适用于单相并网逆变器的快速非侵入式电网阻抗估计方法

1.本发明涉及一种适用于单相并网逆变器的快速非侵入式电网阻抗估计方法。


背景技术：

2.分布式发电机组的广泛集成，使现有的低压配电网络由被动模式转变为主动模式。主动模式由本地发电机和负荷共同组成。虽然这种新的转变使分布式能源能够得到更多的整合，但也带来了一些挑战，如沿馈线的反向潮流和电压升降，特别是在采用太阳能光伏逆变器的配电网络中。在这种背景下，并网逆变器发挥着重要的作用，为电网提供辅助服务，如电压调节、频率支持以及低电压穿越能力。
3.估计电网阻抗信息有利于并网逆变器的可靠运行。它可以被用作一个额外的自由度用于提高并网逆变器的整体性能。例如，利用估计的基频电网阻抗进行孤岛检测，电压控制，无功功率支持，同步参考框架内电流环解耦，并网逆变器的鲁棒控制，如自适应调谐同步坐标系锁相环以应对电网阻抗的变化。此外，利用可以电网阻抗进行稳定性分析基于广义奈奎斯特准则、故障检测和短路电流计算。另一方面，也有一些潜在的挑战缺乏电网阻抗信息。其中包括负阻抗不稳定的风险，以及由于电网阻抗的变化，尤其是电网电感的增加，导致分布式发电机组性能下降。虽然逆变器的输出阻抗来源于其设计规范，但电网阻抗的主要挑战是不能在pcc(公共连接点)直接测量，因此，应该采用在线估计技术。
4.电网阻抗在线估计技术大致分为无源和有源两种。无源技术利用正常的系统运行来估计电网阻抗。这些技术的主要优点是不会对系统造成干扰。这些技术的例子是扩展卡尔曼滤波器(kalman fifilter ekf)和递归最小二乘。总的来说，常见的缺点是被动技术估计精度低。此外，ekf的主要挑战是测量噪声协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵的未知参数的调整过程，这些参数的调整会影响ekf算法的估计性能。
5.有源电网阻抗估计技术通过故意干扰电网，然后进行数据采集和信号处理，以实现阻抗估计。与无源技术相比，它们提供了更准确的结果。额外的干扰包括基于频率的注入技术，其注入的干扰信号可以是:1)600、300或75hz的单个频率；2)400hz和600hz双频率；或3)包含伪随机二进序列(prbs)的大频谱。有源技术还包括电流脉冲注入和瞬态电压注入。有源技术的普遍缺点是:1)对电网注入额外的扰动，可能导致电能质量问题；2)采集数据后处理复杂，通常涉及离散傅里叶变换；3)获得准确的估计结果需要较长的估计时间，例如需要生成低频分辨率的prbs；4)注入的脉冲扰动较大，系统的非线性会影响估计精度。
6.因此，无源方法的电网阻抗估计存在速度慢和精度低的问题，有必要设计一种新的电网阻抗估计方法。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于单相并网逆变器的快速非侵入式电网阻抗估计方法，该适用于单相并网逆变器的快速非侵入式电网阻抗估计方法具有快速、准确的优势。
8.发明的技术解决方案如下：
9.本发明首先建立并网逆变器的暂态数学模型并将电网阻抗估计问题转化为线性模型的参数估计问题，通过辅助滤波器提取出参数的估计误差，以最小化估计误差的损失函数为目标，然后基于李雅普诺夫分析得到利用时变增益驱动的自适应律，由自适应律可以得到电网阻抗参数，最终实现单相并网逆变器快速、准确的非侵入式电网阻抗估计。
10.具体的：
11.一种适用于单相并网逆变器的快速非侵入式电网阻抗估计方法，所述的单相并网逆变器由一个直流源v
dc
供电，lf为滤波电感，cf为滤波电容，vc为逆变器经过滤波器后的输出电压，ig为入网电流，rg和lg分别为电网阻抗的电阻与电感，vg为电网电压；
12.电网阻抗的估计值采用下式计算得到：
[0013][0014]
其中：
[0015]
分别为rg，lg的估计值；
[0016]
是向量中的2个元素；
[0017]
向量是参数矢量θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4]的估计值。
[0018]
由得到，其中γ》0是一个恒值的对角矩阵，是的导数，中的点表示导数，即是的导数，也是一个有四个元素的向量，并且与的元素一一对应。一一对应。与的关系可以表示为
[0019]
γ是一个4维的对角矩阵，即其中τ1，τ2，τ3，τ4是人为选择的取值大于0的参数增益。其中τ1，τ2，τ3，τ4是人为选择的参数增益，都取大于0即可。关于h、的计算，说明如下：
[0020]
首先根据计算得到i
gf
和φf，然后根据y＝(i
g-i
gf
)/k计算得到y。k为滤波参数，取大于0的数，通常取0.001这种量级的正数，即取1/k为1000这种量级的数。
[0021]
然后根据计算得到p和q。其中，l》0是一个恒值，l取大于0的数即可
[0022]
得到p和q后，计算得到p和q后，计算由它的导数计算得到，即
[0023]
然后计算h，这样h与直接就形成了一个闭环。这个闭环会使得最终收敛到真实值θ。
[0024]
有益效果：
[0025]
电网阻抗对并网逆变器的稳定性和动态性能有重要影响，因此电网阻抗的在线估计是并网逆变器的关键一项关键技术。然而，当前的侵入式电网阻抗估计方法会污染电网，非侵入式方法估计精度不足，所以在无扰动注入的情况下快速精准的估计电网阻抗，是并网逆变器亟需解决的难题。因此，本发明建立单相并网逆变器的暂态数学模型，并根据模型推导出电网阻抗参数与逆变器输出电压电流之间的关系，进而将电网阻抗估计问题转化为线性模型的参数估计问题。引入辅助滤波器提取参数估计误差的技术，基于李雅普诺夫分析推导出了利用时变增益驱动的自适应律，实现快速、准确的非侵入式电网阻抗估计。最后，本发明搭建了基于matlab/simulink的仿真模型，验证了所提出的电网阻抗估计方法的有效性。
