专利名称：电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法
技术领域：
本发明涉及一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法，适用于并网型逆变器、无功补偿器、不间断电源等电力设备控制中基准信号的检测，尤其适合于非理想电网条件下风力发电机组增强运行能力控制，以及四象限可逆交流调速传动系统高性能控制所需的电网基波电压相位、幅值和频率的快速获取。
背景技术：
近年来，随着不可控整流器、不可逆交流调速传动系统、无功补偿装置、太阳能光伏发电并网逆变器及单相供电的电力机车等电力电子设备在电力系统中的广泛应用，电网电压谐波污染及三相不平衡问题日趋严重，造成电网电压、电流波形畸变和负序分量的生成，影响所接其他负载的安全运行。特别是在分布式发电系统(风力发电、太阳能光伏发电等)大规模并网的地区，各种电力电子设备的集中使用，使得局部电网电压波形畸变十分严重。与此同时，这些地区的电网往往处于偏远的电力系统末端，系统的稳定性较差，易发生各类电网故障，引起电网电压骤降、相位跳变、三相电压不对称等问题，影响到用作控制基准的电网基波电压频率、相位和幅值的准确检测，恶化了控制系统、特别是矢量控制系统的运行性能，给各种电力电子设备的运行控制带来困难。因此，在电网发生故障导致电压波形畸变及三相不平衡时，对电压基波同步信号的快速准确检测就成为各种电力电子设备实现有效运行控制的前提和关键。正常电网条件下电网中只存在基波正序电压，采用传统的电压过零检测或锁相环 (Phase-locked loop, PLL)技术即可方便地获得电压同步信号作为控制基准。但是当电网电压含有低次谐波及三相不平衡时，因传统锁相环不能抑制谐波及负序分量的干扰，使故障电网电压的过零点并非其基波的过零点，产生了检测误差。一种简单的处理办法是将畸变电压实行信号滤波并作相位补偿后作为基波电压来使用，但这将导致响应速度变慢且电压幅值检测存在较大误差。
现有改进传统PLL检测方法可以归纳为三类
1.采用滤波器的方法。为了排除谐波和负序分量对基波电压正序分量频率和相位检测
的影响，通常采用低通滤波器或者陷波器滤除轴电网电压中的交流分量来保持为直流
量，以满足PI控制器的有效工作条件并维持其输出(电网电压频本d)的稳定。这种方法可以有效滤除谐波和负序分量的干扰，但因在控制闭环中引入了滤波器而严重影响PLL的动态响应速度，导致对基波电压正序分量频率、相位和幅值检测的滞后。2.采用相序分离的方法。为了消除电网电压中所含的谐波及负序分量，锁相环中采用基于对称分量法的相序分离方法或改进相序分离方法来提取所需要的基波电压信号。 虽然这种方法也会引入正、负序分离的时延，但由于相序分离处理位于PLL控制环之外，因而对PLL动态性能无影响。这类方法的缺陷是相序分离计算复杂且对电网频率扰动极为敏感。3.改进控制器的方法。为了克服上述两类检测方法的缺陷，改进传统PLL中的PI控制器成为锁相环研究的热点。比较典型的是采用超前/滞后控制器(Lag/lead
controller)取代PI调节器对t/:进行调节。这种改进调节器采取增大控制系统带宽以提
高动态响应速度，同时还具有滤除中的二倍频(负序)和指定次数谐波的能力。但这类控制器的设计需解决系统稳定性与动态响应速度之间的矛盾，系统控制参数设计较为复杂。
通过以上分析可见，现有电网电压谐波畸变及三相不平衡时基波电压同步信号的检测方法的核心内容是力图克服电网电压中谐波和负序分量对PI控制器的影响。这是因为当电网谐波畸变及三相不平衡时，正转同步旋转坐标系中表达的电网电压而轴分量均含有6倍频(300Hz)和2倍频(IOOHz)脉动分量。传统PLL所采用的PI控制器受调节带宽和增益裕度的限制难以实现对交流分量的有效调节，导致同步旋转坐标系中输出电压幅值、频率的波动和锁相角的抖动，严重影响了检测效果。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号的检测方法。本发明的电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法，包含以下步骤
1.利用一组(三个)电压霍尔传感器采集三相电网电压信号Oaltf;
2.将采集到的定子电压信号Ofifc经过静止三相/两相坐标变换，得到包含电压谐波及正、负序分量的电网电压综合矢量
3.利用相位角-对所得到的静止坐标系中电网电压综合矢量作正转同步速旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标系中的电网电压综合矢量;
4.将步骤3所获得的电网电压综合矢量U;的q轴信号送入所设计的PI控制器进行调节，获得电网正序基波电压的频率 ，则电网频率/对获得的正序基波电压的频率_进行积分运算，即可获得电网正序基波电压的相位角沒
5.将步骤3所获得的电网电压综合矢量17纟的q轴信号送入所设计的谐振式PLL进行调节，获得电网电压的真实相位具体步骤为
5. 1利用谐振式PLL输出的反馈相位信号^对!^进行正转同步速旋转坐标变换，得到
正转同步速旋转坐标系中含有直流分量与2倍频、6倍频交流量之和的电压综合矢量；
5. 2将正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量Ujf的q轴分量 < 送入PI调节器，获得
三相电网电压正序分量的角频率_；
5. 3将步骤5. 2得到的三相电网电压角频率_进行积分，获得三相电网电压正序分量的相位角·；
