一种基于并网逆变器的在线非侵入式电网阻抗估计方法与流程

1.本发明涉及电力分析技术领域，尤其涉及一种基于并网逆变器的在线非侵入式电网阻抗估计方法。


背景技术：

2.并网逆变器端口以外的等效电网，可以看作是电压源和阻抗的串联，该阻抗参数直接影响并网逆变器的暂态稳定性等。
3.目前，由于并网变换器的增加会改变电网特性，包括每个变换器在其公共耦合点处看到的等效电网阻抗。公共耦合点的等效电网阻抗是一个时变参数，偶尔变化，一般可认为在一定时间内保持不变。电网阻抗对并网逆变器的控制和稳定性有很大的影响。电网阻抗是并网逆变器控制的关键参数，它直接影响着并网逆变器的整体性能对于作为电流源的并网变换器，电网阻抗会引起与锁相环(pll)的耦合，影响系统的小信号稳定性。事先了解电网阻抗有助于与锁相环解耦，消除了锁相环对系统稳定性的不利影响。对于作为电压源的并网逆变器，电网阻抗决定了功率控制的方式。对于纯感性的电网，交流电压的频率和幅值分别由有功功率和无功功率调节。而电阻-电感栅极阻抗引起有功功率和无功功率的耦合，从而导致有功功率和无功功率控制的耦合，以及一些暂态稳定性问题。同时，一些提高变换器性能的方法，如虚拟阻抗、降阶控制或低电压穿越(lvrt)，都需要电网阻抗的先验知识。因此，电网阻抗的估计对于并网逆变器的控制和稳定性分析至关重要。以满意的精度和动态测量电网阻抗可以帮助设计并网逆变器的控制器，提高并网逆变器的性能。
4.在线电网阻抗估计方法大致分为侵入方法和非侵入方法。侵入方法是在扰动信号注入的基础上，通过测量系统对扰动的响应来估计电网阻抗。然而，注入电网的额外干扰可能会导致电能质量问题。此外，数据处理复杂，由于时间延迟和偏频干扰，导致阻抗测量不准确。非侵入方法则是利用系统正常运行时存在的信息，在没有额外干扰的情况下估计电网阻抗。扩展卡尔曼滤波(ekf)已经被证明是估计电网阻抗的有效工具。该方法可以对高畸变电压下的栅极阻抗进行估计。但是噪声协方差矩阵的调整非常困难，影响了ekf算法的估计性能。其他的非侵入式方法是利用变换器的稳态信息来估计电网阻抗，因此需要考虑变换器的稳定性。由非线性或不平衡负载引入的固有谐波信号也可用于阻抗估计。显然，这种方法只能在输出电压有明显的谐波失真，从而会污染电网。有学者提出了一种利用并网逆变器组网控制的非侵入式电网阻抗估计方法。通过组网控制，可以得到变换器输出电压与电网电压的相位差和幅值差。电网阻抗可以用一个简单的电路方程来计算。然而，该方法需要电网电压的先验知识，不允许实时估计阻抗。可以看出，适用于并网逆变器的无源方法都是利用其稳态信息，并且估计效果还不理想。因此有必要为并网逆变器设计一种新型的电网阻抗估计方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于并网逆变器
的在线非侵入式电网阻抗估计方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.设计一种基于并网逆变器的在线非侵入式电网阻抗估计方法，变换器通过并网控制连接至交流电网，对并网后采样的输出电压和电流基于以下算法实现电网阻抗估计算法，公式如下：
[0008][0009][0010][0011]
式中：v
cd
(k),v
cq
(k)分别为第k次采样的变换器输出电压在同步坐标系(dq参考系)下的d轴分量和q轴分量；i
gd
(k),i
gq
(k)分别为第k次采样的电网电流在同步坐标系(dq参考系)下的d轴分量和q轴分量；θ＝[l
fg r
g vg]
t
为电网电感，电网电阻以及电网电压幅值的参数向量；为估计的电网阻抗参数向量，利用递归最小二乘算法即可估计出电网阻抗；λ为遗忘因子，通常0.95≤λ≤1；为保证参数估计值能快速收敛到真实值，取λ＝0.99。
[0012]
优选的，利用并网逆变器的暂态过程进行电网阻抗估计。
[0013]
优选的，并网逆变器的控制策律；功率外环控制策律如下：
[0014]
ω
ref
＝ω0+k
p
·
(p
0-p
lpf
)
[0015]vref
＝v0+(k
qp
+k
qi
/s)
·
(q
0-q
lpf
)
[0016]
电压电流环传递函数分别为：
[0017]
[0018][0019]
式中，ω
ref
与v
ref
分别为变换器的频率参考与电压幅值参考；ω0和v0分为电网电压角频率和电网电压幅值；p0和p
lpf
分别为变换器的有功功率参考和经过低通滤波器(lpf)的输出有功功率；q0和q
lpf
分别为变换器的无功功率参考和经过lpf的输出无功功率；k
p
，k
qp
和k
qi
均为控制器参数；k
vp
和k
vi
分别为电压环比例和积分系数；k
ip
和k
ii
分别为电流环比例和积分系数。
[0020]
优选的，具体步骤如下：
[0021]
1、并网逆变器器通过锁相环与电网同步，并网后停用锁相环，变换器的输出功率为0，电压电流传感器采样输出电压和电网电流数据；
