CN105004926A - 一种交流电相位频率幅值跟踪重构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电相位频率幅值跟踪重构方法，按照该重构方法，对采集的交流电实际值分析出交流电的频率、相位、相序关系，其后利用二阶广义积分器、频率和相位信息得到各相实时的估计幅值，再次估计幅值代入提出的算法，减小估计的频率和相位误差。按照本发明实现的交流电相位频率幅值跟踪重构的方法，无需提供前馈参考较频率，能够有效分析任何位置角频率的交流电相位、频率和幅值，并且对于单相或三相电压、电流信号均可实现分析，而且能够实现有效、快速的实时重构。

Description

一种交流电相位频率幅值跟踪重构的方法

技术领域

本发明属于交流电相位检测与重构的技术领域，更具体地，涉及一种交流电相位频率幅值跟踪重构的方法。

背景技术

光伏、风力等新能源并网发电快速发展，分布式发电成为热点研究对象。软件锁相环是分布式发电系统中的关键技术，用以检测污染的电网电压的频率和相位，为并网发电提供支持。受污染的电网不仅电压不平衡，而且含有多次谐波分量。为越来越多的学者对其进行了研究，提出了诸多锁相环的控制与设计方案。例如基于低通滤波锁相环、基于加权最小二乘法估计的锁相环、基于扩展卡尔曼滤波器的锁相环、基于空间矢量滤波器的锁相环等等。他们都存在以下问题：锁相的精度不高，响应慢，对系统频率变化和三相电压不平衡较敏感。随着研究的深入，许多锁相环被提出，从而使锁相环的性能得到不断的改善和提升。基于单同步坐标系软件锁相环，当三相电网电压不平衡时，得到的电压正序分量的相位存在较大2次谐波。基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相环，对频率适应性相对不足。为了提高锁相环的锁相精度和响应，提出了基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。该方法能在电压平衡和不平衡条件下准确地获取电网电压的相位、幅值和频率信息，具有较好的电网适应性。

由于单相电网电压信号不存在构成同步旋转坐标系的两相正交电压信号，上述基于同步旋转坐标系的三相电网锁相环控制策略一般不适用于单相电网锁相环的控制。单相电网电压的锁相环方案有：基于延迟法构造虚拟两相的单相锁相环，存在周期性的延迟，动态响应慢。基于P-Q理论的单相锁相环，在电压跌落、相位突变时，响应慢。基于Park反变换的单相锁相环，滤波器设计困难，电压不平衡时响应慢。

基于双二阶广义积分器的检测算法在许多方面都用应用。基于双二阶广义积分器的三相软件锁相环能在电压平衡和不平衡条件下分析三相电网电压的相位、幅值和频率信息，响应快。而且基于双二阶广义积分器的单相软件锁相环也能准确快速的获取单相交流电的信息。但是，一方面，以上锁相环技术均需要提供被测对象的基频和三相电压的相序；另一方面，当交流电谐波分量较大时，实际的相位曲线不是标准的正弦曲线，角频率不为恒定值，而以上算法得到的角频率均为恒定值，这样相位误差就会变大，在变频调速、未知电网和锁相环相位跟踪等复杂的应用情况下，上述算法并不能实际解决问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二阶广义积分器交流电相位频率跟踪重构的算法，其目的在于无需给定参考频率，可以对任意未知幅值、频率的交流电分析，从而得出各自的幅值、频率和相位，具备良好的跟踪和重构效果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种交流电相位频率幅值跟踪重构方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)实时采集交流电，判断其是单相或是三相交流电，若是单相，则进入步骤(2)，若是三相交流电，则进入步骤(3)；

