一种基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器模型参数辨识方法

摘要

本发明提供了一种基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器模型参数辨识方法，该方法包括以下步骤：设定所述光伏逆变器的带辨识参数；获得带辨识参数的动态轨迹灵敏度；确定带辨识参数中的主导参数；设定扰动试验方案，获得扰动试验数据，预处理所述扰动试验数据；建立光伏逆变器仿真模型，进行参数辨识。该方法针对典型的光伏逆变器结构，提出其控制参数的动态轨迹灵敏度定义方法，并设计不同的扰动试验，确定控制器的主导参数，利用现代参数辨识方法辨识主导参数，从而得到光伏逆变器的准确仿真模型。

说明书

技术领域

本发明涉及一种系统参数辨识领域的方法，具体讲涉及一种基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器模型参数辨识方法。 

背景技术

系统辨识最先应用于现代控制理论，利用被控制系统的输入、输出数据，经计算机数据处理后，估计出系统的数学模型。将系统辨识方法应用于电力系统中，传统的系统设备已有广泛的应用，如发电机、原动机。各类控制系统及负荷模型。系统辨识过程主要包括四个方面：建立模型、设计试验及测试，辨识方法及应用等。首先，建立模型可根据对被辨识系统的了解程度分为物理建模和辨识建模，其中，对被辨识系统的物理结构有一定了解并在此基础上进行建模称之为物理建模；对被辨识系统结构未知，而根据动态数据进行模型结构辨识的称之为辨识建模。其次，根据需要辨识的系统模型结构和参数，设计试验，包括扰动信号的选择、采样方法和区段等，取得待辨识的试验数据。最后，辨识方法及应用，根据模型结构和参数确定合适的辨识方法，如经典辨识法、现代辨识法等；系统辨识中，等价准则（即辨识方法）是核心问题，是衡量模型结构和参数品质的指标。 

除了电力系统传统元件建模外，随着新能源发电接入系统容量的不断增加，以及分布式发电和微电网的逐步发展，包括光伏发电在内的新能源发电的建模研究亟待解决。 

典型的并网光伏发电系统由光伏方阵及并网光伏逆变器构成，如图1所示，光伏方阵将太阳能转换为直流电能，逆变器随之将直流电变换为交流电并入系统中。通常情况下光伏逆变器实现光伏方阵最大功率跟踪控制、并网波形控制及安全保护控制等，在很大程度上反应了光伏发电系统的动态特性，是其核心设备。并网光伏逆变器采用电力电子技术中的电压源逆变电路结构，通过控制逆变器交流侧电压矢量来间接控制其输出电流矢量，从而实现并网及网侧有功功率和无功功率控制，如图2所示。 

在已知光伏逆变器模型结构的基础上，如何设计合理的扰动试验，获取试验数据，对光伏逆变器的控制参数进行辨识，从而得到光伏逆变器的准确模型尤为重要。 

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器参数辨识方法，该方法针对典型的光伏逆变器结构，提出其控制参数的动态轨迹灵敏度定义方法， 并设计不同的扰动试验，确定控制器的主导参数，利用现代参数辨识方法辨识主导参数，从而得到光伏逆变器的准确仿真模型。 

实现上述目的所采用的解决方案为： 

一种基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器模型参数辨识方法，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：I、设定所述光伏逆变器的带辨识参数； 

II、获得带辨识参数的动态轨迹灵敏度； 

III、确定带辨识参数的主导参数； 

IV、设定扰动试验方案，获得扰动试验数据； 

V、建立光伏逆变器仿真模型，进行参数辨识。 

进一步的，所述步骤I中光伏逆变器的带辨识参数包括光伏逆变器直流电压外环控制的PI控制参数Kp_udc、Ki_udc，有功电流内环控制的PI控制参数Kp_id、Ki_id，无功电流内环控制的PI控制参数Kp_iq、Ki_iq。 

