CN103592500B - 一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参考频率的电网同步信号实时检测方法，涉及电压同步信号检测领域，该方法在检测过程中的低通滤波环节引入负反馈和比例控制，使得相位偏移的校正能得到满意的指标；解决了电网出现频率偏移从而导致检测的同步信号存在较大的相位偏移的问题，仅检测单相电网电压与参考频率正弦、余弦信号运算，即使在三相电网畸变、不平衡条件下也能准确检测电网同步信号。通过还公开了一种基于参考频率的电网同步信号实时检测系统，该系统采用负反馈和比例控制使得相位偏移得到明显校正，按照推导的相位偏移与比例控制系数K的表达式取值，能得到满意的结果，说明电网同步信号实时检测系统具有正确性和有效性。

Description

一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种电压同步信号检测方法及系统，特别涉及一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法及系统。

背景技术

太阳能光伏、风能等新能源的并网控制研究备受国内外关注，电网同步信号的检测是新能源并网变换器控制的关键技术之一。实际电网易出现不平衡、畸变以及频率波动等工况，要求精确检测电网同步信号的难度很高。目前的电网同步信号检测方法主要有锁相环（PLL）电网同步、基于dq变换的软件锁相环电网同步、基于双dq变换的软件锁相环电网同步、基于二阶广义积分锁相环电网同步方法。锁相环受电压畸变、不平衡影响较大，严重情况下会出现失锁；基于dq变换的软件锁相环在三相电压平衡时检测效果较好，但三相不平衡时锁相性能受到较大影响，检测精度不高；基于双dq变换的软件锁相环能实现正负序分离，在三相电网不平衡和畸变条件下锁相效果较好，但其需要多次dq变换和解耦，增加了设计复杂度；基于二阶广义积分锁相环电网同步方法能提取电网正负序分量，利用锁相环节实现电网同步，能实现频率自适应，但电网畸变严重时，滤波效果受谐振带宽的限制，为解决此问题，需引入谐波扩展解耦策略，使整体设计更为复杂。

文献基于参考频率思想，研究了无锁相环实现无功、谐波电流实时检测方法，采用低通滤波器或积分法提取低频信号，但采用低通滤波器和积分法检测结果都明显存在较大的相位偏移，精度不够高。本文提出一种基于参考频率的电网同步信号检测策略，仅采样单相电网电压，经过适当的运算即可得到电网同步正弦、余弦信号的数学模型。对低通滤波环节进行改进，引入负反馈和比例控制，对电网频率偏移导致检测的同步信号与实际值产生的相位偏移进行校正，提高了检测精度。理论和实验研究结果表明本文电网同步信号检测方法不受电网电压畸变、不平衡的影响，能对电网频率波动引起检测的电网同步信号存在的相位偏移进行校正。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法及系统。

本发明的目的之一是提出一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法；本发明的目的之二是提出一种基于参考频率电网同步信号实时检测系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法，包括以下步骤：

S1：输入参考正弦信号sin(ω₀t+θ)、余弦信号cos(ω₀t+θ)和电网单相电压e_s；

S2：将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第一低通滤波器LPF和第一比例控制K，将第一比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第一低通滤波器LPF的输入端，所述从第一比例控制K输出的信号经过处理得到第一中间信号Udcos；

S3：将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第二低通滤波器LPF和第二比例控制K，将第二比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第二低通滤波器LPF的输入端，所述从第二比例控制K输出的信号经过处理得到第二中间信号Udsin；

S4：将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波信号e_s1；

将参考余弦信号cos(ω₀t+θ))和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波正交信号e′_s1；

S5：将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波信号e_s1进行相除，得到电网同步正弦信号

将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波正交信号e′_s1进行相除，得到电网同步余弦信号

进一步，所述第一低通滤波器LPF和第二低通滤波器LPF的传递函数表示为：

$H_{\mathrm{LPF}}^{\′}\left(s\right)=\frac{K{\mathrm{\ω}}_c^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{Q}s+(K+1){\mathrm{\ω}}_c^2};$

