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        考慮直流偏移影響的電網(wǎng)阻抗識別方法

        2021-10-23 03:05:26晉,安
        電力安全技術(shù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:濾波器直流特性

        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)

        0 引言

        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)安全運行。為了提高這些并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的運行穩(wěn)定性,有必要在線識別電網(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)阻抗的檢測方法。通過在常規(guī)CCF的前向通道上增加一個高通濾波器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)阻抗識別的精度。

        1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器并網(wǎng)點阻抗辨識系統(tǒng)

        如圖1,基于公共耦合點(point of common coupling,PCC)處電壓的電角度,對轉(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。為了識別電網(wǎng)阻抗,在調(diào)制波里注入高頻信號,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,從而實現(xiàn)向PCC點注入高頻信號,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)字信號濾波器提取PCC處的高頻電壓和電流,通過計算得出電網(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。

        2 CCF并網(wǎng)點阻抗辨識方法

        2.1 常規(guī)CCF并網(wǎng)點阻抗辨識方法

        常規(guī)CCF并網(wǎng)點阻抗辨識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的輸入信號是PCC處的采樣電壓,則輸出信號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,測試其對濾波器特性的影響,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CCF的諧波抑制能力,但當(dāng)ωhc太小時,動態(tài)響應(yīng)速度就會降低[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:

        由于在實際的控制系統(tǒng)中,采樣電路采樣得到的電壓、電流等信號都會含有直流偏移,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)阻抗檢測精度,應(yīng)該進(jìn)一步改進(jìn)以完全消除直流偏移的影響。

        2.2 考慮直流偏移的CCF并網(wǎng)點阻抗辨識方法

        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,G2=0,這意味著CCF對0頻信號,即對直流信號可以實現(xiàn)完全的抑制消除,提高高頻信號的提取精度。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,CCF的低頻抑制能力降低,而當(dāng)ω1增大時,動態(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,因此無法直接實現(xiàn)。為此,結(jié)合文獻(xiàn)[7]和式(9)設(shè)計考慮直流偏移的CCF實現(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時輸出為uih,輸入端為igi時輸出為iih(i=α,β)。

        圖5 考慮直流偏移的CCF實現(xiàn)框

        然后,基于式(10)計算電網(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;是計算電網(wǎng)電阻是計算的電網(wǎng)電感。

        3 仿真結(jié)果及分析

        為驗證所提出的電網(wǎng)阻抗檢測方法的可行性和有效性,基于MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真研究。控制框如圖6所示,包括直流偏置抑制模塊、基波信號提取模塊和高頻信號提取模塊。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 從1.2 mH升至2.4 mH,0.8 s時降至1.2 mH。

        圖6 考慮采樣直流偏移的CCF仿真模型

        為驗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別得到的電網(wǎng)阻抗??梢钥闯觯?dāng)使用常規(guī)方法時,識別得到的電網(wǎng)阻抗中會出現(xiàn)高頻紋波。這主要是因為常規(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)點阻抗

        圖8所示為考慮直流偏移CCF得到的并網(wǎng)點阻抗,可以看出,此時CCF可以完全消除了直流偏移的影響,并識別獲得了準(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,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)確的識別檢測電網(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)確地識別檢測電網(wǎng)阻抗。

        圖10 考慮直流偏移CCF提取的電壓電流

        為進(jìn)一步驗證文中提出的方法對于直流偏移抑制的有效性,進(jìn)行直流偏移動態(tài)仿真。首先進(jìn)行電壓動態(tài)仿真,在此仿真中,Lg設(shè)置為2.4 mH,Rg設(shè)置為1 Ω。開始時向A相注入的直流偏移電壓設(shè)置為25 V,在0.4 s時升至50 V。

        圖11是基于所提出的CCF提取的高頻電壓和電流??梢钥闯觯?.4 s時直流偏移增大,CCF提取的高頻電壓中會產(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電壓動態(tài)變化時提取的電壓電流

        圖12顯示了當(dāng)A相的直流偏移電壓從25 V升至50 V時識別的電網(wǎng)電阻和電網(wǎng)電感。可以看出,即使直流偏移突然升高,CCF也可以精確識別電網(wǎng)電阻和電感,表明了所提出CCF對直流偏移的抑制能力。

        圖12 考慮直流偏移CCF在電壓突變時識別的電網(wǎng)阻抗

        進(jìn)行電流變化時的直流偏移動態(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時注入電流升至40 A。仿真結(jié)果顯示當(dāng)電流突然升高時,識別的電網(wǎng)阻抗會產(chǎn)生動態(tài)誤差,經(jīng)過短暫的瞬變過程,識別的電網(wǎng)電阻和電感會收斂到一個穩(wěn)定值。驗證了所提出的電網(wǎng)阻抗識別方法的有效性。

        4 結(jié)束語

        為了更準(zhǔn)確地識別電網(wǎng)阻抗,消除直流偏移對電網(wǎng)阻抗識別的影響,提出了一種改進(jìn)的CCF電網(wǎng)阻抗檢測方法。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)行了仿真驗證。搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系統(tǒng),對比驗證了考慮直流偏移影響的CCF電網(wǎng)阻抗識別方法的有效性。

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