CN112595893A - 一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，包含以下步骤：步骤A、失真的电网电压用Clarke变换转换为静态参考坐标系，其中包括由下式给出的基本和失真分量

其中v_sαf和v_sβf是基波分量，而v_sαh和v_sβh是αβ坐标系中电网电压的谐波分量和不平衡分量，本发明可以克服上述采用PLL方法的缺陷。本发明用自适应滤波器代替PLL，能够提供干净的单一同步信号，而不受电网电压的干扰。与PLL方法相比，STF结构更加简单，计算量更少，同时可以更快地实现电网相位同步信号检测。

Description

一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体是一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法。

背景技术

锁相环(phase-locked loop，PLL)由于其简单化的结构及控制的便捷被广泛地应用于电网同步信号检测中.其中应用最广泛的是基于PI控制器的同步旋转坐标系的锁相环结构(SRF-PLL)，在电网电压平衡、无谐波干扰时，SRF-PLL可以准确检测电网电压的频率和相位值，跟踪基波正序电压分量，实现电网信号同步.但当电压不平衡及含有谐波时，负序电压分量和谐波分量会在锁相环路产生震荡误差，影响锁相环对电网信号的检测结果。如果电网电压失真或不平衡，则PLL需要额外的滤波器来解决谐波问题，这会增加实现复杂度。当使用低成本微控制器时，将直接影响处理时间，此外，PLL中使用的比例积分(PI)控制器的调整是另一个需要考虑的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，包含以下步骤：

步骤A、失真的电网电压用Clarke变换转换为静态参考坐标系，其中包括由下式给出的基本和失真分量

其中v_sαf和v_sβf是基波分量，而v_sαh和v_sβh是αβ坐标系中电网电压的谐波分量和不平衡分量；

步骤B、电源电压通过STF滤波器提取基波分量：V_xy＝e^jωt∫e^-jωtU_xy(t)dt(2)；其中U_xy和V_xy是积分之前和之后的电源电压瞬时信号，ω是角频率；

步骤C，通过对公式(2)进行拉普拉斯变换得到：

通过在T(s)中引入一个附加参数K，传递函数在截止频率ω＝ω_c时将具有零相位延迟和统一幅度；整理公式(3)，得到STF的传递函数为:

步骤D、为了获得STF的有效性能，在f_c＝50Hz的固定截止频率下将K的值调整为100，将输入替换为v_sαβ，将输出信号替换为v_sαβf，并以复数形式写入相应的实部和虚部，则公式(4)简化为

将公式(5)左右两边实部和虚部相等，得到以下表达式

由此解得：

步骤E、通过逆Clarke变换获得三相abc域中电源电压的基波分量：

通过以下计算获得电源电压的基波分量的大小：

得到电流谐波提取所需的同步信号如下：

作为本发明的进一步技术方案：所述静态参考坐标系为αβ坐标系。

作为本发明的进一步技术方案：公式(7)能够构造由abc-αβ变换形成的任何两个正交信号的STF。

作为本发明的进一步技术方案：公式(7)中的结果表示αβ域中电源电压的基波分量。

作为本发明的进一步技术方案：单一信号是通过用电网电压幅值对滤波后的信号进行归一化而获得的。

作为本发明的进一步技术方案：即使在异常电网情况下，所获得的同步相位信号也包含源电压的基波成分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以克服上述采用PLL方法的缺陷。本发明用自适应滤波器代替PLL，能够提供干净的单一同步信号，而不受电网电压的干扰。与PLL方法相比，STF结构更加简单，计算量更少，同时可以更快地实现电网相位同步信号检测。

附图说明

图1为同步相位信号检测方法整体示意图；

图2为不同K值的STF的波特图；

图3为STF幅值估计的动态响应曲线图；

图4是在失真的情况下使用基于STF的过程生成的同步相位信号波形图；

图5为设置电网电压经历相位跳变、幅度变化和频率跳变的实验结果图。

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。

实施例1：请参阅图1-5，一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，包含以下步骤：

步骤A、在实际实现中，电源电压包含失真的分量，并且不是纯粹的正弦曲线或可能是不平衡的。自适应滤波器用于去除那些不需要的分量，以便获得所需的干净同步信号。失真的电网电压用Clarke变换转换为静态参考坐标系(αβ坐标系)，其中包括由下式给出的基本和失真分量

其中v_sαf和v_sβf是基波分量，而v_sαh和v_sβh是αβ坐标系中电网电压的谐波分量和不平衡分量；

步骤B、电源电压通过STF滤波器提取基波分量：V_xy＝e^jωt∫e^-jωtU_xy(t)dt(2)；其中U_xy和V_xy是积分之前和之后的电源电压瞬时信号，ω是角频率；

