CN103472301A - 一种电网电压正序、负序分量的提取方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电网电压正序、负序分量的提取方法和系统,所述方法在将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系αβ下的电压eα、eβ的基础上,通过分别对eα、eβ进行两次双阶广义积分处理,得到不包含直流分量的电网电压α轴正序分量β轴正序分量α轴负序分量及β轴负序分量并基于计算出电网电压的正序分量和负序分量显然,最终计算出的电网电压的正序分量和负序分量不包含电网电压直流分量。可见,本发明通过分别对两相静止坐标系下的电压eα、eβ进行两次双阶广义积分处理,抑制了电网电压的直流分量,从而使提取的电网电压正、负序分量中不含有直流分量,进而可更有效地对电网电压不平衡时并网逆变器进行控制。
Description
技术领域
本发明属于先进的锁相环方法在分布式发电系统(光伏发电、风力发电、燃料电池发电等)的应用技术领域,尤其涉及一种电网电压正序、负序分量的提取方法和系统。
背景技术
可再生能源日益成为人类能源可持续发展战略的重要组成部分。电网是一个动态系统,大功率单相负载的接入等因素,会造成电网三相电压不平衡。当电网电压不平衡时,并网逆变器注入到电网的电流是非正弦或不对称的,这种电流和不对称电网电压形成的有功、无功功率将在电网中产生不可控的振荡。此种情况下的并网逆变器的合理控制策略将是可再生能源有效接入电网的关键技术。
目前,需要基于对电网电压正序分量、负序分量进行提取实现并网逆变器的控制,在电网电压不平衡时电网电压正序分量、负序分量提取的过程中,实际测量的误差以及数据转换过程的误差等因素会导致电网电压含有直流分量,当前传统方法提取的电网电压分量中同样含有直流分量,从而为并网逆变器的合理控制带来了不利影响。因此,亟需提供一种抑制了电网电压直流分量的电网电压正序、负序分量的提取方法。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种电网电压正序、负序分量的提取方法和系统,以解决上述问题,使提取的电网电压正序分量、负序分量中不含有直流分量。
为此,本发明采用如下技术方案:
一种电网电压正序、负序分量的提取方法,包括:
将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ;
优选的,所述将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ具体为:
将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec通过3/2变换转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ。
优选的,所述分别对eα、eβ进行两次双阶广义积分处理具体包括:
对eα进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vα和qVα1,其中,Vα是与eα的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1是与eα的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1含有电网电压直流分量;
对qVα1进行双阶广义积分得到与qVα1同相的正弦信号qVα;
对eβ进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vβ和qVβ1,其中,Vβ是与eβ的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1是与输入电网电压eβ的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1含有电网电压直流分量;
对qVβ1进行双阶广义积分得到与qVβ1同相的正弦信号qVβ。
其中,q=e-jπ/2,表示对电网输入信号e进行90度的移相运算。
其中,eαβ表示两相静止坐标系下的电网电压向量。
一种电网电压正序、负序分量的提取系统,包括转换模块、第一计算模块、第二计算模块和控制模块,其中:
所述转换模块,用于将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ;
优选的,所述第一计算模块包括:
第一积分模块,用于对eα进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vα和qVα1,其中,Vα是与eα的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1是与eα的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1含有电网电压直流分量;
第二积分模块,用于对qVα1进行双阶广义积分得到与qVα1同相的正弦信号qVα;
第三积分模块,用于对eβ进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vβ和qVβ1,其中,Vβ是与eβ的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1是与输入电网电压eβ的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1含有电网电压直流分量;
第四积分模块,用于对qVβ1进行双阶广义积分得到与qVβ1同相的正弦信号qVβ。
