CN101617234A - 先进实时电网监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适合单相及三相电功率系统的先进实时电网监控系统(RTGMS)。本发明提供将用作复杂系统的一部分的实质信号处理模块，或聚焦于监控和诊断功率系统，或致力于控制与电网交互作用的功率处理器。本发明基于非常适于在畸变和失衡电网情况下对电网变量进行实时表征的新算法。本发明的主要特征是使用锁频环，在检测电网频率的基础上与电网变量同步。这相对于基于相角检测的现有技术导致非常坚固的系统响应，因为在电网故障期间电网频率是比电网电压/电流相角稳定得多的变量。此外，支撑本发明的算法非常有效且可在常规工业微处理器中实施。这些特征使本发明RTGMS可理想地用于控制分布式发电系统(DGS)、灵活的AC传输系统(FACTS)、功率质量调节器(PQC)及不间断电源(UPS)。在所有这些系统中，在电网故障情况下，电压和/或电流序分量的快速及准确实时检测是至关重要的问题。

Description

先进实时电网监控系统

技术领域

本发明涉及单相和三相网络的电功率系统中的实时电网变量监控，即电压和电流监控。

电网电压和电流参数的监控和表征在大多数与功率系统有关的电气设备中是至关重要的任务。本发明涉及使用新算法的先进实时电网监控系统(RTGMS)，该新算法适于单相或多相网络尤其是三相网络。本专利的RTGMS可用作复杂系统的实质部分，或聚焦于监控和诊断功率系统，或致力于控制与电网交互作用的功率处理器。本发明基于非常适于在畸变和失衡电网情况下对电网变量进行实时表征的新算法。该新监控算法的有效性由其高稳定性、快速响应及低计算成本证明。RTGMS在三相系统中检测电网电压的正序和负序分量时在鲁棒性、精密度和速度方面展现卓越的性能，这使得其非常适合在电网故障期间立即与电压序分量同步。前一特征使所提出的RTGMS可理想地用于控制分布式发电系统(DGS)、灵活的AC传输系统(FACTS)、功率质量调节器(PQC)及不间断电源(UPS)。在所有这些系统中，电压和/或电流序分量的实时检测是至关重要的问题，例如以实施电流和电压调节功能、达到国际电网代码中规定的故障承受要求、及检测反孤岛保护系统中的瞬时电压和频率变化。

背景技术

电网监控系统提供的信息通常用于监控电网运行情况、诊断电网故障特征、使功率变换器与电网同步、计算功率通量、将复杂系统的状态变量转到同步参考系、及计算在普通电网情况下运行的功率变换器的电流和电压基准。

不管监控系统中使用的技术如何，均必须以快速且准确的方式获得所监控变量的振幅、频率和相位。另外，当监控系统用于多相网络尤其是三相电网时，序分量也应被快速且精确地检测，即使效用电压畸变和失衡也应如此。值得注意的是，实时监控系统应基于具有低计算负担的简单算法，其可在每一采样周期中进行计算。

电网监控可通过对效用频率采用恒定不变及众所周知的值进行。这种方法使计算简单，但在频率不同于其额定值时将引起检测误差。在普遍使用分布式发电机的微型电网和效率低电网中，在故障情况下工作是常有的事。最广泛的、用于实现对频率不敏感的电网监控的技术是使用锁相环(PLL)。关于被认为是电网监控的最一般情况的三相系统，基于使用某些类型的PLL的实时监控系统已在下述文献中报导：

基于同步参考系(SRF-PLL)[1]的监控器在测量和控制系统中广泛使用。然而，如文献[2]中所报导的，SRF-PLL在存在电压不平衡时引起不可接受的有缺陷的结果。

基于解耦双同步参考系(DSRF-PLL)[3]的监控器能够在失衡电网情况下估计基频时的正序和负序分量。然而，DSRF-PLL由于其显著的计算成本而应实施在高性能数字信号处理器中。这种限制使其用于检测多个谐波分量时变得复杂。

