CN104181374B - 三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相无中线系统正负序电网电压分量的检测分离方法，该方法通过对各相电网电压进行采样，获取当前电网电压的瞬时值及对应的微分值即可分离出该相电网电压当前电压的正、负序分量，并计算获得当前电网电压正、负序瞬时相角的正弦值和余弦值，该方法计算简单，延时小，实时性强，便于工程实现，应用于三相并网型变换器控制系统的软件锁相环中，可有效地避免三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。

Description

三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种电气控制参数的检测方法。

背景技术

当电网电压发生跌落时，要实现对三相无中线并网型变换器的良好控制，要求系统能够准确、快速地检测出电网电压幅值与相位，为控制系统及时提供准确的系统参数信息。这就要求锁相环(PLL)具备稳态精确性和动态快速性，使控制系统可采取有效措施避免三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。为了满足三相并网变流器不对称控制策略的需要，在电网电压不对称的情况下能够快速准确地提取出电网电压瞬时值的正负序分量，目前，在电力电子装置中广泛应用的锁相环一般有硬件锁相(PLL)和软件锁相(SPLL)两种方式。现有的很多文献提出了不同的解决方案，可总结为三种：①二次谐波滤除法，利用二次谐波器滤除dq坐标系下的2次谐波，但谐波器的参数设计以及数字实现复杂，系统的动态性能受到影响；②双坐标系解耦分序法，将不对称电网电压经过双dq变换，在正负序同步参考坐标系下通过正负序解耦实现了基波正负序分量的分离，该方法结构比较复杂，计算量大，为了保证系统稳定性，也需降低系统带宽；③公式分序法，对三相电压信号进行90度相角偏移，采用二阶广义积分器，但是瞬时对称分量运算增加了系统的运算量和系统结构的复杂性。

发明内容

鉴于现有技术之不足，本发明提供了一种三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法。该方法延时小，精度高，为系统的控制提供了快速有效的信息检测。

本方法解决上述技术问题的方案如下：一种三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法，该方法在软件锁相环中完成，具体包括以下步骤：

a)通过采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压，并采用Park变换把电网电压从三相静止坐标系转换成两相静止αβ坐标系下的瞬时电网电压e_α(n)、e_β(n),其中n为采样次数；

b)按下式(1)计算所得瞬时电网电压e_α(n)、e_β(n)的前向差分值e_α'(n)、e_β'(n)：

式(1)中，ΔT为采样周期；

c)按下式(2)计算得到当前瞬时电网电压的正、负序电压分量

式(2)中，ω为电网电压的角频率；

d)对正、负序电压分量进行滤波，滤除步骤b)中产生的噪声，具体步骤如下：

d1)按下式(3)将步骤c)得到的当前瞬时电网电压的正、负序电压分量进行坐标变换，得到当前瞬时电网电压的正、负序电压分量的估计值

式(3)中，为上一次采样时得到的瞬时电网电压的正、负序电压分量的修正值，σ＝ω·ΔT；

d2)将步骤c)和步骤d1)所得的结果，按下式进行(4)修正，得到当前瞬时电网电压的正负序电压分量的修正值

式(4)中，k为遗忘因子，且满足条件：

e)根据步骤d2)得到的修正后的结果，按下式(5)计算当前电网电压正、负序瞬时相角的正弦值和余弦值sinθ⁺(n)、cosθ⁺(n)、sinθ^-(n)、cosθ^-(n)：

在对三相无中线系统电网电压的正负序分量进行检测分离时，采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压可以是三相相电压，也可以是任意两个三相线电压，若采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压为三相相电压，则按下式(6)对三相相电压进行Park变换：

式(6)中，e_a(n)、e_b(n)、e_c(n)为第n次采样得到的三相相电压瞬时值；若采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压为任意两个三相线电压，则按下式(7)对三相相电压进行Park变换：

