考虑电网背景谐波的并网逆变器电网阻抗辨识方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是指一种考虑电网背景谐波的并网逆变器电网阻抗辨识方法。

背景技术：

近年来，随着新能源并网逆变器安装规模的快速扩大，电网越来越多的呈现出“弱电网”的特性，其阻抗也越来越大，并对并网逆变器的稳定运行产生了巨大的影响。针对弱电网下并网逆变器的控制，采用基于阻抗的稳定性判据是研究并网逆变器和电网之间交互作用的一项重要方法，而该判据需要获取准确的电网阻抗信息，因此，研究电网阻抗辨识方法具有重要意义。常用的电网阻抗辨识方法主要包括被动法和主动法两类。被动法通过检测电网固有的电压及电流谐波来计算电网阻抗，其优点是不会给电网增加谐波扰动，但是由于信噪比较低，导致被动法的阻抗辨识精度较低。主动法通过向电网中注入特性频率的电压谐波，并提取电网的谐波电流，从而实现电网阻抗辨识。该方法通过注入高频信号可以提高信噪比，从而提高电网阻抗辨识精度，因此其应用更广。

目前已经有许多电网阻抗辨识方法申请了专利，比如申请号为201710113861.4，发明名称为电网阻抗辨识的验证方法及实验装置，申请号为201710361584.9，发明名称为一种基于prbs扰动注入的电网阻抗在线辨识方法及装置，申请号为201820339286.x，实用新型名称为基于在线阻抗辨识的辨识电路，这些方法都需要在电流指令中叠加高频信号，并通过电流环比例积分控制器将高频电流注入到电网中。由于电流环比例积分控制器只能对直流信号实现无静差跟踪，而无法实现对所注入的高频信号实现无静差跟踪，导致实际注入的高频信号效果较差。此外，由于电网中常含有幅值较大的5次和7次背景谐波，这些谐波的存在也会对电网阻抗的辨识精度产生影响，而上述专利均未考虑电网背景谐波的抑制问题。

文献[谢少军,季林,许津铭.并网逆变器电网阻抗检测技术综述[j].电网技术,2015,39(2):320-326.]总结了现有常用的电网阻抗辨识方法，主要包括主动法、被动法、准被动法等，然而，这些方法也未考虑电网5次和7次背景谐波的影响。

技术实现要素：

针对现有的电网阻抗辨识方法均未考虑电网背景谐波，造成电网阻抗的辨识精度较低的技术问题，本发明提出了一种考虑电网背景谐波的并网逆变器电网阻抗辨识方法，采用改进的复数滤波器分别对电压提取模块和电流提取模块进行提取高频电压信号和高频电流信号，获得电网的阻抗值，本发明采用的复数滤波器中增加了电网5次和7次背景谐波抑制模块，能够提高电网阻抗辨识精度，从而减小了电网背景谐波对电网阻抗辨识的影响。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种考虑电网背景谐波的并网逆变器电网阻抗辨识方法，其步骤如下：

s1、利用电压传感器对并网逆变器的电网进行采样得到并网逆变器的线电压ugɑb、线电压ugbc和线电压ugca，计算得到三相电网的相电压uga、相电压ugb和相电压ugc，将相电压uga、相电压ugb和相电压ugc变换到两相静止dq坐标系中得到电压ugd和电压ugq，计算得到电网电压角度θ0；

s2、利用电流传感器对并网逆变器的桥臂侧电流进行采样得到三相电流ia、三相电流ib和三相电流ic，并将三相电流ia、三相电流ib和三相电流ic变换到两相静止dq坐标系中得到两个电流分量分别为电流id和电流iq，再利用电网电压角度θ0将电流id和电流iq通过坐标变换得到同步旋转dq坐标系上的两个电流分量分别为电流id和电流iq；

s3、设定电流参考值为电流idref和电流iqref，将电流idref、电流iqref和步骤s2得到的电流id、电流iq经过比例积分控制器得到同步旋转dq坐标系中的调制电压信号udref和调制电压信号uqref，再将调制电压信号udref和调制电压信号uqref变换到两相静止dq坐标系中得到调制电压信号udref和调制电压信号uqref；

