CN107706929A - 基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，将含有谐波的电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；所得到的两相静止坐标系下的电压分别通过最小方差滤波模块，从含有低次谐波的电压中提取出基波分量，输入到具有三个输出的自适应模块，自锁相环模块得到电压的频率，并得到电网电压基波的正、负序分量。本发明不仅可以在电网电压三相不平衡故障时准确、快速的检测出电网电压的幅值和相角，还可以在城市配网存在谐波情况下准确、快速检测出电网电压相角、频率以及由谐波产生正序分量的幅值，该锁相环具有快速性和准确性，能够满足光伏电站并网的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统。
背景技术
随着新能源的快速发展，光伏发电站的装机容量迅猛增加，光伏发电在电网中的比重越来越大，并网逆变器的稳定、可靠的运行成为电网安全运行的重要保障。电网同步技术能够检测电网电压的幅值、跟踪频率和相角的变化，这为实现逆变器低电压穿越提供所必需的相角信息和幅值信息。锁相(频)环按照相数通常分为单相锁相环和三相锁相环，按结构又可以分为开环锁相环和闭环锁相环。
过零检测锁相环是最简单的开环锁相环，但过零点检测在电网电压穿越零点时并不能很好的跟踪，当发生扰动时跟踪误差更大。
单同步坐标系软件锁相环，该锁相环具有低通滤波器的性质，实现简单，在电网电压三相平衡跌落的情况下能够快速准确的检测出电网电压的相位和频率，但在不平衡跌落的情况下，单相同步软件锁相环所检测到正序分量含有大量的2次谐波，影响电网电压的相角和频率的检测。
当电网电压发生不对称故障时，电网中会产生正负序分量，为了实现正负序分离获得锁相的准确度，双同步坐标系的解耦软件锁相环通过解耦分别对正序和负序分量检测，在电网发生三相不对称跌落的情况下能够准确检测出电网电压的相位和频率，但计算过程复杂，且锁相环中含有一阶滤波器，从一定程度上影响其动态性能。
提及基于二阶广义积分的锁相环，二阶广义积分可以实现对输入信号的90°相角偏移，从而完成不对称故障电压的正序和负序分离，同时还可以对输入信号的高次谐波进行滤除，该技术不仅在理想状态下准确快速锁相，在电网发生不对称跌落时也能准确锁相，且保证了锁相速度，但该技术对电网中存在的低次谐波的抑制作用不明显。一种基于交叉解耦频率自适应复数滤波器的锁相方法，该方法采用复数滤波器能够很好的实现不对称跌落的正负序分离，但当输入信号变化时，复数滤波器并不能很好的跟踪信号的变化，检测的快速性受到影响，静止坐标系下通过梯度下降法直接估测正负序分量的锁相环，通过构造五维参数相量直接估测正负序分量的幅值、相角、频率等信息。但需要两个周期才能锁相。
由上可见，锁相环的技术在新能源并网中起到关键的作用，但电网的运行具有复杂性和实时性，同时电网电压会受到扰动的影响；以上锁相环技术主要针对锁相快速性和准确性，但他们并不能够很好的抑制在配电网中大量存在的低次谐波，这些谐波同样会影响锁相环的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，具备快速性、准确性锁相同时能够抑制电网低次谐波影响的锁相环，解决现有技术中存在的不能够很好的抑制在配电网中大量存在的低次谐波，这些谐波同样会影响锁相环的性能，以及不平衡故障对锁相环的影响的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，包括：
S1、将含有谐波的电网电压通过三输入两输出坐标系转换模块由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；
S2、将步骤S1所得到的两相静止坐标系下的电压vα与vβ分别通过最小方差滤波模块，从含有低次谐波的电压中提取电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β；
S3、将步骤S2提取出的基波分量输入到自适应模块；
S4、自适应滤波器的其中一个输出分量εf输入到锁相环模块得到电压的频率，输出分量εf为滤波模块输入电压v与自适应模块输出电压v”的误差εv和qv”的乘积；自适应滤波器的输出电压v”和qv”送到正负序分离模块，计算得到电网电压基波的正、负序分量，其中，v”为自适应滤波器的输出结果，qv”是在v”的基础上再进行一次积分得到的结果。
进一步地，步骤S2中，将获得的α轴、β轴的电压vα与vβ分量分别输入两个最小方差滤波模块中，在该最小方差滤波模块中通过采样，连续采集若干个信号，然后通过矩阵计算，提取电网电压的α轴、β轴基波分量v‘α、v’β。
进一步地，通过矩阵计算，提取电网电压的α轴、β轴基波分量v‘α、v’β，具体为：
X＝A-1U，
其中，U为采样电压，A为计算矩阵，X为一组向量不仅仅指代基波分量，同时包含谐波分量其中第一项与第二项为基波分量的正余弦具体表达式为X＝[cos(ωΔt+θ1) sin(ωΔt+θ1) … sin(13ωΔt+θ1)]T。
进一步地，步骤S4中，将自适应滤波器其中一个输出为εf，εf为输入电压v与输出v”的误差εv和qv”的乘积，对其处理输出电网电压角频率ω，然后对其积分获得相角信号θ，将ω除以π/2得到电网电压的频率。
