CN103926476B - 基于fft和对称分量法的三相不平衡检测方法及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法及逆变器。发明解决的技术问题是提供一种基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法及逆变器，实现高精度三相不平衡计算。解决该问题的技术方案：1、对电压信号进行采样，得到N点长度的采样数据；2、构造N点长度的窗函数，对N点长度的采样数据进行加窗FFT运算，通过双谱线插值运算得到基波幅值和相位；3、利用对称分量法计算电压电流零序、正序和负序分量；4、分别利用公式和计算电压负序不平衡度和电流负序不平衡度。本发明用于电力技术领域。

Description

基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法及逆变器

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是一种基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法及逆变器，主要适用于电力技术领域。

背景技术

随着能源问题的日益突出，国家能源政策对新能源发展的鼓励以及分布式电源技术自身的发展使得分布式电源正成为新世纪重要的能源选择。其中，并网光伏发电以其环保、低噪声、适用范围广等特点而备受青睐。以光伏为代表的分布式电源并网使用了大量的电力电子设备，会给主电网带来诸如电压偏差、频率偏差、电压闪变、三相不平衡、谐波等一系列电能质量问题。

逆变器是分布式电源并网的关键设备，其研制今年来已成为电力系统并网发电的热门课题，先后有专利号为200820232294.0的“一种电力逆变器”，专利号为201020545136.8的“逆变器”，申请号为201110060684.0的“光伏并网逆变器”，申请号为201210509111.6的“一种改善电能质量的单相并网装置”，申请号为201310102185.2的“逆变器模块化设计结构”等公开或授权，它们或是给出了逆变器的结构设计图，或是具有谐波补偿功能，或是具有逆变器状态监测和电能质量治理功能，但缺乏对电能质量监测和分析的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法及逆变器，能够高精度的计算出三相不平衡度，实时监测并网端和用户端的电能质量，为并网和电能质量治理提供可靠的依据。

本发明所采用的技术方案是：基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、A/D转换器以采样频率f_s对电压信号进行采样，得到N点长度的采样数据；

S2、构造N点长度的窗函数，并对N点长度的采样数据进行加窗FFT运算，然后通过双谱线插值运算得到基波幅值和相位；

S3、利用对称分量法计算电压电流零序、正序和负序分量；

S4、分别利用公式和计算电压负序不平衡度和电流负序不平衡度，式中U_－和U_＋分别为电压的负序分量有效值和正序分量有效值；I_－和I_＋分别为电流的负序分量有效值和正序分量有效值。

步骤S2中，所述双谱线插值运算包括以下步骤，

S21、对基波和各次谐波在FFT谱线中搜索幅值谱线的最大谱线k2和相邻次大谱线k1，它们对应的幅值分别为y₂和y₁；

S22、定义中间变量、α＝k₀-k₁-0.5，α取值范围为[-0.5，0.5]，由加窗后信号的离散傅里叶变换的表达式得β＝h(α)，

$\mathrm{\β}=\frac{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|-\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}$

记上式的反函数为α＝h^-1(β)，利用曲线拟合ployfit()函数进行多项式拟合逼近，得α＝h^-1(β)的逼近式：

β＝h(α)

由β求出参数α，则频率修正公式为

f₀＝k₀Δf＝(α+k₁+0.5)Δf，式中为离散频率间隔，

幅值修正是对k1和k2两根谱线进行加权平均，即幅值计算公式为

$\begin{array}{c}{A}_0=\frac{A_1\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_1-k_0)}{N}\right)\right|+A_2\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_2-k_0)}{N}\right)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_1-k_0)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_2-k_0)}{N}\right)\right|}\\ =\frac{2(y_1+y_2)}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}\end{array}$

当N值较大时，其计算公式简化为

A₀＝N^-1(y1+y2)h(α)

初相位计算公式：

S23、根据窗函数的时域表达式及其修正系数α、β，并利用步骤S22得到的幅值和相位计算公式，进行插值运算即可得到基波幅值和相位。

步骤S2中，所加窗函数为Blakeman-harris窗，其时域表达式为 $w\left(n\right)=3.588-0.488\cos \frac{2\mathrm{n\π}}{N}+0.141\cos \frac{4\mathrm{n\π}}{N}-0.017\cos \frac{6\mathrm{n\π}}{N},$ 修正系数

