CN103117544A - 一种电网电压或电流正序分量及负序分量分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压或电流正序分量及负序分量分离方法及装置，涉及电力系统三相变流器的控制技术，旨在提供一种更加简单的正序分量及负序分量分离方法及其对应的装置。本发明技术要点：包括负序分量提取步骤及正序分量提取步骤：其中，负序分量提取步骤包括：步骤N1：将电网的三相电量转化为两相静止坐标系下的第一向量；所述电量为电压或电流；步骤N2：将所述第一向量延迟

后再将其相位旋转

得到第二向量；步骤N3：将所述第一向量与第二向量相加得到负序分量；正序分量提取步骤包括：步骤P1：将所述第一向量延迟

后再将其相位旋转

得到第三向量；步骤P2：将所述第一向量与第三向量相加得到正序分量。

Description

一种电网电压或电流正序分量及负序分量分离方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统三相变流器的控制技术，具体涉及一种电网电压/电流正序分量及负序分量的分离方法。

背景技术

在电力系统中，电子变流装置运行时电压/电流不平衡是难免的。特别是在风电、光伏等变流器运行时，三相电压/电流低电压不平衡更是较为常见。目前国家针对风电、光伏等变流器低电压穿越中的不平衡故障的限制提出了明确的要求。

对于理想的电力系统，由于电压/电流三相对称，只有正序分量。当系统故障时，三相电压/电流变得不对称，这时就会同时存在正序分量及负序分量。通过检测系统故障时正序分量与负序分量就可以对系统进行控制，使系统恢复正常状态。因此，对电网电压/电流的正、负序分量分离便成为电力系统控制的非常关键的环节，而分离正、负序分量的准确性和快速性直接影响着系统控制的动态响应和控制精度。

目前采用的正、负序分量分离方法有三种：一是采用陷波器的正、负序分离方法，其原理为三相不平衡电网电压/电流经过坐标变换至正转同步坐标系和反转同步坐标系下，然后分别在正转坐标系和反转坐标系下加入陷波频率为2ω的陷波器。通常可在20ms左右时间完成正、负序分量分离。二是低通滤波器的正、负序分离方法，其方法为把第一种方法的陷波器环节改为低通滤波器环节，其余都相同。此方法需要80ms左右的时间完成正、负序分量分离。三是T/4延时方法的正、负序分离，其方法为对电网电压/电流的瞬时量与T/4延时后的量进行叠加和相减求出正、负序分量。该方法需要10ms左右时间完成正、负序分量分离。

上述三种正序分量及负序分量分离方法均存在计算过程复杂，用时长的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种更加简单的正序分量及负序分量分离方法及其对应的装置。

本发明中的方法包括负序分量提取步骤及正序分量提取步骤：

其中，负序分量提取步骤包括：

步骤N1：将电网的三相电量转化为两相静止坐标系下的第一向量；所述电量为电压或电流；

步骤N2：将所述第一向量延迟Δt后再将其相位旋转π+ωΔt得到第二向量；

步骤N3：将所述第一向量与第二向量相加得到负序分量；

正序分量提取步骤包括：

步骤P1：将所述第一向量延迟Δt后再将其相位旋转π-ωΔt得到第三向量；

步骤P2：将所述第一向量与第三向量相加得到正序分量；

所述ω为电量角频率，

N为不等于0的自然数，T为电量周期。

本发明中的装置包括：

坐标转换模块，用于将电网的三相电量转化为两相静止坐标系下的第一向量；所述电量为电压或电流；

时延模块，用于将所述第一向量延迟Δt并输出延迟后的第一向量；

第一相位旋转模块，用于将所述延迟后的第一向量的相位旋转π+ωΔt得到第二向量并输出；

第二相位旋转模块，用于将所述延迟后的第一向量的相位旋转π-ωΔt得到第三向量并输出；

第一加法模块，用于将所述第一向量与第二向量相加得到负序分量；

第二加法模块，用于将所述第一向量与第三向量相加得到正序分量；

所述ω为电量角频率，

N为不等于0的自然数，T为电量周期。

优选地，所述N取大于或等于4的自然数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

由于本发明采用将三相电量对应于两相静止坐标系下的向量先延时后进行相位旋转的方式求出正、负序分量，因此可取任意的延时量，且本方法实现简单，能够缩短正、负序分离所需时间、提高系统动态响应同时增强系统控制精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为两相静止（αβ）坐标系下计算向量v(t)负序分量的示意图。

图2为两相静止（αβ）坐标系下计算向量v(t)正序分量的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明中的方法包括负序分量提取步骤及正序分量提取步骤,现以电压为例进行说明，显然本领域技术人员能在本说明书的教导下，将此方法应用到电流的正负序分量分离：

所述的负序分量提取步骤如图1所式包括：

步骤N1：将电网的三相电压v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)转化为两相静止（αβ）坐标系下的当前瞬时向量，下式为当前瞬时向量的表达通式，即任何一个当前瞬时向量均可写成正序分量V_P(t)与负序分量V_N(t)叠加的形式：

$v\left(t\right)=V_P\left(t\right)+V_N\left(t\right)=V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}+V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}---\left(1\right).$