进一步的，所述步骤II包括设置扰动仿真，确定带辨识参数的动态轨迹灵敏度。 

进一步的，所述动态轨迹灵敏度的确定方法包括，在扰动仿真中依次改变光伏逆变器的带辨识参数，获得光伏逆变器输出特性的变化量与控制参数变化量之比如下式（1）： 

$\left(\begin{array}{c}{S}_{p\_{\theta }_i}=\frac{\Delta P_t}{\Delta {\theta }_i}=\frac{P_t({\theta }_1,···{\theta }_i+{\mathrm{\Delta \theta }}_i,···{\theta }_9)-P_t({\theta }_1,···{\theta }_i,···{\theta }_9)}{{\mathrm{\Delta \theta }}_i}\\ S_{q\_{\theta }_i}=\frac{\Delta Q_t}{{\mathrm{\Delta \theta }}_i}=\frac{Q_t({\theta }_1,···{\theta }_i+{\mathrm{\Delta \theta }}_i,···{\theta }_9)-Q_t({\theta }_1,···{\theta }_i,···{\theta }_9)}{{\mathrm{\Delta \theta }}_i}\end{array}\right)---\left(1\right);$

其中，θ_i表示任一所述带辨识参数，分别表示所述带辨识参数在t时刻对光伏逆变器有功功率和无功功率的灵敏度，不同时刻的灵敏度曲线为所述带辨识参数对有功功率或无功功率的动态轨迹灵敏度；ΔP_t、ΔQ_t分别表示光伏逆变器有功功率和无功功率的变化量，Δθ_i表示带辨识参数变化率。 

进一步的，所述扰动仿真包括直流扰动和交流扰动； 

所述直流扰动包括： 

S301、瞬间改变光伏方阵输入辐照度，至稳定运行； 

S302、瞬间改变光伏方阵工作温度，至稳定运行； 

所述交流扰动包括： 

S303、光伏逆变器工作在额定运行状态，改变光伏逆变器交流侧电压至alpha*Un，至稳定运行； 

其中，Un表示光伏逆变器交流侧电压额定值，alpha表示光伏逆变器交流侧电压跌落后的百分比。 

进一步的，所述步骤III中主导参数的确定方法包括，根据所述步骤II获得带辨识参数的动态轨迹灵敏度，确定扰动仿真过程中所述动态轨迹灵敏度最大的参数为主导参数，其他参数为非主导参数。 

进一步的，所述步骤IV包括，获得所述动态轨迹灵敏度最大时的扰动仿真，根据所述光伏逆变器的主导参数，提出扰动试验方案，通过扰动试验系统进行扰动试验，获得扰动试验数据，并对扰动试验数据进行预处理。 

进一步的，所述扰动试验方案包括： 

S401、设置被辨识光伏逆变器额定运行状态； 

S402、根据扰动方案改变待辨识光伏逆变器一侧的电压，至被辨识逆变器稳定运行； 

S403、恢复所述电压至被辨识逆变器稳定运行； 

所述扰动试验系统包括依次连接的可控直流电源、被辨识光伏逆变器、单元升压变压器、网侧电压扰动装置、电阻三和电网电压源，所述电网电压源接地；所述网侧电压扰动装置包括电阻一、电阻二、开关一和开关二，所述电阻一分别连接所述单元升压变压器和电阻三，所述开关一并联电阻一，所述电阻二一端通过开关二连接所述单元升压变压器，另一端接地； 

所述扰动试验数据包括所述可控直流电源和被辨识光伏逆变器之间的电压电流瞬时值，及被辨识光伏逆变器和单元升压变压器之间的电压电流瞬时值。 

进一步的，预处理所述扰动试验数据，获得进行参数辨识的动态数据，所述预处理包括以下步骤： 

S404、对测试数据进行低通滤波，滤除由于测试信号自身携带或测试过程中增加的高频谐波分量； 

S405、提取基波正序分量，对测试的三相瞬时值进行基波正序分量提取； 

S406、功率计算，根据计算得到的基波正序分量提取，计算光伏逆变器输出的有功功率和无功功率； 

S407、重采样率，根据模型参数辨识的需要进行重新采样，改变测试数据的采样率以满足需要。 

进一步的，所述步骤V包括，根据扰动试验测试的动态数据，建立光伏逆变器仿真模型，根据扰动试验系统，对光伏逆变器仿真模型和待辨识光伏逆变器同时进行扰动设置，运用准则函数进行动态校核。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