其中，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，K表示比例控制系数，s表示传递函数中的参数。

进一步，所述第一比例控制K和第二比例控制K按以下公式取值K值：

$\tan \left|\mathrm{\Δ\φ}\right|=\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ω}}_c/Q}{(K+1){\mathrm{\ω}}_c^2-{\mathrm{\ω}}^2};$

其中，Δφ表示由频率偏差引起的相位偏移，ω表示频率偏差值，ω_c表示滤波器截止频率，Q表示为品质因数，K表示比例控制系数。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于参考频率电网同步信号实时检测系统，包括

信号输入单元、第一中间信号生成单元、第二中间信号生成单元、电网基波信号单元、电网基波正交信号单元、电网同步正弦信号单元和电网同步余弦信号单元；

所述信号输入单元，用于输入参考正弦信号sin(ω₀t+θ)、余弦信号cos(ω₀t+θ)和电网单相电压e_s；

所述第一中间信号生成单元，用于将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第一低通滤波器LPF和第一比例控制K，将第一比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第一低通滤波器LPF的输入端，所述从第一比例控制K输出的信号经过处理得到第一中间信号Udcos；

所述第二中间信号生成单元，用于将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)与电网单相电压es进行相乘运算，依次经过第二低通滤波器LPF和第二比例控制K，将第二比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第二低通滤波器LPF的输入端，所述从第二比例控制K输出的信号经过处理得到第二中间信号Udsin；

所述电网基波信号单元，用于将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波信号e_s1；

所述电网基波正交信号单元，用于将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波正交信号e′_s1；

所述电网同步正弦信号单元，用于将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波信号e_s1进行相除，得到电网同步正弦信号

所述电网同步余弦信号单元，用于将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波正交信号e′_s1进行相除，得到电网同步余弦信号

进一步，所述第一低通滤波器LPF和第二低通滤波器LPF的传递函数表示为：

其中，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数。

进一步，所述第一比例控制K和第二比例控制K按以下公式取值K值：

$\tan \left|\mathrm{\Δ\φ}\right|=\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ω}}_c/Q}{(K+1){\mathrm{\ω}}_c^2-{\mathrm{\ω}}^2};$ 其中，ω表示频率偏差值。

本发明的优点在于：本发明采用一种基于参考频率的电网同步信号实时检测方法，可在三相电网电压畸变、不平衡条件下准确检测电网同步信号。在电网出现频率偏移情况下，直接采用积分法或低通滤波器提取低频信号，造成检测电网同步信号存在较大的相位偏移。为对相位偏移进行校正，将低通滤波环节进行改进，引入了负反馈和比例控制。理论与实验结果表明引入负反馈和比例控制后，相位偏移得到明显校正，按照推导的相位偏移与比例控制系数K的表达式取值，能得到满意的结果，说明电网同步信号实时检测方法具有正确性和有效性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为电网同步信号检测原理图；

图2为改进后电网同步信号检测原理图；

图3为低通滤波环节频率特性图；图3a为K≥1时，滤波环节频率特性图；图3b为低频段相频曲线放大图；图3c为0<K≤1时，滤波环节频率特性图；图3d为低频段相频曲线放大图；

图4为电网同步信号检测；

图5为同步正弦动态跟踪过程；

图6为改进低通滤波环节前后实验结果对比；图6a为频率偏移0.5Hz，未加负反馈和比例控制；图6b为K=1.71；图6c为频率偏移1Hz，未加负反馈和比例控制；图6d为K=4.44；

图7为es加入三次谐波后，K=50；

图8为改进后电网同步信号检测系统原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为电网同步信号检测原理图，图中，方框中的2表示信号放大2倍，如图所示，实际三相电力系统中，电网存在不平衡和畸变，其中单相电网电压可表示为：

上式中，E1、En分别为基波、n次谐波电压的幅值；φ1、φn分别为基波和n次谐波电压初相角，n为大于1的正整数；ω1为电网运行角频率。

给定参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和余弦信号cos(ω₀t+θ)，ω₀为电网额定角频率，即ω₀=100π，θ为任意值。无锁相环实现单相无功谐波电流实时检测，已推导出中间信号Udsin、Udcos，和电网的基波e_s1的表达式：

