CN105116195A - 适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能变换技术领域，具体涉及一种适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法。实时检测电网电压，计算电网电压的正负序模值e^P、e^N，根据计算结果进行稳态判断；实时检测电网电压，计算电网电压在αβ静止坐标系上的电压分量e_α和e_β，根据计算结果进行瞬时判断，当瞬态判断用于限制瞬间过流，稳态判断用于确定无功电流大小，前者注重快速性，后者注重稳定及准确性，两种方法结合使用，互相弥补不足之处，保证了判断结果的准确性与稳定性。

Description

适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法

技术领域

本发明涉及电能变换技术领域，具体涉及一种适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法。

背景技术

随着资源匮乏，环境污染，新能源发电的迅猛发展已成为不可阻挡的趋势，然而装机容量的增大提高了其发电量占电网供电比例，所以新能源并网发电对电网稳定性的影响也随之提高，必须考虑电网故障对并网逆变器的运行状态以及对电网稳定性的影响，所以国家电网公司要求所有并网逆变器具备一定的低电压穿越能力。并网发电系统中低电压穿越(LowVoltageRide-through,LVRT)技术指在并网点电压跌落时，发电站保持并网发电，并且向电网提供一定的无功功率，支撑电网电压，从而“穿越”这个低电压时间区域。附图1是国家电网制定的低电压穿越标准，在曲线之上必须保持并网发电。

而低电压穿越的核心技术之一就是电网电压检测，需要可靠的判断出电压跌落而不受电网谐波的影响，并且检测延时较短，不影响低电压穿越的控制策略。而电网电压跌落时，电压质量差，谐波含量大，甚至出现跌落瞬间震荡，普通的低通滤波与延迟相互矛盾，对高频谐波滤除效果越好，延迟越大，很难做到滤波好和延迟小的最优化效果。而且跌落不对称也需要算法能有效的识别故障类型，为低电压穿越的控制策略提供保障。所以谐波及不对称跌落降低了电压检测算法的可靠性，增加了其难度。

对于电压跌落类型种类繁多，而对于三相三相制的逆变系统，电网电压虽然在某些故障下存在零序分量，但没有零序电流回路，所以只需考虑电网电压的正负序分量，而工程上常用的基于正负序分离的稳态判断检测方法有以下两种：

陷波器法：

将三相信号变换到αβ静止坐标系中，零序分量被剔除，当通过锁相环(PLL)变换到正序dq旋转坐标系下，正序量为直流量，而负序量为2倍频交流量。而当变换到负序dq旋转坐标系下，恰好相反。变换表达式为

$E_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{e}^{-j\mathrm{\ω}t}=E_{dq}^P+E_{dq}^N{e}^{-j2\mathrm{\ω}t}$

$E_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{e}^{j\mathrm{\ω}t}=E_{dq}^P{e}^{j2\mathrm{\ω}t}+E_{dq}^N$

其中：E_αβ是电网电压在静止坐标系下的分量；

是电网电压在正序旋转坐标系下的分量；

是电网电压在负序旋转坐标系下的分量；

ω是旋转角频率。

通过低通滤波器或陷波器后，就可以把2倍频分量滤掉，得到正负序直流量，由此可以判断电压是否跌落。此类方法需要设计滤波器，由于传统低通滤波器频带较窄，滤除二次谐波会严重影响控制系统的动态性能。因为需要处理的信号只有两种频率，故采用陷波器，且不会引起严重滞后。陷波器的传递函数为

$F\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+{\mathrm{\ω}}_{0}s/Q+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

ω₀为陷波角频率，Q为品质常数，正负序分离之后通过锁相环可以得到正序幅值。此方法虽然简单易于实现，但是无法做到无差分离，而且其延时问题将会影响控制的实时性，降低响应速度。由于稳定的系统需要有适当的稳定余量，当在电压测量反馈通路中引入陷波器时，改变了系统传递函数，对系统的稳定性造成不良影响，增加了控制器参数设置的难度，而且其参数直接影响检测性能，延时和滤波效果很难都得到兼顾。

