CN105699771A - 一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法，涉及谐波检测领域。本发明是为了解决现有的在电网畸变情况，由于地磁干扰或电网故障等的原因，电网中会出现直流偏置，导致谐波检测装置在直流偏置情况下检测精度低的问题。所述利用三阶广义积分环节生成的正交信号，v₁(t)与v₂(t)-v₃(t)项消除输入信号中的直流分量对频率锁定环节的影响。将e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)作为FLL的输入信号，通过频率锁定环节FLL获得系统输入信号的基波角频率ω_o，消除了直流偏置对角频率ω_o的影响，实现了角频率稳定输出，进而获得各次谐波频率nω_o。采用多个三阶广义积分器，将得到的各次谐波频率nω_o作为三阶广义积分积分环节的实际角频率ω给定值，使各次谐波实现带通输出。它用于检测各次谐波电流。

Description

一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法

技术领域

本发明涉及一种应用于存在直流偏置的畸变电网的谐波检测方法。

背景技术

近年来，作为集中式发电的有效补充，分布式发电技术及其系统已日趋成熟。随着单位千瓦电能生产价格的不断下降，分布式发电正得到越来越广泛的应用。同时，谐波及其引起的谐振问题受到越来越多的人关注。分布式能源发电采用的并网逆变器属于电力电子设备，现如今越来越多电力电子设备的应用，会对配电网注入大量谐波，造成了日益严重的谐波污染。相比于传统电网，微网和主动配电网系统的谐波现象呈现出新的特点。

为解决逆变器并网带来的谐波问题，需要在并网逆变器与电网之间加设滤波装置。传统的LCL滤波器对于高频谐波电流表现出很大阻抗，但对于某些特定频次的谐波表现的阻抗很小，这些特定频次的谐波电流不但不会被抑制，反而会被LCL滤波器放大。传统无源阻尼方法，如在LCL滤波器电容支路串联阻尼电阻，增加了滤波器在谐振频率处的阻尼。但引入的无源阻尼电阻带来了额外损耗，引起变换器发热。近年来，相关学者提出有源阻尼的方法，通过控制算法来增加系统的阻尼，电路中不增加耗能元件，不存在阻尼损耗问题。

谐波检测是有源阻尼应用中非常重要的一环，在畸变电网下，谐波检测的精度直接影响有源阻尼器的作用效果。目前对广义谐波电流的检测方法都是以瞬时无功理论为基础，但由于多个滤波器的引入，会引起相位滞后的问题，且瞬时功率理论检测谐波在实际应用中存在无法限幅及带宽过宽等现实问题。因而选择性补偿策略更为适宜。

选择性补偿策略是相对于全补偿策略而言的。实际应用的有源滤波器或有源阻尼器通常采用选择性补偿策略，原因如下：(1)有源滤波器或有源阻尼器作为一种有源装置，其带宽是有限的。随着谐波次数的提高，性能随之下降。通过大量的实践证明，对于20次以上的谐波在实际配电网中含量是很少的，一般不予以考虑。(2)采用全补偿策略的有源滤波器无法准确对发出电流的成分限幅，它只能将电流参考的最大值进行限制，造成新的谐波的引入。而选择性补偿策略可以精确对无功及各次谐波电流的有效值进行限幅，同时不引入新的谐波成分。(3)实际配电网存在一些固有谐振点，有源阻尼器可以通过选择性在系统固有谐振点处增加等效阻尼，增强系统稳定性。

有源阻尼器要实现选择性阻尼的功能，就需要进行敏感次谐波单独提取。在电网畸变情况，由于地磁干扰或电网故障等的原因，电网中会出现直流偏置，这就要求谐波检测装置在直流偏置情况下仍然可以实现高精度检测。

发明内容

本发明是为了解决现有的在电网畸变情况，由于地磁干扰或电网故障等的原因，电网中会出现直流偏置，导致谐波检测装置在直流偏置情况下检测精度低的问题。现提供一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法。

一种用于克服电网直流偏置谐波检测方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据电网系统中所有元件和设备的谐波特性建立网络模型，根据网络模型确定电网中易发生谐振的位置，与谐振敏感元件位置，取该位置处电压信号为v_in，采用多三阶广义积分系统检测电网中的各次谐波；

步骤二、将步骤一中的谐振敏感元件位置处的电压信号v_in作为输入信号v_in与各次谐波作差，作差后的信号和频率锁定环节输出信号的基波角频率ω_o作为三阶广义积分频率自适应环节的输入信号，三阶广义积分频率自适应环节的输出信号分别为v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)和实际输出的偏差信号e(t)；

