CN107525987A - 基于自适应序列全相位dft的同期并网参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，其适用于光储微网的同期并网参数的测量。光储微网通过自适应算法获取合适的PCC点微网侧电压的采样序列S1和S2；舍去采样序列S1的第一个采样点，将采样序列S1和S2合并；利用基于hanning双窗的全相位DFT算法计算出序列的频谱，找到基频对应的主谱线和其相邻的较大的谱线；利用双谱线法，计算出PCC点微网侧电压的频率、幅值和相角的实时值。同时对PCC点配电网侧进行相同处理，获得配电网侧电压的频率、幅值和相角的实时值。本发明可以在包含光伏、储能等输出随机性较大、谐波丰富的环境下准确地测量出电压基波频率、幅值和相位，降低了频谱泄漏，提高了采样精度。
Description
技术领域
本发明涉及同期并网参数测量领域，具体涉及一种基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量方法，其适用于光储微网同期并网的PCC点两端电压参数的测量。
背景技术
光储微网是一种典型的微网，具有较好的应用前景。光储微网包含并网和离网两种运行模式。在一定条件下，两种运行模式之间可以进行切换，其中当光储微网从离网模式向并网模式切换时，同期并网参数的准确测量是一个重要的技术难点。光储微网内部由于使用了大量的电力电子设备，从而造成其惯性小，动态响应快，承受过载的能力远小于传统同步发电机，使得光储微网同期接入配电网时对并网参数的要求更高。同时，光储微网内部的光伏和负荷的随机波动性和大量电力电子设备的使用，导致微网将中产生了大量谐波和噪声，测量环境更加恶劣，传统的同期并网测量方案已经不能满足光储微网的同期并网的要求。为提高采样精度，降低光储微网同期并网所带来的冲击，研究适用于光储微网的同期并网参数的测量方法就有较高的实用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量方法，该方法解决了传统光储微网同期并网的PCC点两端电压参数测量方法的缺陷，降低了频谱泄漏，提高了采样精度和参数的测量精度。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，方法包括以下步骤：
S1、获取合适的序列长度：利用采样装置获取光储微网与配电网公共耦合点微网侧电压的两段相等长度的采样序列S1和S2，S1＝{x(1),x(2)...x(N)}，S2＝{x(N+1),x(N+2)...x(2N)}，设定采样序列S1和S2的最大长度为NmaxL，并初始化采样序列S1和S2的长度为N，计算两段序列的相关系数K，设定的相关系数阈值Kc并与K进行比较，若K≥KcK≥Kc，则确定此时的采样序列S1和S2为计算电压频率的采样序列，并将此时的序列长度记为N；若K＜Kc，则增加采样序列S1和S2的长度，令N＝N+1再比较K与Kc的大小，直到K≥Kc，若采样序列S1和S2长度大于最大长度L时，新序列仍未满足K≥Kc，则采样序列取序列的长度取Nmax；
S2、对全相位DFT处理序列：计算长度为N的hanning窗的自卷积，自卷积后形成长度为2N-1的卷积窗ωc(2N-1)，合并采样序列S1和S2并舍去序列S1的第一个采样点x(1)，形成新的序列S，S＝{x(2),x(3)...x(2N)}，将序列S与ωc(2N-1)相乘后进行DFT计算，获得电压基波附近的全相位频谱Y(k)；
S3、利用双谱线法计算电压基波的频率、幅值和相角：找到全相位谱Y(k)中电压基波对应的谱线以及相邻的较大谱线，并利用双谱线法估算出主谱线与实际基波的频差δ，根据全相位DFT的性质，中心采样点的相角值即为主谱线的相角值，接着计算出中心采样点x(N+1)对应的相位θ0，再利用估算的频差δ和中心采样点相位θ0估算出微网侧电压基波实际频率fM、幅值AM和最后一个采样点的相角实时值θM；
S4、重复上述步骤S1、S2和S3，计算光储微网与配电网公共耦合点配电网侧电压基波的实际频率fG、幅值AG和最后一个采样点的相角实时值θG，比较两侧电压基波的实际频率、幅值和最后一个采样点的相角实时值，若满足并网要求则发送允许并网信号，实现光储微网的并网。
进一步改进在于，步骤S1中所述相关系数K的计算方法是
式中，<S1,S2>指采样序列S1和S2内积，其计算公式为
<S1,S2>＝x(1)x(N+1)+…+x(N)x(2N)，
||S1||2、||S2||2指采样序列S1和S2的2-范数，其计算公式为
进一步改进在于，步骤S3中所述频差δ的具体估算步骤为：