基于单相增强锁相环(EPLL)[4]的监控器借助于使用频率自适应单相陷波滤波器[5]及基于a-b-c参考系的瞬时对称分量方法[6]实现正序和负序分量的隔离。基于EPLL的GMS可在失衡电网情况下应用，但由于实施三相应用需要四个单相EPLL，其响应较慢且其计算负担非常高。此外，其单相起源使GMS对电网电压中的零序分量的影响很敏感。

基于双二阶广义积分器(DSOGI-PLL)[7]的监控器也能够在失衡电网情况下估计正序和负序分量，且其计算成本小于在前的方法。

所有先前提出的电网监控技术均来自常规单相PLL技术的演变，且为使这些技术在普通失衡和畸变电网情况下在检测三相系统中的零序分量时足够坚固已应用许多不同的方法。因此，所有这些技术具有共同的特征，即监控算法基于将要检测的变量的相角的检测。

WO 02/091578涉及锁相环(PLL)系统的新结构。与常规PLL一样，该发明由相位检测、环路滤波器及电压受控的振荡器单元组成。提出了受自适应滤波及动态系统理论概念启发的备选相位检测结构，该结构实质上在稳定性和动态性能方面增强了环路的性能。所提出的相位检测方案消除了对复杂的环路滤波器的需要，从而使得一阶滤波器足以满足大多数应用。除了PLL的正常功能之外，该系统还直接产生输入信号的振幅、相位和频率的估计值。该特征将系统的应用范围延伸到不同电气规程中的众所周知的PLL应用之外。

US 2005/0231871涉及为一般三相功率系统应用公开的三相功率信号处理器(TPSP)。TPSP基于自适应滤波和动态系统理论的概念开发。TPSP的结构是统一的结构，因为其不需要改变、更改或增强结构或强加过多计算时间或资源需求即可提供信号及信息片段的多重性。所提出的TPSP接收一组三相测量信号，这些信号可以是电压、电流、磁通量等；及提供(1)瞬时和稳态对称分量，(2)基本分量，(3)对称分量的峰值，(4)频率及其变化率，(5)同步信号及过零瞬间，(6)对称分量的相角，及(7)干扰信号。两个或两个以上TPSP单元，当适当强化时，还提供(8)各个谐波分量，(9)间谐波，(10)瞬时实际和无功电流分量，(11)总谐波畸变、dc偏移和功率因数。TPSP可用作用于包括功率系统控制、保护、监控和功率质量的功率系统应用中所遇到的不同信号处理需求的构件模块。

发明目标

本发明的目标在于实现新的、更有效的、坚固的、基于电网频率检测的监控系统。

发明描述

基于PLL的监控系统已按照惯例地用作控制复杂电网连接的系统的基本模块。然而，它们在普通电网情况下可导致控制和检测误差。作为例子，用于风轮机(WT)连接到电网的现代电网代码要求已证明常规监控和同步系统在控制系统从而使WT具有故障承受能力时是多么的受限。

相比于在前的系统，本发明提出具有两个主要特殊特征的先进实时电网监控系统：

本发明监控系统通过使用锁频环(FLL)而基于电网频率的检测。这使得所提出的RTGMS相较其基于使用PLL的相角检测的在前技术坚固得多，因为在电网故障期间，电网频率相较电网电压相角是更稳定的变量。

支撑本发明监控系统的算法可在常规工业微处理器中实施，因为其较现有PLL方法中的其它算法计算上更简单。在本发明中，不使用相角，因而在实施时不需要三角函数。

发明内容

图1示出了本发明的先进实时监控系统在应用于单相系统时的框图。在这种情况下，其由两个基本构件模块构成：

正交信号发生器(QSG)，图1中的1。

锁频环(FLL)，图1中的2。

QSG是负责产生一对与输入信号v同步的正交信号v’和qv’的功能模块。在QSG中，信号v’将与v同相，及qv’将相对于v超前或滞后90度，取决于QSG中使用的技术。不同的QSG已在文献中报导。最简单的QSG技术，如使用传输延迟缓冲器或全通一阶滤波器的技术，均不是频率自适应技术且不阻挡谐波。更复杂的技术，如应用反Park变换或Hilbert变换器[8]的技术，可用在单相系统中但伴随高计算负担。本发明中进行的研究已证明基于使用二阶广义积分器(SOGI)的QSG在谐波拒收、简单性、速度和准确度方面提供极好的结果，相较其它现有技术具有更低的计算负荷。基于SOGI的QSG可被理解为带通滤波器的特定实施，且其本身不是频率自适应。因此，在本发明中，监控系统使用另外的频率环来使QSG与输入信号调谐。