步骤三、将e(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中输入值e的输入信号，将v₂(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中输入值v_q的输入信号，通过三阶广义积分频率自适应环节获得系统输出信号的基波角频率ω_o，从而消除了直流偏置对基波角频率ω_o的影响，实现基波角频率稳定输出，将基波角频率ω_o乘上n，得到n次谐波频率nω_o，其中n为总谐波次数；

步骤四、采用多个三阶广义积分器，将得到的n次谐波频率nω_o作为三阶广义积分环节的实际角频率ω的给定值，使各次谐波实现带通输出，从而消除直流偏置的影响，实现在直流偏置的畸变电网下检测各次谐波电流。

本发明的有益效果为：实现在存在直流偏置的畸变电网下的准确谐波检测。利用三阶广义积分环节生成的正交信号，v₁(t)与v₂(t)-v₃(t)项消除输入信号中的直流分量对频率锁定环节的影响。将e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)作为FLL的输入信号，通过频率锁定环节FLL获得系统输入信号的基波角频率ω_o，消除了直流偏置对角频率ω_o的影响，实现了角频率稳定输出，进而获得各次谐波频率nω_o。采用多个三阶广义积分器，将得到的各次谐波频率nω_o作为三阶广义积分积分环节的频率给定，使各次谐波实现带通输出，消除直流偏置的影响。使得检测精度提高了4倍以上。

附图说明

图1是多三阶广义积分谐波检测结构图；

图2是三阶广义积分结构图；

图3是三阶广义积分频率自适应环节结构图；

图4是多三阶广义积分谐波检测系统频率响应曲线图；

图5是畸变电网下多二阶广义积分谐波检测系统输出角频率响应曲线图；

图6是畸变电网下多三阶广义积分谐波检测系统输出角频率响应曲线图；

图7是畸变电网下基波检测结果曲线图；

图8是畸变电网下各次谐波检测结果曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图8具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据电网系统中所有元件和设备的谐波特性建立网络模型，根据网络模型确定电网中易发生谐振的位置，与谐振敏感元件位置，取该位置处电压信号为v_in，采用多三阶广义积分系统检测电网中的各次谐波；

步骤二、将步骤一中的谐振敏感元件位置处的电压信号为v_in作为输入信号v_in与各次谐波作差，作差后的信号和频率锁定环节输出信号的基波角频率ω_o作为三阶广义积分频率自适应环节的输入信号，三阶广义积分频率自适应环节的输出信号分别为v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)和实际输出的偏差信号e(t)；

步骤三、将e(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中输入值e的输入信号，将v₂(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中输入值v_q的输入信号，通过三阶广义积分频率自适应环节获得系统输出信号的基波角频率ω_o，从而消除了直流偏置对基波角频率ω_o的影响，实现基波角频率稳定输出，将基波角频率ω_o乘上n，得到n次谐波频率nω_o，其中n为总谐波次数；

步骤四、采用多个三阶广义积分器，将得到的n次谐波频率nω_o作为三阶广义积分环节的实际角频率ω的给定值，使各次谐波实现带通输出，从而消除直流偏置的影响，实现在直流偏置的畸变电网下检测各次谐波电流。

本实施方式中，有源阻尼器要实现选择性阻尼的功能，就需要进行敏感次谐波单独提取。在电网畸变情况，由于地磁干扰或电网故障等的原因，电网中会出现直流偏置，这就要求谐波检测装置在直流偏置情况下仍然可以实现高精度检测。

确定系统中所有元件和设备的谐波特性，若不含变压器，则直接建立网络模型；如果系统中存在变压器，则将阻抗参数进行标幺化，以标幺值的形式与其它元件一起建立网络模型，确定系统的谐振频率f_s。

考虑有源阻尼器要实现选择性阻尼的功能，需要进行敏感次谐波单独提取。设置图1的多三阶广义积分系统检测谐波频率为基波频率、常见低次谐波与系统敏感次谐波，即检测系统谐振频率f_s，及其附近次谐波；

对第i个谐波通道，将除自身外的各次谐波以及基波作为反馈信号，送给第i个谐波通道，该反馈可消除其他次谐波对输出的干扰，保证检测结果的精度，信号和频率锁定环节输出角频率nω_o作为输入。

采用图1的三阶广义积分谐波检测系统对电网中的各次谐波v_d1、v_d3和v_d5进行检测，然后电压信号v_in作为输入信号v_in与各次谐波作差，作差后的信号和频率锁定环节输出信号的基波角频率ω_o作为图3中的三阶广义积分频率自适应环节的TOG1输入信号，三阶广义积分频率自适应环节的TOG1输出v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)和实际输出的偏差信号e(t)，将e(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中FLL输入值e的输入信号，将v₂(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中FLL输入值v_q的输入信号，通过FLL输出信号的基波角频率ω_o，将n次谐波频率nω_o作为图1中三阶广义积分环节的角频率ω的给定值，使各次谐波实现带通输出，从而消除直流偏置的影响，实现在直流偏置的畸变电网下检测各次谐波电流。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法作进一步说明，本实施方式中，三阶广义积分器的输入信号有给定信号v_in(t)和各次谐波频率值ω_o，输出信号分别为v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)，输出信号与输入信号的闭环传递函数为：