[0022]
2、变换器输出功率跟踪参考功率，变换器的输出电压会随之发生改变；
[0023]
3、将采样的电压电流数进行dq变换得到v
cd
(k),v
cq
(k),i
gd
(k),i
gq
(k)，导入阻抗估计算法，该递推算法可以在变换器进入稳态前估计出电网阻抗值；
[0024]
4、由于只有在并网逆变器暂态时，该算法才是有效的，所以需要在系统进入稳态后，算法将不再更新；而当电网阻抗变化后，系统后再次进入暂态，该估计算法会在新的暂态中估计出新的电网阻抗值。
[0025]
本发明提出的一种基于并网逆变器的在线非侵入式电网阻抗估计方法，有益效果在于：本发明的基于并网逆变器暂态的电网阻抗估计方法，不同于大部分基于变换器稳态信息的阻抗估计方法，利用并网逆变器暂态过程中输出幅值和相位不断变化的电压进行电网阻抗，不需要电网电压的信息。并且该方法是被动的，不会对电网造成任何干扰。可以在变换器进入稳态前就估计出电网阻抗，并且估计算法的更新是与并网控制同步，实时估计效果很好。
附图说明
[0026]
图1为并网逆变器系统拓扑图。
[0027]
图2为并网控制框图。
[0028]
图3为估计算法流程图。
[0029]
图4为变换器输出有功功率曲线图。
[0030]
图5为变换器输出无功功率曲线图。
[0031]
图6为电网电感估计曲线图。
[0032]
图7为电网电阻估计曲线。
具体实施方式
[0033]
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。
[0034]
实施例1
[0035]
1、并网逆变器的并网控制
[0036]
如图1-2所示；变换器通过并网控制经过一个lcl滤波器后连接至交流电网。电网电压的相位为参考相位，变换器的输出电压为电网电压的相位为参考相位，则电网电
压为v
gej0
，电网电流为电网阻抗为zg＝rg+jxg＝rg+jω0(lg+lf)，则有
[0037]
2、并网逆变器器注入电网的有功功率p和无功功率q由电压和共轭电流相量的复乘积导出，如下所示：
[0038][0039][0040]
3、变换器的输出功率p和q还可以表示为
[0041]
p＝1.5(v
cdigd
+v
cqigq
)
[0042]
q＝1.5(v
cqigd-v
cdigq
)
[0043]
式中，v
cd
,v
cq
,i
gd
,i
gq
分别为变换器输出电压和电网电流的dq分量。
[0044]
4、电压电流环控制
[0045]
系统采用的是dq同步坐标系，该坐标系下变换器稳态输出电压以及电网电流均为直流量，因此采用比例积分pi控制器即可，保证了对参考电压的快速跟踪。
[0046]
电压电流环分别被设计为
[0047][0048][0049]
式中，ω
ref
与v
ref
分别为变换器的频率参考与电压幅值参考；ω0和v0分为电网电压角频率和电网电压幅值。
[0050]
5、电网阻抗参数建模
[0051]
系统在暂态过程中满足如下模型
[0052][0053][0054]
式中l
fg
＝(lg+lf)，将其离散化得到如下线性模型
[0055]
[0056][0057]
6、电网阻抗估计
[0058]
参考图3，得到关于电网阻抗参数的线性离散模型后，即可利用递归最小二乘算法估计电网阻抗参数，估计算法可表示为
[0059][0060]
式中遗忘因子λ取0.99。通过法算法可以对电网阻抗进行快速估计。算法的初始化由下式实现：
[0061]
p(0)＝ξ-1i[0062][0063]
式中ξ是一个很小的正实数，i为单位矩阵。
[0064]
7、变换器并网之后，其输出电压会在电压电流环的作用下跟踪功率环生成的参考电压，直到变换器输出功率为参考功率。当电网阻抗变化，变换器的输出功率会随着发生改变。
[0065]
8、仿真分析
[0066]
为了验证基于并网逆变器暂态的电网阻抗估计方法的可行性以及理论的正确性，基于matlab/simulink仿真平台对所提出的电网阻抗估计方法进行了仿真验证。仿真是参数设置如表1所示：
[0067]
表1：并网逆变器系统仿真参数
[0068]
[0069][0070]
并网逆变器系统仿真参数如表1所示，基于并网逆变器暂态的电网阻抗估计方法实际结果如图4-7所示。可以发现，变换器在暂态过程中输出功率还在变化时，估计算法就已经估计出电网阻抗的参数值。
[0071]
由上可知，本发明的基于并网逆变器暂态的电网阻抗估计方法，不同于大部分基于变换器稳态信息的阻抗估计方法，利用并网逆变器暂态过程中输出幅值和相位不断变化的电压进行电网阻抗，不需要电网电压的信息。并且该方法是被动的，不会对电网造成任何干扰。可以在变换器进入稳态前就估计出电网阻抗，并且估计算法的更新是与并网控制同步，实时估计效果很好。
[0072]
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。