CN108761222A - 一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统及方法，主要包括电压检测模块、虚拟正交信号构造模块、正序分量构造模块、负序分量构造模块、零序分量构造模块和同步旋转坐标变换模块。将电网电压通过电压检测模块检测出的三相不平衡电压作为三个独立的单相电压，随后分别通过虚拟正交信号构造模块得到虚拟正交信号。然后，将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别代入正序、负序以及零序分量构造模块，即可得到不平衡电网电压的正、负和零序分量。本方法无需实时更新电网频率，即可迅速获取不平衡电网电压的序分量，且计算精度能够满足工程要求，是一种简单有效的实用算法，且具有良好的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于电气量检测技术领域，特别涉及一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统及方法。
背景技术
电网电压不平衡是一种常见的运行工况，会对并网逆变器系统的稳定运行造成较大的影响。快速准确地获取电网电压的序分量(即正序分量、负序分量、零序分量)是电网电压不对称条件下并网逆变器安全稳定运行的基本要求，也是实现高性能变流器控制的关键技术。现有的电网电压序分量检测技术主要可以分成三大类：锁相环检测法、状态空间估计法以及坐标变换检测法。基于锁相环的检测方法，如基于双同步坐标系的解耦软锁相环，可用于检测不平衡电压下的基波正负序分量，但是软锁相环动态过程复杂，导致其响应时间过长。状态空间估计法，在卡尔曼滤波的基础上对电网电压的幅值和相位进行估计，但是不能估计不平衡电网电压的零序分量。坐标变换检测法主要包括无时延的dq变换法和αβ变换检测法等。该类方法可以快速地检测出电网电压的序分量，但是虚拟正交电压信号的构造是此类方法的难点。目前常用的虚拟正交信号构造方法主要有延时1/4周期法以及一阶差分导数法。前者通过将采样到的电压信号延时1/4周期获得对应的虚拟正交信号，但动态响应时间仍然过长。一阶差分导数法克服了延时1/4周期方法在响应速度上的不足，如使用αβ变换检测法利用差分方程从已知电压获得虚拟正交电压，但差分导数法仅是对正交信号的近似拟合，采样周期ΔT越大则拟合误差也越大，采样周期ΔT减小则会放大噪声信号。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统和方法，使用三角变换的虚拟正交信号构造方法，可实现在低采样率系统中也能准确地逼近真实的实时正交信号。该方法去掉了常规检测算法中的闭环动态调节过程，因此无需繁琐而复杂的控制系统参数设计，具有更好的推广应用价值。
本发明所采用的技术方案如下：
一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统，包括电压检测模块、虚拟正交信号构造模块、分量构造模块、同步旋转坐标变换模块及幅值与相位计算模块；
所述的电压检测模块，用于检测出电网电压的三相不平衡电压作为三个独立的单相电压；
所述的虚拟正交信号构造模块，用于将三个独立的单相电压构造得到虚拟正交信号；
所述的分量构造模块，用于将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别进行正、负和零序分量构造计算得到不平衡电网电压的正、负和零序分量；
所述的同步旋转坐标变换模块，用于将检测到的电网电压正、负和零序分量信号进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号。
所述的幅值与相位计算模块，由两相旋转坐标系下的电压信号得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号，分别计算电网电压的实时幅值与相位。
所述的分量构造模块，具体用于将三个独立的单相电压α构造虚拟正交分量β，然后将对应的三组独立单相的电压α和其虚拟正交分量β进行单相锁相运算即可获得三组独立单相电压的幅值Ua、Ub、Uc和相位θa、θb、θc，进而构造出三相电网电压的相量表达式使用对称分量法对上述三相电网电压的相量表达式进行正、负以及零序变换以获取不平衡电网电压中正、负以及零序分量的相量表达式将上述对应序分量的相量表达式 分别进行单相逆锁相运算，所得结果中α分量就是不平衡电网电压对应序分量的时域表达式U+、U-、U0。
一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，包括以下步骤：
(1)通过三个电压传感器检测电网电压信号U，其中U＝[ua ub uc]T；
(2)将检测到的电网电压信号构造得到虚拟正交信号，即uaβ、ubβ、ucβ；其中，其中第k次采样时虚拟正交分量的计算公式为：
其中，ω＝2πf，ω为电网电压的同步角频率，f为电网的同步频率；ΔT为采样时间；u(k)为第k次采样时的电网电压。