$V_1\left(s\right)=\frac{v_1\left(s\right)}{v_{in}\left(s\right)}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2},$

$V_2\left(s\right)=\frac{v_2\left(s\right)}{v_{in}\left(s\right)}=\frac{2{{\mathrm{\ξ\ω}}_o}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2},$

$V_3\left(s\right)=\frac{v_3\left(s\right)}{v_{in}\left(s\right)}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_o(s^2+{{\mathrm{\ω}}_o}^2)}{(s+{\mathrm{\ω}}_o)(s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2)},$

式中，ξ是系统阻尼系数，s为复变量，v_in(s)、v₁(s)、v₂(s)和v₃(s)分别为信号v_in(t)、v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)的拉普拉斯变换。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法作进一步说明，本实施方式中，将e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节的输入信号，两输入信号e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)有如下特性：

当系统实际角频率ω小于频率锁定环输出信号的基波角频率ω_o时，输入信号e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)相位相同，则乘积为正，在负增益和积分作用下，三阶广义积分频率自适应环节的FLL输出的基波角频率ω_o减小，直到输出的基波角频率ω_o与系统实际频率ω相等；反之，当系统实际角频率ω大于频率锁定环节输出信号的基波角频率ω_o时，输入信号e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)相位相反，则乘积为负，在负增益和积分作用下，FLL输出频率ω_o减小，直到输出信号的基波角频率ω_o与系统实际频率ω相等。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中的输入信号v_in是含有直流偏移分量的正弦信号，其表达式为：

其中，v₀为直流分量，v_c为交流分量，ω_c为交流分量的角频率，为交流分量的初始相位，t为时间，

则三阶广义积分频率自适应环节的输出信号v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)的表达式分别为：

v₃(t)＝kv₀，

其中，k为系统增益，

由输出信号v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)的表达式看出，输出信号v₁(t)不含有直流分量，主要归因于其传递函数分子中的一阶微分项，其交流项与输入信号交流分量同幅同相；v₂(t)含有直流分量，其交流分量与输入信号同幅，相位滞后90；v₃(t)仅含直流分量，由v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)表达式得知，v₁(t)与v₂(t)-v₃(t)项为正交项，且不含输入信号中的直流分量，v₂(t)-v₃(t)与v₁(t)项同幅，相位滞后其90°。

具体实施方式五：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法作进一步说明，本实施方式中，由三阶广义积分环节构成谐波检测反馈网络，i＝1时，即基波通道，输入信号v₁为：

$v_1=v_{in}-\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}{v}_j;$

对于第i次谐波通道，其第i次谐波的输入信号为：

$v_i=v_{in}-\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\Σ}}}{v}_j;$

其中，n为总谐波次数，i、j为谐波次数

则第i次谐波输出为：

$v_i=V_i\left(s\right)(v_{in}-\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\Σ}}}{v}_j),$

其中，i、j为谐波次数，v_i为各次谐波输出，V_i(s)为第i次谐波的传递函数，

进一步整理可得第i次谐波输出为：

$v_i=v_{in}\[V_i\left(s\right)\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\Σ}}}\left(\frac{1-V_j\left(s\right)}{1-V_i\left(s\right)V_j\left(s\right)}\right)\],$

取i＝1，j＝3、5、7时，

$v_1=v_{in}\[V_1\left(s\right)\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}\left(\frac{1-V_j\left(s\right)}{1-V_1\left(s\right)V_j\left(s\right)}\right)\].$

本实施方式中，电网信号v_in的基波频率为50Hz，基波通道在f＝50Hz处增益为1，保证基波无障碍通过；在f＝150Hz、250Hz、350Hz处均有幅值很大的负增益，3次、5次、7次谐波得到很大削减，保证基波准确输出。

Claims (5)

1.一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、根据电网系统中所有元件和设备的谐波特性建立网络模型，根据网络模型确定电网中易发生谐振的位置，与谐振敏感元件位置，取该位置处电压信号为v_in，采用多三阶广义积分系统检测电网中的各次谐波；

步骤二、将步骤一中的谐振敏感元件位置处的电压信号v_in作为输入信号v_in与各次谐波作差，作差后的信号和频率锁定环节输出信号的基波角频率ω_o作为三阶广义积分频率自适应环节的输入信号，三阶广义积分频率自适应环节的输出信号分别为v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)和实际输出的偏差信号e(t)；

