CN105738699A - 一种电网中基波正序电压提取及其相位锁定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电网中基波正序电压提取及其相位锁定的方法。该过程为：步骤1：通过坐标变换得到两相静止坐标系中的电压u_α和u_β；步骤2：取任意初相角α的正余弦值，将u_α和u_β分别与正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，得到u_αs、u_αc、u_βs以及u_βc；步骤3：通过特定的加减运算，消去直流分量经低通滤波器的滤波，可得到只包含基波正序的直流量U_αs?U_βc和U_αc+U_βs；步骤4：将这两个量分别与sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，并用积化和差公式进行运算，可得到a相基波正序电压u_a11；步骤5：将u_a11输入正交信号发生器，产生正交信号u_β11；步骤6：将信号u_a11、u_β11进行Park变换得到u_q、u_d，将u_q作为锁相环输入，通过锁u_q为零来实现相位锁定。

Description

一种电网中基波正序电压提取及其相位锁定的方法

技术领域

本发明涉及一种可以在三相电网非对称或者畸变情况下准确检测其基波正序电压并进行锁相，属于检测技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展,大量具有非线性特性的负载投入电网运行,给电网带来了严重的谐波污染和动态无功负荷。这些负荷的无功功率如果不能得到及时补偿,将会造成配电网电压的降低和波动,严重恶化供电的质量。

配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)凭借其强大的功能,优良的性能逐渐成为现阶段配电网无功补偿和电能质量控制装置的发展方向。指令电流的检测是D-STATCOM中的核心技术,是该装置能否解决电能质量问题关键因素。目前,研究和应用较多的指令电流检测方法是基于瞬时无功功率理论的ip-iq法,该方法在电网电压对称无畸变时,能实现对谐波和无功电流的准确检测,但当电网电压不平衡或畸变时,它只能准确地检测出谐波电流,而测出的有功、无功电流则存在较大误差。

在工程中,当电网的三相电压不对称或畸变时,电压将包含负序分量和零序分量,即电网电压的相位与电压基波正序分量的相位存在相位差Φ,这个相位差会引起基波正序有功和无功电流的检测误差。只有实时准确检测基波正序电压的初始相角,并以含有这个初始相角信息的正余弦信号进行指令电流检测才能得到精确结果。因此,如何准确检测基波正序电压的初始相角,就成了有关技术人员迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种能够在电网的三相电压不对称或畸变时,实时准确检测电网基波正序电压及其相位锁定的方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

步骤1：将三相电压通过坐标变换变换到α-β坐标系中，得到两相静止坐标系中的电压u_α和u_β；

步骤2：取任意初相角α的正余弦值，将u_α和u_β分别与正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，得到u_αs、u_αc、u_βs以及u_βc；

步骤3：通过特定的加减运算，来消去包含基波负序的直流分量，再经过低通滤波器的滤波，即可得到只包含基波正序的直流量U_αs-U_βc和U_αc+U_βs；

步骤4：将这两个直流量分别与之前任意初相角α的正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，并利用三角函数的积化和差公式进行运算，就可以得到a相基波正序电压u_a11；

上述步骤的具体方法为：

A、首先设三相电压不对称且畸变，则三相电压如下所示：

其中，U表示电压的有效值，下标1表示正序，2表示负序，n表示的是谐波次数，其中，当n＝1时，表示的是基波，对三相电压值进行32变换可得到u_α和u_β；

B、将电压值u_α分别与任意初相角α的正弦值和任意初相角α的余弦值相乘可得到

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}s}\\ u_{\mathrm{\α}c}\end{array}\right]=u_{\mathrm{\α}}\left[\begin{array}{c}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\\ cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\end{array}\right]$

同样的，将u_β分别与任意初相角α的正弦值和任意初相角α的余弦值相乘可得到

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\β}s}\\ u_{\mathrm{\β}c}\end{array}\right]=u_{\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\\ cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\end{array}\right]$

C、结合上面各式可得到u_αs、u_αc、u_βs以及u_βc，再利用三角函数的积化和差公式将它们展开，并通过适当的加减运算，即将u_αs与u_βc相减，将u_αc与u_βs相加，就可以消去其中包含基波负序的分量，加减运算后结果如下式所示，

