一种电网阻抗的测量方法和装置与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电网阻抗的测量方法和装置。

背景技术：

电力电子技术日益深入电能的生产与处理领域，其影响日益不能忽视。电力电子变流器与电力系统相互作用，带来了一些新风险，其中就有稳定性问题。

具有恒功率负载特性的电力电子变流器，其输入端呈现负阻抗特性，从而可能会导致系统的不稳定。大型的电网是可以承受这些负阻抗特性的，然而很多小型的电力系统却不能，比如航天器，船舶，混合动力车，以及微型电网系统。这些小型的系统在工业以及民用领域会越来越普及，这使得我们必须能够通过预测和测试以确保它们的安全运行。

在工程实践中，伴随着对大功率设备的使用，电力电子模块的互联也越来越多的出现在实际应用中。单个模块单独工作的时候，其工况相对简单，模块的稳定性也是在这种情况下进行设计。但是互联之后，不仅存在模块与源和负载之间的影响，还同时存在模块相互间的影响，这就会导致原本单独工作时稳定的模块在互联时发生不稳定的现象。

针对稳定性问题，人们已经提出各种基于系统阻抗的稳定性判据。对于交流系统，尤其是三相交流系统，一系列基于阻抗的稳定性判据也已经建立，主要有奇异值判据，G-范数判据，1-∞-范数判据，D通道判据以及∞范数判据。很多基于外加的扰动源施加扫频扰动来完成阻抗测量的方法已经被提出，扫频过程测量准确，对于一些非线性系统，例如电力电子变流器的阻抗测量是很有必要的。但是由于扫频过程所需时间较长，对于某些阻抗变化较为迅速的系统 (例如电网阻抗)就不太适合了。

针对电网阻抗的测量，按照扰动电网的方式，阻抗测量方法大概可以分为主动注入方式、半主动注入方式和被动注入方式。主动注入方式是通过向并网逆变器的控制指令，向电网侧施加脉冲扰动或者向系统施加噪声扰动，其中脉冲扰动与噪声扰动通过快速傅里叶分析来处理扰动后系统的电压和电流。

并网系统按照独立运行的原则划分成了两部分，即可以独立运行为源侧，不能够独立运行为负载侧。在并网发电时，可将逆变器侧认为是源侧，电网侧为负载侧。逆变器采用电流环控制，将并网电流控制到与公共耦合点的电压同相。稳定运行时，电流的d轴给定是恒定的。在需要进行阻抗测量的时刻，如果采用主动注入方式，则通过判断电压电流波形，在给定的时刻在电流给定上施加脉冲。

目前，通常在三相交流电中的某一相电流的峰值时刻，在d轴的电流给定上施加单极性脉冲信号(即脉冲信号的值大于零或者小于零)序列，即在该相电流的最大值时刻，在d轴电流的给定上施加如图1a所示的负脉冲；或者在该相电流的最小值时刻，在d轴电流的给定上施加如图1b所示的正脉冲，其中，H1为正(负)脉冲的脉冲高度，正(负)脉冲从-t₁时刻持续到t₁时刻，因此，该脉冲的宽度为2t₁，然后，通过快速傅里叶分析来处理扰动后系统的电压和电流。通常认为采用这样的脉冲注入方式，会使得三相交流电中电流或电压的畸变最大的一相的畸变程度会最小。

综上所述，目前采用主动注入方式测量电网阻抗时，通常认为在某一相电流的峰值时刻，在d轴的电流给定上注入单极性脉冲的方式测量电网阻抗，会使得三相交流电中电流或电压的畸变最大的一相的畸变程度会最小。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种电网阻抗的测量方法和装置，用以解决目前采用 主动注入方式测量电网阻抗时，通常认为在某一相电流的峰值时刻，在d轴的电流给定上注入单极性脉冲时，注入的脉冲会使得三相交流电中电流或电压的畸变最大的一相的畸变程度会最小的问题。

基于上述问题，本发明实施例提供的一种电网阻抗的测量方法，包括：

在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号，所述第一时刻为除三相交流电的任意一相的电流为峰值的时刻以外的一个时刻；

确定施加脉冲信号时所述电网的电压和电流；

根据确定的所述电网的电压和电流，确定所述电网的阻抗。

本发明实施例提供的一种电网阻抗的测量装置，包括：

施加模块，用于在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号，所述第一时刻为除三相交流电的任意一相的电流为峰值的时刻以外的一个时刻；

