CN109358228B - 基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法 - Google Patents

基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法涉及一种测量电变量的方法，目的是为了克服三相电网电压存在不平衡、谐波和输入直流偏移时电网电压正负序分量无法准确在线估计的问题，本发明的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，包括在任一估计周期内采集三相电网电压，经过三相‑两相静止坐标系变换，获得滤波后的两相正交电网电压，分别输入一号一号增强型锁相环和二号增强型锁相环输入信号得到当前估计周期中的电网电压正、负序分量。本发明能够实现非理想电网条件下电网电压正、负序分量的瞬时值、频率、相角和幅值的在线准确估计。

Description

基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法
技术领域
本发明涉及一种测量电变量的方法，具体涉及一种利用锁相环实时估计电网电压的正序分量和负序分量的方法。
背景技术
目前的三相公共电网因受到所接入的日益增多的非线性负载的影响，存在较大的电网谐波、负序分量以及直流偏移等问题。上述非理想电网条件为电网同步信息，包括正负序分量瞬时值、正负序频率、相角和幅值的准确在线实时估计带来较大难度。
为实现非理想电网条件下电网同步信息的准确检测，现有方案中，具有代表性的是基于双旋转坐标系下的锁相环结构结合滤波器来同时解决输入谐波和不平衡的影响的方案。该方案采用两个基于同步旋转坐标系的锁相环对正序分量和负序分量进行分别在线估计，从而消除负序分量在所估计的正序分量同步信息中产生周期波动的问题。进一步通过加入滤波器来消除谐波的影响。然而，基于双同步旋转坐标系的方案需要进行大量的三角函数运算，造成计算过于复杂，为数字处理器带来较大运算负担，不利于系统实现，限制了其实际应用。
另外，输入直流偏移会在所估计的电网同步信息中产生基波频率的周期波动，如果直接使用低通滤波器滤除，会严重恶化系统的动态响应性能。虽然有些方案中使用额外的积分器来对输入直流偏移进行在线估计，进而使用估计结果对输入直流偏移进行抵消。然而额外加入的直流偏移积分器会改变锁相环闭环系统结构，造成闭环控制参数设计困难，也间接降低了系统的动态性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服三相电网电压存在不平衡、谐波和输入直流偏移时电网电压正负序分量无法准确在线估计的问题，提供了一种基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法。
本发明的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，包括在任一估计周期内依次执行的下列步骤：
步骤一、在当前估计周期的起始，采集三相电网电压ua、ub和uc，将ua、ub和uc相加求和后除以3，获得电网零序电压u0，再将ua、ub和uc分别减去u0，获得消除电网零序电压的三相电网电压ua1、ub1和uc1；
步骤二、将ua1、ub1和uc1经过三相-两相静止坐标系变换，获得两相静止坐标系下的两相正交电网电压uα和uβ；将uα输入一号二阶带通滤波器、uβ输入二号二阶带通滤波器，分别获得滤波后的两相正交电网电压
Figure BDA0001860709960000021
和
Figure BDA0001860709960000022
步骤三、将
Figure BDA0001860709960000023
和
Figure BDA0001860709960000024
分别减去上一估计周期中的电网电压负序分量的瞬时估计值yα -和yβ -得到一对差值，并将该对差值作为一号增强型锁相环的输入信号，利用一号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压正序分量；
将
Figure BDA0001860709960000025
和
Figure BDA0001860709960000026
分别减去上一估计周期中的电网电压正序分量的瞬时估计值yα +和yβ +得到一对差值，并将该组差值作为二号增强型锁相环的输入信号，利用二号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压负序分量。
本发明的有益效果是：
(1)同时实现输入谐波、直流偏移的滤除以及电网电压正、负序分量的分离，从而实现非理想电网条件下电网电压正、负序分量的瞬时值、频率、相角和幅值的在线准确估计；
(2)使用两相静止坐标系下的增强型锁相环用于电网电压正、负序分量的在线估计，计算量显著降低；
(3)使用二阶带通滤波器实现对输入直流偏移和谐波的滤除，没有改变增强型锁相环的原有结构，现有标准增强型锁相环的控制参数的设计方法仍然可以应用，有利于简化系统参数设计，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一
本发明的核心思想是利用二阶带通滤波器消除电网电压中的输入直流偏移和谐波，再利用两个两相静止坐标系下的增强型锁相环分别对电网电压正、负分量进行在线估计，从而实现非理想电网条件下电网电压正、负序分量的同步信息，包括正、负序分量的瞬时值、频率、相角和幅值的准确在线估计。
在本发明中将低通滤波器插入到两相静止坐标系下的增强型锁相环的频率估计环和幅值估计环，其目的是滤除因二阶带通滤波器的非理想滤波特性而造成的谐波残余。