式(7)中，e_ab(n)、e_bc(n)为第n次采样得到的三相线电压瞬时值。

本发明的有益效果在于：相较于现有的检测方法，该方法计算简单，延时小，实时性强，便于工程实现，应用于三相并网型变换器控制系统的软件锁相环中，可有效地避免三相电压不对称引起的过电流和直流侧电压的波动。具体原因分析如下：

对于三相无中线系统，可以不考虑零序分量，在电网电压不对称时，αβ坐标系下的电网电压瞬时值任意一相可表示正负序分量之和，如式(8)所示：

式(8)中，分别为电网电压的正、负序峰值，θ₊、θ_-电网电压正、负序初始相位角，分别为在αβ坐标系下的正序电压瞬时值，分别为在αβ坐标系下的负序电压瞬时值。对式(8)微分即得式(9)：

联立式(8)和式(9)可算得该相电网电压的正负序分量如下式(10)所示：

根据式(10)可知，对各相电网电压进行采样，获取当前电网电压的瞬时值及对应的微分值即可分离出该相电网电压当前电压的正、负序分量，再按下式(11)的方法即可最终获得正、负序分量对应的正负序相位角的正弦值和余弦值：

而本发明采用前向差分方法计算当前电网电压的微分值，在两个周期内即可完成电网电压的正负序分量的检测分离，因此该方法延时极小，能快速跟踪电压突变情况下的电压状况。

不仅如此，当电网不对称时，电网电压的矢量轨迹为椭圆，而分离出正负序分量后，那么正序电压的矢量轨迹为正序圆，负序电压的矢量轨迹为负序圆。通过使用两相静止坐标系转换至两相旋转坐标系的方法对采样得到的各次电网电压进行修正，使得采用本发明所提供方法的软件锁相环在进行系统控制时，能够抑制采样和微分运算时造成的噪声，准确锁定相位。同时，步骤d2)在线性定常系统中可看作如下式(12)所示的离散化的状态空间描述方程：

其中，x(n)、u(n)、y(n)、G、H、C、D分别满足式(13)：

根据线性定常离散系统的李雅普诺夫方程稳定性判据，在其平衡点渐近稳定的充分必要条件是：对于任意给定的正定对称阵Q，如下的离散型李雅普诺夫方程：G^TPG-P＝Q有唯一正定对称解阵P。取Q为单位阵，解得P阵为：

所以，使P阵正定的条件是|k|<1，而实际中，遗忘因子是 满足条件，因此步骤d)所采用的滤波方法完全不影响软件锁相环对系统的控制。

附图说明

图1为本发明所述的一种三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法的方法示意图。

图2为本发明所述的正序电压的遗忘滤波方法示意图。

图3为三相电网电压发生跌落时的三相电压波形图。

图4～图7分别为αβ坐标系下正、负序电压滤波前与滤波后的比较图。

具体实施方式

例1

参见图1，本例为一个在光伏三相无中线并网控制系统中，在电网C相电压发生跌落时，采样三相不对称电网电压，使用本发明所提供检测分离正负序分量的方法，具体步骤如下：

A)通过采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网相电压，并采用Park变换把电网电压从三相静止坐标系转换成两相静止αβ坐标系下的瞬时电网电压e_α(n)、e_β(n),方法如下式①所示：

式①中，e_a(n)、e_b(n)、e_c(n)为第n次采样得到的三相相电压瞬时值，n为采样次数；

B)按下式②计算所得瞬时电网电压e_α(n)、e_β(n)的前向差分值e_α'(n)、e_β'(n)：

式②中，ΔT为采样周期，本例中采样周期为5us；

C)按下式③计算得到当前瞬时电网电压的正、负序电压分量

式③中，ω为电网电压的角频率，按我国电网电压标准，本例中角频率为100п(弧度/秒)；

D)参见图2，由于采样误差以及噪声的存在，以及步骤B)的计算误差，使得步骤C)得到的正、负序电压分量存在噪声，需要通过使用两相静止坐标系转换至两相旋转坐标系的方法对采样得到的各次电网电压进行滤波修正，具体步骤如下：

