CN105137179B - 一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，该方法包括以下步骤：⑴通过电压传感器和数字信号调理电路得到电网负载端的a，b，c三相线电压信号，并利用克拉克变换得到两相静止坐标系下的电压信号；⑵将变换得到的信号进行基于延迟信号消除方法的滤波处理，得到只含有奇数次谐波分量的电压信号和只含有偶数次谐波分量的电压信号；⑶将只含有奇数次谐波分量的电压信号和只含有偶数次谐波分量的电压信号分别进行基于级联延迟信号消除方法的滤波处理，得到任意次谐波的正序和负序分量；⑷将谐波分量进行叠加，即得到总谐波信号。本发明具有检测精度和实时性高的特点。

Description

一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统、微电网指定次谐波补偿领域，尤其涉及一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法。

背景技术

随着电力系统中不平衡、非线性设备和负载的比例逐渐增大，系统电能质量问题日益凸显，尤其是谐波问题。为了有效地实现谐波治理，相继出现了一些谐波补偿方法和设备，例如有源电力滤波器、统一电能质量调节器、具有调节电能质量能力的多功能逆变器及其控制策略等。

而相对较为成熟的基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，其优点在于可消除电压畸变和不对称电压的影响，但是这种谐波检测方法只能将电压、或者电流信号中的基波信号分离出来，与原始电流信号、电压信号相减得到谐波电流或者电压信号，从而实现谐波的全补偿。但是，谐波的全补偿策略会造成过多的能量用于谐波补偿，从而降低了能源利用率。因此，选择指定次谐波补偿策略更为经济。

徐榕等人在题为基于单相级联延迟信号消除法的三相基波正序有功电流检测方法（电网技术，2014,08:2231-2236）的文章中提出了一种新型的三相基波正序有功电流的提取方法，该方法无需锁相环和低通滤波器，进一步提高了有功电流提取的实时性，且不需要过多的坐标变换和数据存储。但是，采用该方法单纯地进行基波正序有功电流的提取，并不能明显地体现出该方法的优越性。

在系统负载不平衡情况下，用户一般要求对谐波的正序分量和负序分量同时进行补偿，即要求谐波提取方法可同时提取谐波分量的正序分量和负序分量。而传统的正序分量和负序分量还需要利用对称分量法，再次对提取得到的各次谐波信号进行分离，既增加了计算量，还会影响系统的动态性能，因此，实现指定次谐波补偿的关键在于精确快速的将畸变信号中的主要次谐波分量进行提取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测精度和实时性高的基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，包括以下步骤：

⑴通过电压传感器和数字信号调理电路得到电网负载端的a，b，c三相线电压信号，利用克拉克变换得到两相静止坐标系下的电压信号，变换公式如下所示

；

当两相静止坐标系下的电压信号存在不平衡和畸变时，电压信号的矢量形式可表示为一系列谐波信号的矢量和，其表达式如下：

式中h次谐波空间矢量的瞬时相角，为初始相角，为基波角频率，是h次谐波分量的幅值，谐波次数；

⑵将采集得到的信号，送入偶数次谐波分量延迟信号消除模块，消除所有2k次谐波分量，得到只含有（2k-1）次谐波分量的电压信号，其中；同时将信号送入奇数次谐波分量延迟信号消除模块，消除所有（2k-1）次谐波分量，得到只含有2k次谐波分量的信号，其中；

⑶将所述信号接入级联延迟信号消除模块，得到任意奇数次谐波分量，其中；将所述信号接入级联延迟信号消除模块，其中，得到任意偶数次谐波分量；

⑷将所述奇数次谐波分量和所述偶数次谐波分量进行叠加，即得到总谐波信号。

所述步骤⑵中的偶数次谐波分量延迟信号消除模块是指将电压矢量信号经过T/2的延迟，得到延迟后的电压信号，再对信号施加一个旋转矢量得到旋转后的信号，该旋转后的信号与原始电压矢量信号进行矢量叠加后对叠加后信号进行1/2比例放大即可得到所有的奇数次谐波分量；

其矢量表达式如下：

式中T为原始信号基波分量的最小正周期； 为旋转角度，大小选取为，，为给定的谐波次数；

其时域表达式为：

式中为旋转矩阵

；

其输出信号为：

。

所述步骤⑵中的奇数次谐波分量延迟信号消除模块是指将电压矢量信号经过T/2的延迟，得到延迟后的电压信号，再对信号施加一个旋转矢量得到旋转后的信号，该旋转后的信号与原始电压矢量信号进行矢量叠加，对叠加后信号进行1/2比例放大即可得到所有的偶数次谐波分量；

