光伏逆變器市電阻抗辨識方法

王進(jìn)城，朱強(qiáng)，孫榮川

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215000）

隨著氣候變化、大氣污染以及資源短缺等問題日益嚴(yán)重，可再生清潔能源產(chǎn)業(yè)已成為能源投資熱點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)顯示，全球新增發(fā)電裝機(jī)容量一半以上為可再生能源[1]。作為可再生能源利用形式之一的太陽能發(fā)電，其發(fā)展迅猛。

近年來國內(nèi)在農(nóng)光、漁光、山地電站的應(yīng)用中，以20 kW至50 kW功率段三相逆變器多機(jī)并聯(lián)的方式組件電站。受到電站地理環(huán)境影響，長距離輸電線路引入的阻抗增加以及大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)等值阻抗降低至不可忽略，此類電站系統(tǒng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特性。多臺光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)連接弱電網(wǎng)，逆變器之間的環(huán)流以及逆變器與弱電網(wǎng)之間的相互作用使得逆變器控制環(huán)路增益改變，輸出電能質(zhì)量降低，甚至引起諧振造成系統(tǒng)震蕩不能穩(wěn)定運(yùn)行。

連接弱電網(wǎng)的分布式逆變器多機(jī)并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)高效率、高電能質(zhì)量的安全穩(wěn)定運(yùn)行問題受到越來越多的關(guān)注。獲取準(zhǔn)確的電網(wǎng)阻抗參數(shù)，對分析逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性能、進(jìn)行電能質(zhì)量補(bǔ)償又或者優(yōu)化控制系統(tǒng)環(huán)路性能具有較大的幫助。因此，準(zhǔn)確、高效、簡單、可靠的電網(wǎng)阻抗辨識方法具備重要的意義。

阻抗辨識方法可分為有源法和無源法。對于光伏逆變器而言，無源法即利用自身固有特性進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[2]有效利用逆變器固有開關(guān)特性，通過提取開關(guān)頻率處的諧波計(jì)算得出等效電網(wǎng)阻抗。無需引入“干擾”，但運(yùn)算過程復(fù)雜且辨識結(jié)果會受到電網(wǎng)中其他并聯(lián)逆變器的影響。文獻(xiàn)[3]提出利用遞歸最小二乘法進(jìn)行阻抗檢測，同樣不引入“干擾”，對系統(tǒng)穩(wěn)定性以及輸出電能質(zhì)量均無影響，但該算法復(fù)雜，計(jì)算量較大，不利于在定點(diǎn)微控制芯片上實(shí)現(xiàn)。有源法即向電網(wǎng)注入周期性或隨機(jī)性的特定頻率“干擾”信號，依據(jù)其響應(yīng)進(jìn)行分析處理，計(jì)算獲得等效阻抗。文獻(xiàn)[4]提出注入高頻諧波的等效阻抗檢測方法，該方法可以降低對基波的影響，但高頻信號的注入使得用戶側(cè)所引入的電容干擾不可忽視。文獻(xiàn)[5]提出注入低頻非特征次諧波進(jìn)行等效阻抗檢測的方法，該方法需進(jìn)行大量運(yùn)算且同一電站內(nèi)多機(jī)并聯(lián)情況下辨識精度會受到較大影響。

1 光伏電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化建模

1.1 三相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏面板PV陣列在光照輻射等外部環(huán)境下產(chǎn)生直流電能；各逆變器依據(jù)控制算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤使得PV陣列的利用率最大化，并將直流電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)并網(wǎng)規(guī)范的交流電能，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。光伏逆變器的輸出端與高壓電網(wǎng)并不直接連接，一般使用中壓變壓器和高壓變壓器作為兩級變壓環(huán)節(jié)。

文中以非隔離LC濾波型三相光伏并網(wǎng)逆變器作為研究對象。逆變器包含升壓調(diào)節(jié)以及逆變轉(zhuǎn)換功能，非隔離結(jié)構(gòu)可節(jié)約成本。逆變器輸出側(cè)使用LC濾波器，相對于單L濾波器結(jié)構(gòu)具有更好的高次諧波濾除功能；LC濾波器構(gòu)成二階系統(tǒng)，相比于LCL濾波器的三階系統(tǒng)，LC濾波器系統(tǒng)的控制算法更為簡單并且可以規(guī)避LCL諧振問題，無需對諧振尖峰進(jìn)行阻尼，參數(shù)設(shè)計(jì)相對容易一些更適合工程應(yīng)用。

參照圖1中光伏逆變器的主要控制思路如下：

1）對輸出端電壓egabc進(jìn)行Clark變換，提取負(fù)序分量與正序分量

2）對輸出端電壓egabc進(jìn)行DDSRF鎖相環(huán)分析提取相角θge；依據(jù)相角信息對正序分量進(jìn)行Park變換提取

3）對輸出端電流igabc進(jìn)行Clark變換以及Park變換，提取igd與igq。

4）對DQ分量進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出αβ分量給到SPWM控制器，給出PWM驅(qū)動信號完成逆變器輸出。