D1)按下式④将步骤C)得到的当前瞬时电网电压的正、负序电压分量进行坐标变换，得到当前瞬时电网电压的正、负序电压分量的估计值

式④中，为上一次采样时得到的瞬时电网电压的正、负序电压分量的修正值，σ＝ω·ΔT；

D2)将步骤C)和步骤D1)所得的结果，按下式进行⑤修正，得到当前瞬时电网电压的正负序电压分量的修正值

式⑤中，k为遗忘因子，且满足条件：

E)根据步骤D2)得到的修正后的结果，按下式⑥计算当前电网电压正、负序瞬时相角的正弦值和余弦值sinθ⁺(n)、cosθ⁺(n)、sinθ^-(n)、cosθ^-(n)：

通过获取当前电网电压正、负序瞬时相角的正弦值和余弦值，软件锁相环即可在电网电压不平衡时，及时准确获取电压相位。

例2

为了验证本发明所述方法的性能，本例在例1所述的光伏三相无中线并网控制系统中，在电网C相电压发生跌落时，分别采用本发明所提供的方法与现有方法对电网电压正负序分量的检测分离，并采用美国Aglient公司生产的型号为MSO-X 3014A示波器将正负序分量的检测分离的电压波形输出，以进行对比。

参见图3，三相电网电压在t_s时刻，C相电压发生跌落，采集结果如图4～图7所示。图4～图7分别为采用本发明所提供的方法与现有方法对电网电压正负序分量的检测分离，得到的电网电压正负序分量的波形图，从图4～图7可以明显看出，当电网电压在t_s时刻，C相电压发生跌落，采用现有技术所提供的方法对电网电压进行正负序分量分离，由于电网电压谐波的存在，以及采样噪声和算法噪声的影响，分离后的电网电压的正负序分量含有大量谐波及噪声，使得软件锁相环不能及时跟踪电压相位，而且也不能及时准确反映电压跌落的情况，使得系统控制存在偏差；而本发明采用的方法检测分离电网电压的正负序分量波形光滑，谐波含量少，软件锁相环能够根据分离的电压分量准确获取电压相位，而且响应速度快，能够及时跟踪反映电压跌落情况。

Claims (2)

1.一种三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法，该方法在软件锁相环中完成，具体包括以下步骤：

A)通过采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压，并采用Park变换把电网电压从三相静止坐标系转换成两相静止αβ坐标系下的瞬时电网电压e_α(n)、e_β(n),其中n为采样次数；

B)按下式I)计算所得瞬时电网电压e_α(n)、e_β(n)的前向差分值e_α'(n)、e_β'(n)：

$\left\{\begin{array}{c}{e_{\mathrm{\&alpha;}}}^{\&prime;}\left(n\right)=\frac{e_{\mathrm{\&alpha;}}\left(n\right)-e_{\mathrm{\&alpha;}}(n-1)}{\mathrm{\&Delta;}T}\\ {e_{\mathrm{\&beta;}}}^{\&prime;}\left(n\right)=\frac{e_{\mathrm{\&beta;}}\left(n\right)-e_{\mathrm{\&beta;}}(n-1)}{\mathrm{\&Delta;}T}\end{array}\right.---I)$

式I)中，ΔT为采样周期；

C)按下式II)计算得到当前瞬时电网电压的正、负序电压分量

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\&alpha;}}^{+}\left(n\right)=\frac{\left(e_{\mathrm{\&alpha;}}\right(n)+\frac{e_{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}\left(n\right)}{\mathrm{\&omega;}})}{2}\\ e_{\mathrm{\&alpha;}}^{-}\left(n\right)=\frac{\left(e_{\mathrm{\&alpha;}}\right(n)-\frac{e_{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}\left(n\right)}{\mathrm{\&omega;}})}{2}\\ e_{\mathrm{\&beta;}}^{+}\left(n\right)=\frac{\left(e_{\mathrm{\&beta;}}\right(n)-\frac{e_{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}\left(n\right)}{\mathrm{\&omega;}})}{2}\\ e_{\mathrm{\&beta;}}^{-}\left(n\right)=\frac{\left(e_{\mathrm{\&beta;}}\right(n)+\frac{e_{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}\left(n\right)}{\mathrm{\&omega;}})}{2}\end{array}\right.---II)$