其中，将三相电压分量通过矢量合成得到两相静止（αβ）坐标系下的一个向量是本领域技术人员公知的技术，在此不作具体描述。

步骤N2：把式（1）中的当前瞬时向量延时Δt，其中

T为电压周期，在电力系统中，电压为正弦量，因此这里的T即为一个正弦波周期。延时后的值为

$v(t-\mathrm{\Δt})=V_P(t-\mathrm{\Δt})+V_N(t-\mathrm{\Δt})=V_P{e}^{j[\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_P]}+V_N{e}^{j[-\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_N]}---\left(2\right).$

把延时Δt后的值式（2）的相位旋转π+ωΔt得

$v^{\′}(t-\mathrm{\Δt})=(V_P{e}^{j[\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_P]}+V_N{e}^{j[-\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_N]})e^{j(\mathrm{\π}+\mathrm{\ω\Δt})}$

$=V_P^{\′}(t-\mathrm{\Δt})+V_N^{\′}(t-\mathrm{\Δt})---\left(3\right).$

步骤N3：把旋转π+ωΔt后的值式（3）与当前瞬时值式（1）相加得

$v\left(t\right)+v^{\′}(t-\mathrm{\Δt})=V_P\left(t\right)+V_N\left(t\right)+V_P^{\′}(t-\mathrm{\Δt})+V_N^{\′}(t-\mathrm{\Δt})$

$=V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}+V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}+(V_P{e}^{j[\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_P]}+V_N{e}^{j[-\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_N]})e^{j(\mathrm{\π}+\mathrm{\ω\Δt})}$

$=V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}+\left(V_N{e}^{j[-\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_N]}\right)e^{j(\mathrm{\π}+\mathrm{\ω\Δt})}$

$=V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}(1+e^{j(\mathrm{\π}+2\mathrm{\ω\Δt})})---\left(4\right).$

将式（4）变换得负序分量

$V_N\left(t\right)=V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}=\frac{v\left(t\right)+v^{\′}(t-\mathrm{\Δt})}{1+e^{j(\mathrm{\π}+2\mathrm{\ω\Δt})}}---\left(5\right).$

正序分量提取步骤包括：

步骤P1：将式（1）中的当前瞬时向量延迟Δt后再将其相位旋转π-ωΔt得到第三向量：

$v^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})=(V_P{e}^{j[\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_P]}+V_N{e}^{j[-\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_N]})e^{j(\mathrm{\π}-\mathrm{\ω\Δt})}$

$=V_P^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})+V_N^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})$

$\left(6\right).$

步骤P2：把旋转π-ωΔt后的值式（6）与当前瞬时值式（1）相加得:

$v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})=V_P\left(t\right)+V_N\left(t\right)+V_P^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})+V_N^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})$

$=V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}+V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}+(V_P{e}^{j[\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_P]}+V_N{e}^{j[-\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_N]})e^{j(\mathrm{\π}-\mathrm{\ω\Δt})}$

$=V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}+\left(V_P{e}^{j[\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{\θ}}_P]}\right)e^{j(\mathrm{\π}-\mathrm{\ω\Δt})}$

$=V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}(1+e^{j(\mathrm{\π}-2\mathrm{\ω\Δt})})---\left(7\right).$

将式（7）变换得到正序分量

$V_P\left(t\right)=V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}=\frac{v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\mathrm{\Δt})}{1+e^{j(\mathrm{\π}-2\mathrm{\ω\Δt})}}---\left(8\right).$

上述电压角频率ω=2πf，f为电压频率。

对于系统需要的延时精度可以对Δt取不同值得到。

实施例1：

设

将带入（5）求得：

$V_N\left(t\right)=V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}=\frac{v\left(t\right)+v^{\′}(t-\frac{T}{4})}{1+e^{j(\mathrm{\π}+2\×\frac{\mathrm{\π}}{2})}}$

$=\frac{v\left(t\right)+v^{\′}(t-\frac{T}{4})}{2}$

$=\frac{v\left(t\right)+v(t-\frac{T}{4})\×e^{j(\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{2})}}{2}---\left(9\right).$

本领域技术人员不难知晓，按照传统的延时T/4周期方法得到的负序分量的实部

虚部

为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}^N\\ V_{\mathrm{\β}}^N\end{array}\right]=\frac{1}{2}\×\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ V_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\end{array}\right]+\frac{1}{2}\×\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -1& 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ V_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right]---\left(10\right),$

其中V_α(t)为V(t)的实部，V_β(t)为V(t)的虚部，为

的实部，

为

的虚部。

将式（9）写成实部、虚部相加的形式后，可知式（9）与式（10）完全相等，由此分离得到的负序分量与延时T/4周期方法得到的一致，分离时间也一致，也证实本发明的正确性。

将

带入（8）求得：

$V_P{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}=\frac{v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\frac{T}{4})}{1+e^{j(\mathrm{\π}-2\×\frac{\mathrm{\π}}{2})}}$

$=\frac{v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\frac{T}{4})}{2}$

$=\frac{v\left(t\right)+v(t-\frac{T}{4})\×e^{j(\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\π}}{2})}}{2}---\left(11\right).$