本发明实施例提供的电网电压正序、负序分量的提取方法,在将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系(αβ)下的电压eα、eβ的基础之上,通过分别对eα、eβ进行两次双阶广义积分(SOGI,Second order generalized integrator)处理,得到不包含电网电压直流分量的电网电压α轴正序分量β轴正序分量α轴负序分量以及β轴负序分量并基于所述不包含电网电压直流分量的α、β轴正、负序分量分析、计算出电网电压的正序分量和负序分量显然,最终计算出的电网电压的正序分量和负序分量中不包含电网电压直流分量。可见,本发明具体通过分别对两相静止坐标系下的电压eα、eβ进行两次双阶广义积分处理,抑制了电网电压的直流分量,从而使提取的电网电压正序分量、负序分量中不含有直流分量,进而可更为有效地对电网电压不平衡时并网逆变器进行控制。
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1是本发明实施例一提供的电网电压正序、负序分量的提取方法流程图;
图2是本发明实施例一提供的电网电压不平衡时电网电压正序、负序提取的电路图;
图3是本发明实施例一提供的闭环传递函数波特图;
图4是本发明实施例二提供的电网电压正序、负序分量的提取系统结构示意图;
图5(a)是本发明实施例三提供的条件1时三相电网电压的波形图;
图5(b)是本发明实施例三提供的条件1时电网电压正序分量波形图;
图5(c)是本发明实施例三提供的条件1时电网电压负序分量波形图;
图6(a)是本发明实施例三提供的条件2时三相电网电压的波形图;
图6(b)是本发明实施例三提供的条件2时电网电压正序分量波形图;
图6(c)是本发明实施例三提供的条件2时电网电压负序分量波形图;
图7(a)是本发明实施例三提供的条件3时三相电网电压的波形图;
图7(b)是本发明实施例三提供的条件3时电网电压正序分量波形图;
图7(c)是本发明实施例三提供的条件3时电网电压负序分量波形图;
图8(a)是本发明实施例三提供的条件4时三相电网电压的波形图;
图8(b)是本发明实施例三提供的条件4时电网电压正序分量波形图;
图8(c)是本发明实施例三提供的条件4时电网电压负序分量波形图;
图9(a)是本发明实施例三提供的条件5时三相电网电压的波形图;
图9(b)是本发明实施例三提供的条件5时传统方式提取的电网电压正序分量的试验波形图;
图9(c)是本发明实施例三提供的条件5时电网电压正序分量波形图;
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、简写或缩写总结解释如下:
3/2变换:3/2指三相静止坐标系/二相静止坐标系,3/2变换即为三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换。
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做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。
本发明公开一种电网电压正序、负序分量的提取方法和系统,用于在三相电网电压不平衡时提取电网电压的正序分量和负序分量,以下将通过多个实施例对本发明的电网电压正序、负序分量的提取方法和系统进行详细说明。
实施例一
本发明实施例一公开了一种电网电压正序、负序分量的提取方法,请参见图1,该方法包括:
S1:将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ。
其中,三相电网电压不平衡时,具体通过3/2变换将三相电网电压ea、eb、ec转换为两相静止坐标系下的电压eα、eβ。
如图2所示,本发明实施具体采用四个双阶广义积分(SOGI)实现三相电网电压正、负序分量的提取以及对电网电压直流分量的有效控制。
具体地,对eα进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vα和qVα1,其中,Vα与eα的基波相位、幅值和频率相同,而qVα1与输入电网电压eα的基波相位相差90度,幅值和频率相同,且qVα1含有电网电压直流分量;之后,再将正弦信号qVα1进行双阶广义积分得到与qVα1同相的正弦信号qVα。显然,qVα中不包含电网电压直流分量。
相应的,对eβ进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vβ和qVβ1,其中,Vβ与eβ的基波相位、幅值和频率相同,而qVβ1与输入电网电压eβ的基波相位相差90度,幅值和频率相同,且qVβ1含有电网电压直流分量;接下来,再将正弦信号qVβ1通过双阶广义积分得到与qVβ1同相的正弦信号qVβ,qVβ中同样不包含电网电压的直流分量。
以下将对上述双阶广义积分处理所基于的事实依据进行详细说明。请参见图2,由图2可得电网电压不平衡时其正、负序分量提取的闭环传递函数(FVα(s)=Vα(s)/eα(s),FqVα1(s)=qVα1(s)/eα(s),FqVα(s)=qVα(s)/eα(s),FVβ(s)=Vβ(s)/eβ(s),FqVβ1(s)=qVβ1(s)/eβ(s),FqVβ(s)=qVβ(s)/eβ(s))如下:
其中,ωg是SOGI自然振荡频率,其与采用PLL(Phase Loop Locked,锁相环)技术输出频率ω*相等;k是影响SOGI闭环传递函数的带宽。取k=0.707,ωg=314.16,则闭环传递函数 的波特图如图3所示(图3中对曲线做了标记,其中,相同标记的为同一曲线)。从图3的波特图可以得出:若输入电网电压信号eα有直流分量,则qVα1与电网电压信号eα一样含有直流分量,但输出电压信号qVα对输入电网电压信号eα的直流分量有很好的滤波效果,从而可以有效地抑制电网电压信号eα的直流分量。传递函数FVβ(s)、FqVβ1(s)和FqVβ(s)的波特图与图3相同,相应可得出如下结论:若输入电网电压信号eα有直流分量,则qVβ1与电网电压信号eα一样含有直流分量,但输出电压信号qVβ对输入电网电压信号eα的直流分量有很好的滤波效果。