第一确定模块，用于确定施加脉冲信号时所述电网的电压和电流；

第二确定模块，用于根据确定的所述电网的电压和电流，确定所述电网的阻抗。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的电网阻抗的测量方法和装置，通过在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号，所述第一时刻为除三相交流电的任意一相的电流为峰值的时刻以外的一个时刻；并确定施加脉冲信号后电网的电压和电流；然后根据确定的所述电网的电压和电流，确定所述电网的阻抗，从而既测量了所述电网的阻抗，又降低了注入的脉冲导致的三相交流电中电流或电压的畸变最大的一相的畸变程度。

附图说明

图1a为现有技术在采用主动注入方式测量电网阻抗，向电网中注入的负脉冲；

图1b为现有技术在采用主动注入方式测量电网阻抗，向电网中注入的正 脉冲；

图2为本发明实施例提供的测量电网阻抗的原理框图；

图3为本发明实施例提供的测量电网阻抗的流程图之一；

图4为在d轴给定电流上施加相同的脉冲信号时，a轴、b轴和c轴上的扰动的随θ变化的示意图；

图5a和图5b为两种双极性脉冲信号的示意图；

图6a和图6b为两种正负对称波形的双极性脉冲信号的示意图；

图7为图1b所示的脉冲信号的频谱图和图6a所示的脉冲信号的频谱图；

图8为周期性的图1b所示的脉冲信号的频谱图和周期性的图6a所示的脉冲信号的频谱图；

图9为本发明实施例提供的测量电网阻抗的流程图之二；

图10为本发明实施例提供的电网阻抗的测量装置的结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电网阻抗的测量方法和装置，通过在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号，所述第一时刻为除三相交流电的任意一相的电流为峰值的时刻以外的一个时刻，从而确定所述电网在不同频率的阻抗，这样既可以测量所述电网的阻抗，又可以降低注入的脉冲导致的三相交流电中电流或电压的畸变最大的一相的畸变程度。

下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种电网阻抗的测量方法和装置的具体实施方式进行说明。

图2为本发明实施例提供的测量电网阻抗的原理框图：逆变电路21将从直流电源DC接收到的直流电转换为三相交流电，其中，a相交流电经过电感L_a滤波后送到电网中，b相交流电经过电感L_b滤波后送到电网中，c相交流电经过电感L_b滤波后送到电网中，锁相环22分别采集a相电流、b相电流和c相电流，从而确定θ，即dqo坐标系中的d轴与αβo坐标系中的α轴之间的 夹角，确定了θ就可以知道a相电流、b相电流和c相电流的峰值时刻和过零点时刻；abc坐标系到dqo坐标系的转换电路23采集到的a相电流、b相电流和c相电流转换为d轴电流i_d和q轴电流i_q；减法器26计算d轴参考电流i_{d_ref}与脉冲发生器25生成的脉冲信号之差，减法器27计算减法器26计算的差减去d轴电流i_d之后的差，减法器27计算的差经过比例积分器30比例积分后送到dqo坐标系到abc坐标系的转换电路中；减法器28计算q轴参考电流i_{q_ref}与q轴电流i_q之差，减法器28计算的差经过比例积分器29比例积分后送到dqo坐标系到abc坐标系的转换电路24中；dqo坐标系到abc坐标系的转换电路24将接收到的dqo坐标系中的信号转换为abc坐标系中的信号，逆变电路21根据接收到的abc坐标系中的信号对逆变电路21中的开关器件进行控制，从而向电网施加脉冲信号。在图2中，电网中还包括了一些滤波器件，如电容C_ga、电容C_gb、电容C_gc、电阻R_Cga、电阻R_Cgb、电阻R_Cgc、电阻R_Lga、电阻R_Lgb、电阻R_Lgc、电感L_ga、电感L_gb和电感L_gc，从而对逆变电路输出给电网的电流进行滤波。

本发明实施例提供的一种电网阻抗的测量方法，如图3所示，包括：

S301、在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号，所述第一时刻为除三相交流电的任意一相的电流为峰值的时刻以外的一个时刻；

S302、确定施加脉冲信号时所述电网的电压和电流，也就是测量施加脉冲信号时电网在不同频率的电压和电流；

S303、根据确定的所述电网的电压和电流，确定所述电网的阻抗；针对某一个频率，在确定了电网在该频率的电压和电流后，由该频率的电压和电流可以获得电网在该频率的阻抗。

