CN113675883A - 一种并网逆变器控制延时参数辨识的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并网逆变器控制延时参数辨识的方法,包括以下步骤:S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner矩阵计算初始阶数和极点;S2,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项;S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果;S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时。本发明能够实现延时参数等内部信息未知的并网逆变器的控制延时参数辨识,快速精准,为谐波谐振抑制提供一定的参考。
Description
技术领域
本发明涉及并网逆变器参数辨识技术领域,特别是涉及一种并网逆变器控制延时参数辨识的方法。
背景技术
随着电力电子化新能源电力系统的发展,作为新能源和大电网的重要接口,多种类、多工况运行的并网逆变器应用愈加广泛。并网逆变器普遍采用数字控制器,以计算延时和脉宽调制延时为代表的控制延时环节直接改变并网逆变器的dq输出阻抗特性,是诱发并网逆变器谐波不稳定问题的关键参数之一。受控制延时的影响,并网逆变器dq输出阻抗特性曲线会出现反向谐振峰。控制延时的大小也会对并网系统的谐振频率及阻尼系数产生不同程度的影响。工程中一般选择1.5个采样周期作为控制延时。但实际系统控制延时并非如此,其数值大小会受占空比更新模式、采样方式、硬件滤波等的不同而改变。考虑实际工程现场存在大量已运行内部信息保密的商用并网逆变器,针对于这类并网逆变器怎样辨识其控制延时参数,尚没有很有效的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种并网逆变器控制延时参数辨识的方法,能够实现延时参数等内部信息未知的并网逆变器的控制延时参数辨识,快速精准,对于工程现场并网系统的谐波谐振抑制设计具有一定的指导意义。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种并网逆变器控制延时参数辨识的方法,该方法包括以下步骤:
S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner矩阵计算初始阶数和极点;
S2,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项;
S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果;
S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时。
进一步的,所述步骤S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner 矩阵计算初始阶数和极点,具体包括:
S101,在采集的并网逆变器频率响应数据的负频率处附加复共轭频域响应数据,产生两倍的数据点,采用向量格式切线插值策略拆分数据,即:
式中:sk,γi,βj为频率采样点的复频率,S(sk)、S(γi)、S(βj)为采样点的复共轭频域响应数据,表示复共轭函数,k=1,2,……,2n;i=1,2,……,n; j=1,2,……,n;x=1,2,……,n/2;sx和sn+2i/2分别为频率采样点x和(n+2i)/2的复频率;和分别为复频率sx和sn+2i/2的复共轭频率;γ2x和β2x分别为数据集γ和β的2x处的复频率;γ2x-1和β2x-1分别为数据集γ和β的2x-1处的复频率;
S102,构造矩阵L、σL、F和W如下:
式中:[Lj,i]和[σLj,i]是n×n矩阵L和σL的第j行第i列元素,j=1,2,……, n;i=1,2,……,n;式(2)中构造的矩阵是复数的,用相似变换来求解得到,对应实矩阵{Lr,σLr,Fr,Wr}如式(3)所示:
式中:kron.()表示Kronecker积函数;eye(n/2)表示(n/2)×(n/2)的单位矩阵; v是块对角矩阵V的子块矩阵;
S103,对矩阵束yLr-σLr进行奇异值分解:
yLr-σLr=ΛΣΨ* (4)
进一步的,所述步骤S2中,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项,具体包括:
式中:ck是留数;qk是初始极点;d和e为实系数;f(s)为待拟合传递函数;s=jw,w为角频率。
{pk}=eig(A-b·cT) (6)
S203,基于修正后的极点,替代先前极点,重复最小二乘求解线性方程组,实现留数、一次项、常数项的相继计算。
进一步的,所述步骤S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果,具体包括:
S301,建立相对误差百分比rms作为拟合结果误差计算标准,通过式(7) 进行计算,rms越接近于0,表明拟合误差越小,拟合精确度越好,
式中:N为采集样本数,sk=j*2πfk;fk表示第k个频率采样点的频率;ffit(sk) 表示第k个频率采样点的频率拟合值;fmea(sk)表示第k个频率采样点的频率测量值;
S302,计算一次迭代后的rms,给定误差阈值rms0设置为1*10-13,不满足小于误差阈值的条件时,增大方法阶数,同时将本次迭代得到的函数参数作为初始值重新带入矢量匹配进行迭代,直至拟合指标小于给定误差阈值。
进一步的,所述步骤S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时,具体包括:
S401,基于并网逆变器dq输出阻抗,推导并网逆变器控制延时传递函数如式(8)所示:
其中,
Zodd0=sL+VdcGc
Zodq=-ω0L
式中:Zodd0为不考虑控制延时逆变器的dd输出阻抗;Zodd为实际系统存在控制延时逆变器的dd输出阻抗,即为拟合阻抗传递函数;Zodq为不考虑控制延时逆变器的dq输出阻抗;Vdc为直流侧电压;L为滤波器电感;Gc为PI 控制器传递函数矩阵,s=jw,w为角频率;ω0为基波角频率;
S402,代入步骤3的并网逆变器阻抗拟合结果,求得并网逆变器控制延时传递函数Gdel,将Gdel用Pade近似表示为多项式形式,如式(9)所示
其中:
式中:T为实际控制延时;s=jw,w为角频率;l和k分别为传递函数Gdel分子和分母阶数,通常取l=k;
整理化简式(8),根据式(8)阶数确定Pade近似阶数,即:l和k的取值,计算式(9)即可进一步求解实际控制延时T具体数值。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,适用并网逆变器内部信息保密的实际工程场景,以控制延时参数等内部信息未知的并网逆变器为对象,以控制延时参数辨识为目的,从阻抗拟合角度实现并网逆变器实际控制延时参数的快速精确辨识;针对传统矢量匹配的技术缺陷,本发明提出利用Loewner矩阵改进矢量匹配用于并网逆变器阻抗拟合,实现了矢量匹配初始参数的自动获取,缩短了计算耗时,可以满足实际工程现场对快速精确阻抗拟合的需求;基于本发明公开方法的计算结果可以进一步辨识系统谐波谐振点,为后续的谐波谐振抑制设计提供一定的参考,对于工程现场并网系统的谐波谐振抑制设计具有一定的指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明并网逆变器控制延时参数辨识的方法的流程图;
图2为本发明实施例三相并网逆变器拓扑图;
图3为本发明实施例归一化奇异值图;
图4为本发明实施例辨识控制延时Gdel零极点图;
图5(a)为本发明实施例Gdd主导谐振零极点图;
图5(b)为本发明实施例Gdq主导谐振零极点图;
图6(a)为本发明实施例无背景谐波时PCC点处并网电流波形图;
图6(b)为本发明实施例无背景谐波时频谱图;
图6(c)为本发明实施例有背景谐波时PCC点处并网电流波形;
图6(d)为本发明实施例有背景谐波时频谱图。
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,所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种并网逆变器控制延时参数辨识方法,能够实现延时参数等内部信息未知的并网逆变器的控制延时参数辨识,快速精准,对于工程现场并网系统的谐波谐振抑制设计具有一定的指导意义。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图2为一种LCL型并网逆变器典型拓扑,Vdc为直流侧电压,L为滤波器电感,Lg为电网等效电感;iabc为dq旋转坐标系下逆变器侧输出电流,θ为公共耦合点PCC(point ofcommon coupling)处对交流电压vpcc锁相产生的相位信号,电流环采用比例积分PI(proportion integration)控制器;id_ref和iq_ref分别为d轴与q轴电流指令参考值。
