CN106372369A - 用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法，首先，以载波周期为单位采样逆变器输出幅值、相位，并采用指数滑动平均滤波器(EMA)对采样值进行滤波处理。然后，将采样值逐一相加，由于当采样次数无穷大时，采样值中交流分量之和无限趋近于零，从而得到逆变器输出直流分量平均值。最后，通过减去采样值中直流分量、逆变器输出参考值，得到逆变器输出谐波分量瞬时值。本发明能够对由各种原因导致的逆变器输出直流分量、谐波分量进行瞬时计算，可以适用于单相、三相、离网、并网逆变器。

Description

用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，具体是一种用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法。

背景技术

随着近年来我国对分布式发电应用的大力推广，逆变器作为分布式发电系统中的核心组成部分，其在输配电网中的应用日益广泛。由于逆变器主要由高频开关器件组成，目前普遍采用脉宽调制技术(PWM)，因此其输出中不可避免的大量存在直流分量、谐波分量。加之在实际情况中，非线性负载普遍存在，会进一步恶化逆变器的输出波形质量，甚至给电网及用电设备造成严重危害。因此，有必要对逆变器输出直流分量、谐波分量进行治理。

目前国内外对逆变器输出直流分量、谐波分量的治理主要采用检测反馈法，建立在对直流分量、谐波分量精确快速检测的基础上。这就对直流分量、谐波分量的计算方法提出了更高的要求，不仅需要兼顾精度与速度，具有良好的动态响应特性，而且还要能够适用于由各种原因导致的直流分量、谐波分量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法，解决输配电网中逆变器输出直流分量、谐波分量检测的精度与速度兼顾问题，能够对由各种原因导致的逆变器输出直流分量、谐波分量进行瞬时计算，可以适用于单相、三相、离网、并网逆变器。

本发明的目的是以下技术方案实现的：

步骤一、以载波周期为单位采样逆变器输出的幅值、相位，并采用指数滑动平均滤波器对采样值进行滤波处理；所述步骤一具体为：

(a)实时采样逆变器输出的幅值、相位，采样周期以载波周期为单位：

$\frac{T_m}{T_c}=N---\left(1\right)$

式(1)中T_m为工频周期，T_c为载波周期，N为载波比；

(b)采用指数滑动平均滤波器(EMA)对采样值进行滤波处理得到滤波处理后的采样值：

EMA(n)＝[Data(n)-EMA(n-1)]×k+EMA(n-1) (2)

式(2)中Data(n)为第n次采样信号，EMA(n)为对Data(n)进行滤波处理的结果，k为滤波系数；

步骤二、将滤波处理后的采样值逐一相加，由于当采样次数无穷大时，采样值中交流分量之和无限趋近于零，从而得到逆变器输出直流分量平均值；

步骤三、通过逆变器输出减去采样值中的直流分量、逆变器输出参考值，得到逆变器输出谐波分量瞬时值。

进一步的，所述步骤二具体实现过程如下：

基于对逆变器输出幅值、相位的实时采样，对逆变器输出直流分量平均值进行计算：

逆变器输出u_o/i_o(t)可表示为：

u_o/i_o(t)＝u_dc/i_dc(t)+u_nf/i_nf(t)+u_f/i_f(t) (3)

式(3)中u_dc/i_dc(t)为直流分量，u_nf/i_nf(t)为非基波分量，u_f/i_f(t)为基波分量；

以T_c为单位对逆变器输出进行采样并进行滤波处理，则得到的m个瞬时值之和为：

$\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_o/i_o(t+{\mathrm{nT}}_c)=\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{dc}/i_{dc}(t+{\mathrm{nT}}_c)+\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{nf}/i_{nf}(t+{\mathrm{nT}}_c)+\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_f/i_f(t+{\mathrm{nT}}_c)---\left(4\right)$

由逆变器正常工作时输出波形特性可知，当采样次数m→∞时，u_o/i_o(t)中交流分量的采样瞬时值之和无限趋近于零：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{nf}/i_{nf}(t+{\mathrm{nT}}_c)=0\\ \underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_f/i_f(t+{\mathrm{nT}}_c)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

