逆变器并网系统的阻抗检测方法。能够实现在实际并网逆变器在复杂工况运行时阻抗的准确提取，突破了现有阻抗检测方法难以应用于复杂工况检测的局限性。因此，该方法在需要准确获取逆变器并网系统阻抗的研究中，如逆变器系统稳定性分析及逆变器控制参数自适应控制等技术中具有重要的工程实用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统及方法，其目的之一是提供一种可辨识的快速特征扰动注入方法，保证复杂工况下向系统中注入的扰动具备特定频率特征，进而避免系统内部复杂工况对外部注入扰动可辨识性的影响。
其目的之二是提供一种基于自适应多模块复数滤波器的扰动量及其系统响应提取方法，提高了复杂工况下扰动量及其系统响应的准确性，进而实现复杂工况下的逆变器系统阻抗检测。
本发明为实现技术目的采用如下技术方案：一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，包括逆变器并网系统、电流扰动系统和阻抗计算系统，所述逆变器并网系统由并网逆变器及复杂电网组成；
所述电流扰动系统是由扰动电流源和扰动控制系统组成，其中扰动控制系统根据可辨识的快速特征扰动方法的指导控制电流源向逆变器并网系统注入扰动电流；
所述阻抗计算系统包含自适应多模块复数滤波器，阻抗计算单元，阻抗显示器；自适应复数滤波器用于在复杂的PCC电压、电网侧电流、逆变侧电流数据中提取和分离注入的扰动电流或其响应电压；阻抗计算单元用于截短滤波后的扰动电流或响应电压，并在此基础上进行FFT分析以及电网阻抗和逆变器阻抗的计算；阻抗显示器用于显示检测的电网阻抗和逆变器阻抗。
基于上述中一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，对此提出一种可辨识的快速特征注入法，通过分析逆变器和电网的谐波分布，结合FFT分析算法分辨率和测试频率范围需求，确定能够被快速辨识的特征扰动集，并以可辨识的快速特征扰动集指导扰动注入；所述可辨识的快速特征扰动注入方法实现具体步骤如下：
步骤1：查阅逆变器的参数表，获取其开关频率及死区设置情况，根据现有理论可初步确定逆变器侧的理论上谐波分布集；
步骤2：根据电网公共连接点(PCC)的电压，电流数据，采用I EEE标准要求的0.2s时长的数据进行快速傅里叶分析(FFT)，得出PCC点电压和电流的谐波分布集；
步骤3：结合逆变器的理论上的谐波分布集及电网的实测谐波分布集，可以确定不可辨识的扰动注入频率区间，进一步可以通过规避不可辨识的频率集，形成具有可辨识的扰动集；
步骤4：根据获取的具有可辨识性的扰动集，结合FFT分析时对不同可辨识扰动的提取时间差异以及逆变器并网系统阻抗测量需求的频率范围，重新筛选出可辨识快速特征扰动集；
步骤5：采用确定的可辨识的快速特征扰动集，指导扰动注入源进行扰动注入，根据扰动源的注入能力差异和逆变器并网系统的扰动承载能力，采用单次扰动或多次扰动混合注入方式进行；
步骤6：判断是否完成所有扰动注入，是则结束扰动注入，否则继续执行步骤5，直至完成可辨识快速特征扰动集中所有扰动注入。
基于上述中一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，对此提出一种基于自适应复数滤波器的扰动及其响应分量提取方法，通过自适应的多模块复数滤波器滤除逆变器并网系统的基波和谐波成分，得到仅含有扰动分量或其响应分量的数据；所述基于自适应复数滤波器的扰动及其响应分量提取方法具体实现步骤如下：
步骤1：扰动注入且逆变器并网系统稳定后，采集逆变器并网系统的PCC点电压，电网侧电流，逆变器侧电流数据；
步骤2：根据注入扰动的频率，更新自适应多模块复数滤波器扰动及其响应分量提取模块的频率设置；
步骤3：采用自适应的多模块复数滤波器分别对PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流数据进行滤波处理；
