CN103344815A - 一种宽范围变化的电气参数测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽范围变化的电气参数测量方法及系统，适用于中小容量风力发电机组接入的微电网，该方法包括：对瞬时电压信号进行离散采样获得离散电压信号，结合锁相负反馈相位角信号对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；对所述相位差信号进行比例积分调节，获得零相位差信号的基波角频率；由所述基波角频率得到输出频率，同时对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角锁相负反馈；根据所述输出频率计算得电压及电流有效值。通过本发明解决了频率宽变化范围电压的数字锁相问题，为中小容量风电机组的快速功率控制提供输入参数测量方法。

Description

一种宽范围变化的电气参数测量方法及系统

技术领域

本发明涉及可再生能源发电技术领域，特别涉及一种适用于微网的宽范围变化的电气参数测量方法及系统。

背景技术

微网即微电网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，并以自愈、清洁、经济等优点成为了今后电网发展的一个重要趋势。随着常规能源的日益减少，风力发电在智能电网中起着越来越重要的作用，但是风电无法像常规电源一样通过输入动力与发电机励磁控制实现稳定运行，需要通过交-直-交两级功率变化实现，一般大规模并网风电机组可通过增加同轴的脉冲编码器锁相后可控整流实现第一级交直功率控制，但在用于微网的中小容量机组中编码器不经济不可靠，多采用并联卸荷电阻的高功耗卸荷控制方式，或基于无传感器锁相技术的可控整流，后者通过锁相为控制提供电气参数，风力发电整流过程中采用脉宽调制控制可使直流电压较为平滑，而且脉宽调制可控整流中需要用到锁相技术，由电机原理可知，风力发电输出频率随转速变化，所以风电输出的电气参数范围较宽，常规锁相方法无法实现。

发明内容

(一)所要解决的技术问题

本发明通过提供一种宽范围变化的电气参数测量方法，解决了微网风力发电中频率变化范围宽，动态性能差，动态响应速度慢问题。

(二)技术方案

本发明提供一种宽范围变化的电气参数测量方法，该方法包括：

S1、对瞬时电压信号进行离散采样获得离散电压信号，结合锁相负反馈相位角信号对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；

S2、对所述相位差信号进行比例积分调节，获得零相位差信号的基波角频率；

S3、由所述基波角频率得到输出频率，同时对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角锁相负反馈；

S4、根据所述输出频率计算得到电压及电流有效值，并用于计算电气参数。

其中，所述步骤S1包括：

以所述锁相负反馈相位角作为相位参考，对所述离散电压信号进行采用本次采集数据结合前N-1次数据的滑窗迭代离散傅里叶变换，获得锁相负反馈相位角信号与瞬时电压信号基波实时相位差信号。

其中，所述滑窗迭代傅里叶变换中还包括对相位计算的修正，所述修正为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1={(\frac{T}{\mathrm{\ΔT}}-N)}^2/2T\\ K_2=((\frac{T}{\mathrm{\ΔT}}-N)/T)+K_1\\ \mathrm{\Δ\θ}=U\left(t\right)*K_2\left(t\right)-U\left(t\right)*K_1(t-1)\end{array}\right.$

式中u(t)为瞬时电压信号，T为信号周期，ΔT为采样时间间隔，N为一个信号周期内采样点个数，K₁、K₂为修正系数，且K₁(t-1)代表前次修正系数，K₂(t)代表本次修正系数，Δθ为相位角校正值。

其中，所述对瞬时电压信号进行离散采样包括：

由所述输出频率得到采样间隔，将所述采样间隔反馈到所述离散采样中，并按照该采样间隔对瞬时电压信号进行电压离散采样。

其中，所述步骤S3具体包括：

将所述输出频率乘以2π得到第一角频率，所述第一角频率与所述基波角频率相加得到第二角频率，将所述第二角频率除以2π并进行数字低通滤波获得输出频率；

同时对所述第一角频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到第三角频率，将所述第三角频率进行取2π的模运算求得相位角。

