CN110146742A - 一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法，该方法采用虚拟电网磁链作为锁相环的改进环节，利用复合三阶广义积分器和正负序分量计算模块来实现正序磁链的提取；在准确锁定电网相位角和频率的基础上，消除了传统i_p‑i_q谐波检测算法由于电网电压不对称，波形畸变和直流偏移分量的注入甚至频率变化等原因造成的检测误差，使得***最终得到的基波正序电流基本不存在畸变。

Description

一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法

技术领域

本发明涉及谐波检测方法，具体涉及一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法。

背景技术

人类社会的发展离不开对能源的利用，化石能源是人类主要利用的能源，包括煤、石油和天然气。然而，化石能源具有不可再生性，其储存量随着人类的开发而急剧下降，在不远的未来化石能源将完全耗尽。此外，在对化石能源的利用过程中会产生污染，降低环境质量。近年来，为了应对全球性的能源和环境危机，世界各国都在积极开发各类可再生能源。太阳能光伏发电因具有储存量大、分布广泛、清洁环保、维护简单等优势而得到了广泛的应用。太阳能光伏发电因具有以上显著优势，而得到了广泛的应用。

现代电力***中，大量电力电子设备被应用于发电、输电及配电等各个环节，其产生的谐波污染日趋严重，成为公用电网谐波污染主要来源。

近年来，随着大型光伏电站建设规模的逐步扩大，为了对供电、发电、和用电端的各谐波含量进行限制，以确保公用电网的供电质量，保证电网和用电设备安全、稳定、经济运行，许多国家、组织以及一些大的电力公司相继就该问题举行会议，根据各国实际情况探讨制定了相应的谐波标准和规定。因此，准确检测电网谐波成为当前光伏产业发展至关重要的环节。

发明内容

本发明的目的在于一种既能够改善传统i_p-i_q谐波检测算法对网侧电压畸变应变能力弱的缺点，又能够准确锁定电网相位角和频率的谐波检测方法，以消除了传统i_p-i_q谐波检测算法由于电网电压不对称，波形畸变和直流偏移分量的注入等原因造成的检测误差，使得***最后得到的基波正序电流基本不存在畸变。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法，包括，

步骤1：使电网电压信息经过锁相环和一个正余弦信号发生电路，获得与电网电压同相的正余弦信号，计算电网相位角，锁定电网电压相位；

步骤2：通过频率自适应的三阶广义正交信号发生器TOGI-OSG避免电网频率波动对正序磁链的提取造成影响，利用锁频环的闭环反馈作用，构成反馈控制环路，实现频率自适应；

步骤3：CTOGI-FLL通过串联TOGI环节的方式，将前一级TOGI观测的虚拟磁链ψ_α和ψ_β送入后级TOGI环节，得到与虚拟磁链同相的磁链信号ψ_α′、ψ_β′和与虚拟磁链正交的磁链信号qψ_α′、qψ_β′；再通过提取正负序电压矢量的方法，通过正负序分量计算模块分离磁链的正序分量ψ_α ⁺、ψ_β ⁺：

步骤4：已知电网电压e_α相位角θ_α与虚拟磁链角θ_V之间的数学关系：根据其与三角函数之间的关系可知，网侧电压e_α的相位角θ_α与正序虚拟磁链的数学关系；考虑到θ_α和三相电压e_a的相位角θ_a存在90°的相差，则在三相坐标系下A相电压的相位角为：

步骤5：将所得到的的sin-cos值代入传统i_p-i_q谐波检测算法，即可准确检测出电网谐波。

进一步的，所述步骤S2具体包括：锁频环的输入频率误差信号是TOGI-OSG的输出qv′与误差信号ε_v的乘积ε_f，当ω<ω′时，ε_f的平均值大于0；当ω＝ω′时，ε_f等于0；当ω>ω′时，ε_f的平均值小于0；采用带有负增益-γ的积分控制器使ε_f等于0；电网电压额定角频率作为前馈环节加入FLL，加快FLL初始时刻的牵入过程；FLL的输出频率ω′作为TOGI的输入频率，实现频率自适应。