在频谱中找到主谱线和较大的相邻谱线，根据两条谱线在频谱中的位置记两条谱线为Y(k-1)和Y(k)，根据全相位DFT的性质，Y(k-1)和Y(k)的幅值近似分别为
由上述两式求出频差δ，即
进一步改进在于，步骤S3中所述中心采样点的相位θ0的计算公式为
式中，Y(k)表示主谱线，k表示主谱线在频谱中的谱线号,Im(Y(k))是主谱线的虚部，Re(Y(k))是主谱线的实部。
进一步改进在于，步骤S3中所述微网侧电压基波的实际频率fM，幅值AM以及最后一个采样点的相角实时值θM的具体估算步骤为：
估算微网侧幅值AM的估计值，其估算公式为
估算微网侧电压基波实际频率基波频率ω*的估计值，即
ω*＝(k-δ)Δω，
式中，k是主谱线在频谱上对应的谱线号，Δω为频谱分辨率；
进而，微网侧电压基波的实际频率fM为
式中，fs是采样频率，Ts为采样周期；
所述微网侧的最后一个采样点对应的相位θM由中心采样点的相位θ0和计算得到的基波频率计算获得，即
θm＝θ0+2πf*(N-1)Ts。
本发明的有益效果是：
适用于光储微网的同期并网参数的测量，充分考虑了光储微网由于光伏的随机性和波动性的特征以及大量电力电子器件的使用导致测量环境中包含大量的谐波和噪声的影响，能够有效的降低频谱泄漏，提高同期并网参数的测量精度。且算法具有较好的实时性的优点。
有效降低频谱泄漏体现在谐波和噪声含量丰富的光储微网中采用自适应算法获取合适长度的采样序列，设置合理的相关系数阈值，降低谐波和噪声的影响，提高采样过程的周期性，抑制了因为非周期采样造成的频谱泄漏。本发明采用的全相位DFT处理采样序列也具有优良的频谱抑制性能，理论证明全相位DFT的振幅普是采用相同窗函数的DFT振幅谱的平方，较传统DFT，旁瓣谱线对于主谱线的比值也按平方关系衰减，使主谱线更为突出，进一步抑制了频谱泄漏。
实时性主要体现在采用全相位DFT和双谱线法计算基波电压参数，全相位DFT仅需计算电压基波频率附近的几条谱线作为后续的双谱线法计算的数据来源，计算量小，耗时少。同时对双谱线法的频率、幅值和相位的计算公式进行简化，得到较为简单的计算公式，方便在微机设备中实现，实时性好。
光储微网应用本发明作为同期并网参数的测量方案，可以降低因为光储微网中光伏的随机性和大量电力电子器件的使用造成的光储微网谐波和噪声含量大的影响，抑制频谱泄漏造成的采样误差。同时利用双谱线法仅需电压基波主谱线和相邻的较大旁谱线即可计算电压基波频率、幅值和相位，实时性好，在光储微网同期并网参数测量具有较高精度，应用前景较好。
附图说明
图1为具体实现基于自适应序列获取的流程示意图；
图2为全相位DFT的实现示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
结合图1和图2所示，一种基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量方法，包括以下步骤：
S1、获取合适的序列长度：利用采样装置获取光储微网与配电网公共耦合点微网侧电压的两段相等长度的采样序列S1和S2，S1＝{x(1),x(2)...x(N)}，S2＝{x(N+1),x(N+2)...x(2N)}，设定采样序列S1和S2的最大长度为NmaxL，并初始化采样序列S1和S2的长度为N，计算两段序列的相关系数K，设定的相关系数阈值Kc并与K进行比较，若K≥KcK≥Kc，则确定此时的采样序列S1和S2为计算电压频率的采样序列，并将此时的序列长度记为N；若K＜Kc，则增加采样序列S1和S2的长度，令N＝N+1再比较K与Kc的大小，直到K≥Kc，若采样序列S1和S2长度大于最大长度L时，新序列仍未满足K≥Kc，则采样序列取序列的长度取Nmax；
S2、对全相位DFT处理序列：计算长度为N的hanning窗的自卷积，自卷积后形成长度为2N-1的卷积窗ωc(2N-1)，合并采样序列S1和S2并舍去序列S1的第一个采样点x(1)，形成新的序列S，S＝{x(2),x(3)...x(2N)}，将序列S与ωc(2N-1)相乘后进行DFT计算，获得电压基波附近的全相位频谱Y(k)；
S3、利用双谱线法计算电压基波的频率、幅值和相角：找到全相位谱Y(k)中电压基波对应的谱线以及相邻的较大谱线，并利用双谱线法估算出主谱线与实际基波的频差δ，根据全相位DFT的性质，中心采样点的相角值即为主谱线的相角值，接着计算出中心采样点x(N+1)对应的相位θ0，再利用估算的频差δ和中心采样点相位θ0估算出微网侧电压基波实际频率fM、幅值AM和最后一个采样点的相角实时值θM；
S4、重复上述步骤S1、S2和S3，计算光储微网与配电网公共耦合点配电网侧电压基波的实际频率fG、幅值AG和最后一个采样点的相角实时值θG，比较两侧电压基波的实际频率、幅值和最后一个采样点的相角实时值，若满足并网要求则发送允许并网信号，实现光储微网的并网。
