基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法与流程
本发明涉及电力电子，具体涉及基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法。
背景技术：
1、近年来，随着分布式可再生能源发电的兴起，构建以新能源为主体的新型电力系统建设的逐步推进，风电和光伏发电等大规模分布式电源接入电网，与此同时大规模电动汽车等新型负荷与其他以电力电子变换接口的负载在电网总负荷占比的不断提高，电网的源荷属性逐步呈现出电力电子化特征，为了保障电力系统的安全稳定运行，更快速高效的进行电网稳定性分析，从电网的稳定性分析需求出发，对分布式能源接入时电网电能质量进行探索。由于电网阻抗是一个实时变化的量，在设计分布式能源接入并网逆变器时，难以通过设计考虑逆变器负载及其他参数匹配电网阻抗。基于电网稳定性的奈奎斯特稳定判据可以知道，当并网逆变器的输出阻抗与电网阻抗不匹配将会引发谐波振荡。为了保障电网运行在稳定状态，在面对电网阻抗与逆变器阻抗的交互作用时，需要找到一种稳定可靠的解决方案避免对并网造成谐波振荡，以及大量谐波对电网的电能质量和安全稳定运行产生的危害。
2、解决并网逆变器的输出阻抗与所接入电网阻抗不匹配的问题有多种方案。一种方案是直接测量并网逆变器的输出阻抗与所接入电网的阻抗，确定阻抗能够匹配后，再进行逆变器并网，这种方案的缺陷是，在直接测量过程中需要使用特定仪器进行离线操作，在实际运行中这难以操作；另一种方案是，通过并网逆变器在线获取电网的阻抗信息，采取非侵入式算法对电网阻抗进行估计，这种方案虽然能够满足保障电网质量以及实时性强等优点，但缺点是其仅能在并网暂态时计算出电网阻抗；因此目前亟需一种快速、可靠、实时追踪的电网阻抗的在线评估方法。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中由分布式能源接入以及负荷侧高比例电力电子器件接入导致的能源转型背景下电力系统并网稳定性波动，传统的并网逆变器已经无法满足实时追踪跟踪电网阻抗的问题，本发明提出了一种快速、可靠、实时追踪的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法。
2、为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
3、基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
4、步骤a、通过并网逆变器向电网注入三角脉冲电流，对逆变器的输出电压电流信号进行采样；
5、步骤b、将采样后的dq电压电流信号通过小波变换分解为低频信号与高频信号；
6、步骤c、对于低频信号，进行希尔伯特黄变换，将信号分解成一系列固有模态函数imf，并计算取每个固有模态函数imf的瞬时频率；对于高频信号，进行快速傅里叶变换，获取电压、电流的频域特征；
7、步骤d、将高频部分的频域特征和低频部分的时频特征结合在一起，得到信号的全局特征；
8、步骤e、在频域上计算d轴与q轴上的电网阻抗；
9、步骤f、通过dq域电网阻抗的参数化rl模型，采用复杂曲线拟合方法对电网阻抗进行估算。
10、进一步的，步骤a中，在第一个电网频率过零点向电网进行三角脉冲注入。
11、进一步的，步骤a中，分为三个基频周期内分别对基波、d轴、q轴注入三角脉冲，在这三个基频周期内分别对基波电压电流、向d轴注入三角脉冲的电压电流、向q轴注入三角脉冲的电压电流进行采样。
12、进一步的，针对第一个基频周期，存储dq电压和电流测量值，保存为dq值基波背景值。
13、进一步的，针对第二个基频周期，在四分之一周期时向d轴注入第一个脉冲，存储电压值和电流值，去除第一个基频周期储存的基波背景值后，得到三角脉冲作用在d轴上的电压电流值。
14、进一步的，针对第三个基频周期，在四分之一周期时向q轴注入第二个脉冲，存储电压值和电流值；去除第一基频周期储存的基波背景值后，得到三角脉冲作用在q轴上的电压电流值。
15、进一步的，步骤e中，在频域上计算d轴与q轴上的电网阻抗，包括：
16、采用第二个基频周期、第三个基频周期的采样数据，按照下式在频域上分别计算d轴及q轴上的电网阻抗：
17、
18、
19、其中zgdd[ejω]为频域上电网在d轴上阻抗分量；vd[ejω]为频域上电网电压d轴分量；id[ejω]为频域上电网电电流d轴分量；zgqq[ejω]为频域上电网在q轴上阻抗分量；vq[ejω]为频域上电网电压q轴分量；iq[ejω]为频域上电网电电流q轴分量。
20、进一步的，步骤f中，dq域电网阻抗的参数化rl模型为：
21、zg(s)＝rg+lgs；
22、其中zg(s)为电网阻抗，rg为电网电阻值，lg为电网电感值；
23、采用如下的最佳曲线拟合多项式函数作为dq阻抗的参数估计有：
24、
25、其中，a0和a1为d轴参数电网阻抗的传递函数系数；a2和a3为q轴参数电网阻抗的传递函数系数；
26、将dq域电网阻抗的参数化rl模型与最佳曲线拟合多项式函数进行比较，得到电网阻抗分量为：
27、
28、其中，rgdd par和rgqq par为d轴与q轴电网电阻值；lgdd par和lgqq par为d轴与q轴电网电感值。