式II)中，ω为电网电压的角频率；

D)对正、负序电压分量进行滤波，滤除步骤B)中产生的噪声，具体步骤如下：

D1)按下式III)将步骤C)得到的当前瞬时电网电压的正、负序电压分量进行坐标变换，得到当前瞬时电网电压的正、负序电压分量的估计值

式III)中，为上一次采样时得到的瞬时电网电压的正、负序电压分量的修正值，σ＝ω·ΔT；

D2)将步骤C)和步骤D1)所得的结果，按下式进行IV)修正，得到当前瞬时电网电压的正负序电压分量的修正值

式IV)中，k为遗忘因子，且满足条件：n-1≥2；

E)根据步骤D2)得到的修正后的结果，按下式V)计算当前电网电压正、负序瞬时相角的正弦值和余弦值sinθ⁺(n)、cosθ⁺(n)、sinθ^-(n)、cosθ^-(n)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{sin\&theta;}}^{+}\left(n\right)=\frac{e_{\mathrm{\&beta;}}^{+*}\left(n\right)}{\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\&alpha;}}^{+*}\right(n\left)\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\&beta;}}^{+*}\right(n\left)\right)}^2}}\\ {\mathrm{cos\&theta;}}^{+}\left(n\right)=\frac{e_{\mathrm{\&alpha;}}^{+*}\left(n\right)}{\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\&alpha;}}^{+*}\right(n\left)\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\&beta;}}^{+*}\right(n\left)\right)}^2}}\\ {\mathrm{sin\&theta;}}^{-}\left(n\right)=\frac{e_{\mathrm{\&beta;}}^{-*}\left(n\right)}{\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\&alpha;}}^{-*}\right(n\left)\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\&beta;}}^{-*}\right(n\left)\right)}^2}}\\ {\mathrm{cos\&theta;}}^{-}\left(n\right)=\frac{e_{\mathrm{\&alpha;}}^{-*}\left(n\right)}{\sqrt{{\left(e_{\mathrm{\&alpha;}}^{-*}\right(n\left)\right)}^2+{\left(e_{\mathrm{\&beta;}}^{-*}\right(n\left)\right)}^2}}\end{array}\right.---V).$

2.如权利要求1所述的一种三相无中线系统电网电压的正负序分量的检测分离方法，其特征在于，若采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压为三相相电压，则按下式VI)对三相相电压进行Park变换：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(n\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(e_a\right(n)-\frac{1}{2}{e}_b(n)-\frac{1}{2}{e}_c(n\left)\right)\\ e_{\mathrm{\&beta;}}\left(n\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}{e}_b\right(n)-\frac{\sqrt{3}}{2}{e}_c(n\left)\right)\end{array}\right.---VI)$

式VI)中，e_a(n)、e_b(n)、e_c(n)为第n次采样得到的三相相电压瞬时值；若采样单元获取电压传感器检测到的系统的三相瞬时电网电压为任意两个三相线电压，则按下式VII)对三相相电压进行Park变换：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\&alpha;}}\left(n\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(e_{ab}\right(n)+\frac{1}{2}{e}_{bc}(n\left)\right)\\ e_{\mathrm{\&beta;}}\left(n\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{e}_{bc}\left(n\right)\end{array}\right.---VII)$

式VII)中，e_ab(n)、e_bc(n)为第n次采样得到的其中两个三相线电压瞬时值。