可得u_o/i_o(t)中的直流分量平均值为：

$u_{dc}/i_{dc}(t+(m-1\left)T_c\right)=\frac{1}{m}\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_o/i_o(t+{\mathrm{nT}}_c)---\left(6\right)$

式(6)中u_dc/i_dc(t+(m-1)T_c)即为t+(m-1)T_c时刻计算得到的u_o/i_o(t)中直流分量平均值。

进一步的，所述骤三具体实现过程为：

(a)基于对逆变器输出幅值、相位的实时采样和逆变器输出直流分量平均值的计算，对逆变器输出谐波分量瞬时值进行计算：

逆变器输出参考值可表示为：

$u_{ref}/i_{ref}\left(t\right)=\sqrt{2}{U}_{ref}/I_{ref}sin\mathrm{\ω}t---\left(7\right)$

以T_c为单位对逆变器输出进行采样，可得谐波分量瞬时值为：

Δ(t)＝u_o/i_o(t)-u_dc/i_dc(t)-u_ref/i_ref(t) (8)

式(8)中Δ(t)为t时刻逆变器输出谐波分量瞬时值，u_ref/i_ref(t)可通过查表法或计算获得；

(b)通过引入相位指针实现u_ref/i_ref(t)、u_o/i_o(t)、u_dc/i_dc(t)在采样时刻上的一一对应，设u_o/i_o(t)的相位指针为U_o/I_optr(n)，u_ref/i_ref(t)的相位指针为U_ref/I_refptr(n)，在两者相位过零点时分别进行相位指针清零操作，进行同步处理即可得到逆变器输出谐波分量：

Δ(n)＝u_o/i_o(U_o/I_optr(n))-u_dc/i_dc(U_o/I_optr(n))-u_ref/i_ref(U_ref/I_refptr(n)) (9)

式(9)中n＝0,1,...,N-1，Δ(n)即为在引入相位指针后，根据Δ(t)计算得到的第n个相位指针时刻的逆变器输出谐波分量瞬时值。

本发明通过对逆变器输出信号的采样处理，提出了一种精度与速度兼顾的逆变器输出直流分量、谐波分量瞬时算法，能够对由各种原因导致的逆变器输出直流分量、谐波分量进行瞬时计算，可以适用于单相、三相、离网、并网逆变器。

附图说明

图1为本发明用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法的计算原理框图；

图2为本发明中逆变器输出直流分量平均值的计算仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1，本发明提供一种用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法，包括如下步骤：

步骤一、以载波周期为单位采样逆变器输出幅值、相位，并采用指数滑动平均滤波器(EMA)对采样值进行滤波处理；所述步骤一具体为：

(a)实时采样逆变器输出幅值、相位，采样周期以载波周期为单位：

$\frac{T_m}{T_c}=N---\left(1\right)$

式(1)中T_m为工频周期，T_c为载波周期，N为载波比；

(b)采用指数滑动平均滤波器(EMA)对采样信号进行滤波处理：

EMA(n)＝[Data(n)-EMA(n-1)]×k+EMA(n-1) (2)

式(2)中Data(n)为第n次采样信号，EMA(n)为对Data(n)进行滤波处理的结果，k为滤波系数。

步骤二、将滤波处理后的采样值逐一相加，由于当采样次数无穷大时，采样值中交流分量之和无限趋近于零，从而得到逆变器输出直流分量平均值；所述步骤二具体实现过程如下：

基于对逆变器输出幅值、相位的实时采样，对逆变器输出直流分量平均值进行计算：

逆变器输出电压、电流u_o/i_o(t)可表示为：

u_o/i_o(t)＝u_dc/i_dc(t)+u_nf/i_nf(t)+u_f/i_f(t) (3)

