一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法

摘要

一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，通过在微网中央控制器中采样母线电压和各台逆变器的输出电流，提取其中含量最高的特定次谐波分量估测线路阻抗。主要包含以下六个步骤：第一，系统初始化，设置各逆变器虚拟输出阻抗；第二，采样母线电压和各台逆变器输出电流；第三，对母线电压进行快速傅里叶变换或其他类似算法，确定其中谐波含量最高的谐波次数h；第四，提取母线电压及各台逆变器输出电流中的h次谐波分量；第五，计算各台逆变器的线路阻抗；第六，对计算结果进行滤波。该方法不会对原有系统产生任何扰动，不会增加系统建设成本，计算方法简单，为工程应用提供了很好的解决方案。

权利要求

1.一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，通过在微网的中央控制器中采样母线电压和各台逆变器的输出电流，提取其中含量最高的特定次谐波分量，估测线路阻抗；其中各逆变器均采用下垂控制；

具体包括以下步骤：

步骤1，系统初始化，设置各逆变器虚拟输出阻抗Zvi；

步骤2，在微网的中央控制器中采样母线电压和各台逆变器输出电流；

步骤3，对母线电压进行计算，确定其中谐波含量最高的谐波次数h；谐波含量最高的谐波次数h由负载特性决定；

步骤4，在步骤3确定谐波含量最高的谐波次数h后，提取母线电压及各台逆变器输出电流中的h次谐波分量；h次谐波分量包括h次谐波电压和h次谐波电流；

步骤5，根据步骤4提取的h次谐波电压和h次谐波电流，计算各台逆变器的线路阻抗ZLi，其中，i表示第i台逆变器，i=1,2,…,n，假设存在n台逆变器；

步骤6，对步骤5的计算结果进行滤波，消除采样及计算环节产生的高频噪声。

2.根据权利要求1所述的一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，步骤2中，在微网的中央控制器中通过电压传感器和电流传感器采样母线电压和各台逆变器输出电流。

3.根据权利要求1所述的一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，步骤3中，采用快速傅里叶变换进行计算。

4.根据权利要求1或3所述的一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，谐波含量最高的谐波次数h为-1、5、7或11。

5.根据权利要求1所述的一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，步骤4中，采用基于多二阶广义积分器的信号提取方法，提取母线电压及各台逆变器输出电流中的h次谐波分量。

6.根据权利要求1所述的一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，步骤5中，各台逆变器的线路阻抗ZLi通过以下公式计算：其中，Zti表示计算得到的总阻抗，即线路阻抗与逆变器虚拟输出阻抗之和，Zvi表示逆变器虚拟输出阻抗，包括虚拟电阻Rvi和虚拟电感Lvi两部分，ω表示基波电压的角频率，即2π*

50，h表示谐波含量最高的谐波次数；vαh表示h次谐波电压α轴分量，vβh表示h次谐波电压β轴分量，iαhi表示h次谐波电流α轴分量和iβhi表示h次谐波电流β轴分量。

7.根据权利要求1所述的一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，其特征在于，步骤6中，通过一阶低通滤波器进行滤波，一阶低通滤波器传递函数 如下：其中，ωc表示滤波器的截止频率，s表述拉普拉斯算子。

说明书

一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于电网线路阻抗测量技术，具体涉及一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着可再生能源发电技术的发展，分布式发电模式得到了广泛的应用。光伏、风电等一次能源通常是通过逆变器等电力电子接口设备向电网输送电能。为了增加系统的容量及提高系统的可靠性，各逆变器通常采用并联工作模式。因此可以将分布式发电系统(也称作微网)简化为一个多台逆变器并联的结构。对这样的系统，通常采用下垂控制实现各并联逆变器之间的协调控制。因为下垂控制可以不依赖通信实现逆变器之间的同步和功率均分，非常适合分布式发电这种应用背景。但是下垂控制存在以下不足之处：无功功率受线路阻抗差异影响而不能在各台逆变器之间均分；输出功率在线路阻抗非纯感性或纯阻性时存在控制耦合；非线性负载造成母线电压质量降低等。上述下垂控制的诸多缺陷都是因为线路阻抗引起的，所以如果可以准确获取系统中的线路阻抗大小，这些问题就可以得到解决。

[0003] 现有的线路阻抗估测方法大致可以分为三类：第一类，通过系统稳态工作点的波动，测量逆变器的输出电压和电流估测线路阻抗；第二类，通过系统中的逆变器注入某种额外的高频电压(电流)信号，然后测量逆变器输出电流(电压)中该频率信号的响应，以估测线路阻抗；第三类，基于特定的阻抗测量仪器向系统注入扰动并测量响应，计算线路阻抗。所有这些方法均会对原系统带来一定的扰动或畸变，所以都属于侵入式测量方法，一定程度上影响了系统的性能及稳定性。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法。该方法利用了系统中原有的设备和信号，不会对原有系统带来任何扰动和畸变。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

