CN109633272B - 一种谐波检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种谐波检测系统。系统包括：角频率确定模块，Clarke变换模块、第一减法模块、第二减法模块、第一滤波模块、第一放大模块、第二滤波模块、第三滤波模块、第二放大模块、第四滤波模块、第三减法模块、第四减法模块、第一加法模块、第二加法模块和Clarke反变换模块。本申请的谐波检测系统具有动态响应快、准确度高等优点。角频率确定模块可实时向第一滤波模块和第三滤波模式实时反馈待测电压角频率，因此，本申请的谐波检测系统具有频率自适应功能，能够实现快速准确检测谐波的目的。

Description

一种谐波检测系统
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种谐波检测系统。
背景技术
随着电力电子设备的广泛应用，谐波干扰和无功损耗现象日益严重，如何提高电能质量，有效治理谐波，已成为目前研究的热点。有源电力滤波器通过向系统注入补偿电流来抵消负载所产生的谐波和无功电流，凭借着自身的响应速度快、动态实时补偿和高度的可控性能已成为国内外应用较为广泛的一种谐波抑制手段。目前应用最为广泛的谐波检测方法是基于瞬时无功功率理论的p-q法和ip-iq法谐波检测法，这两种方法都依赖于低通滤波器对负载电流进行基波分量的提取，但低通滤波器具有动态响应慢、准确度低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐波检测系统，检测速度快，准确性高，并且具有频率自适应功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种谐波检测系统，所述谐波检测系统包括：角频率确定模块，Clarke变换模块、第一减法模块、第二减法模块、第一滤波模块、第一放大模块、第二滤波模块、第三滤波模块、第二放大模块、第四滤波模块、第三减法模块、第四减法模块、第一加法模块、第二加法模块和Clarke反变换模块，其中，
所述第一滤波模块和所述第三滤波模块在基波正序频率处具有单位增益；
所述角频率确定模块用于获取待测电压，并根据所述待测电压确定待测电压角频率；
所述Clarke变换模块用于获取待测电压，并采用Clarke变换将所述待测电压变换为两相静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量；
所述第一减法模块用于根据所述α轴电压分量、所述第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号和所述第二滤波模块输出的α轴第二滤波信号确定α轴误差信号；
所述第二减法模块用于根据所述β轴电压分量、所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号和所述第四滤波模块输出的β轴第二滤波信号确定β轴误差信号；
所述第一加法模块用于对所述α轴误差信号和所述第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号进行加和，获得α轴和信号；
所述第一滤波模块用于对所述α轴和信号进行滤波处理，获得α轴第一滤波信号；
第一放大模块对所述α轴第一滤波信号进行放大，获得α轴滤波放大信号；
所述第二滤波模块用于对所述α轴误差信号进行滤波处理，获得α轴第二滤波信号；
所述第二加法模块用于对所述β轴误差信号和所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号进行加和，获得β轴和信号；
所述第三滤波模块用于对所述β轴和信号进行滤波处理，获得β轴第一滤波信号；
所述第四滤波模块用于对所述β轴误差信号进行滤波处理，获得β轴第二滤波信号；
所述第二放大模块对β轴第一滤波信号，获得β轴滤波放大信号；
所述第三减法模块用于根据所述α轴电压分量和所述α轴滤波放大信号生成α轴电压谐波分量；
所述第四减法模块用于根据所述β轴电压分量和所述β轴滤波放大信号生成β轴电压谐波分量；
所述Clarke反变换模块采用Clarke反变换将所述α轴电压谐波分量和β轴电压谐波分量变换为待测电压谐波分量。
可选的，所述第一减法模块根据公式：
Figure BDA0001953381920000021
确定α轴误差信号，其中，eα表示α轴误差信号，Uα表示α轴电压分量，
Figure BDA0001953381920000022
表示α轴第一滤波信号，
Figure BDA0001953381920000031
表示α轴第二滤波信号。
可选的，所述第二减法模块根据公式：
Figure BDA0001953381920000032
确定β轴误差信号，其中，eβ表示β轴误差信号，Uβ表示β轴电压分量，
Figure BDA0001953381920000033
表示β轴第一滤波信号，
Figure BDA0001953381920000034
表示β轴第二滤波信号。
可选的，所述第一滤波模块的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000035
其中，Gαβ1(s)表示第一滤波模块的传递函数，ωc表示截止角频率，ω0表示待测电压角频率。
可选的，所述第三滤波模块的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000036