如图1所示,本发明提供的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,基于图2所示拓扑结构,该方法包括以下步骤:
S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner矩阵计算初始阶数和极点;
S2,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项;
S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果;
S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时。
其中,所述步骤S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner矩阵计算初始阶数和极点,具体包括:
S101,在采集的并网逆变器频率响应数据的负频率处附加复共轭频域响应数据,产生两倍的数据点,采用向量格式切线插值(Vector Format Tangential Interpolation,VFTI)策略拆分数据,即:
式中:sk,γi,βj为频率采样点的复频率,S(sk)、S(γi)、S(βj)为采样点的复共轭频域响应数据,表示复共轭函数,k=1,2,……,2n;i=1,2,……,n; j=1,2,……,n;x=1,2,……,n/2;sx和sn+2i/2分别为频率采样点x和(n+2i)/2的复频率;和分别为复频率sx和sn+2i/2的复共轭频率;γ2x和β2x分别为数据集γ和β的2x处的复频率;γ2x-1和β2x-1分别为数据集γ和β的2x-1处的复频率。
S102,构造矩阵L、σL、F和W如下:
式中:[Lj,i]和[σLj,i]是n×n矩阵L和σL的第j行第i列元素,j=1,2,……, n;i=1,2,……,n;式(2)中构造的矩阵是复数的,用相似变换来求解得到,对应实矩阵{Lr,σLr,Fr,Wr}如式(3)所示:
式中:kron.()表示Kronecker积函数;eye(n/2)表示(n/2)×(n/2)的单位矩阵; v是块对角矩阵V的子块矩阵。
S103,对矩阵束yLr-σLr进行奇异值分解:
yLr-σLr=ΛΣΨ* (4)
S104,通过式(4)计算奇异值,绘制归一化奇异值变化趋势图,如图3 所示,最大下降点即为矢量匹配计算初始阶数m,由矩阵Λ和Ψ的前个奇异值组成矩阵ΛR和ΨR,计算矩阵束的特征值即为VF算法的初始极点qk。
其中,所述步骤S2中,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项,具体包括:
式中:ck是留数;qk是初始极点;d和e为实系数;f(s)为待拟合传递函数;s=jw,w为角频率。
{pk}=eig(A-b·cT) (6)
S203,基于修正后的极点,替代先前极点,重复最小二乘求解线性方程组,实现留数、一次项、常数项的相继计算。
其中,所述步骤S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果,具体包括:
S301,建立相对误差百分比rms作为拟合结果误差计算标准,通过式(7) 进行计算,rms越接近于0,表明拟合误差越小,拟合精确度越好,
式中:N为采集样本数,sk=j*2πfk;fk表示第k个频率采样点的频率;ffit(sk) 表示第k个频率采样点的频率拟合值;fmea(sk)表示第k个频率采样点的频率测量值;
S302,计算一次迭代后的rms,给定误差阈值rms0设置为1*10-13,不满足小于误差阈值的条件时,增大方法阶数,同时将本次迭代得到的函数参数作为初始值重新带入矢量匹配进行迭代,直至拟合指标小于给定误差阈值。
其中,所述步骤S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时,具体包括:
S401,基于并网逆变器dq输出阻抗,推导并网逆变器控制延时传递函数如式(8)所示:
其中,
Zodd0=sL+VdcGc
Zodq=-ω0L