附图说明
[0026]
图1为单相并网逆变器及其控制策略示意图；
[0027]
图2为仿真1的电阻rg估计结果图；
[0028]
图3为仿真1的电感lg估计结果图；
[0029]
图4为仿真2的电阻rg估计结果图；
[0030]
图5为仿真2的电感lg估计结果图。
具体实施方式
[0031]
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
[0032]
实施例1：
[0033]
单相并网逆变器的电路图如图1所示。逆变器由一个直流源v
dc
供电，lf为滤波电感， cf为滤波电容，vc为逆变器经过滤波器后的输出电压，ig为入网电流。rg和lg分别为电网阻抗的电阻与电感，vg为电网电压。
[0034]
该电流型逆变器的pr控制器的传递函数如下
[0035][0036]
其中k
p
为比例增益，kr为谐振增益，ωc为偏移频率，ω0为中心频率。
[0037]
该系统的数学模型如下：
[0038][0039]
电网电压vg可以表示为
[0040][0041]
其中vg为电网电压的幅值，为电网电压的初始相位，ω0为电网电压的频率，则(1)可以改写为
[0042][0043]
基于参数估计误差的电网阻抗快速估计方法
[0044]
基于辅助滤波器的线性模型
[0045]
为了实现电网阻抗参数的快速估计，根据(3)可以得到
[0046][0047]
其中为参数矢量，φ＝[-ig,vc,-sinω0t,-cosω0t]为回归矢量。
[0048]
引入辅助滤波器，并且定义ig和φ的滤波变量分别为i
gf
和φf，i
gf
和φf由下式得到
[0049][0050]
其中k》0为滤波参数，定义y＝(i
g-i
gf
)/k从(5)可以得到如下用于参数估计的线性模型
[0051]
y＝θ
t
φfꢀꢀ
(7)
[0052]
基于参数估计误差的快速自适应律
[0053]
上述章节将电网阻抗估计问题转化为了(6)中的线性模型的参数估计问题，为了实现快速的参数估计，定义辅助矩阵p和辅助矢量q如下所示
[0054][0055]
其中l》0是一个恒值。
[0056]
(7)的解可以表示为
[0057][0058]
最后，定义另外一个辅助矢量h表示为
[0059][0060]
其中是未知参数矢量θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4]的估计值，它将会根据待开发的参数自适应律更新并收敛到真实值。
[0061]
从(8)可以得到
[0062]
q＝pθ
ꢀꢀ
(11)
[0063]
根据(9)和(10)可以得到
[0064][0065]
其中为参数估计的误差，它可以根据辅助矢量h计算得到。辅助矢量h可以从 (5)中的ig,i
gf
,和φf以及(8)中的p和q计算得到。因此，h可以用于开发一个基于参数
估计误差的自适应律。
[0066]
用于更新的自适应律可以表示为
[0067][0068]
其中γ》0是一个恒值的对角矩阵。
[0069]
参数估计的收敛性分析
[0070]
(12)中的自适应律可以收敛到真实值的第一个条件就是φf满足持续激励条件，即φf满足
[0071][0072]
其中ε》0，i为单位矩阵
[0073]
由(8)可以得到
[0074][0075]
在t》τ内可以满足(14)中的不等式。因此φf是持续激励的，因此p存在的最小特征根λ
min
(p)》σ1》0，并且σ1》e-lτ
ε。
[0076]
为了分析(12)中的自适应律的收敛性，考虑如下李雅普诺夫函数
[0077][0078]
根据(11)-(12)可以得到
[0079][0080]
其中并且对于t》0，μ1》0并且是一个恒值。
[0081]
基于(16),(17)可以证明以μ1的速率渐进收敛到0。因此，θ可以使用自适应律估计得到。是公式10中定义的一个矢量，被当做待估参数的估计值，可以根据公式 13开发的自适应得到。
[0082]
组网阻抗的参数可以根据得到，如下式所示
[0083][0084]
其中分别为rg，lg的估计值。
[0085]
是未知参数矢量θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4]的估计值，而由公式13开发的自适应律得到，得到后就得到了并且自适应律收敛后会保证而公式5已经说明了θ1＝rg/lg,θ2＝1/lg，因此电网阻抗的估计值就采用公式18可以得到。
[0086]
仿真验证
[0087]
为了验证提出的电网阻抗估计方法的有效性，进行了仿真分析。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。仿真参数设置如下表所示：
[0088][0089][0090]
仿真1:电网电阻rg＝1ω，电感lg＝1mh。仿真结果如图2和图3所示
[0091]
从图2和图3可以看出，电网阻抗参数的估计值可以在0.05s的时候就收敛到真实值。
[0092]
仿真2：电网电阻rg＝2ω，电感lg＝3mh。仿真结果如图4和图5所示
[0093]
从图4和图5可以看出，电网阻抗参数的估计值可以在0.05s的时候就收敛到真实值. 仿真结果证明了提出的适用于单相并网逆变器的电网阻抗估计方法的有效性。