如前所述，常规电网监控系统习惯基于PLL的使用。这意味着同步系统估计相电压(单相)或电压矢量(三相)的相角。然而，在电网故障情况下相角是非常不稳定的变量。此外，总是需要三角函数以处理相角，这增加了监控算法的计算负荷并使系统分析变复杂。在本发明中，电网频率是监控系统(FLL)的关键变量。这导致非常坚固的监控算法，因为即使在故障电网中电网频率也比电网相位稳定得多。尚没有文献报导使用FLL用于电网监控目的。

所监控信号的主要参数可使用图1的监控系统计算如下：

${\hat{v}}^{\′}=\sqrt{{\left(v^{\′}\right)}^2+{\left({\mathrm{qv}}^{\′}\right)}^2};{\cos \mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{v^{\′}}{{\hat{v}}^{\′}};{\sin \mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{qv}}^{\′}}{{\hat{v}}^{\′}};{\mathrm{\ω}}^{\′},---\left(1\right)$

其中

是输入信号v的估计峰值。此外，cosθ′和sinθ′可从输出变量容易地进行计算，θ′为输入信号的估计相角。在(1)中，ω′是电网频率的估计值。

三个独立的如图1中所示的单相系统可用于监控三相系统。然而，在这种情况下，为获得三相系统的特征参数将其考虑为整体要有效得多。图2示出了本发明电网监控系统应用于三相系统时的框图。在该情形下，三相变量通过使用Clarke变换从abc转到αβ参考系，在图2中标为3。两个QSG用于获得信号的正交版，及该模块称为双QSG(DQSG)，在图2中标为4。由于两个QSG在同一频率工作，对于DQSG的有效调谐只需要一个FLL。一旦αβ参考系上的正交信号可用，序分量可通过正/负序计算器(PNSC)进行计算。PNSC实时工作，这使得需要使用瞬时对称分量(ISC)计算方法[9]。然而，在本发明中，不是使用在初始由Lyon提出的自然参考系上计算，而是应用Clarke变换以使该计算表达在αβ参考系上(固定及正交)[10]。在监控变量的基频的正和负分量可在PNSC的输出获得，及特征参数可计算如下：

$\begin{array}{cc}\left|v^{+\′}\right|=\sqrt{{\left(v_{\mathrm{\α}}^{+\′}\right)}^2+{\left(v_{\mathrm{\β}}^{+\′}\right)}^2};\cos {\mathrm{\θ}}^{+\′}=\frac{v_{\mathrm{\α}}^{+\′}}{\left|v^{+\′}\right|};\sin {\mathrm{\θ}}^{+\′}=\frac{v_{\mathrm{\β}}^{+\′}}{\left|v^{+\′}\right|};{\mathrm{\ω}}^{\′},& ---\left(2a\right)\\ \left|v^{-\′}\right|=\sqrt{{\left(v_{\mathrm{\α}}^{-\′}\right)}^2+{\left(v_{\mathrm{\β}}^{-\′}\right)}^2};\cos {\mathrm{\θ}}^{-\′}=\frac{v_{\mathrm{\α}}^{-\′}}{\left|v^{-\′}\right|};\sin {\mathrm{\θ}}^{-\′}=\frac{v_{\mathrm{\β}}^{-\′}}{\left|v^{-\′}\right|},& ---\left(2b\right)\end{array}$