（1）本发明的方法定义了光伏逆变器的动态轨迹灵敏度，根据灵敏度确定了主导光伏逆变器动态特性的参数，确定需要进行辨识的参数，得到更准确的光伏逆变器仿真模型。 

（2）本发明的方法针对主导参数设计参数辨识试验方案，数据更准确，从而得到准确的光伏逆变器仿真模型。 

（3）本发明的方法基于电力系统仿真平台和参数辨识优化算法平台联合运行，得到参数辨识结果的同时，对仿真模型进行动态校核，提供效率和准确度。 

（4）本发明的方法可适用于建立光伏逆变器暂态模型，通过参数灵敏度分析确定模型主导参数，通过对光伏逆变器的模型参数辨识，得到准确的光伏逆变器暂态模型，能准确有效描述光伏逆变器暂态运行特性，为光伏发电接入电力系统的稳定分析提供基础支撑。 

附图说明

图1为并网光伏发电系统结构示意图； 

图2为基于电网电压定向矢量的光伏逆变器有功、无功解耦控制方法流程图； 

图3为光伏逆变器参数辨识数据预处理流程图； 

图4为参数辨识平台与电力系统仿真联合运行连接关系示意图； 

图5为光伏逆变器扰动测试系统示意图； 

图6为光伏逆变器网侧电压仿真与实测曲线对比图； 

图7为光伏逆变器输出有功功率仿真与实测曲线对比图； 

图8为光伏逆变器输出无功功率仿真与实测曲线对比图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。 

本发明公开了一种基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器模型参数辨识方法，该方法是系统辨识在光伏逆变器建模中的应用。首先，确定光伏逆变器的模型结构，并确定带辨识参数；其次，定义各参数针对光伏逆变器输出特性的动态轨迹灵敏度，并定量计算灵敏度，确定光伏逆变器的主导参数；再次，针对光伏逆变器的主导参数提出参数测试方案，进行试验，并对试验数据进行预处理；最后，利用电力系统仿真平台和参数辨识平台联合运行，进行参数辨识及模型动态校核。 

如图4参数辨识平台与电力系统仿真联合运行连接关系示意图所示，基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器参数辨识系统包括电力系统仿真平台和待辨识光伏逆变器；通过电力仿真系统平台建立光伏逆变器仿真模型，根据光伏逆变器参数动态轨迹灵敏度定义；设置扰动仿真，计算光伏逆变器参数的动态轨迹灵敏度，确定主导参数；根据主导参数提出扰动试验方案，进行扰动试验并对获得的试验参数进行预处理；根据试验的数据进行光伏逆变器模型参数辨识，扰动设置同时在电力系统仿真平台和待辨识光伏逆变器进行，应用函数校核方法校核仿真模型。 

如图5所示，扰动仿真系统包括依次连接的可控直流电源、被辨识光伏逆变器、单元升压变压器、网侧电压扰动装置、电阻三ZG、电网电压源，电网电压源接地。网侧电压扰动装置包括开关一S1和开关二S2、电阻一X1和二X2，电阻一S1和开关一X1并联，电阻二S2和开关二X2串联接地，开关二S2连接单元升压变压器；电阻一S1两端分别连接单元升压变压器和电阻三ZG。图中，可控直流电源和被辨识光伏逆变器之间为测量点一，被辨识光伏逆变器和单元升压变压器之间为测量点二。 

基于动态轨迹灵敏度的光伏逆变器模型参数辨识方法包括以下步骤： 

步骤一、确定光伏逆变器的带辨识参数，包括：光伏逆变器直流电压外环控制的PI控制参数Kp_udc、Ki_udc，有功电流内环控制的PI控制参数Kp_id、Ki_id，无功电流内环控制的PI控制参数Kp_iq、Ki_iq。 

确定各参数的动态轨迹灵敏度：在某种扰动中，改变光伏逆变器的模型参数，获得所引起的光伏逆变器输出特性（光伏逆变器有功功率和无功功率）的变化量与控制参数变化量之比，如下式（1）： 

