CN110850175A - 一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法及装置 - Google Patents

一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法及装置，属于一种直流微电网运行控制技术领域，该方法通过选取特定频率的交流电流信号，将电流信号注入到储能变换器的电感电流中；注入电流扰动信号后，测量储能单元变换器输入电压和输入电流；根据电路原理中电压与电流之间的关系，计算得到直流母线电压到储能单元之间的线路阻抗；该装置包括：扰动电流注入单元、电压电流测量单元和线路阻抗计算单元，该方法基于阻抗频率特性选择的注入交流电流频率，对***稳定性影响性较小，还可以改善直流变换器并联均流时的负载均分效果，有利于***的稳定运行，该装置考虑了各储能单元的线路阻抗，可应用于各种结构的直流微电网，并且该装置结构简单，经济性高，线路阻抗检测效率高。

Description

一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法及 装置
技术领域
本发明涉及直流微电网运行控制技术领域，尤其涉及一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法及装置。
背景技术
近年来，微电网技术成为智能电网研究的重要方向，作为微电网研究的新兴分支，直流组网技术具有能量转换次数少、结构简单、无需考虑频率稳定及无功波动等优点，与交流组网技术相比，直流组网技术能更高效地接纳可再生能源，在飞机和船舶等领域受到广泛关注。
直流微电网自身稳定运行需要满足两个重要指标：(1)维持直流母线电压稳定；(2)实现分布式电源功率合理分配和均功过程的动态稳定，目前在多个微源并联运行时采用的控制策略主要有主从控制和对等控制。主从控制策略指定其中一个微源变换器为主模块，采用电压控制，其余变换器为从模块，采用电流控制，该策略对主模块要求较高，一旦主模块出现问题，整个***将会失去控制；对等控制策略中分布式微源都有各自的底层控制器，相互之间无需通信，微电网***可靠性高，成本低。现有对等控制策略多采用下垂控制，文献《An improved droop control method for DC microgrids based on lowbandwidth communication with DC bus voltage estoration and enhanced currentsharing accuracy》利用提高变换器初始电压值的的方法调整下垂系数，能够实现直流母线电压调整，但负载均流效果较差。为了解决线路阻抗不一致导致电流均分精度不高的问题，目前多采用基于虚拟阻抗的下垂控制方法，难点是下垂系数不容易确定；《一种适用于直流微电网的改进型电流负荷分配控制策略》中辅助控制器通过通信共享各微源的当前电流，计算出各微源需要提供的电流，使用该信息来调整控制器中的下垂系数，使微源直流变换器具有相同的输出阻抗，实现负载电流均分，但该方法需要微源间相互通信，降低了***可靠性；文献《基于单脉冲注入的直流微电网线路阻抗检测》采用交流小信号注入法，得到当前变换器负载均分情况，从而调整各分布式微源的输出电压值，此种方法实际应用中比较复杂，对硬件要求较高；文献《A DecentralizedControl Method for a Low-Voltage DCMicrogrid》则在并网模式下预测线路阻抗值，利用补偿后的虚拟阻抗抵消线路阻抗的影响，然而在初始工作时微电网不能工作在离网模式，工作方式受到限制。因此为了能够有效提高直流微电网下垂控制效率和直流微电网运行稳定性，准确检测线路阻抗值成为下垂控制技术的关键。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法，该方法是应用在储能单元处于充电模式，且其变换器采用电流单环控制，具体步骤如下：
S1：选取特定频率的交流电流信号，将电流信号注入到储能变换器的电感电流中；
S2：注入电流扰动信号后，测量储能单元变换器输入电压和输入电流；
S3：根据电路原理中电压与电流之间的关系，计算得到直流母线电压到储能单元之间的线路阻抗，所述电压电流关系满足下式：
Ubus＝Uin+rlineIin (1)
式(1)中，Ubus表示直流母线电压、Uin表示储能单元输入电压、Iin表示储能单元输入电流、rline表示线路阻抗；
利用步骤S3得到的线路阻抗值补偿直流变换器控制回路的下垂电阻值。
进一步地：所述交流电流信号采用频率为50Hz的正弦电流。
一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测装置，包括：