进一步地，步骤S4中，将提取出的电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β分别送入不同的自适应滤波器，自适应滤波器分别输出有两组相位相差90°的信号vα”与q vα”、vβ”与qvβ”，通过以下公式(1)计算出电网电压的正序分量：
其中，为正序分量的转换举证，q＝ejπ/2是滞后90°的移相算子，vαβ为自适应滤波器输出由[vα vβ]构成，即vα”、vβ”。
进一步地，步骤S1中由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ，其计算矩阵如下：
vαβ＝[Tαβ]vabc (2)
其中，vαβ为两相静止坐标的电压哟向量[vα vβ]组成，Tαβ为转换矩阵，vabc表示三相电网电压由向量[va vb vc]组成。
一种实现上述任一项方法的基于最小方差滤波的自适应锁相环系统，包括三输入两输出坐标系转换模块、最小方差滤波模块、自适应模块、正负序分离模块和锁相环模块，
三输入两输出坐标系转换模块：将含有谐波的电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；
最小方差滤波模块：将所得到的两相静止坐标系下的电压vα与vβ分别从含有低次谐波的电压中提取电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β，并将提取出的基波分量输入到自适应模块；
自适应滤波器：输出电压v”和qv”送到正负序分离模块，并将输出分量εf输入到锁相环模块，输出分量εf为滤波模块输入电压v与自适应模块输出电压v”的误差εv和qv”的乘积
正负序分离模块：由自适应模块的输出电压v”和qv”计算得到电网电压基波的正、负序分量；
锁相环模块：由自适应模块的输出分量εf得到电压的频率。
本发明的有益效果是：该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，不仅可以在电网电压三相不平衡故障时准确、快速的检测出电网电压的幅值和相角，还可以在城市配网存在谐波情况下准确、快速检测出电网电压相角、频率以及由谐波产生正序分量的幅值，具有快速性和准确性的特点，能够满足光伏电站并网的要求。本发明能够快速准确跟踪电网相角，及时反映电网频率的波动。该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，还能够抑制电网中低次谐波对电网基波幅值的影响，提高了电网基波正序分量幅值的准确性。该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，能够在电网发生故障时，对电网电压实现正负序分离。
附图说明
图1是本发明实施例基于最小方差滤波的自适应锁相环系统的控制框图。
图2是实施例中抑制低次谐波的锁相环自适应滤波模块的说明示意图。
图3是实施例中抑制低次谐波的锁相环模块的说明示意图。
图4是含有低次谐波三相电压的仿真波形示意图。
图5是实施例的锁相环输出相角的仿真波形示意图。
图6是实施例的锁相环输出正序分量的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例为了抑制配电网中电压中谐波及不平衡故障对锁相环的影响，将LES滤波器与自适应同步技术相结合，提出了可以抑制谐波的新型锁相环LES-SOGI-FLL(leasterror squares-second order)方法及系统。
实施例的基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，包括：
S1、将含有谐波的电网电压通过三输入两输出坐标系转换模块由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；
S2、将步骤S1所得到的两相静止坐标系下的电压vα与vβ分别通过最小方差滤波模块LES，从含有低次谐波的电压中提取电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β；
S3、将步骤S2提取出的基波分量输入到自适应模块ANF；
S4、自适应滤波器ANF的其中一个输出分量εf输入到锁相环模块FLL得到电压的频率，输出分量εf为滤波模块LES输入电压v与自适应模块ANF输出电压v”的误差εv和qv”的乘积；自适应模块ANF的输出电压v”和qv”送到正负序分离模块，计算得到电网电压基波的正、负序分量。
由于微电网或新能源发电系统中通常存在大量低次谐波，实施例通过PT采集三相电网相电压va、vb、vc，其中含有低次谐波的相电压可表示为
其中，ω为电网电压的角频率，θ1为基波分量的初相，n代表第n次谐波。
将采集到的三相电压va、vb、vc输入到Clark模块，电网电压通过Clark模块，将静止三相电网电压转换到两相静止坐标系中，其计算矩阵如下：
vαβ＝[Tαβ]vabc (2)
通过计算获得电网电压的α轴、β轴的电压分量vα、vβ；
将通过Clark模块获得的α轴、β轴的电压分量vα、vβ分别输入LES算法模块中；要想分离出逆变器并网点的基波分量就要对式(1)进行求解。为了获得逆变器并网点电压的相角信息，以电网电压的各次初始相角为未知量，则方程中含有10的未知量，这需要10个方程组成方程组求解，为了获得该方程组需要对输入的并网点电压信号进行连续的10次采样。在LES模块中对输入两相静止坐标系电压采样，采样频率为10kHz，将连续采集的10个信号进行矩阵计算，其用到的公式为X＝A-1U，其中U为采样电压(包含10个元素的相量)，A为计算矩阵。