T/4延迟法：

将三相信号变换到αβ静止坐标系后只含有正负序分量，则当前的信号为

其中：为电压正序分量的初相位角，为电压正序分量的初相位角。

T/4前的信号为

将当前信号和T/4前的信号通过和差运算，正负序分量被分离

其中：为正序分量在静止坐标系α下的投影值；

正序分量在静止坐标系β下的投影值；

负序分量在静止坐标系α下的投影值；

负序分量在静止坐标系β下的投影值。

所以基于T/4延迟法的正序电压幅值检测方法是

$e_d^P=\frac{1}{2}\[(e_{\mathrm{\α}\left(t\right)}-e_{\mathrm{\β}(t-T/4)})cos\mathrm{\θ}+(e_{\mathrm{\α}(t-T/4)}+e_{\mathrm{\β}\left(t\right)})sin\mathrm{\θ}\]$

其中θ是正序分量的锁相角。

其检测结构图如图2，此方法可以做到正负序无差分离，但计算的正序幅值延迟T/4工频周期，响应较慢，判断过程长，容易导致瞬间过流，且谐波对其影响很大，延迟时间较长而无谐波抑制能力是此类方法的一大诟病，单独使用时的动态性能和稳定性都难满足实际需要。

综上可见，传统的稳态判断不能避免因正序幅值延迟，响应慢导致的瞬间过流现象，且无谐波抑制能力，谐波对判断结果影响很大。

而传统的瞬时判断虽可以解决瞬间过流现象，但对于电压分多次缓慢跌落的状况判断效果不理想。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种谐波抑制能力良好，且判断结果准确、稳定的适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法。

本发明的技术方案为：一种适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法，实时检测电网电压，计算电网电压的正负序模值e^P、e^N，根据计算结果进行稳态判断；

实时检测电网电压，计算电网电压在αβ静止坐标系上的电压分量e_α和e_β，根据计算结果进行瞬时判断，当

稳态判断和/或瞬时判断对于电压跌落的判断结果为真时，则表示电压跌落；

稳态判断和瞬时判断对于电压跌落的判断结果均为假时，则表示电压正常。

进一步的，所述稳态判断过程为：

电网电压经等幅值clarke变换得到信号

信号e_α(t)、e_β(t)在1/4周期前的信号表示为

$e_{\mathrm{\α}(t-T/4)}=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\underset{t-T/2}{\overset{t}{\∫}}{e}_{\mathrm{\α}\left(t\right)},e_{\mathrm{\β}(t-T/4)}=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\underset{t-T/2}{\overset{t}{\∫}}{e}_{\mathrm{\β}\left(t\right)}$

信号e_α(t)、e_β(t)经公式

$\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{2}}\underset{t-T/4}{\overset{t}{\∫}}\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ})=\sin \[\mathrm{\ω}(t-\frac{T}{8})+\mathrm{\θ}\])$

滤波后，与1/4周期前的信号e_α(t-T/4)、e_β(t-T/4)进行和差运算，使得电压正负序分量被分离，得到电压正负序分量表达式为

根据电压正负序分量表达式得出电压正负序模值分别为

$e^P=e_{\mathrm{\α}}^{P}cos\mathrm{\θ}+e_{\mathrm{\β}}^{P}sin\mathrm{\θ},e^N=e_{\mathrm{\α}}^{N}cos\mathrm{\θ}+e_{\mathrm{\β}}^{N}sin\mathrm{\θ}$

当正序电压模值e^P小于第一标定值或正序电压模值e^P与负序电压模值e^N之差小于第二标定值时，稳态判断对于电压跌落的判断结果为真。

进一步的，所述瞬时判断过程为：

电网电压经等幅值clarke变换后得到电网电压在αβ静止坐标系上的电压分量e_α和e_β，电压分量e_α和e_β每次采样后均将采样值求取绝对值后保存半个采样周期，求取当前电压分量值与半个采样周期前电压分量值的比值，并将该比值保存n个采样周期，得到关于电压分量e_α和e_β的各一组内部包含n个比值数据的数据列，当

关于电压分量e_α的数据列、关于电压分量e_β的数据列中均有不少于x个比值数据小于第三标定值，或

关于电压分量e_α的数据列与关于电压分量e_β的数据列中任意一个数据列里不少于y个比值数据小于第四标定值，则瞬时判断对于电压跌落的判断结果为真，所述x，y∈(1，n]。

本发明的有益效果：稳态判断中，对传统T/4延迟法进行改进，在同等相移条件下，滤波效果要优于普通的低通滤波器，正负序模值抗谐波干扰能力强。在稳态判断的基础上引入瞬时判断，抵消了稳态判断因系统延时可能导致的瞬时过流的不利影响。瞬态判断用于限制瞬间过流，稳态判断用于确定无功电流大小，前者注重快速性，后者注重稳定及准确性，两种方法结合使用，互相弥补不足之处，保证了判断结果的准确性与稳定性。