[0006] 一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，通过在微网的中央控制器中采样母线电压和各台逆变器的输出电流，提取其中含量最高的特定次谐波分量，估测线路阻抗；其中各逆变器均采用下垂控制。

[0007] 本发明进一步的改进在于，具体包括以下步骤：

[0008] 步骤1，系统初始化，设置各逆变器虚拟输出阻抗Zvi；

[0009] 步骤2，在微网的中央控制器中采样母线电压和各台逆变器输出电流；

[0010] 步骤3，对母线电压进行计算，确定其中谐波含量最高的谐波次数h；

[0011] 步骤4，在步骤3确定谐波含量最高的谐波次数h后，提取母线电压及各台逆变器输出电流中的h次谐波分量；h次谐波分量包括h次谐波电压和h次谐波电流；

[0012] 步骤5，根据步骤4提取的h次谐波电压和h次谐波电流，计算各台逆变器的线路阻抗ZLi，其中，i表示第i台逆变器，i＝1,2,…,n，假设存在n台逆变器；

[0013] 步骤6，对步骤5的计算结果进行滤波，消除采样及计算环节产生的高频噪声。

[0014] 本发明进一步的改进在于，步骤2中，在微网的中央控制器中通过电压传感器和电流传感器采样母线电压和各台逆变器输出电流。

[0015] 本发明进一步的改进在于，步骤3中，采用快速傅里叶变换进行计算。

[0016] 本发明进一步的改进在于，步骤3中，谐波含量最高的谐波次数h由负载特性决定。

[0017] 本发明进一步的改进在于，谐波含量最高的谐波次数h为-1、5、7、11或11。

[0018] 本发明进一步的改进在于，步骤4中，采用基于多二阶广义积分器的信号提取方法，提取母线电压及各台逆变器输出电流中的h次谐波分量。

[0019] 本发明进一步的改进在于，步骤5中，各台逆变器的线路阻抗ZLi通过以下公式计算：

[0020]

[0021] 其中，Zti表示计算得到的总阻抗，即线路阻抗与逆变器虚拟输出阻抗之和，Zvi表示逆变器虚拟输出阻抗，包括虚拟电阻Rvi和虚拟电感Lvi两部分，ω表示基波电压的角频率，即2π*50，h表示谐波含量最高的谐波次数；vαh表示h次谐波电压α轴分量，vβh表示h次谐波电压β轴分量，iαhi表示h次谐波电流α轴分量和iβhi表示h次谐波电流β轴分量。

[0022] 本发明进一步的改进在于，步骤6中，通过一阶低通滤波器进行滤波，一阶低通滤波器传递函数G(s)如下：

[0023]

[0024] 其中，ωc表示滤波器的截止频率，s表述拉普拉斯算子。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0026] 本发明公开的上述技术方案旨在利用分布式发电系统中现有的设备，通过简易的计算方法测量线路阻抗。该发明通过在微网中央控制器中采样母线电压和各台逆变器的输出电流，提取其中的某次谐波分量即可估测线路阻抗。本发明的技术方案较现有技术，主要具有以下优点：第一，该测量方法属于非侵入式方法，它利用了系统中由负载产生的谐波信号估测线路阻抗，不需要额外注入其他信号，不会对原有系统产生任何影响；第二，该方法利用了系统中原有的设备，包括微网中央控制器等，因此不需要增加其他额外设备，不会增加系统建设成本；第三，计算方法简单，普通的工业级数字控制器即可完成，对系统配置要求较低。本发明为工程应用提供了很好的解决方案。该方法既适用于三相系统，也适用于单相系统。

附图说明

[0027] 图1是一种该发明适用的逆变器并联(分布式发电)系统的结构图；

[0028] 图2是本发明中实现线路阻抗测量的方法流程图；

[0029] 图3是本发明本发明的测量方法的结构图；

[0030] 图4是本发明中举例示意的一种信号提取方法的原理图。

具体实施方式

[0031] 兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明实施的限制。

[0032] 一种逆变器并联系统线路阻抗测量方法，通过在微网的中央控制器中采样母线电压和各台逆变器的输出电流，提取其中含量最高的特定次谐波分量，估测线路阻抗；其中各逆变器均采用下垂控制，由于利用了系统中的现有设备和信号，所以属于非侵入式测量方法。

[0033] 针对图1所示的分布式发电系统，本发明提供一种估测其中各台逆变器线路阻抗(ZL1，ZL2，…，ZLn)的方法。值得注意的是该系统中的所有逆变器均采用下垂控制方法，系统中存在一定量的不平衡或非线性负载。