α＝2.61979085·β+0.2865675·β³+0.1283·β⁵+0.080241·β⁷

β＝3.06539676+0.965559979·α²+0.163556·α⁴+0.01985·α⁶。

采用所述方法进行三相不平衡检测的逆变器，其特征在于：它包括太阳能电池组件、启动和停机监测模块、电压电流采样模块A、MPPT控制模块、数字控制单元、逆变转换器、滤波模块、断路器、电压电流采样模块B，以及数字信号处理和控制单元，其中，

启动和停机监测模块，用于监测太阳能电池组件启停状态，并将太阳能电池组件的启停状态输送至数字控制单元；

电压电流采样模块A，用于获取太阳能电池组件输出的电压电流信号，并将其输送至数字控制单元；

数字控制单元，一方面接收启动和停机监测模块输送的太阳能电池组件启停状态，另一方面根据电压电流采样模块A输送的电压电流信号获取太阳能电池组件的输出功率，综合太阳能电池组件的启停状态和输出功率，输出控制信号至MPPT控制模块；

MPPT控制模块，根据数字控制单元发送过来的控制信号，使得太阳能电池组件工作在其最大功率点；

逆变转换器，用于将太阳能电池组件输出的直流电转换成交流电；

滤波模块，与逆变转换器输出端相连，用于将输出的交流电压转换成纯净的工频正弦波；

断路器，输入端与滤波模块输出端相连，输出端与三相电力线相连，控制信号输入端与数字信号处理和控制单元相连，根据控制信号输入端的控制信号控制其通断，实现逆变转换器与三相电力线的通断；

电压电流采样模块B，用于对前述工频正弦波进行采样，并将其传输至数字信号处理和控制单元；

数字信号处理和控制单元，通过串口与数字控制单元相连，通过I/O口与断路器相连，一方面输出控制信号至逆变转换器控制其进行逆变，另一方面接收电压电流采样模块B传输过来的采样信号，并对其进行三相不平衡度计算，然后根据计算结果输出控制信号至断路器控制其通断。

所述逆变器还包括与数字信号处理和控制单元相连的通信模块和人机交互模块。

所述数字控制单元和数字信号处理和控制单元均采用型号为TMS320LF2407的数字信号处理器。

本发明的有益效果是：本发明通过加Blakeman-harris窗插值FFT运算得到基波和各次谐波参数，采用对称分量法计算电压电流零序、正序和负序分量，运算稳定性更好，检测精度更高。本发明逆变器通过电压电流采样，能够高精度的计算出三相不平衡度，实时监测并网端和用户端的电能质量，为并网和电能质量治理提供可靠的依据。

附图说明

图1是本发明三相不平衡度计算流程图。

图2是本发明逆变器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法，包括以下步骤：

S1、A/D转换器以采样频率f_s对电压信号进行采样，得到N点长度的采样数据u(n)，采样频率f_s=3.2K，N=512；

S2、构造N点长度的Blakeman-harris窗函数w_R(n)，并对N点长度的采样数据进行加Blakeman-harris窗得到u_w(n)＝u(n)w_R(n)，对u_w(n)进行FFT运算

$U_w\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)w_R\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πn}}{N}i};$

S3、对基波和各次谐波在FFT谱线中搜索幅值谱线的最大谱线k2和相邻次大谱线k1，它们对应的幅值分别为y₂和y₁；

S4、定义中间变量、α＝k₀-k₁-0.5，α取值范围为[-0.5，0.5]，由加窗后信号的离散傅里叶变换的表达式得β＝h(α)，

$\mathrm{\β}=\frac{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|-\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}$

记上式的反函数为α＝h^-1(β)，利用曲线拟合ployfit()函数进行多项式拟合逼近，得α＝h^-1(β)的逼近式：

β＝h(α)

由β求出参数α，则频率修正公式为

f₀＝k₀Δf＝(α+k₁+0.5)Δf，式中为离散频率间隔，

幅值修正是对k1和k2两根谱线进行加权平均，即幅值计算公式为

$\begin{array}{c}{A}_0=\frac{A_1\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_1-k_0)}{N}\right)\right|+A_2\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_2-k_0)}{N}\right)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_1-k_0)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_2-k_0)}{N}\right)\right|}\\ =\frac{2(y_1+y_2)}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}\end{array}$

当N值较大时，其计算公式简化为

A₀＝N^-1(y1+y2)h(α)

