CN113702706B - 一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，首先，将三相电网阻抗分解为阻抗的正序、负序和零序分量之和，并经过推导，将对电网阻抗的求解转化为对A相阻抗正序、负序和零序分量的求解；再以一个确定的谐波频率向电网注入正序电流，此时，利用测得的该谐波频率点的变换器输出端线电流和线电压，推导出A相阻抗正序和负序分量；再向电网注入同一谐波频率的负序电流，仍由测得的线电流和线电压，推导出A相阻抗零序分量；最后，由A相阻抗正序、负序和零序分量反求出三相电网阻抗。若已知电网阻抗拓扑，则可进一步求得其中各元件模型的值。本方法尤其可用于三相阻抗不一致且拓扑未知电网阻抗的测量。

Description

一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法。

背景技术

在分布式发电中，无论是单机(单台发电设备)并网发电还是以微电网(其中含有发电设备)形式并网发电，发电功能都只是发电设备的一个主要功能；为了实现安全、稳定地发电，发电设备必须具备其它一些辅助功能，其中之一就是对电网阻抗的测量功能。电网阻抗测量对诸如孤岛检测、弱电网并网控制等都非常重要。

已有电网阻抗测量方法大都假定三相电网阻抗一致和(或)认为每相电网阻抗模型均为一个电阻和一个电感的串联。但实际上，由于三相、单相发电设备/负荷的混合并网和断续的接入切出，以及每相线路参数的不一致和可能存在的三相电网不对称，使得电网系统非常复杂，故三相电网阻抗很可能并不一致，而每相电网阻抗特性也很难只用一个电阻和一个电感的串联模型来描述。换言之，三相电网阻抗更可能是不一致的且拓扑未知。此外，还有些方法通过测量电网相电压来检测电网阻抗，但事实上，无论是三相三线系统还是三相四线系统，准确地测出电网相电压都非常困难。这些方法一般利用本地设备进行检测，但检测得到的电网相电压中已丢失了实际相电压的部分信息，最终求得的电网阻抗也是不准确的。本发明从可准确测得的线电压出发，利用正负序谐波电流，挖掘并求取完整的电网阻抗信息。

发明内容

针对目前电网阻抗测量方法存在的问题，本发明提出一种在三相系统下通用的电网阻抗测量方法，其优势在于可用于三相阻抗不一致且拓扑未知电网阻抗的测量，且易于实施。该方法由电力电子变换器(简称变换器)实施。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，包括：

将三相电网阻抗分解为阻抗的正序、负序和零序分量之和；

以一个确定的谐波频率向电网注入三相正序电流，在此期间，检测获得变换器输出端在该谐波频率点的线电压和线电流，利用该线电压和线电流，计算电网A相阻抗的正序和负序分量；

以和上述相同的谐波频率向电网注入三相负序电流，在此期间，检测获得变换器输出端在该谐波频率点的线电压和线电流，利用该线电压和线电流，计算电网A相阻抗的零序分量；

利用求得的电网A相阻抗正序、负序和零序分量，计算三相电网阻抗。

进一步地，所述的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法还包括：

对于已知电网阻抗拓扑的情况，则在多个谐波频率点求得若干组电网阻抗值，再利用求得的电网阻抗值进一步计算出电网阻抗拓扑中各元件模型的值。

进一步地，三相电网阻抗Z_a、Z_b、Z_c与阻抗的正序分量(Z_a1、Z_b1、Z_c1)、负序分量(Z_a2、Z_b2、Z_c2)和零序分量(Z_a3、Z_b3、Z_c3)有如下关系：

进一步地，在α-β两相静止坐标系下，利用比例谐振调节器控制向电网注入的电流谐波。

进一步地，当注入正序电流谐波时，根据测量并提取得到的同频线电压相量和线电流相量/>利用下式求得电网A相阻抗正序分量Z_a1和负序分量Z_a2，其中a＝e^j2π/3；

进一步地，当注入负序电流谐波时，根据测量并提取得到的同频线电压相量线电流相量/>和已求得的Z_a1，利用下式求得电网A相阻抗零序分量Z_a3：

进一步地，利用下式计算三相电网阻抗值：

进一步地，通过传感器来检测获得变换器输出端的线电压和线电流。

进一步地，利用离散傅里叶变换将线电压谐波、线电流谐波从传感器测得的线电压、线电流信号中提取出来。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提出一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，首先，将三相电网阻抗分解为阻抗的正序、负序和零序分量之和，并经过推导，将对电网阻抗的求解转化为对A相阻抗正序、负序和零序分量的求解；再以一个确定的谐波频率向电网注入正序电流，此时，利用测得的该谐波频率点的变换器输出端线电流和线电压，推导出A相阻抗正序和负序分量；再向电网注入同一谐波频率的负序电流，仍由测得的线电流和线电压，推导出A相阻抗零序分量；最后，由A相阻抗正序、负序和零序分量反求出三相电网阻抗。若已知电网阻抗拓扑，则可进一步求得其中各元件模型的值。本方法尤其可用于三相阻抗不一致且拓扑未知电网阻抗的测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法的流程图；

