李 晉,安 婷
(國網(wǎng)甘肅省電力公司慶陽供電公司,甘肅 慶陽 745000)
隨著風(fēng)力和光伏等可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,越來越多的并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接到了電網(wǎng)[1-3]。并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的大量接入導(dǎo)致電網(wǎng)的阻抗特性發(fā)生了顯著變化,這將會(huì)影響這些并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性[4-5],進(jìn)而威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。為了提高這些并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行穩(wěn)定性,有必要在線識(shí)別電網(wǎng)阻抗,然后相應(yīng)地調(diào)整這些并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的控制模式。
文中提出了一種考慮直流偏移的復(fù)示數(shù)濾波器(complex coefficient filtering,CCF)電 網(wǎng)阻抗的檢測(cè)方法。通過在常規(guī)CCF的前向通道上增加一個(gè)高通濾波器s/(s+ω1),改進(jìn)CCF結(jié)構(gòu),消除了直流偏移的影響,從而提高了電網(wǎng)阻抗識(shí)別的精度。
如圖1,基于公共耦合點(diǎn)(point of common coupling,PCC)處電壓的電角度,對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出電流進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。然后,使用比例積分(PI)控制器來控制電流。在計(jì)算之后,獲得參考電壓uαref,uβref。通常,通過與三角波進(jìn)行載波比較的方式生成PWM信號(hào)。為了識(shí)別電網(wǎng)阻抗,在調(diào)制波里注入高頻信號(hào),通過PWM輸出,使逆變器輸出的電壓電流中含有高頻非特性諧波信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)向PCC點(diǎn)注入高頻信號(hào),即將高頻非特性諧波電壓uαh,uβh分別疊加到參考電壓uαref,uβref上,得到uiref和uih之和(i=α,β),再進(jìn)行載波比較生成PWM,然后通過數(shù)字信號(hào)濾波器提取PCC處的高頻電壓和電流,通過計(jì)算得出電網(wǎng)阻抗。
注入的高頻非特性諧波電壓uαh,uβh表示為:
其中,uh表示注入的高頻非特性諧波電壓的幅度;ωh表示注入的電壓的角頻率。
常規(guī)CCF并網(wǎng)點(diǎn)阻抗辨識(shí)方法將高頻非特征諧波電壓注入PCC之后,根據(jù)在PCC處采樣電壓和電流提取高頻電壓和電流。其控制框見圖1,ugαβ,igαβ表示采樣得到的PCC點(diǎn)電壓和電流,滿足:ugαβ=[ugβ,ugβ]T,igαβ=[igβ,igβ]T,s表 示 拉 普拉斯算子,ωhc,ωc表示截止頻率,ω0表示電網(wǎng)頻率。
圖1 常規(guī)方法下復(fù)系數(shù)濾波器
如果CCF的輸入信號(hào)是PCC處的采樣電壓,則輸出信號(hào)是其在注入頻率下的高頻分量。為顯示CCF的濾波特性,采用波特圖進(jìn)行分析,ωh設(shè)置為3 297 rad/s,ωc設(shè)置為221 rad/s,角頻率ω0為314 rad/s。ωhc分 別 設(shè) 置 為800 rad/s,300 rad/s和100 rad/s,測(cè)試其對(duì)濾波器特性的影響,其濾波特性如圖2所示。
圖2 復(fù)系數(shù)濾波器波特
從圖2可知,較小的ωhc可以增強(qiáng)CCF的諧波抑制能力,但當(dāng)ωhc太小時(shí),動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度就會(huì)降低[6]。因此,選擇ωhc為300 rad/s。通過圖2和CCF的傳遞函數(shù)G1(式2)可以看出,采用傳統(tǒng)的CCF控制方法,直流偏移的影響無法完全消除。
其中a和b表示為:
由于在實(shí)際的控制系統(tǒng)中,采樣電路采樣得到的電壓、電流等信號(hào)都會(huì)含有直流偏移,而傳統(tǒng)CCF無法完全消除直流偏移的影響。因此,為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)阻抗檢測(cè)精度,應(yīng)該進(jìn)一步改進(jìn)以完全消除直流偏移的影響。
為了消除直流偏移的影響,提出了一種考慮直流偏移影響的CCF,如圖3所示。
圖3 考慮直流偏移的復(fù)系數(shù)濾波器
在CCF的前向通道上增加一個(gè)高通濾波器。其傳遞函數(shù)如式(5):
其中c,d和e表示為:
從式(5)可以看出,當(dāng)s=0時(shí),G2=0,這意味著CCF對(duì)0頻信號(hào),即對(duì)直流信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)完全的抑制消除,提高高頻信號(hào)的提取精度。為了進(jìn)一步顯示其濾波特性,其濾波特性如圖4所示,其中ωh設(shè)置為300 rad/s。
從圖4中可知,截止頻率ω1不影響其高頻濾波特性。當(dāng)ω1減小時(shí),CCF的低頻抑制能力降低,而當(dāng)ω1增大時(shí),動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將降低。因此,為簡化起見,設(shè)ω1=ω0。
