CN102998527A - 通频型基波、谐波、直流分量检测方法 - Google Patents

通频型基波、谐波、直流分量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通频型基波、谐波、直流分量检测方法，利用三角函数的正交特性，使用对应频率的正交因子，提取正交坐标系dq轴的投影峰值，再通过锁相环实时获取信号频率，求解工作时的实际采样点数，合成基波以及直流量，最后通过检测信号减去基波，再减去直流量，获取谐波信号。此方法能够实时检测到直流分量、基波分量和谐波分量；精度高，不存在忽略项，理论上没有误差；由于采用变参数的方式，不需要对整个算法的参数进行调整，能够实现即插即用以及模块化，应用方便，满足了分布式发电系统实时、精确获取公共接入点基波、谐波和直流量的要求。

Description

通频型基波、谐波、直流分量检测方法
技术领域
本发明涉及一种电网检测方法，特别涉及一种基于正交变换理论的通频型基波、谐波、直流分量检测方法。
背景技术
在智能电网和微电网系统中，使用了风力与太阳能的分布式发电系统被大量接入，尤其在配电网侧，单相并网逆变器作为分布式发电系统中能量转换和控制的核心，以及和配电网的接口，其性能直接影响和决定了整个并网系统的好坏。但是采用全控型器件的单相并网逆变器会产生大量谐波分量和一定量的直流分量，直接影响到分布式系统接入电网的电能质量。如果能够精确、快速地检测出公共接入点（PCC）的交流电压和交流电流的基波分量、谐波分量与直流分量，不仅可以精确检测有功功率和无功功率的输出，还可以实现谐波和直流分量的补偿，有效改善电能质量。为了检测出直流分量，目前已有的方式是将检测信号进行全基频周期(T)的积分，但不能同时检测基波与谐波。
实际上，由于器件，检测和控制等的偏移往往使逆变器并网电流中含有直流分量，而直流分量会对电网设备产生不良影响，引发变压器或互感器饱和、以及影响电力系统的电能质量。为了提高并网系统的效率，采用了高频隔离变压器的并网逆变器结构，而这种方式对直流量的检测提出了较高的要求。传统的软件直流分量抑制方法，采用整工频周期积分的方式，检测直流分量时间较长。传统的基于正交变换理论的谐波检测方式，因为直流分量较小，而选择将其忽略，但实际上，逆变器输出的高频SPWM波中有一定的直流分量，会使得基波的合成与谐波的分离产生误差，甚至在直流量较大的情况下，变得无效。需要先通过一个工频周期滤除检测信号中的直流分量，再对基波和谐波分离，整个过程需要一个半工频周期的时间，影响了整个控制器的速度。基于正交变换理论的谐波检测方式，如果只考虑正常恒定频率工作，采用采样点定百分比的方式，就会影响频率变化对该种检测方式的精度。一旦检测得到的基波、谐波、直流分量精度不足，容易造成瞬时有功功率、瞬时无功功率计算值出现偏差，进一步导致单相并网逆变器输出控制时产生偏差，影响到分布式发电系统的精确输出。采用采样点定百分比，失去了产品即买即用、无需调整参数的优点，难以满足世界范围的使用。
发明内容
本发明是针对现在基波、谐波、直流分量检测存在的问题，提出了一种通频型基波、谐波、直流分量检测方法，本方法基于正交变换理论，且考虑频率波动对理论实现精度的影响，为一种能实时分离出基波、谐波与直流分量的新型检测方法。
本发明的技术方案为：一种通频型基波、谐波、直流分量检测方法，具体包括如下步骤：
1）检测信号                                               在半基波周期内累加，检测信号中
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE004
次谐波与正交因子［sin(k),cos(k)］ T 相乘后，在半周期内正负相抵消,半周期中，直流分量与sin(k)相乘累计在基波投影峰值中，直流分量与cos(k)相乘累加后正负抵消,半周期后最终剩下基波和直流量的累加值；通过相位锁存环获取的基波频率
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE006
和4/(
Figure 793464DEST_PATH_IMAGE008
为采样频率)频率相乘，计算出半周期采样的实际点数，累加值对实际点数求平均获得检测信号与正弦基波在半周期内的累加平均值与检测信号与余弦基波在半周期内的累加平均值
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE012
,公式如下：
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE014
；
；
其中比值
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE018
；
2）利用半周期检测到的
Figure 989828DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 256861DEST_PATH_IMAGE012
，以及
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE020
，为基波信号的初始相位，合成基波分量
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE024
以及直流分量
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 2012104857645100002DEST_PATH_IMAGE030
；
3）通过检测信号减去基波分量，再减去直流分量，获取谐波分量，
。
本发明的有益效果在于：本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法，能够实时检测到直流分量、基波分量和谐波分量；精度高，不存在忽略项，理论上没有误差；由于采用变参数的方式，不需要对整个算法的参数进行调整，能够实现即插即用以及模块化，应用方便，满足了分布式发电系统实时、精确获取公共接入点基波、谐波和直流量的要求。
附图说明
图1为本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法中正交变换分离算法框图；
图2为本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法实施例10V四波叠加图；
图3为本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法实施例10V四波分离图；
图4为本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法实施例50.2Hz时的不变频检测图；
图5为本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法实施例50.2Hz时的变频检测图；
图6为本发明通频型基波、谐波、直流分量检测方法实施例—0.1V检测图。
具体实施方式
如图1所示通频型基波、谐波、直流分量检测方法中正交变换分离算法框图，图中：检测信号；
Figure 937689DEST_PATH_IMAGE006
：基波频率；
Figure 931053DEST_PATH_IMAGE008
：采样频率；
Figure 685383DEST_PATH_IMAGE010
：检测信号与正弦基波在半周期内的累加平均值；
Figure 858613DEST_PATH_IMAGE012
：检测信号与余弦基波在半周期内的累加平均值；
Figure 381998DEST_PATH_IMAGE022
：基波信号的初始相位；
Figure 811842DEST_PATH_IMAGE024
：输出基波分量；
Figure 53468DEST_PATH_IMAGE032
：输出谐波分量；
Figure 266274DEST_PATH_IMAGE026
：输出直流分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
：求和器；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
：乘法器；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
：求和器；PLL：相位锁存环。
采样频率
Figure 847429DEST_PATH_IMAGE008
，系统基波频率
Figure 120278DEST_PATH_IMAGE006
，定义比值
Figure 849200DEST_PATH_IMAGE018
，则：
Figure 928014DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 425991DEST_PATH_IMAGE016
；
；
Figure 633857DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 584495DEST_PATH_IMAGE034
。  
基于正交变换理论的通频型基波、谐波、直流量检测法在本质上是利用三角函数的正交特性，使用对应频率的正交因子
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，提取正交坐标系dq轴的投影峰值，再利用锁相环的相位信息合成基波，一个基波周期内的工作状态可以分为三个阶段；
第1阶段：采样信号在半基波周期内累加，
Figure 404684DEST_PATH_IMAGE004
次谐波与正交因子相乘后，在半周期内正负相抵消。半周期中，直流分量与相乘累计在基波投影峰值中，直流分量与相乘累加后正负抵消。半周期后最终剩下基波和直流量的累加值；通过检测系统频率，计算出半周期采样的实际点数，累加值对实际点数求平均获得与
Figure 637399DEST_PATH_IMAGE012
；
第2阶段：利用半周期检测到的
Figure 75333DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 433634DEST_PATH_IMAGE012
，以及
Figure 906203DEST_PATH_IMAGE020
，合成基波以及直流量。
第3阶段：通过输入信号减去基波，再减去直流量，获取谐波信号。
如图2所示，输入信号，可以看到四波叠加图，基波信号、直流分量、谐波分量从输入信号中被分离出来，说明了此方法能够分离这三个波形。而图3则是各个信号的分离图，从左到右，从上到下，分为1、2、3、4四个图，1图是输入信号，2图是直流信号，3图是谐波信号，4图是基波信号，从图中可以看到，检测到的各个波形与输入信号一致。
图4、图5的输入信号
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，图4是在没有跟踪基波频率变化的情况下，按照50Hz的基波频率检测得到的值，虽然只是缺失了个位数的采样点，但是如果直流量非常小，就会对合成造成很大的影响，从而影响到谐波量的计算。图5则是在跟踪基波频率变化的情况下，按照50.2Hz的基波频率做出的检测，各个波的检测值与输入信号是一致的。因为通过这样的方式，能够计算得到实际的采样点数，从而在计算
Figure 473449DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 336363DEST_PATH_IMAGE012
时，就不会有偏差，合成直流量就精确了。
图6中，输入信号
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，直流量是个负值，而且相对于基波幅值来说，0.1V的数值很小，但仍然有效地将三个波形分离开来了。说明本专利不仅可以检测负的直流分量，而且检测精度高。
本方法可贵之处不仅体现在实时检测上，也体现在对于频率的跟踪上。对于电网电压来说，频率是波动的，变化的。采用定频的方式会影响采样的精度，从而对还原出基波和直流分量产生误差。若能通过锁相环（PLL）实时获取信号频率，求解工作时的实际采样点数，精度就会进一步地提高。 本发明基于正交变换理论，且考虑频率波动对理论实现精度的影响，通过PLL实时获取采样点数，实现了一种能实时分离出基波、谐波与直流分量的新型检测方式。它可以快速、精确地检测、分离信号波形，满足了分布式发电系统实时、精确获取公共接入点基波、谐波和直流量的要求。