图2为三相电网阻抗测量的谐波电路模型图；

图3为本发明实施例提供的电网阻抗测量方法所采用的系统结构图；

图4是本发明实施例的电网阻抗的电阻、电感串联模型图；

图5是本发明实施例的电网阻抗的电阻、电感、电容并串联模型。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1所示，本实施例提供的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法主要包括如下步骤：

101、将三相电网阻抗分解为阻抗的正序、负序和零序分量之和；

亦即，仿照电压正、负、零序的表述，将三相阻抗(Z_a、Z_b、Z_c)等效成阻抗的正序分量、负序分量和零序分量之和，每相的每个分量以一个阻抗表示，则每相阻抗可表示为三个阻抗的串联，具体如图2所示。

根据图2所示，给出各分量的如下定义。

阻抗正序分量(Z_a1、Z_b1、Z_c1)：当变换器仅注入三相正序电流时，阻抗正序分量两端的电压为电网相电压的正序电压成分；

阻抗负序分量(Z_a2、Z_b2、Z_c2)：当变换器仅注入三相正序电流时，阻抗负序分量两端的电压为电网相电压的负序电压成分；

阻抗零序分量(Z_a3、Z_b3、Z_c3)：当变换器仅注入三相正序电流时，阻抗零序分量两端的电压为电网相电压的零序电压成分。

根据上述定义，经推导可得如下关系式

其中，a＝e^j2π/3。上式揭示了A相阻抗各分量Z_a1、Z_a2、Z_a3和三相电网阻抗之间的关系。亦即，将对三相电网阻抗的求解转化为对Z_a1、Z_a2、Z_a3的求解。

102、以一个确定的谐波频率向电网注入三相正序电流，在此期间，检测获得变换器输出端在该谐波频率点的线电压和线电流，利用该线电压和线电流，计算电网A相阻抗的正序和负序分量；

亦即，确定一个谐波频率，变换器以此频率向电网注入三相正序电流谐波在注入该电流谐波期间，通过传感器检测变换器输出端的线电压和线电流，再利用离散傅里叶变换从这组线电压和线电流中提取出该谐波频率点的线电流相量/>和线电压相量/>考虑到线电流/>应是三相对称的，/>可不用检测。同时，可推导得到如下两个方程，据此可根据得到的/>和/>求得Z_a1和Z_a2。

此时，如果能确认电网相电压中无零序成分，则必然有Z_a3＝0；否则进入下一步骤。

103、以和上述相同的谐波频率向电网注入三相负序电流，在此期间，检测获得变换器输出端在该谐波频率点的线电压和线电流，利用该线电压和线电流，计算电网A相阻抗的零序分量；

亦即，变换器再以上述确定的谐波频率向电网注入三相负序电流在注入该电流谐波期间，检测并提取出变换器输出端处该谐波频率点的线电流相量/>和线电压相量/>同样，可推导得到如下方程，据此可根据测得的/>和上面已经求得的Z_a1求出Z_a3。

104、利用求得的电网A相阻抗正序、负序和零序分量，计算三相电网阻抗。

亦即，根据已求得的Z_a1、Z_a2、Z_a3，利用式(1)即可求得之前确定谐波频率点的三相电网阻抗值。

如果还需检测其它谐波频率点的三相电网阻抗值，重复上述步骤即可。

当然，如果已知电网阻抗拓扑，则可先测得若干个谐波频率点的三相电网阻抗值，再利用这几组三相电网阻抗值求出电网阻抗拓扑中各个元件模型的值。

下面基于图3所示系统结构图来进一步介绍说明本电网阻抗测量方法：

1)确定一个谐波频率，变换器以此频率向电网注入三相正序电流谐波

这个谐波频率的选取根据具体需求而定，为了减小电网背景谐波对电网阻抗测量的影响，应尽可能避开一些主要的背景谐波，如3、5、7次谐波。图3中，i_αh ^*和i_βh ^*表示电流谐波在α-β坐标系各轴上的给定值，谐波PR(比例谐振)调节器用于将谐波实际值调节至其给定值大小。另外，必须说明，发电和电网阻抗测量可以同时进行，因此，图3中可根据需要设置电流基波给定值i_α ^*和i_β ^*。

2)在注入上述正序电流谐波期间，检测变换器输出端该谐波频率点的线电流相量和线电压相量/>

对电流、电压检测而言，由于用传感器测得的是一个很宽频段的信号，故这里利用DFT(离散傅里叶变换)将上述谐波频率点的信号从中提取出来。

3)根据式(2)，利用测得的和/>计算Z_a1和Z_a2。

由式(2)和a的定义，可得到如下计算公式

4)变换器以上述谐波频率向电网注入三相负序电流谐波

注入负序电流谐波和注入正序电流谐波的方式相同，且均通过谐波PR调节器控制调节注入的电流谐波。不同之处在于，当注入正序电流谐波时，i_αh ^*超前i_βh ^*相位为π/2；而当注入负序电流谐波时，i_αh ^*滞后i_βh ^*相位为π/2。