其中，对所述输出频率进行频率突变抑制，并由抑制后的输出频率得到所述采样间隔或所述第一角频率。

其中，所述频率突变抑制包括：

对于所述输出频率，通过判断该频率在预定时间内的变化量是否达到预定值确定该频率是否发生波动及突变，若波动持续则为正常变化，否则为突变，加以滤除。

本发明还提供一种宽范围变化的电气参数测量系统，该系统包括：

采样及离散傅里叶变换单元，包括：

电压采样单元，用于对瞬时电压信号进行电压离散采样获得离散电压信号；离散傅里叶变换单元，用于结合锁相负反馈相位对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；

比例积分调节器，用于对所述相位差信号进行比例和积分调节，并获得零差值相位信号的基波角频率；

所述频率获取单元，用于由所述基波角频率得到输出频率；

所述相位获取单元，用于对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角负反馈到离散傅里叶变换单元。

其中，该系统还包括：频率突变抑制单元，用于对所述输出频率进行频率突变抑制，并将抑制后的输出频率发送给所述频率获取单元和所述相位获取单元。

其中，该系统还包括采样间隔单元，用于由所述输出频率或抑制后的输出频率得到采样间隔，并将所述采样间隔反馈到所述电压采样单元。

(三)有益效果

本发明提供了一种宽变化范围的电气参数测量方法及系统，该方法及系统采用本次采集数据结合前N-1次数据的滑窗离散傅里叶变换，提高了动态性能；通过改变数字锁相环中角频率离散积分环节的位置，改变了该环节闭环传递函数，从而使其频域带宽增大，在不影响测量时间及精确度条件下进一步提高了动态响应速度。另外，针对变化范围宽的频率问题，将锁相环节中按恒定参考角频率选取采样间隔的频率和相角计算改为依据锁相环节所得实时频率的频率和相角计算，使其能够实现对频率波动较大的输入信号锁相。本发明解决了宽范围变化，尤其是频率宽变化范围电压的数字锁相问题，应用本发明显提高了电气参数测量的动态响应速度，并能大幅提高精确频率测量范围，保证微电网电压稳定性。

附图说明

图1为本发明提供方法的步骤流程图；

图2为具体实施例中的流程信号图；

图3为本发明频率突变抑制流程图；

图4为本发明系统的结构示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种宽范围变化的电气参数测量方法，具体步骤如图1所示，包括：

S1、对瞬时电压信号进行离散采样获得离散电压信号，结合锁相反馈相位信号对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；

本发明中以锁相反馈相位角作为相位参考，对时域离散电压信号进行采用本次采集数据结合前N-1次数据的滑窗迭代离散傅里叶变换，获得锁相反馈相位角信号与瞬时电压信号基波实时相位差信号。滑窗是指利用傅里叶变换运算时，所采用的数据是动态变化的，每次运算的数据的长度固定，即窗的宽度固定，但窗内的数据动态变化，每次移入一个移出一个。在滑窗离散傅里叶变换中，每个采样点均进行计算更新，与传统傅里叶变换每周波计算一次相比实时性更强，提高了动态性能，且只需计算最后一次采样点取代之前第N点，计算量小；

S2、对所述相位差信号进行比例积分调节，获得零相角差信号的基波角频率；

步骤S1中获得的相位差信号，以无相角差值为目标进行PI调节(比例调节和积分调节)，得到零相角差值的相位差信号，并获得该信号的基波角频率。本发明通过控制相位角差值为零，即使锁相输出信号与输入信号实时相角相等，即输入信号频率与锁相求得频率相等，完成锁相。

S3、由所述基波角频率得到输出频率，同时对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角锁相负反馈；

对所述基波角频率的变换，结合实时求得的频率进行：将所述输出频率乘以2π得到第一角频率，所述第一角频率与所述基波角频率相加得到第二角频率，将所述第二角频率除以2π并进行数字低通滤波获得输出频率；