$\left(\begin{array}{c}{S}_{p\_{\theta }_i}=\frac{\Delta P_t}{\Delta {\theta }_i}=\frac{P_t({\theta }_1,···{\theta }_i+{\mathrm{\Delta \theta }}_i,···{\theta }_9)-P_t({\theta }_1,···{\theta }_i,···{\theta }_9)}{{\mathrm{\Delta \theta }}_i}\\ S_{q\_{\theta }_i}=\frac{\Delta Q_t}{{\mathrm{\Delta \theta }}_i}=\frac{Q_t({\theta }_1,···{\theta }_i+{\mathrm{\Delta \theta }}_i,···{\theta }_9)-Q_t({\theta }_1,···{\theta }_i,···{\theta }_9)}{{\mathrm{\Delta \theta }}_i}\end{array}\right)---\left(1\right);$

式中，θ_i表示上述6个带辨识参数中的任意一个；ΔP_t、ΔQ_t分别表示光伏逆变器有功功率和无功功率的变化量；Δθ_i表示带辨识参数变化率；分别表示在该参数在t时刻对光伏逆变器有功功率和无功功率的灵敏度，不同时刻的灵敏度曲线即为该参数对有功功率或无功功率的动态轨迹灵敏度。 

步骤二、利用仿真分析不同扰动条件下的光伏逆变器参数动态轨迹灵敏度；设定在某一扰动过程中动态轨迹灵敏度较大的参数为主导参数，其他参数为非主导参数。光伏逆变器的 扰动仿真主要包括光伏逆变器直流扰动和交流扰动。 

其中，直流扰动包括步骤201、202，交流侧扰动包括步骤203。 

步骤201：改变光伏方阵输入辐照度，间接改变光伏逆变器直流侧输入电流：设置光伏方阵辐照度初始值为S0，瞬时改变辐照度至S1，至稳定运行； 

步骤202：改变光伏方阵工作温度，间接改变光伏逆变器最大功率点工作电压：设置光伏方阵工作温度初始值为T0，瞬时改变工作温度至T1，至稳定运行； 

步骤203：光伏逆变器工作在额定运行状态，改变光伏逆变器交流侧电压至alpha*Un，至稳定运行，其中，Un表示光伏逆变器交流侧电压额定值，alpha表示光伏逆变器交流侧电压跌落后的百分比。 

步骤三、通过步骤二中的不同扰动设置，确定可以成为光伏逆变器模型主导参数的参数，并根据主导参数设计扰动试验方案，获得扰动试验测试数据，对扰动试验测试数据进行预处理；在任何扰动中都不是主导参数的参数，说明对光伏逆变器的动态响应特性较小，在仿真建模中根据经验给出典型值。 

本发明的一种实施例中，在光伏逆变器交流侧设置扰动得到的各参数动态轨迹灵敏度与光伏逆变器直流侧输入电能扰动测试相比较更大，则扰动试验方案包括步骤： 

S301、设置被辨识光伏逆变器额定运行状态； 

S302、通过调节电网电压和网侧电压扰动装置，分别设置被辨识光伏逆变器网侧电压跌落或升高，至逆变器稳定运行； 

S303、恢复逆变器交流侧电压至逆变器稳定运行。 

同理，反之亦可。 

预处理如图3所示，包括以下步骤： 

S304、对测试数据进行低通滤波，滤除由于测试信号自身携带或测试过程中增加的高频谐波分量； 

S305、提取基波正序分量，对测试的三相瞬时值进行基波正序分量提取； 

S306、功率计算，根据计算得到的基波正序分量提取，计算光伏逆变器输出的有功功率和无功功率； 

S307、重采样率，根据模型参数辨识的需要进行重新采样，改变测试数据的采样率以满足需要。 

步骤四、如图4所示，根据所述扰动试验测试的动态数据，建立光伏逆变器仿真模型，进行所述光伏逆变器模型参数的辨识，对光伏逆变器仿真模型和待辨识光伏逆变器同时进行 扰动设置，运用准则函数进行动态校核。 

