CN113049872B - 一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，该零点检测方法在多次低频电流纹波抑制中用于定位电容电压调制波中的特定电位点，该特定电位点的定位精确程度能够直接影响多次低频电流纹波抑制的效果；该方法可检测出一个工作周期内出现的单个或多个零点，且规避了传统零点检测方法中阈值过大引发的问题。本发明可用较少的运算资源实现较好的零点定位效果，加快了响应速度，提高了零点定位精确度，提升了运行效率。

Description

一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法

技术领域

本发明涉及电能质量技术领域，具体涉及一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法。

背景技术

在现代电力电子领域的诸多应用中，都需要高精度误差为微秒甚至纳秒级的零点捕捉动作，该功能主要依靠多个传感器综合数据算法实现。但是由于传感器或运算器的精度以及系统的采样频率，精准的零点确定仅在理论上能够实现。

为了在实际应用中实现零点的定位，通常需要引入一个零点检测阈值。在检测到阈值内的数值点时，系统即判断该信号达到认定的零点。但上述阈值的设置直接影响了零点定位的精度。当阈值过小时，虽然观察的信号出现了零点，但系统采样的数据点有可能直接跨越零点附近的阈值区域，导致零点丢失；当阈值过大时，信号出现接近零点但并无零点的区段时，系统就会误判零点已经出现，或是仅出现单个零点的情况下系统误判出现了多个零点。

上述零点检测方法很大程度上依然阈值大小的选择，且受到传感器精度、系统采样步长等因素的影响，会造成零点位置误差较大，很难将误差控制在微妙的范围内，无法满足一些高精度要求行业的技术要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，旨在解决现有多次低频电流纹波抑制技术中精确零点定位难度较大的技术问题。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，包括：

采集一个或多个完整周期的电信号，基于电信号的数值大小及对应的采样时间，生成一组原始数据；

基于设定的阈值大小，从原始数据中选取绝对值在阈值范围内的数值及对应的采样时间点，生成一组新的数列；

根据新的数列中的采样时间点变化的导数，将新的数列划分为若干个短数列，每个短数列作为一个新区段；其中，每个新区段内的数值部分包含若干个连续的大于零点的数据点与若干个连续的小于零点的数据点；

选取每个新区段的中位点的数值对应的采样时间作为零点出现的时间点。

优选的，所述电信号包括电流信号、电压信号或控制模拟信号。

优选的，所述原始数据的表示方式如下：

其中，X表示信号数值大小，T表示采样时间点，x_n表示第n个采样点的数值大小，t_n表示第n个采样点的采样时间。

优选的，所述新的数列的表示方式如下：

|x-0|<σ,x∈X′

其中，σ为设定的阈值；

和

为不同的短数列；k、m、l和q为自然数。

优选的，选取每个新区段的中位点的数值对应的采样时间作为零点出现的时间点，具体包括：

对于

选取t_(2k+m)/2为零点出现时间，当2k+m等于奇数时，选取t_(2k+m-1)/2为零点出现时间；

对于

选取t_(2l+q)2为零点出现时间，当2l+q等于奇数时，选取t_(2l+q-1)/2为零点出现时间。

本发明的有益效果为：

1)本发明一种电信号零点检测方法，可检测出一个工作周期内出现的单个或多个零点，且规避了传统零点检测方法中阈值过大引发的问题；

2)本发明可用较少的运算资源实现较好的零点定位效果，加快了响应速度，提高了零点定位精确度，提升了运行效率；

3)本发明无需增加额外的传感器件或是运算单元；

4)本发明能够实现对电流、电压、控制模拟信号等任意周期变化信号的特定电位点的定位。

附图说明

图1为一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法流程图。

图2为所应用的多次低频电流纹波抑制方法流程图。

图3为需抑制低频纹波的电流信号原始波形图。

图4为使用不包含零点定位技术的低频纹波抑制的电流信号波形图。

图5为使用包含零点定位技术的低频纹波抑制的电流信号波形图。

其中，I_bus为需抑制低频纹波的电流信号，I_n为第n次电流谐波的幅值，θ_n为第n次电流谐波的相位，u_c-ref为储能电容的参考电压，u_c为储能电容的电压。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

参见图1所示，本发明一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，在零点定位程序开始工作时，将读取一组数据作为原始数据，其中X表示信号数值大小，T表示采样时间点，x_n表示第n个采样点的数值大小，t_n表示第n个采样点的采样时间，如下：

具体的检测方法如下：

第一步，根据设定的阈值大小，选取阈值范围内所有的数据点，涵盖其出现时间与数值，组成一组二维的新数列。这里的阈值须合理取得较大一点，确保选取了所有零点出现的区段。该方法中过大的阈值选取不会影响零点定位的精度，只会增加程序的计算量。若设定的阈值为σ，则新数列为：

|x-0|<σ,x∈X′

其中，

和

为不同的短数列；k、m、l和q为自然数。

第二步，根据新的数列中的采样时间点变化的导数，将新的数列划分为若干个短数列，每个短数列作为一个新区段；其中，每个新区段内的数值部分包含若干个连续的大于零点的数据点与若干个连续的小于零点的数据点。若仅有大于的值或小于的值，则被判定为无效数列。

具体的，依据每个数据点周围的其他数据点出现的时间点变化大小进行划分，组成若干组新的短数列(即上述新数列)。当出现单个零点时，每个符合条件的采样点的出现时间是连续的，时间点构成的数列是等差数列。当出现第二个零点时，时间点构成的数列即会产生一个大的数值变化，在一个较大的数值变化就会成为划分新的短数列的依据。在考虑信号干扰与系统误差的情况下，单个零点出现构成的区段内，时间点可能会出现一个或多个断点，或是在无零点出现的情况下偶然出现一个或多个误判点，故在划分新区段时需要添加如下法则：每个区段内必须包含若干个连续的大于零点的数据点与若干个连续的小于零点的数据点。满足这样法则的新区段才会进入下一个步骤，时间的序列表示为：

[T₁]＝[t_k t_k+1 ... t_k+m]

[T₂]＝[t_l t_l+1 ... t_l+q]

...