(3)将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别进行正、负和零序分量构造计算得到不平衡电网电压的正、负和零序分量；
(4)将检测到的电网电压正、负和零序分量信号进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号，即
(5)假设相位在0～2π之间，但是根据得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号所得的相位可能不在这个区间内，加入判断条件相位使得求出的相位在0～2π之间，判断条件如下：
(6)根据步骤(4)、(5)得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号、结合幅值、相位公式计算电网电压的实时幅值与相位。
步骤(3)中的，序分量构造计算具体步骤为：
将三个独立的单相电压α构造虚拟正交分量β，然后将对应的三组独立单相的电压α和其虚拟正交分量β进行单相锁相运算即可获得三组独立单相电压的幅值Ua、Ub、Uc和相位θa、θb、θc，进而构造出三相电网电压的相量表达式 使用对称分量法对上述三相电网电压的相量表达式进行正、负以及零序变换以获取不平衡电网电压中正、负以及零序分量的相量表达式 将上述对应序分量的相量表达式分别进行单相逆锁相运算，所得结果中α分量就是不平衡电网电压对应序分量的时域表达式U+、U-、U0。
步骤(3)的中，正、负和零序分量构造公式如下：
正序分量构造公式为：
其中：U+为电网电压正序分量，和是正序分量构造公式变换矩阵；
负序分量构造公式为：
其中：U-为电网电压负序分量，和是负序分量构造公式变换矩阵；
零序分量构造公式为：
其中：U0为电网电压零序分量，和是零序分量构造公式变换矩阵；
步骤(4)中，同步旋转变换矩阵分别为其中：
步骤(6)中的，幅值计算公式为：
相位计算公式为：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的系统主要包括电压检测模块、虚拟正交信号构造模块、正序分量构造模块、负序分量构造模块、零序分量构造模块和同步旋转坐标变换模块。将电网电压通过电压检测模块检测出的三相不平衡电压作为三个独立的单相电压，随后分别通过虚拟正交信号构造模块得到虚拟正交信号。然后，将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别代入正序、负序以及零序分量构造模块，即可得到不平衡电网电压的正、负和零序分量。该算法只需要电网电压及其虚拟正交信号，即可直接计算不平衡电网电压的序分量，无需闭环检测方法中的参数调试过程。
本发明的方法将电网电压通过电压检测模块检测出的三相不平衡电压作为三个独立的单相电压，随后分别通过虚拟正交信号构造模块得到虚拟正交信号。然后，将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别代入正序、负序以及零序分量构造模块，即可得到不平衡电网电压的正、负和零序分量。本发明在同步旋转坐标系下提出了不平衡电网电压序分量的快速开环捕获方法，该方法只需要不平衡电网电压及其虚拟正交信号，即可直接计算电网电压序分量的时域表达式，同时也可获得电压序分量的幅值和同步相位，无需闭环检测方法中的参数调试过程。当电网频率在国家标准允许的限值内波动时，该方法无需实时更新电网频率，即可迅速获取不平衡电网电压的序分量，且计算精度能够满足工程要求，是一种简单有效的实用算法。通过搭建电网同步相位快速开环检测方法的仿真模型，对这种相位检测方法进行仿真验证，仿真结果也同时证实了该方案的正确性和有效性。通过上述技术方案，当电网频率在国家标准允许的限值内波动时，本方法无需实时更新电网频率，即可迅速获取不平衡电网电压的序分量，且计算精度能够满足工程要求，是一种简单有效的实用算法，且具有良好的应用价值。
附图说明：
图1本发明的电网电压序分量快速提取方法流程图；
图2本发明幅值和相位发生突变前后的三相电压波形；
图3本发明幅值和相位发生突变前后的正序分量获取；
图4本发明幅值和相位发生突变前后的负序分量获取；
图5本发明幅值和相位发生突变前后的零序分量获取；
图6本发明幅值和相位发生突变前后使用同步频率和实际频率获取正序分量的同步相位对比图；
图7本发明的电网电压序分量快速提取方法原理图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
