一种基于零序电压注入的电网阻抗检测方法及装置

1.本发明涉及电能质量和控制技术领域，特别涉及一种基于零序电压注入的电网阻抗检测方法及装置。


背景技术：

2.并网逆变器是可再生能源系统中连接发电设备和电网的重要设备。在并网条件下，并网逆变器不可避免地受到电网阻抗的影响。在实际应用中，电网阻抗会随着时间和电网的运行状态而变化，电网阻抗的大范围变化将影响并网逆变器控制系统的带宽，降低并网逆变器系统中电流控制器的鲁棒性，降低电网注入电流的质量，甚至导致整个系统的不稳定性。理论上，如果可以在线估计等效电网阻抗，则无需任何额外措施即可改善并网逆变器的控制性能。近年来，如何在线准确地检测或估计等效电网阻抗受到了广泛的研究关注。
3.根据其工作原理，电网阻抗检测方法主要可分为被动检测法和主动检测法。被动检测法通常包括最小二乘递归估计方法、逐步调整估计近似方法、利用系统固有谐波等。被动检测法依赖于系统固有信息，有着测量结果准确性不高的缺点。与被动检测法不同，主动检测法通常使用基于频率注入技术、改变系统有功或使用基于信号的注入方法来估计电网阻抗。主动检测法的常见问题是注入干扰的幅度会影响估计精度，同时可能会影响并网逆变器的正常运行，对系统的控制方法有较高要求。此外，这些方法往往涉及离散傅里叶变换，数据采集和处理比较复杂。有鉴于此，需要提出一种电网阻抗检测方法，在确保系统正常运行的同时，精确快速地检测电网阻抗。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于零序电压注入的电网阻抗检测方法，旨在减小主动检测法对系统稳定性的影响，降低电网阻抗检测计算误差，得到准确的电网阻抗。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种基于零序电压注入的电网阻抗检测方法，包括如下步骤：
6.(1)利用卡尔曼滤波算法提取公共耦合点pcc处电压的三次谐波幅值和入网电流的三次谐波幅值；
7.(2)在脉冲宽度调制pwm之前注入三次谐波，在逆变器的输出侧产生零序电压；
8.(3)再利用所述卡尔曼滤波算法提取所述公共耦合点pcc处电压的三次谐波幅值和入网电流的三次谐波幅值；
9.(4)计算得出所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波幅值变化量，基于此变化量，得到电网阻抗。
10.进一步的，所述卡尔曼滤波器算法包括如下步骤：
11.(1.1)预测变量的初始状态，
12.(1.2)计算误差协方差矩阵，p-(k)＝ap(k-1)a
t
q(k-1)；
13.(1.3)更新卡尔曼增益，k(k)＝p-1
(k)c
t
[cp-(k)c
t
r(k)]-1
；
[0014]
(1.4)更新状态观测值，
[0015]
(1.5)更新误差协方差矩阵，p(k)＝[i-k(k)c]p-(k)；
[0016]
(1.6)返回步骤(1.1)，直至观测值等于实际值结束；
[0017]
其中：其中x(k)是时间k的状态向量，a是与特定线性系统相关的状态转移矩阵，c是观测矩阵，q(k)是系统内部的噪声，r(k)是实际观测的测量噪声，p(k)是估计误差的协方差矩阵，k(k)是卡尔曼增益；是对x(k)的估计，p-(k)是在时刻k的估计,是在时刻k的估计。
[0018]
进一步的，q选取数值0.1，r选取数值1。
[0019]
进一步的，注入的所述三次谐波电压幅度设置为电网谐波电压的限定值以内。
[0020]
进一步的，所述公共耦合点pcc处电压为相电压，
[0021]
注入三次谐波前满足下述公式：
[0022][0023]
注入三次谐波电压后：
[0024][0025]
其中：和为注入三次谐波前后所述pcc处电压的三次谐波幅值；和为注入三次谐波前后所述入网电流的三次谐波幅值；为电网背景谐波中三次谐波电压幅值，注入三次谐波电压前后，其幅值变化忽略不计；ω为角频率；zg为所述电网阻抗，为纯电感。
[0026]
进一步的，所述电网阻抗计算公式为：
[0027][0028][0029][0030]
其中：为所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波变化量。
[0031]
本发明还提供了一种基于零序电压注入的电网阻抗检测装置，包括：
[0032]
谐波提取模块：用于利用卡尔曼滤波器提取公共耦合点pcc处电压的三次谐波幅值和入网电流的三次谐波幅值；
[0033]
零序电压产品模块：用于在脉冲宽度调制pwm之前注入三次谐波，在逆变器的输出侧产生零序电压；
[0034]
确定模块：用于计算得出所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波幅值变化量；基于所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波幅值变化量，得到电网阻抗。