式(3)中u_dc/i_dc(t)为直流分量，u_nf/i_nf(t)为非基波分量(不包括直流分量)，u_f/i_f(t)为基波分量；

以T_c为单位对逆变器输出进行采样并进行滤波处理，则得到的m个瞬时值之和为：

$\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_o/i_o(t+{\mathrm{nT}}_c)=\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{dc}/i_{dc}(t+{\mathrm{nT}}_c)+\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{nf}/i_{nf}(t+{\mathrm{nT}}_c)+\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_f/i_f(t+{\mathrm{nT}}_c)---\left(4\right)$

由逆变器正常工作时输出波形特性可知，当采样次数m→∞时，u_o/i_o(t)中交流分量的采样瞬时值之和无限趋近于零：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{nf}/i_{nf}(t+{\mathrm{nT}}_c)=0\\ \underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_f/i_f(t+{\mathrm{nT}}_c)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

可得u_o/i_o(t)中的直流分量平均值为：

$u_{dc}/i_{dc}(t+(m-1\left)T_c\right)=\frac{1}{m}\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_o/i_o(t+{\mathrm{nT}}_c)---\left(6\right)$

式(6)中u_dc/i_dc(t+(m-1)T_c)即为t+(m-1)T_c时刻计算得到的u_o/i_o(t)中直流分量平均值。

步骤三、通过逆变器输出减去采样值中直流分量、逆变器输出参考值，得到逆变器输出谐波分量瞬时值。所述步骤三具体实现过程为：

(a)基于对逆变器输出幅值、相位的实时采样和逆变器输出直流分量平均值的计算，对逆变器输出谐波分量瞬时值进行计算：

逆变器输出参考值可表示为：

$u_{ref}/i_{ref}\left(t\right)=\sqrt{2}{U}_{ref}/I_{ref}sin\mathrm{\ω}t---\left(7\right)$

以T_c为单位对逆变器输出进行采样，可得谐波分量瞬时值为：

Δ(t)＝u_o/i_o(t)-u_dc/i_dc(t)-u_ref/i_ref(t) (8)

式(8)中Δ(t)为t时刻逆变器输出谐波分量瞬时值，u_ref/i_ref(t)可通过查表法或计算获得。

(b)通过引入相位指针实现u_ref/i_ref(t)、u_o/i_o(t)、u_dc/i_dc(t)在采样时刻上的一一对应，设u_o/i_o(t)的相位指针为U_o/I_optr(n)，u_ref/i_ref(t)的相位指针为U_ref/I_refptr(n)，在两者相位过零点时分别进行相位指针清零操作，进行同步处理即可得到逆变器输出谐波分量：

Δ(n)＝u_o/i_o(U_o/I_optr(n))-u_dc/i_dc(U_o/I_optr(n))-u_ref/i_ref(U_ref/I_refptr(n)) (9)

式(9)中n＝0,1,...,N-1，Δ(n)即为在引入相位指针后，根据Δ(t)计算得到的第n个相位指针时刻的逆变器输出谐波分量瞬时值。

仿真分析

为验证本发明的可行性和有效性，基于MATLAB/Simulink进行仿真分析。

仿真说明：以逆变器输出电压直流分量为例，验证本发明计算效果。

仿真参数：取k＝0.25，设载波比N＝256，输出电压220V/50Hz，输出电压直流分量为10V。

仿真分析：仿真结果如图2所示，可知本发明能够准确计算出逆变器输出电压直流分量，若在逆变器正常工作后第512个载波周期处(0.04s)加入一个峰值为300V的高频干扰信号，EMA能够将此干扰信号对输出电压直流分量计算结果的影响降至1.5V以内。因此，本发明有效对逆变器输出直流分量进行瞬时计算。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、以载波周期为单位采样逆变器输出的幅值、相位，并采用指数滑动平均滤波器对采样值进行滤波处理；所述步骤一具体为：

(a)实时采样逆变器输出的幅值、相位，采样周期以载波周期为单位：

$\frac{T_m}{T_c}=N---\left(1\right)$

式(1)中T_m为工频周期，T_c为载波周期，N为载波比；

(b)采用指数滑动平均滤波器(EMA)对采样值进行滤波处理得到滤波处理后的采样值：

EMA(n)＝[Data(n)-EMA(n-1)]×k+EMA(n-1) (2)