初相位计算公式：

式中，X（k_iΔf）为FFT后数据，即为步骤S2中的U_w（n），为复数，用于取相位；

S5、根据窗函数的时域表达式及其修正系数α、β，并利用步骤S4得到的幅值和相位计算公式，进行插值运算即可得到基波幅值和相位；所述Blakeman-harris窗，

其时域表达式为 $w\left(n\right)=3.588-0.488\cos \frac{2\mathrm{n\π}}{N}+0.141\cos \frac{4\mathrm{n\π}}{N}-0.017\cos \frac{6\mathrm{n\π}}{N},$ 修正系数

α＝2.61979085·β+0.2865675·β³+0.1283·β⁵+0.080241·β⁷

β＝3.06539676+0.965559979·α²+0.163556·α⁴+0.01985·α⁶；

S6、利用对称分量法计算电压电流零序、正序和负序分量；

S7、分别利用公式和计算电压负序不平衡度和电流负序不平衡度，式中U_－和U_＋分别为电压的负序分量有效值和正序分量有效值；I_－和I_＋分别为电流的负序分量有效值和正序分量有效值。

如图2所示，采用前述方法进行三相不平衡度计算的逆变器，包括太阳能电池组件1、启动和停机监测模块2、电压电流采样模块A3、MPPT控制模块4、数字控制单元5、逆变转换器6、滤波模块7、断路器8、电压电流采样模块B9、数字信号处理和控制单元10、通信模块11和人机交互模块12，其中，

启动和停机监测模块2，用于监测太阳能电池组件1的启停状态，并将状态信息输送至数字控制单元5；

电压电流采样模块A3，用于获取太阳能电池组件1输出的电压电流信号，并将其输送至数字控制单元5；

数字控制单元5，一方面接收启动和停机监测模块2输送的太阳能电池组件1启停状态，另一方面根据电压电流采样模块A3输送的电压电流信号获取太阳能电池组件1的输出功率，综合太阳能电池组件1的启停状态和输出功率，输出控制信号至MPPT控制模块4；

MPPT（最大功率点跟踪）控制模块4，根据数字控制单元5发送过来的控制信号，使得太阳能电池组件1工作在其最大功率点；

逆变转换器6，用于将太阳能电池组件1输出的直流电转换成交流电；

滤波模块7，与逆变转换器6输出端相连，用于将输出的交流电压转换成纯净的工频正弦波；

断路器8，输入端与滤波模块7输出端相连，输出端与三相电力线相连，控制信号输入端与数字信号处理和控制单元10相连，根据控制信号输入端的控制信号控制其通断，实现逆变转换器6与三相电力线的通断；

电压电流采样模块B9，用于对前述工频正弦波进行采样，并将其传输至数字信号处理和控制单元10；

数字信号处理和控制单元10，通过串口与数字控制单元5相连（根据数字控制单元发送过来的数据实现人机界面、通信等方面的管理），通过I/O口与断路器8相连，一方面输出PWM控制信号至逆变转换器6控制其进行逆变，另一方面接收电压电流采样模块B9传输过来的采样信号，并对其进行三相不平衡度计算，然后根据计算结果输出控制信号至断路器8控制其通断（根据用户的要求设置，例如三相不平衡度过大，控制供电或是停止并网等等）。

通信模块11，与数字信号处理和控制单元10相连，用于实现输入输出和通信等功能。

人机交互模块12，与数字信号处理和控制单元10相连，用于实现数据显示。

所述数字控制单元5和数字信号处理和控制单元10均采用型号为TMS320LF2407的数字信号处理器。

实际应用中利用本实施例逆变器，一方面能监测并网端的电能的电能质量，为并网主电网提供干净的电能进行把关，另一方面，也能实时监测用户端的电能质量，为电网电能质量治理提供依据。

Claims (5)

1.一种基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、A/D转换器以采样频率f_s对电压信号进行采样，得到N点长度的采样数据；

S2、构造N点长度的窗函数，并对N点长度的采样数据进行加窗FFT运算，然后通过双谱线插值运算得到基波幅值和相位；

S3、利用对称分量法计算电压电流零序、正序和负序分量；

S4、分别利用公式和计算电压负序不平衡度和电流负序不平衡度，式中U_-和U₊分别为电压的负序分量有效值和正序分量有效值；I_-和I₊分别为电流的负序分量有效值和正序分量有效值；