[0035]
本发明还提供了一种计算机设备，包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行如上所述的基于零序电压注入的电网阻抗检测方法。
[0036]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上所述的基于零序电压注入的电网阻抗检测方法。
[0037]
本发明的有益效果：
[0038]
本发明实施例提供的一种基于零序电压注入的电网阻抗检测方法，本发明适用于三相dc/ac并网逆变器系统，能够快速的检测出电网阻抗大小，在提高检测精度的同时减少主动检测方法对系统的影响。
附图说明
[0039]
图1是本发明实施例基于零序电压注入的电网阻抗检测方法的流程示意图。
[0040]
图2是本发明实施例三相dc/ac并网逆变器的拓扑结构图。
[0041]
图3是本发明实施例并网逆变器的控制回路框图。
[0042]
图4是本发明实施例卡尔曼滤波算法流程示意图。
[0043]
图5是本发明实施例系统pcc电压的三次谐波波形和入网电流的三次谐波波形图。
[0044]
图6是本发明实施例注入零序电压后系统pcc电压波形和卡尔曼提取的三次谐波电压波形图。
[0045]
图7是本发明实施例注入零序电压后系统入网电流波形和卡尔曼提取的三次谐波电流波形图。
[0046]
图8是本发明实施例基于零序电压注入的电网阻抗检测方法的电网阻抗结果图。
具体实施方式
[0047]
以下结合附图和具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0048]
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0049]
本实施例以一个包含1台7kw的三相并网逆变器的容量为7kw的功率发电系统为例，其电路示意图参见图2，其中滤波器为lcl滤波器，l1、l2和c代表着lcl滤波器参数，其拓扑结构为：一逆变器侧电感l1、一电网侧电感l2、一滤波电容c，逆变器侧电感l1与逆变器输出桥臂相接，电网侧电感l2的一端与逆变器侧电感相连l1，电网侧电感的另一端作为滤波器输出与电网相连，滤波电容c与逆变器侧电感l1并联。zg代表电网阻抗，为纯电感。u
pcc
是逆变器系统公共耦合点处相电压。电网线电压为380v，并网逆变器直流侧电压u
dc
为700v，并网逆变器开关频率fs为10khz，电网基波频率f0为50hz。系统采用pwm调制和电网电流反馈控制。系统的参数见表1。
[0050]
表1
[0051][0052]
当三相逆变器系统在静止坐标系αβ下进行控制时，在α轴和β轴上分别建立的系统模型之间不存在耦合，且都和单相的逆变器系统模型相同。所以分析可以在单相系统下进行。图3为逆变器电网电流反馈控制框图，i
gref
，ig分别是逆变器的参考电流和入网电流；g
pr
(s)、gd(s)分别表示pr(比例谐振)电流控制器、延时环节。k
pwm
为调制信号到逆变桥输出电压的传递函数。下述公式是在s域下建立的，因此下述所有公式中出现的s为s域的自变量。
[0053][0054]
其中ωf是基波角频率，k
p
为比例系数，kr是为谐振系数。
[0055][0056]
这里ts是采样时间，由于延时环节是指数函数，所以用三阶帕德近似来简化处理。
[0057]
从i
ref
到ig的开环传递函数可导出为:
[0058][0059]
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于零序电压注入的电网阻抗检测方法，包括如下步骤：
[0060]
s101、利用卡尔曼滤波算法提取公共耦合点pcc处电压的三次谐波和入网电流的三次谐波；
[0061]
公共耦合点pcc处电压为相电压，为了精准的提取pcc电压的三次谐波和入网电流的三次谐波，首先，对u
pcc
和ig的信号进行采样，并通过卡尔曼滤波算法提取三次谐波分量。
卡尔曼滤波器可以递归地估计动态系统的状态变量，其核心思想是测量反馈和预测。用于参数估计的应用卡尔曼滤波算法的实现步骤如图4所示，其中x(k)是时间k的状态向量，a是与特定线性系统相关的状态转移矩阵，c是观测矩阵，q(k)是系统内部的噪声，r(k)是实际观测的测量噪声。协方差q和r可根据经验选择，根据实际经验，测量噪声协方差矩阵r对算法的估计精度甚至算法的稳定性有显著影响。在本发明的实施案例中，q选取数值0.1，r选取数值1。k(k)是卡尔曼增益。是对x(k)的估计，p(k)是估计误差的协方差矩阵，和p-(k)是在时刻k的估计，仅使用在时刻k-1可用的信息；具体步骤如下：