[T_j]＝[t_p t_p+1 ... t_p+u]

第三步，在每一个筛选后符合条件的新区段中，选取该数列中位点的数值，即为零点出现的时间点。以[T₁]为例，则选取t_(2k+m)/2为零点出现时间，当2k+m等于奇数时，向前靠取。

基于所述用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，对应的多次低频电流纹波抑制方法如图2所示。

当开始抑制低频电流纹波时，首先检测一个完整线电压周期的电流信号I_bus，再进行傅里叶分析得到各次谐波分量，接着根据各次谐波分量的幅值大小I_n与相位θ_n计算用于吸收纹波能量的储能电容所需端电压u_c-ref，在此环节需要应用零点定位技术，确定端电压u_c-ref的零点位置，在每一次电压信号经过零点时进行正负翻转，才能有较好的低频纹波抑制效果，最后在计算完成后的下一个线电压周期开始之时，进行储能电容端电压的调制。

以仿真结果为例，参见图3所示，需抑制低频电流纹波的电流信号I_bus包含1.324A的基频分量(50Hz)，幅值为0.621A(占直流分量的46.9％)的100Hz谐波分量，幅值为0.634A(47.9％)的150Hz谐波分量。参见图4所示，当纹波抑制系统开始工作时，若无零点定位程序捕捉储能电容的电压零点，不进行正负翻转操作，电流I_bus在电容电压接近零点后的短暂时刻出现肉眼可见的震荡，抑制后电流I_bus仍然包含4.2％的100Hz谐波与4.8％的150Hz谐波，且在前1000Hz的频率范围内出现较多谐波。参见图5所示，在应用本发明的零点定位方法后，系统可捕捉到17ms和37ms附近的电容电压零点，进行正负翻转操作，该操作平滑了电容的电压曲线，使得100Hz的谐波残留为1.2％，150Hz的谐波残留为2.4％，且在前1000Hz几乎不产生额外的谐波含量。在应用了该零点定位方法后，多次低频纹波的抑制效果得到了很大的提升。

需要说明的是，本发明一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法的适用数据包括，一切呈现周期变化的模拟信号数据，不局限于多次低频电流纹波抑制中调制波的零点检测，实际电路中的周期电压、电流信号等均可受用。并且在电源、负载跳变等情况引起的状态变化下，只要原系统保持在稳定域工作，从暂态往下一个稳态运行的情况下，该周期信号也可受用。

一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法定位零点的特征在于：首先根据阈值选取范围内所有符合条件的数据点，构成一组二维新数列，涵盖其时间点及其对应数值；再根据数列中数据变化的导数，结合特定的筛选算法，将数列划分为若干个短数列；最后选取短数列的中位点输出，即为零点数据。

本发明一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法中，零点定位方法同样也适用于非零点的某一特定数值点；确定零点的位置范围同样不仅限于当前读取数据的周期内，包括以当前周期拓展形成的未来所有时段。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，其特征在于，包括：

采集一个或多个完整周期的电信号，基于电信号的数值大小及对应的采样时间，生成一组原始数据；

基于设定的阈值大小，从原始数据中选取绝对值在阈值范围内的数值及对应的采样时间点，生成一组新的数列；

根据新的数列中的采样时间点变化的导数，将新的数列划分为若干个短数列，每个短数列作为一个新区段；其中，每个新区段内的数值部分包含若干个连续的大于零点的数据点与若干个连续的小于零点的数据点；

选取每个新区段的中位点的数值对应的采样时间作为零点出现的时间点。

2.根据权利要求1所述的用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，其特征在于，所述电信号包括电流信号、电压信号或控制模拟信号。

3.根据权利要求1所述的用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，其特征在于，所述原始数据的表示方式如下：

其中，X表示信号数值大小，T表示采样时间点，x_n表示第n个采样点的数值大小，t_n表示第n个采样点的采样时间。

4.根据权利要求3所述的用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，其特征在于，所述新的数列的表示方式如下：

|x-0|<σ,x∈X′

其中，σ为设定的阈值；

和

为不同的短数列；k、m、l和q为自然数。

5.根据权利要求4所述的用于多次低频电流纹波抑制的电信号零点检测方法，其特征在于，选取每个新区段的中位点的数值对应的采样时间作为零点出现的时间点，具体包括：

对于

选取t_(2k+m)/2为零点出现时间，当2k+m等于奇数时，选取t_(2k+m-1)/2为零点出现时间；

对于

选取t_(2l+q)/2为零点出现时间，当2l+q等于奇数时，选取t_(2l+q-1)/2为零点出现时间。

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