Claims (1)

1.一种通频型基波、谐波、直流分量检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）检测信号                                               
Figure 862530DEST_PATH_IMAGE002
在半基波周期内累加，检测信号中
Figure 2012104857645100001DEST_PATH_IMAGE004
次谐波与正交因子［sin(k),cos(k)］ T 相乘后，在半周期内正负相抵消,半周期中，直流分量与sin(k)相乘累计在基波投影峰值中，直流分量与cos(k)相乘累加后正负抵消,半周期后最终剩下基波和直流量的累加值；通过相位锁存环获取的基波频率
Figure 2012104857645100001DEST_PATH_IMAGE006
和4/
Figure 2012104857645100001DEST_PATH_IMAGE008
(
Figure 221748DEST_PATH_IMAGE008
为采样频率)频率相乘，计算出半周期采样的实际点数，累加值对实际点数求平均获得检测信号与正弦基波在半周期内的累加平均值
Figure 2012104857645100001DEST_PATH_IMAGE010
与检测信号与余弦基波在半周期内的累加平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE012
,公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
；
其中比值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
2）利用半周期检测到的
Figure 876851DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 272061DEST_PATH_IMAGE012
，以及
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为基波信号的初始相位，合成基波分量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
以及直流分量
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
3）通过检测信号减去基波分量，再减去直流分量，获取谐波分量
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
。
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