步骤C，通过对公式(2)进行拉普拉斯变换得到：

通过在T(s)中引入一个附加参数K，传递函数在截止频率ω＝ω_c时将具有零相位延迟和统一幅度；整理公式(3)，得到STF的传递函数为:

现在，此附加参数会影响STF的过滤性能。图2给出了对于不同的K值的STF的滤波特性。图2所示，滤波器在ω_c处的选择性取决于参数K。降低K会增加选择性，但会增加STF的动态性能；

步骤D、图3显示了当电网电压下降到320V峰值时，来自STF的幅值计算(V_{sf_m})的动态相应。K的值越大，动态响应越快，而K值越低，则响应越慢。在幅度计算中，这是单位矢量生成的组成部分。因此，必须谨慎选择K，以在这两个特征之间取得良好的折衷。为了获得STF的有效性能，在f_c＝50Hz的固定截止频率下将K的值调整为100。如果将输入替换为v_sαβ，将输出信号替换为v_sαβf，并以复数形式写入相应的实部和虚部，则公式(4)可以简化为：

将公式(5)左右两边实部和虚部相等，得到以下表达式

由此解得：

式(7)可用于构造由abc-αβ变换形成的任何两个正交信号的STF。式(7)中的结果表示αβ域中电源电压的基波分量。因此可以通过逆Clarke变换获得三相abc域中电源电压的基波分量。

步骤E、通过逆Clarke变换获得三相abc域中电源电压的基波分量：

通过以下计算获得电源电压的基波分量的大小：

得到电流谐波提取所需的同步信号如下：

因此，本发明提出的方法可以通过直接处理电源电压获得同步信号。因此，获得的同步信号将能够跟踪操作系统的相位的变化。这意味着同步信号与电源电压同相，因此，STF可以替代PLL。

基于STF的方法中，单一信号是通过用电网电压幅值对滤波后的信号进行归一化而获得的。图4表示在失真的情况下使用基于STF的过程生成的同步相位信号.

从图4可以看出，即使在异常电网情况下，所获得的同步相位信号也包含源电压的基波成分。为了测试STF应对相位幅度频率变化等各种极端工况的性能，设置电网电压经历相位跳变、幅度变化和频率跳变，实验结果如图5所示。

可以看到，在三种不同的干扰条件下，STF都能够生成准确的单一同步信号。实验结果说明了该算法的有效性。

实施例2：在实施例1的基础上，验证所提出方法的有效性，并验证所提出方法比传统方法具有更低的复杂度和处理时间。在实验室中开发了一个硬件原型，以验证提出的电网相位同步算法的有效性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A、失真的电网电压用Clarke变换转换为静态参考坐标系，其中包括由下式给出的基本和失真分量

其中v_sαf和v_sβf是基波分量，而v_sαh和v_sβh是αβ坐标系中电网电压的谐波分量和不平衡分量；

步骤B、电源电压通过STF滤波器提取基波分量：V_xy＝e^jωt∫e^-jωtU_xy(t)dt (2)；其中U_xy和V_xy是积分之前和之后的电源电压瞬时信号，ω是角频率；

步骤C，通过对公式(2)进行拉普拉斯变换得到：

通过在T(s)中引入一个附加参数K，传递函数在截止频率ω＝ω_c时将具有零相位延迟和统一幅度；整理公式(3)，得到STF的传递函数为:

步骤D、为了获得STF的有效性能，在f_c＝50Hz的固定截止频率下将K的值调整为100，将输入替换为v_sαβ，将输出信号替换为v_sαβf，并以复数形式写入相应的实部和虚部，则公式(4)简化为

将公式(5)左右两边实部和虚部相等，得到以下表达式

由此解得：

步骤E、通过逆Clarke变换获得三相abc域中电源电压的基波分量：

通过以下计算获得电源电压的基波分量的大小：

得到电流谐波提取所需的同步信号如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，其特征在于，所述静态参考坐标系为αβ坐标系。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，其特征在于，公式(7)能够构造由abc-αβ变换形成的任何两个正交信号的STF。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，其特征在于，公式(7)中的结果表示αβ域中电源电压的基波分量。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，其特征在于，单一信号是通过用电网电压幅值对滤波后的信号进行归一化而获得的。

6.根据权利要求4所述的一种基于自适应滤波器的电网相位同步信号检测方法，其特征在于，即使在异常电网情况下，所获得的同步相位信号也包含源电压的基波成分。

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