CN111446726A - 一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对微电网中分布式电源正常工作中，由于电网发生电压不对称故障及含有谐波时，引起各分布式电源出现相角畸变、输出功率震荡以及并网电流不对称等的故障，研究开发了一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法。与传统方法相比，可以快速分离不平衡电网电压，得到实时相位角，并且分离得到的正序分量谐波含量低，运算更加简便，有利于控制系统的数字化实现，保证了控制系统的实时性。

Description

一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体为一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法。
背景技术
随着电网中可再生能源的比例不断提高，对电网电能质量的要求也越来越严格，对于分布式电源来说，若不考虑电网中出现的电压不对称以及谐波问题，将会导致分布式电源无法正常工作，甚至脱网，严重时会导致电网崩溃；因此，越来越多的分布式电源在其控制策略中加入了不平衡控制算法，然而，大部分的控制策略均需要对不平衡电压进行正负序分离，而常规分离方法在复杂程度以及控制系统实时性难以保证。
现今的分布式电源控制策略中都考虑加入了应对电压不平衡的控制算法，如采用传统PI调节器的正负序分别调节、采用PR调节器的两相静止坐标调节方法以及应用诸如模型预测理论的变流器控制策略；然而，这些控制算法都无法绕开对不平衡的电网电压进行正负序分离的过程，且现今采用的正负序分离方案为基于二阶广义积分的SOGI控制器，系统复杂，在处理谐波方面，需要在SOGI控制器后面级联延时信号消除控制器(DSC)以去除谐波，就降阶系统来说，现今分离方案未考虑电网频率产生偏移的状况。
发明内容
本发明研究开发了一种应用于电网不对称及谐波故障情况下，电网电压正负序分离的方法，该方法解决了并网运行中的分布式电源在电网发生不对称故障时计算过程复杂而引起变流器运行状况恶化的问题。
在该方法中，通过检测三相不对称电网电压，再进行Clark变换，转换为两相静止坐标系下的不对称分量，经过具有正负频率选择特性的控制器，分解为正序和负序基波以及谐波分量，分离结果用于变流器的电压不平衡及谐波抑制控制中，分离出的正序基波分量可通过常规锁相环得到实时电网电压相角。
就基波分离来说，将第一步分离得到的两相静止坐标下电压分量通过基波频率的具有正负频率选择特性的控制器，分别得到正序基波和负序基波电压分量，同时，分离得到的基波分量反馈到控制器输入端，形成负反馈，输入信号经过基波频率50Hz的控制器输出仅含正序或仅含负序的分量，应用常规锁相环，利用对称且正弦的正序基波分量得到电网电压实时相角。
与基波分离类似，当考虑电网电压发生不对称且含有谐波时，将控制器中的频率修改为谐波次序，同样形成谐波次控制器的负反馈，谐波控制器输出结果即为对称的谐波分量，可直接用于变流器中谐波抑制控制策略的计算中。
序分量分离控制器的传递函数如下：
Figure BDA0002438606290000011
式中，GP(s)和GN(s)分别表示正序和负序控制器，ki表示积分系数，ωc表示截止频率，ω0表示谐振频率。
对于正负序基波分离来说，ω0为100πrad/s和-100πrad/s，对于谐波分离来说，ω0为100mπrad/s，其中m代表谐波次数。离散化后的差分方程输入为两相静止坐标下电压分量与分离结果中谐波及相反分量之差，差分方程输出直接为正负序分量。本发明所采用的控制器输出直接为正负序分量，无需再通过代数运算计算出正负序分量和谐波分量。本发明在分离控制器上添加了截止频率ωc，不仅可以提高系统稳定性，还具有了应对电网频率偏移的能力。针对谐波分离，本发明采用与基波正负序分离一致的控制器，仅需修改频率ω0，相比于DSC谐波去除方法，无需重新设计谐波分离系统，并且无需记录前一时刻数据，减少所需芯片缓存。另一方面，DSC方法仅能滤除谐波，无法将电网电压中谐波进行分离，现今变流器控制策略中有许多需要对谐波进行提取，以进行谐波抑制或者研究谐波工况下变流器正常运行，相比于此，本发明在得到正负序分量的同时，谐波也可提取出来，供后续控制算法使用。
