CN106483375A - 一种多频率分次谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频率分次谐波检测方法，通过AD采样环节采集电网电压，再利用锁相环对电网电压进行锁相，得到电网电压频率f_pll和相位θ，接着采集负载电流i_L，将其与分次谐波检测系统输出量做一个减法运算，再将所得差值输入到多频率开关进行分组，然后将不同组别的信号通过不同的开关频率进行输出；最后将多频率开关输出的信号通过n次谐波带通滤波器，得到被检测的负载电流i_L的n次谐波。通过本发明方法，能够在减少高频控制系统的计算量前提下实现对被检测的负载电流i_L各个谐波的分次检测提取。

Description

一种多频率分次谐波检测方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种多频率分次谐波检测方法。

背景技术

随着电力系统的快速发展，非线性负载得到了大规模的应用，它们在电网中产生了大量的无功和谐波电流。谐波电流的注入会引起电网电流严重畸变、影响电能质量、降低电网使用效率和威胁电气系统的安全运行。因此，谐波检测和抑制有着重大的现实和经济意义。

目前，电力系统中的谐波检测方法主要可分为基于频域的检测方法和基于时域的检测方法两大类。频域谐波检测方法主要包括，快速傅里叶变换法(FFT)、离散傅里叶变换法(DFT)和迭代傅里叶变换法(RDFT)。基于傅里叶变换的谐波检测方法可以实现谐波分次检测，使用方便，但存在一个基波周期的延时，属于非实时检测方法，且算法中用到傅里叶变换，计算量较大；迭代傅里叶变换法在动态响应速度方面优于其他傅里叶变换法，但是对于每次谐波的检测需要大量存储空间存储该谐波一个周期内的信号值，且存在迭代误差问题。时域谐波检测方法主要包括，基于基波同步旋转变换(d-q)检测方法、基于谐波同步旋转变换检测方法、基于时域瞬时功率理论(p-q)检测方法。基于基波同步旋转变换(d-q)检测方法通过高通滤波器滤除基波得到谐波，不能进行频率选择；基于谐波同步旋转变换检测方法为了实现选频特性，增加各次谐波的同步变换和低通滤波器，因此计算量显著增大；基于时域瞬时功率理论(p-q)检测方法省去了同步旋转坐标系法中的锁相环，检测精度会受到电压谐波影响。

在一些高频控制系统中，通常要求算法在一个控制周期内的计算量尽可能的少，以便保证控制系统能够稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供在一些高频控制系统中的一种多频率分次谐波检测方法，通过对被检测信号进行分组，将分组后的信号通过多种不同的频率进行输出，即在多个控制周期内只计算更新一次信号，以达到减少计算量的目的。

为实现上述发明目的，本发明一种多频率分次谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对电网电压U_g进行AD采样，得到采样后的电网电压u_au_bu_c，再利用锁相环对电网电压进行锁相，进而获取电网电压频率f_pll：

(1.1)、对电网电压u_au_bu_c进行Clarke变换，得到电网电压在静止参考坐标系下的α轴和β轴分量：

u_αβ＝T_abc-αβ·u_abc (1)；

其中，u_αβ＝[u_α,u_β]^T表示静止参考坐标系下电网电压的α轴和β轴分量，u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T表示三相电网电压，表示Clarke变换矩阵；

(1.2)、通过Park变换将静止参考坐标系下的α轴和β轴分量变换为同步旋转参考坐标系下的d轴和q轴分量：

u_dq＝T_αβ-dq·u_αβ (2)；

其中，u_dq＝[u_d,u_q]^T表示同步旋转参考坐标系下电网电压的d轴和q轴分量，表示Park变换矩阵，其中θ表示锁相环电压控制振荡器V_co输出的同步信号相位；