其中|v⁺′|和|v^-′|为电压振幅，θ⁺′和θ^-′分别为正和负序电压分量的相角。ω′为估计的电网频率。

附图说明

图1为本发明RTGMS的单相实施的一般框图。在该图中，标为1的模块为正交信号发生器(QSG)，及标为2的模块为锁频环(FLL)。

图2为本发明RTGMS的三相实施的一般框图。在该图中，标为3的模块为Clarke变换([T_αβ])，标为4的模块为双QSG(DQSG)，及标为5的模块为正/负序计算器(PNSC)。

图3为在本发明进行的研究中开发的二阶广义积分器(SOGI)的具体实施。相对于其它传统SOGI实施，该实施提出了特定的积分器和乘法器分布，这在存在输入变量瞬变时使响应更稳定。

图4示出了在本发明中使用的、基于SOGI的QSG的结构。标为6的模块表示SOGI。该特定QSG实施可被理解为自适应带通滤波器的特定实施，其中输入ω′设定调谐频率，及增益k设定QSG的阻尼因数。

图5示出了FLL中的频率控制器的结构。该控制器接收QSG误差信号(ε_v)和正交信号(qv’)以执行内相检测，这用作具有增益γ的积分控制器的输入。该控制器的输出是ω′，即QSG的调谐频率。

图6示出了αβ参考系上的正-负序计算器(PNSC)的框图，在输入处具有两组正交信号。

图7示出了本发明RTGMS应用于三相系统的优选实施例的详图。三个主要构件模块，即DQSG、FLL和PNSC在该图中高亮显示。

图8示出了三相监控系统在检测正序分量时的频率响应，即ω′＝常数时从v_α到v_α ⁺′的Bode图。

图9示出了在存在电压跌落类型C时关于三相实时电网监控系统(DSOGI-FLL)的响应的一些实验结果。(a)故障电网电压；(b)检测到的振幅和相角；(c)检测到的正序信号；(d)检测到的负序信号。

图10示出了在存在频率变化(从50Hz到60Hz)时关于三相实时电网监控系统(DSOGI-FLL)的响应的一些实验结果。(a)故障电网电压；(b)检测到的振幅和相角；(c)检测到的正序信号；(d)检测到的频率。

图11示出了在存在谐波时(THD＝5％)关于三相实时电网监控系统(DSOGI-FLL)的响应的一些实验结果。(a)故障电网电压；(b)检测到的振幅和相角；(c)检测到的正序信号；(d)所检测频率中的纹波(已放大)。

具体实施方式

对构成本发明RTGMS的优选实施例的构件模块的详细描述将在下面给出。尽管本发明可用于监控电流或电压，但为简化起见，在下面仅考虑电网电压。

基于SOGI的正交信号发生器(SOGI-QSG)

图3的框图描述了在本发明中进行的具体SOGI实施。乘法器和积分器的这种特定布局在面对输入信号突然变化时提供更稳定的响应。按照图3中所示的SOGI，传递函数为：

$\begin{array}{cc}S\left(s\right)=\frac{d}{f}\left(s\right)=\frac{s{\mathrm{\ω}}^{\′}}{s^2+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}& ---\left(3\right)\end{array}$

传递函数(3)中的的分母证明SOGI的谐振特征，在引起两个复数极点。因此，当输入信号f为ω′频率的正弦信号时，SOGI将用作理想的无限增益积分器。

根据ω′频率的理想积分器特征，图4中所示的系统用于跟踪输入信号v。该系统的特征传递函数由下述等式给出：

$\begin{array}{cc}D\left(s\right)=\frac{v^{\′}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}& ---\left(4a\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}Q\left(s\right)=\frac{q{v}^{\′}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\ω}}^{\′2}}{s^2+k{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}& ---\left(4b\right)\end{array}$

传递函数(4)呈现三个显著特征：

根据传递函数(4)，图4中所示系统的输出信号即v’和qv’为正交信号，qv’相比v’滞后90度。为此，图4的系统在本发明中称为正交信号发生器(QSG)。图4的基于SOGI的QSG可被理解为自适应滤波器的特定实施，其中其动态特性由输入ω′设定，设定其调谐频率，及增益k设定其阻尼因数。