附图说明

图1低电压穿越标准示意图；

图2传统T/4延迟法的低电压检测原理框图；

图3本发明跌落震荡及瞬时判断示意图；

图4本发明低电压检测算法示意图；

图5低电压检测算法的执行流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图4所示，本发明采用稳态判断和瞬时判断相结合的方式进行检测。

本发明稳态判断方法中正负序电压模值通过传统T/4延迟法进行改进得到，其计算过程为：

电网电压经等幅值clarke变换得到信号

该信号e_α(t)、e_β(t)在1/4周期前的信号表示为

$e_{\mathrm{\α}(t-T/4)}=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\underset{t-T/2}{\overset{t}{\∫}}{e}_{\mathrm{\α}\left(t\right)},e_{\mathrm{\β}(t-T/4)}=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\underset{t-T/2}{\overset{t}{\∫}}{e}_{\mathrm{\β}\left(t\right)}$ (式1)

信号e_α(t)、e_β(t)经公式

$\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{2}}\underset{t-T/4}{\overset{t}{\∫}}\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ})=\sin \[\mathrm{\ω}(t-\frac{T}{8})+\mathrm{\θ}\])$ (式2)

滤波后，微分进行延迟补偿，然后与1/4周期前的信号e_α(t-T/4)、e_β(t-T/4)进行和差运算，使得电压正负序分量被分离，得到电压正负序分量表达式为：

根据电压正负序分量表达式得出电压正负序模值分别为：

$e^P=e_{\mathrm{\α}}^{P}cos\mathrm{\θ}+e_{\mathrm{\β}}^P\sin \mathrm{\θ},e^N=e_{\mathrm{\α}}^{N}cos\mathrm{\θ}+e_{\mathrm{\β}}^{N}sin\mathrm{\θ},$ 其中θ是锁相环PLL的输出。由于正负序模值抗谐波干扰能力强，本发明将电压正负序模值作为稳态判断的输入。

如果把谐波抑制能力描述为正序幅值的波动幅值与谐波幅值A的关系，则通过理论分析计算，当前信号谐波抑制能力为

${\tilde{e}}_p=\frac{\sqrt{2}{A}_{2k+1}}{2k+1}$

T/4滞后信号的谐波抑制能力为

${\tilde{e}}_p=\frac{A_{2k+1}}{2k+1}$

k为自然数。A_2k+1是2k+1次谐波幅值大小。由公式看出，谐波次数越大，衰减越明显，对正序幅值的影响越小，而对于偶次谐波则两者均能完全被抑制。

如图3所示为瞬时判断示意图，瞬时判断中判断所需参考参考值的计算过程为：

电网电压经等幅值clarke变换后得到电网电压在αβ静止坐标系上的电压分量e_α和e_β，电压分量e_α和e_β每次采样后均将采样值求取绝对值后保存半个采样周期，求取当前电压分量值与半个采样周期前电压分量值的比值，并将该比值保存n个采样周期，得到关于电压分量e_α和e_β的各一组内部包含n个比值数据的数据列，瞬时判断将关于电压分量e_α和e_β的各一组内部包含n个比值数据的数据列作为输入。在跌落瞬时判断中，对采样后的电压全部绝对值化，则只需要设计半个周期的循环队列，比较后的差值延时n个采样周期，则可以防止误判断。

如图5所示，在稳态判断中，当正序电压模值e^P小于第一标定值0.9或正序电压模值e^P与负序电压模值e^N之差小于第二标定值0.864，即(e^P-e^N)|_m＝0.796＝0.864时，稳态判断对于电压跌落的判断结果为真，否则则输出为假。对于单相跌落，e^P＝(2+m)/3，e^N＝(1-m)/3，其中m是单相跌落后电压与额定值之比。

下面对延时情况做定量分析：

以采样频率6400Hz，n＝8为例，每次除以T/2前的比值延迟156.25μs，8级延迟，理论最大延迟时间为1.25ms。为防止一定谐波产生的误判断，一组比值中连续的几个比值低于阀值比，才认定有效，否则就认定为谐波干扰，系统不予响应，可以选择有连续的3或4个比值小于阀值比，最终可能使低电压的检出在第5或6级延时上，延时最小时间分别是0.63125ms、0.7875ms，最大为1.25ms，在1ms左右，判断比较可靠。