三相电网电压ea、eb、ec对应的三相电网电压向量记为eabc,eabc可以分解为瞬时正序分量、负序分量和零序分量,即其中,
以上各式中,α=ej2π/3,α为Fortescue算子的表达式,表示对输入信号e相移120度。在三相三线制的并网逆变系统中,不存在零序分量,因此,本发明不需考虑电网电压的零序分量,即只考虑电网电压的正序、负序分量的提取和直流分量的抑制。
三相电网电压在三相静止坐标系下(abc)的正、负序分量可以通过3/2坐标变换被变换为二相静止坐标系下(αβ)的正、负序分量。其变换如下:
将式(7)和式(8)分别代入式(10)和式(11)中可得:
对式(12)和式(13)进行化简,得:
在式(16)和式(17)中,q=e-jπ/2,表示对输入信号e进行90度的移相运算,eαβ表示两相静止坐标系下的电网电压向量。
综上,本发明实施例提供的电网电压正序、负序分量的提取方法,在将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系αβ下的电压eα、eβ的基础之上,通过分别对eα、eβ进行两次双阶广义积分处理,得到不包含电网电压直流分量的电网电压α轴正序分量β轴正序分量α轴负序分量以及β轴负序分量并基于所述不包含电网电压直流分量的α、β轴正、负序分量分析、计算出电网电压的正序分量和负序分量显然,最终计算出的电网电压的正序分量和负序分量中不包含电网电压直流分量。可见,本发明具体通过分别对两相静止坐标系下的电压eα、eβ进行两次双阶广义积分处理,抑制了电网电压的直流分量,从而使提取的电网电压正序分量、负序分量中不含有直流分量,进而可更为有效地对电网电压不平衡时并网逆变器进行控制。
实施例二
本发明实施例二公开了一种电网电压正序、负序分量的提取系统,请参见图4,该电网电压正序、负序分量的提取系统包括转换模块100、第一计算模块200、第二计算模块300和控制模块400。
转换模块100,用于将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ。
具体地,第一计算模块200包括第一积分模块、第二积分模块、第三积分模块和第四积分模块。第一积分模块,用于对eα进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vα和qVα1,其中,Vα是与输入电网电压eα的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1是与输入电网电压eα的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1含有电网电压直流分量;第二积分模块,用于对qVα1进行双阶广义积分得到与qVα1同相的正弦信号qVα;第三积分模块,用于对eβ进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vβ和qVβ1,其中,Vβ是与输入电网电压eβ的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1是与输入电网电压eβ的基波相位相差90度、幅值和频率相同的的正弦信号,qVβ1含有电网电压直流分量;第四积分模块,用于对qVβ1进行双阶广义积分得到与qVβ1同相的正弦信号qVβ。
对于本发明实施例二公开的电网电压正序、负序分量的提取系统而言,由于其与实施例一公开的电网电压正序、负序分量的提取方法相对应,所以描述的比较简单,相关相似之处请参见实施例一中电网电压正序、负序分量的提取方法部分的说明即可,此处不再详述。
实施例三
本实施例三对本发明的电网电压正序、负序分量的提取方法和系统的可行性和正确性进行验证。具体通过对不同不平衡条件下的电网电压进行实验来验证。
条件1:
ea=325cosωt,eb=325cos(ωt-2π/3),ec=325cos(ωt+2π/3);
条件2:
ea=325cosωt,eb=262cos(ωt-2π/3),ec=262cos(ωt+2π/3);。
条件3:
ea=325cosωt,eb=115cos(ωt-2π/3),ec=115cos(ωt+2π/3);
条件4:
ea=325cosωt+eah,eb=115cos(ωt-2π/3)+ebh,ec=115cos(ωt+2π/3)+ech,其中,eah,ebh,ech分别为含5次、7次的高次谐波;
条件5:
ea=325cosωt+30,eb=115cos(ωt-2π/3)+30,ec=115cos(ωt+2π/3)+30。
利用本发明的方法分别提取上述条件1、条件2……条件5下的电网电压的正序分量和负序分量,并基于提取的电网电压正序分量和负序分量进行绘图。请参见图5,其中,图5(a)为条件1时三相电网电压的波形图,图5(b)为条件1时电网电压正序分量波形图,图5(c)为条件1时电网电压负序分量波形图;相应地,图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为条件2时三相电网电压及其对应的电网电压正、负序分量的实验波形图;图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为条件3时三相电网电压及其对应的电网电压正、负序分量的实验波形图;图8(a)、图8(b)、图8(c)分别为条件4时三相电网电压及其对应的电网电压正、负序分量的实验波形图;图9(a)、图9(c)分别为条件5时三相电网电压及其对应的电网电压正序分量的实验波形图,图9(b)为传统方式提取的电网电压正序分量的试验波形图。
