CN111209527B - 一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法。双环矢量控制的逆变器并网***的逆变器内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动；使用采样设备对扰动施加前与扰动施加后的逆变器输出的三相电压和电流进行采样；计算扰动量，使用离散傅里叶变换将扰动量由时域变换到频域；所施加不同的扰动计算获得广义阻抗；改变所施加扰动的频率进行扫频，直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗。本发明对逆变器的广义阻抗进行测量，测量更加便捷，成本更低，且不用改变工况，也降低了多次测量产生的现场因素的干扰。

Description

一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及了一种逆变器参数测量方法，尤其是涉及一种基于二次侧施加扰动的同一工况下在任意功率因数下逆变器广义阻抗测量方法。

背景技术

随着全球能源危机的加剧和环境污染问题的加重，以风电、光伏为代表的可再生清洁能源越来越受到能源行业的重视。一方面，新能源发电通常带有很强的随机性、间歇性和波动性，属于强随机波动性、低可控性的电源，大规模接入电网可能带来电网整体安全性问题。另一方面，大规模电力电子设备的接入改变了电网的动态特性，使得电力***的电力电子化特征日趋明显。近年来世界各地已经发生了多起与新能源机组相关的振荡问题，给电力***的安全稳定运行带来了新的挑战。

分析逆变器并网稳定问题可以通过建立阻抗模型，通过对逆变器和网络的阻抗进行分析，进而判断并网***的稳定性，并对逆变器控制的设计给出指导。而三相并网***的广义阻抗通过严格的数学推导，得到对角形式的逆变器广义导纳矩阵和对称形式的网络广义导纳矩阵(广义阻抗为广义导纳求逆)，能够方便地分析逆变器并网稳定性。

广义阻抗模型既可以通过解析的方法求得，也可以通过外加测量设备的方法测得。已有的阻抗测量方法通过外加高压设备的方法来注入扰动，设备较为昂贵，操作也更为复杂。借助逆变器和电网本身的装置来注入扰动进行测量，尤其是在二次侧也就是控制部分加入扰动，可以使设备更加便捷，成本也可以更低。

已有的二次侧注入扰动的广义阻抗测量技术大都是在功率因数为1的前提假设下，功率因数非1的情况下需要变工况测量，实验次数更多而且变工况更加复杂，这样不仅不方便，而且多次测量引入了更多的不确定性误差。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法，是二次***注入扰动的不变工况的任意功率因数下变流器广义阻抗测量方法。可用于在同一工况运行下测量功率因数为1下逆变器并网时逆变器的广义阻抗，在计算机中采用第三方软件进行离线处理。

所述的二次侧是指逆变器并网***的低压侧，本发明所述的二次侧施加扰动是指在逆变器的控制环施加扰动。非变工况是指在同一工况下进行测量。

如图1所示，本发明的技术方案采用如下步骤：

1)针对双环矢量控制的逆变器并网***，逆变器连接到电网组成逆变器并网***，逆变器并网***的功率因数不为1，在逆变器的内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动；

2)使用采样设备对扰动施加前与扰动施加后的逆变器输出的三相电压和电流进行采样获得采样值，对获得的采样值坐标变换后获得电压和电流在dq坐标系下的分量；

3)计算扰动量，使用离散傅里叶变换将扰动量由时域变换到频域；

4)重复步骤1)～3)并在步骤1)中所施加不同的扰动，共进行两次测量，根据逆变器的广义阻抗端口特性，用所施加的扰动、计算获得的扰动量和锁相环的传递参数计算获得广义阻抗；

5)重复上述步骤1)～4)并改变步骤1)中所施加扰动的频率进行扫频，直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗。

所述步骤1)中，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环是功率控制，施加扰动是在逆变器的内环电流控制输入端对电流环矢量控制参考值的d轴分量I_dref和电流环矢量控制参考值的q轴分量I_qref施加正弦扰动。

所述步骤4)具体为：

以往的方法在功率因数为1的情况下，电流参考值扰动时所述的逆变器的广义阻抗端口特性采用以下公式表示：

然而本发明中，建立了不同的逆变器的广义阻抗端口特性。

4.1)在电流参考值施加扰动时，建立以下逆变器的广义阻抗端口特性：

其中，ΔU′、ΔI′、

Δδ′表示采样值在全局旋转极坐标下的电压幅值U、电流幅值I、电流相角

和电压相角δ的扰动量的离散傅里叶变换结果，即步骤3)的结果，ΔI′_dper和ΔI′_qper分别表示内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量和q轴分量的离散傅里叶变换结果，Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)分别表示第一、第二、第三、第四传递参数，Y_g5(s)、Y_g6(s)、Y_g7(s)、Y_g8(s)表示由电流参考值扰动至三相电流幅值扰动量ΔI的第五、第六、第七、第八传递参数；