在瞬时判断中：

对于对称跌落，当关于电压分量e_α的数据列、关于电压分量e_β的数据列中均有不少于连续x个比值数据小于第三标定值0.9，则对于单相跌落，当关于电压分量e_α的数据列与关于电压分量e_β的数据列中任意一个数据列里不少于连续y个比值数据小于第四标定值0.796，则瞬时判断对于电压跌落的判断结果为真。为防止误判断，瞬时判断中采用多数达标原则进行判断，即x，y∈(1，n]。

稳态判断和/或瞬时判断对于电压跌落的判断结果为真时，则表示电压跌落。DSP发生中断，读取正序模值确定无功指令大小，执行相应的低电压穿越的控制策略。

稳态判断和瞬时判断对于电压跌落的判断结果均为假时，则表示电压正常。采样的数据进行延时更新，并等待下一个采样周期，再次采样及计算判断。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法，其特征在于：实时检测电网电压，计算电网电压的正负序模值e^P、e^N，根据计算结果进行稳态判断；

实时检测电网电压，计算电网电压在αβ静止坐标系上的电压分量e_α和e_β，根据计算结果进行瞬时判断，当

稳态判断和/或瞬时判断对于电压跌落的判断结果为真时，则表示电压跌落；

稳态判断和瞬时判断对于电压跌落的判断结果均为假时，则表示电压正常。

2.如权利要求1所述的一种适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法，其特征在于，所述稳态判断过程为：

电网电压经等幅值clarke变换得到信号

信号e_α(t)、e_β(t)在1/4周期前的信号表示为

$e_{\mathrm{\α}(t-T/4)}=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\underset{t-T/2}{\overset{t}{\∫}}{e}_{\mathrm{\α}\left(t\right)},e_{\mathrm{\β}(t-T/4)}=\frac{\mathrm{\ω}}{2}\underset{t-T/2}{\overset{t}{\∫}}{e}_{\mathrm{\β}\left(t\right)}$

信号e_α(t)、e_β(t)经公式

$\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{2}}{\underset{t-T/}{\overset{t}{\∫}}}_4\sin \left(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ}\right)=sin\[\mathrm{\ω}\left(t-\frac{T}{8}\right)+\mathrm{\θ}\])$

其中：ω为旋转角频率，

滤波后，与1/4周期前的信号e_α(t-T/4)、e_β(t-T/4)进行和差运算，使得电压正负序分量被分离，得到电压正负序分量表达式为

其中：为正序分量在静止坐标系α下的投影值；

正序分量在静止坐标系β下的投影值；

负序分量在静止坐标系α下的投影值；

负序分量在静止坐标系β下的投影值；

为电压正序分量的初相位角；

为电压正序分量的初相位角；

根据电压正负序分量表达式得出电压正负序模值分别为

$e^P=e_{\mathrm{\α}}^{P}cos\mathrm{\θ}+e_{\mathrm{\β}}^{P}sin\mathrm{\θ},e^N=e_{\mathrm{\α}}^{N}cos\mathrm{\θ}+e_{\mathrm{\β}}^{N}sin\mathrm{\θ}$

当正序电压模值e^P小于第一标定值或正序电压模值e^P与负序电压模值e^N之差小于第二标定值时，稳态判断对于电压跌落的判断结果为真。

3.如权利要求1所述的一种适用于电网电压谐波含量大的电压跌落检测方法，其特征在于，所述瞬时判断过程为：

电网电压经等幅值clarke变换后得到电网电压在αβ静止坐标系上的电压分量e_α和e_β，电压分量e_α和e_β每次采样后均将采样值求取绝对值后保存半个采样周期，求取当前电压分量值与半个采样周期前电压分量值的比值，并将该比值保存n个采样周期，得到关于电压分量e_α和e_β的各一组内部包含n个比值数据的数据列，当

关于电压分量e_α的数据列、关于电压分量e_β的数据列中均有不少于连续x个比值数据小于第三标定值，或

关于电压分量e_α的数据列与关于电压分量e_β的数据列中任意一个数据列里不少于连续y个比值数据小于第四标定值，则瞬时判断对于电压跌落的判断结果为真，所述x，y∈(1，n]。