CN104698254A - 一种电网基波正序电压提取方法及锁相方法 - Google Patents

Abstract

一种电网基波正序电压提取方法及锁相方法，该电网基波正序电压提取方法使用一个一阶惯性环节对检测到的电网基波电压进行延时60°处理，同时具有滤波效果，可以过滤电网中的高次谐波，再对处理过的电网基波进行相量运算就能得到电网基波正序电压，因而可快速准确地提取电网基波正序电压，算法简单，占用内存少，能够满足数字控制的要求；该锁相方法将上述电网基波正序电压提取环节加入锁相环，将电网基波正序电压送入d、q变换，获得电网基波正序电压相位，该锁相方法在Park变换之前提取电网基波正序电压，不需要使用低通滤波器，不会产生二次谐波，因而不会影响系统的动态响应速度，确保精确锁相。

Description

一种电网基波正序电压提取方法及锁相方法

技术领域

本发明主要涉及在电网电压发生畸变的状态下提取电网基波正序电压及锁相技术领域，尤其涉及一种电网基波正序电压提取方法及锁相方法。

背景技术

现在，各种电力电子装置在电力系统中得到了广泛的应用，如电力有源滤波器，动态无功补偿装置和并网逆变器等。而快速准确的检测电网幅值、相位信息是保证这些装置能够正常运行、保障电能质量和设备安全的重要条件。

为保证各种电力电子装置的正常运行及保障电能质量，现有采用过零比较的方法来跟踪电网电压相位，采用过零比较的方法是根据检测的电网电压的过零点和周期来跟踪电网电压相位，从而获得电网电压的相位和频率信息。然而由于每个电网周期只能检测到两个电压过零点，并且只能在过零点处才能校正相位信息，因此检测速度很慢且容易受到电压干扰，在电网电压畸变不平衡、频率或者相位突变的情况下均会影响过零点的检测准确性，从而导致锁相环产生相位偏差。

目前应用较为广泛的跟踪电网电压相位的方法是基于同步坐标系的锁相环方法。此锁相环方法利用锁相环输出的相角值作为Park变换的相位角，将三相电压转换到两相同步旋转坐标系，再经PI控制器，控制输出电压相量的无功分量为0，从而两个坐标系实现同步，此时锁相环输出相位角等于实际电压相位角，从而实现锁相。该方法在电网电压平衡时能有效的检测出电网电压幅值和相位信息，而且能够达到较好的稳态和动态响应。然而，在三相电压不平衡时，此锁相环检测得到的相位值存在较大的二次谐波，通过调节PI参数或者使用低通滤波器(LPF)能够消除二次谐波，但是会严重影响系统的动态响应速度，甚至无法精确锁相。

在三相电压不平衡时，电网基波中除了正序电压，还包含负序电压和零序电压，而为保证电力电子装置能够正常运行，需快速准确检测正序电压的幅值、相位和频率信息，因而在电网发生不平衡或谐波畸变状态下对电网基波正序电压的提取显得十分重要。

专利号为2013106023801的《基波正序电压提取与锁相方法》公开了一种基波正序电压提取与锁相方法，利用该方法提取电网基波正序电压是通过先运用Clerk变换，将三相电压变换为α、β两相坐标系，在经过两次坐标变换，得到电网基波正序电压，但利用该方法提取电网基波正序电压需进行一次滞后60°、一次超前60°和一次超前90°运算，算法复杂，在实际电力电子设备的控制系统中，难以实现。

专利号为201200551382的《一种电网基波正序电压相位的检测方法》公开的方法也能够实现电网基波正序电压的提取，但要用到低通滤波器，在运算中需要进行反三角函数运算，在DSP平台上实现时运算速度较慢。

因此，如何能快速准确的提取电网基波正序电压，快速准确的获得电网电压的幅值及相位信息，是相关技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种电网基波正序电压提取方法及锁相方法，该电网基波正序电压提取方法可快速准确地提取电网基波正序电压，该锁相方法能够及时准确的检测电网电压的幅值、频率及相位信息。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种电网基波正序电压提取方法，包括以下步骤：

a、当电网电压不平衡时，电网基波中同时含有电网基波正序电压、电网基波负序电压、电网基波零序电压，设采样得到的三相电压e_a、e_b、e_c分别为：

式中，U⁺、表示电网基波正序电压的有效值和初始相位角，U^-、表示电网基波负序电压的有效值和初始相位角，U⁰、表示电网基波零序电压的有效值和初始相位角，w表示电网基波角频率，t表示时间；