其中，

为广义阻抗矩阵。

所述的全局旋转极坐标系是以无穷大电网为参考系，以电网中电压为极轴的坐标系。全局旋转极坐标系相对于静止坐标系的角度θ采用给定的方式，采用随时间变化的波形为锯齿波，斜率为(2π×50)rad/s，即以同步转速ω₀(100πrad/s)增加，周期为0.02s，幅值为2π。静止坐标系是指abc三相坐标系

4.2)重复步骤1)～3)并在步骤1)中所施加相同频率和不同幅值的扰动，共进行两次测量，得到的各个电参数的扰动量ΔD及离散傅里叶变换的频域结果，各个电参数包括逆变器输出的三相电压和三相电流；

4.3)然后利用步骤4.2)获得的结果在dq坐标系进行求解，然后转化到全局极坐标系得到广义阻抗：

4.3.1)用两次测量得到频域下的电参数扰动量ΔD的离散傅里叶变换结果代入以下公式计算获得广义阻抗矩阵中的dq轴下的传递参数：

其中，下标1和2分别表示两次施加扰动后测得的两组结果，ΔI′_dper1和ΔI′_dper2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qper1和ΔI′_qper2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU′_d1和ΔU′_d2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后的电压的d轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔU′_q1和ΔU′_q2分别表示第一次测量后和第二次测量后电压的q轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_d1和ΔI′_d2分别表示第一次测量后和第二次测量后电流的d轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，DI′_q1和ΔI′_q2分别表示第一次测量后和第二次测量后电流的q轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果；Y_dd、Y_dq、Y_qq、Y_per分别是dq坐标系下的第一、第二、第三、第四阻抗端口特性参数；

第一、第二、第三、第四阻抗端口特性参数Y_dd、Y_dq、Y_qq、Y_per是dq坐标系下的阻抗端口特性参数，具体表达式为：

然后将第一、第二、第三阻抗端口特性参数Y_dd、Y_dq、Y_qq代入如下公式计算获得第一、第二、第三、第四传递参数Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)：

其中，H_pll(s)是锁相环的传递参数，I_d和I_q分别表示非变工况时变流器输出的稳态电流的d轴和q轴分量，U_d表示该工况时稳态电压的d轴分量，δ为全局旋转极坐标下电压相角，

为全局旋转极坐标下电流相角；

4.3.2)最后由获得的八个传递参数形成广义阻抗矩阵。

现有技术以往解决功率因数非1的测量问题，采用的是变工况测量的处理方法。本发明通过非变工况，使***运行在空载和常规两个工况下，进行四次扰动注入，然后求解出Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)、Y_g5(s)、Y_g6(s)、Y_g7(s)、Y_g8(s)，本发明在同一工况下进行测量，只需要2次扰动注入进行测量。

所述步骤4.2)中，采用以下公式计算扰动量ΔD：

ΔD(kΔt)＝D(kΔt)-D(kΔt-T)

其中，D表示一电参数，ΔD表示各个电参数的扰动量，kΔt表示扰动状态下的采样时段，kΔt-T表示未扰动状态下的采样时段，T表示扰动施加前后采样的起始点的时间差，k表示扰动施加前后采样内各采样的序数，Δt表示采样间隔。

所述步骤2)中，采样设备为具有同步采样功能的六路AD采样设备，采样值包括三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c共六个电参数。

所述步骤2)中AD采样均在***暂态过程结束之后进行，扰动施加前***运行于稳定工作点时进行采样，扰动施加后应使***稳定运行于正弦扰动后进行采样。

所述步骤2)中，坐标变换采用如下公式处理，获得dq坐标系下的电压和电流值：

其中，U_a、U_b、U_c表示采样到的静止坐标系下的三相电压，I_a、I_b、I_c表示采样到的静止坐标系下的三相电流，θ表示全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度，U_d、U_q分别表示全局旋转直角坐标系下的d轴和q轴电压值，I_d、I_q分别表示全局旋转直角坐标系下的d轴和q轴电流值；

再采用以下公式计算获得全局旋转极坐标系下电压和电流的幅值和相角：

其中，U表示全局旋转极坐标下的电压幅值，I表示全局旋转极坐标下的电流幅值，

表示全局旋转极坐标下电流相角，δ为全局旋转极坐标下电压相角，U_x、U_y分别表示稳态时全局直角坐标系下电压的d轴分量和q轴分量，I_x、I_y分别表示稳态时全局直角坐标系下电流的d轴分量和q轴分量。