对电网基波e_s1的正交信号e′_s1表达式进行推导，得到电网同步正弦、余弦的数学模型。

以Udcos乘以cos(ω₀t+θ)得：

以Udsin乘以sin(ω₀t+θ)得：

式(5)-(6)得电压基波正交信号：

则可得同步正、余弦信号数学模型为：

整个检测原理如图1所示，图中u为其所在通路输入信号。检测过程仅对单相电网电压处理，并提取了其基波和基波正交信号，检测结果不受其它相电压不平衡和畸变的影响。

图2为改进后电网同步信号检测原理图，如图所示：本发明提供的一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法，包括以下步骤：

S1：输入参考正弦信号sin(ω₀t+θ)、余弦信号cos(ω₀t+θ)和电网单相电压e_s；

S2：将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第一低通滤波器LPF和第一比例控制K，将第一比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第一低通滤波器LPF的输入端，所述从第一比例控制K输出的信号经过(补充)处理得到第一中间信号Udcos；

S3：将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第二低通滤波器LPF和第二比例控制K，将第二比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第二低通滤波器LPF的输入端，所述从第二比例控制K输出的信号经过(补充)处理得到第二中间信号Udsin；

S4：将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波信号e_s1；

将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波正交信号e′_s1；

S5：将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波信号e_s1进行相除，得到电网同步正弦信号

将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波正交信号e′_s1进行相除，得到电网同步余弦信号

所述第一低通滤波器LPF和第二低通滤波器LPF的传递函数表示为：

$H_{\mathrm{LPF}}^{\&prime;}\left(s\right)=\frac{K{\mathrm{\&omega;}}_c^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{Q}s+(K+1){\mathrm{\&omega;}}_c^2};$

其中，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，s表示传递函数中的参数，也表示复频域，当对传递函数进行幅值和相角计算时，取s=jω。

图8为改进后电网同步信号检测系统原理框图，如图所示：本发明提供的一种基于参考频率电网同步信号实时检测系统，包括

信号输入单元、第一中间信号生成单元、第二中间信号生成单元、电网基波信号单元、电网基波正交信号单元、电网同步正弦信号单元和电网同步余弦信号单元；

所述信号输入单元，用于输入参考正弦信号sin(ω₀t+θ)、余弦信号cos(ω₀t+θ)和电网单相电压e_s；

所述第一中间信号生成单元，用于将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)与电网单相电压es进行相乘运算，依次经过第一低通滤波器LPF和第一比例控制K，将第一比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第一低通滤波器LPF的输入端，所述从第一比例控制K输出的信号经过处理得到第一中间信号Udcos；

所述第二中间信号生成单元，用于将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)与电网单相电压es进行相乘运算，依次经过第二低通滤波器LPF和第二比例控制K，将第二比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第二低通滤波器LPF的输入端，所述从第二比例控制K输出的信号经过处理得到第二中间信号Udsin；

所述电网基波信号单元，用于将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波信号e_s1；

所述电网基波正交信号单元，用于将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波正交信号e′_s1；

所述电网同步正弦信号单元，用于将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波信号e_s1进行相除，得到电网同步正弦信号

所述电网同步余弦信号单元，用于将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波正交信号e′_s1进行相除，得到电网同步余弦信号

所述第一低通滤波器LPF和第二低通滤波器LPF的传递函数表示为：

$H_{\mathrm{LPF}}^{\&prime;}\left(s\right)=\frac{K{\mathrm{\&omega;}}_c^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{Q}s+(K+1){\mathrm{\&omega;}}_c^2};$

其中，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数。

实施例2

本实施例详细陈述基于参考频率电网同步信号实时检测方法及系统的实施过程：

低通滤波环节改进及其特性分析如下：

从电网同步信号检测过程看，给定参考频率的正、余弦信号只起代换作用，运算结果与ω₀和θ无关。电网额定频率为50Hz，实际上存在一定的偏移。中间信号Udsin、Udcos的频率是电网频率ω₁与参考频率ω₀的频差（ω-ω₀）。当ω₁=ω₀时，Udcos和Udsin为直流信号，当ω₁≠ω₀时，且两者相差较小，Udcos和Udsin为低频信号。采用积分法和低通滤波器提取Udcos和Udsin，但ω₁≠ω₀时，都明显存在相位偏移，造成提取出的电网同步信号与实际值存在相位偏移，且频率偏移越大，相位偏移越明显，严重影响变换器并网控制效果。