由于脉冲的注入的方式是在d轴电流给定上施加的，这样三相交流电的a相、b相和c相都会在脉冲信号注入的时候受到扰动，但是对于每一相来说，受到扰动时刻的相位和受到的扰动的大小是不同的，并且这种差异会随着d轴电流给定上注入脉冲信号的时刻的不同而改变。

现有技术是在三相交流电中的任意一相的电流的峰值时刻注入脉冲信号，而本发明实施例提供的电网阻抗的测量方法是在除三相交流电中的任意一相的电流的峰值时刻以外的一个时刻注入脉冲信号。

在dqo坐标系中，由于包含电网的系统进入稳态后，电压电流均被控制到d轴，即三相电压与电流在dqo坐标系中是一个恒定不变的向量，无法直接从中看出脉冲信号注入时刻不同所产生的影响，所以应该回到静止坐标系，即αβo坐标系和abc坐标系去考虑问题。

当dqo坐标系中的d轴与abc坐标系中的a轴和αβo坐标系中的α轴重合，也即三相合成向量与两个静止坐标系的坐标轴重合时，三相交流电中的一相的电流为峰值；当d轴与β轴重合时，三相交流电中的一相的电流为零，即d轴与β轴重合的时刻为三相交流电中的一相的电流的过零点时刻。在三相交流电的一个周期中，与转子的直轴重合的d轴在αβ平面上旋转一周。

当脉冲信号加在d轴电流给定上，且脉冲信号的持续时间相对于一个市电周期来说是很短的，因此当注入脉冲信号时，可以近似的认为d轴电流给定是不变的。

在a相电流到达峰值时在d轴电流给定上施加脉冲信号，实际上在αβo坐标系中可以看作是将脉冲信号施加到了α轴电流给定上，若脉冲信号的强度为1，则相当于在αβo坐标系中施加的脉冲信号为[1 0 0]^T,这一脉冲信号投影到abc坐标系上，利用αβo坐标系到abc坐标系的转换关系，得到这一脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量的比例为1:-1/2:-1/2。

当在任意一个时刻在d轴电流给定上施加脉冲信号，在αβo坐标系中可以看作是该脉冲信号分别投影到了α轴和β轴，若脉冲信号的强度为1，根据dqo坐标系与αβo坐标系的转换关系，可以知道在αβo坐标系中施加的脉冲信号为[cosθ sinθ 0]^T,其中，θ为d轴与α轴的夹角，这一脉冲信号投影到abc坐标系上，利用αβo坐标系到abc坐标系的转换关系，得到这一脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量的比例为cosθ：cos(θ-2π /3):cos(θ+2π/3)，脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量如图4所示。

在a相电流到达峰值时在d轴电流给定上施加脉冲信号，d轴与α轴重合，因此，θ为0或者为π。当θ为0时，相当于在αβo坐标系中施加的脉冲信号为[1 0 0]^T,脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量的比例为1:-1/2:-1/2；当θ为π时，相当于在αβo坐标系中施加的脉冲信号为[-1 0 0]^T,脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量的比例为-1:1/2:1/2。也就是说，在a相电流到达峰值时在d轴电流给定上施加脉冲信号，该脉冲信号在a轴上的分量达到最大值1，即a轴上的扰动达到最大扰动，这会造成a相电流(或电压)的畸变程度最大，该脉冲信号在b轴上的分量，即b轴上的扰动和该脉冲信号在c轴上的分量，即c轴上的扰动相等，均大于最小值-1，因此，b轴上的扰动和c轴上的扰动均小于最大扰动。

从图4中还可以看出，当θ由0开始逐渐增大时，也就是a相电流由最大值逐渐减小时，a轴上的扰动从最大扰动逐渐减小，b轴上的扰动逐渐减小(也就是脉冲信号在b轴上的分量的绝对值逐渐减小)，c轴上的扰动逐渐增大(也就是脉冲信号在c轴上的分量的绝对值逐渐增大)接近最大扰动；当θ为π/6时，b轴上的扰动为零，a轴上的扰动与c轴上的扰动相等，而θ为π/6的时刻是b相电流的过零点时刻；当θ为π/3时，c轴上的扰动达到最大扰动，这会造成c相电流(或电压)的畸变程度最大，a轴上的扰动与b轴上的扰动相等，均小于最大扰动，而θ为π/3的时刻是c相电流的峰值时刻。

因此，从图4中可以看出，当在除三相交流电中的任意一相的电流的峰值时刻以外的任意一个时刻在d轴电流给定上施加脉冲信号时，a轴上的扰动、b轴上的扰动和c轴上的扰动均小于最大扰动。