全局直角坐标系是指以无穷大电网为参考系，以电网中电压为x轴的坐标系。

本发明通过实测的方法得到逆变器端口的广义导纳特性，并作为并网逆变器稳定性的判断依据或为控制器设计提供参考，为新能源并网时可能存在的振荡风险提出预警与指导，也为新能源设计时提供新的技术标准。

本发明的有益效果是：

本发明利用逆变器并网***原有的设备对逆变器的广义阻抗进行测量，控制***注入扰动不需要增加高压设备，操作更为便捷，成本更低；采样到的信号转化到dq坐标系计算，再转化到全局坐标系，方法上减少了待测参数的个数。

相比以往的控制***注入扰动的测量方法，可以测量功率因数不为1的情况，不用变工况，更加便捷和精确，节约成本，也降低了多次测量产生的现场因素的干扰，测得的广义阻抗可用于并网***稳定性分析与逆变器控制设计。

因此，本发明采用二次侧施加扰动的方法，利用已有的控制器设备，在控制环施加扰动，无需在高压端连接扰动注入设备，也不需要使逆变器脱网，可以在逆变器并网时进行测量，能够实现准确地测量。

附图说明

图1为广义阻抗测量流程步骤示意图。

图2为逆变器并网***示意图。

图3为全局变换角度θ随时间变化的波形。

图4为全局旋转坐标系电流电压矢量示意图。

图5为两次注入扰动示意图。

图6为广义阻抗的理论值和测量值的各参数幅值对比。

图7为广义阻抗的理论值和测量值的各参数相角对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施示例对本发明做进一步详细说明。

按照本发明发明内容完整方法实施的实施例及其实施过程是：

本发明具体实施的并网逆变器***如图2所示，逆变器输出接LCL滤波器，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环为PQ控制。在MATLAB/Simulink中建立如图2所示的仿真模型，逆变器直流电压恒定，输出采用LC滤波，逆变器有功和无功电流的参考值为I_dref和I_qref，逆变器所用的参数如表1所示。

表1

描述	数值
		***功率基值	2000VA
***电压基值	575V
		LC滤波器电感	0.05pu
LC滤波器电容	0.05pu
		内环PI比例增益	0.3
内环PI积分增益	10
		锁相环PI比例增益	60
锁相环PI积分增益	1400
		功率外环PI比例增益	1
功率外环PI积分增益	5
		逆变器控制频率	10kHz
测量装置采样率	0.2MHz

通过内环注入扰动的为向内环电流参考值I_dref和I_qref叠加正弦信号，如图2中所示，向控制模块叠加正弦的扰动信号ΔI_dper和ΔI_qper，使用采样模块对逆变器输出的三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c进行采样记录。

采样对象如图2所示，包括三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c共6个电参数，三相电压为逆变器滤波器输出点电压，三相电流为逆变器输出滤波电感上的电流，AD采样设备为具有同步采样功能的6路AD采样设备。

施加扰动时，全局旋转坐标系相对于静止坐标系的角度θ随时间变化的波形如图3所示以同步转速ω₀(100πrad/s)增加。

全局旋转坐标下的电流和电压矢量如图4所示，电流和电压矢量可以表示成直角坐标和极坐标形式，根据公式进行坐标变换将全局旋转直角坐标变换至全局旋转极坐标。

实施例对于同一频率的广义阻抗，分两次次扰动注入，如图5所示，在一个频率点注入的多次dq轴参考值扰动频率相同，幅值相对大小不同，在dq坐标系上形成的向量线性无关。

由此使用本发明的广义阻抗测量计算方法，计算0-100Hz内广义阻抗端口特性的传递参数，绘制幅频特性与相频特性，与理论计算得到的传递参数进行比较，结果如图6和图7所示。

从图6和图7中可以看出，使用本发明的广义阻抗测量方法测得的广义阻抗传递参数，其幅频特性与相频特性和理论计算得到的广义阻抗基本吻合。这说明使用本发明同样可以准确的计算得到逆变器的广义阻抗端口特性。

通过上述仿真实例可以看出，本发明提出的基于二次侧施加扰动的广义阻抗方法可以准确测量并网***的逆变器及网侧的广义阻抗端口特性。本发明提出的测量方法，控制***注入扰动不需要增加高压设备，操作更为便捷，成本更低；相比以往的控制***注入扰动的测量方法不需要变工况，更加便捷和精确，节约成本。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于包括以下三个步骤：

