基于变步长误差补偿的线路阻抗识别方法研究_张赛.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：年河南省职业教育教师教学创新团队（教办职成 号）；年河南省高等教育教学改革研究与实践项目（）收稿日期：修改日期：，（，）：，：；：基于变步长误差补偿的线路阻抗识别方法研究张 赛，夏德印（许昌电气职业学院电气工程系，河南 许昌）摘 要：由于可再生能源的发电地域限制，通常情况下可再生能源发电系统需要较长的线路进行并网，因而线路阻抗不可忽略。线路阻抗的存在会加大并网逆变器的控制难度，因此电网阻抗的在线识别有利于提高并网系统的控制精度。提出一种变步长的误差补偿策略，通过采样并网耦合点的电压以及电流，并网耦合点电压经过带通滤波器得到理想电网电压。通过这些信息，结合变步长的误差补偿策略，能够较为精准地识别出电网阻抗。仿真和实验证明了所提出策略的有效性。关键词：电网阻抗；变步长误差补偿；在线识别；可再生能源发电系统中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着可再生能源发电系统大规模并入大电网，以并网逆变器为转换器的电力电子设备广泛存在于系统末端，对于大电网来说，这无疑给电网带来了非线性负载。同时，由于可再生能源发电系统的地域限制，通常情况下的可再生能源发电系统并网时会有较长的输电线路，这导致并网时的线路阻抗不可忽略。非线性负载以及线路阻抗的存在导致实际电网表现出弱电网特性。弱电网下线路阻抗的存在会导致并网逆变器的控制难度加大，要想降低控制难度，电网阻抗的在线识别必不可少。文献提出通过主动谐波注入及 算法对电网阻抗进行识别。根据测量的电网阻抗对谐波控制器进行合理调度，保证系统在控制带宽较低的情况下拥有足够的稳定裕度。文献利用随机脉宽调制的频谱搬移和 拟随机序列的均匀性，提出了一种基于 拟随机脉宽调制的电网阻抗测量方法。文献提出一种不对称双极型锯齿波进行电网阻抗的宽频测量，并根据所选脉冲，考虑其最佳注入位置与注入角度，提出了相应的参数设计方法，以减轻测量时的系统负担，并消除因脉冲注入所发生的过调制现象。文献和文献提出了一种复数滤波器和非特征次谐波注入的电网阻抗检测方法。文献提出双谐波电流注入法作为主要研究方法，该方法周期性地向电网注入两种不同频率的谐波，利用检测元件获得并网点处的电压和电流信息，经由傅里叶分析处理后可得到参量中所包含的特定次谐波分量，进一步计算可得到电网阻抗的实时值。本文提出一种变步长的误差补偿策略，采样并网耦合点的电压和电流，并网耦合点电压通过带通滤波器可以得到理想的电网电压。由电网阻抗的两端电压以及流过电网阻抗的电流，构建调节模型，通过调电 子 器 件第 卷节模型与实际的电流对比，从而确定电网阻抗的值。电网阻抗电路模型图 所示为电网阻抗的电路模型，通常情况下，电网阻抗可视为由电感和电阻串联结构，但是电阻对于并网逆变器系统具有阻尼作用，因此本文电网阻抗在线估计时忽略电阻，考虑电网阻抗带来的最差结果。和 分别是 相并网耦合点电压和理想电网电压，是流过电网阻抗的电流，是电网阻抗值，。图 电网阻抗电路模型图 的电网阻抗数学模型为：|（）调节模型调节模型是实际并网耦合点电压、实际流过电网阻抗的电流、估计的电网阻抗和理想电网电压构成，如公式（）所示：|（）式中：和 分别是 相实际并网耦合点电压和实际理想电网电压，是实际流过电网阻抗的电流，是估计的电网阻抗值，。将式（）进行转换可以得到实际流过电网阻抗的电流值为：|（）式（）是本文电网阻抗在线估计的调节模型，从调节模型中可以看出，当 不同时，结合并网耦合点电压采样，就可以得到不同电网阻抗对应的电流值。理想电网电压获取当电网阻抗不可忽略时，并网耦合点的电压会存在一定的波动，与理想电网电压不一致。此时，将采样得到的并网耦合点电压进行滤波，就可以得到理想电网电压。理想电网电压是 的正弦波信号，因此，本文采用带通滤波器对并网耦合点电压进行滤波。带通滤波器能够允许特定频率段的信号通过，且会屏蔽其他频率段的信号。因此，本文将带通滤波器的中心频率设计为 ，带宽设计为。图 带通滤波器频率特性 电网阻抗在线估计参数在线估计的思路是将待估计的参数代入数学模型中，计算出能够实际采样的参考变量值的计算值，将计算出的计算值与实际采样得到的参考变量值进行对比，误差在可接受范围内即认为估计出的参数值是准确的。本文所提出的电网阻抗在线估计的原理是：选择并网电流作为上述的参考变量，将电网阻抗估计值代入式（）得到并网电流的计算值，将并网电流的计算值与实际值进行比较，得到误差，通过调节电网阻抗的估计值，得到不同的电网电流计算值，直到电网电流计算值与实际并网电流值的误差在可接受范围内，即认为此时的电网阻抗值是准确的。电网阻抗识别的基本步骤可以概括为：选取参考变量，一般情况下这个参考变量为实际采样的值，本文选择并网电流作为参考变量；将估计的阻抗值代入式（）的数学模型，得到与并网电流对应的计算值；比较并网电流的计算值及其实际采样值，得第 期张 赛，夏德印：基于变步长误差补偿的线路阻抗识别方法研究 到误差；根据误差的大小调节估计阻抗值的步长；循环第步直到参考变量与估计值的误差在允许范围内。