图1为本发明的一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统，其中w＝a、b、c，包括电压检测模块、虚拟正交信号构造模块、分量构造模块、同步旋转坐标变换模块及幅值与相位计算模块；电压检测模块，用于检测出电网电压的三相不平衡电压作为三个独立的单相电压；虚拟正交信号构造模块，用于将三个独立的单相电压构造得到虚拟正交信号；分量构造模块，用于将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别进行正、负和零序序分量构造计算得到不平衡电网电压的正、负和零序分量；同步旋转坐标变换模块，用于将检测到的电网电压正、负和零序分量信号进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号。将电网电压通过电压检测模块检测出的三相不平衡电压作为三个独立的单相电压，随后分别通过虚拟正交信号构造模块得到虚拟正交信号。然后，将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别代入正序、负序以及零序分量构造模块，即可得到不平衡电网电压的正、负和零序分量。该算法只需要电网电压及其虚拟正交信号，即可直接计算不平衡电网电压的序分量，无需闭环检测方法中的参数调试过程。
当电网频率在国家标准允许的限值内波动时，本方法无需实时更新电网频率，即可迅速获取不平衡电网电压的序分量，且计算精度能够满足工程要求，是一种简单有效的实用算法，且具有良好的应用价值。
本发明一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，具体包括：
(1)通过3个电压传感器检测电网电压信号U，其中U＝[ua ub uc]T。
(2)将检测到的电网电压信号通过虚拟正交信号构造模块，得到虚拟正交信号信号，即uaβ、ubβ、ucβ；其中，其中第k次采样时虚拟正交分量的计算公式为：
其中，ω＝2πf，ω为电网电压的同步角频率；f为我国电网的同步频率50Hz(北美国家为60Hz)；ΔT为系统采样周期；u(k)为第k次采样时的电网电压。
(3)将三组电网电压信号及其虚拟正交信号带入正序分量构造模块，且正序分量构造公式为：
其中：U+为电网电压正序分量，和是正序分量构造公式变换矩阵；
(4)将三组电网电压信号及其虚拟正交信号带入负序分量模块，且负序分量构造公式为：
其中：U-为电网电压负序分量，和是负序分量构造公式变换矩阵；
(5)将三组电网电压信号及其虚拟正交信号带入零序分量模块，且零序分量构造公式为：
其中：U0为电网电压零序分量，和是零序分量构造公式变换矩阵；
(6)将检测到的电网电压正、负和零序分量信号通过同步旋转坐标变换模块进行同步旋转坐标变换，且同步旋转变换矩阵分别为 得到两相旋转坐标系下的电压信号，即
其中：为正、负和零序的d轴电压分量， 为正、负和零序的q轴电压分量，
(7)假设相位在0～2π之间，但是根据步骤(6)得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号所得的相位可能不在这个区间内，加入判断条件相位 使得求出的相位在0～2π之间，判断条件如下：
(8)根据步骤(6)、(7)得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号、结合幅值、相位公式计算电网电压的实时幅值与相位；
其中，幅值计算公式为：
相位计算公式为：
图2为三相电网电压波形，电压的幅值和相位分别为220V和π/4,0.25s时突变为不平衡电压，正序分量的幅值和相位分别为210V和π/2，同时加入负序分量和零序分量。
图3为不平衡三相电网电压正序分量波形，电压的幅值和相位分别为220V和π/4,0.25s时突变为不平衡电压，正序分量的幅值和相位分别为210V和π/2，同时加入负序分量和零序分量。
图4为不平衡三相电网电压负序分量波形，电压的幅值和相位分别为220V和π/4,0.25s时突变为不平衡电压，正序分量的幅值和相位分别为210V和π/2，同时加入负序分量和零序分量。
图5为不平衡三相电网电压零序分量波形，电压的幅值和相位分别为220V和π/4,0.25s时突变为不平衡电压，正序分量的幅值和相位分别为210V和π/2，同时加入负序分量和零序分量。
图6为本发明幅值和相位发生突变后使用同步频率和实际频率获取正序分量的同步相位对比图，电压的幅值和相位分别为220V和π/4,0.25s时突变为不平衡电压，正序分量的幅值和相位分别为210V和π/2，同时加入负序分量和零序分量。同步频率为固定的50Hz。
首先，将不平衡电网的三相电压U作为三个独立的单相电压，如图7的区域1所示。然后，将上述三个独立的单相电压α构造虚拟正交分量β，然后将对应的三组独立单相的电压α和其虚拟正交分量β进行单相锁相运算即可获得三组独立单相电压的幅值Ua、Ub、Uc和相位θa、θb、θc，进而构造出三相电网电压的相量表达式使用对称分量法对上述三相电网电压的相量表达式进行正、负以及零序变换以获取不平衡电网电压中正、负以及零序分量的相量表达式如图7的区域2所示。随后，将上述对应序分量的相量表达式分别进行单相逆锁相运算，所得结果中α分量就是不平衡电网电压对应序分量的时域表达式U+、U-、U0，如图7的区域3所示。最后，综合以上步骤推导出可以直接获取序分量的计算公式，该算法只需要电网电压α及其虚拟正交分量β，即可直接计算不平衡电网电压的序分量，如图7的区域4所示。