其矢量表达式如下：

式中T为原始信号基波分量的最小正周期； 为旋转角度，大小选取为，，为给定的谐波次数，；其时域表达式为：

式中为旋转矩阵

；

其输出信号为：

。

所述步骤⑶中级联延迟信号消除模块是由下述方法获得：

根据延迟信号消除模块的矢量表达式

分别得到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式为：

式中K为幅值增益，ϕ为相角增益，为延迟角度，，h为需要提取的谐波次数，为基波角频率，，为旋转角度，旋转角度的选取为：；

综上所述，将，带入到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式得到：

式中h ₀ 为需要提取的谐波次数，，；

然后，根据需要提取的谐波次数h ₀ 和延迟信号消除模块对各次谐波分量的幅值响应和相角响应特性，确定中的n ₀ 和；n ₀ 依次分别选取为4,8,16,32，取为需要提取的谐波次数h ₀ ，依次构成、、、4个延迟信号消除模块，将、、、依次串联构成提取h ₀ 次谐波的级联延迟信号消除模块，即。

所述步骤⑶中级联延迟信号消除模块是由下述方法获得：

根据延迟信号消除模块的矢量表达式

分别得到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式为：

式中K为幅值增益，ϕ为相角增益，为延迟角度，，h为需要提取的谐波次数，为基波角频率，，为旋转角度，旋转角度的选取为：；

综上所述，将，带入到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式得到：

式中h ₁ 为需要提取的谐波次数，，；

然后，根据需要提取的谐波次数h ₁ 和延迟信号消除模块对各次谐波分量的幅值响应和相角响应特性，n ₁ 依次分别选取为4,8,16,32，取为需要提取的谐波次数h ₁ ，依次构成、、、4个延迟信号消除模块，将、、、依次串联构成提取h ₁ 次谐波的级联延迟信号消除模块，即。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明在两相静止αβ坐标系下完成任意次谐波分量的提取，可在信号不平衡情况下，快速提取谐波分量的正序分量和负序分量，无需复杂的坐标变换和低通滤波器，具有很好的动态响应效果，且检测精度和实时性高。

2、本发明所公开的谐波检测方法可以灵活地检测所需的谐波次数。根据信号的谐波特征，灵活地增加或者减少延迟信号消除单元DSC的个数，以完成所需谐波分量的检测，同时进一步减小谐波检测对系统造成的延迟影响。

3、本发明适用于三相不对称系统和单相系统。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明任意次谐波正序分量和负序分量提取结构示意图。

图2为本发明双DG并联的微电网负载母线电压谐波提取测试结构图。

图3为本发明基于级联延迟信号消除法DSC的滤波器结构框图。

图4为本发明采集得到的微电网负载母线三相电压波形图。

图5为本发明微电网负载母线电压波形基于FFT方法的频谱图。

图6为本发明基于串联和并联DSC滤波模块方式的任意次谐波分量提取结构框图。

图7为本发明提取的基波电压正序分量和负序分量波形图。

图8为本发明提取的3次谐波电压分量的波形图。

图9为本发明提取的5次谐波电压分量的波形图。

图10为本发明提取的7次谐波电压分量的波形图。

图11为本发明-1，3，5，7谐波分量的叠加后的波形图。

具体实施方式

为了更加有效地说明本发明公开的基于级联延迟信号消除法的任意次谐波提取方法的正确性和适用性，本实施例搭建了一个含两个分布式发电单元并联构成的微型配电网，如图2所示，其主要包括主电路和谐波提取模块两部分：

主电路包括两个交流性分布式电源DG和负载构成的小型配电网，其主电路参数如表1所示。为了更好的验证本发明所公开的谐波提取方法的可行性和优越性，分布式电源DG1，DG2用两个理想的三相电压源代替。

表1 主电路参数

一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，包括以下步骤：

⑴通过电压传感器和数字信号调理电路得到电网负载端的a，b，c三相线电压信号，如图1所示。利用克拉克变换得到两相静止坐标系下的电压信号，变换公式如下所示

；

当两相静止坐标系下的电压信号存在不平衡和畸变时，电压信号的矢量形式可表示为一系列谐波信号的矢量和，其表达式如下：

式中h次谐波空间矢量的瞬时相角，为初始相角，为基波角频率，是h次谐波分量的幅值，谐波次数。

⑵将采集得到的信号，送入偶数次谐波分量延迟信号消除模块，消除所有2k次谐波分量，得到只含有（2k-1）次谐波分量的电压信号，其中。

偶数次谐波分量延迟信号消除模块是指将电压矢量信号经过T/2的延迟，得到延迟后的电压信号，再对信号施加一个旋转矢量得到旋转后的信号，该旋转后的信号与原始电压矢量信号进行矢量叠加后对叠加后信号进行1/2比例放大即可得到所有的奇数次谐波分量；