s4、将高频电压信号udh0和高频电压信号uqh0分别注入步骤s3得到的调制电压信号udref和调制电压信号uqref中得到两个调制电压信号分别为高频调制电压信号udhref和高频调制电压信号uqhref，再将高频调制电压信号udhref和高频调制电压信号uqhref输入空间矢量调制单元，输出6路pwm信号；

s5、通过并网逆变器中控制系统将pwm信号输入到并网逆变器中，更新步骤s1中的电压ugd和电压ugq；

s6、将步骤s5得到的电压ugd和电压ugq分别代入udh提取模块和uqh提取模块，利用改进的复数滤波器分别对udh提取模块和uqh提取模块进行提取操作，获得高频电压信号udh和高频电压信号uqh；

s7、利用电流传感器对并网逆变器的电网侧电流进行采样得到三相电流iga、三相电流igb和三相电流igc，并将三相电流iga、三相电流igb和三相电流igc变换到两相静止dq坐标系中得到两个电流分量分别为电流igd和电流igq；

s8、将步骤s7得到的电流igd和电流igq分别代入idh提取模块和iqh提取模块，通过改进的复数滤波器分别对idh提取模块和iqh提取模块进行提取操作，获得高频电流信号idh和高频电流信号iqh；

s9、根据步骤s6得到的高频电压信号udh、高频电压信号uqh和步骤s8得到的高频电流信号idh、高频电流信号iqh计算并网逆变器的电网的电阻值和电感值进而获得电网的阻抗值。

优选地，所述步骤s1中的电压ugd和电压ugq为：其中，则利用电压ugd和电压ugq计算得到电网电压角度θ0为：

优选地，所述步骤s2中的电流id和电流iq为：

优选地，所述步骤s3中的调制电压信号udref和调制电压信号uqref为：

其中，k1为比例积分调节器的比例系数，k2为比例积分调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子。

优选地，所述步骤s4中的高频调制电压信号udhref和高频调制电压信号uqhref为：

其中，uh为所注入的高频信号的幅值，t代表时间。

优选地，所述步骤s6中的高频电压信号udh和高频电压信号uqh的提取方法为：

s61、利用步骤s5得到的电压ugd和电压ugq分别计算误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1：其中，ugd和ugq分别为两相静止dq坐标系上的电压，udh和uqh均为待提取的高频电压信号，和均为电网电压正序分量，和均为电网电压谐波分量；

s62、根据步骤s61得到的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1计算高频电压信号udh、高频电压信号uqh、电网电压正序分量电网电压正序分量

其中，ωhc,u为高频电压信号udh提取单元和高频电压信号uqh提取单元的截止频率，ωc,u为电网电压正序电压提取单元和电网电压正序电压提取单元的截止频率，ω0为电网电压的同步角频率，θ0为电网电压的角度，j代表虚数；

s63、将步骤s61得到的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1通过坐标变换得到同步旋转dq坐标系上的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1：

s64、根据步骤s63得到的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1，计算电网电压谐波分量和电网电压谐波分量其中，ωc6,u为电网电压谐波分量提取单元和电网电压谐波分量提取单元的截止频率；

s65、将步骤s64得到的电网电压谐波分量和电网电压谐波分量变换到两相静止dq坐标系中，得到两相静止dq坐标系下的电网电压谐波分量和电网电压谐波分量

s66、将步骤s62得到的高频电压信号udh、高频电压信号uqh、电网电压正序分量电网电压正序分量和步骤s65得到的电网电压谐波分量电网电压谐波分量代入步骤s61中，更新误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1；

s67、重复执行步骤s61至步骤s66，直到达到设定的命令信号时停止运行，输出提取后的高频电压信号udh和高频电压信号uqh。

优选地，所述步骤s7中的电流igd和电流igq为：

优选地，所述步骤s8中的高频电流信号idh和高频电流信号iqh的提取方法为：

s81、利用步骤s7得到的电流igd和电流igq分别计算误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1：其中，igd和igq分别为两相静止dq坐标系下的电流，idh和iqh均为待提取的高频电流信号，和均为电网电流正序分量，和均为电网电流谐波分量；

s82、根据步骤s81得到的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1计算高频电流信号idh、高频电流信号iqh、电网电流正序分量电网电流正序分量

