CN109839540A - 基于rpwm的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法，其特征是：将主动测量和被动测量相结合，实时进行被动测量，并在满足扰动条件时通过施加扰动进行主动测量；弱网阻抗取为施加扰动后的主动测量值，以及在不满足扰动条件时的被动测量值；扰动条件是以电流畸变程度为依据；主动测量是将PWM调制方式由SPWM调制定时的切换至RPWM调制，从而达到扰动和分散谐波频谱的目的后再进行计算。本发明实现更具时效性的THD测量，实时精确测量感抗。本发明无需额外增加设备且扰动后频谱分散、电磁干扰小；选用变载频RPWM调制方式有效激起扰动，实时精确测量感抗。

Description

基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法

技术领域

本发明属于并网逆变器控制技术领域，具体地说是涉及一种在线弱网谐波阻抗测量方法。

背景技术

随着分布式电源并网功率的增加和接入电网位置的广泛分布，考虑到较长的输配电线路、较多的隔离变压器、大量的分布式发电设备挂接于并网点等因素，电网越来越表现出弱电网的特性，电网阻抗已不可忽略。

较大的感抗会导致阻抗不匹配，进而产生谐波电流。通过检测出感抗大小进而调整控制器参数以适应不同的电网情况的方法能够有效抑制电网感抗影响，其需要精确的参数在线检测，如激起滤波器谐振以及注入特定次谐波电流检测公共耦合点电压，为实现检测需要增加额外的硬件设备因而增加成本，一些激起谐波频谱过于集中，造成较大的电磁干扰，对进网电流质量会产生不良影响。

主动施加扰动测量阻抗的方法中，对施加扰动的时长判断是一个尤为重要的因素。为了尽可能地减少对电网电流质量的干扰，可将总谐波畸变率THD作为衡量时长的参考。而传统的THD测量方式总是要分析周期整数倍的波形，即测量得到的THD值总是包含了过去至少一个周期的谐波信息，无法满足判断扰动时长时对THD在时效性方面的要求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法，无需额外增加设备且扰动后频谱分散、电磁干扰小；改进传统的THD测量方式，实现更具时效性的THD测量，选用变载频RPWM调制方式从而有效激起扰动，实时精确测量感抗。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法的特点是：将主动测量和被动测量相结合，实时进行被动测量，并在满足施加扰动的条件时通过施加扰动进行主动测量；弱网阻抗取为施加扰动后的主动测量值，以及在不满足施加扰动的条件时的被动测量值；所述施加扰动的条件是以THD值所表征的电流畸变程度为依据；

所述被动测量是指：采样获得并网运行时的PCC点电压和PCC点电流，针对所述PCC点电压和PCC点电流进行FFT分析，计算获得阻抗值，实现电流畸变大时的弱网阻抗被动测量；所述主动测量按如下步骤进行：

步骤1、生成一个取值在[-1,0]间的随机数R_i，由式(1)计算获得RPWM的载波频率f_i：

f_i＝f_max+R_i·Δf (1)

式(1)中，f_max为SPWM的载波频率，Δf为RPWM的载波频率的变化量；

依据所述RPWM的载波频率f_i获得载波信号；

步骤2、将调制波信号与步骤1所获得的载波信号进行脉冲宽度调制，获得扰动时段用于驱动逆变器开关管的脉冲信号；

步骤3、将逆变器开关管在SPWM调制方式与RPWM调制方式之间进行定时切换，在扰动时段内施加主动扰动；采样获得扰动时PCC点电压和扰动时PCC点电流，针对所述扰动时PCC点电压和扰动时PCC点电流进行FFT分析，计算获得阻抗值，实现弱网阻抗主动测量。

本发明基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法的特点在于：将所述RPWM调制方式设置为变载频变化率的RPWM调制方式；定义载波频率变化率为f_R，则：在由式(2)所表征的自t_k时刻起的t时段内，第k个RPWM的载波频率f_k由式(3)计算获得：

f_k＝f_max+R_k·Δf (3)