其矢量表达式如下：

式中T为原始信号基波分量的最小正周期； 为旋转角度，大小选取为，，为给定的谐波次数；

其时域表达式为：

式中为旋转矩阵

；

其输出信号为：

。

同时将信号送入奇数次谐波分量延迟信号消除模块，消除所有（2k-1）次谐波分量，得到只含有2k次谐波分量的信号，其中。

奇数次谐波分量延迟信号消除模块是指将电压矢量信号经过T/2的延迟，得到延迟后的电压信号，再对信号施加一个旋转矢量得到旋转后的信号，该旋转后的信号与原始电压矢量信号进行矢量叠加，对叠加后信号进行1/2比例放大即可得到所有的偶数次谐波分量；

其矢量表达式如下：

式中T为原始信号基波分量的最小正周期； 为旋转角度，大小选取为，，为给定的谐波次数，；其时域表达式为：

式中为旋转矩阵

；

其输出信号为：

。

根据上式可搭建信号延迟消除模块的时域实现模型，如图3所示。

⑶将信号接入级联延迟信号消除模块，得到任意奇数次谐波分量，其中。

级联延迟信号消除模块是由下述方法获得：

根据延迟信号消除模块的矢量表达式

分别得到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式为：

式中K为幅值增益，ϕ为相角增益，为延迟角度，，h为需要提取的谐波次数，为基波角频率，，为旋转角度，旋转角度的选取为：；

综上所述，将，带入到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式得到：

式中h ₀ 为需要提取的谐波次数，，；

然后，根据需要提取的谐波次数h ₀ 和延迟信号消除模块对各次谐波分量的幅值响应和相角响应特性，确定中的n ₀ 和；n ₀ 依次分别选取为4,8,16,32，取为需要提取的谐波次数h ₀ ，依次构成、、、4个延迟信号消除模块，将、、、依次串联构成提取h ₀ 次谐波的级联延迟信号消除模块，即。

将信号接入级联延迟信号消除模块，其中，得到任意偶数次谐波分量。

级联延迟信号消除模块是由下述方法获得：

根据延迟信号消除模块的矢量表达式

分别得到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式为：

式中K为幅值增益，ϕ为相角增益，为延迟角度，，h为需要提取的谐波次数，为基波角频率，，为旋转角度，旋转角度的选取为：；

综上所述，将，带入到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式得到：

式中h ₁ 为需要提取的谐波次数，，；

然后，根据需要提取的谐波次数h ₁ 和延迟信号消除模块对各次谐波分量的幅值响应和相角响应特性，n ₁ 依次分别选取为4,8,16,32，取为需要提取的谐波次数h ₁ ，依次构成、、、4个延迟信号消除模块，将、、、依次串联构成提取h ₁ 次谐波的级联延迟信号消除模块，即。

⑷将奇数次谐波分量和偶数次谐波分量进行叠加，即得到总谐波信号。

利用电压传感器和数字信号调理电路获取微电网敏感性负荷母线SLB的三相线电压信号，其波形如图4 所示。对采集得到的信号进行FFT分析，得到SLB电压信号的频谱分析图，如图5所示。由图5可知电压总谐波畸变率为18.11%，基波电压幅值为174.3V，主要含有3次、5次和7次谐波，谐波畸变率分别为11.56%、5.54%、4.97%，幅值分别为14.34V、12.8V、6.318V。

本实施例中指定提取谐波次数h为1，3，5，7,即分别选取为1，3，5，7，n依次分别选取为4,8,16,32，即可构成、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、、、这22个延迟信号消除模块，根据每一个DSC模块消除和保留的谐波次数，采用串联和并联的方式级联构成图6所示的级联延迟信号消除模块，可同时提取1，3，5，7次谐波分量，，，。

采用示波器获取级联延迟信号消除模块的输出信号，分别如图7、8、9、10所示，由图7、8、9、10可知提取得到的1，3，5，7次谐波分量的幅值与之前FFT分析得到的结果基本一致，保证了该方法在提取精度上的优越性；将输出的信号进行叠加获得提取的谐波总和，其波形如图11所示。