扰动电流注入单元，选取特定频率的电流信号，并将其注入到储能单元变换器的电感电流中；
电压电流测量单元，测量注入特定频率电流扰动信号后，储能单元变换器输入电压和输入电流；
线路阻抗计算单元，利用测得储能单元变换器的输入电压和输入电流，可计算得到直流母线到储能单元之间的线路阻抗值rline，所述电压电流需要满足下式：
Figure BDA0002279901500000021
式(2)中，
Figure BDA0002279901500000022
表示注入扰动电流后直流母线电压波动量、
Figure BDA0002279901500000023
表示注入扰动电流后储能单元输入电压波动量、
Figure BDA0002279901500000031
表示注入扰动电流后储能单元输入电流波动量；
Figure BDA0002279901500000032
式(3)中，rline表示计算得到的线路阻抗值。
进一步地:所述的线路阻抗检测装置线路阻抗计算单元，该单元的直流母线电压几乎不受50Hz电流信号注入的影响，
Figure BDA0002279901500000033
数值接近零。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法和装置，该方法基于阻抗频率特性选择的注入交流电流频率，对***稳定性影响性较小，还可以改善直流变换器并联均流时的负载均分效果，有利于***的稳定运行；该装置考虑了各储能单元的线路阻抗，可应用于各种结构的直流微电网，并且该装置结构简单，经济性高，线路阻抗检测效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是直流微电网部分结构图；
图2为直流母线前级变换器的闭环输出阻抗Zco(s)的频率特性图；
图3是本发明方法的流程图；
图4是本发明的直流微电网线路阻抗检测装置原理图；
图5是线路阻抗测量仿真结果。
图中：1、第一储能变换器，2、第二储能变换器，3、第三储能变换器，4、第一线路阻抗，5、第二线路阻抗，6、第三线路阻抗，7、扰动电流注入单元，8、电压电流测量单元，9、线路阻抗计算单元。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
图1是本发明采用直流微电网部分结构图，其储能电池通过直流变换器连接到直流母线上，主要包括第一储能变换器1、第二储能变换器2、第三储能变换器3、第一线路阻抗4、第二线路阻抗5和第三线路阻抗6，所述储能变换器1工作在恒压模式，确保直流母线电压稳定，所述储能变换器2和所述储能变换器3工作在恒流模式，实现***负载均分，所述第一储能变换器1通过第一线路阻抗4与直流母线相连接，所述第二储能变换器2通过第二线路阻抗5与直流母线相连接，所述第三储能变换器3通过第二线路阻抗6与直流母线相连接。
以储能变换器1为例进行建模，得到变换器控制-输出的传递函数Gvd(s)、电感电流-输出的传递函数Gvi(s)、开环输出阻抗Zo(s)、双闭环控制下变换器输出阻抗Zco(s)分别如下：
Figure BDA0002279901500000041
Figure BDA0002279901500000042
Figure BDA0002279901500000044
式中Upv1、Udc1为变换器输入和输出电压，
Figure BDA0002279901500000045
为参考电压，IL1、Idc1为变换器电感电流和输出电流，d1为变换器工作占空比，1/VM为PWM传递函数，注入交流电流的频率根据***闭环输出阻抗Zco(s)的频率特性图选择。
图2为直流母线前级变换器的闭环输出阻抗Zco(s)的频率特性图，可以看出随着频率的增大，响应幅值逐渐增大，但不超过-20dB；在较宽的频率范围内，输出阻抗值非常小，对低频、高频干扰有较好的抑制能力，即很小的负载扰动母线电压影响不大。基于上述分析，本发明选择注入50Hz交流电流信号，图4中50Hz处的增益约为-76.9dB，变换器输出阻抗非常小，约为0.14mΩ，即负载扰动对母线电压的影响非常小。
图3是本发明方法的流程图，通过在电感电流上注入低频交流信号，检测变换器输入电压和输入电流的波动信息，再利用傅里叶变换提取特定频率的电压和电流，求得线路阻抗值，最后用计算得到的线路阻抗补偿到下垂电阻中，从而消除线路阻抗对***的影响，该线路阻抗检测方法具体步骤如下所示：
S1：选取特定频率的交流电流信号，接着将电流信号注入到储能变换器的电感电流中；
S2：注入电流扰动信号后，测量储能单元变换器输入电压和输入电流；
S3：根据电路原理中电压与电流之间的关系以及步骤S2测量得到的电压和电流参数，计算得到直流母线电压到储能单元之间的线路阻抗rline，所述电压电流关系满足下式：
Ubus＝Uin+rlineIin (5)