其中，

圖1 三相光伏逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Clark等幅值變換矩陣：

Park變換矩陣：

D軸控制：

Q軸控制：

1.2 多逆變器并聯(lián)并網(wǎng)阻抗模型建立

光伏電站系統(tǒng)構(gòu)成電網(wǎng)阻抗的元素包含：電網(wǎng)自身的固有阻抗、變壓器固有阻抗以及傳輸線路引入的阻抗。為簡化阻抗分析，以某一中壓匯流分系統(tǒng)內(nèi)的n個(gè)逆變器做分析對象，其并聯(lián)連接處記為公共耦合點(diǎn)（point of common coupling，PCC）；PCC外側(cè)的變壓器、線路以及電網(wǎng)阻抗合并統(tǒng)稱為市電電網(wǎng)等效阻抗，而PCC內(nèi)側(cè)主要包含逆變器電路阻抗以及傳輸線路阻抗。

借鑒文獻(xiàn)[5]經(jīng)驗(yàn)，PCC外側(cè)電網(wǎng)阻抗等效為感性阻抗，由電阻與電感串聯(lián)而成；同樣PCC內(nèi)側(cè)的線路阻抗也等效為感性阻抗。

圖2 阻抗簡化模型

由圖2可知，光伏逆變器外側(cè)的等效線路阻抗Zi=Rci+jωLci，對應(yīng)的PCC外側(cè)的電網(wǎng)等效阻抗為Zg=Rg+jωLg。參照諾頓定理，光伏逆變器在并網(wǎng)條件下可等效為一個(gè)受控電流源Ioi并聯(lián)一個(gè)輸出阻抗Zoi，PCC內(nèi)側(cè)多臺并接的光伏逆變器可看成多個(gè)受控電流源并聯(lián)，Q點(diǎn)左側(cè)的各受控電流源輸出電壓為Vi∠δi。各個(gè)逆變器通過對應(yīng)的線路阻抗Zi并接至PCC，PCC與主電網(wǎng)之間存在等效阻抗Zg。電網(wǎng)電壓記為Vg∠0，PCC電壓記為Vi∠θ。依據(jù)上述分析建立多逆變器并網(wǎng)阻抗模型如圖3所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于逆變器輸出與PCC之間的存在的阻抗不能忽略，所以逆變器輸出電壓與PCC電壓之間存在相位差δi；同樣，PCC電壓與主電網(wǎng)電壓之間也存在一定的相角偏差θ。傳統(tǒng)的控制算法以采集逆變器輸出側(cè)電壓以及電流作為控制器的輸入信息，會忽略相位差帶來的影響，不能在實(shí)際應(yīng)用場景中準(zhǔn)確控制功率輸出，影響電站電能調(diào)節(jié)質(zhì)量并加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

2 阻抗偵測原理

對于圖3所示的多逆變器并聯(lián)模型，為簡化計(jì)算假定以下條件：

1）假定各逆變器硬件參數(shù)相同；

依據(jù)電壓回路關(guān)系可得如下方程：

圖3 多逆變器并網(wǎng)阻抗簡化模型

提取輸出電流，可得

在上述假定條件下以某一逆變器為參考對象，其輸出端（Q點(diǎn)右側(cè)）等效阻抗可記為實(shí)際電站應(yīng)用中各逆變器的線路阻抗并不相等且逆變器自身的硬件參數(shù)并不絕對相同，但這并不妨礙依據(jù)此種思路解決問題。依據(jù)該思路構(gòu)建單逆變器虛擬等效阻抗模型如圖4所示，其中ZN為逆變器輸出端（Q點(diǎn)）外側(cè)除去市電電網(wǎng)阻抗的所有等效阻抗。

圖4 單逆變器虛擬等效阻抗模型

依據(jù)圖4所示，對于并聯(lián)的任一光伏逆變器而言，設(shè)定當(dāng)前逆變器的輸出電流為，逆變器的輸出電壓為，PCC 電壓為市電電網(wǎng)電壓為，存在電壓回路方程：

假定對光伏逆變器的控制環(huán)節(jié)給出一個(gè)固定的調(diào)節(jié)量，那么逆變器的輸出電流為，逆變器的輸出電壓為，PCC電壓為市電電網(wǎng)作為恒壓源考慮，調(diào)節(jié)量變化前后電壓不變?nèi)詾樽兏蟮碾妷夯芈贩匠虨椋?/p>

由式（6）與式（8）可推出：

所以，

同理，由式（5）與式（7）可以推導(dǎo)出ZN的表達(dá)式如下：

由式（12）可分別推導(dǎo)出RN與LN。依據(jù)此種方法計(jì)算ZN與Zg，需要引入對PCC電壓監(jiān)測采樣，而實(shí)際電站應(yīng)用中PCC電壓的傳遞需要額外的采樣裝置以及通訊裝置且傳輸速率不高，不利于快速計(jì)算，同時(shí)也不利于降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。