假设从t1时刻开始取样，在t1时刻逆变器并网点的电压可表示为：
u(t1)＝a11x1+a12x2+…+a110x10 (4)
光伏并网逆变器并网点电压在t2(t2＝t1+t，其中，t为采样的时间间隔)时刻可由以下方程描述:
u(t2)＝a21x1+a22x2+…+a210x10 (5)
由此类推，并网点的电网电压在t10(t10＝t1+10t)时刻由如下方程表达：
u(t10)＝a101x1+a102x2+…+a1010x10 (6)
通过式(4)、(5)和(6)可得到如下方程组:
其中，
U＝[u(t1) u(t2) … u(t10)]T,
X＝[x1 x2 … x10]T,
即U＝AX，通过矩阵运算可以得到X＝A-1U,通过对矩阵X计算可以得到逆变器并网点电压各次谐波分量。其中，X为一组向量包含基波分量。
如果，电网电压采样的初始时刻确定，且采样时间间隔确定，那么由10组方程的系数组成的矩阵A就被唯一确定。
在采样时，采样初始时间可以设定为t1＝0，那么在采样时间间隔指定的情况下，后续的采样时刻也被唯一确定。基波分量Ub＝X[2]，通过计算提取电网电压的α轴、β轴基波分量vα、vβ；提取电网电压的α轴、β轴基波分量v’α、v’β；
将提取出的电网电压的α轴、β轴的基波分量v’α、v’β分别送入自适应滤波器，自适应滤波器的结构如图2所示，由图2中可以看出，ANF模块有两个积分器通过积分实现相位相差90°的信号如∫cos xdx＝sin x，在图中圆形代表加法器，方框中带有“×”代表乘法器，2ζ代表ANF的参数设置，含有∫为积分环节。每个自适应滤波器ANF输出有两个相位相差90°的信号，通过自适应滤波器可得到vα”与qvα”、vβ”与qvβ”，将这两对信号输入到正负序分离模块，在该模块下将这两对信号通过公式(9)计算出电网电压的正、负序分量。
如图3所示，将自适应滤波器输入电压v与输出v”的误差εv与qv”的乘积εf送入锁相环模块FLL，在锁相环模块FLL中，首先经过一个比例环节然后经过积分环节，锁相环模块FLL输出电网电压角频率ω，然后对其积分，采用不定积分，在数值分析上采用欧拉前向积分算法，获得相角信号θ，将ω除以π/2得到电网电压的频率。图3中，对输出的ω进行积分，如采用欧拉前向积分法等，在图中圆形代表加法器，方框中带有“×”代表乘法器，γ代表FLL的参数设置，含有∫为积分环节。
一种实现上述任一项方法的基于最小方差滤波的自适应锁相环系统，如图1，包括三输入两输出坐标系转换模块、最小方差滤波模块LES、自适应模块ANF、正负序分离模块和锁相环模块FLL，三输入两输出坐标系转换模块的两个输出后面分别连接用于提取基波分量的最小方差滤波模块LES，最小方差滤波模块LES得到的结果输入到有三个输出的自适应滤波器ANF，自适应滤波器ANF的两个输出接到正负序分离模块得到电网电压的正负序分量，自适应滤波器ANF的另一个输出信号通过叠加送入锁相环模块FLL得到电网电压的频率和相角值。
三输入两输出坐标系转换模块：将含有谐波的电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；
最小方差滤波模块LES：将所得到的两相静止坐标系下的电压vα与vβ分别从含有低次谐波的电压中提取电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β，并将提取出的基波分量输入到自适应模块ANF；
自适应滤波器ANF：输出电压v”和qv”送到正负序分离模块，并将输出分量εf输入到锁相环模块FLL，输出分量εf为滤波模块LES输入电压v与自适应模块ANF输出电压v”的误差εv和qv”的乘积
正负序分离模块：由自适应模块的输出电压v”和qv”计算得到电网电压基波的正、负序分量；
锁相环模块FLL：由自适应模块的输出分量εf得到电压的频率。
实施例的方法与系统，不仅可以在电网电压三相不平衡故障时准确、快速的检测出电网电压的幅值和相角，还可以在城市配网存在谐波情况下准确、快速检测出电网电压相角、频率以及由谐波产生正序分量的幅值，该锁相环具有快速性和准确性，能够满足光伏电站并网的要求。
实验验证
实验条件：在工频条件下，采用电压幅值为220V的三相电压，在0.1s时加入谐波，其中谐波含有幅值为40V的5次谐波、幅值为20V的7次谐波、幅值为30V的11次谐波以及幅值为10V的13次谐波，其波形如图4所示。
该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，输出的相角波形如图5所示，在0.1s时在三相电压中注入谐波，在0.1s后曲线有微小的波动，但相角曲线变化平滑，在半个周期内准确锁相，消除了谐波对相位锁定的影响，体现了该锁相环的快速性和准确性。
该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，输出的幅值波形如图6所示，在0.1s时在三相电压中注入低次谐波，在刚加入谐波时，电压幅值有少许跌落，但在半个周期内准确输出工频条件下的电压幅值，抑制了谐波对幅值检测的影响。