其中，ωhc,i为高频电流信号idh和高频电流信号iqh提取单元的截止频率，且ωhc,i＝ωhc,u，ωc,i为电网电流正序分量和电网电流正序分量提取单元的截止频率，ωc,i＝ωc,u；

s83、将步骤s81得到的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1通过坐标变换得到同步旋转dq坐标系上的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1：

s84、根据步骤s83得到的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1，计算电网电流谐波分量和电网电流谐波分量其中，ωc6,i为电网电流谐波分量提取单元和电网电流谐波分量提取单元的截止频率，且ωc6,i＝ωc6,u；

s85、将步骤s84得到的电网电流谐波分量和电网电流谐波分量变换到两相静止dq坐标系中，得到两相静止dq坐标系下的电网电压谐波分量和电网电压谐波分量

s86、将步骤s82得到的高频电流信号idh、高频电流信号iqh、电网电流正序分量电网电流正序分量和步骤s85得到的电网电流谐波分量电网电流谐波分量带入步骤s81更新误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1；

s87、重复执行步骤s81至步骤s86，直到达到设定的命令信号时停止运行，输出提取后的高频电流信号idh和高频电流信号iqh。

优选地，所述电网的电阻值和电感值为：

本技术方案能产生的有益效果：与常规方案相比，本发明在复数滤波器的基础上增加了5次和7次谐波抑制模块，可以消除电网背景谐波里所包含的5次和7次谐波对阻抗辨识的影响，同时，由于电网中的5次和7次谐波等同于同步旋转dq坐标系上的6次谐波，因此，本发明在同步旋转dq坐标系上设计了一种6次谐波抑制模块，从而可对电网背景谐波中的5、7次谐波进行抑制，提高了电网阻抗辨识精度，降低了计算量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明的电网阻抗辨识模块整体结构示意图。

图2为图1中的高频电压提取模块结构示意图。

图3为图1中的高频电流提取模块结构示意图。

图4为本发明的整体结构示意图。

图5为常规方法的阻抗辨识仿真结果图。

图6为图5中区域a的局部结果图。

图7为本发明的阻抗辨识仿真结果图。

图8为图7中区域b的局部结果图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图4所示，一种考虑电网背景谐波的并网逆变器电网阻抗辨识方法，首先，利用电压传感器和电流传感器分别测得并网逆变器的电压和桥臂侧电流，通过比例积分控制器对电压和桥臂侧电流进行变换获得调制电压信号；然后，将高频电压信号注入调制电压信号中后再通过控制系统将其输入到并网逆变器中，更新并网逆变器的电压，并利用电流传感器测得并网逆变器的电网侧电流，将更新后的电压和电网侧电流分别代入电压提取模块和电流提取模块；最后，利用改进的复数滤波器提取并网逆变器的电网的高频电压信号和高频电流信号，并对其进行计算得到电网的阻抗值。其具体步骤如下：

s1、利用电压传感器对并网逆变器的电网进行采样得到并网逆变器电网的线电压ugɑb、线电压ugbc和线电压ugca，并通过公式(1)对线电压ugɑb、线电压ugbc和线电压ugca进行计算得到三相电网的相电压uga、相电压ugb和相电压ugc：

再根据公式(2)将相电压uga、相电压ugb和相电压ugc变换到两相静止dq坐标系中，得到电压ugd和电压ugq：

因此，电网电压角度θ0为：

s2、利用电流传感器对并网逆变器的桥臂侧电流进行采样得到三相电流ia、三相电流ib和三相电流ic，并根据公式(3)将三相电流ia、三相电流ib和三相电流ic变换到两相静止dq坐标系中得到两个电流分量分别为电流id和电流iq：