文中提出以光伏逆變器作為參考對象，利用逆變器現(xiàn)有采樣模塊采集輸出端Q點(diǎn)電壓以及逆變電壓，對電壓矢量進(jìn)行幾何分解推導(dǎo)線路阻抗的計(jì)算方法。逆變器輸出端Q點(diǎn)右側(cè)的線路阻抗ZN與電網(wǎng)阻抗Zg疊加等效為阻抗ZG，市電電壓記為，電網(wǎng)頻率為50 Hz。圖1中，濾波電容器C的主要作用用于高頻共模回路，50 Hz市電電流并不在電容C上構(gòu)成主回路，可以忽略電容C的作用。由于濾波電感 L 的存在，之間存在相位差δ。考慮存在市電電網(wǎng)阻抗，當(dāng)PF等于1時(shí)，市電電壓與輸出電壓之間相位偏差θ。此處忽略Rg對市電電壓的D軸激勵。

辨識阻抗Lg的基本原理是：結(jié)合圖1中給出的控制策略，Q軸的控制環(huán)路中增加ΔIq，對應(yīng)逆變器輸出電壓Vout的增加量為ΔVout。ΔVout對應(yīng)著D軸的增加量，依據(jù)圖1中控制策略D軸的增加量可由逆變器輸出端電壓采樣正序D軸分量提取得到。即依據(jù)矢量分析圖5并結(jié)合圖1，存在以下關(guān)系式：

圖5 阻抗Lg偵測原理示意圖

由此，可以提取出阻抗Lg的計(jì)算公式：

基于上述阻抗辨識原理，給出工程實(shí)例化處理過程如圖6所示。

圖6 阻抗辨識流程圖

圖6方框中的阻抗辨識計(jì)算過程可多次進(jìn)行，提升阻抗識別的準(zhǔn)確度。

3 實(shí)驗(yàn)分析

由于非特征次諧波注入法檢測阻抗的方法提出較早且應(yīng)用較多，故選擇基于注入低頻非特征次諧波的阻抗方法建立對比驗(yàn)證模型，參見圖7。

注入非特征次75 Hz諧波后，經(jīng)過采樣以及DFT運(yùn)算，提取分離得到25 Hz標(biāo)準(zhǔn)弦波，再通過25 Hz鎖相或有效值運(yùn)算即可得到市電阻抗值。多次仿真結(jié)果參見表1。

依據(jù)圖2中的逆變器控制策略以及電網(wǎng)模型構(gòu)建阻抗辨識仿真模型，參見圖8。

進(jìn)行多次給定不同ΔIq以及加載不同電感阻抗，獲取的理論Lg與辨識參見表2。

圖7 非特征次諧波注入阻抗辨識仿真模型

表1 仿真數(shù)據(jù)1

表2 仿真數(shù)據(jù)2

依據(jù)矢量圖形可視化關(guān)系分析推導(dǎo)的基于Q軸擾動的阻抗辨識方法，在MATLAB中利用simulink工具仿真得到的結(jié)果與應(yīng)用較廣泛的基于非特征次低頻諧波注入的阻抗辨識方法比較接近，側(cè)面驗(yàn)證 Q軸擾動進(jìn)行阻抗辨識可行。

圖8 阻抗辨識仿真模型

搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行逆變器樣機(jī)驗(yàn)證測試，光伏逆變器輸出端接入3 mH電感后與標(biāo)準(zhǔn)AC源設(shè)備連接。實(shí)驗(yàn)過程采集輸出端電壓正序D軸分量以及Q軸電流分量并獲取辨識阻抗數(shù)值如圖9所示。

圖9對應(yīng)的阻抗均值約為2.89 mH，對應(yīng)的阻抗辨識偏差為3.7%。多次實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，阻抗辨識偏差約為4%，滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。

4 結(jié) 論

圖9 逆變器測試數(shù)據(jù)

分析了阻抗辨識原理，依據(jù)電壓矢量圖形可視化關(guān)系，在逆變器控制環(huán)路DQ分解的基礎(chǔ)上，提出基于Q軸擾動進(jìn)行監(jiān)測市電阻抗的方案。可進(jìn)行多次阻抗辨識過程提升阻抗偵測準(zhǔn)確度。該阻抗辨識方案實(shí)施過程中，Bus電壓以及功率的穩(wěn)定對計(jì)算結(jié)果存在影響，一般情況下會進(jìn)行Bus電壓抬升以及功率穩(wěn)定控制。該方法對有功功率輸出影響小，無需額外信號輸入，運(yùn)算過程簡單適合在微控制芯片上實(shí)現(xiàn)，樣機(jī)實(shí)測精度可達(dá)96%以上，滿足實(shí)際工程化需求。