假设在X轴(X轴为a轴、b轴和c轴中扰动最大的轴)上的扰动为最大扰动时，导致X相电流(或电压)的畸变程度为MAX；那么在X轴上的扰动小于最大扰动时，导致的X相电流(或电压)的畸变程度小于MAX，因此， 如果在d轴电流给定施加同样强度的脉冲信号，在除三相交流电中的任意一相的电流的峰值时刻以外的任意一个时刻施加所导致的三相交流电中畸变程度最大的一相电流(或电压)的畸变程度，均小于在三相交流电中的任意一相的电流的峰值时刻施加所导致的三相交流电中畸变程度最大的一相电流(或电压)的畸变程度。

较佳地，在三相交流电中的任意一相的电流的过零点时刻，以a相为例，即在a相电流的过零点时刻，在d轴电流给定上施加脉冲信号，此时，d轴与β轴重合，θ为π/2或者为3π/2。当θ为π/2时，相当于在αβo坐标系中施加的脉冲信号为[0 1 0]^T,脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量的比例为当θ为3π/2时，相当于在αβo坐标系中施加的脉冲信号为[0 -1 0]^T,脉冲信号在abc坐标系中的a轴、b轴和c轴上的分量的比例为这样所导致的三相交流电中畸变程度最大的一相电流(或电压)的畸变程度最小，从而有利于保证三相电压或电流任意一相的畸变都不会超出允许范围。

每一相交流电在一个周期内的过零点有两个，因此，对于三相交流电来说，一个周期内的过零点有六个。

进一步地，在d轴电流给定上施加的脉冲信号为双极性脉冲信号，该双极性脉冲信号可以为图5a或图5b所示的脉冲信号，当然，双极性脉冲信号也可以为其它波形的双极性脉冲信号，只要该脉冲信号的值有正有负即可。图5a或图5b所示的脉冲信号从-t₂时刻持续到t₃时刻，持续时间为t₃+t₂。

较佳地，在d轴电流给定上施加的脉冲信号为正负对称波形的双极性脉冲信号，该正负对称波形的双极性脉冲信号可以为图6a或图6b所示的脉冲信号，当然，也可以为其它正负对称波形的双极性脉冲信号。图6a或图6b所示的脉冲信号从-t₄时刻持续到t₄时刻，持续时间为2*t₄，脉冲信号的高度为H2。

下面仅分析图1b所示的脉冲信号的频谱和图6a所示的脉冲信号的频谱，假设图1b所示的脉冲信号的持续时间与图6a所示的脉冲信号的持续时间相 同，且为2*t，图1b所示的脉冲信号的高度与图6a所示的脉冲信号的高度相同，且为H。图1b所示的脉冲信号的傅里叶变换的表达式，即图1b所示的脉冲信号的频谱为：图6a所示的脉冲信号的傅里叶变换的表达式，即图6a所示的脉冲信号的频谱为：其中，ω为频率，j为单位虚数。

图1b所示的脉冲信号的频谱和图6a所示的脉冲信号的频谱，如图7所示。在图7中，H为1，t＝0.001s。从图7中可以看出，虚线波形是正负对称波形的双极性脉冲信号的频谱，实线波形是单极性脉冲信号的波形；在低频段，尤其是市电频率，正负对称波形的双极性脉冲信号的频谱幅值低于单极性脉冲信号的频谱幅值的，而由于包含电网的系统工作在低频段，并且在低频段包含电网的系统的噪声成分本来就比较少，因此，在将同样强度的脉冲信号注入电网中时，正负对称波形的双极性脉冲信号对包含电网的系统的影响小于单极性脉冲信号对包含电网的系统的影响，这可以降低电流谐波失真的最大值和电压谐波失真的最大值，从而有益于降低对系统的影响；而在高频段，正负对称波形的双极性脉冲的频谱幅值高于单极性脉冲信号的频谱幅值，因此，在将同样强度的脉冲信号注入电网中时，正负对称波形的双极性脉冲信号在测量高频段的电网阻抗的精度要高于单极性脉冲信号在测量高频段的电网阻抗的精度。