为对电网存在频率偏移时采用低通滤波器提取Udcos和Udsin存在相位偏移进行校正，本实施例中将低通滤波器输出负反馈到输入，并引入比例控制器。该方式下提取电网同步正弦、余弦的原理如图2所示，低通滤波环节改进如虚线框内所示。

二阶低通滤波器的传递函数表示为：

$H_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{Q}s+{\mathrm{\&omega;}}_c^2}---\left(9\right)$

ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数。

如图2中虚线框内所示，当引入负反馈和比例控制器后形成闭环控制，低通滤波环节的传递函数变为：

$H_{\mathrm{LPF}}^{\&prime;}\left(s\right)=\frac{K{\mathrm{\&omega;}}_c^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{Q}s+(K+1){\mathrm{\&omega;}}_c^2}---\left(10\right)$

取ω_c=10π，Q=0.707，以K为参数变化画出（10）式和（9）式的频率响应图对比分析，如图3所示，图中“NOK”表示（9）式的二阶低通滤波器频率响应曲线。图3a为K≥1时（10）式与（9）式的频率响应图，图3b为其相频曲线低频段的放大图；图3c为0<K≤1时（10）式与（9）式的频率响应图，图3d为其相频曲线低频段放大图。从图3相频曲线可看出，当|ω1-ω0|越大时，引起相位偏移越大，即电网频率偏差较大时，导致提取的电网同步信号相位偏移大。当电网频率与额定值偏差为0.5Hz时，造成约9°的相位偏移，电网同步信号与实际值也存在9°相偏。而引入负反馈控制后，如K=1，相位偏移为5°，可知引入负反馈及比例控制后相位偏移明显减小。

引入负反馈及比例控制后，如图3a、b所示，K≥1时，K值越大，低频段相位变化越缓慢，相位角偏移越小，电网同步信号的相位偏移就越小，但K值太大，滤波效果明显减弱，并产生谐振，易引起系统不稳定，K=1时与原低通滤波器滤波效果相当；如图3c、d所示，0<K≤1时，K越小，滤波效果越好；K越大，低频段相位变化越缓慢，相位角偏移越小，K极限小时，相频曲线与原低通滤波器相当。从图3中幅频曲线看，引入负反馈及比例控制后，随着K值变化，滤波环节低频增益改变，必然导致提取的Udcos和Udsin幅值发生改变，但从推导过程看，并不影响最终电网同步信号的幅值。

令s=jω时，得到相位偏移公式为：

$\tan \left|\mathrm{\&Delta;\&phi;}\right|=\frac{\mathrm{\&omega;}{\mathrm{\&omega;}}_c/Q}{(K+1){\mathrm{\&omega;}}_c^2-{\mathrm{\&omega;}}^2}---\left(11\right)$

Δφ为相位偏移角，ω表示电网频率发生变化时|ω₁-ω₀|的变量，ω₁>ω₀时，Δφ表示相位滞后，ω₁<ω₀时，Δφ表示相位超前。电网存在一定频率偏移时，由（11）式依据一定的指标设计K值，可对相位偏移进行校正。

以相位偏移|Δφ|≤3°为分析指标，逆变器单位功率因数并网控制时，系统功率因数理论值达到0.99以上。当电网受到不同程度的扰动或故障影响时，可能造成不同的频率偏移，提取的电网同步信号存在不同相位偏移。取二阶低通滤波器的截止频率为5Hz，品质因数为0.707，表1给出了MATLAB中建立的基于参考频率的电网同步策略仿真得到电网在不同频率偏移下，K值对电网同步正弦信号相位偏移的补偿结果。

表1不同K值下的相位校正结果

从表1的结果可知，引入负反馈及比例控制后，由电网频率偏移造成电网同步信号的相位偏移得到明显改善。不同的频率偏移下，依据（11）式取K值，能将相位偏移校正到3°以内。