5. 4采用如5. 2相同的步骤将电压综合矢量IJ:的q轴分量《送入谐振补偿器，得到三相电网电压相位跟踪补偿相位角Δ φ
5.5将步骤5. 3得到的电网电压相位角浸与步骤5. 4得到的补偿相位信号Δ炉进行力口法运算，即可获得真实相位信号f ,即炉=Θ+Δ炉,进而构成闭环控制
6.对步骤2所获得的电网电压综合矢量^_根据步骤5得到的相位_重新进行正转同步旋转坐标变换，得到电网电压综合矢量
7.将步骤6得到的正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量送入所设计的相序分
离�？椋玫降缤缪拐蚧捣至�、负序基频分量17^ 和η次谐波分量1 ,,具体步骤是
7. 1将正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量U;送入所设计的相序分离�？椋昂罅郊督刂蛊德史直鹞�300Hz和IOOHz的陷波器可直接获得电网电压的正序基频分量
7.2将经过前级陷波器与后级陷波器滤波的电压信号相减，即可获得负序电压分量
7. 3将输入信号与经过前级陷波器滤波的信号相减，即可获得η次谐波分量；步
骤4获取的电网频率/、相位角$和步骤7获取的电网电压的正序基波分量17;+共同构成
了本发明所需要检测的电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压的同步信号。本发明的有益效果是，本发明电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法能够快速、准确获得基波同步信号的相位、频率和幅值等信息，无需采用大量滤波器进行滤波处理，也无需复杂的坐标旋转计算，且不受频率波动的影响，硬件要求低，算法简单，易于工程实现，能够为并网风电机组和其他并网电力电子设备在非理想电网条件下的运行提供可靠控制基准。
图1表示本发明中的电网电压谐波畸变及三相不平衡时基波同步电压信号的检测方法原理图。图2表示本发明中相序分离�？榈慕峁故疽馔�3表示锁相得到的电网电压矢量ι —与实际电网相矢量Ii之间的空间位置关系图。图4表示传统PLL锁相环原理性结构图。图5表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用传统PLL锁相方法得到的仿真波形图，图中，t = 0.2 时刻因突加非线性负载导致电网电压发生谐波畸变及三相不平衡，t = 0.3 时刻非线性负载切除；图中(a) (d)分别代表电网三相电压、电网频率、相位角和电压dq轴分量。图6表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用本发明检测方法得到的仿真波形图，图中，t = 0.2 时刻因突加非线性负载导致电网电压发生谐波畸变及三相不平衡，t = 0.3 时刻非线性负载切除。图中(a广(g)分别代表电网三相电压、电网频率、相位角、综合电压dq轴分量、基波电压正序dq分量、基波电压负序dq分量、电压谐波dq分量。图7表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用传统PLL锁相方法得到的频率、相位实验波形图；图中 Α、/、$和Mag分别表示电网三相电压、电网频率、电压相位和故障起止时间标志位。图8表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用传统PLL锁相方法得到的基波电压实验波形图图中Ofl^C/:、《和Mog分别表示电网三相电压、正转同步坐标系下基波电压d、q轴分量和故障起止时间标志位。图9表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用本发明检测方法得到的频率、相位实验波形图；图中ΡΑ、/、^和fldg和分别表示电网三相电压、电网频率、电压相位和故障起止时间标志位。图10表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用本发明检测方法得到的基波正序电压实验波形图；图中^*、[/;、《和1 分别表示电网三相电压、正转同步坐标系下基波电压正序d、q轴分量和故障起止时间标志位。图11表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用本发明检测方法得到的基波负序电压实验波形图；图中 Α、!7:、 /;和分别表示电网三相电压、正转同步坐标系下基波电压负序d、q轴分量和故障起止时间标志位。图12表示电网发生谐波畸变及瞬时三相不平衡故障时采用本发明检测方法得到的谐波电压实验波形图；图中Oflfe、[/^、y:5和Μ.分别表示电网三相电压、正转同步坐标系下谐波电压d、q轴分量和故障起止时间标志位。
具体实施例方式本发明提供一种工程实现较为简单的电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号的检测方法，该方法只需要在常规PLL中增加两个谐振频率分别为2倍、6倍电网频率的谐振补偿器即可有效减轻电网电压谐波及负序分量对基波电压频率、相位、幅值检测的影响。同时，三相电网电压对称时所加入的谐振补偿器输出为零，不会对PLL的稳态性能产生影响，不会妨碍正常电网条件下的检测效果，因而具有较强的鲁棒性。此外，本发明还提供了一种基于多频陷波器的相序分解方法，必要时可准确分离出电网电压基波正序、负序分量及谐波分量，并且因其处于锁相环之外，故不会引起相位检测时延和控制误差。下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。参照图1，本发明所描述的电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号的检测方法包括以下步骤