b、对三相电压e_a、e_b、e_c作去除零序分量处理，由于电网基波零序分量因而去除零序分量后的三相电压e_a1、e_b1、e_c1为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{a1}\\ e_{b1}\\ e_{c1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_a-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\\ e_b-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\\ e_c-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\end{array}\right]---\left(4\right);$

c、采用一阶惯性环节对去除零序分量的三相电压e_a1、e_b1、e_c1进行滞后60°处理后分别与e_a1、e_b1、e_c1求矢量和，得到相量e_b2、e_c2、e_a2：

d、利用三角函数的积化和差公式对相量e_b2、e_c2、e_a2进行叠加，得到电网基波正序电压

$\left[\begin{array}{c}{e}_a^{+}\\ e_b^{+}\\ e_c^{+}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{e}_{a2}\\ e_{b2}\\ e_{c2}\end{array}\right]+\frac{2}{3}\left[\begin{array}{c}{e}_{c2}\\ e_{a2}\\ e_{b2}\end{array}\right]---\left(6\right).$

该电网基波正序电压提取方法使用一个一阶惯性环节对检测到的电网基波电压进行延时60°处理，同时具有滤波效果，可以过滤电网中的高次谐波，再对处理过的电网基波进行相量运算就能得到电网基波正序电压，因而可快速准确地提取电网基波正序电压，算法简单，占用内存少，能够满足数字控制的要求。

一种基于权利要求1所述方法的锁相方法，锁相采用基于同步旋转坐标系的锁相环，包括以下步骤：

e、对通过上述电网基波正序电压提取方法得到的电网基波正序电压 作Clarke变换，得到α、β坐标系下的两相电压e_α、e_β：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a^{+}\\ e_b^{+}\\ e_c^{+}\end{array}\right]---\left(7\right);$

f、对上述α、β坐标系下的两相电压e_α、e_β作Park变换，得到d、q坐标下的两相电压e_d、e_q：

$\left[\begin{array}{c}{e}_b\\ e_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(8\right)$

式中，θ为锁相环输出的相位；

g、调节PI参数，当锁相环输出的相位θ等于电网基波正序电压的相位时，即时，此时|e_d|＝U⁺，e_q＝0，锁相完成，得到电网基波正序电压幅值U⁺和相位

该锁相方法在Park变换之前提取电网基波正序电压，不需要使用低通滤波器，不会产生二次谐波，因而不会影响系统的动态响应速度，确保精确锁相。

与现有技术相比，本发明所带来的有益效果有：

1、算法简单，易于实现；

2、占用内存少，能够满足数字控制的要求，可快速准确地实现电网基波正序电压的提取；

3、锁相方法不需要使用低通滤波器，不会产生二次谐波，不会影响系统的动态响应速度，达到精确锁相。

附图说明

图1为电网基波正序电压提取的相量运算示意图；

图2为提取电网基波正序电压的流程图；

图3为输入电网基波电压、输出电网基波正序电压相位的流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，一种电网基波正序电压提取方法，包括以下步骤：

a、当电网电压不平衡时，电网基波中同时含有电网基波正序电压、电网基波负序电压、电网基波零序电压，设采样得到的三相电压e_a、e_b、e_c分别为：

式中，U⁺、表示电网基波正序电压的有效值和初始相位角，U^-、表示电网基波负序电压的有效值和初始相位角，U⁰、表示电网基波零序电压的有效值和初始相位角，w表示电网基波角频率，t表示时间；

b、对三相电压e_a、e_b、e_c作去除零序分量处理，由于电网基波零序分量因而去除零序分量后的三相电压e_a1、e_b1、e_c1为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{a1}\\ e_{b1}\\ e_{c1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_a-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\\ e_b-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\\ e_c-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\end{array}\right]---\left(4\right);$

c、如图2所示，采用一阶惯性环节对去除零序分量的三相电压e_a1、e_b1、e_c1进行滞后60°处理后分别与e_a1、e_b1、e_c1求矢量和，得到相量e_a2、e_b2、e_c2：

图1中的和分别表示e_a、e_b、e_c三相电压中的电网基波正序电压和电网基波负序电压，从图1中可以看出，由于 因而可得 相量e_a2、e_b2、e_c2用三角函数表示为：

显然，通过相量运算处理后得到的e_a2、e_b2、e_c2已经排除了零序和负序的干扰，只含有正序分量的相位信息，要还原电网电压的相位，只需利用三角函数的积化和差公式对e_a2、e_b2、e_c2进行叠加，就可以得到电网正序电压

d、利用三角函数的积化和差公式对相量e_b2、e_c2、e_a2进行叠加，得到电网基波正序电压

图2为提取电网基波正序电压全过程的流程图，式中是个一阶惯性环节，能够将频率为50Hz附近的电网电压增益为1输出延时为60°，同时能够过滤高频谐波，具有一定的滤波效果，用一阶环节取代传统的二阶环节来获取滞后60°的电压分量，其响应速度更快，在实际控制系统中，更容易实现。