然后将所得到的u_αs-u_βc和u_αc+u_βs经过低通滤波器，滤去交流分量，就可以得到只包含基波正序信息的值，即U_αs-U_βc和U_αc+U_βs，

D、对于只包含基波正序信息的U_αs-U_βc和U_αc+U_βs，为了得到a相电压的正序基波分量，根据三角函数的运算，可以将U_αs-U_βc和任意初相角的正弦值相乘，将U_αc+U_βs和任意初相角的余弦值相乘，再对它们取和，最后再乘以系数即可得到a相基波正序电压u_a11，运算过程如下式所示，

步骤5：将信号u_a11,输入到正交信号发生器，产生其正交信号；

上述正交信号发生器是基于反Park变换实现的，其具体方法如下：Park变换是将静止坐标系下的αβ坐标分量转换为旋转坐标系下的dq坐标分量，反Park变换是将静止坐标系下的dq坐标分量转换为旋转坐标系下的αβ坐标分量，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ -sin\left(\mathrm{\θ}\right)& cos\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& -sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ sin\left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]$

根据公式，构建包含以上两个变换的控制环路，即可得到一组正交信号输出，其中一个信号与输入信号相同，另一个信号是输入信号的正交信号。

步骤6：将上述两个信号u_a11、u_β11进行一次Park坐标变换得到u_q、u_d，并将u_q作为锁相环的输入，通过锁u_q为零来实现相位锁定。

本发明将检测到的基波正序电压u_a11先经过一个正交信号发生器，得到其正交信号，然后将这两个信号输入到传统锁相环里面，从而实现准确检测其初始相角的目的，以含有这个初始相角信息的正余弦信号进行指令电流检测,就能够得到精确的检测结果，从而可以改善配电网静止同步补偿器的无功补偿效果,提高电网的供电的质量。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的控制流程图。

图2为基波正序电压u_a11检测的原理图。

图3为基于反Park变换的正交信号发生器原理图。

图4为基波正序电压经过锁相环进行初始相位提取的原理图。

具体实施方式

如图1所示一种电网中基波正序电压提取及其锁相的方法具体过程如下：

步骤1：将三相电压通过坐标变换变换到α-β坐标系中，得到两相静止坐标系中的电压u_α和u_β；

步骤2：取任意初相角α的正余弦值，将u_α和u_β分别与正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，得到u_αs、u_αc、u_βs以及u_βc；

步骤3：通过特定的加减运算，来消去包含基波负序的直流分量，再经过低通滤波器的滤波，即可得到只包含基波正序的直流量U_αs-U_βc和U_αc+U_βs；

步骤4：将这两个直流量分别与之前任意初相角α的正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，并利用三角函数的积化和差公式进行运算，就可以得到a相基波正序电压u_a11；

步骤5：将信号u_a11,输入到正交信号发生器，产生其正交信号u_β11；

步骤6：将上述两个信号u_a11、u_β11进行一次Park坐标变换得到u_q、u_d，并将u_q作为锁相环的输入，通过锁u_q为零来实现相位锁定。

如图2所示为上述步骤1—4过程结构图，经过该过程，基波正序电压即被检测出来了。具体过程如下：A、首先设三相电压不对称且畸变，则三相电压如下所示：

其中，U表示电压的有效值，下标1表示正序，2表示负序，n表示的是谐波次数，其中，当n＝1时，表示的是基波，对三相电压值进行32变换可得到u_α和u_β；

B、将电压值u_α分别与任意初相角α的正弦值和任意初相角α的余弦值相乘可得到

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}s}\\ u_{\mathrm{\α}c}\end{array}\right]=u_{\mathrm{\α}}\left[\begin{array}{c}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\\ cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\end{array}\right]$

同样的，将u_β分别与任意初相角α的正弦值和任意初相角α的余弦值相乘可得到

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\β}s}\\ u_{\mathrm{\β}c}\end{array}\right]=u_{\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\\ cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\end{array}\right]$

C、结合上面各式可得到u_αs、u_αc、u_βs以及u_βc，再利用三角函数的积化和差公式将它们展开，并通过适当的加减运算，即将u_αs与u_βc相减，将u_αc与u_βs相加，就可以消去其中包含基波负序的分量，加减运算后结果如下式所示，

然后将所得到的u_αs-u_βc和u_αc+u_βs经过低通滤波器，滤去交流分量，就可以得到只包含基波正序信息的值，即U_αs-U_βc和U_αc+U_βs，

D、对于只包含基波正序信息的U_αs-U_βc和U_αc+U_βs，为了得到a相电压的正序基波分量，根据三角函数的运算，可以将U_αs-U_βc和任意初相角的正弦值相乘，将U_αc+U_βs和任意初相角的余弦值相乘，再对它们取和，最后再乘以系数即可得到a相基波正序电压u_a11，运算过程如下式所示，

