CN103050973A - 一种阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法，它通过对电网电压瞬变点进行捕捉，对阶数递增算法进行使能，在对同步旋转直流坐标系正负序电压各分量实施低通滤波时，实现了瞬变过程中的电网电压前馈项的快速响应，同时实现了随着电压瞬变时刻的时间推移，谐波衰减系数的递增；实现了同步旋转直流坐标系正负序控制方程中电网电压前馈项的快速、准确的获取。

Description

一种阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，具体而言，涉及一种阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法。 

背景技术

随着电力电子技术和快速数字信号处理技术的发展，双馈风力发电系统得到了广泛的应用。但是由于电网故障所导致的电压瞬间跌落、瞬间恢复及谐波扰动等运行工况，使得双馈风力发电系统网侧变流器的低电压穿越控制以及无功电流快速响应控制成为难点。 

当双馈风力发电机所联电网发生电压跌落时，电网电压基波幅值与相位将发生瞬变，导致复杂的电力系统暂态过程电网电压的谐波分量会显著增加。在此条件下提取电网基波电压的幅值和相位信息将十分困难，直接影响网侧变流器在低压穿越过程中的持续并网功能、快速无功补偿功能与谐波抑制功能，因此同步直流旋转坐标系控制方程中的正负序电压前馈项滤波方法非常关键。目前针对低电压穿越，网侧变流器多采用不同阶数的低通滤波器对同步直流旋转坐标系正负序电网电压分量进行滤波，以消除电网电压瞬变时刻及故障过程的谐波扰动，得到更为稳定的正负序各轴电压分量作为控制方程的前馈项。但阶数高低的选择使得低通滤波环节的响应速度与谐波衰减系数产生矛盾。 

发明内容

本发明针对上述技术难题，对电网电压瞬变点进行捕捉，对阶数递增算法进行使能，实现了对同步旋转直流坐标系正负序电压各分量实施低通滤波时在瞬变过程中的快速响应，同时实现了电压瞬变后谐波衰减系数的快速递增，能快速、准确地获取同步旋转直流坐标系正负序控制方程中的电网电压前馈项，以解决双馈风力发电系统网侧变流器低压穿越过程电网电压前馈误差大、扰动大、控制特性差的技术问题。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法，其特征在于： 

步骤一、对A相电网电压采样得到u_A，将u_A通过低通滤波后得到u′_A，对u′_A实施过零点捕获，得到正序直流旋转坐标系d轴与三相静止坐标系A轴角度θ^p以及负序直流旋转坐标系d轴与三相静止坐标系A轴角度θⁿ； 

步骤二、将电网三相采样电压u_A、u_B、u_C进行静止坐标系的3/2变换，得到u_α 与u_β，以θ^p为坐标旋转角度，得到u_d与u_q；u_d与u_q信号经过陷波滤波器得到正序电网电压在正序的d、q轴分量与

将

以θⁿ-θ^p为坐标旋转角度进行坐标变换，得到负序电网电压的负序d、q轴分量

与 

步骤三、设置变阶滤波器启动规则。将

通过一阶低通滤波器（LPF），得到 $u_{d\_\mathrm{LPF}1}^p,u_{q\_\mathrm{LPF}1}^p,u_{d\_\mathrm{LPF}1}^n,u_{q\_\mathrm{LPF}1}^n.$ 设T为系统计算周期、ε为变化率设定值，若 $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{d\_\mathrm{LPF}1}^p}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 或 $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{q\_\mathrm{LPF}1}^n}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 或  $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{d\_\mathrm{LPF}1}^n}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 或 $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{q\_\mathrm{LPF}1}^p}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 则启动变阶滤波器阶数递增功能。 

步骤四、将m个1阶低通滤波器串联构造一种链式结构（1阶LPF×m），每一个1阶低通滤波器的输出依次记为[y₁ y₂…y_m]。 

步骤五、设置若干个时间区间，不同的时间区间代表了不同的滤波阶数，当变阶滤波器阶数递增功能启动后，根据时间递增进入不同区间而增加滤波阶数，直至不满足步骤三的条件退出变阶滤波器阶数递增功能。 