优选的，步骤S1中设定序列应满足的长度要求是指:若序列长度取得过长，采样需要的时间就要延长，会降低算法实时性要求，同时长序列进行全相位DFT计算的时间也较长，不利于实时性，因此为保证算法的实时性和序列的相关性，要设定一个合理的序列S1和S2最大允许的序列长度Nmax所述设定序列S1和S2序列应满足的长度要求是指设定一个最大允许的序列长度Nmax；所述相关性系数K的计算方法是
式中，<S1,S2>指序列S1和S2的内积，其计算公式为
<S1,S2>＝x(1)x(N+1)+…+x(N)x(2N)，
||S1||2||S2||2指序列S1和S2的2-范数，其计算公式为
相关系数阈值Kc是选择序列合适长度的依据，由相关系数K的计算公式可以看出，相关系数K的取值范围是(-1,1)。若K＝1，表示两段序列完全一样，即实现了周期采样；若K<1，则说明两端序列存在差异，K值越小说明差异越大，此时为非周期采样，会造成频谱泄漏；若K＝-1，则两端序列完全不一样，此时的频谱泄漏最为严重。
考虑到在光储微网中，谐波含量丰富，系统随机性强，很难做到周期采样，因此两端序列的相关性系数K几乎不可能为1，为保证两段序列的近似周期采样，减小频谱泄漏，设定相关系数阈值Kc，Kc接近但是小于1的数，具体值可根据精度要求设定。若两段序列的相关系数K大于Kc，则表示两端序列相似，即近似实现了周期采样，减少了因为非周期采样造成的频谱泄露误差。
步骤S2选取旁瓣较小的hanning窗作为全相位预处理的窗函数可有效地进一步抑制频谱泄露；中舍弃S1第一个采样点x(1)的原因是长度为N的hanning窗f(N)的自卷积窗ωc(n)＝f(n)*f(-n)，长度为2N-1，S1和S2的总长度为2N，则需舍去一个采样点与hanning自卷积窗相乘，同时为序列S1和S2的连贯性以及计算得到最后采样时刻的基波频率、幅值和相角，因此舍去第一个采样点，保留最后一个采样点。同时采用全相位DFT算法的优点是步骤S1获取的序列长度不固定，不是2的整次幂倍，不适用全相位FFT对序列进行处理，同时用全相位DFT仅需计算基波附近的谱线，提高了计算速度。
优选的，步骤S3中所述频差δ的具体估算步骤为：
由于全相位DFT算法选择的窗函数是hanning窗，结合双谱线法原理和hanning窗的频谱函数，在频谱中找到主谱线和较大的相邻谱线，根据两条谱线在频谱中的位置记两条谱线为Y(k-1)和Y(k)，根据全相位DFT的性质，Y(k-1)和Y(k)的幅值近似分别为
由上述两式求出频差δ，即
优选的，步骤S3中所述中心采样点的相位θ0的计算公式为
式中，Y(k)表示主谱线，k表示主谱线在频谱中的谱线号，Im(Y(k))是主谱线的虚部，Re(Y(k))是主谱线的实部。
优选的，步骤S3中所述微网侧电压基波的实际频率fm，幅值Am以及最后一个采样点的相角实时值θm的具体估算步骤为：
估算微网侧幅值Am的估计值，其估算公式为
估算微网侧电压基波实际频率基波频率ω*的估计值，即
ω*＝(k-δ)Δω，
式中，k是主谱线在频谱上对应的谱线号，Δω为频谱分辨率；
进而，微网侧电压基波的实际频率fm为
式中，fs是采样频率；Ts为采样周期；
所述微网侧的最后一个采样点对应的相位θm由中心采样点的相位θ0和计算得到的基波频率计算获得，即
θm＝θ0+2πf*(N-1)Ts。
自此获得了光储微网与配电网PCC点的微网侧电压基波的实际频率、幅值和最后一个采样点对应的相位的实时值。同样对PCC点配电网侧进行相同的操作，可获得PCC点配电网侧电压基波的实际频率、幅值和最后一个采样点对应的相位的实时值。获得两侧电压的实际频率、幅值和最后一个采样点对应的相位的实时值后即可进行同期并网的判定，若满足同期并网要求，即可完成光储微网的并网。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
S1、获取合适的序列长度：利用采样装置获取光储微网与配电网公共耦合点微网侧电压的两段相等长度的采样序列S1和S2，S1＝{x(1),x(2)...x(N)}，S2＝{x(N+1),x(N+2)...x(2N)}，设定采样序列S1和S2的最大长度为NmaxL，并初始化采样序列S1和S2的长度为N，计算两段序列的相关系数K，设定的相关系数阈值Kc并与K进行比较，若K≥KcK≥Kc，则确定此时的采样序列S1和S2为计算电压频率的采样序列，并将此时的序列长度记为N；若K＜Kc，则增加采样序列S1和S2的长度，令N＝N+1再比较K与Kc的大小，直到K≥Kc，若采样序列S1和S2长度大于最大长度L时，新序列仍未满足K≥Kc，则采样序列取序列的长度取Nmax；
