三相光伏并网逆变器电网阻抗电感检测方法与流程

本发明属于光伏发电领域，具体涉及一种基于无功功率变化的三相光伏并网逆变器电网阻抗电感检测方法。

背景技术：

随着能源的逐渐枯竭和环境问题的日益严重，越来越多地利用新能源，如太阳能、风能、生物能等进行发电。在各种可再生能源中，太阳能是非常具有发展潜力的一种新能源。

在光伏发电系统中，为抑制光伏并网逆变器开关频率谐波电流，需对光伏并网逆变器输出进行滤波。一般滤波器结构有l、lc和lcl三种形式。lc型滤波器、lcl型滤波器和传统的l型滤波器相比，在滤波效果、体积、成本等方面有很多优势。而lcl型滤波器和lc滤波器相比，存在多一个滤波电感和控制复杂等不足。因此，实际上很多商用光伏并网逆变器厂商采用lc滤波器。

实际的电网存在一个阻抗，等效于一个滤波电感。因此，光伏并网逆变器的lc滤波器和电网等效电感构成了新的lcl滤波器。在光伏并网系统中，采用lcl滤波器，能够更好地抑制高次谐波，并降低总电感量。但lcl滤波器是一个三阶系统，具有一个阻尼系数很低的谐振尖峰，容易发生振荡并造成系统不稳定，因此对系统的控制提出了更高的要求，需要采用有源阻尼的方法抑制谐振尖峰。电网电压阻抗中电阻部分不影响系统的稳定性，三相商用光伏并网逆变器电网电压阻抗中电阻部分可以不需要检测。因此，电网电压阻抗电感的检测非常关键。对于光伏并网逆变器需要检测电网电压阻抗电感的大小，通过合适的有源阻尼方法来抑制lcl滤波器的谐振。

目前，对于电网电压阻抗检测的方法主要是谐波注入法，即在逆变器系统中注入高次谐波，通过离散傅里叶变换得到逆变器高次谐波电压和电流信号，高次谐波的电压信号除以电流信号得到电网电压阻抗信号。这种方法可以精确得到电网电压阻抗中电阻r和电感l。但这种谐波注入法影响逆变器输出性能和计算复杂等不足。如发明专利“一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置”(专利号：201310562348.5)发明了一种用于电网谐波阻抗测量的谐波注入装置，用于将谐波电压波形、谐波电压频率、谐波电压幅值和谐波电压波形相位差与采集的电压信号的相位信息进行合成，生成谐波电压信号输出。该方法可以实现电网电压阻抗精确检测。但是，该发明方法由于向逆变器注入谐波，使逆变器的性能变差。同时，该发明方法计算复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不影响逆变器性能，电网电压阻抗中的电感部分计算简单和控制方便的三相光伏并网逆变器电网阻抗电感检测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种三相光伏并网逆变器电网阻抗电感检测方法，用于检测三相光伏并网逆变器所连接电网的电压阻抗中的电感部分，所述方法为：

先使所述三相光伏并网逆变器工作于第一工作点，并测量所述第一工作点时所述三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量；

再使所述三相光伏并网逆变器工作于第二工作点，并测量所述第二工作点时所述三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量，所述第二工作点和所述第一工作点时所述三相光伏并网逆变器的无功功率给定电流不同；

分别将所述第一工作点时所述三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量、所述第二工作点时所述三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量转换至dq旋转坐标系，根据

计算得到电网电压阻抗中的电感部分lg，其中，vd1、vd2分别为所述第一工作点和所述第二工作点时所述三相光伏并网逆变器输出电压矢量的d轴分量，vq1、vq2分别为所述第一工作点和所述第二工作点时所述三相光伏并网逆变器输出电压矢量的q轴分量，igd1、igd2分别为所述第一工作点和所述第二工作点时所述三相光伏并网逆变器输出电流矢量的d轴分量，igq1、igq2分别为所述第一工作点和所述第二工作点时所述三相光伏并网逆变器输出电流矢量的q轴分量，ωg为电网电压角频率。

优选的，设定检测周期，所述三相光伏并网逆变器分别工作于所述第一工作点和所述第二工作点时，基于所述检测周期分别测量所述三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量，并将所述三相光伏并网逆变器的输出电压矢量在所述检测周期内的平均值和输出电流矢量在所述检测周期内的平均值用作电感部分lg的计算中。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明充分利用三相商用光伏并网逆变器的特点(如三相光伏并网逆变器可实现向电网发送无功功率和吸收无功功率等)，通过向电网发送无功功率精确计算出电网阻抗电感大小，该方法不影响逆变器性能，同时具有计算简单和控制方便等优点。

附图说明

附图1为应用二极管钳位三相光伏并网逆变器的发电系统结构示意图。

附图2为应用二极管钳位三相光伏并网逆变器的发电系统在静止坐标系下的等效结构图。

附图3为基于逆变器工作运行两点的电网电压阻抗检测原理示意图。

附图4为不同坐标系下三相光伏并网逆变器的电压和电流示意图。

附图5为二极管钳位三相光伏并网逆变器的电网电压定向矢量控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：二极管钳位三电平三相光伏并网逆变器发电系统结构如附图1所示，该发电系统由可再生能源——光伏阵列、二极管钳位三电平三相并网逆变器、lc滤波器、电网等构成。该发电系统中，光伏阵列(光伏电池)由直流电源edc和直流输入电阻rdc等效。二极管钳位三电平三相并网逆变器根据光伏阵列输入的功率，实现有功功率和无功功率控制，lc滤波器滤除逆变器输出电流高频分量。在图1中：ea、eb、ec为三相电网电压，ia、ib、ic是二极管钳位三电平三相并网逆变器输出电流，l为滤波电感，c为滤波电容，zg为电网电压阻抗，vdc为直流母线电压，vp为正直流母线电压，vn为负直流母线电压。

