本發明涉及電氣工程、計算機控制和電力電子技術技術領域，更具體地，涉及一種基于prbs擾動注入的電網阻抗在線辨識方法及裝置。

背景技術：

隨著風力發電和光伏發電等大規模可再生分布式電源接入電網，大規模電動汽車的接入，以及以電力電子變換接口的負載在電網總負荷占比的不斷提高，電網的電源和負荷特性發生了顯著的變化，電力系統的電力電子化特征越來越明顯，給電網的安全穩定運行帶來新的挑戰。由于風電和光伏等并網逆變器在設計階段難以事先獲得逆變器投運時所在電網的電網阻抗信息，并事先考慮到其它并網逆變器和負載對所設計并網逆變器可能造成的影響，因此當電網中(特別是中低壓配電網)并網逆變器與并網逆變器之間、并網逆變器與電網之間，通過并網公共點(pointofcommoncoupling，pcc)發生交互作用時，可能引發并網公共點的諧波振蕩，從而產生大量諧波，它輕則影響電網的電能質量，重則會危及電網的安全穩定運行。目前的國內外研究已經表明其主要是并網逆變器的輸出阻抗與并網公共點pcc的電網阻抗不匹配，引發dc/ac逆變器的諧波振蕩。

當前，為了解決并網逆變器的諧波振蕩問題，通常有兩種解決方案：1、在逆變器并網前，先通過掃頻儀離線測量并網逆變器的輸出阻抗和電網阻抗，判斷電網與自身阻抗是否匹配再決定是否并網；2、并網逆變器實時獲取電網的阻抗信息，自動調節并網逆變器的輸出阻抗，自動適應電網參數的變化，進而達到提高電網質量和穩定性的目的。

但是，方案1在現實應用中可操作性不強，難以自動適應電網參數的變化；方案2的關鍵的難點就在于電網阻抗的在線辨識。傳統的阻抗辨識方法主要分為被動諧振法和主動注入法。其中，被動方法利用電網畸變或者并網逆變器的固有諧波，通過傅里葉變換提取一定的諧波分量并計算得到電網阻抗。被動方法是非入侵式的，辨識過程不會對電網正常運行造成影響，但這種方法的一個主要缺點是現實電網中的畸變幅值和重復率都難以正確測量，因此難以對電網阻抗做出準確的測量。而常用的主動方法需要通過附加的電力電子設備向電網注入一定的電壓或電流擾動，并對擾動和響應信號進行頻率分析以得到各自的頻率成分，經過計算得到電網阻抗。主動方法最大的缺點在于需要串聯或者并聯一個附加電力電子裝置，給實際實現方法帶來巨大局限性。主動注入法仍是最常用的方法，然而當需要測量多個頻率下的阻抗特性時，需要同時注入多個特征信號(如：正弦波)，這使得實現難度大大提高，即需要串聯多個正弦信號源，在工程實踐中是非常不切實際的。

現有的阻抗網絡測試儀需要確定比較多的參數，例如網絡的工作電壓等，以實現阻抗測試，且需要將測試儀串入并網系統的公共點以實現擾動的注入以及響應的測量，這樣才能測量出某一個網絡的阻抗值。該方法屬于硬件注入擾動法，需要在并網系統中加入附加的電力電子裝置，為系統增加設計難度和測量成本，且測量的阻抗屬于外部變量，無法傳入逆變器進行自適應控制，這無疑是阻抗測試儀的缺點。

另外，在專利cn104198843b提出的電網阻抗測試方法與裝置中，其通過逆變器輸出非特征頻率諧波來得到非特征頻率的阻抗，再擬合曲線得出阻抗頻率特性，之后再通過曲線算出特征頻率下的阻抗值。然而該方法想要利用非特征頻率下電網無對應響應的思想，那么電壓和電流的插值即為測量得到的電壓和電流本身，之后通過歐姆定律算出對應阻抗。這種方法是存在著不足的，因為噪聲是無處不在的，這意味著即使在非特征頻率下，電網仍然存在著許多噪聲，這會嚴重影響電網阻抗測試結果。

