CN102185319A - 一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法和装置，该方法包括：对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号；将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。本发明实施例采用先分序后锁相的方式，在不平衡电网中提取三相电压基波正序分量，再对该正序分量采用dq同步坐标系锁相算法锁相，得到正序基波相位角，消除电网不平衡对锁相环节的影响，从整体上提高锁相精度，达到了在电网中电压不平衡状况下仍能进行实时、精确锁相的技术效果。

Description

一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法和装置

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，更具体地说，涉及一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法和装置。

背景技术

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。所述有源电力滤波对谐波电流的检测是保证APF补偿性能的关键。

现有的谐波检测方法多采用ip-iq法进行，即，通过锁相得到的相角信息，计算出三相瞬时有功电流ip和无功电流iq，从而得到待补尝的谐波和无功电流，锁相方法的合理性直接影响到谐波检测获得的谐波和无功指令电流精度。常用的锁相方法为硬件锁相和软件锁相，其中，以硬件锁相为例，其通常采用过零比较的方式将输入电压转换为方波，得到所需电压的相角信息，由于其锁相原理和硬件结构都比较简单，得到广泛应用。

然而，由于电力网中当所述电压信号处于畸变不平衡情况时，则所述APF中的检测电路中各种干扰信号使得过零点难于被测出，从而使上述锁相方法输出信号产生振荡，不仅影响锁相实时性，且导致锁相精度低甚至锁相失败，进而影响到所述APF的补偿效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法和装置，以实现在电网不平衡情况下准确锁相的目的。

一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法，包括：

对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号；

将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

将采集得到的三相电压信号分别相移滤波后提取出基波正序分量，对正序三相电压采用dq同步坐标系锁相算法锁相，克服了电压信号在不平衡电网中电压信号畸变而导致的锁相速度慢及精度低的缺点。

优选地，所述对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号具体为：

将带反馈环二阶广义积分器GIFL作为两相信号发生器，对所述电压信号进行90°相角偏移并滤除高次谐波，输出：

${\stackrel{\‾}{v}}^{\′}=\stackrel{\‾}{D}\stackrel{\‾}{v}\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\‾}{D}\right|=\frac{{\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}}{\sqrt{{\left({\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}\right)}^2+{({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_k}^2)}^2}}\\ \∠\stackrel{\‾}{D}={\tan }^{-1}\left(\frac{{{\mathrm{\ω}}_k}^2-{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}}\right)\end{array}\right.,$ ${\stackrel{\‾}{\mathrm{qv}}}^{\′}=\stackrel{\‾}{Q}\stackrel{\‾}{v}\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\‾}{Q}\right|=\frac{{\mathrm{\ω}}_k}{\mathrm{\ω}}\left|\stackrel{\‾}{D}\right|\\ \∠\stackrel{\‾}{Q}=\∠\stackrel{\‾}{D}-\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.$

其中：

是频率为ω的正弦信号的向量形式，

是

经GIFL滤波后的输出，

是

经GIFL滤波并移相后的输出，ω_k和k分别是GIFL的谐振频率和阻尼因子。

该移相滤波公式作为优选在本实施方式中采用，但并不局限于该种实现形式。

优选地，将所述第一级处理信号代入分序式运算得到三相电压基波正序分量具体为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ap}}\\ v_{\mathrm{bp}}\\ v_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{v}_a-\frac{1}{2}(v_b+v_c)+j\frac{\sqrt{3}}{2}(v_b-v_c)\\ -3(v_{\mathrm{ap}}+v_{\mathrm{cp}})\\ v_a-\frac{1}{2}(v_b+v_c)+j\frac{\sqrt{3}}{2}(v_a-v_b)\end{array}\right]$

其中：

v_ap，v_bp，v_cp为所求的正负序三相基波电压分量；

优选地，采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相具体为：

将所述三相电压基波正序分量从三相静止坐标系变换到两相dq同步坐标系；

对在该坐标系中变换的得到的Ud进行比例积分运算后，将得到的结果与角频率前馈ω*相加生成该坐标系下的正序基波电压的角速度；

将该角速度进行积分转化为0-2π上获得所述正序基波电压相角信息。

所述锁相实现方式简洁，但也可采用其他锁相方式进行锁相，并不局限于该实施方式中的形式。

优选地，所述方法还包括：采集电网中的电压信号。

一种有源电力滤波器的谐波检测锁相装置，包括：

相移滤波单元，用于对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号；

对称正序分量计算单元，用于将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

锁相单元：采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

所述装置与上述方法对应，通过相移滤波单元的移相和滤波，对称正序分量计算单元得到基波正序分量提供至锁相单元锁相，通过相移滤波和对称正序分量计算单元的配合，消除了不平衡电网中的干扰信号对电压信号的畸变影响，改善锁相震荡状况，从而保证了APF的补偿效果。