依据图5~图7的实验波形可以得出如下结论:电网电压在不同的不平衡情况下,本发明的方法能有效、精确地提取电网电压的正序、负序分量;依据图8的实验波形可以得出:在电网电压不平衡和电网电压含有高次谐波时,本发明的方法同样能够有效、精确地提取电网电压的正序、负序分量;依据图9的对比实验波形得出:当采集的电网电含有直流分量时,区别于传统方法提取的电网电压正序分量中含有直流分量,采用本发明方法能够有效地抑制电网电压的直流分量。
实施例四
本发明实施例四在以上各实施例的基础上,公开了一利用本发明的方法提取电网电压正、负序分量的具体实例,包括如下步骤:
(1)以数字信号处理器TMS320F2808为核心,利用片内16路12位AD(Analog/Digital,模拟/数字)模块对信号采集电路信号进行采样。
具体地,采用差分电路(信号采集电路)采集三相电网电压ea,eb,ec,并通过信号处理将输入的相电网电压信号调理成0~3V之间,之后将相电压信号通过硬件低通滤波处理输入至TMS320F2808芯片为核心的12位的AD采样口。
(2)将闭环传递函数FVα(s)=Vα(s)/eα(s),FqVα1(s)=qVα1(s)/eα(s),FqVα(s)=qVα(s)/eα(s),FVβ(s)=Vβ(s)/eβ(s),FqVβ1(s)=qVβ1(s)/eβ(s),FqVβ(s)=qVβ(s)/eβ(s)在DSP(digital singnal processor,数字信号处理器)进行离散化处理。
取x=2kωgTs,y=(ωgTs)2,则有:
取 则得到FVα(s)=Vα(s)/eα(s)的DSP离散化公式如下:
相应地,可采用同样的方式对FqVα1(z)=qVα1(z)/eα(z),FqVα(z)=qVα(z)/eα(z),FVβ(z)=Vβ(z)/eβ(z),FqVβ1(z)=qVβ1(z)/eβ(z),FqVβ(z)=qVβ(z)/eβ(z)在DSP进行离散化处理。
(3)利用如下公式提取电网电压的正序分量和负序分量:
(4)通过C语言在TMS320F2808芯片实现上述离散化过程。
需要说明的是,本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一、第二、第三和第四等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
2.根据权利要求1所述的电网电压正序、负序分量的提取方法,其特征在于,所述将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ具体为:
将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec通过3/2变换转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ。
3.根据权利要求1所述的电网电压正序、负序分量的提取方法,其特征在于,所述分别对eα、eβ进行两次双阶广义积分处理具体包括:
对eα进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vα和qVα1,其中,Vα是与eα的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1是与eα的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1含有电网电压直流分量;
对qVα1进行双阶广义积分得到与qVα1同相的正弦信号qVα;
对eβ进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vβ和qVβ1,其中,Vβ是与eβ的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1是与输入电网电压eβ的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1含有电网电压直流分量;
对qVβ1进行双阶广义积分得到与qVβ1同相的正弦信号qVβ。
6.一种电网电压正序、负序分量的提取系统,其特征在于,包括转换模块、第一计算模块、第二计算模块和控制模块,其中:
所述转换模块,用于将三相电网的第一相位电压ea、第二相位电压eb、第三相位电压ec转换为两相静止坐标系下的电压:α相电压eα、β相电压eβ;
7.根据权利要求6所述的电网电压正序、负序分量的提取系统,其特征在于,所述第一计算模块包括:
第一积分模块,用于对eα进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vα和qVα1,其中,Vα是与eα的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1是与eα的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVα1含有电网电压直流分量;
第二积分模块,用于对qVα1进行双阶广义积分得到与qVα1同相的正弦信号qVα;
第三积分模块,用于对eβ进行双阶广义积分得到相位相差90度的正弦信号Vβ和qVβ1,其中,Vβ是与eβ的基波相位、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1是与输入电网电压eβ的基波相位相差90度、幅值和频率相同的正弦信号,qVβ1含有电网电压直流分量;
第四积分模块,用于对qVβ1进行双阶广义积分得到与qVβ1同相的正弦信号qVβ。
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