步骤三、将e(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中输入值e的输入信号，将v₂(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节中输入值v_q的输入信号，通过三阶广义积分频率自适应环节获得系统输出信号的基波角频率ω_o，从而消除了直流偏置对基波角频率ω_o的影响，实现基波角频率稳定输出，将基波角频率ω_o乘上n，得到n次谐波频率nω_o，其中，n为总谐波次数；

步骤四、采用多个三阶广义积分器，将得到的n次谐波频率nω_o作为三阶广义积分环节的实际角频率ω的给定值，使各次谐波实现带通输出，从而消除直流偏置的影响，实现在直流偏置的畸变电网下检测各次谐波电流。

2.根据权利要求1所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法，其特征在于，三阶广义积分环节的输入信号有给定信号v_in(t)和基波角频率ω_o，输出信号分别为v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)，输出信号与输入信号的闭环传递函数为：

$V_1\left(s\right)=\frac{v_1\left(s\right)}{v_{in}\left(s\right)}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2},$

$V_2\left(s\right)=\frac{v_2\left(s\right)}{v_{in}\left(s\right)}=\frac{2{{\mathrm{\ξ\ω}}_o}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2},$

$V_3\left(s\right)=\frac{v_3\left(s\right)}{v_{in}\left(s\right)}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_o(s^2+{{\mathrm{\ω}}_o}^2)}{(s+{\mathrm{\ω}}_o)(s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{o}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2)},$

式中，ξ是系统阻尼系数，s为复变量，v_in(s)、v₁(s)、v₂(s)和v₃(s)分别为信号v_in(t)、v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)的拉普拉斯变换。

3.根据权利要求1所述的一种用于克服直流偏置的谐波检测方法，其特征在于，将e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)作为三阶广义积分频率自适应环节的输入信号，两输入信号e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)有如下特性：

当系统实际角频率ω小于频率锁定环输出信号的基波角频率ω_o时，输入信号e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)相位相同，则乘积为正，在负增益和积分作用下，三阶广义积分频率自适应环节的FLL输出的基波角频率ω_o减小，直到输出的基波角频率ω_o与系统实际频率ω相等；反之，当系统实际角频率ω大于频率锁定环节输出信号的基波角频率ω_o时，输入信号e(t)-v₃(t)和v₂(t)-v₃(t)相位相反，则乘积为负，在负增益和积分作用下，FLL输出频率ω_o减小，直到输出信号的基波角频率ω_o与系统实际频率ω相等。

4.根据权利要求1所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法，其特征在于，步骤二中的输入信号v_in是含有直流偏移分量的正弦信号，其表达式为：

其中，v₀为直流分量，v_c为交流分量，ω_c为交流分量的角频率，为交流分量的初始相位，t为时间，

则三阶广义积分频率自适应环节的输出信号v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)的表达式分别为：

v₃(t)＝kv₀，

其中，k为系统增益，

由输出信号v₁(t)、v₂(t)和v₃(t)的表达式看出，输出信号v₁(t)不含有直流分量，主要归因于其传递函数分子中的一阶微分项，其交流项与输入信号交流分量同幅同相；v₂(t)含有直流分量，其交流分量与输入信号同幅，相位滞后90；v₃(t)仅含直流分量，由v₁(t)、v₂(t)、v₃(t)表达式得知，v₁(t)与v₂(t)-v₃(t)项为正交项，且不含输入信号中的直流分量，v₂(t)-v₃(t)与v₁(t)项同幅，相位滞后其90°。

5.根据权利要求1所述的一种用于克服电网直流偏置的谐波检测方法，其特征在于，由三阶广义积分环节构成谐波检测反馈网络，i＝1时，即基波通道，输入信号v₁为：

$v_1=v_{in}-\underset{j=2}{\overset{n}{\Σ}}{v}_j,$

对于第i次谐波通道，其第i次谐波的输入信号为：

$v_i=v_{in}-\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{v}_j,$

其中，n为总谐波次数，i、j为谐波次数

则第i次谐波输出为：

$v_i=V_i\left(s\right)(v_{in}-\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{v}_j),$

其中，i、j为谐波次数，v_i为各次谐波输出，V_i(s)为第i次谐波的传递函数，进一步整理可得第i次谐波输出为：

$v_i=v_{in}\[V_i\left(s\right)\underset{j\≠i}{\overset{n}{\underset{j=1}{\mathrm{\Π}}}}\left(\frac{1-V_j\left(s\right)}{1-V_i\left(s\right)V_j\left(s\right)}\right)\].$