对于图1中的二极管钳位三电平三相并网逆变器发电系统，在静止坐标系下等效结构图如图2所示。其中vpcc＝vpcca+vpccβ为逆变器输出电压矢量，ipcc＝ipcca+ipccβ为逆变器输出电流矢量，vg＝vga+vgβ为电网电压矢量，zg为为电网电压高阻抗。当逆变器分别运行在2个工作点——第一工作点和第二工作点时，逆变器输出电压和电流的关系如下：

vpcc1＝vg1+zg·ipcc1(1)

vpcc2＝vg2+zg·ipcc2(2)

将上两式相减可得：

vpcc1-vpcc2＝vg1-vg2+zg·ipcc1-zg·ipcc2(3)

如果电网电压在逆变器运行的两点维持不变，则

vpcc1-vpcc2＝zg·ipcc1-zg·ipcc2(4)

则电网电压阻抗为：

其中：

δvpcc＝vpcc1-vpcc2(6)

δipcc＝ipcc1-ipcc2(7)

通过以上分析，基于逆变器工作运行两点的电网电压阻抗检测原理如图3所示。

同样，在dq旋转坐标系，逆变器输出电压矢量可表示为vpcc＝vd+jvq，逆变器输出电流矢量可表示为ipcc＝igd+jigq，电网电压矢量可表示为vg＝vgd+jvgq。由公式(5)可得出电网电压阻抗电感部分为：

其中，vd1、vd2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电压矢量的d轴分量，vq1、vq2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电压矢量的q轴分量，igd1、igd2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电流矢量的d轴分量，igq1、igq2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电流矢量的q轴分量，ωg为电网电压角频率。

三相光伏并网逆变器在dq旋转坐标系下瞬时有功功率p和无功功率q可表示为：

其中vdg、vqg分别为电网电压在dq旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压；其中idg、iqg分别为逆变器输出电流在dq旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流。

将电网电压矢量vg定在dq旋转坐标系下的d轴上面，其电压和电流在不同坐标系如图4所示。由图4可得：

结合式(9)和式(10)可得：

由式(11)可以看出：逆变器输出的有功功率与有功功率电流idg成正比，逆变器输出的无功功率与无功功率电流iqg成正比。逆变器的有功功率和无功功率实现解耦控制。

二极管钳位三电平三相光伏并网逆变器电网电压定向矢量控制策略如图5所示。三相光伏并网逆变器采用光电压、电流双闭环控制结构。电压外环用来稳定光伏逆变器直流母线电压，内环为d轴电流和q轴电流闭环控制，其中d轴电流用来控制光伏逆变器输出有功功率，q轴电流用来控制光伏逆变器输出无功功率。

由式(8)和图5的控制策略可以看出：在某个时刻改变光伏逆变器的无功功率给定电流可以计算出电网电压阻抗的电感值。

由此，一种用于检测三相光伏并网逆变器所连接电网的电压阻抗中的电感部分lg的三相光伏并网逆变器电网阻抗电感检测方法为：

先使三相光伏并网逆变器工作于第一工作点，并测量第一工作点时三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量；

再使三相光伏并网逆变器工作于第二工作点，并测量第二工作点时三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量，第二工作点和第一工作点时三相光伏并网逆变器的无功功率给定电流不同；

分别将第一工作点时三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量、第二工作点时三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量转换至dq旋转坐标系，再根据

计算得到电网电压阻抗中的电感部分lg。其中，vd1、vd2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电压矢量的d轴分量，vq1、vq2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电压矢量的q轴分量，igd1、igd2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电流矢量的d轴分量，igq1、igq2分别为第一工作点和第二工作点时三相光伏并网逆变器输出电流矢量的q轴分量，ωg为电网电压角频率。

由于逆变器运行的第一工作点和第二工作点的d轴和q轴电压、电流有波动，故优选采用以下方法：预先设定一检测周期，三相光伏并网逆变器分别工作于第一工作点和第二工作点时，基于检测周期分别测量三相光伏并网逆变器的输出电压矢量和输出电流矢量，并将三相光伏并网逆变器的输出电压矢量在检测周期内的平均值和输出电流矢量在检测周期内的平均值用作电感部分lg的计算中。本实施例中，检测周期设定为20ms，并以20ms内的平均值代替瞬时值，从而提高电网电压阻抗的电感部分的计算精度。则基于平均值的电网电压阻抗电感部分计算为：

其中，vd1aver是vd1电压20ms周期的平均值，vd2aver是vd2电压20ms周期的平均值，vq1aver是vq1电压20ms周期的平均值，vq2aver是vq2电压20ms周期的平均值；igd1aver是igd1电流20ms周期的平均值，igd2aver是igd2电流20ms周期的平均值，igq1aver是igq1电流20ms周期的平均值，igq2aver是igq2电流20ms周期的平均值。

本发明的方法充分利用三相光伏并网逆变器无功功率控制灵活的特点，采用电网电压矢量控制策略，通过改变无功功率电流实现电网电压阻抗电感部分的精确检测。该方法不增加任何硬件设备，实现比较方便。同时，该发明方法不影响逆变器输出性能，还可以根据电网要求对电网进行无功功率补偿。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士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。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。