如图3所示为正交信号发生器结构图，Park变换是将静止坐标系下的αβ坐标分量转换为旋转坐标系下的dq坐标分量，反Park变换是将静止坐标系下的dq坐标分量转换为旋转坐标系下的αβ坐标分量，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ -sin\left(\mathrm{\θ}\right)& cos\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& -sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ sin\left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]$

根据公式，可得到一组正交信号输出，其中一个信号与输入信号相同，另一个信号是输入信号的正交信号。

如图4所示为传统SRF锁相环，通过锁定u_q为零，来实现相位锁定的目的。

Claims (3)

1.一种电网中基波正序电压提取及其相位锁定的方法，其特征是，所述方法是电网电压在非对称或者畸变的情况下，首先准确检测到电网的基波正序电压分量，然后将其输入到一个正交信号发生器得到其正交信号，最后把这两个量进行Park变换后输入到锁相环中进行锁相。所述方法的具体步骤如下：

步骤1：将三相电压通过坐标变换变换到α-β坐标系中，得到两相静止坐标系中的电压u_α和u_β；

步骤2：取任意初相角α的正余弦值，将u_α和u_β分别与正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，得到u_{α s}、u_{α c}、u_{β s}以及u_{β c}；

步骤3：通过特定的加减运算，来消去包含基波负序的直流分量，再经过低通滤波器的滤波，即可得到只包含基波正序的直流量U_{α s}-U_{β c}和U_{α c}+U_{β s}；

步骤4：将这两个直流量分别与之前任意初相角α的正弦值sin(ωt+α)和余弦值cos(ωt+α)相乘，并利用三角函数的积化和差公式进行运算，就可以得到a相基波正序电压u_a11；

步骤5：将信号u_a11,输入到正交信号发生器，产生其正交信号u_{β 11}；

步骤6：将上述两个信号u_a11、u_{β 11}进行一次Park坐标变换得到u_q、u_d，并将u_q作为锁相环的输入，通过锁u_q为零来实现相位锁定。

2.根据权利要求书1所述的电网中基波正序电压提取及其相位锁定的方法，其特征是，在检测电网基波正序分量的过程中，巧妙运用了三角函数运算，快速准确的检测到目标量，其具体方法如下：

A、首先设三相电压不对称且畸变，则三相电压如下所示：

其中，U表示电压的有效值，下标1表示正序，2表示负序，n表示的是谐波次数，其中，当n＝1时，表示的是基波，对三相电压值进行32变换可得到u_α和u_β；

B、将电压值u_α分别与任意初相角α的正弦值和任意初相角α的余弦值相乘可得到

同样的，将u_β分别与任意初相角α的正弦值和任意初相角α的余弦值相乘可得到

C、结合上面各式可得到u_{α s}、u_{α c}、u_{β s}以及u_{β c}，再利用三角函数的积化和差公式将它们展开，并通过适当的加减运算，即将u_{α s}与u_{β c}相减，将u_{α c}与u_{β s}相加，就可以消去其中包含基波负序的分量，加减运算后结果如下式所示，

然后将所得到的u_{α s}-u_{β c}和u_{α c}+u_{β s}经过低通滤波器，滤去交流分量，就可以得到只包含基波正序信息的值，即U_{α s}-U_{β c}和U_{α c}+U_{β s}，

D、对于只包含基波正序信息的U_{α s}-U_{β c}和U_{α c}+U_{β s}，为了得到a相电压的正序基波分量，根据三角函数的运算，可以将U_{α s}-U_{β c}和任意初相角的正弦值相乘，将U_{α c}+U_{β s}和任意初相角的余弦值相乘，再对它们取和，最后再乘以系数即可得到a相基波正序电压u_a11，运算过程如下式所示，

3.根据权利要求书1所述的电网中基波正序电压输入正交信号发生器得到其政教信号的方法，其特征是，该正交信号发生器是基于反Park变换实现的，其具体方法如下：Park变换是将静止坐标系下的αβ坐标分量转换为旋转坐标系下的dq坐标分量，反Park变换是将静止坐标系下的dq坐标分量转换为旋转坐标系下的αβ坐标分量，变换公式如下：

根据公式，构建包含以上两个变换的控制环路，即可得到一组正交信号输出，其中一个信号与输入信号相同，另一个信号是输入信号的正交信号。