其中，Gαβ3(s)表示第三滤波模块的传递函数，ωc表示截止角频率，ω0表示待测电压角频率。
可选的，所述第二滤波模块的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000037
其中，GORC2(s)表示第二滤波模块的传递函数，kr2表示第二滤波模块的增益，T0表示待测电压周期。
可选的，所述第四滤波模块的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000038
其中，GORC4(s)表示第四滤波模块的传递函数，kr4表示第四滤波模块的增益，T0表示待测电压周期。
可选的，角频率确定模块包括过零点检测模块和除法模块，过零点检测模块用于获取待测电压，并检测在所述待测电压的半个周期内，控制器的中断数，除法模块用于根据中断数和控制器中断周期确定待测电压角频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的谐波检测系统包括：角频率确定模块，Clarke变换模块、第一减法模块、第二减法模块、第一滤波模块、第一放大模块、第二滤波模块、第三滤波模块、第二放大模块、第四滤波模块、第三减法模块、第四减法模块、第一加法模块、第二加法模块和Clarke反变换模块。本申请的谐波检测系统检测精度高、动态响应快。同时，本申请的角频率确定模块可实时向第一滤波模块和第三滤波模式实时反馈待测电压角频率，因此，本申请的谐波检测系统具有频率自适应功能，能够实现快速准确检测谐波的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种谐波检测系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的谐波检测系统应用于三相电网时的原理图；
图3为本发明实施例提供的谐波检测系统应用于单相系统时的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种谐波检测系统，检测速度快，准确性高，并且具有频率自适应功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种谐波检测系统的结构框图。如图1所示，一种谐波检测系统，包括：角频率确定模块1，Clarke变换模块2、第一减法模块3、第二减法模块4、第一滤波模块5、第二滤波模块6、第三滤波模块7、第四滤波模块8、第三减法模块9、第四减法模块10、Clarke反变换模块11、第一放大模块12、第二放大模块13、第一加法模块14和第二加法模块15。
所述第一滤波模块5和所述第三滤波模块7在基波正序频率处具有单位增益。
所述角频率确定模块1用于获取待测电压，并根据所述待测电压确定待测电压角频率。本实施例中，角频率确定模块1包括过零点检测模块和除法模块。其中，过零点检测模块用于检测半个电压周期内控制器的中断数N/2，除法模块用于根据公式：
Figure BDA0001953381920000051
计算待测电压角频率，Ts为控制器中断周期。
所述Clarke变换模块2用于获取待测电压，并采用Clarke变换将所述待测电压变换为两相静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量。本实施例中，Clarke变换的公式为：
Figure BDA0001953381920000052
其中，Uα表示α轴电压分量，Uβ表示β轴电压分量，Ua表示A相电压，Ub表示B相电压Ub，Uc表示C相电压Uc。
所述第一减法模块3用于根据所述α轴电压分量、所述第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号和所述第二滤波模块输出的α轴第二滤波信号确定α轴误差信号。本实施例中，所述第一减法模块3根据公式：
Figure BDA0001953381920000053
确定α轴误差信号，其中，eα表示α轴误差信号，Uα表示α轴电压分量，
Figure BDA0001953381920000054
表示α轴第一滤波信号，
Figure BDA0001953381920000055
表示α轴第二滤波信号。
所述第二减法模块4用于根据所述β轴电压分量、所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号和所述第四滤波模块输出的β轴第二滤波信号确定β轴误差信号。本实施例中，所述第二减法模块4根据公式：
Figure BDA0001953381920000056
确定β轴误差信号，其中，eβ表示β轴误差信号，Uβ表示β轴电压分量，
Figure BDA0001953381920000057
表示β轴第一滤波信号，
Figure BDA0001953381920000061
表示β轴第二滤波信号。
所述第一加法模块14用于对所述α轴误差信号和所述第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号进行加和，获得α轴和信号。
所述第一滤波模块5用于对所述α轴和信号进行滤波处理，获得α轴第一滤波信号。所述第一滤波模块的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000062
其中，Gαβ1(s)表示第一滤波模块的传递函数，ωc表示截止角频率，ω0表示待测电压角频率，j表示虚数。