1.利用一组(三个)电压霍尔传感器采集电网三相电压信号Ufl^;
2.将采集到的电网电压信号Ofife经静止三相/两相坐标变换(1)，得到静止坐标系中
包含谐波及正、负序分量的电网电压综合矢量P_。
静止三相/两相坐标变换表达式如下所示
权利要求
1.一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号的检测方法，其特征在于，包括以下步骤(1)利用一组(三个)电压霍尔传感器采集三相电网电压信号；(2)将采集到的电网电压信号D2fe经过静止三相/两相坐标变换，得到包含正、负序及谐波分量在内的电网电压综合矢量；(3)利用相位角$对得到的静止坐标系中电网电压综合矢量进行正转同步速旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标系中包含负序与谐波分量的电网电压综合矢量(4)将步骤(3)所获得的电网电压综合矢量U;的q轴信号送入到所设计的PI控制器进行调节，获得正序基波电压的角频率■，则电网频率/=l/pir/);对获得的正序基波电压的频率_进行积分运算，获得电网电压正序基波的相位角^ ；(5)将步骤(3)所获得的电网电压综合矢量U:的q轴信号送入所设计的谐振式PLL进行调节，获得电网电压的真实相位角-；(6)对步骤(2)所获得的电网电压综合矢量利用步骤(4)得到的相位角_重新进行正转同步旋转坐标变换，得到电网电压综合矢量；(7 )将步骤(6 )获得的电网电压综合矢量￡》;送入相序分离�？椋玫降缤缪沟幕ㄕ蚍至�、基波负序分量17;_和η次(η代表5或7)谐波分量C^fg ；步骤(4)获取的电网频率/、相位角_和步骤(7)获取的电网电压的正序基波分量共同构成了本发明所需要检测的电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压的同步信号。
2.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波畸变及三相不平衡时基波电压同步信号的检测方法，其特征在于，步骤(4)所述的电压的角频率_和相位角^通过以下子步骤来获取(=1 \* roman i)利用谐振式软件PLL输出反馈相位信号-对17_进行正转同步速旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标系中包含直流分量与2倍频、6倍频交流分量之和的电压综合矢量C^f ；(=2 \* roman ii )将正转同步速旋转坐标系中电压综合矢量的q轴分量《送入PI控制器，得到三相定子电压正序分量的角频率(=3 roman iii)将得到的三相定子电压角频率_进行积分运算，获得三相定子电压正序分量的相位角β ；(=4 \* roman iv)采用如(ii)相同的步骤将电压综合矢量U;的q轴分量<送入谐振式补偿器，得到三相定子电压相位跟踪补偿相位角Af ；(=5 \* roman ν)将步骤(=3 \* roman iii)得到的电网相位角^与步骤(=4roman iv)得到的补偿相位信号赢-进行加法运算，即可获得反馈相位信号即f Θ+Δ少 ，进而构成闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波畸变及三相不平衡时基波电压同步信号的检测方法，其特征在于，步骤(5)所述的谐振式PLL由传统PLL加上两个谐振频率分别为 2倍、6倍电网频率的谐振补偿器(Resonant compensator，以下简称“R补偿器”)并联组成， 可同时实现对电网电压5次、7次谐波分量及负序分量引起的相位扰动的有效抑制。
4.根据权利要求1所述的一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号的检测方法，其特征在于，步骤(7)所述的相序分离�？橛闪阶榍昂罅郊断莶ㄆ德史直鹞� 300HzUOOHz的陷波器串联组成，通过对输入两级陷波器前后的信号分别作加减法运算获得电网电压的基频正序、负序分量以及谐波分量。
全文摘要
本发明公开了一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法。通过采用新型谐振式PLL，可快速补偿各类电网故障引起的相位跟踪误差，有效抑制电网电压中负序及谐波分量引起的频率波动、相位抖动，实现畸变电网中基波电压同步信号的准确检测。本发明方法不仅可以满足理想电网条件下电压频率、幅值和相位的检测要求，尤其适合电网电压跌落、不平衡或谐波污染等严重瞬态、稳态电网故障下基波电压同步信号的捕获，并能实现电压中基波正序、负序与谐波分量的快速提取。本发明具有检测精度高、实时性好的特点，可为各种风力发电机组、太阳能光伏并网装置、可逆调速传动系统及动态无功补偿器等并网电力设备的运行控制提供准确的控制基准。
文档编号G01R25/00GK102305886SQ20111014292
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者周鹏, 徐海亮, 章玮, 贺益康 申请人:浙江大学
专业数控铣床产品供应商
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