再根据公式(4)将电流id和电流iq通过坐标变换得到同步旋转dq坐标系上的两个电流分量分别为电流id和电流iq：

其中，θ0为电网电压角度。

s3、设定电流参考值为电流idref和电流iqref，并根据公式(5)将电流idref、电流iqref和步骤s2得到的电流id、电流iq经过比例积分控制器变换得到同步旋转dq坐标系中的两个调制电压信号分别为调制电压信号udref和调制电压信号uqref：

再根据公式(6)将调制电压信号udref和调制电压信号uqref变换到两相静止dq坐标系中得到两个调制电压信号分别为调制电压信号udref和调制电压信号uqref：

其中，k1为比例积分调节器的比例系数，k2为比例积分调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子。

s4、将高频电压信号udh0和高频电压信号uqh0分别注入步骤s3得到的调制电压信号udref和调制电压信号uqref中得到两个调制电压信号分别为高频调制电压信号udhref和高频调制电压信号uqhref：

其中，

uh为所注入的高频信号的幅值，t代表时间；

再将高频调制电压信号udhref和高频调制电压信号uqhref输入空间矢量调制单元，输出6路pwm信号以控制并网逆变器的运行。

s5、通过并网逆变器中控制系统将pwm信号输入到并网逆变器中，再次执行步骤s1对电压ugd和电压ugq进行更新。

s6、如图2所示，将步骤s5得到的电压ugd和电压ugq分别代入udh提取模块和uqh提取模块，利用改进的复数滤波器分别对udh提取模块和uqh提取模块进行提取操作，获得高频电压信号udh和高频电压信号uqh，其具体步骤如下：

s61、利用步骤s5得到的电压ugd和电压ugq分别计算误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1：

其中，ugd和ugq分别为两相静止dq坐标系上的电压，udh和uqh均为待提取的高频电压信号，和均为电网电压正序分量，和均为电网电压谐波分量；初始时，高频电压信号udh、高频电压信号uqh、电网电压正序分量电网电压正序分量电网电压谐波分量和电网电压谐波分量的值均设为零。

s62、根据步骤s61中的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1计算高频电压信号udh、高频电压信号uqh、电网电压正序分量电网电压正序分量

其中，ωhc,u为高频电压信号udh提取单元和高频电压信号uqh提取单元的截止频率，ωc,u为电网电压正序电压提取单元和电网电压正序电压提取单元的截止频率，ω0为电网电压的同步角频率，其中，θ0为电网电压的角度，j代表虚数。

s63、将步骤s61得到的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1通过坐标变换得到同步旋转dq坐标系上的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1：

s64、根据步骤s63得到的误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1，计算电网电压谐波分量和电网电压谐波分量

其中，ωc6,u为电网电压谐波分量和电网电压谐波分量提取单元的截止频率。

s65、将步骤s64得到的电网电压谐波分量和电网电压谐波分量变换到两相静止dq坐标系中，得到两相静止dq坐标系下的电网电压谐波分量和电网电压谐波分量

s66、将步骤s62得到的高频电压信号udh、高频电压信号uqh、电网电压正序分量电网电压正序分量和步骤s65得到的电网电压谐波分量电网电压谐波分量代入步骤s61中，更新误差电压信号ugderr1和误差电压信号ugqerr1。

s67、重复执行步骤s61至步骤s66，直到达到设定的命令信号时停止运行，输出提取后的高频电压信号udh和高频电压信号uqh。

s7、利用电流传感器对并网逆变器的电网侧电流进行采样得到三相电流iga、三相电流igb和三相电流igc，并根据公式(14)将三相电流iga、三相电流igb和三相电流igc变换到两相静止dq坐标系中，得到两个电流分量分别为电流igd和电流igq：

s8、如图3所示，将步骤s7得到的电流igd和电流igq分别代入idh提取模块和iqh提取模块，通过改进的复数滤波器分别对idh提取模块和iqh提取模块进行提取操作，获得高频电流信号idh和高频电流信号iqh，其具体步骤如下：

s81、利用步骤s7得到的电流igd和电流igq分别计算误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1：