传递函数(4)表明基于SOGI的QSG分别对直接和正交输出v’和qv’提供带通和低通滤波特性，这是为了衰减来自输入变量v的谐波和噪声。图4中所示的系统是频率自适应的系统，且其与电网变量的同步通过调节ω′参数实现。然而，不管v的频率和ω′及k的值如何，qv’将总是滞后v’90度。

锁频环(FLL)

传统监控系统使用锁相环(PLL)用于电网同步。按照惯例，PLL的输入级为检相器(PD)，借助于该检测器，输入信号的相位与PLL检测到的相位比较。在电网故障情况期间相角是非常不稳定的变量，传统的基于PLL的监控系统在这样的故障电网情况下引起检测误差。

图5示出了FLL中的控制器的结构。该控制器不直接使用输入信号v用于检测QSG的输出中的相角误差。而是，本发明使用QSG的误差信号ε_v作为输入。该误差信号ε_v乘以正交信号qv’从而获得内变检相器。该乘法器的输出应用为具有增益γ的积分控制器的输入。该积分控制器的输出是ω′，即QSG的调谐频率。源自早先描述的安排的检测系统比传统PLL简单，相角及三角函数均不用于频率估计，因而锁频环(FLL)代替PLL成为可能。

所提出的基于FLL的RTGMS的最显著特征在于其在监控源自电网故障的信号时的鲁棒性、简单性、精度及有效性，前述故障习惯于由显著相角跳跃表征。在传统的基于PLL的GMS中，电网电压相角是检测算法中的主要自适应变量。在所提出的基于FLL的RTGMS中，基本自适应变量不是电网电压相角，而是电网频率，这使检测系统具有很大的稳定性。

正序及负序分量计算

在三相应用中，一般三相电压矢量v_abc＝[v_a v_b v_c]^T的瞬时正序和负序分量v_abc ⁺和v_abc ^-由下述等式给出：

$v_{\mathrm{abc}}^{+}={\left[v_a^{+}{v}_b^{+}{v}_c^{+}\right]}^T=\left[T_{+}\right]v_{\mathrm{abc}};v_{\mathrm{abc}}^{-}={\left[v_a^{-}{v}_b^{-}{v}_c^{-}\right]}^T=\left[T_{-}\right]v_{\mathrm{abc}}---\left(5a\right)$

其中[T₊]和[T_-]定义为：

$\begin{array}{cc}\left[T_{+}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ a^2& 1& a\\ a& a^2& 1\end{array}\right];\left[T_{-}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a^2& a\\ a& 1& a^2\\ a^2& a& 1\end{array}\right]& ---\left(5b\right)\end{array}$

$\mathrm{\α}=e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{3}}=-1/2+e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}\sqrt{3}/2.$

本发明基于使用QSG产生一组正交信号v’和qv’，因此在本发明中应用Clarke变换将电压矢量从abc转到αβ参考系，表示如下：

$\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{\α\β}}={\left[\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{\α}}& v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]}^T=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]v_{\mathrm{abc}};\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]& ---\left(6\right)\end{array}$

这样，αβ参考系上的瞬时正序和负序电压分量计算为：

$\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{\α\β}}^{+}=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]v_{\mathrm{abc}}^{+}=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]\left[T_{+}\right]v_{\mathrm{abc}}=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]\left[T_{+}\right]{\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]}^T{v}_{\mathrm{\α\β}}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& -q\\ q& 1\end{array}\right]v_{\mathrm{\α\β}},---\left(7a\right)& \\ v_{\mathrm{\α\β}}^{-}=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]v_{\mathrm{abc}}^{-}=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]\left[T_{-}\right]v_{\mathrm{abc}}=\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]\left[T_{-}\right]{\left[T_{\mathrm{\α\β}}\right]}^T{v}_{\mathrm{\α\β}}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& q\\ -q& 1\end{array}\right]v_{\mathrm{\α\β}},---\left(7b\right)& \end{array}$