第一放大模块12对所述α轴第一滤波放大信号进行放大，获得α轴滤波放大信号。
所述第二滤波模块6用于对所述α轴误差信号进行滤波处理，获得α轴第二滤波信号。所述第二滤波模块6的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000063
其中，GORC2(s)表示第二滤波模块的传递函数，kr2表示第二滤波模块的增益，T0表示待测电压周期。
所述第二加法模块15用于对所述β轴误差信号和所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号进行加和，获得β轴和信号。
所述第三滤波模块7用于对所述β轴和信号进行滤波处理，获得β轴第一滤波信号。本实施例中，第三滤波模块7的传递函数与第一滤波模块5的传递函数相同。
第二放大模块13对所述β轴第一滤波信号进行放大，获得β轴滤波放大信号。
所述第四滤波模块10用于对所述β轴误差信号进行滤波处理，获得β轴第二滤波信号。所述第四滤波模块的传递函数为：
Figure BDA0001953381920000064
其中，GORC4(s)表示第四滤波模块的传递函数，kr4表示第四滤波模块的增益，T0表示待测电压周期。本实施例中，第四滤波模块的增益与第二滤波模块的增益相等，均为kr。
所述第三减法模块9用于根据所述α轴电压分量和所述α轴滤波放大信号生成α轴电压谐波分量。
所述第四减法模块10用于根据所述β轴电压分量和所述β轴滤波放大信号生成β轴电压谐波分量。
所述Clarke反变换模块11采用Clarke反变换将所述α轴电压谐波分量和β轴电压谐波分量变换为待测电压谐波分量。
图2为本发明实施例提供的谐波检测系统应用于三相电网时的原理图，其实施步骤包括：
(1)对A相电网电压Ua进行过零点检测，得到半个电网周期内控制器中断数N/2，然后根据下式得到电网电压角频率ω0，
Figure BDA0001953381920000071
其中Ts为控制器中断周期。
(2)A相电网电压Ua、B相电网电压Ub和C相电网电压Uc通过Clarke变换环节变换为两相静止坐标系下的α轴电压分量Uα和β轴电压分量Uβ。
(3)两相静止坐标系下的α轴电压分量Uα减去第一滤波模块输出的
Figure BDA0001953381920000072
和第二滤波模块输出的
Figure BDA0001953381920000073
得到α轴误差信号eα，然后通过第一加法模块对α轴误差信号和第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号进行加和，获得α轴和信号。
(4)两相静止坐标系下的β轴电压分量Uβ减去第三滤波模块输出的
Figure BDA0001953381920000074
和第四滤波模块输出的
Figure BDA0001953381920000075
得到β轴误差信号eβ，然后通过第二加法模块对所述β轴误差信号和所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号进行加和，获得β轴和信号。
(5)α轴和信号通过第一滤波模块进行滤波处理，得到第一滤波模块输出的
Figure BDA0001953381920000076
第一滤波模块输出的
Figure BDA0001953381920000077
乘以第一放大模块的增益k得到估计的基波正序电压α轴分量
Figure BDA0001953381920000081
(α轴滤波放大信号)，误差信号eα通过第二滤波模块的滤波处理得到
Figure BDA0001953381920000082
实际应用中，第一放大模块和第二放大模块的增益相等，增益
Figure BDA0001953381920000083
(6)β轴和信号通过第三滤波模块的处理得到
Figure BDA0001953381920000084
第三滤波模块输出
Figure BDA0001953381920000085
乘以第二放大模块的增益k得到估计的基波正序电压β轴分量
Figure BDA0001953381920000086
(β轴滤波放大信号)，误差信号eβ通过第四滤波模块的处理得到
Figure BDA0001953381920000087
(7)两相静止坐标系下的α轴电压分量Uα减去估计的基波正序电压α轴分量
Figure BDA0001953381920000088
得到估计的α轴电压谐波分量
Figure BDA0001953381920000089
两相静止坐标系下的β轴电压分量Uβ减去估计的基波正序电压β轴分量
Figure BDA00019533819200000810
得到估计的β轴电压谐波分量
Figure BDA00019533819200000811
(8)估计的α轴谐波电压分量
Figure BDA00019533819200000812
和估计的β轴谐波电压分量
Figure BDA00019533819200000813
经过Clarke反变换环节得到估计的A相电网电压谐波分量
Figure BDA00019533819200000814
B相电网电压谐波分量
Figure BDA00019533819200000815
和C相电网电压谐波分量
Figure BDA00019533819200000816