式(3)中，k＝1,2,3…，R_k为[-1,0]的随机数；

设置所述载波频率变化率f_R为：f_R＝m·f_k，m取为[1,2]。

本发明基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法的特点也在于：按如下方式确定扰动时段，施加扰动的条件为同时满足条件一和条件二；

条件一为：处于扰动判断区间；

条件二为：总谐波畸变率THD<3％；

所述处于扰动判断区间是指：从定时施加扰动时刻起的1/4个周期；

所述总谐波畸变率THD按如下方式进行计算：

使用小波包变换的方式从采样波形中提取基波作为参考波形，将所述采样波形和参考波形各截取一段长度合并为一个周期长度的波形进行计算，获得总谐波畸变率THD，在所述一个周期长度的波形中，前段为参考波形，后段为采样波形；

定义扰动判断区间包含的时间长度为判断时长，则采样波形的截取长度不小于判断时长。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在主动施加扰动时无需增加硬件设备，节约成本，仅需更改载波频率，实现方式简单；

2、本发明载波频率由随机数确定，扰动后的波形频谱分散，有利于计算拟合，且有效的降低电磁干扰；

3、本发明选用的变载频变化率RPWM具有频率值在低频时持续时间长，高频时持续时间短的特点，能够有效地激起扰动；

4、本发明中分段THD测量方法能够对波形的变化实现更快的响应，具有更好的时效性；

5、本发明中被动测量部分能在主动施加扰动的时期外阻抗发生变化时及反馈测量值，主动施加扰动能有效的矫正当前阻抗测量值，扰动时间短，不引入外部干扰。

附图说明

图1为本发明中主动测量扰动施加原理图；

图2为本发明中测量模块与主电路的连接；

图3a和图3b为本发明中两种载频变化率对比；

图4为本发明中逆变器输出电流波形；

图5为本发明中实测电感值L；

图6为控制电路反馈电感值L；

图7为本发明中分段THD测量结果；

图8为传统THD测量结果；

图9为本发明中SPWM调制下，弱网阻抗变化时引起THD变化时的FFT分析结果；

图10为本发明中RPWM扰动时的FFT分析结果；

表1为本发明中逆变器给定参数；

表2为本发明中频率下限测试；

表3为本发明中RPWM参数选定；

具体实施方式

本实施例中基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法是将主动测量和被动测量相结合，实时进行被动测量，并在满足施加扰动的条件时通过施加扰动进行主动测量；弱网阻抗取为施加扰动后的主动测量值，以及在不满足施加扰动的条件时的被动测量值；施加扰动的条件是以THD值所表征的电流畸变程度为依据。

图1和图2所示为本实施例中基于随即脉宽调制RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法框图及其与主电路的连接图。

被动测量是指：采样获得并网运行时的公共耦合点即PCC点电压和PCC点电流，针对所述PCC点电压和PCC点电流进行FFT分析，计算获得阻抗值，实现电流畸变大时的弱网阻抗被动测量。

主动测量按如下步骤进行：

步骤1、生成一个取值在[-1,0]间的随机数R_i，由式(1)计算获得RPWM的载波频率f_i：

f_i＝f_max+R_i·Δf (1)

式(1)中，f_max为SPWM的载波频率，Δf为RPWM的载波频率的变化量；依据所述RPWM的载波频率f_i获得载波信号。

步骤2、将调制波信号与步骤1所获得的载波信号进行脉冲宽度调制，获得扰动时段用于驱动逆变器开关管的脉冲信号。

步骤3、将逆变器开关管在SPWM调制方式与RPWM调制方式之间进行定时切换，在扰动时段内施加主动扰动；采样获得扰动时PCC点电压和扰动时PCC点电流，针对所述扰动时PCC点电压和扰动时PCC点电流进行FFT分析，计算获得阻抗值，实现弱网阻抗主动测量。

具体实施中，RPWM起扰动作用的主要是低频段，要有足够大的扰动使THD升高才能在发挥定时主动扰动的作用。为了产生足够大的扰动，应使随机频率在频率高时持续时间短，在频率低时持续的时间长。因此，将所述RPWM调制方式设置为变载频变化率的RPWM调制方式；定义载波频率变化率为f_R，则：在由式(2)所表征的自t_k时刻起的t时段内，第k个RPWM的载波频率f_k由式(3)计算获得：

f_k＝f_max+R_k·Δf (3)