5)在注入上述负序电流谐波期间，检测变换器输出端该谐波频率点的线电流相量和线电压相量/>

这里仍然利用DFT将谐波信号从传感器测得的信号中提取出来。

6)根据式(3)，利用测得的和上面已经求得的Z_a1求出Z_a3。

由式(3)和a的定义，可得到如下计算公式

7)根据式(1)和上述求得的Z_a1、Z_a2、Z_a3，计算上述谐波频率点的三相电网阻抗Z_a、Z_b、Z_c：

即按下式计算三相电网阻抗值：

8)若需要计算其它谐波频率点的电网阻抗，可以此频率为新确定的谐波频率，重复上述步骤1)～7)。

9)如果电网阻抗拓扑已知，则可在多个谐波频率点测得若干组电网阻抗，然后据此计算电网阻抗各元件模型的值。

例如：已知电网各相阻抗模型为电阻和电感的串联，即如图4所示，则必然有

其中，ω_h表示谐波频率。由于上式有6个未知量R_a、R_b、R_c、L_a、L_b、L_c，而根据上式，在一个谐波频率点测得一组阻抗可得到6个实数方程，故，只需在一个谐波频率点测得一组阻抗值即可计算出R_a、R_b、R_c、L_a、L_b、L_c。

再例如：若电网阻抗模型如图5所示，则可得到

上式有9个未知量R_a、R_b、R_c、L_a、L_b、L_c、C_a、C_b、C_c，同上，只需在两个频率点测得两组阻抗值即可得到12个实数方程，进而求解出所有未知量，即元件模型值。

综上，本发明提出一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，首先，将三相电网阻抗分解为阻抗的正序、负序和零序分量之和，并经过推导，将对电网阻抗的求解转化为对A相阻抗正序、负序和零序分量的求解；再以一个确定的谐波频率向电网注入正序电流，此时，利用测得的该谐波频率点的变换器输出端线电流和线电压，推导出A相阻抗正序和负序分量；再向电网注入同一谐波频率的负序电流，仍由测得的线电流和线电压，推导出A相阻抗零序分量；最后，由A相阻抗正序、负序和零序分量反求出三相电网阻抗。若已知电网阻抗拓扑，则可进一步求得其中各元件模型的值。本方法尤其可用于三相阻抗不一致且拓扑未知电网阻抗的测量。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，包括：

将三相电网阻抗分解为阻抗的正序、负序和零序分量之和；

以一个确定的谐波频率向电网注入三相正序电流，在此期间，检测获得电力电子变换器输出端在谐波频率点的线电压和线电流，利用该线电压和线电流，计算电网A相阻抗的正序和负序分量；

以和上述相同的谐波频率向电网注入三相负序电流，在此期间，检测获得电力电子变换器输出端在谐波频率点的线电压和线电流，利用该线电压和线电流，计算电网A相阻抗的零序分量；

利用求得的电网A相阻抗正序、负序和零序分量，计算三相电网阻抗；

当注入正序电流谐波时，根据测量并提取得到的同频线电压相量和线电流相量利用下式求得电网A相阻抗正序分量Z_a1和负序分量Z_a2，其中a＝e^j2π/3；

或，当注入负序电流谐波时，根据测量并提取得到的同频线电压相量线电流相量/>和已求得的Z_a1，利用下式求得电网A相阻抗零序分量Z_a3：

2.如权利要求1所述的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，还包括：

对于已知电网阻抗拓扑的情况，在多个谐波频率点求得若干组电网阻抗值，再利用求得的电网阻抗值来进一步计算出电网阻抗拓扑中各元件模型的值。

3.如权利要求1或2所述的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，三相电网阻抗Z_a、Z_b、Z_c与阻抗的正序分量(Z_a1、Z_b1、Z_c1)、负序分量(Z_a2、Z_b2、Z_c2)和零序分量(Z_a3、Z_b3、Z_c3)有如下关系：

4.如权利要求1或2所述的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，在α-β两相静止坐标系下，利用比例谐振调节器控制向电网注入的电流谐波。

5.如权利要求1所述的电网阻抗测量方法，其特征在于，利用下式计算三相电网阻抗值：

6.如权利要求1所述的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，通过传感器来检测获得电力电子变换器输出端的线电压和线电流。

7.如权利要求6所述的基于电力电子变换器的电网阻抗测量方法，其特征在于，利用离散傅里叶变换将线电压谐波、线电流谐波从传感器测得的线电压、线电流信号中提取出来。