本发明的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，包括在任一估计周期内依次执行的下列步骤：
步骤一、在当前估计周期的起始，采集三相电网电压ua、ub和uc，将ua、ub和uc相加求和后除以3，获得电网零序电压u0，再将ua、ub和uc分别减去u0，获得消除电网零序电压的三相电网电压ua1、ub1和uc1；
利用下式计算三相电网电压的零序分量
Figure BDA0001860709960000031
进而三相电网电压减去上式中获得的零序分量，获得消除电网零序分量的三相电网电压为
Figure BDA0001860709960000032
步骤二、将ua1、ub1和uc1经过三相-两相静止坐标系变换，获得两相静止坐标系下的两相正交电网电压uα和uβ；将uα输入一号二阶带通滤波器、uβ输入二号二阶带通滤波器，分别获得滤波后的两相正交电网电压
Figure BDA0001860709960000033
和
Figure BDA0001860709960000034
将ua1，ub1，uc1经过三相-两相静止坐标系变换，获得两相静止坐标系下的两相正交电网电压uα和uβ的方式如下
Figure BDA0001860709960000035
由此将三相电网电压转换到两相信号，有利于简化系统结构和降低计算复杂度。
一号二阶带通滤波器与二号二阶带通滤波器在s域下的传递函数均可以表示为
Figure BDA0001860709960000036
式中ωn称为中心角频率。
由上式可以看出，只有当s＝jωn时，G(s)的增益等于1，而当s＝0，G(s)的增益等于零，如果令ωn等于电网基波角频率，则理论上只有电网基波信号能够无损失的通过二阶带通滤波器，而直流偏移(对应s＝0)和谐波均被二阶带通滤波器滤除。
步骤三、将
Figure BDA0001860709960000037
和
Figure BDA0001860709960000038
分别减去上一估计周期中的电网电压负序分量的瞬时估计值yα -和yβ -得到一对差值，并将该对差值作为一号增强型锁相环的输入信号，利用一号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压正序分量；
将
Figure BDA0001860709960000041
和
Figure BDA0001860709960000042
分别减去上一估计周期中的电网电压正序分量的瞬时估计值yα +和yβ +得到一对差值，并将该组差值作为二号增强型锁相环的输入信号，利用二号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压负序分量。
进一步设置两个两相静止坐标系下的增强型锁相环分别用于电网电压正、负序分量同步信息的在线估计。同时，将由二号增强型锁相环所估计的负序分量瞬时估计值反馈到一号增强型锁相环的输入端，以消除负序分量对正序分量同步信息估计值的影响。同理，一号增强型锁相环所估计的正序分量瞬时估计值反馈到二号增强型锁相环的输入端，以消除正序分量对负序分量同步信息估计值的影响。
具体实施方式二
本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，步骤三中利用一号增强型锁相环得到当前估计周期内电网电压正序分量的瞬时估计值和正序频率的估计值
Figure BDA0001860709960000043
的步骤为：
步骤三中利用一号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压正序分量的步骤为：
步骤二一、将一号增强型锁相环输入信号的值分别与上一估计周期中的电网电压正序分量的估计值yα +和yβ +做差，获得电网电压正序分量估计误差eα +和eβ +，进一步按照如下公式计算一号增强型锁相环中频率估计环的正序频率误差eω +
Figure BDA0001860709960000044
上式中
Figure BDA0001860709960000045
为一号增强型锁相环的正序相角估计值；
步骤二二、将eω +输入到一号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到一号比例积分器获得积分输出值，将该积分输出值与预先设定的正序初始频率
Figure BDA0001860709960000046
相加，获得正序频率的估计值
Figure BDA0001860709960000047
步骤二三、进一步根据角频率与相角之间为纯积分的关系，通过积分获得正序相角估计值
Figure BDA0001860709960000048
将
Figure BDA0001860709960000049
经过一号积分器获得正序相角估计值
Figure BDA00018607099600000410
进一步按照如下公式计算一号增强型锁相环中幅值估计环的正序幅值误差eA +
Figure BDA00018607099600000411
步骤二四、将eA +输入到二号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到二号积分器，获得正序幅值的估计值
Figure BDA00018607099600000412
步骤二五、将
Figure BDA0001860709960000051
与
Figure BDA0001860709960000052
按照如下公式计算获得当前估计周期中的电网电压正序分量的瞬时估计值
Figure BDA0001860709960000053
Figure BDA0001860709960000054