进一步的，所述TOGI-OSG的中心频率ω′电网频率变化而变化，以避免电网频率带入误差，从而实现频率的准确跟踪

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)采用虚拟磁链作为常规锁相环的改进环节，解决了电网存在畸变或不平衡时锁相结果存在较大误差问题；

(2)利用复合三阶广义积分器和正负序分量计算模块来实现正序磁链的提取以消除一阶低通滤波器存在的幅值与相位偏移问题；

(3)引入锁频环构成反馈控制环路，使得TOGI-OSG的中心频率ω′可以跟随电网频率变化，实现频率自适应；

(4)通过串联TOGI环节的方式，将前级TOGI观测到的虚拟磁链送入后级TOGI环节，进一步抑制了谐波和噪声的影响；

(5)CTOGI-OSG不仅能够减少输入信号中含有的高频分量，还可以滤除输入信号中的直流分量，在基波频率中不会产生相移和延时。

(6)对于FLL而言，由于滤除了直流分量，从而锁频环节不受输入信号中直流分量的影响，锁频环节跟踪的频率也更加平稳。

(7)该方法使得***在电网工况恶劣的情况下，在频率波动后也能准确跟踪频率变化，基于CTOGI的虚拟磁链检测法的FLL模块也能有效工作，准确跟踪频率变化。

附图说明

图1为i_p-i_q谐波检测法原理图；

图2为三阶广义积分原理图；

图3为三阶广义积分Bode图；

图4为三阶广义积分正交信号发生器原理框图；

图5为TOGI-FLL原理框图；

图6为基于CTOGI-FLL虚拟磁链观测器结构图；

图7为恶劣工况下该方法获得的电网相位角波形；

图8为恶劣工况下频率波动该方法的频率跟踪图。

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

如图1所示，一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法，电网电压信息经过锁相环(Phase-locked Loop，PLL)和一个正余弦信号发生电路，获得与电网电压同相的正余弦信号，计算电网相位角，准确锁定电网电压相位。但当电网电压存在畸变或不平衡时，PLL的有效性大打折扣，锁相结果存在较大误差，从而也影响i_p-i_q检测法的准确度。

图3所示为图2所示三阶广义积分器的Bode图。对其进行分析可知，G₁(s)可以看成是一个带通滤波器，其允许特定频段的信号通过；G₂(s)具有低通滤波性质，对高频分量表现为负增益，可一定程度上抑制高频分量；而G₃(s)具有带阻特性，它对某些频率范围内的信号具有很强的抑制效果。G₁(s)、G₂(s)、G₃(s)的传递函数均能对高频分量起到一定的滤波效果，但对低频分量的抑制能力却十分有限。

如图4所示，为频率自适应的三阶广义正交信号发生器(TOGI-OSG)，避免电网频率波动对正序磁链的提取造成影响，利用锁频环(Frequency-locked Loop，FLL)的闭环反馈作用，构成反馈控制环路，实现频率自适应。TOGI-OSG的中心频率ω′可以跟随电网频率变化，避免电网频率带入误差，实现频率的准确跟踪。

如图5所示，FLL的输入频率误差信号是TOGI-OSG的输出qv′与误差信号ε_v的乘积ε_f，由图3分析的G₂(s)和G₄(s)的幅频特性可知，当ω<ω′时，ε_f的平均值大于0；当ω＝ω′时，ε_f等于0；当ω>ω′时，ε_f的平均值小于0。采用带有负增益-γ的积分控制器使ε_f等于0；电网电压额定角频率作为前馈环节加入FLL，加快FLL初始时刻的牵入过程。FLL的输出频率ω′作为TOGI的输入频率，实现频率自适应。

如图6所示，CTOGI-FLL通过串联TOGI环节的方式，将前一级TOGI观测的虚拟磁链ψ_α和ψ_β送入后级TOGI环节，进一步抑制了谐波和噪声的影响，并得到与虚拟磁链同相的磁链信号ψ_α′、ψ_β′和与虚拟磁链正交的磁链信号qψ_α′、qψ_β′。接着，再通过提取正负序电压矢量的方法，通过正负序分量计算模块(Positive and Negative Sequence Calculation，PNSC)分离磁链的正序分量ψ_α ⁺、ψ_β ⁺为：

