阅读说明：本技术 一种电网阻抗测量装置及方法 (Power grid impedance measuring device and method ) 是由 吴鸣 吕志鹏 孙丽敬 宋振浩 赵婷 刘国宇 周珊 于 2019-01-15 设计创作，主要内容包括：一种电网阻抗测量装置,包括：逆变器、LCL并网滤波器、数据测量模块、PI调节模块、龙贝格观测器和PWM模块；LCL并网滤波器与逆变器连接,用于滤除电网数据中的谐波分量；数据测量模块与龙贝格观测器和PI调节模块连接,用于将采集到的电网侧三相电流和三相电压传送至龙贝格观测器和PI调节模块；龙贝格观测器预测逆变器的电容电压,并将预测结果传送至PI调节模块；PI调节与PWM模块连接,用于制定逆变器的调制电压,并传送至PWM模块；PWM模块与逆变器连接,用于按照调制电压将逆变器并网,数据测量模块对并网后的逆变器进行阻抗测量。本发明的加劲方法能有效提高相贯焊钢管节点的刚度和强度,传力均匀,降低应力集中程度,提高节点的整体承载能力。(A power grid impedance measuring device comprises an inverter, an L C L grid-connected filter, a data measuring module, a PI adjusting module, a Longbeige observer and a PWM module, wherein the L C L grid-connected filter is connected with the inverter and used for filtering harmonic components in power grid data, the data measuring module is connected with the Longbeige observer and the PI adjusting module and used for transmitting collected three-phase current and three-phase voltage of a power grid side to the Longbeige observer and the PI adjusting module, the Longbeige observer predicts the capacitance voltage of the inverter and transmits the prediction result to the PI adjusting module, the PI adjusting module is connected with the PWM module and used for making modulation voltage of the inverter and transmitting the modulation voltage to the PWM module, the PWM module is connected with the inverter and used for grid-connecting the inverter according to the modulation voltage, and the data measuring module carries out impedance measurement on the inverter after grid connection.)

一种电网阻抗测量装置及方法

技术领域

本发明涉及智能配电网关键装备实现和控制方法研究领域，具体涉及一种电网阻抗测量装置及方法。

背景技术

电网是一个同时具备容性负载、感性负载、阻性负载的复杂拓扑，当电网中的谐波频率接近谐振频率时，会在电网中产生谐振电压、谐振电流，产生过电压和过电流的现象，可能会损害电网中的设备，危及电网设备的安全。随着电力电子技术的发展和分布式并网技术的应用，电网中谐波污染日益严重。传统的电网阻抗在线测量采用电感并网或者LCL型滤波器并网的方式。

采用LCL型滤波器并网后进行电网阻抗测量的方法，需要大量的反馈控制元件，虽然可以有效降低电网阻抗测量中存在的干扰谐波，但制造成本较高。

采用在线测量电网阻抗的方法，通常需要通过向系统注入额定频率的方波或者三角波电流，观察脉冲电流在公共并网点处产生的电压响应，实现对于电网不同频率阻抗特性的测量。然而实际的电力系统中不可避免的存在特定次数的谐波，直接脉冲注入的方式可能将电网中其他谐波源带来的影响当成脉冲电流的响应，干扰谐波的问题不能有效解决，影响电网阻抗的测量精度，存在测量效率低下的问题，因此，现存的电网阻抗测量的手段中，在线测量都会不可避免的在电网中引入了新的干扰谐波。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的电网阻抗测量中，缺少经济、简单、有效滤除干扰谐波方法的问题，本发明提供了一种电网阻抗测量方法及系统。

