CN109557353B - 电网电压幅值和相角检测方法及系统、电网电压检测装置 - Google Patents

电网电压幅值和相角检测方法及系统、电网电压检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于多功能测试器的电路，例如按需要测量电压、电流或阻抗技术领域，公开了一种电网电压幅值和相角检测方法及系统、电网电压检测装置；采集电网单相电压；产生标准正交向量；构建基于归一化梯度算法的幅值和相角估计器；利用三角函数与反三角函数公式计算电网电压的幅值与相角。电压信号采集模块，用于采集电网单相电压；正交信号发生器，用于产生算法中所需的标准正交信号；信号放大器、滤波器，用于将采集到的电压信号进行放大和滤波处理；幅值和相角估计器，用于估计经处理的电压信号的幅值和相角。本发明检测电压的动态响应快，检测精度高，具有优良的谐波抑制能力，并且参数的可调范围广。

Description

电网电压幅值和相角检测方法及系统、电网电压检测装置
技术领域
本发明属于用于多功能测试器的电路，例如按需要测量电压、电流或阻抗技术领域，尤其涉及一种电网电压幅值和相角检测方法及系统、电网电压检测装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：为应对电网电压故障导致的电压幅值的突然跌落，需要电压检测装置快速检测到电压的降落幅度，以便应对故障做出响应及补偿。现有的电网检测技术中，如RMS平方根电压检测方法，取N 次采样电压的平均值作为电压的估计值，这种方法会引入一个基波周期的延迟，且存在低次谐波时会引入不精确的计算。峰值电压检测方法会引入半个基波周期的延迟且对低次谐波的干扰没有抑制能力。离散傅里叶方法能够提取电压信号的不同频率并计算他们的幅值、相角，然而，这种方法同样会引入一个基波周期的延迟。由于存在延迟，导致这些方法检测速度较慢，而在电网系统中，对电压信号的实时快速跟踪具有重要意义，尤其是在突发故障时，对电网电压信号的快速精确估计可以为电网系统的安全运行提供重要保障。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前的电网电压检测装置的检测速度慢，检测精度低。
解决上述技术问题的难度和意义：由于电网中存在诸多不确定性因素，如环境因素的不确定性，谐波的干扰等。此外，我国在新能源并网的技术要求中对电压的检测速度提出了极高的要求，如光伏发电的并网检测中，电压的检测速度应限制在30ms以内。因此，发明一项快速准确的电压检测方法对电网系统的安全运行具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电网电压幅值和相角检测方法及系统、电网电压检测装置。
本发明是这样实现的，一种幅值和相角的估计器，所述幅值和相角的估计器表示为：
Figure BDA0001826861310000021
其中，Γ＝ΓT＞0，
Figure BDA0001826861310000022
κ＞0；
其中，θ(t)代表未知参数θ*的估计，
Figure BDA0001826861310000023
φ(t)是标准正交信号，φ(t)＝[sin a1ωt cos a1ωt … sin anωt cos anωt 1]T，ε(t)是模型的估计误差，ε(t)＝θTφ(t)-y(t),Γ是增益矩阵，m(t)是归一化信号。
进一步，电网电压的幅值的表达式：
Figure BDA0001826861310000024
其中，Vgi是电网电压的各次谐波的幅值；
Figure BDA0001826861310000025
为电网电压的基波相角；
Figure BDA0001826861310000026
进一步，电网电压相角的表达式：
Figure BDA0001826861310000027
其中，Φi是电网电压的各次谐波相角；v是所采集的电网电压信号；a0是电网电压中的直流分量；Vgi是电网电压的各次谐波幅值。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述幅值和相角的估计器的电网电压幅值和相角检测方法，所述电网电压幅值和相角检测方法包括：
第一步，采集电网单相电压y；
第二步，产生一组标准正交信号；
第三步，确定基于归一化梯度算法的估计器：
Figure BDA0001826861310000031
其中，Γ＝ΓT＞0，
Figure BDA0001826861310000032
κ＞0；
其中，θ(t)代表未知参数θ*的估计，
Figure BDA0001826861310000033
φ(t)是标准正交信号，φ(t)＝[sin a1ωt cos a1ωt … sin anωt cos anωt 1]T，ε(t)是模型的估计误差，ε(t)＝θTφ(t)-y(t),Γ是增益矩阵，m(t)是归一化信号。
第四步，计算电网电压幅值：
Figure BDA0001826861310000034
计算电网电压相角：
Figure BDA0001826861310000035
本发明的另一目的在于提供一种实施所述电网电压幅值和相角检测方法的电网电压幅值和相角检测系统，所述电网电压幅值和相角检测系统包括：
电压信号采集模块，用于采集电网单相电压；
正交信号发生器，用于产生算法中所需的标准正交信号；
信号放大器、滤波器，用于将采集到的电压信号进行放大和滤波处理；
幅值和相角估计器，用于估计经处理的电压信号的幅值和相角。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述幅值和相角的估计器的电网电压检测装置。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：如图4所示，本发明在谐波干扰的条件下，电网电压幅值跌落至0.5p.u.时的实施效果，该检测方法具有良好的动态响应且无稳态误差。本发明在谐波干扰的条件下，电网电压幅值跌落至0 时的实施效果，该检测方法在这种条件下同样具有良好的动态响应且无稳态误差。