步骤六、将步骤二得到的

分别通过由步骤三至步骤五所设计的滤波器，得到同步直流旋转坐标系的正负序电压前馈项

本发明的有益效果是：本发明通过对电网电压瞬变点进行捕捉，对阶数递增算法进行使能，在对同步旋转直流坐标系正负序电压各分量实施低通滤波时，实现了瞬变过程中的电网电压前馈项的快速响应，同时实现了随着电压瞬变时刻的时间推移，谐波衰减系数的递增。实现了同步旋转直流坐标系正负序控制方程中电网电压前馈项快速、准确地获取。 

附图说明

图1为A相电网电压采样过零点捕获图。 

图2为电网电压于直流坐标系进行正负序解耦原理图。 

图3为电网电压直流坐标系前馈项低通滤波阶数递增使能图。 

图4为1阶LPF×m结构图。 

图5为基于阶数递增的低通滤波方法流程图。 

图6为低通滤波器阶数递增原理图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

步骤（1），如图1所示，本发明的A相电网电压采样过零点捕获图，对A相电网电压采样得到u_A，将u_A通过低通滤波器LPF_frequency得到u_A。滤波器LPF_frequency的传递函数为：其截止频率为50Hz。对u_A实施过零点捕获，当u′_A从负值变化为正值瞬间，定义此瞬间为捕获点。在捕获点，令θ^p＝θⁿ＝0，在下一捕获点之前，对θ^p与θⁿ进行角度计算，得到：θ^p＝100π×t，θⁿ＝-100π×t。其中，t为捕获点之后的时间（单位为秒），θ^p为正序直流旋转坐标系d轴与三相静止坐标系A相角度；θⁿ为负序直流旋转坐标系d轴与三相静止坐标系A相角度。 

步骤（2），如图2所示，电网电压于直流坐标系进行正负序解耦原理图，将电网三相采样电压u_A、u_B、u_C进行静止坐标系的3/2变换，得到u_α与u_β，以θ^p为 坐标旋转角度，将u_α与u_β变换至正序dq同步旋转坐标系，得到u_d与u_q，以u_d与u_q信号作为陷波滤波器输入，得到陷波滤波器输出、正序电网电压在正序d、q轴的分量

与

陷波滤波器传递函数为 $\frac{s^2+{\left(2{\mathrm{\ω}}_0\right)}^2}{s^2+(2{\mathrm{\ω}}_0/Q)s+{\left({2\mathrm{\ω}}_0\right)}^2},$ 其中Q为品质因数，ω₀＝100π。将u_d与

相减，u_q与

相减，以θⁿ-θ^p为坐标旋转角度进行坐标变换，得到负序电网电压在负序d、q轴的分量与

步骤（3），如图3所示，电网电压直流坐标系前馈项低通滤波阶数递增使能图，将 $u_d^p,$ $u_q^p,u_d^n,u_q^n,$ 通过一阶低通滤波器（LPF），得到 $u_{d\_\mathrm{LPF}1}^p,u_{q\_\mathrm{LPF}1}^p,$ $u_{d\_\mathrm{LPF}1}^n,u_{q\_\mathrm{LPF}1}^n,$ 该一阶低通滤波器的传递函数为

其中τ为滤波器时间常数。令T为系统计算周期、ε为变化率设定值，若

或  $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{q\_\mathrm{LPF}1}^p}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 或 $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{d\_\mathrm{LPF}1}^n}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 或 $\left|\frac{{\mathrm{du}}_{q\_\mathrm{LPF}1}^n}{\mathrm{dT}}\right|>\mathrm{\ϵ},$ 则置标志位order_trig，令此时刻为δ₁，启动变阶滤波器阶数递增功能。 

步骤（4），构造如图4所示的m个1阶低通滤波器串联结构（1阶LPF×m），每一个1阶低通滤波器的传递函数均为

其中τ为时间常数。根据图4得到链式传递函数各节点输出，并生成矩阵[y₁ y₂…y_m]。其中： 

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{u}_1\\ y_2=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{u}_2=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{y}_1\\ y_3=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{u}_3=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{y}_2\\ .\\ .\\ .\\ y_m=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{u}_m=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}{y}_{m-1}\end{array}\right.$