本发明提供的技术方案是：

一种电网阻抗测量装置，所述装置，包括：

逆变器、LCL并网滤波器、脉冲电压响应检测模块、PI调节模块、龙贝格观测器和PWM模块；

所述LCL并网滤波器的并网点接入端通过所述逆变器接入电网，用于滤除所述逆变器输出的电网数据中的谐波分量；

所述LCL并网滤波器的三相电流采集端和三相电压采集端与所述龙贝格观测器连接，用于运算得到逆变器电容电压值；

所述PI调节模块连接，与所述LCL滤波器的三相电流端、三相电压端和所述龙贝格观测器连接，之后与所述PWM模块的接收端连接；

所述PWM模块的出口端与所述逆变器连接；

所述脉冲电压响应检测模块连接在所述LCL并网滤波器的三相电压采集端，用于采集所述逆变器的电压响应信号。

优选的，所述龙贝格观测器，包括：比例积分控制模块、积分环节模块、状态矩阵模块、控制矩阵模块和输出矩阵模块；

所述比例积分控制模块与所述LCL并网滤波器的三相电流采集端连接，所述控制矩阵模块与所述LCL并网滤波器的三相电压采集端连接；

所述比例积分控制模块和所述控制矩阵模块共同与所述积分环节模块连接，得到所述逆变器的电容电压预测值，并通过所述输出矩阵模块的输出端传送到所述PI调节模块；

所述状态矩阵模块与所述输出矩阵模块并联，与所述输出矩阵模块形成闭环反馈。

优选的，所述逆变器，包括：6个IGBT管以及与每个IGBT反向并连的二极管；

所述IGBT管两两并联后与所述LCL并网滤波器连接。。

优选的，所述装置，还包括：Park变换模块和Park反变换模块；

所述LCL并网滤波器的三相电流采集端和三相电压采集端通过Park变换模块与所述PI调节模块连接；

所述PI调节模块通过Park反变换模块与所述PWM模块的接收端连接。

优选的，所述装置，还包括：脉冲注入模块；

所述脉冲出入模块与所述PWM模块连接，用于向逆变器并网控制信号中注入脉冲电流。

优选的，所述系统还包括：并网指令电流注入模块；

所述并网指令电流注入模块与所述PI调节模块连接，用于向所述PI调节模块中输入并网参考电流，进行PI调节。

一种电网阻抗测量方法，包括：

LCL并网滤波器在逆变器并网侧进行滤波处理，得到滤波后的三相电流和三相电压；

龙贝格观测器根据所述三相电流和三相电压，得到逆变器的电容电压预测值；

PI调节模块根据所述三相电流、三相电压和电容电压预测值，进行全反馈PI调节，得到调制电压；

PWM模块根据所述调制电压进行脉冲宽度调制，得到逆变器并网控制信号，并将控制述逆变器进行并网；

脉冲电压响应模块对并网后的逆变器进行阻抗测量。

优选的，所述龙贝格观测器根据所述三相电流和三相电压，得到逆变器的电容电压预测值，包括：

比例积分控制模块和控制矩阵模块根据所述三相电流和三相电压计算所述逆变器的输出预测电流；

积分环节模块和状态矩阵模块将根据所述逆变器的输出预测电流，经过积分计算，得到电容电压，并通过输出矩阵模块输出。

优选的，所述PI调节模块跟所述三相电流、三相电压和电容电压预测值，进行全反馈PI调节，得到调制电压，包括：

Park变换模块将所述三相电流和三相电压进行Park变换，得到电流dq量和电压dq量；

PI调节模块将所述电流dq量和电压dq量作为反馈值，将并网指令电流注入模块的并网参考电流为指令值，将龙贝格观测器预测的电容电压作为测量值，进行全反馈PI调节控制，得到IGBT管的调制电压。