yα +和yβ +均为电网电压正序分量。
具体实施方式三
本具体实施方式三与具体实施方式二的区别在于，正序初始频率
Figure BDA0001860709960000055
的值为电网电压的额定频率，如等于314rad/s，以加快锁相环的启动速度。
具体实施方式四
本具体实施方式四与具体实施方式一或二或三的区别在于，步骤三中利用二号增强型锁相环得到当前估计周期内电网电压负序分量的步骤为：
步骤四一、二号增强型锁相环输入信号与上一估计周期中的电网电压负序分量的估计值yα -和yβ -做差，获得电网电压负序分量估计误差eα -和eβ -，进一步按照如下公式计算二号增强型锁相环中频率估计环的负序频率误差eω -
Figure BDA0001860709960000056
上式中
Figure BDA0001860709960000057
为二号增强型锁相环的负序相角估计值；
步骤四二、将eω -输入到四号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到二号比例积分器并获得积分输出值，将该积分输出值与预先设定的负序初始频率
Figure BDA00018607099600000516
相加，获得负序频率的估计值
Figure BDA0001860709960000058
步骤四三、进一步根据角频率与相角之间为纯积分的关系，通过积分获得负序相角估计值
Figure BDA0001860709960000059
将
Figure BDA00018607099600000510
经过三号积分器获得负序相角估计值
Figure BDA00018607099600000511
进一步按照如下公式计算二号增强型锁相环中幅值估计环的负序幅值误差eA -
Figure BDA00018607099600000512
步骤四四、将eA -输入到五号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到四号积分器，获得负序幅值的估计值
Figure BDA00018607099600000513
步骤四五、将
Figure BDA00018607099600000514
与
Figure BDA00018607099600000515
按照如下公式计算获得当前估计周期中的电网电压负序分量的瞬时估计值
Figure BDA0001860709960000061
Figure BDA0001860709960000062
yα -和yβ -均为电网电压负序分量。
具体实施方式五
本具体实施方式五与具体实施方式四的区别在于，
Figure BDA0001860709960000063
的值为-314rad/s。对于二号增强型锁相环，其结构与一号增强型锁相环相同，其差别在于二号增强型锁相环内负序初始频率
Figure BDA0001860709960000064
设定为-314rad/s，以实现对电网电压负序分量的在线估计。
具体实施方式六
本具体实施方式六具体实施方式二或三的区别在于，还包括如下步骤，将
Figure BDA0001860709960000065
经过三号低通滤波器滤波后、再分别输入到一号二阶带通滤波器和二号二阶带通滤波器，对一号二阶带通滤波器和二号二阶带通滤波器的中心角频率进行在线调整，令一号二阶带通滤波器的增益和二号二阶带通滤波器的增益在实际电网频率处都等于1。

Claims (6)

1.基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，包括在任一估计周期内依次执行的下列步骤：
步骤一、在当前估计周期的起始，采集三相电网电压ua、ub和uc，将ua、ub和uc相加求和后除以3，获得电网零序电压u0，再将ua、ub和uc分别减去u0，获得消除电网零序电压的三相电网电压ua1、ub1和uc1；
其特征在于，还包括：
步骤二、将ua1、ub1和uc1经过三相-两相静止坐标系变换，获得两相静止坐标系下的两相正交电网电压uα和uβ；将uα输入一号二阶带通滤波器、uβ输入二号二阶带通滤波器，分别获得滤波后的两相正交电网电压
Figure FDA0001860709950000011
和
Figure FDA0001860709950000012
步骤三、将
Figure FDA0001860709950000013
和
Figure FDA0001860709950000014
分别减去上一估计周期中的电网电压负序分量的瞬时估计值yα -和yβ -得到一对差值，并将该对差值作为一号增强型锁相环的输入信号，利用一号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压正序分量信息，所述电网电压正序分量信息包括：正序相角估计值
Figure FDA0001860709950000015
正序频率的估计值
Figure FDA0001860709950000016
正序幅值的估计值
Figure FDA0001860709950000017
电网电压正序分量的瞬时估计值yα +和yβ +；
将
Figure FDA0001860709950000018
和
Figure FDA0001860709950000019
分别减去上一估计周期中的电网电压正序分量的瞬时估计值yα +和yβ +得到一对差值，并将该组差值作为二号增强型锁相环的输入信号，利用二号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压负序分量信息，所述电网电压负序分量信息包括：负序相角估计值
Figure FDA00018607099500000110
负序频率的估计值