圖4 考慮直流偏移復(fù)系數(shù)濾波器波特
由于圖4所示復(fù)系數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)含有虛數(shù)j,因此無法直接實(shí)現(xiàn)。為此,結(jié)合文獻(xiàn)[7]和式(9)設(shè)計(jì)考慮直流偏移的CCF實(shí)現(xiàn)框如圖5所示,消除直流偏移的影響,準(zhǔn)確提取高頻電壓和電流,其中輸入端為ugi時(shí)輸出為uih,輸入端為igi時(shí)輸出為iih(i=α,β)。
圖5 考慮直流偏移的CCF實(shí)現(xiàn)框
然后,基于式(10)計(jì)算電網(wǎng)阻抗。
其中,uαh,uβh是CCF提取的高頻電壓;iαh,iβh是CCF提取的高頻電流;是計(jì)算電網(wǎng)電阻是計(jì)算的電網(wǎng)電感。
為驗(yàn)證所提出的電網(wǎng)阻抗檢測(cè)方法的可行性和有效性,基于MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真研究??刂瓶蛉鐖D6所示,包括直流偏置抑制模塊、基波信號(hào)提取模塊和高頻信號(hào)提取模塊。仿真中使用的參數(shù)如下:udc=700 V,L1=5 mH,C=15.6 μF,Rd=2 Ω,Rg=1 Ω,Lg在0.4 s時(shí) 從1.2 mH升至2.4 mH,0.8 s時(shí)降至1.2 mH。
圖6 考慮采樣直流偏移的CCF仿真模型
為驗(yàn)證所提方法的有效性,將幅值為25 V的直流偏移添加到A相的采樣電壓中。
圖7和圖8分別顯示了傳統(tǒng)方法和考慮直流偏移方法識(shí)別得到的電網(wǎng)阻抗??梢钥闯?,當(dāng)使用常規(guī)方法時(shí),識(shí)別得到的電網(wǎng)阻抗中會(huì)出現(xiàn)高頻紋波。這主要是因?yàn)槌R?guī)CCF無法完全消除直流偏移帶來的影響。
圖7 常規(guī)CCF得到的并網(wǎng)點(diǎn)阻抗
圖8所示為考慮直流偏移CCF得到的并網(wǎng)點(diǎn)阻抗,可以看出,此時(shí)CCF可以完全消除了直流偏移的影響,并識(shí)別獲得了準(zhǔn)確的電網(wǎng)阻抗。
圖8 考慮直流偏移CCF得到的并網(wǎng)點(diǎn)阻抗
為了進(jìn)一步顯示所提出的CCF的有效性,采用兩種CCF分別提取高頻電壓和電流,如圖10,11所示。其中圖9是采用常規(guī)CCF,圖11是采用考慮直流偏移的CCF。
從圖9可以看出,采用常規(guī)CCF時(shí),受直流偏置的影響,提取的電壓uβh與uαh相比,uβh明顯的向上偏移,無法準(zhǔn)確的識(shí)別檢測(cè)電網(wǎng)阻抗。
圖9 常規(guī)CCF提取的電壓電流
圖10中,所提出的CCF完全消除了直流偏移的影響,提取的電壓不包含直流分量,uβh與uαh平衡,可以準(zhǔn)確地識(shí)別檢測(cè)電網(wǎng)阻抗。
圖10 考慮直流偏移CCF提取的電壓電流
為進(jìn)一步驗(yàn)證文中提出的方法對(duì)于直流偏移抑制的有效性,進(jìn)行直流偏移動(dòng)態(tài)仿真。首先進(jìn)行電壓動(dòng)態(tài)仿真,在此仿真中,Lg設(shè)置為2.4 mH,Rg設(shè)置為1 Ω。開始時(shí)向A相注入的直流偏移電壓設(shè)置為25 V,在0.4 s時(shí)升至50 V。
圖11是基于所提出的CCF提取的高頻電壓和電流??梢钥闯?,0.4 s時(shí)直流偏移增大,CCF提取的高頻電壓中會(huì)產(chǎn)生直流分量。經(jīng)過短暫的瞬態(tài)過程后,直流分量消失,并且達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)。
圖11 考慮直流偏移CCF電壓動(dòng)態(tài)變化時(shí)提取的電壓電流
圖12顯示了當(dāng)A相的直流偏移電壓從25 V升至50 V時(shí)識(shí)別的電網(wǎng)電阻和電網(wǎng)電感??梢钥闯?,即使直流偏移突然升高,CCF也可以精確識(shí)別電網(wǎng)電阻和電感,表明了所提出CCF對(duì)直流偏移的抑制能力。
圖12 考慮直流偏移CCF在電壓突變時(shí)識(shí)別的電網(wǎng)阻抗
進(jìn)行電流變化時(shí)的直流偏移動(dòng)態(tài)仿真,Lg設(shè)置為2.4 mH,Rg設(shè)置為1 Ω。注入A相的直流偏移電壓設(shè)置為25 V,初始注入電流設(shè)置為10 A,0.4 s時(shí)注入電流升至40 A。仿真結(jié)果顯示當(dāng)電流突然升高時(shí),識(shí)別的電網(wǎng)阻抗會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差,經(jīng)過短暫的瞬變過程,識(shí)別的電網(wǎng)電阻和電感會(huì)收斂到一個(gè)穩(wěn)定值。驗(yàn)證了所提出的電網(wǎng)阻抗識(shí)別方法的有效性。
為了更準(zhǔn)確地識(shí)別電網(wǎng)阻抗,消除直流偏移對(duì)電網(wǎng)阻抗識(shí)別的影響,提出了一種改進(jìn)的CCF電網(wǎng)阻抗檢測(cè)方法。首先分析了常規(guī)CCF的濾波器特性,結(jié)果表明常規(guī)方法無法消除直流偏移的影響。因此,將高通濾波器添加到其前向通道中,構(gòu)建了一種考慮直流偏移的CCF電網(wǎng)阻抗識(shí)別方法。分析推導(dǎo)了所提出CCF的傳遞函數(shù)和濾波特性并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系統(tǒng),對(duì)比驗(yàn)證了考慮直流偏移影響的CCF電網(wǎng)阻抗識(shí)別方法的有效性。