优选的，所述PWM模块根据所述调制电压进行脉冲宽度调制，得到逆变器并网控制信号，并将控制述逆变器进行并网，包括：

Park反变换模块将所述调制电压，按照预先获取的电网电压相位值进行Park反变换，得到与所述电网电压相位相同的三相调制电压；

所述PWM模块将所述三相调制电压进行脉冲宽度调制，得到逆变器中每个IGBT管的并内网控制信号，并将所述逆变器进行并网；

优选的，所述脉冲电压响应模块对并网后的逆变器进行阻抗测量，包括：

所述脉冲注入模块在所述逆变器中注入脉冲电流，所述脉冲电压相应检测模块采集由所述脉冲电流引起的电网电压响应；

所述数据测量模块基于所述脉冲电流和所述电网电压相应，得到电网阻抗。

优选的，所述脉冲注入模块在所述逆变器中注入脉冲电流，所述脉冲电压相应检测模块采集由所述脉冲电流引起的电网电压响应，之前还包括：

脉冲电压响应检测模块基于预先获取的电网电压，得到预设周期次数的电网已有谐波电压，并通过叠加脉冲电压向电网注入谐波电流，得到响应电压；

所述脉冲电压响应检测模块基于所述响应电压，通过快速傅里叶计算得到电网中电压和电流的频率响应。

优选的，所述通过叠加脉冲电压向电网注入谐波电流，得到响应电压，包括：

所述脉冲电压响应检测模块获取前一周期的谐波电压，并在前一周期的电流幅值的峰值处叠加脉冲电压，从而向电网注入谐波电流。

优选的，所述通过快速傅里叶计算得到电网中电压和电流的频率响应，如下式所示：

其中x_n是采样点值；N为采样周期；n为采样点序号；X_k是谐波电压或者谐波电流在频率处的幅值；响应电压和注入谐波电流检测频率为f_i为响应电压和注入谐波电流检测频率值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种电网阻抗测量装置及方法，包括：一种电网阻抗测量装置，所述装置，包括：逆变器、LCL并网滤波器、脉冲电压响应检测模块、PI调节模块、龙贝格观测器和PWM模块；所述LCL并网滤波器的并网点接入端通过所述逆变器接入电网，用于滤除所述逆变器输出的电网数据中的谐波分量；所述LCL并网滤波器的三相电流采集端和三相电压采集端与所述龙贝格观测器连接，用于运算得到逆变器电容电压值；所述PI调节模块连接，与所述LCL滤波器的三相电流端、三相电压端和所述龙贝格观测器连接，之后与所述PWM模块的接收端连接；所述PWM模块的出口端与所述逆变器连接；所述脉冲电压响应检测模块连接在所述LCL并网滤波器的三相电压采集端，用于采集所述逆变器的电压响应信号。本发明提出的一种电网阻抗测量方法，可以实现通过在PI调节控制模块上增加改进的龙贝格观测器，精准预测了逆变器无净差并网时的调制电压，避免了通过注入额定频率的方波或者三角波电流而产生干扰谐波。

本发明提出的改良的龙贝格观测器结构简单，元件成本较低，能够更加准确的模拟出逆变器的电容电压，节省了电压传感器制造成本。

附图说明

图1为本发明的电网阻抗测量装置结构图；

图2为本发明的龙贝格观测器结构图；

图3为本发明的谐波背景检测周期和并网脉冲注入周期图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

针对不同电网拓扑结构下电网阻抗的在线测量，本专利设计的电网阻抗测量方法主要由并网控制模块、脉冲电流注入模块、脉冲电压检测模块和改进龙贝格观测器模块组成。在LCL逆变器并网的基础上添加电网背景谐波检测和脉冲电流注入，实现对于电网阻抗的实时测量，无需额外的硬件测量设备。具有使用简单、便于部署的优势。适用于多种分布式电源并网、电动汽车并网等应用场景。

该测量方式所采用的硬件电路拓扑图如图1所示，电网阻抗测量装置主要由：6个IGBT和反向并联二极管、LCL滤波器、逆变器并网电流传感器、电网电压传感器组成。逆变器交流侧和LCL滤波器相连，逆变器并网电流传感器采集逆变器的输入输出电流i_sa、i_sb、i_sc，电网电压传感器采集电网侧ABC三相电压u_ga、u_gb、u_gc，通过锁相环锁定电网电压的相位θ，通过脉冲电压检测模块采集电网的电压响应u_ga、u_gb、u_gc。LCL并网逆变器在并网模式下跟踪电网，实现对于电网脉冲电流的注入。