其中 $q=e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{2}}$ 是为获得初始波形的1正交版(滞后90度)的相移时域运算符。正/负序计算器(PVSC)的框图在图6中示出。

在本发明中，一组正交信号v’和qv’从早先提出的基于SOGI的QSG获得。考虑必需两个正交发生器，一个用于α分量，另一个用于β分量，αβ域中的正交发生器从现在起将称为双QSG(DQSG)。DQSG在图2中标为4。

从(7)，正序和负序分量的振幅和相角可从PNSC的输出计算如下：

$\begin{array}{cc}\left|v^{+\′}\right|=\sqrt{{\left(v_{\mathrm{\α}}^{+\′}\right)}^2+{\left(v_{\mathrm{\β}}^{+\′}\right)}^2};\cos {\mathrm{\θ}}^{+\′}=\frac{v_{\mathrm{\α}}^{+\′}}{\left|v^{+\′}\right|};\sin {\mathrm{\θ}}^{+\′}=\frac{v_{\mathrm{\β}}^{+\′}}{\left|v^{+\′}\right|},& ---\left(8a\right)\\ \left|v^{-\′}\right|=\sqrt{{\left(v_{\mathrm{\α}}^{-\′}\right)}^2+{\left(v_{\mathrm{\β}}^{-\′}\right)}^2};\cos {\mathrm{\θ}}^{-\′}=\frac{v_{\mathrm{\α}}^{-\′}}{\left|v^{-\′}\right|};\sin {\mathrm{\θ}}^{-\′}=\frac{v_{\mathrm{\β}}^{-\′}}{\left|v^{-\′}\right|},& ---\left(8b\right)\end{array}$

其中，|v⁺′|和|v^-′|为电压振幅，θ⁺′和θ^-′为序分量的相角。

集合先前提出的三个主要构件模块，所提出的用于三相应用的RTGMS如图7中所示。相比于在前的用于实时监控三相系统的方法，在本发明中提出的系统极为坚固和简单，并克服了在前解决方案的所有缺陷；从而即使在严重的故障电网运行情况下均能实现适当的正序和负序分量标识。

当v_αβ为在频率ω的正序平衡正弦电压时，其α-β分量保持下述关系：

$\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{\β}}\left(s\right)=-\frac{s}{\mathrm{\ω}}{v}_{\mathrm{\α}}\left(s\right)& ---\left(9\right)\end{array}$

因此，从(4)和(7)可写出：

$\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{\α}}^{+\′}\left(s\right)=\frac{1}{2}(v_{\mathrm{\α}}^{\′}\left(s\right)-q{v}_{\mathrm{\β}}^{\′}\left(s\right))=\frac{1}{2}(D\left(s\right)+\frac{s}{\mathrm{\ω}}Q\left(s\right))v_{\mathrm{\α}}\left(s\right)& ---\left(10\right)\end{array}$

因此，复数频域中从v_α到v_α ⁺′的传递函数由下述等式给出：

$\begin{array}{cc}P\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{v_{\mathrm{\α}}^{+\′}}{v_{\mathrm{\α}}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{2}\frac{k{\mathrm{\ω}}^{\′}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})}{k{\mathrm{\ω}}^{\′}\mathrm{\ω}+j({\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}^{\′2})}& ---\left(11\right)\end{array}$

其中由FLL检测到的频率ω′被假定处于稳态。对β信号进行类似的推理，可得到v_β ⁺′具有与v_α ⁺′一样的振幅但滞后90度。为知道在v_αβ为负序矢量时v_αβ ⁺′将是怎样的，仅需要在(11)中用-ω代替ω。图8绘出了在DSOGI-FLL的输入处正序(ω＞0-实线)和负序(ω＜0-虚线)电压的传递函数(11)的振幅。图8表明，在稳态及关于正序检测时，DSOGI-FLL对正序用作低通滤波器及对负序用作陷波滤波器。图8还表明，增益k的值越小，系统的响应越具选择性，这是为了谐波拒收。然而，该高选择性必然伴随响应的更高振荡及更长的稳定时间。因此，应在频率选择性和响应速度之间取得平衡。检测v_αβ ⁺′获得的结论可直接应用于v_αβ ^-′的检测，只需要调换正序和负序分量。