步骤4：避免初始动态过程对扰动及其响应分量的提取精度，对滤波后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流数据进行截短处理，仅保留稳态后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流中扰动或其响应分量数据。
步骤5：对稳态后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流中扰动或其响应分量数据进行FFT分析，提取扰动或其响应分量的幅值和相角信息。
本发明具备以下有益效果：实现了复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测。可辨识快速特征扰动方法，保障了外加注入扰动具有快速且唯一可辨识的特征，自适应多模块复数滤波器实现了复杂工况下扰动分量的准确提取，保证了复杂工况下逆变器并网系统的阻抗检测精度。
附图说明
图1为本发明涉及的复杂工况下逆变器并网系统阻抗检测的单相逆变器并网系统检测模型；
图2为本发明涉及的复杂工况下逆变器并网系统阻抗检测的三相逆变器并网系统检测模型；
图3为本发明涉及的复杂工况下逆变器并网系统阻抗检测的可辨识扰动注入方法；
图4为本发明涉及的复杂工况下逆变器并网系统阻抗检测的自适应多模块复数滤波器模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明涉及的一种复杂工况下单相逆变器并网系统的阻抗检测系统，包括并网逆变器、电网、扰动电流源和阻抗计算系统；并网逆变器包含控制系统、滤波器、直流电容和逆变桥；电网由包含电网阻抗和电网电源；电流扰动系统包括：电流扰动源和扰动控制系统；阻抗计算系统包含自适应多模块复数滤波器，阻抗计算单元，阻抗显示器；逆变器经PCC点与电网连接；扰动电流源在PCC点并联接入逆变器并网系统。
其中，控制系统根据给定的并网电流控制指令与实际输出电流的差值进行动态调节，形成实时的驱动脉冲信号；
逆变桥接收控制系统输出的驱动脉冲信号，并根据驱动脉冲信号调节逆变桥的各半导体器件的开关状态；
直流电容用于向逆变桥模块提供直流电压；
滤波器用于对逆变桥输出的脉冲电压进行滤波器，滤除逆变桥输出电压中存在的高次谐波；
电网电源由可编程电压源构成，用于模拟实际电网中存在的各类复杂工况，如：三相电压不平衡、电压谐波、电压偏差及频率偏差等复杂工况；
电网阻抗由电阻与电感串联形成，用于模拟实际电网的阻抗特性；
电流扰动源用于向被测逆变器并网系统注入特定频率的电流扰动，激起被测逆变器并网系统逆变器侧和电网侧出现相应电压响应；
自适应多模块复数滤波器用于在复杂工况下，从PCC点电压、电网电流、逆变器电流中提取扰动电流及其相应的响应电压，并将得到的扰动电流及响应电压输出到阻抗计算单元；
阻抗计算单元用于接收自适应多模块复数滤波器得到的扰动电流及响应电压数据，对数据进行FFT分析，在此基础上通过PCC点响应电压和电网扰动电流或逆变器扰动电流的比值分别计算得到电网阻抗和逆变器阻抗；
阻抗显示器用于显示阻抗计算单元的计算的电网阻抗和逆变器阻抗。
图2是本发明涉及的一种复杂工况下三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，包括并网逆变器、电网、扰动电流源和阻抗计算系统；并网逆变器包含控制系统、滤波器、直流电容和逆变桥；电网由包含电网阻抗和电网电源；电流扰动系统包括：电流扰动源和扰动控制系统；阻抗计算系统包含自适应多模块复数滤波器，阻抗计算单元，阻抗显示器；逆变器经PCC点与电网连接；扰动电流源在PCC点并联接入逆变器并网系统。
其中，控制系统根据给定的并网电流控制指令与实际输出电流的差值进行动态调节，形成实时的驱动脉冲信号；
逆变桥接收控制系统输出的驱动脉冲信号，并根据驱动脉冲信号调节逆变桥的各半导体器件的开关状态；