式(3)中，k＝1,2,3…，R_k为[-1,0]的随机数；设置所述载波频率变化率f_R为：f_R＝m·f_k，m取为[1,2]，即为任意频率的持续时间在对应周期的[0.5,1]倍；当m值较大时，高低频持续时间缩短；反之高低频持续时间变长，因此m的取值不宜过大或过小。

具体实施中，按如下方式确定扰动时段，施加扰动的条件为同时满足条件一和条件二；

条件一为：处于扰动判断区间；

条件二为：总谐波畸变率THD<3％；

所述处于扰动判断区间是指：从定时施加扰动时刻起的1/4个周期；

所述总谐波畸变率THD按如下方式进行计算：使用小波包变换的方式从采样波形中提取基波作为参考波形，将所述采样波形和参考波形各截取一段长度合并为一个周期长度的波形进行计算，获得总谐波畸变率THD，在所述一个周期长度的波形中，前段为参考波形，后段为采样波形；定义扰动判断区间包含的时间长度为判断时长，则采样波形的截取长度不小于判断时长。

分段THD检测长度为一个周期，假设从参考波截取长度为α，则采样波形应保留长度为(T-α)，T为调制波周期0.02s。因保留的采样波形长度总是小于一个周期，故该方法测量所得的THD值总小于传统的THD测量方式，为了减小误差，若指标规定电流波形震荡时间不大于t，则应满足(T-α)>t，才能将某一段震荡的长度全包含在截取的采样波形内，且由于判断扰动模块存在判断时长，故采样波形时间长度应大于等于判断时长，从而使THD下降前的值接近传统的THD测量方式的结果，如图3a和图3b所示。

具体实施中，按如下方式确定载波频率的变化范围：载波频率最大值选定为SPWM调制时的载波频率，所以载波频率的变化范围仅由载波频率的最小值决定，下面讨论载波频率最小值的选取。

在选取载频最小值时存在上限该上限值为当SPWM调制时载波频率选为该频率时能够保证在扰动时段内THD>3的最小频率值，有：

除此约束条件外，因RPWM具备分散频谱的作用，谐波频谱主要分布在开关频率的整数倍处，所以还应考虑到在计算阻抗值时所选取的频谱范围，从而给出最佳的取值。

为验证本发明方法有效性，在Matlab/simulink中搭建额定容量为6kw单相并网逆变器模型；逆变器给定参数如表1：

表1逆变器给定参数

参数说明	参数值
		电网电压有效值(V)	220
电网电压频率(Hz)	50
		直流侧电压(V)	360
额定功率(W)	6K
		SPWM开关频率(Hz)	10K
逆变器侧电感(mH)	0.6
		网侧电感(mH)	0.15
滤波电容(μF)	10
		P	0.45
I	2200
		K<sub>c</sub>	0.1
K<sub>i</sub>	0.15

首先选定FFT结果频率拟合范围为1K～2K，然后测试不同条件下，用固定的低频SPWM调制时的THD结果，如表2：

表2

表2中，L_g代表实际值，L_test为假定的实测值。在测试中，低频持续时间为整个基波周期，而RPWM扰动时，低频持续时间短，扰动后的THD比表中给出的值小，分段THD测量也会导致THD值偏小，因此实际选用RPWM载波频率下限值为2000Hz，如表3。经后期仿真鉴定，该取值较为合理，当取2300Hz时，存在部分扰动时段THD不达标。

表3

参数说明	参数值
		RPWM载频最大值(Hz)	10K
RPWM载频最小值(Hz)	2K
		载频变化比例系数	1
采样波形截取长度(s)	0.01

在仿真中，负载阻抗(忽略电阻)于0.04s时升至0.5mH，0.1s时升至1mH，0.16s时升至1.5mH，并在0.08s，0.14s，0.18s时施加扰动并启动扰动判断模块。仿真结果如图4至图9所示。