技術實現要素：

本發明提出了一種基于prbs擾動注入的電網阻抗在線辨識方法及裝置，

一種基于prbs擾動注入的電網阻抗在線辨識裝置，主要由并網逆變器、電流環控制器、采樣裝置和阻抗辨識單元組成，其特征在于：所述并網逆變器與電流環控制器相連，在并網穩定情況下可利用并網逆變器向電網進行prbs擾動的注入，在prbs信號注入過程中，內置輸出電壓thd反饋控制器以確保逆變器輸出電壓的thd值小于5％；所述采樣裝置連接電網pcc處，對pcc處的電壓和電流進行采樣和記錄；所述阻抗辨識單元將采樣裝置所得數據進行dft分析，并可對該采樣周期下的電壓和電流各諧波分量的幅值和相位取平均值，利用所得到的prbs擾動激勵與電壓響應各諧波分量的幅值和相位平均值，計算出電網阻抗的頻率序列；本裝置采用最小二乘曲線擬合方法對電網阻抗進行預測，提高在高頻段的辨識精度。

特別地，所述并網逆變器為單相并網逆變器，向電網進行prbs擾動的注入方式為在電流環控制器的參考輸入中疊加。

特別地，所述并網逆變器為三相并網逆變器，向電網進行prbs擾動的注入方式為在電流環控制器的d軸參考輸入中疊加。

使用上述裝置進行電網阻抗在線辨識的方法，基本步驟如下：

(1)在并網逆變器電流環控制器的幅值參考輸入中，增加prbs擾動信號通道，進行prbs擾動的周期性疊加；其中，prbs擾動信號的頻率為電網基頻的頻率或根據具體要求自行設置，比特位數n可根據測量精度的要求自行選擇在5-11之間的任意整數；prbs擾動信號的幅值為逆變器額定輸出的10％以下；

(2)并網逆變器輸出疊加prbs擾動信號，周期性進行prbs擾動信號注入和停止prbs擾動信號注入，使得逆變器周期處于含擾動與無擾動的兩個穩定狀態；

(3)采樣裝置分別在含擾動與無擾動的兩個穩定狀態對pcc點的輸出電壓和輸出電流進行測量與采樣，隨后阻抗辨識單元對采樣結果進行離散傅里葉分析取得電壓和電流的頻域序列，對頻域序列進行矢量差值運算，取得各頻率下的prbs激勵擾動及其對電網引起的電壓響應，并求得該時段的電網阻抗值；同時對含擾動狀態下的電壓進行總諧波畸變分析得到逆變器輸出電壓的thd值，保證輸出電壓的thd<5％。

(4)該裝置內置程序將步驟(2)至(3)周期進行，不斷實時的更新測量得到的電網阻抗頻率特性，完成電網阻抗的在線辨識。

特別地，所述并網逆變器為單相并網逆變器，步驟(1)所述prbs擾動的疊加方式為prbs擾動信號在電流環控制器的參考輸入中疊加。

特別地，所述并網逆變器為三相并網逆變器，步驟(1)所述prbs擾動的疊加方式prbs擾動信號在電流環控制器的d軸參考輸入中疊加。

特別地，所述并網逆變器輸出疊加prbs擾動信號的周期可選取為5個電網波形，周期即為0.1s。

本發明的有益效果：

prbs是一種非特征序列，其主要參數在于序列的比特位數n，序列的比特位數又決定了序列的步長m。其中步長m與比特位數n之間的關系為m＝2ⁿ-1。在信號領域中，prbs由于其自身的編碼特性，使得它的信號中存在的多次諧波，其中諧波基頻取決于prbs的頻率。因此，我們可以利用prbs包含多次諧波的特性，將其注入到逆變器并網點，然后進行電網阻抗的在線辨識。