本文选择的参考变量为实际流过电网阻抗的电流。为了方便后续的计算，将三相 坐标系下的数学模型转换至 坐标系下，转换公式如式（）所示：（）（）（）（）|（）经过坐标变换之后就可以得到三相实际并网耦合点电压、实际理想电网电压和实际流过电网阻抗的电流对应的 轴分量，分别为、。同时，利用式（）和式（）估计出的电流为、。采用 轴分量的实际流过电网阻抗的电流参考与估计值的误差为：（）本文所提出的基于变步长误差补偿的电网阻抗识别方法，其步骤是：确定一个电网阻抗变化的初始步长（一般为初始电网阻抗值的十分之一）与初始电网阻抗值；将初始电网阻抗值 分别加和减，得到两个新的电网阻抗值；将两个新的电网阻抗值分别代入式（）得到两组误差值，其中加 时产生的误差为；减 产生的误差为；比较两组误差值；经过第步的比较，得出较小误差的算法标志位，进行下一步（表示选择加法，表示选择减法）；根据 的值进行下一步的加或者减，直到误差值大于上一次的误差值；改变步长，将其除以；重复步骤直到误差在允许范围内，从而得到估计的电网阻抗值。图 为上述步骤的流程图。当电网阻抗发生偏移时。第一步是将大于或者小于电网阻抗参数进行提取，得到标志位。其中电网阻抗估计方向原理是确定初始步长后，将初始电网阻抗值加和减初始步长，得到两组电网阻抗的估计值，代入式（）计算出两组并网电流实际值，从而得到两组并网电流的误差 和，比较这两个误差值，误差更小的被认为是正确的电网阻抗估计方向。图 标志位计算图 电网阻抗识别流程图图 为步骤的第第步的流程图。当确定好正确的电网阻抗估计方向，即可根据图 中的具体方向进行下一步的变步长算法。首先是根据确定好的正确方向，将电网阻抗估计值再加或者减初始电 子 器 件第 卷步长，得到新的电网阻抗估计值，通过式（）计算出电网电流值，得到与实际电流的误差，将这个误差值与上一次该方向的误差值进行比较，如果此刻误差值小于上一次误差值，则继续加或者减初始步长，如果大于上一次误差值，则将步长缩小 倍得到新的步长，然后重复地计算并网电流误差值，与上一次的误差值进行比较。其中（）、（）分别表示当前时刻和上一时刻的误差值。误差的可接受范围设置为实际电流的。仿真与实验验证为了验证本文所提出的基于变步长误差补偿的电网阻抗识别方法的有效性与正确性，分别在 环境和如图 所示的实际并网系统之中对其进行了实验验证。图 并网系统实验平台首先，在仿真软件中将电网阻抗值设置为 和 ，然后使用本文所提出的基于变步长误差补偿的电网阻抗识别方法，如图 所示，本文所提出的方法能够较为精确地在线估计出电网阻抗值。在动态的变化过程中，本文的方法依然能够较为精确地跟踪实际值。图 电网阻抗识别仿真图 和图 所示为实际并网系统中的并网耦合点电压波形和本文所提出的带通滤波器获取的理想电网电压波形。从图 中可以看出，由于电网阻抗的存在，并网耦合点电压有一定的波动，而使用本文所提方法获取的理想电网电压波形是无波动的正弦波形，如图 所示，证明了本文所提方法的有效性。图 实际并网耦合点电压实验波形图 获取的理想电网电压实验波形图 电网阻抗估计值的数模转换输出在实际并网系统中，在并网耦合点和电网之间串联了一个三相电感，电感值为 。图 所示为在控制芯片中使用本文所提方法进行的实验波形，利用芯片的数模转换输出功能，将识别出的电网阻抗值进行输出。图 中的模拟量为 ，所对应的电网阻抗值为 。图 是电网阻抗变化时的估计波形，从图中能够看出，所提出的算法能够精确且快速地估计出电网阻抗值。第 期张 赛，夏德印：基于变步长误差补偿的线路阻抗识别方法研究 图 电网阻抗变化时的数模转换输出 结论弱电网下电网阻抗不可忽略，并网耦合点电压出现波动，针对这两个问题，本文提出一种变步长误差补偿的电网阻抗识别方法，同时提出使用带通滤波器对并网耦合点电压进行滤波，从而得到理想的电网电压。本文所提出的两个方案，在后续的研究上能够提升系统的控制效果，提高控制精度。参考文献：马兴，徐瑞林，陈民铀，等 提高弱电网下并网逆变器电流质量的自适应控制方法 电网技术，（）：袁小平，胡秀娟，孙英洲，等 基于加窗傅里叶变换的弱电网阻抗测量算法 电力系统保护与控制，（）：张旸，陈新，王昀，等 弱电网下并网逆变器的阻抗相角动态控制方法 电工技术学报，（）：刘桂花，石桐，马田源，等 弱电网下光伏并网逆变器自适应准 控制方法 电网技术，（）：叶杰，汤广福，赵成勇 基于电网阻抗识别的谐波控制器调度策略 华中科技大学学报（自然科学版），（）：杜燕，吴厚博，杨向真，等 基于 拟随机脉宽调制的电网阻抗测量方法 电力系统自动化，（）：刘自鹏，刘增，刘进军 基于并网变流器的脉冲注入型电网阻抗测量方法的参数设计 电源学报，（）：杨莹，张兴，李明，等 基于 参数优化的高频注入电网阻抗检测方法 电力电子技术，（）：汤婷婷，张兴，谢东，等 基于高频注入阻抗检测的孤岛检测研究 电力电子技术，（）：刘桂花，马田源，石桐，等 双谐波注入的弱电网阻抗在线检测方法 哈尔滨工业大学学报，（）：张 赛（），女，河南许昌人，讲师，硕士，通信作者，主要研究方向：电气控制技术、电力电子技术，。