实验测试

本发明实时电网监控系统的三相实施已在实验安排中得以评估。如果实施DSOGI-PLL算法，数字控制器的采样频率设为15kHz。在下面示出了源自这些实验的结果。

在第一实验中，交流功率源突然将一相的rms电压从1pu降低到0.45pu。该故障通过Δy变压器作为跌落类型C传播，

和

即故障期间的正序和负序相量。图9示出了来自该第一实验的波形，其中值得注意的是检测速度很高，在不到一个电网周期内获得精确的结果。值得注意的是，对正序和负序电压检测的相角在电网故障发生之前均展现相干演变。这是因为实验设备的非理想性，该非理想性在电网电压中引起非常微弱但稳定的不平衡。DSOGI-FLL的高敏感性使能在电网故障发生之前检测该微小的负序分量。

在第二实验中，电网频率从50Hz变为60Hz。图10的波形验证了DSOGI-FLL的频率自适应特征，这能够在约40ms中克服频率的大跳跃而没有振荡。

第三实验致力于估计DSOGI-FLL对电网电压畸变的抗扰度。电网电压波形以5％的THD畸变。根据图11中所示的波形，值得注意的是正序检测的电压质量很高。由于负序分量的可忽略的振幅，对该分量，在由(7b)计算的相角中存在高失真。随着负序分量振幅快速上升到较高水平，其相角计算中的失真减小。

传统电网监控技术均来自众所周知的单相PLL技术的演变，因此所有这些传统监控算法均基于检测将要监控的电压或电流的相角。在这些传统电网监控技术中，使用同步参考系和三角函数是实施检相器和电压受控振荡器时的共同特征。

本发明提出了新的监控系统，该系统不基于相角的检测而是基于电网频率的检测。因此，在所提出的电网监控方法中，传统系统的检相器和电压受控振荡器均不再需要。基于二阶广义积分器的频率自适应滤波器构成本发明监控系统的核心。

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[7]P.Rodriguez，R.Teodorescu，I.Candela，A.V.Timbus，M.Liserre，and F.Blaabj erg，“New positive-sequence voltage detector forgrid synchronization of power converters under faulty grid conditions，”inProc.IEEE Power Electron.Specialists Conf.，PESC′06，2006，pp.1-7.

[8]S.M.Silva，B.M.Lopes，B.J.Cardoso，R.P.Campana，andW.C.Boaventura，“Performance evaluation of PLL algorithms forsingle-phase grid-connected systems，”in Proc.IEEE Ind.Applicat.Conf.，vol.4，2004，pp.2259-2263.

[9]A.Ghosh and A.Joshi，“A new algorithm for the generationof reference voltages of a DVR using the method of instantaneoussymmetrical components，”IEEE Power Eng.Review，vol.22，pp.63-65，Jan.2002.

[10]W.V.Lyon，Application of the Method of SymmetricalComponents，New York：McGraw-Hill，1937.

Claims (7)

1、用于多相应用的实时电网监控系统，包括：

响应于多相输入电压或电流产生一组两个信号的多相(abc)到两相(αβ)变换处理器，所述信号收集关于初始多相输入的正序和负序分量的信息；其特征在于所述实时电网监控系统还包括：

双正交信号发生器(DQSG)，该双正交信号发生器包括两个正交信号发生器QSG，所述QSG响应于输入信号获得所监控信号的同相及正交版本；

频率自适应环，该频率自适应环是锁频环FLL，所述FLL响应于所监控信号的频率变化修改所有QSG的调谐频率以使所述调谐频率等于所监控信号的基频；

基于αβ参考系的实时正序-负序计算器(PNSC)，所述αβ参考系响应于所述正交信号，所述正交信号由所述DSQG提供，所述正交信号拆分为αβ参考系的正序及负序分量。