29、进一步的，还包括步骤f、对电网进行稳定性分析，判定过程如下：
30、对并网逆变器基于诺顿等效电路建模，电流源与逆变器输出阻抗并联；电网由戴维南等效电路表示为电压源与电网阻抗串联；确定电网阻抗与逆变器输出阻抗之比，只要该阻抗比满足奈奎斯特稳定判据，则系统保持稳定。
31、进一步的，电网阻抗在线估计除了正常周期进行外，还基于如下的事件启动并实施稳定性监控：逆变器输出电流变化超出阈值或pcc电压幅值变化超出阈值。
32、综上所述，本发明具有以下优点：
33、1、本发明能够让电网通过光伏、风电等并网逆变器输出参数自动判定电网阻抗，具有快速、可靠、可实时追踪等优点。
34、2、本发明选择采取三角脉冲电流注入，与其他波形注入技术相比，三角脉冲的优点是在短时间内能够快速估计、快速响应；三角脉冲编程到逆变器的离散控制中也更加容易，三角脉冲注入到dq电流参考值中能够达到更好的可控性；
35、3、本发明通过小波变换，将信号分解为不同频率的小波成分，可以提供更好的时频分辨率，对于瞬态信号和非平稳信号的处理效果更好，同时可以实现数据压缩，达到更快的处理速度；
36、4、本发明在变换过程中使用fft计算，能提供更准确的电网电压电流特性，fft表示了高频信号的频率成分，能够表达明确的频率特性；hht将信号分解成imf，每个imf的瞬时频率表达其时频特性，这种组合算法能够提供更快速准确的电网阻抗预估值；
37、5、本发明还可以在电力系统受到扰动时自动触发阈值电压，进行新一轮的阻抗计算及稳定性分析，自主响应系统变化，为系统提供阻抗匹配，增强新型电力系统稳定运行的显著效果；
38、6、本发明的电网阻抗估计方法基于小波变换与希尔伯特黄变换，在此基础上，除了实施电网阻抗计算，还可用于电网其他暂态参数的追踪，分析电网谐波、在线故障诊断等，提高分布式能源接入稳定性。
技术特征：
1.基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，步骤a中，在第一个电网频率过零点向电网进行三角脉冲注入。
3.如权利要求1所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，步骤a中，分为三个基频周期内分别对基波、d轴、q轴注入三角脉冲，在这三个基频周期内分别对基波电压电流、向d轴注入三角脉冲的电压电流、向q轴注入三角脉冲的电压电流进行采样。
4.如权利要求3所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，针对第一个基频周期，存储dq电压和电流测量值，保存为dq值基波背景值。
5.如权利要求3或4所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，针对第二个基频周期，在四分之一周期时向d轴注入第一个脉冲，存储电压值和电流值，去除第一个基频周期储存的基波背景值后，得到三角脉冲作用在d轴上的电压电流值。
6.如权利要求3或4所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，针对第三个基频周期，在四分之一周期时向q轴注入第二个脉冲，存储电压值和电流值；去除第一基频周期储存的基波背景值后，得到三角脉冲作用在q轴上的电压电流值。
7.如权利要求3所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，步骤e中，在频域上计算d轴与q轴上的电网阻抗，包括：
8.如权利要求1所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，步骤f中，dq域电网阻抗的参数化rl模型为：
9.如权利要求1所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，还包括步骤g、对电网进行稳定性分析，电网稳定性判定过程如下：
10.如权利要求9所述的基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，其特征在于，电网阻抗在线估计除了正常周期进行外，还基于如下的事件启动并实施稳定性监控：逆变器输出电流变化超出阈值或pcc电压幅值变化超出阈值。
技术总结
本发明公开了基于小波变换与希尔伯特黄变换的电网阻抗在线估计方法，属于电力电子技术领域，包括：通过并网逆变器向电网注入三角脉冲电流，对逆变器的输出电压电流信号进行采样；将采样dq电压电流信号通过小波变换分解为低频与高频信号；对于低频信号，进行HHT变换，将信号分解成一系列IMF，并计算每个IMF的瞬时频率；对于高频信号进行HTT变换，获取电压电流的频域特征；将高频频域特征和低频时频特征结合在一起，得到信号全局特征；在频域上计算dq轴上的电网阻抗；结合dq域电网阻抗的参数化RL模型，采用复杂曲线拟合方法估算电网阻抗。本发明能够让电网通过光伏、风电等并网逆变器输出参数自动判定电网阻抗，具有快速、可靠、可实时追踪等优点。
技术研发人员：徐箴箴,杨嘉伟,舒军,唐健,何文辉,张坤
受保护的技术使用者：东方电气集团科学技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23