式中:Zodd0为不考虑控制延时逆变器的dd输出阻抗;Zodd为实际系统存在控制延时逆变器的dd输出阻抗,即为拟合阻抗传递函数;Zodq为不考虑控制延时逆变器的dq输出阻抗;Vdc为直流侧电压;L为滤波器电感;Gc为PI 控制器传递函数矩阵,s=jw,w为角频率;ω0为基波角频率。
S402,代入步骤3的并网逆变器阻抗拟合结果,求得并网逆变器控制延时传递函数Gdel,将Gdel用Pade近似表示为多项式形式,如式(9)所示
其中:
式中:T为实际控制延时;s=jw,w为角频率;l和k分别为传递函数Gdel分子和分母阶数,通常取l=k;
整理化简式(8),根据式(8)阶数确定Pade近似阶数,即:l和k的取值,计算式(9)即可进一步求解实际控制延时T具体数值。
计算式(8)得到实际并网逆变器的控制延时Gdel传递函数,绘制其零极点图如图4所示。由图4分析可知,被测并网逆变器实际控制延时传递函数 Gdel所对应的极点位于-1.18×104-4.45×10-14i(其他零极点均近似对消),可以近似为-1.18×104,故式(9)选择一阶Pade近似,即:l=k=1。计算式(9)可求解并网逆变器实际控制延时T=169.5μs=1.695Ts。基于阻抗判据,绘制并网系统主导谐振零极点图如图5(a)(b)所示,由图5(a)可知,对于系统阻抗Gdd,主导谐振极点位于-304±1.005×104i和-147±1.030×104i,谐振频率为1600Hz 和1639Hz。由图5(b)可知,对于系统阻抗Gdq,主导谐振极点位于-941±1.069×104i和-783±1.090×104i,谐振频率为1702Hz和1734Hz。经理论分析,受以上谐振频率处的电网背景谐波电压的激励,并网电流可能出现放大效应,并网系统产生谐波失稳现象。
为验证上述方法的有效性,基于RT-LAB搭建半实物实时仿真平台,开展如下实验:工况1:电网处于无背景谐波状态,工况1:电网处于无背景谐波状态,观察PCC点处逆变器并网电流波形,如图6(a)所示;对其进行FFT 分解,绘制频谱图如图6(b)所示。工况2:电网电压中出现1600Hz和1800Hz 背景谐波,谐波幅值为额定电压的1%,观察PCC点处逆变器并网电流波形,如图6(c)所示;对其进行FFT分解,绘制频谱图如图6(d)所示。
电网中无背景谐波时,从图6(a)中可以看出:并网逆变器并网电流波形未出现明显畸变;从图6(b)中可以看出:并网逆变器会向电网注入宽频域谐波电流,但谐波电流含量普遍较低。当电网中出现1600Hz和1800Hz背景谐波电压时,从图6(c)中可以看出:并网逆变器并网电流波形出现明显畸变;从图6(d)中可以看出:并网逆变器并网电流中的1600Hz谐波被显著放大,谐波失稳现象产生。经计算,无背景谐波电压时,并网逆变器并网电流谐波总畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)为0.42%,存在14次背景谐波时,THD变为3.49%。对比图6(c)、图6(d)可以发现:并网逆变器并网电流THD的显著增加主要由并网电流中被放大的1600Hz谐波导致。上述实验结果恰恰证明了控制延时参数辨识的有效性,且与图5(a)分析结果几乎吻合。
本发明提供的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,适用并网逆变器内部信息保密的实际工程场景,以控制延时参数等内部信息未知的并网逆变器为对象,以控制延时参数辨识为目的,从阻抗拟合角度实现并网逆变器实际控制延时参数的快速精确辨识;针对传统矢量匹配的技术缺陷,本发明提出利用Loewner矩阵改进矢量匹配用于并网逆变器阻抗拟合,实现了矢量匹配初始参数的自动获取,缩短了计算耗时,可以满足实际工程现场对快速精确阻抗拟合的需求;基于本发明公开方法的计算结果可以进一步辨识系统谐波谐振点,为后续的谐波谐振抑制设计提供一定的参考,对于工程现场并网系统的谐波谐振抑制设计具有一定的指导意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本申请中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种并网逆变器控制延时参数辨识的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner矩阵计算初始阶数和极点;
S2,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项;