2、根据权利要求1的实时电网监控系统，其特征在于所述QSG包括：

减法器，所述减法器包括第一正输入端口、第二输入端口及提供误差信号的至少一输出端口，所监控信号连接到所述第一正输入端口，所述QSG的滤波后的同相输出信号连接到所述第二输入端口，其中所述减法器的输出连接到QSG增益模块的输入端口及连接到FLL模块的输入端口之一；

调节所述QSG的阻尼因数的增益模块，该增益模块至少具有一个连接到来自所述减法器的误差输出信号的输入端口并在增益模块的输出提供放大的误差信号，其中所述QSG增益模块的输出端口连接到二阶广义积分器(SOGI)的输入；

二阶广义积分器SOGI，该SOGI至少包括连接到来自所述QSG增益模块的所述放大的误差信号的第一输入端口，所述SOGI包括连接到所述FLL的输出的第二输入端口，所述SOGI包括提供所述输入信号的滤波后同相版本的第一输出端口，所述SOGI包括提供所述输入信号的滤波后正交版本的第二输出端口，其中同相输出信号形成连接到所述QSG减法器的负输入端口的反馈信号，及其中滤波后的正交输出信号连接到所述FLL的输入端口之一。

3、根据权利要求1的实时电网监控系统，其特征在于所述FLL包括：

至少包括第一输入端口的乘法器，来自所述QSG的减法器的误差信号连接到所述第一输入端口；所述乘法器还包括第二输入端口，所述QSG的滤波后正交输出信号的负版本连接到所述第二输入端口；所述乘法器至少包括一个提供内误差信号的输出端口，其中所述乘法器的所述输出端口连接到FLL增益调节器的输入端口；

增益模块，该增益模块调节所述FLL的动态特性，所述FLL至少包括一个输入端口，来自所述乘法器的误差输出信号连接到该输入端口，所述增益模块在输出提供放大的误差信号，其中所述FLL增益模块的输出端口连接到线性积分器模块的输入；

至少包括一输入端口的线性积分器模块，来自所述FLL增益模块的放大的误差信号连接到该输入端口，所述线性积分器模块至少包括一输出端口，该输出端口提供估计的输入信号频率变化，其中在积分器输出的频率变化信号添加到预置前馈频率以在所述FLL的输出端口提供QSG的调谐频率。

4、根据权利要求1-3任一所述的实时电网监控系统，其特征在于所述DQSG包括两个QSG，其中所述DQSG的第一输入端口连接到α信号，第二输入端口连接到β信号，其中两个输入端口均被提供三相(abc)到两相(αβ)变换处理器的输出；其中第三输入端口连接到所述FLL的输出并为所述DQSG中的两个QSG提供调谐频率。

5、根据权利要求1-4任一所述的实时电网监控系统，其特征在于只有一相输入信号(a、b或c)提供给单一QSG的输入，该输入信号由FLL调谐以与监控相信号同步从而实现单相系统的实时电网监控。

6、根据权利要求2的实时电网监控系统，其特征在于所述SOGI还包括用于在面对输入信号的突然变化时提高响应稳定性的开环链，该开环链具有下述布局：乘法器-积分器-积分器-乘法器。

7、用于多相应用的实时电网监控的方法，包括：

响应于多相输入电压或电流产生一组两个信号的多相(abc)到两相(αβ)变换过程，所述信号收集关于初始多相输入的正序和负序分量的信息；其特征在于所述实时电网监控方法还包括：

产生双正交信号(DQSG)，该双正交信号包括两个QSG信号，所述QSG信号响应于αβ输入信号获得αβ所监控信号的同相及正交版本；

频率自适应环，该频率自适应环是锁频环FLL，所述FLL响应于所监控信号的频率变化修改所有QSG的调谐频率以使所述调谐频率等于所监控信号的基频；

基于αβ参考系计算实时正序-负序(PNSC)，所述αβ参考系响应于所述正交信号，所述正交信号由所述DSQG提供，所述正交信号拆分为αβ参考系的正序及负序分量。

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