(1.3)、将电网电压q轴分量的给定值与实际电网电压的q轴分量相减，得到误差信号e_q：

e_q＝0-u_q (3)；

其中，0为电网电压q轴分量的给定值；

(1.4)、将误差信号e_q送入PI调节器，再将PI调节器的输出与三相电网电压角频率ω相加，得到锁相环电压控制振荡器V_co的输入角频率ω′：

ω′＝PI[e_q]+ω (4)；

其中，PI[*]表示PI调节器；

(1.5)、通过PI调节器对误差信号e_q的调节，当控制系统运行达到稳态时，V_co的输入角频率ω′和V_co的输出同步信号相位θ将分别跟踪电网电压信号的角频率和相位，从而得到电网电压的频率f_pll为：

f_pll＝ω′/2π (5)；

(2)、采集负载电流i_L，将其与多频率分次谐波检测系统的输出量做减法运算，得到检测差值信号Δi_L，再将检测差值信号Δi_L输入到多频率采样开关，多频率采样开关对检测差值信号进行不同的频率降低和分组，最后按照不同的频率进行输出；

(3)、将经过多频率采样开关降低频率和分组后的检测差值信号输入到对应n次谐波带通滤波器进行n次谐波检测，得到被检测负载电流i_L的n次谐波。

其中，所述的步骤(2)中，多频率采样开关对检测差值信号Δi_L进行不同的频率降低和分组的方法为：

(2.1)、计算多频率采样开关的输入量，即检测差值信号Δi_L：将负载电流i_L减去各n次谐波带通滤波器输出总和i′_L，得到多频率采样开关的输入量检测差值信号Δi_L：

Δi_L＝i_L-i′_L；

(2.2)、多频率采样开关对检测差值信号Δi_L进行频率降低和分组输出：将检测差值信号Δi_L分成k组，每组中经过不同的多频率采样开关S_j{·}，对Δi_L进行不同频率的采样和输出；

第j(j＝1,2,...,k)组的多频率采样开关S_j{·}的工作频率为

其中，f_s表示分次谐波检测系统的频率，m_j为正整数，表示多频率采样开关S_j{·}的降频系数；

根据第j组多频率采样开关S_j{·}的开关频率其输出的降频检测差值信号Δi_j；

其中，z、均表示Z域算子。

其中，所述的步骤(3)中，负载电流i_L的n次谐波的提取方法为：

将多频率开关输出的信号通过相应的n次谐波带通滤波器进行滤波，得到被检测电流i_L的n次谐波。

第j组输出控制开关所对应的n_j次谐波带通滤波器的Z域的表达式为：

其中，为第j组多频率采样开关S_j{·}的开关周期，T_s为分次谐波检测系统的控制周期；表示第n_j次谐波带通滤波器积分系数，n_j表示谐波次数；其中，s表示S域算子，z和表示Z域算子。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种多频率分次谐波检测方法，通过AD采样环节采集电网电压，再利用锁相环对电网电压进行锁相，得到电网电压频率f_pll和相位θ，接着采集负载电流i_L，将其与分次谐波检测系统输出量做一个减法运算，再将所得差值输入到多频率开关进行分组，然后将不同组别的信号通过不同的开关频率进行输出；最后将多频率开关输出的信号通过n次谐波带通滤波器，得到被检测的负载电流i_L的n次谐波。通过本发明方法，能够在减少高频控制系统的计算量前提下实现对被检测的负载电流i_L各个谐波的分次检测提取。