三相故障电网电压，经过Clark变换，通过基波正负序分离控制器，其余频率信号将大幅衰减，由于该控制器具有频率选择特性，即ω0和-ω0，经过正序控制器的电压信号，输出将只包含ω0频率的对称信号，同理，负序控制器输出只有-ω0频率电压信号，因此，不对称电网电压中的正序和负序分量将直接得到分离，无需通过构造正交信号再利用对称分量法求解。
现今较多采用SOGI正交信号构造法对电网电压进行分离，其传递函数属于二阶系统，且输出结果需经代数运算才能得到正负序分量，数字化实现较复杂，本发明采用的降阶分离控制器属于一阶系统，实现更简单，经过以DSP为核心的实验平台验证，将常规锁相环及正负序分离方法与本发明所提出降阶分离控制器的实验结果进行对比，表明本发明的有益性。
图5：三相不对称电网电压下常规锁相环出现相角畸变现象，影响变流器正常运行。
图6：在经过降阶正负序分离控制器处理之后得到电网电压相角没有出现畸变状况。
图8：在采用控制系统较为复杂的SOGI正负序分离方法对图7工况进行分离，得到的正序分量中含有5次谐波。
图9：在采用简化的降阶正负序分离方法对图7工况进行分离，得到的正序电压分离中5次谐波的含量较图8明显降低。
图10：图7中5次谐波分离可以通过降阶正负序及谐波分离方法提取，用于后续控制算法。
附图说明
图1所示为基于降阶控制器正负序及谐波分离结构图。
图2所示为单个序分量分离子系统结构图。
图3所示为常规锁相环结构图。
图4所示为改进之后锁相环结构图。
图5所示为常规锁相下三相不对称电网电压及相角图。
图6所示为本发明方法下三相不对称电网电压及相角图。
图7所示为三相电网电压出现5次谐波及A相跌落故障下电压波形。
图8所示为使用常规SOGI方法在谐波不对称条件下正负序波形及FFT。
图9所示为使用本发明方法在谐波不对称条件下正负序分量及FFT。
图10所示为降阶谐波分离得到的5次谐波及负序分量波形。
图11为不同截止频率正序控制器波特图。
图12为不同ki下控制器波特图。
具体实施方式
通过电压霍尔检测三相不对称故障电压，经过调理电路之后输入到DSP的AD采样端口，再将得到的三相电压信号uabc经过Clark变换，得到两相静止坐标下电压分量uα和uβ，Clark变换公式为：
Figure BDA0002438606290000031
在考虑5次和7次谐波情况下，采用具有频率选择特性的控制器将电压信号进行分离，控制器的传递函数如下：
Figure BDA0002438606290000032
式中分别为正序控制器GP(s)、负序控制器GN(s)、5次谐波控制器G5P(s)和7次谐波控制器G7P(s)的传递函数，其中，正序控制器分母中的频率为ω0，负序控制器分母中的频率为-ω0，5次谐波控制器分母中的频率为5ω0，7次谐波控制器分母中的频率为7ω0，即控制器的谐振频率，ki表示积分系数，ωc表示截止频率；
要想在数字控制器中实现该算法，需要将控制器传递函数离散化处理，本发明采用双线性变换法对传递函数进行离散，变换公式如下：
Figure BDA0002438606290000041
将上式代入到控制器传递函数中，由于控制器传递函数中包含复数符号j，在数字化时难以实现，而在两相静止坐标系中，恰好有如下关系：
Figure BDA0002438606290000042
利用上式，采用双线性变换公式对控制器进行离散，得到控制器的差分方程：
Figure BDA0002438606290000043
Figure BDA0002438606290000044
Figure BDA0002438606290000045
Figure BDA0002438606290000046
差分方程中Ts表示采样周期，ωc表示截止频率，ω0表示谐振频率。
对于所示差分方程，其正序输入、负序输入、5次谐波输入、7次谐波输入分别为：
Figure BDA0002438606290000047
Figure BDA0002438606290000048
Figure BDA0002438606290000051
Figure BDA0002438606290000052
经过图2所示运算过程，可得到不对称及谐波情况下电网电压正序分量。与基波分离算法类似，将图2所示算法中谐振频率ω0修改为所需分离的谐波频率，即可在分离子系统输出端口得到谐波信号。
为了直观的了解传递函数中系数对控制器的影响，采用波特图进行分析。
(1)截止频率的选取