本發明的主要特點是在逆變器的控制器中，周期性地在逆變器輸出幅值的參考輸入上疊加一個prbs擾動信號，使得逆變器輸出電壓(或電流)中包含prbs擾動信號，這就相當于輸出電壓(或電流)存在多個諧波分量，再對并網公共點(pointofcommoncoupling，pcc)所采集到的三相電壓和電流的擾動信號響應進行傅里葉分析、計算得出實時的電網阻抗。該發明屬于軟件法注入，與傳統電網阻抗辨識方法相比，它不僅精度高、速度快、實時性強、頻率范圍廣，同時還解決了需要串入附加電力電子裝置的缺點，大大地降低了測量成本與難度，使得并網逆變器的穩定性得以提高。

無論是對于單相或是三相情況下，本專利在無須添加額外電力電子設備的情況下，合理地利用了并網逆變器的軟硬件資源，通過對逆變器內部編程模塊進行代碼的修改，實現了其自身具備諧波擾動注入的能力，并利用擾動注入法實現電網阻抗的在線辨識。另外本發明所使用的prbs信號可根據實際情況改變其的比特位數和擾動幅值來控制擾動對并網系統的影響。在電網阻抗辨識過程中，本發明能在保證一定的電網阻抗辨識精度的前提下降低擾動帶來的影響，這是其他現有技術所不具備的。電網阻抗在線辨識的實現及其精確度為實現并網逆變器基于阻抗的自適應控制與避免并網逆變器的諧波振蕩奠定了基礎。

綜上所述，在對電網阻抗在線辨識的方法中，基于prbs擾動注入的在線辨識方法具有精度高、成本低、范圍廣和易實現等優點。而且電網阻抗可以在線實時辨識，并對辨識得到的電網阻抗在逆變器內部進行自適應控制，以達到提高逆變器并網質量的目的。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例的電網阻抗辨識系統框架圖；

圖2為本發明實施例的電網阻抗辨識注入點示意圖；

圖3為本發明實施例的三相并網逆變器電網在線辨識拓撲圖；

圖4為本發明實施例的電網輸入阻抗在線辨識方法的流程圖；

圖5為本發明實施例辨識方法對三相平衡電網a相阻抗模型的擬合曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

本實施例的具體實現方法如下：

(1)本實施例主要利用dq域電流控制的三相并網逆變器或單相并網逆變器進行電網在線辨識的實現。首先，在逆變器電流控制環路的輸出幅值參考值iref(對于三相并網逆變器，則為d軸參考值idref)增加一個prbs的擾動通道：

該擾動通道可根據內置程序向輸出參考值iref(對于三相并網逆變器，則為d軸參考值idref)疊加或者撤銷擾動。因此，該通道將有一個使能端受逆變器內置使能en信號控制通道的導通狀態，其原理圖如圖2所示。另外，由于并網系統存在著一定的慣性作用，且dft分析必須需要經過一個正弦周期才能得出結果。因此，在prbs擾動注入周期的選擇尤其重要，其直接影響了電網阻抗在線辨識結果的精確性。本發明的使能脈沖信號周期選擇為10個電網正弦波周期，其中連續的5個正弦周期使能端置1注入擾動信號，后連續的5個正弦周期使能端置0撤銷擾動的注入。這里可知，前5個周期的波形包含prbs擾動，后5個周期無擾動。

(2)配合擾動注入周期，測量pcc處的電壓和電流(單相系統可視為三相系統中的某一相)：

由于三相系統中存在著連接類型的差異，以三相電網阻抗y型連接為例，其中涉及的電壓與電流應分別為相電壓與線電流。根據擾動注入時機，在擾動注入4個周期后，檢測最后1個周期的每一相相電壓值u(t)與線電流值i(t)，對測量到的電壓與電流進行離散傅里葉分析，之后對當前采樣周期得到的各諧波分量的幅值和相位取平均值，記為利用指數形式可得到含擾動狀態下的電壓和電流的表達式，分別為和同理可得無擾動狀態下的電壓和電流諧波分量幅值與相位的平均值，記為該狀態下電壓和電流指數形式分別為和