步骤（5），δ₁时刻将直流信号U_dc作为该传递函数串联结构输入u₁，令函数y₁(t-σ₁)与函数f(t)＝0.95×U_dc交点时刻为δ₂，函数y₂(t-δ₁)与函数f(t)＝0.95×U_dc交点时刻为δ₃，依此类推，函数y_i-1(t)与函数f(t)＝0.95×U_dc交点时刻为δ_i，i∈{1,2,3，...m-1,m}。 

若order_trig置位，在时间点δ₁之后如果δ_k-1＜t≤δ_k则λ＝k-1，k∈{2,3，...m-1,m}。 

设f_order为变阶特征矩阵，表达式如下： 

f_order＝[μ₁,μ₂…μ_j…μ_m] 

其中： 

${\mathrm{\μ}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1& (i=\mathrm{\λ})\\ 0& (i\≠\mathrm{\λ})\end{array}\right.$

如图5所示为本发明所述的基于阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法，阶数递进滤波器输出由下式确定： 

y＝[μ₁ μ₂…μ_j…μ_m][y₁ y₂…y_i…y_m]^T

低通滤波器的阶数递进特性如图6所示。 

步骤（6），将步骤（2）得到的

分别通过由步骤（3）至步骤（5）所设计的滤波器，得到同步直流旋转坐标系的正负序电压前馈项

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。 

Claims (4)

1.一种阶数递增的并网变流器暂态网压前馈项低通滤波方法，它基于阶数递增的双馈电机风力发电系统网侧变流器的低电压穿越控制，其特征在于： 

步骤一、对A相电网电压采样得到u_A，将u_A通过低通滤波后得到u′_A，对u′_A实施过零点捕获，得到正序直流旋转坐标系d轴与三相静止坐标系A轴角度θ^p以及负序直流旋转坐标系d轴与三相静止坐标系A轴角度θⁿ； 

步骤二、将电网三相采样电压u_A、u_B、u_C进行坐标变换得到旋转坐标系下正序电网电压的正序d、q轴分量

与

以及负序d、q轴分量与

步骤三、设置变阶滤波器启动规则； 

步骤四、将m个1阶低通滤波器串联构造一种链式结构（1阶LPF×m），每一个1阶低通滤波器的输出依次记为[y₁ y₂…y_m]； 

步骤五、设置若干个时间区间，不同的时间区间代表了不同的滤波阶数，当变阶滤波器阶数递增功能启动后，根据时间递增进入不同区间而增加滤波阶数，直至不满足步骤三的条件退出变阶滤波器阶数递增功能； 

步骤六、将步骤二得到的分别通过由步骤三至步骤五所设计的滤波器，得到同步直流旋转坐标系的正负序电压前馈项

2.根据权利要求1所述的低通滤波方法，其特征在于： 

步骤三中，所述的启动规则是：将步骤二所得到的

通过一阶低通滤波器（LPF），得到一阶低通滤波器的传递函数为

其中τ为滤波器时间常数，若

 或或或

其中T为系统计算周期、ε为变化率设定值，则置标志位order_trig，启动变阶滤波器阶数递增使能。 

3.根据权利要求1所述的低通滤波方法，其特征在于： 

步骤四中，所述的1阶低通滤波器串联构成的链式结构中每一个1阶低通滤波器的传递函数均为其中τ为时间常数。 

4.根据权利要求1所述的低通滤波方法，其特征在于： 

步骤五中，所述的时间区间获取方式是：启动变阶滤波器阶数递增功能时刻记为δ₁，之后将直流信号U_dc作为步骤四所述的串联链式低通滤波器传递函数的输入u₁，令函数y₁(t-σ₁)与函数f(t)＝0.95×U_dc交点时刻为δ₂，函数y₂(t-δ₁)与函数f(t)＝0.95×U_dc交点时刻为δ₃，依此类推，函数y_i-1(t)与函数f(t)＝0.95×U_dc交点时刻为δ_i，i∈{1,2,3，...m-1,m}。 

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