式中，Ubus表示直流母线电压、Uin表示储能单元输入电压、Iin表示储能单元输入电流，
利用步骤S3得到的线路阻抗值补偿直流变换器控制回路的下垂电阻值。
在上述线路阻抗检测方法的基础上，并且结合直流微电网具体结构，发明出直流微电网线路阻抗检测装置，图4是本发明的直流微电网线路阻抗检测装置原理图；该装置包括：
扰动电流注入单元7，选取特定频率的电流信号，并将其注入到储能单元变换器的电感电流中；
电压电流测量单元8，测量注入特定频率电流扰动信号后，储能单元变换器输入电压和输入电流；
线路阻抗计算单元9，利用测得储能单元变换器的输入电压和输入电流，可计算得到直流母线到储能单元之间的线路阻抗值rline，所述电压电流需要满足下式：
Figure BDA0002279901500000051
上式中，
Figure BDA0002279901500000052
表示注入扰动电流后直流母线电压波动量、表示注入扰动电流后储能单元输入电压波动量、
Figure BDA0002279901500000054
表示注入扰动电流后储能单元输入电流波动量。
Figure BDA0002279901500000055
进一步地:所述线路阻抗检测装置线路阻抗计算单元，该单元的直流母线电压几乎不受50Hz电流信号注入的影响，
Figure BDA0002279901500000056
数值接近零。
该线路阻抗检测装置的具体实现流程，将低频正弦信号注入到电感电流上，测量注入信号后变换器的输入电压、电流值，
Figure BDA0002279901500000061
为注入低频交流信号后的输入电压；
Figure BDA0002279901500000062
为注入后的输入电流，响应信号通过傅里叶变换(Fourier Transform，FT)由时域信号转换为频域信号，由此可得电压响应频域与电流响应频域为和
Figure BDA0002279901500000064
响应电压、电流信号可分别写成如下形式：
Figure BDA0002279901500000066
式中为振幅频谱；φu(ω)、φi(ω)为相位频谱。在该方法中，感性阻抗可以忽略，所以可得线路阻抗表达式如下：
为了验证本发明的有效性，通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证，图5为线路阻抗测量仿真结果图，分别显示了三个线路阻抗的测量值，前两个周期的数据由于线路阻抗值计算过程没有完成，所以该数据不能表示真正的线路阻抗值，在1.04s后得到的阻抗值较为准确，线路阻抗γline1约为0.1501Ω，线路阻抗γline2约为0.2502Ω，线路阻抗γline3约为0.3503Ω，由此可以看出测量精度比较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法，该方法是应用在储能单元处于充电模式，且其变换器采用电流单环控制，其特征在于：方法具体步骤如下：
S1：选取特定频率的交流电流信号，将电流信号注入到储能变换器的电感电流中；
S2：注入电流扰动信号后，测量储能单元变换器输入电压和输入电流；
S3：根据电路原理中电压与电流之间的关系，计算得到直流母线电压到储能单元之间的线路阻抗，所述电压电流关系满足下式：
Ubus＝Uin+rlineIin (1)
式(1)中，Ubus表示直流母线电压、Uin表示储能单元输入电压、Iin表示储能单元输入电流、rline表示线路阻抗；
利用步骤S3得到的线路阻抗值补偿直流变换器控制回路的下垂电阻值。
2.根据权利要求1所述的一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测方法，其特征还在于：所述交流电流信号采用频率为50Hz的正弦电流。
3.一种基于低频电流注入的直流微电网线路阻抗检测装置，其特征在于：包括：
扰动电流注入单元，选取特定频率的电流信号，并将其注入到储能单元变换器的电感电流中；
电压电流测量单元，测量注入特定频率电流扰动信号后，储能单元变换器输入电压和输入电流；
线路阻抗计算单元，利用测得储能单元变换器的输入电压和输入电流，可计算得到直流母线到储能单元之间的线路阻抗值rline，所述电压电流需要满足下式：
Figure FDA0002279901490000011
式(2)中，
Figure FDA0002279901490000012
表示注入扰动电流后直流母线电压波动量、
Figure FDA0002279901490000013
表示注入扰动电流后储能单元输入电压波动量、表示注入扰动电流后储能单元输入电流波动量；
Figure FDA0002279901490000021
式(3)中，rline表示计算得到的线路阻抗值。
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