(2)实现单相交流电的重构；其包括如下子步骤：

(2-1)连续采集N组单相交流电实时数据，并将其输入二阶广义积分器求解出两个正交的输出量，利用上述两个正交的输出量求出实时交流电幅值；

(2-2)求解其中θ为单相交流电实际相位角，为单相交流电跟踪相位角，其中其中X、Y是分别与所述两个正交的输出量相关的系数；

(2-3)将所述步骤(2-2)获得的作为PI控制器的输入，进行调节，进而输出所述单相交流电的角频率，所述角频率积分之后获得所述单相交流电的相位角；

(2-4)由上述步骤获得的所述幅值、角频率和相位角，实现所述单相交流电的重构；

(3)实现三相交流电的重构；其包括如下子步骤：

(3-1)连续采集N组三相交流电实时数据，计算得出其中θ为三相交流电实际相位角，为三相交流电跟踪相位角，其中M、N是与三相电压幅值和三相电压信号相关的表达式；

(3-2)将所述步骤(3-1)获得的作为PI控制器的输入，进行调节，进而输出所述三相交流电的角频率，所述角频率积分之后获得所述三相交流电的相位角；

(3-3)将所述步骤(3-2)的输出输入二阶广义积分器，求解得出三组两个正交的输出量，计算得出各相实时幅值；

(3-4)由所述步骤(3-2)、(3-3)获得的所述幅值、角频率和相位角，实现所述单相交流电的重构。

进一步地，所述步骤(2-1)及所述步骤(3-3)中计算所述幅值的方法为其中t和l分别为求出的所述两正交的输出量。

进一步地，所述步骤(2-1)及所述步骤(3-3)中计算所述幅值的方法为反Park变换法，即

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于对采集的三相交流电实际值分析出三相交流电的频率、相位、相序关系，其次利用二阶广义积分器、频率和相位信息得到各相实时的估计幅值，再次估计幅值代入提出的算法，减小估计的频率和相位误差，能够取得下列有益效果：

(1)巧妙地应用了正弦差公式及二阶广义积分器，无需提供前馈参考角频率，能有效分析任意未知角频率的交流电的相位、频率和幅值；

(2)对于单相或三相电压、电流信号，均可实现信号分析；

(3)本发明能适应含有谐波和噪声的交流电信号，并分析出准确的交流电的相位、频率和幅值；

(4)本发明实用有效、计算量小，在0.2s内即计算出交流电的频率、相位和幅值，并且实现交流电的实时重构。

附图说明

图1是按照本发明实现的针对三相交流电锁相环原理框图；

图2是按照本发明实现的针对单相交流电锁相环原理框图；

图3是按照本发明实现的交流电跟踪重构方法流程图；

图4是发电机实际控制绕组三相电流的观测图；

图5是按照本发明实现的三相锁相环计算得出的相位和频率的观测图；

图6是按照本发明的方法重构的B相电流与实际滤波后的三相电流的观测图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

将三相交流电压用正弦函数表示，同理也可以用余弦函数分析求解。三相交流电压表达式如下所示：

v_a+v_b+v_c＝0   (4)

A、B、C分别表示三相交流电压幅值，当三相电压幅值相等时，满足A＝B＝C；当三相交流电压不平衡，幅值不相等时。忽略电压幅值恒为零情况，式(1)-(3)也可表示为：

由(5)-(7)可得：

其中为a相电压实际相位角；为a相电压算法跟踪相位角和角频率。当未知三相交流电的相序时，可使用正序锁相环算法。如果计算出来的角频率为负，则三相交流电为负序；如果计算出来的角频率为正，则三相交流电为正序。

以a相电压作为输入信号为例，单相交流电的锁相算法等式为(13)-(14)。系统达到稳态时，输入信号v和输出信号v′、qv′角频率相等幅值相等|v|＝|v′|＝|qv′|，v′与qv′正交，v′相位角与输入信号v一致且超前qv′相位角90°。

利用改进后的二阶广义积分器，有两种方法求输入信号的幅值。以a相电压作为输入信号为例，第一种是直接求解方法式(15)所示。

第二种是反Park变换方法求解，如式(16)所示。

将作为一个PI控制器的输入，进行调节。PI控制器的输出为交流电的角频率，角频率积分之后得到交流电的相位角。

综上所诉，可以得出的三相交流电锁相环原理框图,如图1所示；单相交流电锁相环原理框图,如图2所示。

基于上述分析，如图3所示的流程图，按照本发明实施例的交流电频率、相位和幅值跟踪与重构方法包括如下步骤：

(1)根据交流电的实际状况，判断交流电是否单相，是则顺序执行如下步骤(A1)～(A4)；否则说明交流电是三相交流电，顺序执行如下步骤(B1)～(B4)。

步骤(A1)～(A4)分别为：

(A1)连续采集N组单相交流电实时数据D₁～D_N，其中，第k组电机运行数据D_k，利用二阶广义积分器求解得出两个正交的输出量。求解利用式(15)或式(16)计算得出实时交流电幅值。