LCL并内网滤波器包括三相电流采集端和三相电压采集端，改进的龙贝格观测器通过三相电流和三相电压对逆变器的电容电压进行预测；

PI调节模块通过Park变换模块与三相电流采集端和三相电压采集端连接，还与改进的龙贝格观测器连接，根据电流值、电压值和电容电压预测值得到调制电压。

电网阻抗在线测量方法主要由逆变器并网电流和电网电压的Park变换、并网电流PI控制、逆变器输出电压反向Park变换、控制信号PWM调制5个部分组成、改进龙贝格观测器模块、脉冲电流注入模块和脉冲电流检测模块组成。对电网传感器采集到的电网电压信号进行锁相得到电网电压相位θ，对采集到的逆变器输出电流i_sa、i_sb、i_sc进行Park变换得到dq坐标系下逆变器并网的d轴电流i_sd和q轴电流i_sq。

其在ABC静止坐标系下的状态空间方程为

其中i取abc三相，L₁、R₁、L₂、R₂是两个电感及其等效电阻，i_si是逆变器输出电流，i_gi是并网电流，u_ci是电容上电压，i_ci是流过电容上了救过的电流，C是电容值。对在ABC静止坐标系下的空间状态方程进行Park变换，得到dq旋转坐标系下LCL逆变器的控制模型

以网侧电流i_gi、逆变器侧电流i_si、电容电压u_ci为状态变量，记为x＝[i_gi i_si u_ci]^T，网侧电压u_gi，整流器输出电压u_ei构成输入变量即u＝[u_gi u_ei]^T其中i可以取d或者q，由于d轴和q轴的状态方程完全相同，任意分析其中一个即可。则可以得到改进龙贝格观测器其空间状态方程

其中

改进龙贝格观测器其输出值即LCL滤波器电网侧的输出预测电流ipre gi，其中间状态x中包含我们需要的电容电压，为了区分电容实际电压和改进龙贝格观测器预测值，我们将电容实际电压记作u_ci，预测电压记作u_fi。考虑到传统的龙贝格观测器采用的误差矫正控制器为比例控制器，造成观测器与实际对象之间存在误差，我们将误差矫正控制器修改为比例积分控制器，再实现观测器与实际对象之间完全观测的同时，抵抗系统中的异常扰动，提高系统运行稳定性。

以并网参考电流iref sd和iref sq为指令值，以逆变器并网实际电流i_sd和i_sq作为反馈值，以改进龙贝格观测器的电容电压预测值u_fd、u_fq作为测量值进行全反馈PI调节控制，得到IGBT在dq坐标系下的调制电压u_ed、u_eq。以电网电压相位θ为基础，对调制电压u_ed、u_eq进行反向Park变换并叠加上脉冲电流注入电压u_pa、u_pb、u_pc得到ABC静止坐标系下的逆变器输出电压u_sa、u_sb、u_sc，对逆变器三相输出电压u_sa、u_sb、u_sc进行PWM调制得到6个IGBT的控制信号，实现基于改进龙贝格观测器的LCL型逆变器并网。

龙贝格观测器结构图如图2所示，A即为状态矩阵A，B即为控制矩阵B，C为输出矩阵C＝[1 0 0]^T，PI为比例积分控制器，1/S为积分环节。其中状态矩阵A，控制矩阵B和输出矩阵C在PI控制器和1/S积分环节的控制下，能够根据输入的状态变量对LCL变换器中不能直接观测的变量做出无净差的预测，得到LCL变换器的内部状态预测值。

通过在逆变器并网电流中注入脉冲电流，观测由脉冲电流引起的电网电压响应，实现电网阻抗测量。

在向电网注入脉冲电流之前，对电网电压uga、ugb、ugc进行检测，通过与dq旋转坐标系下理想电压矢量作差，记录下电网中已有的谐波电压。在前一个周期记录下电网背景谐波电压后，在电流幅值最高峰处通过在逆变器交流并网处叠加脉冲电压upa、upb、upc向电网注入谐波电流Δig，检测过滤掉电网背景谐波电压后的响应电压Δug，通过快速傅里叶计算得到电压电流的频率响应，如下式所示：