其中，igd和igq分别为两相静止dq坐标系下的电流，idh和iqh均为待提取的高频电流信号，和均为电网电流正序分量，和均为电网电流谐波分量。

s82、根据步骤s81得到的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1计算高频电流信号idh、高频电流信号iqh、电网电流正序分量电网电流正序分量

其中，ωhc,i为高频电流信号idh提取单元和高频电流信号iqh提取单元的截止频率，且ωhc,i＝ωhc,u，ωc,i为电网电流正序分量提取单元和电网电流正序分量提取单元的截止频率，ωc,i＝ωc,u。

s83、将步骤s81得到的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1通过坐标变换得到同步旋转dq坐标系上的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1：

s84、根据步骤s83得到的误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1，计算电网电流谐波分量和电网电流谐波分量

其中，ωc6,i为电网电流谐波分量提取单元和电网电流谐波分量提取单元的截止频率，且ωc6,i＝ωc6,u。

s85、将步骤s84得到的电网电流谐波分量和电网电流谐波分量变换到两相静止dq坐标系中，得到两相静止dq坐标系下的电网电压谐波分量和电网电压谐波分量

s86、将步骤s82得到的高频电流信号idh、高频电流信号iqh、电网电流正序分量电网电流正序分量和步骤s85得到的电网电流谐波分量电网电流谐波分量代入步骤s81更新误差电流信号igderr1和误差电流信号igqerr1。

s87、重复执行步骤s81至步骤s86，直到达到设定的命令信号时停止运行，输出提取后的高频电流信号idh和高频电流信号iqh。

s9、根据步骤s6得到的高频电压信号udh、高频电压信号uqh和步骤s8得到的高频电流信号idh、高频电流信号iqh计算并网逆变器的电网的电阻值和电感值进而获得电网的阻抗值。其中，电网的电阻值和电感值的计算法方法如公式(20)所示：

为了验证本发明的有效性，进行了仿真验证。仿真采用并网逆变器的直流侧电压udc为700v，并网逆变器侧输出电感li为5mh，滤波电容c为15.6μf，阻尼电阻rd为2ω，电网角频率ω0为314rad/s，电网相电压幅值为311v，注入的高频信号幅值uh为121v，注入的高频信号频率为3424rad/s，截止频率ωhc,u和截止频率ωhc,i为400rad/s，截止频率ωc,u和截止频率ωc,i为221rad/s，截止频率ωc6,u和截止频率ωc6,i为221rad/s。仿真时，设定电流idref和电流iqref的参考值分别为40a和0a，电网电阻rg为1ω，电网电感lg为0.6mh，在电网电压中注入了幅值为2v的7次谐波分量。为了验证本发明的有效性，与常规不加5次谐波分量和7次谐波分量的方法进行了对比研究。图5和图6给出了常规方案的仿真结果，图7和图8给出了本发明方案的仿真结果。如图5和图6所示，由于常规方案没有考虑电网中5次背景谐波和7次背景谐波的影响，且由于所注入的高频信号频率与5次谐波分量和7次谐波分量较接近，导致估算的电网阻抗值存在较大的高频波动。如图7和图8所示，本发明通过增加一个5次谐波和7次谐波抑制模块，消除了电网中5次谐波和7次谐波对阻抗辨识的影响，得到的电网阻抗波动较小。

在高频电压信号注入方面，本发明没有选择在电流指令上叠加高频信号，而是直接在两相静止dq坐标系上的电压调制信号上叠加了两个高频电压信号，从而确保了高频信号的有效注入，且不需要重新修改调制电流环的比例积分调节器。在高频电压信号和高频电流信号提取方式上，本发明在复数滤波器的基础上增加了一个5次和7次谐波抑制模块，从而可以消除电网背景谐波里所包含的5次和7次谐波对阻抗辨识的影响。为了简化计算量，本发明在同步旋转dq坐标系上进行谐波抑制。由于电网中的5次和7次谐波等同于同步旋转dq坐标系上的6次谐波，因此，本发明在同步旋转dq坐标系上设计了一种6次谐波抑制模块，从而可对电网背景谐波中的5次和7次谐波进行抑制，并降低计算量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。