由以上实验可知，能够快速准确跟踪电网相角，及时反映电网频率的波动。该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，还能够抑制电网中低次谐波对电网基波幅值的影响，提高了电网基波正序分量幅值的准确性。该种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法及系统，能够在电网发生故障时，对电网电压实现正负序分离。
Claims (7)
1.一种基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，其特征在于，包括：
S1、将含有谐波的电网电压通过三输入两输出坐标系转换模块由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；
S2、将步骤S1所得到的两相静止坐标系下的电压vα与vβ分别通过最小方差滤波模块，从含有低次谐波的电压中提取电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β；
S3、将步骤S2提取出的基波分量输入到自适应模块；
S4、自适应滤波器的其中一个输出分量εf输入到锁相环模块得到电压的频率，输出分量εf为滤波模块输入电压v与自适应模块输出电压v”的误差εv和qv”的乘积；自适应滤波器的输出电压v”和qv”送到正负序分离模块，计算得到电网电压基波的正、负序分量，其中，v”为自适应滤波器的输出结果，qv”是在v”的基础上再进行一次积分得到的结果。
2.如权利要求1所述的基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，其特征在于：步骤S2中，将获得的α轴、β轴的电压vα与vβ分量分别输入两个最小方差滤波模块中，在该最小方差滤波模块中通过采样，连续采集若干个信号，然后通过矩阵计算，提取电网电压的α轴、β轴基波分量v‘α、v’β。
3.如权利要求2所述的基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，其特征在于：通过矩阵计算，提取电网电压的α轴、β轴基波分量v‘α、v’β，具体为：
X＝A-1U，
其中，U为采样电压，A为计算矩阵，X为一组向量不仅仅指代基波分量，同时包含谐波分量其中第一项与第二项为基波分量的正余弦具体表达式为X＝[cos(ωΔt+θ1) sin(ωΔt+θ1) … sin(13ωΔt+θ1)]T。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，其特征在于：步骤S4中，将自适应滤波器其中一个输出为εf，εf为输入电压v与输出v”的误差εv和qv”的乘积，对其处理输出电网电压角频率ω，然后对其积分获得相角信号θ，将ω除以π/2得到电网电压的频率。
5.如权利要求1-3任一项所述的基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，其特征在于：步骤S4中，将提取出的电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β分别送入不同的自适应滤波器，自适应滤波器分别输出有两组相位相差90°的信号vα”与q vα”、vβ”与qvβ”，通过以下公式(1)计算出电网电压的正序分量：
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</mrow>
其中，为正序分量的转换举证，q＝ejπ/2是滞后90°的移相算子，vαβ为自适应滤波器输出由[vαvβ]构成，即vα”、vβ”。
6.如权利要求1-3任一项所述的基于最小方差滤波的自适应锁相环方法，其特征在于：步骤S1中由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ，其计算矩阵如下：
vαβ＝[Tαβ]vabc (2)
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<mi>&beta;</mi>
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</mrow>
</mrow>
其中，vαβ为两相静止坐标的电压哟向量[vαvβ]组成，Tαβ为转换矩阵，vabc表示三相电网电压由向量[va vb vc]组成。
7.一种实现权利要求1-6任一项方法的基于最小方差滤波的自适应锁相环系统，其特征在于：包括三输入两输出坐标系转换模块、最小方差滤波模块、自适应模块、正负序分离模块和锁相环模块，
三输入两输出坐标系转换模块：将含有谐波的电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到电压vα与vβ；
最小方差滤波模块：将所得到的两相静止坐标系下的电压vα与vβ分别从含有低次谐波的电压中提取电网电压的α轴、β轴的基波分量v‘α、v’β，并将提取出的基波分量输入到自适应模块；
自适应滤波器：输出电压v”和qv”送到正负序分离模块，并将输出分量εf输入到锁相环模块，输出分量εf为滤波模块输入电压v与自适应模块输出电压v”的误差εv和qv”的乘积
正负序分离模块：由自适应模块的输出电压v”和qv”计算得到电网电压基波的正、负序分量；
锁相环模块：由自适应模块的输出分量εf得到电压的频率。
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