该电网基波正序电压提取方法使用一个一阶惯性环节对检测到的电网基波电压进行延时60°处理，同时具有滤波效果，可以过滤电网中的高次谐波，再对处理过的电网基波进行相量运算就能得到电网基波正序电压，因而可快速准确地提取电网基波正序电压，算法简单，占用内存少，能够满足数字控制的要求。

图3为锁相环的完整示意图，其中正序提取模块为如图2所示流程，一种基于上述方法的锁相方法，锁相采用基于同步旋转坐标系的锁相环，包括以下步骤：

e、对通过上述电网基波正序电压提取方法得到的电网基波正序电压 作Clarke变换，得到α、β坐标系下的两相电压e_α、e_β：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a^{+}\\ e_b^{+}\\ e_c^{+}\end{array}\right]---\left(7\right);$

f、对上述α、β坐标系下的两相电压e_α、e_β作Park变换，得到d、q坐标下的两相电压e_d、e_q：

$\left[\begin{array}{c}{e}_b\\ e_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(8\right)$

式中，θ为锁相环输出的相位；

g、调节PI参数，当锁相环输出的相位θ等于电网基波正序电压的相位时，即时，此时|e_d|＝U⁺，e_q＝0，锁相完成，得到电网基波正序电压幅值U⁺和相位

锁相采用基于同步旋转坐标系的锁相环，与传统锁相环相比的改进是加入了电网基波正序电压的提取环节，将步骤a、b、c得到的电网基波正序电压经过步骤d、e的变换，得到两相直流电压分量e_d、e_q，经过PI控制器得到的θ，将此θ送入式(8)中，当锁相环精确锁相，即e_d|＝U⁺，e_q＝0，锁相完成，得到电网基波正序电压的相位和幅值信息。

该锁相方法在Park变换之前提取电网基波正序电压，不需要使用低通滤波器，不会产生二次谐波，因而不会影响系统的动态响应速度，确保精确锁相。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种电网基波正序电压提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、当电网电压不平衡时，电网基波中同时含有电网基波正序电压、电网基波负序电压、电网基波零序电压，设采样得到的三相电压e_a、e_b、e_c分别为：

式中，U⁺、表示电网基波正序电压的有效值和初始相位角，U^-、表示电网基波负序电压的有效值和初始相位角，U⁰、表示电网基波零序电压的有效值和初始相位角，w表示电网基波角频率，t表示时间；

b、对三相电压e_a、e_b、e_c作去除零序分量处理，由于电网基波零序分量因而去除零序分量后的三相电压e_a1、e_b1、e_c1为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{a1}\\ e_{b1}\\ e_{c1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_a-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\\ e_b-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\\ e_c-\frac{1}{3}(e_a+e_b+e_c)\end{array}\right]---\left(4\right);$

c、采用一阶惯性环节对去除零序分量的三相电压e_a1、e_b1、e_c1进行滞后60°处理后分别与e_a1、e_b1、e_c1求矢量和，得到相量e_b2、e_c2、e_a2：

d、利用三角函数的积化和差公式对相量e_b2、e_c2、e_a2进行叠加，得到电网基波正序电压

$\left[\begin{array}{c}{e}_a^{+}\\ e_b^{+}\\ e_c^{+}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{c}{e}_{a2}\\ e_{b2}\\ e_{c2}\end{array}\right]+\frac{2}{3}\left[\begin{array}{c}{e}_{c2}\\ e_{a2}\\ e_{b2}\end{array}\right]---\left(6\right).$

2.一种基于权利要求1所述方法的锁相方法，锁相采用基于同步旋转坐标系的锁相环，其特征在于：包括以下步骤：

e、对通过上述电网基波正序电压提取方法得到的电网基波正序电压 作Clarke变换，得到α、β坐标系下的两相电压e_α、e_β：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a^{+}\\ e_b^{+}\\ e_c^{+}\end{array}\right]---\left(7\right);$

f、对上述α、β坐标系下的两相电压e_α、e_β作Park变换，得到d、q坐标下的两相电压e_d、e_q：

$\left[\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(8\right)$

式中，θ为锁相环输出的相位；

g、调节PI参数，当锁相环输出的相位θ等于电网基波正序电压的相位时，即时，此时|e_d|＝U⁺，e_q＝0，锁相完成，得到电网基波正序电压幅值U⁺和相位