以上内容是结合具体的案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (7)
1.一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统，其特征在于，包括电压检测模块、虚拟正交信号构造模块、序分量构造模块、同步旋转坐标变换模块及幅值与相位计算模块；
所述的电压检测模块，用于检测出电网电压的三相不平衡电压，并将三相不平衡电压作为三个独立的单相电压；
所述的虚拟正交信号构造模块，用于将三个独立的单相电压构造得到虚拟正交信号；
所述的序分量构造模块，用于将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别进行正、负和零序分量构造计算得到不平衡电网电压的正、负和零序分量；
所述的同步旋转坐标变换模块，用于将检测到的电网电压正、负和零序分量信号进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号；
所述的幅值与相位计算模块，由两相旋转坐标系下的电压信号得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号，分别计算电网电压的实时幅值与相位。
2.根据权利要求1所述的不平衡工况下的电网电压序分量快速提取系统，其特征在于，所述的分量构造模块，具体用于将三个独立的单相电压α构造虚拟正交分量β，然后将对应的三组独立单相的电压α和其虚拟正交分量β进行单相锁相运算即可获得三组独立单相电压的幅值Ua、Ub、Uc和相位θa、θb、θc，进而构造出三相电网电压的相量表达式使用对称分量法对上述三相电网电压的相量表达式进行正、负以及零序变换以获取不平衡电网电压中正、负以及零序分量的相量表达式将上述对应序分量的相量表达式分别进行单相逆锁相运算，所得结果中α分量就是不平衡电网电压对应序分量的时域表达式U+、U-、U0。
3.一种不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过三个电压传感器检测电网电压信号U，其中U＝[ua ub uc]T；
(2)将检测到的电网电压信号构造得到虚拟正交信号，即uaβ、ubβ、ucβ；其中，其中第k次采样时虚拟正交分量的计算公式为：
其中，ω＝2πf，ω为电网电压的同步角频率，f为电网的同步频率；ΔT为采样时间；u(k)为第k次采样时的电网电压；
(3)将三组电网电压信号和虚拟正交信号分别进行正、负和零序序分量构造计算得到不平衡电网电压的正、负和零序分量；
(4)将检测到的电网电压正、负和零序分量信号进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号，即
(5)针对根据得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号，加入判断条件相位s＝+，-,0，使得求出的相位在0～2π之间，判断条件如下：
(6)根据步骤(4)、(5)得到两相旋转坐标系下的序分量电压信号、结合幅值、相位公式计算电网电压的实时幅值与相位。
4.根据权利要求3所述的不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，其特征在于，步骤(3)中的，序分量构造计算具体步骤为：
将三个独立的单相电压α构造虚拟正交分量β，然后将对应的三组独立单相的电压α和其虚拟正交分量β进行单相锁相运算即可获得三组独立单相电压的幅值Ua、Ub、Uc和相位θa、θb、θc，进而构造出三相电网电压的相量表达式 使用对称分量法对上述三相电网电压的相量表达式进行正、负以及零序变换以获取不平衡电网电压中正、负以及零序分量的相量表达式 将上述对应序分量的相量表达式分别进行单相逆锁相运算，所得结果中α分量就是不平衡电网电压对应序分量的时域表达式U+、U-、U0。
5.根据权利要求3或4所述的不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，其特征在于，步骤(3)的中，正、负和零序分量构造公式如下：
正序分量构造公式为：
其中：U+为电网电压正序分量，和是正序分量构造公式变换矩阵；
负序分量构造公式为：
其中：U-为电网电压负序分量，和是负序分量构造公式变换矩阵；
零序分量构造公式为：
其中：U0为电网电压零序分量，和是零序分量构造公式变换矩阵；
6.根据权利要求3所述的不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，其特征在于，步骤(4)中，同步旋转变换矩阵分别为其中：
7.根据权利要求3所述的不平衡工况下的电网电压序分量快速提取方法，其特征在于，步骤(6)中的，幅值计算公式为：
相位计算公式为：
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