同时结合实时求得的频率信号，先进行积分环节，即对所述第一角频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到第三角频率，将所述第三角频率进行取2π的模运算求得相位角。

该步骤中改变了离散积分环节的位置，将积分环节放在求和之前，即对频率积分后再与基波角频率求和，可以快速响应频率的变化。

S4、根据所述频率信号计算电压及电流有效值，并用于计算电气参数。

其中，在对所述瞬时电压信号进行离散采样时，采样间隔为：对获得的输出频率信号进行变换得到采样间隔，将该采样间隔反馈到所述离散采样中，根据该采样间隔对瞬时电压信号进行离散采样。如此主要针对锁相中频率变化范围宽的问题，将锁相环节中按照恒定角频率参考选取采样间隔改为依据锁相环节所得实时频率信号的相关的变量进行计算，实现对频率波动较大的输入信号锁相。

其中可对输出频率进行频率突变抑制处理，将由干扰引起的频率突变滤除，再进行相关计算，使采样间隔，输出频率的计算更加准确。

上述中的所述输出频率进行突变抑制包括：

对于所述输出频率，通过判断该频率在预定时间内的变化量是否达到预定值来确定该频率是否发生波动及突变，若波动持续则为正常变化，否则为突变，加以滤除。

具体的本方法中步骤流程，信号流向如图2所示，包括：

1、对瞬时电压信号进行电压采样，获得离散电压信号，离散值为U(N+1)，N为每周期的采样点数。

其中，电压采样的采样间隔为依据锁相环节所得实时输出频率的频率和相角计算：将输出频率进行突变抑制处理，经过乘以1/x(即求倒数)和1/N，得到采样间隔τ。

2、结合锁相负反馈的相位角信号，对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，得到相位差信号。

首先计算离散电压信号的傅里叶变换基波系数，结合锁相反馈相位角信号的实时相角

计算式为：

结合前N次采样数据得到的傅里叶变换基波系数a_N、b_N，可求得前N次滑窗迭代系数：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_N=\underset{0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_N\\ B_N=\underset{0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_N\end{array}\right.;---\left(2\right)$

根据式(1)与式(2)求得第N+1次滑窗迭代系数A_N+1、B_N+1，即滑窗离散傅里叶变换基波系数A_N+1与B_N+1及滑窗迭代相角φ_N+1，如式(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{N+1}=A_N-a_0+a_{N+1}\\ B_{N+1}=B_N-b_0+b_{N+1}\\ {\mathrm{\φ}}_{N+1}=\arctan \left(\frac{A_{N+1}}{B_{N+1}}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中N为每周波采样点数，采样间隔为τ＝T/N，T为电压信号周期，a₀与b₀为第0次采样的傅里叶变换基波系数，a_N+1与b_N+1为第N+1次，即本次采样的傅里叶变换基波系数。

以锁相反馈相角作为相位参考，相角φ_N+1当为锁相输出反馈信号与输入信号基波实时相位差。通过控制φ_N+1＝0，即输入信号频率与锁相求得频率相等，完成锁相。

在滑窗离散傅里叶变换时，每采集一次数据结合前N-1次数据进行傅里叶变换，在输入信号周期不是采样间隔的整数倍时，频率未改变，但离散化误差造成信号频率发生偏移，为此在相位计算时需对计算值进行修正。计算方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1={(\frac{T}{\mathrm{\ΔT}}-N)}^2/2T\\ K_2=((\frac{T}{\mathrm{\ΔT}}-N)/T)+K_1\\ \mathrm{\Δ\θ}=U\left(t\right)*K_2\left(t\right)-U\left(t\right)*K_1(t-1)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中T为输入信号周期，即信号频率的倒数，ΔT为采样时间间隔，N为一个周期T内采样点个数，K₁、K₂为修正系数，且K₁(t-1)代表前次修正系数，K₂(t)代表本次修正系数，Δθ为相位角校正值。