直流电容用于向逆变桥模块提供直流电压；
滤波器用于对逆变桥输出的脉冲电压进行滤波器，滤除逆变桥输出电压中存在的高次谐波；
电网电源由可编程电压源构成，用于模拟实际电网中存在的各类复杂工况，如：三相电压不平衡、电压谐波、电压偏差及频率偏差等复杂工况；
电网阻抗由电阻与电感串联形成，用于模拟实际电网的阻抗特性；
电流扰动源用于向被测逆变器并网系统注入特定频率的电流扰动，激起被测逆变器并网系统逆变器侧和电网侧出现相应电压响应；
自适应多模块复数滤波器用于在复杂工况下，从PCC点电压、电网电流、逆变器电流中提取扰动电流及其相应的响应电压，并将得到的扰动电流及响应电压输出到阻抗计算单元；
阻抗计算单元用于接收自适应多模块复数滤波器得到的扰动电流及响应电压数据，对数据进行FFT分析，在此基础上通过PCC点响应电压和电网扰动电流或逆变器扰动电流的比值分别计算得到电网阻抗和逆变器阻抗；
阻抗显示器用于显示阻抗计算单元的计算的电网阻抗和逆变器阻抗。
图3用于复杂工况下单相或三相逆变器并网系统阻抗检测的可辨识的快速特征扰动注入方法，通过获取逆变器侧和电网侧的频率确定可辨识的特征扰动区间，结合扰动快速辨识要求，指定快速可辨识的特征扰动集，具体步骤如下：
步骤1：查阅逆变器的参数表，获取其开关频率及死区设置情况，根据现有理论可初步确定逆变器侧的理论上谐波分布集；
步骤2：根据电网公共连接点(PCC)的电压，电流数据，采用I EEE标准要求的0.2s时长的数据进行快速傅里叶分析(FFT)，得出PCC点电压和电流的谐波分布集；
步骤3：结合逆变器的理论上的谐波分布集及电网的实测谐波分布集，可以确定不可辨识的扰动注入频率区间，进一步可以通过规避不可辨识的频率集，形成具有可辨识的扰动集；
步骤4：根据获取的具有可辨识性的扰动集，结合FFT分析时对不同可辨识扰动的提取时间差异以及逆变器并网系统阻抗测量需求的频率范围，重新筛选出可辨识快速特征扰动集；
步骤5：采用确定的可辨识的快速特征扰动集，指导扰动注入源进行扰动注入，根据扰动源的注入能力差异和逆变器并网系统的扰动承载能力，采用单次扰动或多次扰动混合注入方式进行；
步骤6：判断是否完成所有扰动注入，是则结束扰动注入，否则继续执行步骤5，直至完成可辨识快速特征扰动集中所有扰动注入。
图4是一种用于复杂工况下单相或三相逆变器并网系统阻抗检测的自适应多模块复数滤波器的扰动量及其系统响应提取方法，对采集的PCC电压、电网侧电流和逆变器侧电流进行滤波处理，通过自适应的多模块复数滤波器滤除逆变器并网系统的基波和谐波成分，得到仅含有扰动分量或其响应分量的数据；具体步骤如下：
步骤1：扰动注入且逆变器并网系统稳定后，采集逆变器并网系统的PCC点电压，电网侧电流，逆变器侧电流数据；
步骤2：根据注入扰动的频率，更新自适应多模块复数滤波器扰动及其响应分量提取模块的频率设置；
步骤3：采用自适应的多模块复数滤波器分别对PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流数据进行滤波处理；
步骤4：避免初始动态过程对扰动及其响应分量的提取精度，对滤波后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流数据进行截短处理，仅保留稳态后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流中扰动或其响应分量数据。
步骤5：对稳态后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流中扰动或其响应分量数据进行FFT分析，提取扰动或其响应分量的幅值和相角信息。