优选地，所述相移滤波单元具体为二阶广义积分器。

优选地，所述锁相单元具体为设置有基波正序锁相环比例积分运算调节器的锁相器。

优选地，所述相移滤波单元具体为带反馈环的二阶广义积分器。

优选地，所述装置还包括：电压信号采集单元，用于采集电网中的三相电压信号。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例采用先分序后锁相的方式，在不平衡电网中提取三相电压基波正序分量，再对该正序分量采用dq同步坐标系锁相算法锁相，得到正序基波相位角，消除电网不平衡对锁相环节的影响，从整体上提高锁相精度，达到了在电网中电压不平衡状况下仍能进行实时、精确锁相的技术效果，且实现简洁，扩展了在电压不平衡情况下锁相方法在硬件锁相及软件锁相的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明实施例公开的一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法流程图；

图1b为本发明实施例公开的一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法的dq同步坐标系锁相原理示意图；

图2为本发明又一实施例公开的一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的一种有源电力滤波器的谐波检测锁相装置结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法和装置，以实现实时性强地，在电网不平衡情况下准确锁相的目的。图1a示出了一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法，包括：

步骤11：对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号；

针对该步骤需要说明的是：由于电压的分序计算在基频分量下才是准确的，分序计算需要对信号进行90°的相移，并进行滤波后输出：

${\stackrel{\‾}{v}}^{\′}=\stackrel{\‾}{D}\stackrel{\‾}{v}\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\‾}{D}\right|=\frac{{\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}}{\sqrt{{\left({\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}\right)}^2+{({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_k}^2)}^2}}\\ \∠\stackrel{\‾}{D}={\tan }^{-1}\left(\frac{{{\mathrm{\ω}}_k}^2-{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}}\right)\end{array}\right.,$ ${\stackrel{\‾}{\mathrm{qv}}}^{\′}=\stackrel{\‾}{Q}\stackrel{\‾}{v}\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\‾}{Q}\right|=\frac{{\mathrm{\ω}}_k}{\mathrm{\ω}}\left|\stackrel{\‾}{D}\right|\\ \∠\stackrel{\‾}{Q}=\∠\stackrel{\‾}{D}-\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.$

其中：

是频率为ω的正弦信号的向量形式，

是经滤波后的输出，是经滤波并移相后的输出，ω_k和k分别是移相滤波运算的谐振频率和阻尼因子；

需要说明的是，该移相滤波公式作为优选在本实施例中采用，但并不局限于该种实现形式。

步骤12：将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

作为优选，具体地，将滤波移相后的信号根据分序计算公式进行组合计算，得到三相电压基波正序分量；

本步骤具体为： $\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ap}}\\ v_{\mathrm{bp}}\\ v_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{v}_a-\frac{1}{2}(v_b+v_c)+j\frac{\sqrt{3}}{2}(v_b-v_c)\\ -3(v_{\mathrm{ap}}+v_{\mathrm{cp}})\\ v_a-\frac{1}{2}(v_b+v_c)+j\frac{\sqrt{3}}{2}(v_a-v_b)\end{array}\right]$

其中：

v_ap，v_bp，v_cp为所求的正负序三相基波电压分量；

步骤13：采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

结合图1b所示，作为优选，该步骤：

将所述三相电压基波正序分量从三相静止坐标系变换到两相dq同步坐标系；

对在该坐标系中变换的得到的Ud进行比例积分运算后，将得到的结果与角频率前馈ω*相加生成该坐标系下的正序基波电压的角速度；

将该角速度进行积分转化为0-2π上获得所述正序基波电压相角信息。

本实施例中，将采集得到的三相电压信号分别相移滤波后提取出基波正序分量，对正序三相电压采用dq同步坐标系锁相算法锁相，克服了电压信号在不平衡电网中电压信号畸变不易检测而导致的锁相速度慢及精度低的缺点。