本发明的一种实施例中，光伏逆变器初始运行状态为额定工况运行，此时光伏方阵辐照度为1000W/m²，运行1s时刻，改变光伏方阵辐照度至800W/m²，仿真时间至光伏逆变器稳定运行。分别使得各参数增加20%，重新仿真以上过程，根据本发明方法的步骤一计算各参数对光伏逆变器有功功率和无功功率的动态轨迹灵敏度。进行扰动仿真： 

（1）直流扰动 

在辐照度扰动过程中，获知，光伏逆变器Udc外环控制PI参数Kp_udc、Ki_udc的有功功率动态轨迹灵敏度明显大于其他参数的动态轨迹灵敏度，因此在这一扰动工况下，光伏逆变器的Udc外环控制参数为有功控制的主导参数。 

在辐照度扰动过程中，获知，光伏逆变器Udc外环控制PI参数Kp_udc、Ki_udc和无功电流内环PI控制参数Kp_iq、Ki_iq的无功功率动态轨迹灵敏度明显大于其他参数的动态轨迹灵敏度，灵敏度排序为S_{q_Kpiq}＞S_{q_Kpudc}＞S_{q_Kiudc}＞S_{q_Kiiq}，因此在这一扰动工况下，光伏逆变器的Udc外环控制参数和无功电流内环PI控制参数Kp_iq、Ki_iq为无功控制的主导参数。 

（2）交流扰动 

光伏逆变器初始运行状态为额定工况运行，此时光伏逆变器网侧电压为额定电压，运行1s时刻，改变光伏逆变器网侧电压至90%额定电压，仿真时间至光伏逆变器稳定运行。分别使得各参数增加20%，重新仿真以上过程，参照步骤一计算各参数的动态轨迹灵敏度。 

在网侧电压扰动过程中，获得，光伏逆变器控制参数对有功功率的动态轨迹灵敏度大小比较为：S_{p_Kpudc}＞S_{p_Kpid}＞S_{p_Kiudc}＞S_{p_Kiid}＞S_{p_Kpiq}＞S_{p_Kiiq}。该扰动引起的各参数对无功功率的动态轨迹灵敏度远大于由辐照度扰动引起的灵敏度。 

在网侧电压扰动过程中，获得，光伏逆变器控制参数对无功功率的动态轨迹灵敏度大小比较为：S_{q_Kpiq}＞S_{q_Kiiq}＞S_{q_Kpudc}＞S_{q_Kpid}＞S_{q_Kiudc}＞S_{q_Kiid}。该扰动引起的各参数对无功功率的动态轨迹灵敏度远大于由辐照度扰动引起的灵敏度。 

最终获知，与光伏逆变器直流侧输入电能扰动测试相比较，在光伏逆变器交流侧设置扰动得到的各参数动态轨迹灵敏度更大，更利于光伏逆变器的模型参数辨识。 

由此设计光伏逆变器参数辨识扰动试验内容如下，光伏逆变器网侧电压扰动试验系统如图5所示。扰动试验包括： 

1）设置被辨识光伏逆变器额定运行状态； 

2）通过调节电网电压和网侧电压扰动装置，分别设置被辨识光伏逆变器网侧电压跌落（或升高）至0.95p.u.、0.9p.u.（或1.05p.u.、1.1p.u.），至逆变器稳定运行持续2s； 

3）恢复逆变器交流侧电压为1p.u.至逆变器稳定运行。 

扰动试验过程中测量如图5中的测量点一、测量点二的电压、电流瞬时值，并依据图3测试数据预处理流程图所示处理测试数据。 

根据本发明步骤四，在电力系统仿真模型中设置与上述试验相同的扰动类型，运用上述扰动试验系统，在对光伏逆变器仿真模型和被辨识光伏逆变器同时进行扰动设置，选取准则函数进行试验校核，本实施例中选择非线性最小二乘拟合法比对光伏逆变器的输出有功功率和无功功率，即仿真数据在最小方差意义上与实验测试数据最好的拟合。 

由上述步骤，获得如图6-8的光伏逆变器网侧电压仿真与实测曲线对比，获得光伏逆变器输出有功功率仿真与实测曲线对比，光伏逆变器输出无功功率仿真与实测曲线对比；根据获得的曲线进行对比。 

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。