1)针对双环矢量控制的逆变器并网***，在逆变器的内环电流控制输入端对内控制环的电流参考值施加扰动；

2)使用采样设备对扰动施加前与扰动施加后的逆变器输出的三相电压和电流进行采样获得采样值，对获得的采样值坐标变换后获得电压和电流在dq坐标系下的分量；

3)计算扰动量，使用离散傅里叶变换将扰动量由时域变换到频域；

4)重复步骤1)～3)并在步骤1)中所施加不同的扰动，共进行两次测量，根据逆变器的广义阻抗端口特性，用所施加的扰动、计算获得的扰动量和锁相环的传递参数计算获得广义阻抗；

5)重复上述步骤1)～4)并改变步骤1)中所施加扰动的频率进行扫频，直至测得待测频段内所有频率点的广义阻抗；

其特征在于：所述步骤4)具体为：

4.1)在电流参考值施加扰动时，建立以下逆变器的广义阻抗端口特性：

其中，ΔU′、ΔI′、

Δδ′表示采样值在全局旋转极坐标下的电压幅值U、电流幅值I、电流相角

和电压相角δ的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_dper和ΔI′_qper分别表示内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量和q轴分量的离散傅里叶变换结果，Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)分别表示第一、第二、第三、第四传递参数，Y_g5(s)、Y_g6(s)、Y_g7(s)、Y_g8(s)表示第五、第六、第七、第八传递参数；

4.2)重复步骤1)～3)并在步骤1)中所施加相同频率和不同幅值的扰动，共进行两次测量，得到的各个电参数的扰动量ΔD及离散傅里叶变换的频域结果，各个电参数包括逆变器输出的三相电压和三相电流；

4.3)然后利用步骤4.2)获得的结果在dq坐标系进行求解，然后转化到全局极坐标系得到广义阻抗：

4.3.1)用两次测量得到频域下的电参数扰动量ΔD的离散傅里叶变换结果代入以下公式计算获得广义阻抗矩阵中的dq轴下的传递参数：

其中，下标1和2分别表示两次施加扰动后测得的两组结果，ΔI′_dper1和ΔI′_dper2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的d轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_qper1和ΔI′_qper2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后内控制环的电流参考值上所施加的扰动的q轴分量的离散傅里叶变换结果，ΔU′_d1和ΔU′_d2分别表示第一次施加扰动后和第二次施加扰动后的电压的d轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔU′_q1和ΔU′_q2分别表示第一次测量后和第二次测量后电压的q轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_d1和ΔI′_d2分别表示第一次测量后和第二次测量后电流的d轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果，ΔI′_q1和ΔI′_q2分别表示第一次测量后和第二次测量后电流的q轴分量的扰动量的离散傅里叶变换结果；Y_dd、Y_dq、Y_qq、Y_per分别是dq坐标系下的第一、第二、第三、第四阻抗端口特性参数；

第一、第二、第三、第四阻抗端口特性参数Y_dd、Y_dq、Y_qq、Y_per是dq坐标系下的阻抗端口特性参数，具体表达式为：

然后将第一、第二、第三阻抗端口特性参数Y_dd、Y_dq、Y_qq代入如下公式计算获得第一、第二、第三、第四传递参数Y_g1(s)、Y_g2(s)、Y_g3(s)、Y_g4(s)：

其中，H_pll(s)是锁相环的传递参数，I_d和I_q分别表示非变工况时变流器输出的稳态电流的d轴和q轴分量，U_d表示该工况时稳态电压的d轴分量，

为全局旋转极坐标下电流相角；

4.3.2)最后由获得的八个传递参数形成广义阻抗矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，并网逆变器采用双环矢量控制，内环为矢量电流控制，外环是功率控制，施加扰动是在逆变器的内环电流控制输入端对电流环矢量控制参考值的d轴分量I_dref和电流环矢量控制参考值的q轴分量I_qref施加正弦扰动。

3.根据权利要求1所述的一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，采用以下公式计算扰动量ΔD：

ΔD(kΔt)＝D(kΔt)-D(kΔt-T)

其中，D表示一电参数，ΔD表示各个电参数的扰动量，kΔt表示扰动状态下的采样时段，kΔt-T表示未扰动状态下的采样时段，T表示扰动施加前后采样的起始点的时间差，k表示扰动施加前后采样内各采样的序数，Δt表示采样间隔。

4.根据权利要求1所述的一种二次侧施加扰动的非变工况逆变器广义阻抗测量方法，其特征在于：

所述步骤2)中，采样设备为具有同步采样功能的六路AD采样设备，采样值包括三相电压U_a、U_b、U_c和三相电流I_a、I_b、I_c共六个电参数。

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