本领域技术人员不难知晓，按照传统的延时T/4周期方法得到的正序分量的实部

虚部

为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}^P\\ V_{\mathrm{\β}}^P\end{array}\right]=\frac{1}{2}\×\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ V_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\end{array}\right]+\frac{1}{2}\×\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ V_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right]---\left(12\right).$

将式（11）写成实部、虚部相加的形式后，可知式（11）与式（12）完全相等，由此分离得到的正序分量与延时T/4周期方法得到的一致，分离时间也一致，证实了本发明在此情况下的正确性。

实施例2：

设

则采用延时T/4周期，和差化积等三角函数关系的方法无法求出结果。

采用本发明的方法计算过程如下：

将

带入（5）求得：

$V_N{e}^{j(-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_N)}=\frac{v\left(t\right)+v^{\′}(t-\frac{T}{12})}{1+e^{j(\mathrm{\π}+2\×\frac{\mathrm{\π}}{6})}}$

$=[v\left(t\right)+v^{\′}(t-\frac{T}{12})]\×e^{j\frac{\mathrm{\π}}{3}}$

$=[v\left(t\right)+v(t-\frac{T}{12})\×e^{j(\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{6})}]\×e^{j\frac{\mathrm{\π}}{3}}$

$=v\left(t\right)\×e^{j\frac{\mathrm{\π}}{3}}+v(t-\frac{T}{12})\×e^{j\frac{3\mathrm{\π}}{2}}---\left(13\right).$

将式（13）写成实部、虚部形式为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}^N\\ V_{\mathrm{\β}}^N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ V_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -1& 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{12})\\ V_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{12})\end{array}\right]---\left(14\right).$

将

联立式（8）求得：

$V_P{e}^{j(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)}=\frac{v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\frac{T}{12})}{1+e^{j(\mathrm{\π}-2\×\frac{\mathrm{\π}}{6})}}$

$=\frac{v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\frac{T}{12})}{1+e^{j(\mathrm{\π}-2\×\frac{\mathrm{\π}}{6})}}$

$=[v\left(t\right)+v^{\′\′}(t-\frac{T}{12})]\×e^{j\frac{\mathrm{\π}}{3}}$

$=[v\left(t\right)+v(t-\frac{T}{12})\×e^{j(\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\π}}{6})}]\×e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{3}}$

$=v\left(t\right)\×e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{3}}+v(t-\frac{T}{12})\×e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}---\left(15\right).$

写成实部、虚部形式为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}^P\\ V_{\mathrm{\β}}^P\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ V_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{12})\\ V_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{12})\end{array}\right]---\left(16\right).$

由此分离得到的正、负序分量，延时时间为1.7ms左右，延时时间减少，进而正负序分离时间所用的时间也减少，能够提高控制系统的响应速度。采用同样的方法可以对任意时间延时的量进行正、负序分离。

本发明中的装置包括：

坐标转换模块，用于将电网的三相电量转化为两相静止坐标系下的第一向量；所述电量为电压或电流；

时延模块，用于将所述第一向量延迟Δt并输出延迟后的第一向量；

第一相位旋转模块，用于将所述延迟后的第一向量的相位旋转π+ωΔt得到第二向量并输出；

第二相位旋转模块，用于将所述延迟后的第一向量的相位旋转π-ωΔt得到第三向量并输出；

第一加法模块，用于将所述第一向量与第二向量相加得到负序分量；

第二加法模块，用于将所述第一向量与第三向量相加得到正序分量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种电网电压或电流正序分量及负序分量分离方法，其特征在于，包括负序分量提取步骤及正序分量提取步骤：

其中，负序分量提取步骤包括：

步骤N1：将电网的三相电量转化为两相静止坐标系下的第一向量；所述电量为电压或电流；

步骤N2：将所述第一向量延迟Δt后再将其相位旋转π+ωΔt得到第二向量；

步骤N3：将所述第一向量与第二向量相加得到负序分量；

正序分量提取步骤包括：

步骤P1：将所述第一向量延迟Δt后再将其相位旋转π-ωΔt得到第三向量；

步骤P2：将所述第一向量与第三向量相加得到正序分量；

所述ω为电量角频率，

N为不等于0的自然数，T为电量周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N取大于或等于4的自然数。

3.一种电网电压或电流正序分量及负序分量分离装置，其特征在于，包括：

坐标转换模块，用于将电网的三相电量转化为两相静止坐标系下的第一向量；所述电量为电压或电流；

时延模块，用于将所述第一向量延迟Δt并输出延迟后的第一向量；

第一相位旋转模块，用于将所述延迟后的第一向量的相位旋转π+ωΔt得到第二向量并输出；

第二相位旋转模块，用于将所述延迟后的第一向量的相位旋转π-ωΔt得到第三向量并输出；

第一加法模块，用于将所述第一向量与第二向量相加得到负序分量；

第二加法模块，用于将所述第一向量与第三向量相加得到正序分量；

所述ω为电量角频率，

N为不等于0的自然数，T为电量周期。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述N取大于或等于4的自然数。

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