CN107703358B - 一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法 - Google Patents

一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法 Download PDF

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    • H02J3/40—Synchronising a generator for connection to a network or to another generator

Abstract

本发明公开了一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，将并网电压瞬时值Ua，Ub，Uc经过坐标变换得到Uα和Uβ；将Uα和Uβ分别经过具有STKF的改进DSOGI得到U'α、qU'α和U'β、qU'β；将这两组信号进行运算后得到电压的正序基波分量；将电压的正序基波分量经过同步坐标系锁相算法得到并网电压正序基波分量的相位。本发明通过增加消除电压直流分量通道来实现对畸变、不平衡且含有不对称直流分量电压进行准确快速锁相的目的。在消除电压直流分量时为了满足动态性要求，设计了一种强跟踪卡尔曼滤波器(Strong Tracking Kalman Filter)来完成从大量谐波电压中提取直流分量的工作。

Description

一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法。
背景技术
近年来随着日益凸显的能源危机和化石能源引起的环境问题，清洁的可再生能源得到了广泛的研究和应用。这些可再生能源通常经由并网变流器接入电网，因此与电网的同步问题就显得尤为重要。锁相算法是并网变流器实现同步控制的重要环节，目前广泛使用基于同步坐标系的软件锁相算法。并网变流器与电网电压同步过程中，要求能够准确快速地检测出正序基波电压分量的相位。但是并网变流器大量接入电网会使电网呈现弱电网特性，从而使并网电压较易发生畸变和不平衡。另外电网的暂态故障以及检测系统误差都会使电压含有不对称直流分量。这些都会使同步坐标系锁相算法不能准确检测正序基波电压分量的相位。
目前使用的基于二阶广义积分器(Double Second-Order GeneralizedIntegrator,DSOGI)的锁相算法包含DSOGI和同步坐标系锁相算法两部分。DSOGI主要用于从畸变不平衡的电压中提取正序基波电压分量，然后应用同步坐系锁相算法完成锁相。虽然DSOGI锁相算法适用于电压发生畸变且不平衡的状态，但是当电压含有不对称直流分量时，DSOGI锁相算法从机理上无法消除其对相位检测结果的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，该方法可以在电压畸变、不平衡且含有不对称直流分量条件下准确检测正序基波分量的相位。
本发明所采用的技术方案是，一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将并网电压瞬时值Ua，Ub，Uc经过坐标变换得到Uα和Uβ；将Uα和Uβ分别经过具有STKF的改进DSOGI得到两组正交信号U'α、qU'α和U'β、qU'β；将这两组信号进行运算后得到电压的正序基波分量；
步骤2，将电压的正序基波分量经过同步坐标系锁相算法得到并网电压正序基波分量的相位。
本发明的特点还在于，
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，畸变、不平衡且含有不对称直流分量的电压瞬时值为：
式中：Un +为n次正序电压的幅值；Un －为n次负序电压的幅值；θn +为n次正序电压的初始相角；θn －为n次负序电压的初始相角；n为谐波次数；t为时间；上标﹢表示正序，上标﹣表示负序；ω为电压基波的角频率；da、db、dc分别为三相电压所含的不对称直流偏置；
步骤1.2，将电压瞬时值变换到两相静止坐标系上，变换后的电压为：
式中：
步骤1.3，将电压Uα和Uβ经过增益为2ξ，滤波频率ω0等于电压基波ω的传统DSOGI，分别得到U'α、U"α、U'β、U"β，
步骤1.4，对传统DSOGI进行改进，将Uα和Uβ分别在传统DSOGI计算过程中经过增益2ξ的数值提取出来为：
步骤1.5，设计STKF提取ΔU'α和ΔU'β中的直流分量2ξdα和2ξdβ；
步骤1.6，用U"α和U"β减去STKF的提取结果得到改进DSOGI的另两个输出结果qU'α和qU'β：
步骤1.7，将改进DSOGI的输出U'α、qU'α、U'β、qU'β进行计算得到电压正序基波分量值U+ α和U+ β：
步骤1.5中设计STKF的方法具体按照以下步骤实施：
步骤1.5.1，令被STKF滤波的信号为z(k)，待提取的信号为x(k)，剩余的噪声信号为w(k)，这些变量满足如下关系：
步骤1.5.2，由x在k-1时刻的值x(k-1)预测时刻的预测值为x(k|k-1)；P(k)为x(k)与预测值x(k|k-1)的预测协方差，其在k时刻的预测值P(k|k-1)由k-1时刻的值P(k-1)预测得到；x和P的预测值计算公式：
式中λ(k)为渐消因子，用于提高对输入信号突变的响应，其计算公式为：
式中，R(k)为信号中叠加的噪声信号w(k)的方差；
ρ为遗忘因子，一般取0.95；
另外x(0)＝0，P(0)＝1；
步骤1.5.3，应用k时刻x和P的预测值计算其在k时刻的值，计算公式如下所示；随着时间增加，x的值基本稳定，P趋于0，则此时的x值就是待提取的值；
式中的滤波增益K(k)＝P(k|k-1)(P(k|k-1)+R(k))。