步骤S2中，所加窗函数为Blakeman-harris窗，

其时域表达式为

修正系数

α＝2.61979085·β+0.2865675·β³+0.1283·β⁵+0.080241·β⁷

β＝3.06539676+0.965559979·α²+0.163556·α⁴+0.01985·α⁶。

2.根据权利要求1所述的基于FFT和对称分量法的三相不平衡检测方法，其特征在于：步骤S2中，所述双谱线插值运算包括以下步骤，

S21、对基波和各次谐波在FFT谱线中搜索幅值谱线的最大谱线k2和相邻次大谱线k1，它们对应的幅值分别为y₂和y₁；

S22、定义中间变量α＝k₀-k₁-0.5，α取值范围为[-0.5，0.5]，由加窗后信号的离散傅里叶变换的表达式得β＝h(α)，

$\mathrm{\β}=\frac{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|-\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}$

记上式的反函数为α＝h^-1(β)，利用曲线拟合ployfit()函数进行多项式拟合逼近，得α＝h^-1(β)的逼近式：

β＝h(α)

由β求出参数α，则频率修正公式为

f₀＝k₀Δf＝(α+k₁+0.5)Δf，式中为离散频率间隔，

幅值修正是对k1和k2两根谱线进行加权平均，即幅值计算公式为

$\begin{array}{c}{A}_0=\frac{A_1\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_1-k_0)}{N}\right)\right|+A_2\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_2-k_0)}{N}\right)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_1-k_0)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(k_2-k_0)}{N}\right)\right|}\\ =\frac{2(y_1+y_2)}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)}{N}\right)\right|+\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)}{N}\right)\right|}\end{array}$

当N值较大时，其计算公式简化为

A₀＝N^-1(y1+y2)h(α)

初相位计算公式：

S23、根据窗函数的时域表达式及其修正系数α、β，并利用步骤S22得到的幅值和相位计算公式，进行插值运算即可得到基波幅值和相位。

3.一种采用权利要求1-2任意一项所述方法进行三相不平衡检测的逆变器，其特征在于：它包括太阳能电池组件(1)、启动和停机监测模块(2)、电压电流采样模块A(3)、MPPT控制模块(4)、数字控制单元(5)、逆变转换器(6)、滤波模块(7)、断路器(8)、电压电流采样模块B(9)，以及数字信号处理和控制单元(10)，其中，

启动和停机监测模块(2)，用于监测太阳能电池组件(1)启停状态，并将太阳能电池组件(1)的启停状态输送至数字控制单元(5)；

电压电流采样模块A(3)，用于获取太阳能电池组件(1)输出的电压电流信号，并将其输送至数字控制单元(5)；

数字控制单元(5)，一方面接收启动和停机监测模块(2)输送的太阳能电池组件(1)启停状态，另一方面根据电压电流采样模块A(3)输送的电压电流信号获取太阳能电池组件(1)的输出功率，综合太阳能电池组件(1)的启停状态和输出功率，输出控制信号至MPPT控制模块(4)；

MPPT控制模块(4)，根据数字控制单元(5)发送过来的控制信号，使得太阳能电池组件(1)工作在其最大功率点；

逆变转换器(6)，用于将太阳能电池组件(1)输出的直流电转换成交流电；

滤波模块(7)，与逆变转换器(6)输出端相连，用于将输出的交流电压转换成纯净的工频正弦波；

断路器(8)，输入端与滤波模块(7)输出端相连，输出端与三相电力线相连，控制信号输入端与数字信号处理和控制单元(10)相连，根据控制信号输入端的控制信号控制其通断，实现逆变转换器(6)与三相电力线的通断；

电压电流采样模块B(9)，用于对前述工频正弦波进行采样，并将其传输至数字信号处理和控制单元(10)；

数字信号处理和控制单元(10)，通过串口与数字控制单元(5)相连，通过I/O口与断路器(8)相连，一方面输出控制信号至逆变转换器(6)控制其进行逆变，另一方面接收电压电流采样模块B(9)传输过来的采样信号，并对其进行三相不平衡度计算，然后根据计算结果输出控制信号至断路器(8)控制其通断。

4.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于：所述逆变器还包括与数字信号处理和控制单元(10)相连的通信模块(11)和人机交互模块(12)。

5.根据权利要求3或4所述的逆变器，其特征在于：所述数字控制单元(5)和数字信号处理和控制单元(10)均采用型号为TMS320LF2407的数字信号处理器。