图3为本发明实施例提供的谐波检测系统应用于单相系统时的原理图，其实施步骤与三相电网相比，步骤(2)中，电网电压为U，进行Clarke变换时将A相电压对应为电网电压U，B相电网电压为0，C相电网电压为0。通过Clarke变换环节将单相电网电压变换为两相静止坐标系下的α轴电压分量Uα和β轴电压分量Uβ。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种谐波检测系统，其特征在于，所述谐波检测系统包括：角频率确定模块，Clarke变换模块、第一减法模块、第二减法模块、第一滤波模块、第一放大模块、第二滤波模块、第三滤波模块、第二放大模块、第四滤波模块、第三减法模块、第四减法模块、第一加法模块、第二加法模块和Clarke反变换模块，其中，
所述第一滤波模块和所述第三滤波模块在基波正序频率处具有单位增益；
所述角频率确定模块用于获取待测电压，并根据所述待测电压确定待测电压角频率；其中，角频率确定模块包括过零点检测模块和除法模块，过零点检测模块用于获取待测电压，并检测在所述待测电压的半个周期内控制器的中断数，除法模块用于根据中断数和控制器中断周期确定待测电压角频率；
所述Clarke变换模块用于获取待测电压，并采用Clarke变换将所述待测电压变换为两相静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量；
所述第一减法模块用于根据所述α轴电压分量、所述第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号和所述第二滤波模块输出的α轴第二滤波信号确定α轴误差信号；
所述第二减法模块用于根据所述β轴电压分量、所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号和所述第四滤波模块输出的β轴第二滤波信号确定β轴误差信号；
所述第一加法模块用于对所述α轴误差信号和所述第一滤波模块输出的α轴第一滤波信号进行加和，获得α轴和信号；
所述第一滤波模块用于对所述α轴和信号进行滤波处理，获得α轴第一滤波信号；
第一放大模块对所述α轴第一滤波信号进行放大，获得α轴滤波放大信号；
所述第二滤波模块用于对所述α轴误差信号进行滤波处理，获得α轴第二滤波信号；
所述第二加法模块用于对所述β轴误差信号和所述第三滤波模块输出的β轴第一滤波信号进行加和，获得β轴和信号；
所述第三滤波模块用于对所述β轴和信号进行滤波处理，获得β轴第一滤波信号；
所述第四滤波模块用于对所述β轴误差信号进行滤波处理，获得β轴第二滤波信号；
所述第二放大模块对β轴第一滤波信号进行放大，获得β轴滤波放大信号；
所述第三减法模块用于根据所述α轴电压分量和所述α轴滤波放大信号生成α轴电压谐波分量；
所述第四减法模块用于根据所述β轴电压分量和所述β轴滤波放大信号生成β轴电压谐波分量；
所述Clarke反变换模块采用Clarke反变换将所述α轴电压谐波分量和β轴电压谐波分量变换为待测电压谐波分量。
2.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于，所述第一减法模块根据公式：
Figure FDA0002365850340000021
确定α轴误差信号，其中，eα表示α轴误差信号，Uα表示α轴电压分量，
Figure FDA0002365850340000022
表示α轴第一滤波信号，
Figure FDA0002365850340000023
表示α轴第二滤波信号。
3.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于，所述第二减法模块根据公式：
Figure FDA0002365850340000024
确定β轴误差信号，其中，eβ表示β轴误差信号，Uβ表示β轴电压分量，
Figure FDA0002365850340000025
表示β轴第一滤波信号，
Figure FDA0002365850340000026
表示β轴第二滤波信号。
4.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于，所述第一滤波模块的传递函数为：
Figure FDA0002365850340000027
其中，Gαβ1(s)表示第一滤波模块的传递函数，ωc表示截止角频率，ω0表示待测电压角频率。
5.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于，所述第三滤波模块的传递函数为：
Figure FDA0002365850340000028
其中，Gαβ3(s)表示第三滤波模块的传递函数，ωc表示截止角频率，ω0表示待测电压角频率。
6.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于，所述第二滤波模块的传递函数为：
Figure FDA0002365850340000029
其中，GORC2(s)表示第二滤波模块的传递函数，kr2表示第二滤波模块的增益，T0表示待测电压周期。
7.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于，所述第四滤波模块的传递函数为：
Figure FDA0002365850340000031
其中，GORC4(s)表示第四滤波模块的传递函数，kr4表示第四滤波模块的增益，T0表示待测电压周期。
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