考慮直流偏移影響的電網阻抗識別方法

李 晉，安 婷

(國網甘肅省電力公司慶陽供電公司，甘肅 慶陽 745000)

0 引言

隨著風力和光伏等可再生能源發電技術的發展，越來越多的并網轉換器連接到了電網[1-3]。并網轉換器的大量接入導致電網的阻抗特性發生了顯著變化，這將會影響這些并網轉換器的穩定性[4-5]，進而威脅電網安全運行。為了提高這些并網轉換器的運行穩定性，有必要在線識別電網阻抗，然后相應地調整這些并網轉換器的控制模式。

文中提出了一種考慮直流偏移的復示數濾波器(complex coefficient filtering，CCF)電 網阻抗的檢測方法。通過在常規CCF的前向通道上增加一個高通濾波器s/(s+ω1)，改進CCF結構，消除了直流偏移的影響，從而提高了電網阻抗識別的精度。

1 并網轉換器并網點阻抗辨識系統

如圖1，基于公共耦合點(point of common coupling，PCC)處電壓的電角度，對轉換器的輸出電流進行采樣并轉換在同步旋轉坐標系下。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，通過與三角波進行載波比較的方式生成PWM信號。為了識別電網阻抗，在調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)，再進行載波比較生成PWM，然后通過數字信號濾波器提取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并網點阻抗辨識方法

2.1 常規CCF并網點阻抗辨識方法

常規CCF并網點阻抗辨識方法將高頻非特征諧波電壓注入PCC之后，根據在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表示電網頻率。

圖1 常規方法下復系數濾波器

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，采用波特圖進行分析，ωh設置為3 297 rad/s，ωc設置為221 rad/s，角頻率ω0為314 rad/s。ωhc分 別 設 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 復系數濾波器波特

從圖2可知，較小的ωhc可以增強CCF的諧波抑制能力，但當ωhc太小時，動態響應速度就會降低[6]。因此，選擇ωhc為300 rad/s。通過圖2和CCF的傳遞函數G1(式2)可以看出，采用傳統的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CCF無法完全消除直流偏移的影響。因此，為了進一步提高電網阻抗檢測精度，應該進一步改進以完全消除直流偏移的影響。

2.2 考慮直流偏移的CCF并網點阻抗辨識方法

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 考慮直流偏移的復系數濾波器

在CCF的前向通道上增加一個高通濾波器。其傳遞函數如式(5)：

其中c，d和e表示為：

從式(5)可以看出，當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完全的抑制消除，提高高頻信號的提取精度。為了進一步顯示其濾波特性，其濾波特性如圖4所示，其中ωh設置為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ω1減小時，CCF的低頻抑制能力降低，而當ω1增大時，動態響應速度將降低。因此，為簡化起見，設ω1=ω0。

圖4 考慮直流偏移復系數濾波器波特

由于圖4所示復系數濾波器結構含有虛數j，因此無法直接實現。為此，結合文獻[7]和式(9)設計考慮直流偏移的CCF實現框如圖5所示，消除直流偏移的影響，準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實現框

然后，基于式(10)計算電網阻抗。

其中，uαh，uβh是CCF提取的高頻電壓;iαh，iβh是CCF提取的高頻電流;是計算電網電阻是計算的電網電感。

3 仿真結果及分析

為驗證所提出的電網阻抗檢測方法的可行性和有效性，基于MATLAB/Simulink進行了仿真研究。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分別顯示了傳統方法和考慮直流偏移方法識別得到的電網阻抗。可以看出，當使用常規方法時，識別得到的電網阻抗中會出現高頻紋波。這主要是因為常規CCF無法完全消除直流偏移帶來的影響。

圖7 常規CCF得到的并網點阻抗

圖8所示為考慮直流偏移CCF得到的并網點阻抗，可以看出，此時CCF可以完全消除了直流偏移的影響，并識別獲得了準確的電網阻抗。

圖8 考慮直流偏移CCF得到的并網點阻抗

為了進一步顯示所提出的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，無法準確的識別檢測電網阻抗。

圖9 常規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，可以準確地識別檢測電網阻抗。

圖10 考慮直流偏移CCF提取的電壓電流

為進一步驗證文中提出的方法對于直流偏移抑制的有效性，進行直流偏移動態仿真。首先進行電壓動態仿真，在此仿真中，Lg設置為2.4 mH，Rg設置為1 Ω。開始時向A相注入的直流偏移電壓設置為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。可以看出，0.4 s時直流偏移增大，CCF提取的高頻電壓中會產生直流分量。經過短暫的瞬態過程后，直流分量消失，并且達到了新的穩態。

圖11 考慮直流偏移CCF電壓動態變化時提取的電壓電流

圖12顯示了當A相的直流偏移電壓從25 V升至50 V時識別的電網電阻和電網電感。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阻抗

進行電流變化時的直流偏移動態仿真，Lg設置為2.4 mH，Rg設置為1 Ω。注入A相的直流偏移電壓設置為25 V，初始注入電流設置為10 A，0.4 s時注入電流升至40 A。仿真結果顯示當電流突然升高時，識別的電網阻抗會產生動態誤差，經過短暫的瞬變過程，識別的電網電阻和電感會收斂到一個穩定值。驗證了所提出的電網阻抗識別方法的有效性。

4 結束語

為了更準確地識別電網阻抗，消除直流偏移對電網阻抗識別的影響，提出了一種改進的CCF電網阻抗檢測方法。首先分析了常規CCF的濾波器特性，結果表明常規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，構建了一種考慮直流偏移的CCF電網阻抗識別方法。分析推導了所提出CCF的傳遞函數和濾波特性并進行了仿真驗證。搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系統，對比驗證了考慮直流偏移影響的CCF電網阻抗識別方法的有效性。