3实验研究

为了进一步说明理论分析的正确性，本实施例对基于参考频率的电网同步信号检测方法进行了实验研究，实验是依靠RT-LAB实验平台完成，可以进行实时调参，方便实验结果的对比验证。实验研究的内容包括两项：1）采用本文方法对实际存在畸变、不平衡电网进行同步信号检测实验研究；2）对低通滤波环节改进前、后的电网同步信号检测性能进行实验对比分析。

采用三个单相调压器和三相工频隔离变压器，将调压器原边接市电220V电网电压，变压器副边输出电压10V左右。由于变压器工作电压偏离额定值较大，电压波形存在一定的畸变和不平衡，更方便于验证本文所提方法。三相电网电压与检测的电网同步正弦信号实验波形如图4所示，可知同步正弦信号Usin与A相电网电压ea同频同相，为标准正弦波。表明本文方法能在电网畸变、三相不平衡条件下检测得到准确的电网同步信号。

图4为电网同步信号检测，利用RT-LAB中的电压信号发生器，对市电220V正弦电压进行物理模拟，以验证电压发生突变、频率偏移时本文所提方法的正确性。为方便示波器显示读数更清晰，RT-LAB输出的模拟信号在通道2（即市电电压波形e_s通道）衰减20倍，通道1（即电网的实际同步单位正弦信号e_sin、）、通道3（即检测的电网同步正弦信号Usin）扩大5倍，因此实际上图5-7中描述e_s5V/格表示100V/格，e_sin、Usin均为5V/格表示1V/格。

如图5所示，电压e_s在虚线时刻处发生跳变，跳变前e_s电压幅值311V、频率50Hz、初相位0°，跳变后电压幅值280V，频率49.5Hz、初相位30°，从图5显示实验结果看，检测的电网同步正弦信号能准确跟踪es变化，说明本文提出的电网同步信号检测方法能动态跟踪电压频率和相位，不受电压突变的影响。

图5为同步正弦动态跟踪过程，对低通滤波环节改进前、后检测的电网同步正弦信号实验结果如图6所示。从图6a知，当e_s频率为49.5Hz，存在0.5Hz频率偏移，采用原来低通滤波器未加负反馈和比例控制时，检测的电网同步信号Usin超前实际同步单位正弦信号e_sin约500us，即超前9°。加入负反馈和比例控制后，取比例控制系数为1.71，Usin超前e_sin仅约166us，即3°，如图6b所示。当e_s频率为49Hz，存在1Hz频率偏移，采用原来低通滤波器未加负反馈和比例控制时，Usin超前e_sin约1.03ms，即18.54°，加入负反馈和比例控制后，取比例控制系数为4.44，Usin超前e_sin仅约156us，即仅超前2.81°，几乎同频同相。当e_s中叠加了一定量三次谐波，基频为49.5Hz，K取50时，检测的电网同步信号实验结果如图7所示，电网同步正弦信号出现畸变，说明K取值太大影响低通滤波效果，造成检测结果畸变。

从上述实验结果分析可知，在低通滤波环节加入负反馈和比例控制后，检测的电网同步信号与实际同步单位信号的相位偏移得到明显校正，按照（11）式取K值，相位偏移保持3°以内，且增加的负反馈与比例控制不影响电网同步正弦、余弦信号的幅值，进一步说明了理论分析的正确性。

基于参考频率的电网同步信号实时检测方法，可在三相电网电压畸变、不平衡条件下准确检测电网同步信号。在电网出现频率偏移情况下，直接采用积分法或低通滤波器提取低频信号，造成检测电网同步信号存在较大的相位偏移。为对相位偏移进行校正，将低通滤波环节进行改进，引入了负反馈和比例控制。理论与实验结果表明引入负反馈和比例控制后，相位偏移得到明显校正，按照推导的相位偏移与比例控制系数K的表达式取值，能得到满意的结果，说明本文提出的电网同步信号实时检测方法具有正确性和有效性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于参考频率电网同步信号实时检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：输入参考正弦信号sin(ω₀t+θ)、余弦信号cos(ω₀t+θ)和电网单相电压e_s；