步骤1.5.1中所述的被STKF滤波的信号ΔU'α和ΔU'β中分别包含待提取的直流分量2ξdα和2ξdβ以及剩余的噪声信号w(k)。
步骤1.5.1中所述的待提取的信号x(k)为直流量。
本发明的有益效果是通过在传统DSOGI的结构中增加消除电压直流分量的通道，使得改进DSOGI可以从畸变、不平衡且含有不对成直流分量的电压中得到正序基波电压分量，从而使改进DSOGI锁相算法适用于电压畸变、不平衡且含有不对成直流分量的条件，其中在消除直流分量的环节中，为了满足动态性要求，设计了一种强跟踪卡尔曼滤波器(Strong Tracking Kalman Filter，STKF)来完成从大量谐波电压中提取直流分量的工作。STKF从谐波电压中提取直流分量。
附图说明
图1是本发明中改进DSOGI锁相算法的原理框图；
图2是传统DSOGI中闭环传递函数为D(s)的波特图；
图3是传统DSOGI中闭环传递函数为Q(s)的波特图；
图4是本发明中改进DSOGI的原理框图；
图5是畸变、不平衡且含有不对称直流电压分量的电网电压波形；
图6是本发明中设计的STKF的输入输出波形；
图7是本发明中改进DSOGI输出的两个正交信号波形；
图8是本发明中改进DSOGI锁相算法检测A相基波电压相位的波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明为一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，工作原理如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将并网电压瞬时值Ua，Ub，Uc经过坐标变换得到Uα和Uβ。将Uα和Uβ分别经过具有STKF的改进DSOGI得到两组正交信号U'α、qU'α和U'β、qU'β。将这两组信号进行运算后得到电压的正序基波分量；
步骤2，将电压的正序基波分量经过同步坐标系锁相算法得到并网电压正序基波分量的相位。
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，畸变、不平衡且含有不对称直流分量的电压瞬时值为：
式中：Un +为n次正序电压的幅值；Un －为n次负序电压的幅值；θn +为n次正序电压的初始相角；θn －为n次负序电压的初始相角；n为谐波次数；t为时间；上标﹢表示正序，上标﹣表示负序；ω为电压基波的角频率；da、db、dc分别为三相电压所含的不对称直流偏置；
步骤1.2，将电压瞬时值变换到两相静止坐标系上，变换后的电压为：
式中：
步骤1.3，将电压Uα和Uβ经过增益为2ξ，滤波频率ω0等于电压基波ω的传统DSOGI，分别得到U'α、U"α、U'β、U"β。传统DSOGI将输入信号分别经过闭环传递函数为D(s)和Q(s)两个通道，其波特图如图2和3所示；D(s)呈现带通滤波特性，Q(s)呈现低通滤波特性；
步骤1.4，对传统DSOGI进行改进，如图4所示，将Uα和Uβ分别在传统DSOGI计算过程中经过增益2ξ的数值提取出来为：
步骤1.5，由于普通数字低通滤波器的动态性不满足此处对于动态性的要求，因此设计STKF提取ΔU'α和ΔU'β中的直流分量2ξdα和2ξdβ；
在本发明提出的改进DSOGI中，针对动态响应快的要求设计专用于直流分量提取的STKF，其设计按以下步骤实施：
步骤1.5.1，由于被STKF滤波的信号ΔU'α和ΔU'β中分别包含待提取的直流分量2ξdα和2ξdβ以及剩余的噪声信号w(k)，因此令被STKF滤波的信号为z(k)，待提取的信号为x(k)，剩余的噪声信号为w(k)，待提取的信号x(k)为直流量，这些变量满足如下关系：
步骤1.5.2，由x在k-1时刻的值x(k-1)预测时刻的预测值为x(k|k-1)；P(k)为x(k)与预测值x(k|k-1)的预测协方差，其在k时刻的预测值P(k|k-1)由k-1时刻的值P(k-1)预测得到；x和P的预测值计算公式：
式中λ(k)为渐消因子，用于提高对输入信号突变的响应，其计算公式为：
式中，R(k)为信号中叠加的噪声信号w(k)的方差；
ρ为遗忘因子，一般取0.95；
另外x(0)＝0，P(0)＝1；
步骤1.5.3，应用k时刻x和P的预测值计算其在k时刻的值，计算公式如下所示；随着时间增加，x的值基本稳定，P趋于0，则此时的x值就是待提取的值；
式中的滤波增益K(k)＝P(k|k-1)(P(k|k-1)+R(k))；
步骤1.6，用U"α和U"β减去STKF的提取结果得到改进DSOGI的另两个输出结果qU'α和qU'β：
步骤1.7，将改进DSOGI的输出U'α、qU'α、U'β、qU'β进行计算得到电压正序基波分量值U+ α和U+ β：
为了验证改进DSOGI锁相算法的有效性，在Matlab/Simulink中进行仿真。电网电压的基波频率为50Hz，正序分量的有效值为60V，同时包含标幺值为0.2的负序基波电压分量，标幺值为0.3的正序3次谐波电压分量，另外A相电压还包含20V的直流分量。图5为电网电压波形。图6为STKF从电压ΔU'α中提取直流分量的仿真波形，可以看出STKF可以快速将20V直流分量准确地提取出来。图7是改进DSOGI输出的两个正交信号波形，其中qU'的直流量已被去除。图8为应用本发明所设计的改进DSOGI锁相算法检测A相正序基波电压相位的波形。结果显示改进DSOGI锁相算法在电压畸变、不平衡且含有不对称直流分量条件下可以准确进行相位检测。
本发明的优点是通过在传统DSOGI的结构中增加消除电压直流分量的通道，使得改进DSOGI可以从畸变、不平衡且含有不对成直流分量的电压中得到正序基波电压分量，从而使改进DSOGI锁相算法适用于电压畸变、不平衡且含有不对成直流分量的条件，其中在消除直流分量的环节中，为了满足动态性要求，设计STKF从谐波电压中提取直流分量。