(A2)利用式(13)和式(14)计算得出

(A3)作为一个PI控制器的输入，进行调节。PI控制器的输出为交流电的角频率，角频率积分之后得到交流电的相位角。

(A4)利用求解得出的交流电幅值，角频率和相位角，实现交流电的重构。

步骤(B1)～(B4)分别为：

(B1)连续采集N组三相交流电实时数据D₁～D_N，其中，第k组电机运行数据D_k＝(v_a,v_b,v_c),利用式(9)到式(12)计算得出

(B2)作为一个PI控制器的输入，进行调节。PI控制器的输出为交流电的角频率，如果计算得出的角频率为负数，则三相交流电的相许未负；反之为正。角频率积分之后得到交流电的相位角。

(B3)利用二阶广义积分器，将三相交流电求解得出三组两个正交的输出量。再利用式(15)或式(16)计算得出交流电各相实时幅值。

(B4)利用求解得出的三相交流电各相幅值，角频率和相位角，实现三相交流电的重构。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实例对本发明的交流电频率、相位和幅值跟踪与重构方法进行详细说明。

利用发电实验平台，使用提出的方法跟踪和重构发电机控制绕组三相电流。发电机控制绕组三相电流作为研究对象，发电机的同步转速为750RPM。发电机的转速从670RPM匀加速到860RPM，控制绕组的给定电流频率从负序的5.33Hz匀减为0，再从正序的0匀加速到7.33Hz，采样周期为0.1ms，计算时间4s。

采样的三相电流如图4所示，A相(1通道所示)，B相(2通道所示)，C相(3通道所示)。实际控制绕组三相电流是变频器直接输出的，不仅含有测量噪声，而且含有高次谐波分量。滤波后的三相电流作为提出的算法的输入量。经过上述方法，利用式(9)到式(12)计算得出PI控制器的输入量。进行调节计算得出三相电流的角频率，角频率积分之后得到三相电流的相位角，如图5所示，三相锁相环计算得出的相位(3通道所示)、未滤波频率(2通道所示)和滤波后的频率(4通道所示)。利用二阶广义积分器和式(15)或式(16)计算得出交流电各相实时幅值。利用求解得出的三相交流电各相幅值，角频率和相位角，实现三相交流电的重构，如图6所示，三相锁相环算法重构的B相电流(4通道所示)与实际滤波后的三相电流，A相(1通道所示)，B相(2通道所示)，C相(3通道所示)。按照本发明实现的重构方法的三相锁相环运行0.2s后，可实时跟踪电网频率、相位和电压幅值。未滤波的频率波动在±0.3Hz，而滤波后的频率波动在±0.05Hz，相位跟踪误差很小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种交流电相位频率幅值跟踪重构方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)实时采集交流电，判断其是单相或是三相交流电，若是单相，则进入步骤(2)，若是三相交流电，则进入步骤(3)；

(2)实现单相交流电的重构；其包括如下子步骤：

(2-1)连续采集N组单相交流电实时数据，并将其输入二阶广义积分器求解出两个正交的输出量，利用上述两个正交的输出量求出实时交流电幅值；

(2-2)求解其中θ为单相交流电实际相位角，为单相交流电跟踪相位角，其中其中X、Y是分别与所述两个正交的输出量相关的系数；

(2-3)将所述步骤(2-2)获得的作为PI控制器的输入，进行调节，进而输出所述单相交流电的角频率，所述角频率积分之后获得所述单相交流电的相位角；

(2-4)由上述步骤获得的所述幅值、角频率和相位角，实现所述单相交流电的重构；

(3)实现三相交流电的重构；其包括如下子步骤：

(3-1)连续采集N组三相交流电实时数据，计算得出其中θ为三相交流电实际相位角，为三相交流电跟踪相位角，其中M、N是与三相电压幅值和三相电压信号相关的表达式；

(3-2)将所述步骤(3-1)获得的作为PI控制器的输入，进行调节，进而输出所述三相交流电的角频率，所述角频率积分之后获得所述三相交流电的相位角；

(3-3)将所述步骤(3-2)的输出输入二阶广义积分器，求解得出三组两个正交的输出量，计算得出各相实时幅值；

(3-4)由所述步骤(3-2)、(3-3)获得的所述幅值、角频率和相位角，实现所述单相交流电的重构。

2.如权利要求1所述的交流电相位频率幅值跟踪重构方法，其特征在于，所述步骤(2-1)及所述步骤(3-3)中计算所述幅值的方法为其中t和l分别为求出的所述两正交的输出量。

3.如权利要求1所述的交流电相位频率幅值跟踪重构方法，其特征在于，所述步骤(2-1)及所述步骤(3-3)中计算所述幅值的方法为反Park变换法，即