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会员 一种并网逆变器频率耦合特征量的测量方法及其应用
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摘要
当使用阻抗判据的方法分析三相并网系统稳定性时,并网逆变器的阻抗获取显得尤为重要。逆变器阻抗可以通过解析计算、仿真和测量的手段得到。测量的方法被大量使用,由于将被测设备作为一个黑盒子,不用了解其内部控制结构和参数。此外,逆变器厂家由于保密通常也不开放其控制器和参数,进一步使测量的方法被广为采用。并网逆变器的阻抗测量通常可以分为旋转坐标系下和静止坐标系下的测量。旋转坐标系下的阻抗模型为2×2的矩阵,需要注入两次线性的独立扰动才能求解阻抗矩阵。对于扰动的注入,可通过斩波电路在并网点注入电流扰动,或利用频率响应分析仪和搭建的数值信号处理模块直接对电压源注入电压扰动,通过对称变换、PARK变换和FFT算法等处理测量值获取阻抗[5,6]。为了进一步地考虑到实际工况以及测量数据的精确,扰动注入单元可以切换成两种模式,分别对应电压和电流的扰动注入,当被测对象为高阻抗时注入电流扰动,被测对象为低阻抗时注入电压扰动。其测量结果表明,可以更好地降低噪声影响,获得更为准确的阻抗测量值[7]。在文献[8]中,利用开发的设备测量旋转坐标系下的逆变器阻抗,通过广义奈奎斯特定理,成功判定了系统的三种状态:稳定、临界稳定和不稳定。虽然旋转坐标系下测量的阻抗能很好地表征并网逆变器的阻抗特性,但是其测量设备需要额外开发,比如扰动注入单元。此外,由于测量数据需要在不同坐标系下变换,因此需获取同步相位角的信息,而相位角的信息容易受到注入扰动的影响,最终影响其测量的准确性[9]。 静止坐标系下的阻抗测量,根据阻抗模型可以分为传统的正负序阻抗测量和改进的序阻抗测量。 传统的正负序阻抗测量[10–12],其正负序阻抗之间是独立的,只需注入单次扰动,将测量数据进行对称变换,就可以得到正负序阻抗。其测量设备通常使用现有商业化的频率响应分析仪[11–12]。因此传统的正负序阻抗测量相比旋转坐标系下的阻抗测量方法显得简单、通用性强。由于单次扰动注入,其测量数据处理相对容易,物理意义也更加明确,同时避免了同步相位角的引入。但是,该测量的阻抗忽略了其他频率下的电流响应,即当测量fp频率响应时,忽略了频率耦合效应产生的2f0−fp频率分量(f0为基频),导致分析的稳定性结果不准确[13]。 为了在静止坐标系下获取更为准确的逆变器阻抗,改进的序阻抗模型被提出[14–15],发现频率耦合的影响可以被描述为在原有的正负序阻抗上并联额外的阻抗,然后利用等效导纳的方式来表征并网逆变器阻抗模型[15–16]。此处,原有的正负序阻抗可以用自导纳表征,并联的额外阻抗可由互导纳表征[16]。于是,利用自导纳和伴随导纳可以准确地表征出考虑频率耦合的逆变器阻抗。自导纳可以利用商业的阻抗测量仪获取,只需测量同频率下响应电流和电压。但是,互导纳的获取由于需要测量不同频率下的响应电流和电压,比如需要同时测量频率fp的响应电流和2f0−fp的响应电压(f0为基频频率,fp为扰动频率),商业的阻抗测量仪是无法实现的。 于是,本文提出一种在静止坐标系下并网逆变器的频率耦合特征量的测量方法,通过测量所定义的频率耦合特征量,避免了频率耦合效应产生的额外频率分量的测量,且可以利用商业化的频率响应分析仪实现测量。进一步地,利用测量的耦合特征量,可以准确表征考虑频率耦合的并网逆变器阻抗,进而准确地分析出逆变器并网系统的稳定性。通过仿真和实验验证了方法的有效性和可行性。
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