Figure FDA00018607099500000111
负序幅值的估计值
Figure FDA00018607099500000112
电网电压负序分量的瞬时估计值yα -和yβ -。
2.根据权利要求1所述的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，其特征在于，步骤三中利用一号增强型锁相环得到当前估计周期中的电网电压正序分量的步骤为：
步骤二一、将一号增强型锁相环输入信号的值分别与上一估计周期中的电网电压正序分量的估计值yα +和yβ +做差，获得电网电压正序分量估计误差
Figure FDA00018607099500000113
和
Figure FDA00018607099500000114
进一步按照如下公式计算一号增强型锁相环中频率估计环的正序频率误差eω +：
Figure FDA00018607099500000115
上式中
Figure FDA00018607099500000116
为一号增强型锁相环的正序相角估计值；
步骤二二、将eω +输入到一号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到一号比例积分器并获得积分输出值，将该积分输出值与预先设定的正序初始频率
Figure FDA0001860709950000021
相加，获得正序频率的估计值
Figure FDA0001860709950000022
步骤二三、将
Figure FDA0001860709950000023
经过一号积分器获得正序相角估计值
Figure FDA0001860709950000024
进一步按照如下公式计算一号增强型锁相环中幅值估计环的正序幅值误差eA +：
Figure FDA0001860709950000025
步骤二四、将eA +输入到二号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到二号积分器，获得正序幅值的估计值
Figure FDA0001860709950000026
步骤二五、将
Figure FDA0001860709950000027
与
Figure FDA0001860709950000028
按照如下公式计算获得当前估计周期中的电网电压正序分量的瞬时估计值：
Figure FDA0001860709950000029
3.根据权利要求2所述的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，其特征在于，正序初始频率
Figure FDA00018607099500000210
的值为电网电压的额定频率。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，其特征在于，步骤三中利用二号增强型锁相环得到当前估计周期内电网电压负序分量的步骤为：
步骤四一、二号增强型锁相环输入信号与上一估计周期中的电网电压负序分量的估计值yα -和yβ -做差，获得电网电压负序分量估计误差
Figure FDA00018607099500000211
和
Figure FDA00018607099500000212
进一步按照如下公式计算二号增强型锁相环中频率估计环的负序频率误差eω -；
Figure FDA00018607099500000213
上式中
Figure FDA00018607099500000214
为二号增强型锁相环的负序相角估计值；
步骤四二、将eω -输入到四号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到二号比例积分器并获得积分输出值，将该积分输出值与预先设定的负序初始频率
Figure FDA00018607099500000215
相加，获得负序频率的估计值
Figure FDA00018607099500000216
步骤四三、将
Figure FDA00018607099500000217
经过三号积分器获得负序相角估计值
Figure FDA00018607099500000218
进一步按照如下公式计算二号增强型锁相环中幅值估计环的负序幅值误差eA -；
Figure FDA0001860709950000031
步骤四四、将eA -输入到五号低通滤波器并获得输出值，将该输出值输入到四号积分器，获得负序幅值的估计值
Figure FDA0001860709950000032
步骤四五、将
Figure FDA0001860709950000033
与
Figure FDA0001860709950000034
按照如下公式计算获得当前估计周期中的电网电压负序分量的瞬时估计值；
Figure FDA0001860709950000035
5.根据权利要求4所述的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，其特征在于，
Figure FDA0001860709950000036
的值为-314rad/s。
6.根据权利要求2或3所述的基于双增强型锁相环的电网电压正负序分量实时估计方法，其特征在于，还包括如下步骤四，将
Figure FDA0001860709950000037
经过三号低通滤波器滤波后、再分别输入到一号二阶带通滤波器和二号二阶带通滤波器，对一号二阶带通滤波器和二号二阶带通滤波器的中心角频率进行在线调整，令一号二阶带通滤波器的增益和二号二阶带通滤波器的增益在实际电网频率处都等于1，过滤直流偏移和谐波。
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