由于每一个DSC模块可同时消除和保留多个谐波分量，且根据DSC模块的系数不同，消除和保留的谐波分量也不相同，基于此原理，可以将多个系数不同的DSC模块同时以串联和并联的方式级联构成CDSC，可同时提取多个谐波分量。

Claims (5)

1.一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，包括以下步骤：

⑴通过电压传感器和数字信号调理电路得到电网负载端的a，b，c三相线电压信号，利用克拉克变换得到两相静止坐标系下的电压信号，变换公式如下所示

；

当两相静止坐标系下的电压信号存在不平衡和畸变时，电压信号的矢量形式可表示为一系列谐波信号的矢量和，其表达式如下：

；

式中h次谐波空间矢量的瞬时相角，为初始相角，为基波角频率，是h次谐波分量的幅值，谐波次数；

⑵将采集得到的信号，送入偶数次谐波分量延迟信号消除模块，消除所有2k次谐波分量，得到只含有（2k-1）次谐波分量的电压信号，其中；同时将信号送入奇数次谐波分量延迟信号消除模块，消除所有（2k-1）次谐波分量，得到只含有2k次谐波分量的信号，其中；

⑶将所述信号接入级联延迟信号消除模块，得到任意奇数次谐波分量，其中；将所述信号接入级联延迟信号消除模块，其中，得到任意偶数次谐波分量；

⑷将所述奇数次谐波分量和所述偶数次谐波分量进行叠加，即得到总谐波信号。

2.如权利要求1所述的一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，其特征在于：所述步骤⑵中的偶数次谐波分量延迟信号消除模块是指将电压矢量信号经过T/2的延迟，得到延迟后的电压信号，再对信号施加一个旋转矢量得到旋转后的信号，该旋转后的信号与原始电压矢量信号进行矢量叠加后对叠加后信号进行1/2比例放大即可得到所有的奇数次谐波分量；

其矢量表达式如下：

；

式中T为原始信号基波分量的最小正周期； 为旋转角度，大小选取为，，为给定的谐波次数；

其时域表达式为：

；

式中为旋转矩阵

；

其输出信号为：

。

3.如权利要求1所述的一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，其特征在于：所述步骤⑵中的奇数次谐波分量延迟信号消除模块是指将电压矢量信号经过T/2的延迟，得到延迟后的电压信号，再对信号施加一个旋转矢量得到旋转后的信号，该旋转后的信号与原始电压矢量信号进行矢量叠加，对叠加后信号进行1/2比例放大即可得到所有的偶数次谐波分量；

其矢量表达式如下：

；

式中T为原始信号基波分量的最小正周期； 为旋转角度，大小选取为，，为给定的谐波次数，；其时域表达式为：

；

式中为旋转矩阵

；

其输出信号为：

。

4.如权利要求1所述的一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，其特征在于：所述步骤⑶中级联延迟信号消除模块是由下述方法获得：

根据延迟信号消除模块的矢量表达式

；

分别得到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式为：

；

式中K为幅值增益，ϕ为相角增益，为延迟角度，，h为需要提取的谐波次数，为基波角频率，，为旋转角度，旋转角度的选取为：；

综上所述，将，带入到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式得到：

；

式中h ₀ 为需要提取的谐波次数，，；

然后，根据需要提取的谐波次数h ₀ 和延迟信号消除模块对各次谐波分量的幅值响应和相角响应特性，确定中的n ₀ 和；n ₀ 依次分别选取为4,8,16,32，取为需要提取的谐波次数h ₀ ，依次构成、、、4个延迟信号消除模块，将、、、依次串联构成提取h ₀ 次谐波的级联延迟信号消除模块，即。

5.如权利要求1所述的一种基于级联延迟信号消除法的指定次谐波检测方法，其特征在于：所述步骤⑶中级联延迟信号消除模块是由下述方法获得：

根据延迟信号消除模块的矢量表达式

；

分别得到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式为：

；

式中K为幅值增益，ϕ为相角增益，为延迟角度，，h为需要提取的谐波次数，为基波角频率，，为旋转角度，旋转角度的选取为：；

综上所述，将，带入到延迟信号消除模块的幅值和相角响应表达式得到：

；

式中h ₁ 为需要提取的谐波次数，；

然后，根据需要提取的谐波次数h ₁ 和延迟信号消除模块对各次谐波分量的幅值响应和相角响应特性，n ₁ 依次分别选取为4,8,16,32，取为需要提取的谐波次数h ₁ ，依次构成、、、4个延迟信号消除模块，将、、、依次串联构成提取h ₁ 次谐波的级联延迟信号消除模块，即。