Claims (3)

1.一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将并网电压瞬时值Ua，Ub，Uc经过坐标变换得到Uα和Uβ；将Uα和Uβ分别经过具有STKF的改进DSOGI得到两组正交信号U'α、qU'α和U'β、qU'β；将这两组信号进行运算后得到电压的正序基波分量；
步骤2，将电压的正序基波分量经过同步坐标系锁相算法得到并网电压正序基波分量的相位；
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，畸变、不平衡且含有不对称直流分量的电压瞬时值为：
式中：Un +为n次正序电压的幅值；Un －为n次负序电压的幅值；θn +为n次正序电压的初始相角；θn －为n次负序电压的初始相角；n为谐波次数；t为时间；上标﹢表示正序，上标﹣表示负序；ω为电压基波的角频率；da、db、dc分别为三相电压所含的不对称直流偏置；
步骤1.2，将电压瞬时值变换到两相静止坐标系上，变换后的电压为：
式中：
步骤1.3，将电压Uα和Uβ经过增益为2ξ，滤波频率ω0等于电压基波ω的传统DSOGI，分别得到U'α、U"α、U'β、U"β，
步骤1.4，对传统DSOGI进行改进，将Uα和Uβ分别在传统DSOGI计算过程中经过增益2ξ的数值提取出来为：
步骤1.5，设计STKF提取ΔU'α和ΔU'β中的直流分量2ξdα和2ξdβ；
步骤1.6，用U"α和U"β减去STKF的提取结果得到改进DSOGI的另两个输出结果qU'α和qU'β：
步骤1.7，将改进DSOGI的输出U'α、qU'α、U'β、qU'β进行计算得到电压正序基波分量值U+ α和U+ β：
步骤1.5中设计STKF的方法具体按照以下步骤实施：
步骤1.5.1，令被STKF滤波的信号为z(k)，待提取的信号为x(k)，剩余的噪声信号为w(k)，这些变量满足如下关系：
步骤1.5.2，由x在k-1时刻的值x(k-1)预测时刻的预测值为x(k|k-1)；P(k)为x(k)与预测值x(k|k-1)的预测协方差，其在k时刻的预测值P(k|k-1)由k-1时刻的值P(k-1)预测得到；x和P的预测值计算公式：
式中λ(k)为渐消因子，用于提高对输入信号突变的响应，其计算公式为：
式中，R(k)为信号中叠加的噪声信号w(k)的方差；
ρ为遗忘因子，一般取0.95；
另外x(0)＝0，P(0)＝1；
步骤1.5.3，应用k时刻x和P的预测值计算其在k时刻的值，计算公式如下所示；随着时间增加，x的值基本稳定，P趋于0，则此时的x值就是待提取的值；
式中的滤波增益K(k)＝P(k|k-1)(P(k|k-1)+R(k))。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，其特征在于，步骤1.5.1中所述的被STKF滤波的信号ΔU'α和ΔU'β中分别包含待提取的直流分量2ξdα和2ξdβ以及剩余的噪声信号w(k)。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进二阶广义积分器的锁相算法，其特征在于，步骤1.5.1中所述的待提取的信号x(k)为直流量。
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