本发明基于归一化梯度算法提出了一种幅值和相角的估计器，其检测电压的动态响应快，在无谐波干扰的情况下，其估计速度可达5ms以内，在有谐波干扰的情况下检测速度在10ms以内，且两种情况下均无稳态误差；而现有技术在无谐波干扰的情况下最快速度为25ms，有谐波干扰的情况下最快速度为 30ms。由此看来，该发明所提出的电网电压检测方法解决了电网电压的幅值检测的快速性和精度问题。同时提出了电网电压检测方法和测量装置。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电网电压幅值和相角检测方法流程图。
图2是本发明实施例提供的电网电压幅值和相角检测系统结构示意图；
图中：1、电压信号采集模块；2、正交信号发生器；3、信号放大器；4、滤波器；5、幅值和相角估计器。
图3是本发明实施例提供的基于归一化梯度算法的电网电压检测方法实现流程图；
图4是本发明实施例提供的在谐波干扰下，电网电压跌落时的电压幅值检测效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对目前的电网电压检测装置的检测速度慢，检测精度低的问题；本发明基于归一化梯度算法提出了幅值和相角的估计器，其检测电压的动态响应快，检测精度高。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的电网电压幅值和相角检测方法包括以下步骤：
S101：采集电网单相电压；
S102：产生标准正交向量；
S103：构建基于归一化梯度算法的幅值和相角估计器。
S104：利用三角函数与反三角函数公式计算电网电压的幅值与相角。
如图2所示，本发明实施例提供的电网电压幅值和相角检测系统包括：电压信号采集模块1、正交信号发生器2、信号放大器3、滤波器4、幅值和相角估计器5。
电压信号采集模块1，用于采集电网单相电压；
正交信号发生器2，用来产生算法中所需的标准正交信号；
信号放大器3、滤波器4，用来将采集到的电压信号进行放大和滤波处理；
幅值和相角估计器5，估计经处理的电压信号的幅值和相角。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图3所示，本发明实施例提供的电网电压幅值和相角检测方法包括以下步骤：
第一步，采集电网单相电压y；
第二步，产生一组标准正交信号；
第三步，设计基于归一化梯度算法的估计器：
Figure BDA0001826861310000051
其中，Γ＝ΓT＞0，
Figure BDA0001826861310000052
κ＞0；
其中，θ(t)代表未知参数θ*的估计，
Figure BDA0001826861310000053
φ(t)是标准正交信号，φ(t)＝[sin a1ωt cos a1ωt … sin anωt cos anωt 1]T，ε(t)是模型的估计误差，ε(t)＝θTφ(t)-y(t),Γ是增益矩阵，m(t)是归一化信号。
第四步，计算电网电压幅值：
Figure BDA0001826861310000061
进一步，计算电网电压相角：
Figure BDA0001826861310000062
如图4所示，为本发明所提出电网电压检测方法在谐波干扰的条件下，设 置电网电压幅值跌落至0.5p.u，实验中将SOGI-PLL作为实验的对照组，其 中，曲线1为本发明所提方法的估计效果，曲线2为SOGI-PLL的估计效果。 从图中可以看出，该发明所提出的检测方法的跟踪速度更快更准确。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种幅值和相角的估计器，其特征在于，所述幅值和相角的估计器表示为：
Figure FDA0002765798400000011
其中，Γ＝ΓT＞0，
Figure FDA0002765798400000012
其中，θ(t)代表未知参数θ*的估计，
Figure FDA0002765798400000013
φ(t)是标准正交信号，φ(t)＝[sinc1ωt cosc1ωt … sincnωt coscnωt 1]T，ε(t)是模型的估计误差，ε(t)＝θTφ(t)-v,Γ是增益矩阵，m(t)是归一化信号。
2.如权利要求1所述的幅值和相角的估计器，其特征在于，电网电压的幅值的表达式：
Figure FDA0002765798400000014
3.如权利要求1所述的幅值和相角的估计器，其特征在于，电网电压相角的表达式：
Figure FDA0002765798400000015
4.一种应用权利要求1所述幅值和相角的估计器的电网电压幅值和相角检测方法，其特征在于，所述电网电压幅值和相角检测方法包括：
第一步，采集电网单相电压y；
第二步，产生一组标准正交信号；
第三步，确定基于归一化梯度算法的估计器：
Figure FDA0002765798400000016
其中，Γ＝ΓT＞0，
Figure FDA0002765798400000017
其中，θ(t)代表未知参数θ*的估计，φ(t)是标准正交信号，ε(t)是模型的估计误差，Γ是增益矩阵，m(t)是归一化信号；
第四步，计算电网电压幅值：
Figure FDA0002765798400000021
计算电网电压相角：
Figure FDA0002765798400000022
5.一种实施权利要求4所述电网电压幅值和相角检测方法的电网电压幅值和相角检测系统，其特征在于，所述电网电压幅值和相角检测系统包括：
电压信号采集模块，用于采集电网单相电压；
正交信号发生器，用于产生算法中所需的标准正交信号；
信号放大器、滤波器，用于将采集到的电压信号进行放大和滤波处理；
幅值和相角估计器，用于估计经处理的电压信号的幅值和相角。
6.一种使用权利要求1～3任意一项所述幅值和相角的估计器的电网电压检测装置。
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