S2：将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第一低通滤波器LPF和第一比例控制K，将第一比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第一低通滤波器LPF的输入端，所述第一比例控制K输出信号经过处理得到第一中间信号Udcos；

S3：将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第二低通滤波器LPF和第二比例控制K，将第二比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第二低通滤波器LPF的输入端，所述第二比例控制K输出信号经过处理得到第二中间信号Udsin；

S4：将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波信号e_s1；

将参考余弦信号cos(ω₀t+θ))和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波正交信号e′_s1；

S5：将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波信号e_s1进行相除，得到电网同步正弦信号

将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波正交信号e′_s1进行相除，得到电网同步余弦信号

2.根据权利要求1所述的基于参考频率电网同步信号实时检测方法，其特征在于：所述第一低通滤波器LPF和第二低通滤波器LPF的传递函数表示为：

$H_{LPF}^{\&prime;}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{K\&omega;}}_c^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{Q}s+(K+1){\mathrm{\&omega;}}_c^2};$

其中，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，K表示比例控制系数，s表示传递函数中的参数。

3.根据权利要求1所述的基于参考频率电网同步信号实时检测方法，其特征在于：所述第一比例控制K和第二比例控制K按以下公式取值：

$tan\left|\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&phi;}\right|=\frac{{\mathrm{\&omega;\&omega;}}_c/Q}{(K+1){\mathrm{\&omega;}}_c^2-{\mathrm{\&omega;}}^2};$

其中，Δφ表示由频率偏差引起的相位偏移，ω表示频率偏差值，ω_c表示滤波器截止频率，Q表示为品质因数，K表示比例控制系数。

4.一种根据权利要求1所述的基于参考频率电网同步信号实时检测方法来实现的检测系统，其特征在于：包括信号输入单元、第一中间信号生成单元、第二中间信号生成单元、电网基波信号单元、电网基波正交信号单元、电网同步正弦信号单元和电网同步余弦信号单元；

所述信号输入单元，用于输入参考正弦信号sin(ω₀t+θ)、余弦信号cos(ω₀t+θ)和电网单相电压e_s；

所述第一中间信号生成单元，用于将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)与电网单相电压e_s进行相乘运算，依次经过第一低通滤波器LPF和第一比例控制K，将第一比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第一低通滤波器LPF的输入端，所述从第一比例控制K输出的信号经过处理得到第一中间信号Udcos；

所述第二中间信号生成单元，用于将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)与电网单相电压es进行相乘运算，依次经过第二低通滤波器LPF和第二比例控制K，将第二比例控制K输出信号作为负反馈控制信号引入到第二低通滤波器LPF的输入端，所述从第二比例控制K输出的信号经过处理得到第二中间信号Udsin；

所述电网基波信号单元，用于将参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波信号e_s1；

所述电网基波正交信号单元，用于将参考余弦信号cos(ω₀t+θ)和第一中间信号Udcos进行相乘运算生成的信号与参考正弦信号sin(ω₀t+θ)和第二中间信号Udsin进行相乘运算生成的信号进行相加提取出电网的基波正交信号e′_s1；

所述电网同步正弦信号单元，用于将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波信号e_s1进行相除，得到电网同步正弦信号

所述电网同步余弦信号单元，用于将电网的基波信号e_s1与电网的基波正交信号e′_s1分别进行平方运算，再将平方运算后的信号相加，最后将相加所得信号进行开方产生的信号与电网的基波正交信号e′_s1进行相除，得到电网同步余弦信号

5.根据权利要求4所述的基于参考频率电网同步信号实时检测方法来实现的检测系统，其特征在于：所述第一低通滤波器LPF和第二低通滤波器LPF的传递函数表示为：

其中，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，K表示比例控制系数，s表示传递函数中的参数。

6.根据权利要求4所述的基于参考频率电网同步信号实时检测方法来实现的检测系统，其特征在于：所述第一比例控制K和第二比例控制K按以下公式取值K值：

其中，ω表示频率偏差值，K表示比例控制系数。