S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果;
S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,其特征在于,所述步骤S1,采集并网逆变器频率响应数据,利用Loewner矩阵计算初始阶数和极点,具体包括:
S101,在采集的并网逆变器频率响应数据的负频率处附加复共轭频域响应数据,产生两倍的数据点,采用向量格式切线插值策略拆分数据,即:
式中:sk,γi,βj为频率采样点的复频率,S(sk)、S(γi)、S(βj)为采样点的复共轭频域响应数据,表示复共轭函数,k=1,2,……,2n;i=1,2,……,n;j=1,2,……,n;x=1,2,……,n/2;sx和sn+2i/2分别为频率采样点x和(n+2i)/2的复频率;和分别为复频率sx和sn+2i/2的复共轭频率;γ2x和β2x分别为数据集γ和β的2x处的复频率;γ2x-1和β2x-1分别为数据集γ和β的2x-1处的复频率。
S102,构造矩阵L、σL、F和W如下:
式中:[Lj,i]和[σLj,i]是n×n矩阵L和σL的第j行第i列元素,j=1,2,……,n;i=1,2,……,n;式(2)中构造的矩阵是复数的,用相似变换来求解得到对应实矩阵{Lr,σLr,Fr,Wr}如式(3)所示:
式中:kron.()表示Kronecker积函数;eye(n/2)表示(n/2)×(n/2)的单位矩阵;v是块对角矩阵V的子块矩阵;
S103,对矩阵束yLr-σLr进行奇异值分解:
yLr-σLr=ΛΣΨ* (4)
3.根据权利要求2所述的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,其特征在于,所述步骤S2中,利用矢量匹配修正极点,依次计算留数、一次项、常数项,具体包括:
式中:ck是留数;qk是初始极点;d和e为实系数;f(s)为待拟合传递函数;s=jw,w为角频率;
{pk}=eig(A-b·cT) (6)
S203,基于修正后的极点,替代先前极点,重复最小二乘求解线性方程组,实现留数、一次项、常数项的相继计算。
4.根据权利要求3所述的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,其特征在于,所述步骤S3,计算拟合均方根误差百分比,并与给定误差阈值对比,若不小于给定误差阈值,则返回步骤S2,修正初始参数,增大拟合阶数;重复步骤S2形成迭代,直至小于给定误差阈值时结束计算,输出拟合结果,具体包括:
S301,建立相对误差百分比rms作为拟合结果误差计算标准,通过式(7)进行计算,rms越接近于0,表明拟合误差越小,拟合精确度越好,
式中:N为采集样本数,sk=j*2πfk;fk表示第k个频率采样点的频率;ffit(sk)表示第k个频率采样点的频率拟合值;fmea(sk)表示第k个频率采样点的频率测量值;
S302,计算一次迭代后的rms,给定误差阈值rms0设置为1*10-13,不满足小于误差阈值的条件时,增大方法阶数,同时将本次迭代得到的函数参数作为初始值重新带入矢量匹配进行迭代,直至拟合指标小于给定误差阈值。
5.根据权利要求4所述的并网逆变器控制延时参数辨识的方法,其特征在于,所述步骤S4,基于步骤S3的拟合结果,根据拟合的实际并网逆变器输出阻抗传递函数,利用数值分析方法求解控制延时传递函数,进而辨识控制延时,具体包括:
S401,基于并网逆变器dq输出阻抗,推导并网逆变器控制延时传递函数如式(8)所示:
其中,
Zodd0=sL+VdcGc
Zodq=-ω0L
式中:Zodd0为不考虑控制延时逆变器的dd输出阻抗;Zodd为实际系统存在控制延时逆变器的dd输出阻抗,即为拟合阻抗传递函数;Zodq为不考虑控制延时逆变器的dq输出阻抗;Vdc为直流侧电压;L为滤波器电感;Gc为PI控制器传递函数矩阵,s=jw,w为角频率;ω0为基波角频率。
S402,代入步骤3的并网逆变器阻抗拟合结果,求得并网逆变器控制延时传递函数Gdel,将Gdel用Pade近似表示为多项式形式,如式(9)所示
其中:
式中:T为实际控制延时;s=jw,w为角频率;l和k分别为传递函数Gdel分子和分母阶数,通常取l=k;
整理化简式(8),根据式(8)阶数确定Pade近似阶数,即:l和k的取值,计算式(9)即可进一步求解实际控制延时T具体数值。
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