图2示出了又一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法，包括：

步骤21：采集电网中的三相电压信号；

步骤22：采用将带反馈环二阶广义积分器GIFL作为两相信号发生器，对所述电压信号进行90°相角偏移并滤除高次谐波；

步骤23：将所述移相滤波后的电压信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

步骤24：采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

图3示出了一种有源电力滤波器的谐波检测锁相装置，包括：

相移滤波单元31，用于对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号，作为优选，在本实施例中，由于电压的分序计算在基频分量下才是准确的，分序计算需要对信号进行90°的相移并进行滤波，所述相移滤波单元具体为带反馈环的二阶广义积分器。

对称正序分量计算单元32，用于将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

锁相单元33：采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

需要说明的是：所述锁相单元具体为设置有基波正序锁相环比例积分运算调节器的锁相器，用于在dq同步坐标系中将Ud进行比例积分运算。

图3中还示出了用于采集电网中的三相电压信号的电压信号采集单元34。

综上所述：

本发明的实施例采用先分序后锁相的方式，在不平衡电网中提取三相电压基波正序分量，再对该正序分量采用dq同步坐标系锁相算法锁相，得到正序基波相位角，消除电网不平衡对锁相环节的影响，从整体上提高锁相精度，达到了在电网中电压不平衡状况下仍能进行实时、精确锁相的技术效果，且实现简洁。

进一步地，本发明的实施例，扩展了在电网不平衡情况下在硬件锁相及软件锁相的应用范围，改善了各个锁相方法中在电网畸变和动态响应要求高的场合下锁相速度低和锁相精确度的缺点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种有源电力滤波器的谐波检测锁相方法，其特征在于，包括：

对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号；

将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号具体为：

将带反馈环二阶广义积分器GIFL作为两相信号发生器，对所述电压信号进行90°相角偏移并滤除高次谐波，输出：

${\stackrel{\‾}{v}}^{\′}=\stackrel{\‾}{D}\stackrel{\‾}{v}\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\‾}{D}\right|=\frac{{\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}}{\sqrt{{\left({\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}\right)}^2+{({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_k}^2)}^2}}\\ \∠\stackrel{\‾}{D}={\tan }^{-1}\left(\frac{{{\mathrm{\ω}}_k}^2-{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{k\ω}}_k\mathrm{\ω}}\right)\end{array}\right.,$ ${\stackrel{\‾}{\mathrm{qv}}}^{\′}=\stackrel{\‾}{Q}\stackrel{\‾}{v}\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\‾}{Q}\right|=\frac{{\mathrm{\ω}}_k}{\mathrm{\ω}}\left|\stackrel{\‾}{D}\right|\\ \∠\stackrel{\‾}{Q}=\∠\stackrel{\‾}{D}-\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}\right.$

其中：

是频率为ω的正弦信号的向量形式，

是

经GIFL滤波后的输出，是

经GIFL滤波并移相后的输出，ω_k和k分别是GIFL的谐振频率和阻尼因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一级处理信号代入分序式运算得到三相电压基波正序分量具体为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ap}}\\ v_{\mathrm{bp}}\\ v_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ {\mathrm{\α}}^2& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{v}_a-\frac{1}{2}(v_b+v_c)+j\frac{\sqrt{3}}{2}(v_b-v_c)\\ -3(v_{\mathrm{ap}}+v_{\mathrm{cp}})\\ v_a-\frac{1}{2}(v_b+v_c)+j\frac{\sqrt{3}}{2}(v_a-v_b)\end{array}\right]$

其中：

v_ap，v_bp，v_cp为所求的正负序三相基波电压分量；

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相具体为：

将所述三相电压基波正序分量从三相静止坐标系变换到两相dq同步坐标系；

对在该坐标系中变换的得到的Ud进行比例积分运算后，将得到的结果与角频率前馈ω*相加生成该坐标系下的正序基波电压的角速度；

将该角速度进行积分转化为0-2π上获得所述正序基波电压相角信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：采集电网中的电压信号。

6.一种有源电力滤波器的谐波检测锁相装置，其特征在于，包括：

相移滤波单元，用于对采样得到的三相电压信号分别相移滤波，得到第一级处理信号；

对称正序分量计算单元，用于将所述第一级处理信号代入分序式得到三相电压基波正序分量；

锁相单元：采用dq同步坐标系对所述三相电压基波正序分量锁相。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述相移滤波单元具体为二阶广义积分器。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述锁相单元具体为设置有基波正序锁相环比例积分运算调节器的锁相器。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述相移滤波单元具体为带反馈环的二阶广义积分器。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：电压信号采集单元，用于采集电网中的三相电压信号。

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