同时，本发明一种多频率分次谐波检测方法还具有以下有益效果：

(1)、可应用电力电子发电装置电压和电流谐波信号的实时检测。该算法简单，可采用C语言编程，在控制器上易于实现；

(2)、采用多频率降频输出方法，可减少控制系统计算量，缩短控制器计算时间，节约控制芯片存储空间；

(3)、能够应用于有源电力滤波器的谐波补偿功能，并且通过对负载或者电网电流的多频率分次提取，可以满足高频控制系统较高控制频率的要求。

附图说明

图1为多频率分次谐波检测系统示意图；

图2为锁相环示意图；

图3为被检测电流i_L波形图及频谱图；

图4为采用本发明方法滤除谐波后被检测电流i_L的波形图及频谱图；

图5为未采用本发明方法检测5次和29次谐波效果波形图；

图6为采用本发明方法检测5次和29次谐波效果波形图；

图7为电网电压频率波动时，采用本发明方法跟踪被检测电流效果波形图；

图8为采用本发明方法检测谐波动态响应效果波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，并结合附图，对本发明的实施步骤做出详细的说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述，本实施例以检测三相负载电流的各次谐波为例，叙述在控制频率f_s＝10KHz的情况下，提取负载电流i_L的奇数且非3的倍数次(即5、7、11、13、…、47、49次)谐波信号的具体方法：

本实施例中，如图1所示，本发明一种多频率分次谐波检测方法包括以下步骤：

(1)、对电网电压U_g进行AD采样，再利用锁相环对采样后的电网电压u_au_bu_c进行锁相，进而获取电网频率f_pll，如图2所示：

(1.1)、通过Clarke变换将三相电网电压u_au_bu_c变换为静止参考坐标系下的α轴和β轴分量：

u_αβ＝T_abc-αβ·u_abc (1)；

其中，u_αβ＝[u_α,u_β]^T表示静止参考坐标系下电网电压的α轴和β轴分量，u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T表示三相电网电压，表示Clarke变换矩阵；

(1.2)、通过Park变换将静止参考坐标系下的α轴和β轴分量变换为同步旋转参考坐标系下的d轴和q轴分量：

u_dq＝T_αβ-dq·u_αβ (2)；

其中，u_dq＝[u_d,u_q]^T表示同步旋转参考坐标系下电网电压的d轴和q轴分量，表示Park变换矩阵，其中θ表示锁相环电压控制振荡器V_co输出的同步信号相位；

(1.3)、将电网电压q轴分量的给定值与实际电网电压的q轴分量相减，得到误差信号e_q：

e_q＝0-u_q (3)；

其中，0为电网电压q轴分量的给定值；

(1.4)、将误差信号e_q送入PI调节器，将PI调节器的输出与三相电网电压角频率ω相加，得到锁相环电压控制振荡器V_co的输入角频率ω′：

ω′＝PI[e_q]+ω (4)；

其中，在本实施例中，ω＝314rad/s。

PI调节器传递函数在Z域的表达式为：

其中，K_p和K_i分别为PI调节器的比例和积分系数，在本实施例中，K_p＝200，K_i＝0.004441286。

电压控制振荡器V_co用积分器来实现，传递函数在Z域的表达式为：

其中，T_s为系统控制周期，在本实施例中，T_s＝100μs。

(1.5)、通过PI调节器对误差信号e_q的调节，当控制系统运行达到稳态时，锁相环电压控制振荡器V_co输入角频率ω′和锁相环电压控制振荡器V_co输出同步信号相位θ将分别跟踪电网电压信号的角频率和相位，从而得到电网电压的频率f_pll为：

f_pll＝ω′/2π (5)；

(2)、采集负载电流i_L，将其与多频率分次谐波检测系统的输出量做减法运算，得到检测差值信号Δi_L，再将检测差值信号Δi_L输入到多频率采样开关，多频率采样开关对检测差值信号进行不同的频率降低和分组，最后按照不同的频率进行输出；

多频率采样开关对检测差值信号Δi_L进行不同的频率降低和分组的方法为：

(2.1)、计算多频率采样开关的输入量，即检测差值信号Δi_L：将负载电流i_L减去各n次谐波带通滤波器输出总和i′_L，得到多频率采样开关的输入量检测差值信号Δi_L：

Δi_L＝i_L-i′_L；

(2.2)、多频率采样开关对检测差值信号Δi_L进行频率降低和分组输出：将检测差值信号Δi_L分成k组，每组中经过不同的多频率采样开关S_j{·}，对Δi_L进行不同频率的采样和输出；