在实际中，通常采用周期性注入脉冲信号的方法来测量电网的阻抗，由于电网阻抗可能出在一种相对较快的变换过程中，因此如果能每隔一定的周期，就对系统进行一次扰动，即注入一次脉冲，完成一次测量，是有助于实时得知电网阻抗。如果要分析周期性的脉冲信号的注入对电网产生的影响，情况就不同了，这是因为，此时注入的脉冲信号成为了周期性的信号，它的分析应该用傅里叶级数展开来进行，换言之，周期性的脉冲信号的频谱是一系列的离散点。图8为周期性的单极性脉冲的频谱和周期性的正负对称波形的双极性脉冲的频谱，其中，表示的曲线为周期长度为0.06s的周期性的图1b所示的脉冲 信号的频谱曲线，表示的曲线为周期长度为0.04s的周期性的图1b所示的脉冲信号的频谱曲线，表示的曲线为周期长度为0.06s的周期性的图6a所示的脉冲信号的频谱曲线，表示的曲线为周期长度为0.04s的周期性的图6a所示的脉冲信号的频谱曲线，图1b所示的脉冲信号的持续时间与图6a所示的脉冲信号的持续时间相同，且为2*t，图1b所示的脉冲信号的高度与图6a所示的脉冲信号的高度相同，且为H，H为1，t＝0.001s。图8中的形状相同的离散的点是一种脉冲信号注入方式中所包含的实际频率点，如表示以0.06s为周期注入图6a所示的脉冲信号时的实际的频率点，表示以0.04s为周期注入图6a所示的脉冲信号时的实际的频率点，表示以0.06s为周期注入图1b所示的脉冲信号时的实际的频率点，表示以0.04s为周期注入图1b所示的脉冲信号时的实际的频率点。

把形状相同的离散的点连接起来后可以看出，周期长度为0.06s的周期性的图1b所示的脉冲信号的频谱曲线，以及周期长度为0.04s的周期性的图1b所示的脉冲信号的频谱曲线，与图1b所示的脉冲信号的频谱曲线的趋势是相同的，周期长度为0.06s的周期性的图6a所示的脉冲信号的频谱曲线，以及周期长度为0.04s的周期性的图6a所示的脉冲信号的频谱曲线，与图6a所示的脉冲信号的频谱曲线的趋势是相同的。不同的是注入的周期长度T越大，则基波频率1/T就越小，同时相邻两个频率点的之间的频率间隔1/T也会更小。注入的周期长度越小，全频带的频谱幅值更大。从图8中还可以看出，当图1b所示的脉冲信号的高度与图6a所示的脉冲信号的高度一致，图1b所示的脉冲信号的持续时间与图6a所示的脉冲信号的持续时间一致，且注入脉冲信号的周期长度一致时，在1kHz以下的中低频段，周期性的正负对称波形的双极性脉冲信号的频谱幅值低于周期性的单极性脉冲信号的频谱幅值，因此，周期性注入正负对称波形的双极性脉冲信号对包含电网的系统的影响小于周期性注入单极性脉冲信号对包含电网的系统的影响，这可以降低电流谐波失真的最大值和电压谐波失真的最大值，从而有益于降低对系统的影响；而在1kHz以上 的高频段，周期性注入的正负对称波形的双极性脉冲的频谱幅值高于周期性注入的单极性脉冲信号的频谱幅值，因此，周期性注入正负对称波形的双极性脉冲信号在测量高频段的电网阻抗的精度要高于周期性注入单极性脉冲信号在测量高频段的电网阻抗的精度。

进一步地，进一步地，本发明实施例提供的阻抗测量方法，如图9所示，S301具体包括：

S901、周期性地在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号；其中，任意相邻两次施加第一脉冲信号的时刻之间的时间间隔，不小于预设时间间隔，预设时间间隔一般不小于0.04s。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电网阻抗的测量装置，由于该装置所解决问题的原理与前述电网阻抗的测量方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的一种电网阻抗的测量装置，如图10所示，包括：

施加模块101，用于在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号，所述第一时刻为除三相交流电的任意一相的电流为峰值的时刻以外的一个时刻；

第一确定模块102，用于确定施加脉冲信号时所述电网的电压和电流；

第二确定模块103，用于根据确定的所述电网的电压和电流，确定所述电网的阻抗。

较佳地，所述第一时刻为三相交流电的任意一相的电流的过零点时刻。

可选地，所述脉冲信号为双极性脉冲信号。

较佳地，所述双极性脉冲信号为正负对称波形的双极性脉冲信号。

进一步地，施加模块101具体用于：周期性地在第一时刻在d轴电流给定上向电网施加脉冲信号；其中，任意相邻两次施加第一脉冲信号的时刻之间的时间间隔，不小于预设时间间隔。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明 实施例可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。