(3)計算并擬合出電網輸入阻抗頻率特性，并實時周期更新：

在第(2)步得到的包含擾動的電壓和電流與無擾動的電壓和電流對其進行減法運算，得到對應的電壓和電流增量，如(3)式所示：

接著可計算得到電網輸入阻抗值，如(4)式所示：

其中阻抗的幅值與相角的計算如下，如(5)式所示：

這樣即可以得到電網的輸入阻抗序列其表達形式如式(11)所示：

電網阻抗頻域系列在高頻段，由于電感部分阻抗增大，其對系統的阻礙作用也隨之增大，使得系統響應時間加長，在電網阻抗辨識周期內比較難達到穩定。因此，此時測量得到的阻抗是存在較大誤差的。為了解決在高頻條件下電網阻抗辨識度不高的缺點，本發明利用了曲線擬合的方法，利用低頻段辨識度較高的結果，擬合出電網阻抗的頻率特性曲線，這樣就可以利用擬合出來的阻抗模型曲線來校正高頻段阻抗辨識度不高的點。

在遠距離輸電情況下，由于線路阻抗以及變壓器漏抗的存在使得pcc處的電網阻抗呈感性，如式(7)所示。

zg(s)＝rg+slg(7)

利用歐拉公式(8)：

e^ix＝cos(x)+isin(x)(8)

將低頻段的辨識結果分別利用歐拉公式將實部和虛部分開出來，可得(9)：

其中rf為擬合的電網電阻，lf為擬合的電網電感。那么擬合的電網阻抗模型為(10)：

zf＝rf+slf(10)

因此，我們即可得到擬合的電網阻抗曲線如圖5所示，從該圖可以看出擬合出來的電網阻抗與理論值吻合度較高，由此可見擬合的效果較好。

本實施例附圖及實驗數據結果說明如下：

圖1為電網阻抗辨識系統框架圖，其主要思想為通過注入與撤銷prbs擾動得到電流擾動與電壓響應并通過阻抗辨識模塊計算得到電網阻抗。

圖2為電網阻抗辨識注入點示意圖，若在單相逆變器中，應在控制環路電流幅值參考值上進行prbs的疊加；若在三相逆變器中，應在控制環路d軸參考值上進行prbs擾動的疊加。

圖3為三相并網逆變器電網在線辨識拓撲圖，該圖面積較大的虛線框內為電網阻抗辨識模塊，其將pcc點的相電壓與線電流進行采樣，通過頻域中的矢量計算得到prbs形式的電流擾動和電壓響應的頻率序列，最后利用式(1)～(6)計算得出電網阻抗；面積較大的虛線框內為prbs擾動注入點示意圖，與圖2對應。

圖4為電網輸入阻抗在線辨識方法的流程圖，在并網穩定情況下利用并網逆變器向電網進行prbs擾動的注入，等待注入擾動系統穩定后，對pcc處的電壓和電流進行采樣和記錄并進行dft分析，對該采樣周期下的電壓和電流各諧波分量的幅值和相位取平均值；撤銷擾動并等待系統重新穩定后，使用同樣的策略得到無擾動下的電壓和電流各諧波分量幅值和相位的平均值，利用逆變器內部電網阻抗辨識模塊計算得出電網阻抗的頻域序列。

圖5給出了該辨識方法對三相平衡電網a相阻抗模型的擬合曲線，從該圖中可以看出擬合出來的a相電網阻抗曲線與理論值吻合度較高，解決了高頻段辨識結果較差的難題，驗證了曲線擬合方法對正確性。

表1為電網阻抗在線辨識的實驗數據：

表1

表1給出了該方法對電阻r＝5ω與電感l＝2ml串聯的阻抗模型進行辨識得到的基波至25次諧波下電網阻抗的實驗數據，其中主要包括1.測量得到阻抗的幅值與相角、2.對應阻抗幅值與相角的理論值、3.測量值與理論值對比得到的相對誤差。

由附表1可知：1.在基波～25次諧波的阻抗辨識中，最大的相對誤差不超過1.869％，無論是幅值還是相角，相對誤差普遍小于0.15％。2.隨著辨識頻率的增大，阻抗測量帶來的相對誤差呈增大趨勢，但仍然在可接受范圍內。

雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是專利所有者可以在所附權利要求的范圍之內做出各種變形或修改，只要不超過本發明的權利要求所描述的保護范圍，都應當在本發明的保護范圍之內。