式(2)中Data(n)为第n次采样信号，EMA(n)为对Data(n)进行滤波处理的结果，k为滤波系数；

步骤二、将滤波处理后的采样值逐一相加，由于当采样次数无穷大时，采样值中交流分量之和无限趋近于零，从而得到逆变器输出直流分量平均值；

步骤三、通过逆变器输出减去采样值中的直流分量、逆变器输出参考值，得到逆变器输出谐波分量瞬时值。

2.如权利要求1所述的用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法，其特征在于所述步骤二具体实现过程如下：

基于对逆变器输出幅值、相位的实时采样，对逆变器输出直流分量平均值进行计算：

逆变器输出u_o/i_o(t)可表示为：

u_o/i_o(t)＝u_dc/i_dc(t)+u_nf/i_nf(t)+u_f/i_f(t) (3)

式(3)中u_dc/i_dc(t)为直流分量，u_nf/i_nf(t)为非基波分量，u_f/i_f(t)为基波分量；

以T_c为单位对逆变器输出进行采样并进行滤波处理，则得到的m个瞬时值之和为：

$\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_o/i_o(t+{\mathrm{nT}}_c)=\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{dc}/i_{dc}(t+{\mathrm{nT}}_c)+\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{nf}/i_{nf}(t+{\mathrm{nT}}_c)+\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_f/i_f(t+{\mathrm{nT}}_c)---\left(4\right)$

由逆变器正常工作时输出波形特性可知，当采样次数m→∞时，u_o/i_o(t)中交流分量的采样瞬时值之和无限趋近于零：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_{nf}/i_{nf}(t+{\mathrm{nT}}_c)=0\\ \underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_f/i_f(t+{\mathrm{nT}}_c)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

可得u_o/i_o(t)中的直流分量平均值为：

$u_{dc}/i_{dc}(t+(m-1\left)T_c\right)=\frac{1}{m}\underset{n=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{u}_o/i_o(t+{\mathrm{nT}}_c)---\left(6\right)$

式(6)中u_dc/i_dc(t+(m-1)T_c)即为t+(m-1)T_c时刻计算得到的u_o/i_o(t)中直流分量平均值。

3.如权利要求1所述的用于逆变器输出直流分量、谐波分量检测的瞬时计算方法，其特征在于所述骤三具体实现过程为：

(a)基于对逆变器输出幅值、相位的实时采样和逆变器输出直流分量平均值的计算，对逆变器输出谐波分量瞬时值进行计算：

逆变器输出参考值可表示为：

$u_{ref}/i_{ref}\left(t\right)=\sqrt{2}{U}_{ref}/I_{ref}sin\mathrm{\ω}t---\left(7\right)$

以T_c为单位对逆变器输出进行采样，可得谐波分量瞬时值为：

Δ(t)＝u_o/i_o(t)-u_dc/i_dc(t)-u_ref/i_ref(t) (8)

式(8)中Δ(t)为t时刻逆变器输出谐波分量瞬时值，u_ref/i_ref(t)可通过查表法或计算获得；

(b)通过引入相位指针实现u_ref/i_ref(t)、u_o/i_o(t)、u_dc/i_dc(t)在采样时刻上的一一对应，设u_o/i_o(t)的相位指针为U_o/I_optr(n)，u_ref/i_ref(t)的相位指针为U_ref/I_refptr(n)，在两者相位过零点时分别进行相位指针清零操作，进行同步处理即可得到逆变器输出谐波分量：

Δ(n)＝u_o/i_o(U_o/I_optr(n))-u_dc/i_dc(U_o/I_optr(n))-u_ref/i_ref(U_ref/I_refptr(n)) (9)

式(9)中n＝0,1,...,N-1，Δ(n)即为在引入相位指针后，根据Δ(t)计算得到的第n个相位指针时刻的逆变器输出谐波分量瞬时值。