使用CTOGI-OSG之后，***不但可以抑制输入信号中含有的高频分量，还可以滤除输入信号里面的直流分量，而且在基波频率处不会产生相移和延时。此外，对于FLL模块而言，由于滤除了直流分量，从而使锁频环节不受输入信号中直流分量的影响，使得锁频环节跟踪的频率ω也会更加平稳。

实施例2

本实施例利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建仿真模型并对仿真结果进行分析。采用三相不控整流桥带阻感负载作为谐波源。其中电路主要参数为：不平衡电阻R₁为50Ω，负载线路电感L₁为0.1mH，整流桥接负载电阻R₂为50Ω，L₂为0.1mH。作为对比，分别将传统i_p-i_q谐波检测方法和基于虚拟磁链定向的i_p-i_q检测法在不同工况下进行仿真分析。

图7为在网侧各相电压明显不平衡，均注入了3次零序、5次负序和7次正序分量，且A相注入直流分量时该谐波检测方法得出的相位角波形。该方法几乎不受网侧电压畸变和不对称分量的影响，所测得的电网相位角几乎不存在抖动。

图8为同样在网侧各相电压明显不平衡，均注入了3次零序、5次负序和7次正序分量，A相注入直流分量，且在t＝0.3s时频率突变为49Hz情况下，该谐波检测法观测出的频率变化波形图。由图8可知，基于CTOGI的虚拟磁链定向策略获取频率时几乎不存在波动，当t＝0.3s，频率发生波动后也能准确跟踪频率变化。由此说明在电网工况恶劣的情况下，即使频率发生波动，基于CTOGI的虚拟磁链检测法的FLL模块也能有效工作，准确跟踪频率变化。

Claims (3)

1.一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法，其特征在于，包括，

步骤1：使电网电压信息经过锁相环和一个正余弦信号发生电路，获得与电网电压同相的正余弦信号，计算电网相位角，锁定电网电压相位；

步骤2：通过频率自适应的三阶广义正交信号发生器TOGI-OSG避免电网频率波动对正序磁链的提取造成影响，利用锁频环的闭环反馈作用，构成反馈控制环路，实现频率自适应；

步骤3：CTOGI-FLL通过串联TOGI环节的方式，将前一级TOGI观测的虚拟磁链ψ_α和ψ_β送入后级TOGI环节，得到与虚拟磁链同相的磁链信号ψ_α′、ψ_β′和与虚拟磁链正交的磁链信号qψ_α′、qψ_β′；再通过提取正负序电压矢量的方法，通过正负序分量计算模块分离磁链的正序分量ψ_α ⁺、ψ_β ⁺：

步骤4：已知电网电压e_α相位角θ_α与虚拟磁链角θ_V之间的数学关系：根据其与三角函数之间的关系可知，网侧电压e_α的相位角θ_α与正序虚拟磁链的数学关系；考虑到θ_α和三相电压e_a的相位角θ_a存在90°的相差，则在三相坐标系下A相电压的相位角为：

步骤5：将所得到的的sin-cos值代入传统i_p-i_q谐波检测算法，即可准确检测出电网谐波。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：锁频环的输入频率误差信号是TOGI-OSG的输出qv′与误差信号ε_v的乘积ε_f，当ω<ω′时，ε_f的平均值大于0；当ω＝ω′时，ε_f等于0；当ω>ω′时，ε_f的平均值小于0；采用带有负增益-γ的积分控制器使ε_f等于0；电网电压额定角频率作为前馈环节加入FLL，加快FLL初始时刻的牵入过程；FLL的输出频率ω′作为TOGI的输入频率，实现频率自适应。

3.根据权利要求2所述的一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法，其特征在于，所述TOGI-OSG的中心频率ω′电网频率变化而变化，以避免电网频率带入误差，从而实现频率的准确跟踪。