综上所述，该复杂工况下单相或三相逆变器并网系统阻抗检测系统及方法，通过采用可辨识的快速特征扰动注入法指导扰动注入，采用基于自适应多模块复数滤波器开展注入扰动及其系统响应分量，从而能够实现单相或三相逆变器并网系统的逆变器阻抗和电网阻抗的在线检测，能够有效解决传统方法难以在实际电网复杂工况中应用的局限性，提高了复杂工况下逆变器并网系统阻抗测量的准确性，从而增强了现有基于逆变器并网系统阻抗的稳定性和谐振分析方法在实际应用的可靠性。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，包括逆变器并网系统、电流扰动系统和阻抗计算系统，其特征在于：所述逆变器并网系统由并网逆变器及复杂电网组成；
所述电流扰动系统是由扰动电流源和扰动控制系统组成，其中扰动控制系统根据可辨识的快速特征扰动方法的指导控制电流源向逆变器并网系统注入扰动电流；
所述阻抗计算系统包含自适应多模块复数滤波器，阻抗计算单元，阻抗显示器；自适应复数滤波器用于在复杂的PCC电压、电网侧电流、逆变侧电流数据中提取和分离注入的扰动电流或其响应电压；阻抗计算单元用于截短滤波后的扰动电流或响应电压，并在此基础上进行FFT分析以及电网阻抗和逆变器阻抗的计算；阻抗显示器用于显示检测的电网阻抗和逆变器阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，对此提出一种可辨识的快速特征注入法，其特征在于，通过分析逆变器和电网的谐波分布，结合FFT分析算法分辨率和测试频率范围需求，确定能够被快速辨识的特征扰动集，并以可辨识的快速特征扰动集指导扰动注入；所述可辨识的快速特征扰动注入方法实现具体步骤如下：
步骤1：查阅逆变器的参数表，获取其开关频率及死区设置情况，根据现有理论可初步确定逆变器侧的理论上谐波分布集；
步骤2：根据电网公共连接点(PCC)的电压，电流数据，采用IEEE标准要求的0.2s时长的数据进行快速傅里叶分析(FFT)，得出PCC点电压和电流的谐波分布集；
步骤3：结合逆变器的理论上的谐波分布集及电网的实测谐波分布集，可以确定不可辨识的扰动注入频率区间，进一步可以通过规避不可辨识的频率集，形成具有可辨识的扰动集；
步骤4：根据获取的具有可辨识性的扰动集，结合FFT分析时对不同可辨识扰动的提取时间差异以及逆变器并网系统阻抗测量需求的频率范围，重新筛选出可辨识快速特征扰动集；
步骤5：采用确定的可辨识的快速特征扰动集，指导扰动注入源进行扰动注入，根据扰动源的注入能力差异和逆变器并网系统的扰动承载能力，采用单次扰动或多次扰动混合注入方式进行；
步骤6：判断是否完成所有扰动注入，是则结束扰动注入，否则继续执行步骤5，直至完成可辨识快速特征扰动集中所有扰动注入。
3.根据权利要求1所述的一种复杂工况下单相或三相逆变器并网系统的阻抗检测系统，对此提出一种基于自适应复数滤波器的扰动及其响应分量提取方法，其特征在于，通过自适应的多模块复数滤波器滤除逆变器并网系统的基波和谐波成分，得到仅含有扰动分量或其响应分量的数据；所述基于自适应复数滤波器的扰动及其响应分量提取方法具体实现步骤如下：
步骤1：扰动注入且逆变器并网系统稳定后，采集逆变器并网系统的PCC点电压，电网侧电流，逆变器侧电流数据；
步骤2：根据注入扰动的频率，更新自适应多模块复数滤波器扰动及其响应分量提取模块的频率设置；
步骤3：采用自适应的多模块复数滤波器分别对PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流数据进行滤波处理；
步骤4：避免初始动态过程对扰动及其响应分量的提取精度，对滤波后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流数据进行截短处理，仅保留稳态后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流中扰动或其响应分量数据；
步骤5：对稳态后PCC点电压、电网侧电流、逆变器侧电流中扰动或其响应分量数据进行FFT分析，提取扰动或其响应分量的幅值和相角信息。
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