S2、对全相位DFT处理序列：计算长度为N的hanning窗的自卷积，自卷积后形成长度为2N-1的卷积窗ωc(2N-1)，合并采样序列S1和S2并舍去序列S1的第一个采样点x(1)，形成新的序列S，S＝{x(2),x(3)...x(2N)}，将序列S与ωc(2N-1)相乘后进行DFT计算，获得电压基波附近的全相位频谱Y(k)；
S3、利用双谱线法计算电压基波的频率、幅值和相角：找到全相位谱Y(k)中电压基波对应的谱线以及相邻的较大谱线，并利用双谱线法估算出主谱线与实际基波的频差δ，根据全相位DFT的性质，中心采样点的相角值即为主谱线的相角值，接着计算出中心采样点x(N+1)对应的相位θ0，再利用估算的频差δ和中心采样点相位θ0估算出微网侧电压基波实际频率fM、幅值AM和最后一个采样点的相角实时值θM；
S4、重复上述步骤S1、S2和S3，计算光储微网与配电网公共耦合点配电网侧电压基波的实际频率fG、幅值AG和最后一个采样点的相角实时值θG，比较两侧电压基波的实际频率、幅值和最后一个采样点的相角实时值，若满足并网要求则发送允许并网信号，实现光储微网的并网。
2.根据权利要求1所述的基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，其特征在于：步骤S1中所述相关系数K的计算方法是
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式中，<S1,S2>指采样序列S1和S2内积，其计算公式为
<S1,S2>＝x(1)x(N+1)+…+x(N)x(2N)，
||S1||2、||S2||2指采样序列S1和S2的2-范数，其计算公式为
<mrow>
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3.根据权利要求1所述的基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，其特征在于，步骤S3中所述频差δ的具体估算步骤为：
在频谱中找到主谱线和较大的相邻谱线，根据两条谱线在频谱中的位置记两条谱线为Y(k-1)和Y(k)，根据全相位DFT的性质，Y(k-1)和Y(k)的幅值近似分别为
<mrow>
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由上述两式求出频差δ，即
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4.根据权利要求1所述的基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，其特征在于：步骤S3中所述中心采样点的相位θ0的计算公式为
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<mo>,</mo>
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式中，Y(k)表示主谱线，k表示主谱线在频谱中的谱线号,Im(Y(k))是主谱线的虚部，Re(Y(k))是主谱线的实部。
5.根据权利要求1，3或4中任一项所述的基于自适应序列全相位DFT的同期并网参数测量的方法，其特征在于，步骤S3中所述微网侧电压基波的实际频率fM，幅值AM以及最后一个采样点的相角实时值θM的具体估算步骤为：
估算微网侧幅值AM的估计值，其估算公式为
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</mrow>
估算微网侧电压基波实际频率基波频率ω*的估计值，即
ω*＝(k-δ)Δω，
式中，k是主谱线在频谱上对应的谱线号，Δω为频谱分辨率；
进而，微网侧电压基波的实际频率fM为
<mrow>
<msub>
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</msub>
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</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中，fs是采样频率，Ts为采样周期；
所述微网侧的最后一个采样点对应的相位θM由中心采样点的相位θ0和计算得到的基波频率计算获得，即
θm＝θ0+2πf*(N-1)Ts。
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