3、对所述相位差信号进行比例积分调节，获得零相角差信号的基波角频率；对所述基波角频率进行变换滤波求得频率；同时进行离散积分，并与所述角频率相加，求得相位角，并将所述相位角锁相负反馈。

经滑窗迭代离散傅里叶变换求取的相位差信号，以无相角差值为目标，经PI调节得到信号的基波角频率，进行闭环反馈控制；

对反馈的实时频率进行频率突变抑制，将抑制后的输出频率乘以2π得到第一角频率，并与一路基波角频率信号进行相加计算得到第二角频率；所述第二角频率除以2π并进行数字低通滤波得到所述输出频率；

同时对第一角频率进行离散积分，并与一路基波角频率进行相加得到第三角频率；将第三角频率进行取2π的模运算得到相位角，将相位角乘以sin得到相位角信号及电压值，并负反馈。

其中该离散积分的传递函数如式5所示：

$G_{\mathrm{close}}=\frac{K_{p}s+K_i}{(1+K_p)s+K_i}---\left(5\right)$

式中K_p为比例系数，K_i为积分系数。

上述中的频率抑制突变包括：对于所述频率，通过判断该频率在预定时间内的变化量是否达到预定值来确定该频率是否发生波动及突变，若波动持续则为正常变化，否则为突变，加以滤除。具体实现步骤为：进行频率突变抑制的输出频率记为：f₁，自t时刻起，在10倍采样间隔ΔT后，判断频率的变化量Δf是否达到0.1Hz，如果是则认为发生波动，将Flag标志置1，频率仍维持原频率f₀即上次经突变抑制处理后的输出频率；否则判断是否为突变，即进行Flag＝1？的步骤：

再次经过10倍采样间隔ΔT后，如果Δf仍大于0.1Hz，则认为波动是正常变化，将Flag置0，令频率f₀为t时刻的频率f₁，否则认为是突变，仍输出原输出频率f₀。

最终由所获得的输出频率计算电压、电流有效值，并用于电气参数的测量。现有基于离散傅里叶变换计算电压、电流有效值的基本方法如下：对电压、电流采样信号U(t)、I(t)进行傅里叶变换得到式(1)中傅里叶基波系数及其相位如下式(6)、(7)所示

式中，U(i)、I(i)为电压、电流第i点采样值，N为每周波采样点数，k＝1、2......为谐波次数。此时电压、电流基波及各次谐波有效值分别为：

$U_k=\sqrt{\frac{U_{\mathrm{ak}}^2+U_{\mathrm{bk}}^2}{2}}---\left(8\right)$

$I_k=\sqrt{\frac{I_{\mathrm{ak}}^2+I_{\mathrm{bk}}^2}{2}}---\left(9\right)$

由式(6)-(9)可知，电压、电流基波及各次谐波有效值的计算均与N有关，而滑窗内采样点数N与电压、电流信号的周期也即频率相关，因此需要根据电压、电流的实时频率进行计算。后续功率及电量累计等参数均可在此基础上进行计算。

本发明还提供了一种宽范围变化的电气参数测量系统，如图4该系统包括：

采样及离散傅里叶变换单元，包括：

电压采样单元，用于对瞬时电压信号进行电压离散采样获得离散电压信号；离散傅里叶变换单元，用于结合锁相负反馈相位对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；

比例积分调节器，用于对所述相位差信号进行比例和积分调节，并获得零差值相位信号的基波角频率；

所述频率获取单元，用于由所述基波角频率得到输出频率；

所述相位获取单元，用于对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角负反馈到离散傅里叶变换单元。

其中，该系统还包括频率突变抑制单元，用于对所述输出频率进行频率突变抑制，并将抑制后的输出频率发送给所述频率获取单元和所述相位获取单元。所述突变抑制处理的具体实现步骤如图3所示：频率突变抑制单元的输入频率f₁自t时刻起，在10倍采样间隔ΔT后，判断频率的变化量Δf是否达到0.1Hz，如果是则认为发生波动，将Flag标志置1，频率仍维持原频率f₀即上次经突变抑制处理后的频率；否则判断是否为突变，即进行Flag＝1？的步骤：再次经过10倍采样间隔ΔT后，如果Δf仍大于0.1Hz，则认为波动是正常变化，将Flag置0，令输出频率f₀为t时刻的频率f₁，否则认为是突变，仍输出原输出频率f₀