其中x_n是采样点值；N为采样周期；n为采样点序号；X_k是谐波电压或者谐波电流在频率处的幅值；响应电压和注入谐波电流检测频率为f_i为响应电压和注入谐波电流检测频率值。

谐波背景检测周期和并网脉冲注入周期图如图3所示。

其中f_i为傅里叶分解频率，f_s为电网频率。

最终实现电网阻抗的在线测量，可以动态的反映电网阻抗变化，简化了电网阻抗的测量步骤，减少了并网设备制造成本，提高了电网谐波背景的抑制能力，实现电网阻抗的即插即测。

实施例2：

本发明还提供了一种电网阻抗测量方法，包括：

LCL并网滤波器在逆变器并网侧进行滤波处理，得到滤波后的三相电流和三相电压；

龙贝格观测器根据所述三相电流和三相电压，得到逆变器的电容电压预测值；

PI调节模块根据所述三相电流、三相电压和电容电压预测值，进行全反馈PI调节，得到调制电压；

PWM模块根据所述调制电压进行脉冲宽度调制，得到逆变器并网控制信号，并将控制述逆变器进行并网；

脉冲电压响应模块对并网后的逆变器进行阻抗测量。

所述龙贝格观测器根据所述三相电流和三相电压，得到逆变器的电容电压预测值，包括：

比例积分控制模块和控制矩阵模块根据所述三相电流和三相电压计算所述逆变器的输出预测电流；

积分环节模块和状态矩阵模块将根据所述逆变器的输出预测电流，经过积分计算，得到电容电压，并通过输出矩阵模块输出。

所述PI调节模块跟所述三相电流、三相电压和电容电压预测值，进行全反馈PI调节，得到调制电压，包括：

Park变换模块将所述三相电流和三相电压进行Park变换，得到电流dq量和电压dq量；

PI调节模块将所述电流dq量和电压dq量作为反馈值，将并网指令电流注入模块的并网参考电流为指令值，将龙贝格观测器预测的电容电压作为测量值，进行全反馈PI调节控制，得到IGBT管的调制电压。

所述PWM模块根据所述调制电压进行脉冲宽度调制，得到逆变器并网控制信号，并将控制述逆变器进行并网，包括：

Park反变换模块将所述调制电压，按照预先获取的电网电压相位值进行Park反变换，得到与所述电网电压相位相同的三相调制电压；

所述PWM模块将所述三相调制电压进行脉冲宽度调制，得到逆变器中每个IGBT管的并内网控制信号，并将所述逆变器进行并网；

所述脉冲电压响应模块对并网后的逆变器进行阻抗测量，包括：

所述脉冲注入模块在所述逆变器中注入脉冲电流，所述脉冲电压相应检测模块采集由所述脉冲电流引起的电网电压响应；

所述数据测量模块基于所述脉冲电流和所述电网电压相应，得到电网阻抗。

所述脉冲注入模块在所述逆变器中注入脉冲电流，所述脉冲电压相应检测模块采集由所述脉冲电流引起的电网电压响应，之前还包括：

脉冲电压响应检测模块基于预先获取的电网电压，得到预设周期次数的电网已有谐波电压，并通过叠加脉冲电压向电网注入谐波电流，得到响应电压；

所述脉冲电压响应检测模块基于所述响应电压，通过快速傅里叶计算得到电网中电压和电流的频率响应。

所述通过叠加脉冲电压向电网注入谐波电流，得到响应电压，包括：

所述脉冲电压响应检测模块获取前一周期的谐波电压，并在前一周期的电流幅值的峰值处叠加脉冲电压，从而向电网注入谐波电流。

所述通过快速傅里叶计算得到电网中电压和电流的频率响应，如下式所示：

其中x_n是采样点值；N为采样周期；n为采样点序号；X_k是谐波电压或者谐波电流在频率处的幅值；响应电压和注入谐波电流检测频率为f_i为响应电压和注入谐波电流检测频率值。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。