独立式宽频电网阻抗测量装置的运行与不确定度表征研究

《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：Operation and Uncertainty Characterization of a Standalone Wideband-frequency Grid Impedance Measurement Device

为解决电力电子变换器并网引发的谐波稳定性问题，研究人员开展了一项关于独立式宽频电网阻抗测量装置（WFZ）的研究。该研究提出了顺序与并行两种操作序列，通过伪随机二进制序列（PRBS）注入小信号扰动，实现了电网阻抗的非侵入式宽频测量。研究结果表明，该装置在时变电网谐波和并联变流器存在下仍能保持鲁棒性，并通过宽频和逐频两种表征方法量化了测量不确定度。这项工作为电网阻抗在线监测提供了高精度、低谐波畸变的解决方案，对保障新型电力系统稳定运行具有重要意义。

　　

随着电力电子变换器在电网中的渗透率不断提高，现代电力系统的稳定性面临严峻挑战。电力电子设备缺乏传统同步机组的旋转惯性，其宽带宽特性易引发谐波不稳定和电能质量问题。近年来，因控制带宽过宽、锁相环引入的非线性以及并联谐振效应导致的谐波失稳事件屡见不鲜。弱电网通常表现为低惯性、高电网阻抗的特征，而谐波稳定性普遍采用阻抗法进行分析，因此电网阻抗的精确测量对于谐波稳定性监测与缓解策略至关重要。

传统的大信号扰动方法（如负载投切）会在测量过程中对电网造成显著扰动，可能影响系统稳定运行。相比之下，小信号扰动方法通过注入微小电流扰动来测量线性化阻抗，具有非侵入性优势。然而，现有的基于正弦扫频的方法测量时间长，难以捕捉快速变化的电网参数；而基于伪随机二进制序列（PRBS）的白噪声注入技术虽能实现实时测量，但多依赖于现有变流器进行集成，缺乏独立移动式测量设备的灵活性。

为此，发表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》的这项研究提出了一种独立式宽频电网阻抗测量装置（WFZ）。该装置采用基于B6C拓扑的三相全桥变流器结构，AC侧配备LCL滤波器，DC侧仅需直流链路电容，无需专用直流电源即可实现即插即用。研究人员创新性地设计了顺序与并行两种操作序列：顺序法依次扰动d轴和q轴电流，分时获取阻抗矩阵元素；并行法则通过正交信号（PRBS和逆重复序列IRS）同时扰动d-q轴，实现阻抗矩阵元素的同步测量。关键技术创新包括：1）采用宽频PRBS扰动信号注入技术；2）开发基于dq域电流控制与直流电压外环的级联控制系统；3）设计包含PRBS发生器、FIFO缓冲器和非参数阻抗计算算法的WFZ信息管理模块；4）提出宽频与逐频两种不确定度表征方法。

研究结果通过仿真与实验得到验证。仿真研究表明，顺序法在测量精度和总谐波畸变（THD）方面优于并行法（绝对误差降低约50%），但并行法的测量时间缩短近一半。控制器带宽对低频段阻抗测量精度影响显著，低带宽控制器可有效改善低频性能。PRBS幅值的选择需在测量精度与THD之间权衡，通常选取额定电压的10%可实现较优平衡。装置在时变背景谐波（符合EN-50160标准）和并联变流器（整流/逆变模式）工况下仍能保持稳定测量，验证了其鲁棒性。

实验部分采用低压原型装置（开关频率20kHz）在电网模拟器环境中进行测试。结果表明，装置在0.3-4.5kHz频段内测量精度最高，阻抗幅值与相位曲线与参考测量（Venables 350c频率分析仪）高度吻合。通过100次重复实验的统计分析，宽频表征显示装置平均绝对误差为0.317（标准差0.026）；逐频表征进一步揭示了谐振频率点（约2.5kHz）处不确定度的增加，为装置性能优化提供了方向。

该研究成功开发了一种非侵入式宽频电网阻抗测量装置，通过优化操作序列与扰动策略，实现了电网阻抗的快速精确测量。提出的不确定度表征方法为同类设备性能评估建立了新标准。尽管当前研究聚焦于线性阻抗测量，未来可扩展至频率耦合矩阵（FCM）测量以捕捉电力电子设备的非线性特性。这项工作为电网阻抗在线监测提供了可靠工具，对保障高比例新能源接入下电网的安全稳定运行具有重要实践价值。