第j(j＝1,2,...,k)组的多频率采样开关S_j{·}的工作频率为

其中，f_s表示分次谐波检测系统的频率，m_j为正整数，表示多频率采样开关S_j{·}的降频系数；

根据第j组多频率采样开关S_j{·}的开关频率其输出的降频检测差值信号Δi_j；

其中，z、均表示Z域算子。

本实施例中，将将Δi_L分成2组，即5,7,11,13,19,23,25次谐波为第一组，29,31,35,37,41,43,47,49次谐波为第二组，则k＝2，j＝1,2，取m₁＝4,m₂＝2。

(3)、将经过多频率采样开关降低频率和分组后的检测差值信号输入到对应n次谐波带通滤波器进行n次谐波检测，得到被检测负载电流i_L的n次谐波。

其中，得到被检测负载电流i_L的n次谐波的方法为：将多频率开关输出的信号通过相应的n次谐波带通滤波器进行滤波，得到被检测电流i_L的n次谐波。

第j组开关所对应的n_j次谐波带通滤波器的Z域的表达式为：

这里，其中为第j组多频率采样开关S_j{·}的开关周期，T_s为系统控制周期；其中表示第n_j次谐波带通滤波器积分系数，n_j表示谐波次数；其中，其中s表示S域算子，z和表示Z域算子。本实施例中，

图3为被检测电流i_L波形图及频谱图：

从图3被检测电流i_L频谱图中可以看出i_L含有大量的谐波，主要为奇数且非3的倍数次谐波，从图3被检测电流i_L波形图中可以看出，大量谐波的引入造成了被检测电流波形的严重畸变。

图4为采用本发明方法滤除谐波后被检测电流i_L的波形图及频谱图：

从图4中可以看出，采用本发明方法后，被检测电流i_L的谐波含量大大减少，此时i_L的时域波形非常接近正弦波，说明本发明方法可以准确的提取被检测电流谐波，并且有很高的精度。

图5为未采用本发明方法检测5次和29次谐波效果波形图，图6为采用本发明方法检测5次和29次谐波效果波形图：

从图5中可以看出，未采用本发明方法时，在一个控制周期中计算并输出一次谐波信号，计算5到49次谐波将会使得控制系统的计算量较大；从图6中可以看出，采用本发明方法后，在四个控制周期中计算并输出一次29次谐波信号，而在二个控制周期中计算并输出一次5次谐波信号，通过对不同的谐波信号进行分组降频计算并输出，可以使控制系统的计算量大大的减少，因此在控制频率较高的控制系统采用本发明方法将会很好的解决计算量较大的问题，从而保证系统的稳定运行。

图7为电网电压频率波动时，采用本发明方法跟踪被检测电流效果波形图：

从图7中可以看出，当电网频率波动时，被检测电流和输出电流几乎重合，且检测误差很小，说明采用本发明方法可以在电网频率波动时很好的保证谐波检测精度，具有良好的电网频率适应性。

图8为采用本发明方法检测谐波动态响应效果波形图：

从图8中可以看出，在1.5个基波周期内输出电流就会跟踪被检测电流，说明了本发明方法能够较快速的检测并跟踪被测信号，响应速度较快。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种多频率分次谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对电网电压U_g进行AD采样，得到采样后的电网电压u_au_bu_c，再利用锁相环对电网电压进行锁相，进而获取电网电压频率f_pll：

(1.1)、对电网电压u_au_bu_c进行Clarke变换，得到电网电压在静止参考坐标系下的α轴和β轴分量：

u_αβ＝T_abc-αβ·u_abc (1)；

其中，u_αβ＝[u_α,u_β]^T表示静止参考坐标系下电网电压的α轴和β轴分量，u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T表示三相电网电压，表示Clarke变换矩阵；