[0062]
步骤1：预测变量的初始状态，
[0063]
步骤2：计算误差协方差矩阵，p-(k)＝ap(k-1)a
t
q(k-1)。
[0064]
步骤3：更新卡尔曼增益，k(k)＝p-1
(k)c
t
[cp-(k)c
t
r(k)]-1
。
[0065]
步骤4：更新状态观测值，
[0066]
步骤5：更新误差协方差矩阵，p(k)＝[i-k(k)c]p-(k)。
[0067]
步骤6：重返步骤1，直至观测值等于实际值结束。
[0068]
为简单起见，离散时域中的观测公式表示如下：
[0069][0070][0071][0072][0073]
式中，是pcc电压的三次谐波分量，是的正交分量，是入网电流的三次谐波分量，是的正交分量。注入零序电压前后，pcc电压和入网电流变化的相位差可以忽略不计。pcc电压三次谐波幅值和入网电流三次谐波幅值可以通过下式计算得到：
[0074][0075]
[0076]
式中是pcc电压三次谐波的幅值，是入网三次谐波的幅值。
[0077]
提取的公共耦合点pcc处电压的三次谐波和入网电流的三次谐波其满足下述公式：
[0078][0079]
其中：为电网背景谐波中三次谐波电压幅值，zg为电网阻抗，为纯电感。
[0080]
s102、在脉冲宽度调制pwm之前注入三次谐波，在逆变器的输出侧产生零序电压；
[0081]
根据ieee标准519-2014，如果额定pcc电压低于1kv，则pcc电压的总谐波失真(thd)应在8％以内。单个谐波应在5％以内。对于三相四线制系统，当三相平衡时，向系统注入少量零序电压不会影响系统稳定性。为了获得零序电压，在本实施例中，pwm之前注入3.8％的三次谐波。即在pr电流控制器后加入两个正交的三次谐波电压信号，如图3所示。当逆变器输出包含零序电压时，pcc将产生一定的三次谐波电压和电流。
[0082]
s103、再利用卡尔曼滤波算法提取所述公共耦合点pcc处电压的三次谐波和入网电流的三次谐波；
[0083]
再按照步骤s101中的方法提取公共耦合点pcc处电压的三次谐波和入网电流的三次谐波。
[0084]
根据公式(10)，注入三次谐波电压前：
[0085][0086]
注入三次谐波电压后：
[0087][0088]
图5显示了注入零序电压前后，系统pcc处电压的三次谐波波形和入网电流的三次谐波波形。图6展示了零序电压注入后的pcc电压波形和卡尔曼滤波器估计的三次谐波电压。为了更清楚地显示结果，图6中的三次谐波是pcc电压三次谐波放大100倍的结果。图7显示了零序电压注入后入网电流的波形以及卡尔曼滤波器估计的三次谐波电流。
[0089]
s104、计算得出所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波幅值变化量，基于此变化量，得到电网阻抗。
[0090]
计算注入三次谐波电压前后，pcc电压和入网电流的三次谐波幅值变化量。
[0091][0092][0093]
其中：为pcc电压的三次谐波幅值变化量，为入网电流的三次谐波幅值变化量，和分别为注入三次谐波电压前后的pcc电压的三次谐波幅值，和分别为注入三次谐波电压前后的入网电流的三次谐波幅值。
[0094]
公式(12)-(11)，再根据(13)和(14)可得电网阻抗：
[0095]
[0096]
其中，注入三次谐波电压前后，电网背景谐波中三次谐波电压幅值变化可以忽略。
[0097]
图8显示了电网阻抗估计的实验结果，当电网阻抗突然从1.2mh跳变到6mh，再从6mh跳变到1.2mh时，估计值可以准确跟踪真实值。
[0098]
本发明实施例还提供了一种基于零序电压注入的电网阻抗检测装置，包括：
[0099]
谐波提取模块：用于利用卡尔曼滤波器提取公共耦合点pcc处电压的三次谐波幅值和入网电流的三次谐波幅值；
[0100]
零序电压产品模块：用于在脉冲宽度调制pwm之前注入三次谐波，在逆变器的输出侧产生零序电压；
[0101]
确定模块：用于计算得出所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波幅值变化量；基于所述公共耦合点pcc处电压和入网电流的三次谐波幅值变化量，得到电网阻抗。
[0102]
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行如上所述的基于零序电压注入的电网阻抗检测方法。
[0103]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上所述的基于零序电压注入的电网阻抗检测方法。
[0104]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。