其中，该系统还包括采样间隔单元，用于由所述输出频率或抑制后的输出频率得到采样间隔，并将所述采样间隔反馈到所述电压采样单元。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽范围变化的电气参数测量方法，其特征在于，该方法包括：

S1、对瞬时电压信号进行离散采样获得离散电压信号，结合锁相负反馈相位角信号对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；

S2、对所述相位差信号进行比例积分调节，获得零相位差信号的基波角频率；

S3、由所述基波角频率得到输出频率，同时对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，将所述相位角锁相负反馈；

S4、根据所述输出频率计算得到电压及电流有效值，并用于计算电气参数。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

以所述锁相负反馈相位角作为相位参考，对所述离散电压信号进行采用本次采集数据结合前N-1次数据的滑窗迭代离散傅里叶变换，获得锁相负反馈相位角信号与瞬时电压信号基波实时相位差信号。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述滑窗迭代傅里叶变换中还包括对相位计算的修正，所述修正为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1={(\frac{T}{\mathrm{\ΔT}}-N)}^2/2T\\ K_2=((\frac{T}{\mathrm{\ΔT}}-N)/T)+K_1\\ \mathrm{\Δ\θ}=U\left(t\right)*K_2\left(t\right)-U\left(t\right)*K_1(t-1)\end{array}\right.$

式中u(t)为瞬时电压信号，T为信号周期，ΔT为采样时间间隔，N为一个信号周期内采样点个数，K₁、K₂为修正系数，且K₁(t-1)代表前次修正系数，K₂(t)代表本次修正系数，Δθ为相位角校正值。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对瞬时电压信号进行离散采样包括：

由所述输出频率得到采样间隔，将所述采样间隔反馈到所述离散采样中，并按照该采样间隔对瞬时电压信号进行电压离散采样。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

将所述输出频率乘以2π得到第一角频率，所述第一角频率与所述基波角频率相加得到第二角频率，将所述第二角频率除以2π并进行数字低通滤波获得输出频率；

同时对所述第一角频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到第三角频率，将所述第三角频率进行取2π的模运算求得相位角。

6.如权利要求4或5所述方法，其特征在于，对所述输出频率进行频率突变抑制，并由抑制后的输出频率得到所述采样间隔或所述第一角频率。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述频率突变抑制包括：

对于所述输出频率，通过判断该频率在预定时间内的变化量是否达到预定值确定该频率是否发生波动及突变，若波动持续则为正常变化，否则为突变，加以滤除。

8.一种宽范围变化的电气参数测量系统，其特征在于，该系统包括：

采样及离散傅里叶变换单元，包括：

电压采样单元，用于对瞬时电压信号进行电压离散采样获得离散电压信号；离散傅里叶变换单元，用于结合锁相负反馈相位对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；

比例积分调节器，用于对所述相位差信号进行比例和积分调节，并获得零差值相位信号的基波角频率；

所述频率获取单元，用于由所述基波角频率得到输出频率；

所述相位获取单元，用于对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角负反馈到离散傅里叶变换单元。

9.如权利要求8所述系统，其特征在于，该系统还包括：频率突变抑制单元，用于对所述输出频率进行频率突变抑制，并将抑制后的输出频率发送给所述频率获取单元和所述相位获取单元。

10.如权利要求8或9所述系统，其特征在于，该系统还包括采样间隔单元，用于由所述输出频率或抑制后的输出频率得到采样间隔，并将所述采样间隔反馈到所述电压采样单元。

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