如图4所示，本发明方法中扰动时间短，对逆变器输出电流影响小，输出电流波形较好。

由图5可知，本发明方法测量精度高，尤其是在主动施加扰动之后可有效地矫正反馈值。观察波形可知，如0.08s时主动施加扰动后得到的既是主动测量值，相较于0.08s前的被动测量结果，主动测量结果更加精确，波动程度更小。

如图6所示，需要注意的是，在验证时选用的***中，测量得的阻抗值需应用到控制电路中，因控制目的是减小输出波形的畸变程度，故对测量值进行取绝对值和平均化处理，且仅当THD值大于3％时更新反馈值。

对比图7和图8可知，本发明方法中分段THD测量方式时效性比传统THD测量方式高；图4-图7所示，经验证，本发明方法在测量阻抗上具有优势；图9和图10给出了SPWM调制下，弱网阻抗变化时引起THD变化时的FFT分析和RPWM扰动时的FFT分析结果，对比后容易发现RPWM扰动时频谱较为分散。

本发明方法弥补了现有谐波阻抗检测技术的不足，具有施加扰动方式简单易行，扰动时间短，对电网电流影响小，阻抗值测量精度高的优点。经仿真验证本发明方法的有效性。

Claims (3)

1.一种基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法，其特征是：将主动测量和被动测量相结合，实时进行被动测量，并在满足施加扰动的条件时通过施加扰动进行主动测量；弱网阻抗取为施加扰动后的主动测量值，以及在不满足施加扰动的条件时的被动测量值；所述施加扰动的条件是以THD值所表征的电流畸变程度为依据；

所述被动测量是指：采样获得并网运行时的PCC点电压和PCC点电流，针对所述PCC点电压和PCC点电流进行FFT分析，计算获得阻抗值，实现电流畸变大时的弱网阻抗被动测量；所述主动测量按如下步骤进行：

步骤1、生成一个取值在[-1,0]间的随机数R_i，由式(1)计算获得RPWM的载波频率f_i：

f_i＝f_max+R_i·Δf (1)

式(1)中，f_max为SPWM的载波频率，Δf为RPWM的载波频率的变化量；

依据所述RPWM的载波频率f_i获得载波信号；

步骤2、将调制波信号与步骤1所获得的载波信号进行脉冲宽度调制，获得扰动时段用于驱动逆变器开关管的脉冲信号；

步骤3、将逆变器开关管在SPWM调制方式与RPWM调制方式之间进行定时切换，在扰动时段内施加主动扰动；采样获得扰动时PCC点电压和扰动时PCC点电流，针对所述扰动时PCC点电压和扰动时PCC点电流进行FFT分析，计算获得阻抗值，实现弱网阻抗主动测量。

2.根据权利要求1所述的基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法，其特征是：将所述RPWM调制方式设置为变载频变化率的RPWM调制方式；定义载波频率变化率为f_R，则：在由式(2)所表征的自t_k时刻起的t时段内，第k个RPWM的载波频率f_k由式(3)计算获得：

f_k＝f_max+R_k·Δf (3)

式(3)中，k＝1,2,3…，R_k为[-1,0]的随机数；

设置所述载波频率变化率f_R为：f_R＝m·f_k，m取为[1,2]。

3.根据权利要求1所述的基于RPWM的在线单相并网逆变器弱网阻抗测量方法，其特征是：按如下方式确定扰动时段，施加扰动的条件为同时满足条件一和条件二；

条件一为：处于扰动判断区间；

条件二为：总谐波畸变率THD<3％；

所述处于扰动判断区间是指：从定时施加扰动时刻起的1/4个周期；

所述总谐波畸变率THD按如下方式进行计算：

使用小波包变换的方式从采样波形中提取基波作为参考波形，将所述采样波形和参考波形各截取一段长度合并为一个周期长度的波形进行计算，获得总谐波畸变率THD，在所述一个周期长度的波形中，前段为参考波形，后段为采样波形；

定义扰动判断区间包含的时间长度为判断时长，则采样波形的截取长度不小于判断时长。