在传递函数中引入了截止频率ωc，其作用在于消除频率偏移的影响，通过绘制波特图来进行分析，以正序控制器Gp(s)为例进行研究，选取ki＝1，可以绘制截止频率变化时正序控制器的波特图。
如图11所示，截止频率ωc由小变大的过程中，正序控制器的带宽逐渐增大，在谐振频率附近增益逐渐增大，其他频率处增益也受到影响，截止频率的取值一般在5～15rad/s，从图11中可以看出，当截止频率选为5rad/s时，可以保证在谐振频率附近有足够的带宽，以抑制电网电压频率偏移，又可以保证谐振频率处足够的增益，因此，选择截止频率为5rad/s。
(2)系数ki对控制器的影响
图12中，设定截止频率ωc＝5rad/s，改变系数ki，绘制正序控制器波特图，可以看出，固定截止频率下，系数ki主要影响的是控制器的增益，其带宽基本未发生变化，而ki越大，控制器增益越大，正序分量的分离更彻底，但过大的增益会引起系统失稳，在具体工程实现中可通过试凑法寻找最优系数。

Claims (5)

1.一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)检测得到的三相不对称及谐波电压ua、ub、uc首先经过Clark变换得到不对称及含有谐波的两相静止坐标下电压分量uα、uβ；
(2)采用具有频率选择特性的控制器将电压信号进行分离，控制器的传递函数如下：
Figure FDA0002438606280000011
Figure FDA0002438606280000012
式中分别为正序控制器GP(s)、负序控制器GN(s)及谐波控制器GmP(s)的传递函数，其中，正序控制器分母中的频率为ω0，负序控制器分母中的频率为-ω0，m次谐波控制器分母中的频率为mω0，ki表示积分系数，ωc表示截止频率；
(3)为了在数字控制器中实现正负序及谐波分离，需要将控制器进行离散化，分别得到正序控制器、负序控制器、m次谐波控制器传递函数的差分方程；
Figure FDA0002438606280000013
Figure FDA0002438606280000014
Figure FDA0002438606280000015
(4)对于步骤(3)中所示差分方程，其输入为两相静止坐标下电压分量与分离结果中谐波及相反分量之差，输入表达式中uα(k)和uβ(k)由三相不平衡电压采样值经Clark变换后得到；
Figure FDA0002438606280000021
Figure FDA0002438606280000022
Figure FDA0002438606280000023
从上到下依次为正序控制器、负序控制器、m次谐波控制器的输入，i＝3、5、7、9…n；
(5)步骤(4)中输入量经过(3)中差分方程运算，输出结果则分别为基波正序电压分量
Figure FDA0002438606280000024
负序电压分量
Figure FDA0002438606280000025
m次谐波电压分量
Figure FDA0002438606280000026
2.根据权利要求1所述的一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法，其特征在于：差分方程输出结果用于变流器的电压不平衡及谐波抑制控制中，基波正序电压分量可通过锁相环得到实时电网电压相角。
3.根据权利要求2所述的一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法，其特征在于：电网电压相角的计算过程为：将分离得到的正序电压分量
Figure FDA0002438606280000027
和
Figure FDA0002438606280000028
进行Park变换，得到的同步旋转坐标系下dq分量，采用PI调节器将电压定向于d轴，最终实现相角检测。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法，其特征在于：Clark变换如下：
Figure FDA0002438606280000029
5.根据权利要求1或2或3所述的一种用于电网不对称及谐波故障下快速正负序分离方法，其特征在于：采用双线性变换法对控制器传递函数进行离散，变换公式如下：
Figure FDA00024386062800000210
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