[0034] 参见图2和图3，本发明主要包含以下6个步骤：

[0035] 步骤S1，系统初始化，设置各逆变器虚拟输出阻抗Zvi；

[0036] 步骤S1对系统中相关参数及变量进行初始化，同时设置逆变器虚拟输出阻抗Zv。设置逆变器虚拟输出阻抗是为了实现功率均分等其他功能，与本发明所述的线路阻抗测量没有直接关系，如果不需要可以直接设置Zv＝0。这里考虑Zv是因为该发明所述线路阻抗计算方法得到的结果是线路阻抗和逆变器虚拟输出阻抗之和，所以要提前确定逆变器虚拟输出阻抗的大小，然后用计算得到的结果减去虚拟输出阻抗即为线路阻抗的大小。需要说明的是，虚拟输出阻抗的指令值由中央控制器通过通讯传递到位于各台逆变器的本地控制器中，该通讯机制在微网系统中一般是必备的，但是对本发明所述线路阻抗测量方法来说并不依赖该通讯，因为线路阻抗测量的所有步骤均在系统的中央控制器中完成。

[0037] 步骤S2，在微网的中央控制器中通过电压传感器和电流传感器采样母线电压和各台逆变器输出电流；

[0038] 步骤S2主要实现母线电压的采样和各台逆变器输出电流的采样。电压采样通过安装在母线上的电压传感器实现，可以采样相电压或线电压，本发明并不以此为限。电流采样通过安装在每台逆变器与母线并联处的电流传感器实现。值得注意的是，这些电压传感器和电流传感器在实际分布式发电系统中一般都是存在的，主要用于中央控制器检测各台逆变器的工作状态，因此本发明不需要额外安装传感器。

[0039] 步骤S3，对母线电压进行快速傅里叶变换(FFT)或其他类似算法，确定其中谐波含量最高的谐波次数(用h表示)，h可能是-1(即基波负序)、5、7、11次等谐波中的任意一个，由负载特性决定。

[0040] 步骤S3对步骤S2中采样得到的母线电压进行FFT等运算，计算较低次谐波电压(一般低于17次)的幅值，选择幅值最高的谐波电压次数h作为计算线路阻抗的特定次谐波。值得注意的是，步骤3主要目的是确定母线电压所含谐波中幅值最高的谐波电压的次数，进行FFT运算只是其中一种计算方法，其他类似算法也可以使用，只要能确定幅值最高的谐波电压次数即可。因此本发明并不限定在步骤3中一定要使用FFT运算，其他类似算法也应该涵盖在保护范围内。

[0041] 步骤S4，在步骤S3确定谐波含量最高的谐波次数h后，提取母线电压及各台逆变器输出电流中的h次谐波分量；h次谐波分量包括h次谐波电压和h次谐波电流；

[0042] 步骤S4主要实现信号提取功能。在步骤S3中确定幅值最大的谐波电压次数h后，步骤S4提取母线电压和各台逆变器输出电流中的h次谐波分量。提取方法有很多种，本发明并不限定采用何种提取方法，只要能准确快速提取电压、电流中的h次谐波分量即可。为了清楚地说明该发明的内容，本发明以Pedro Rodríguez在“Multiresonant Frequency-Locked Loop for Grid Synchronization of Power Converters Under Distorted Grid Conditions”一文中提出的基于多二阶广义积分器(MSOGI)的信号提取方法进行举例说明，其原理如图4所示。提取出来的电压及电流的h次谐波分量分别表示为h次谐波电压α轴分量vαh、h次谐波电压β轴分量vβh、h次谐波电流α轴分量iαhi和h次谐波电流β轴分量iβhi。

[0043] 步骤S5，根据步骤S4提取的h次谐波电压和h次谐波电流，计算各台逆变器的线路阻抗ZLi，i表示第i台逆变器，i＝1,2,…,n，(假设系统中存在n台逆变器)；

[0044] 步骤S5利用步骤S4中提取到的h次谐波电压和电流分量，计算出线路阻抗的大小，包括线路电阻和线路电感。计算公式如下：

[0045]

[0046] 其中，Zti表示计算得到的总阻抗(即线路阻抗与逆变器虚拟输出阻抗之和)，Zvi表示逆变器虚拟输出阻抗，包括虚拟电阻Rvi和虚拟电感Lvi两部分，ω表示基波电压的角频率，即2π*50，h表示步骤4中确定的谐波含量最高的谐波次数。

[0047] 步骤S6，对上述计算结果进行滤波，消除采样及计算环节产生的高频噪声。

[0048] 步骤S6对计算结果各台逆变器的线路阻抗ZLi进行滤波。该步骤的目的是为了滤除采样环节及计算环节中引入的高频噪声干扰，对滤波器形式不应加以限制，这里以一阶低通滤波器(LPF)为例进行说明，一阶低通滤波器传递函数如下：

[0049]

[0050] 其中ωc表示滤波器的截止频率，s表述拉普拉斯算子。经过滤波器之后，即可获得准确的线路阻抗测量结果。

[0051] 为了验证该方法的有效性及正确性，在PSCAD软件环境下搭建了图1所示的仿真系统进行验证，仿真只包含两台逆变器，其真实线路阻抗与图1保持一致。仿真中得到的线路阻抗测量值分别是1mH+0.21Ω和2mH+0.19Ω，与真实线路阻抗基本一致，证明了该方法的有效性。