(1.2)、通过Park变换将静止参考坐标系系下的α轴和β轴分量变换为同步旋转参考坐标系下的d轴和q轴分量：

u_dq＝T_αβ-dq·u_αβ (2)；

其中，u_dq＝[u_d,u_q]^T表示同步旋转参考坐标系下电网电压的d轴和q轴分量，表示Park变换矩阵，其中θ表示锁相环电压控制振荡器V_co输出的同步信号相位；

(1.3)、将电网电压q轴分量的给定值与实际电网电压的q轴分量相减，得到误差信号e_q：

e_q＝0-u_q (3)；

其中，0为电网电压q轴分量的给定值；

(1.4)、将误差信号e送入PI调节器，再将PI调节器的输出与三相电网电压角频率ω相加，得到锁相环电压控制振荡器V_co的输入角频率ω′：

ω′＝PI[e_q]+ω (4)；

其中，PI[*]表示PI调节器；

(1.5)、通过PI调节器对误差信号e_q的调节，当控制系统运行达到稳态时，V_co的输入角频率ω′和V_co的输出同步信号相位θ将分别跟踪电网电压信号的角频率和相位，从而得到电网电压的频率f_pll为：

f_pll＝ω′/2π (5)；

(2)、采集负载电流i_L，将其与多频率分次谐波检测系统的输出量做减法运算，得到检测差值信号Δi_L，再将检测差值信号Δi_L输入到多频率采样开关，多频率采样开关对检测差值信号进行不同的频率降低和分组，最后按照不同的频率进行输出；

(3)、将经过多频率采样开关降低频率和分组后的检测差值信号输入到对应n次谐波带通滤波器进行n次谐波检测，得到被检测负载电流i_L的n次谐波。

2.根据权利要求1所述的多频率分次谐波检测方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，多频率采样开关对检测差值信号Δi_L进行不同的频率降低和分组的方法为：

(2.1)、计算多频率采样开关的输入量，即检测差值信号Δi_L：将负载电流i_L减去各n次谐波带通滤波器输出总和i′_L，得到多频率采样开关的输入量检测差值信号Δi_L：

Δi_L＝i_L-i′_L；

(2.2)、多频率采样开关对检测差值信号Δi_L进行频率降低和分组输出：将检测差值信号Δi_L分成k组，每组中经过不同的多频率采样开关S_j{·}，对Δi_L进行不同频率的采样和输出；

第j(j＝1,2,...,k)组的多频率采样开关S_j{·}的工作频率为

$f_{m_j}=f_s/m_j;$

其中，f_s表示分次谐波检测系统的频率，m_j为正整数，表示多频率采样开关S_j{·}的降频系数；

根据第j组多频率采样开关S_j{·}的开关频率其输出的降频检测差值信号Δi_j；

Δi_j(z_m)＝S_j{Δi_L(z)}；

其中，z、均表示Z域算子。

3.根据权利要求1所述的多频率分次谐波检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，负载电流i_L的n次谐波的提取方法为：

将多频率开关输出的信号通过相应的n次谐波带通滤波器进行滤波，得到被检测电流i_L的n次谐波。

第j组输出控制开关所对应的n_j次谐波带通滤波器的Z域的表达式为：

$G_{{\mathrm{rn}}_j}\left(z_{m_j}\right)=\frac{K_{n_j}\[{z_{m_j}}^2-cos\left(2{\mathrm{\πf}}_{pll}{T}_{m_j}{n}_j\right)z_{m_j}\]}{{z_{m_j}}^2-2cos\left(2{\mathrm{\πf}}_{pll}{T}_{m_j}{n}_j\right)z_{m_j}+1};$

其中， 为第j组多频率采样开关S_j{·}的开关周期，T_s为分次谐波检测系统的控制周期； 表示第n_j次谐波带通滤波器积分系数，n_j表示谐波次数；其中，s表示S域算子，z和表示Z域算子。