CN111693813B - 一种基于复合广义积分的fbd谐波检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于复合广义积分的FBD谐波检测方法。通过观测虚拟磁链代替传统FBD谐波检测法中的锁相环。虚拟磁链通过降阶广义积分和二阶广义积分相结合的复合广义积分结构进行观测。前级降阶广义积分实现对电网电压的正负序分离，后级二阶广义积分生成与电网电压矢量正交的虚拟磁链信号并进一步抑制谐波。在检测中加入了锁频环和直流量消除结构，实现整个复合广义积分的频率自适应和直流分量抑制，大大提高了检测方法的适用性。本发明解决了目前改进的FBD检测法在电网电压严重畸变工况下检测精度不够好和结构复杂的问题，提供了一种不需要后期计算便可以直接实现正负序分离、内存消耗小、结构简单可靠的基于复合广义积分的FBD谐波检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及电力***的谐波检测方法，具体是一种基于复合广义积分的FBD谐波检测方法。
背景技术
电力***发展到今天，已有大量的电力电子设备和各种非线性负荷接入电网，电网谐波污染愈发严重，若不加以治理，将严重影响电网稳定、安全运行。有源滤波器作为治理谐波的一种有效设备，已经得到广泛的应用。其中谐波检测部分是有源滤波器的关键部分，保证有源滤波器功能高效实现.当前有许多谐波检测方法，包括快速傅里叶变换法和瞬时无功功率法等，相比于其他谐波检测方法，FBD谐波检测法具有结构简单，无复杂坐标变换的优点。
在能精确获得电网电压相位信息的情况下，FBD谐波检测法可以快速准确检测出电网谐波。但传统的FBD谐波检测法通过锁相环检测电网电压相位，而锁相环仅能在电网电压平衡无畸变的工况下精准锁相，因此传统FBD谐波检测法适应性差，难以满足现代电力***的需求。介于此，各种改进的谐波检测方法被提出。
目前对FBD检测法的改进主要集中在对其锁相环(phase-locked loop,PLL)的改进。第一种是坐标变换的方法，包括双同步、多同步坐标变换，但坐标变换的方法比较复杂，需要多个解耦环节。第二种则是采用积分器产生电压同步信号，包括正弦幅值积分、降阶广义积分、二阶广义积分器以及级联二阶广义积分器等，但这几种积分器在检测精度和结构复杂性上都具有一定的提高空间。当前亟需提出一种结构简单、检测结果精确的方法，以满足现代电力***的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，不需要后期计算便可以直接实现正负序分离、内存消耗小、检测结果精确的基于复合广义积分的FBD谐波检测方法。
本发明的目的是这样达到的：
基于复合广义积分的FBD谐波检测方法，通过观测虚拟磁链代替传统FBD谐波检测法中的锁相环；虚拟磁链通过降阶广义积分和二阶广义积分相结合的复合广义积分结构进行观测：前级降阶广义积分实现对电网电压的正负序分离，后级二阶广义积分生成与电网电压矢量正交的虚拟磁链信号并进一步抑制谐波；具体步骤是：
步骤1：由电网电流和与电网电压同步的正余弦信号获得等效有功电导Gp(t)：
式中，u为电网电压，u＝[ua,ub,uc]T，i为电网电流，i＝[ia,ib,ic]T，分别为n次谐波电流正序和负序幅值；/>分别为n次谐波电流正序和负序的初相角；
步骤2：获得的等效有功电导经过低通滤波器得到直流等效有功电导将直流等效有功电导与相应正余弦信号相乘得到三相基波正序有功电流；当有源滤波器既补偿谐波又补偿无功时，将电网电流与基波正序有功电流做差，得到补偿指令信号；当有源滤波器仅补偿谐波电流时，将电网电流与基波正序有功电流和无功电流做差，得到补偿指令信号；
步骤3：与电网电压同步的正余弦信号由虚拟磁链观测模块和正余弦信号计算模块获得：首先通过Clark变换，将电网三相电压信号变换为静止坐标系下的两相信号，此信号经过虚拟磁链观测模块生成与电网电压矢量正交的虚拟磁链，虚拟磁链再输入至正余弦信号计算模块计算生成与电网电压同步的正余弦信号；
步骤4：虚拟磁链通过复合广义积分结构来观测，复合广义积分由降阶广义积分与二阶广义积分相串联的方式实现；前级降阶广义积分对来自电网的电压信号进行正负序分离，输出的电网电压正序信号作为后级二阶广义积分的输入，在二阶广义积分正交特性的作用下获得与电网电压矢量同相的电压信号/>和与电网电压矢量正交的虚拟磁链信号/>
步骤5：对锁相电路输出的虚拟磁链计算获得与电网电压同步的正余弦信号，已知电网电压矢量角θe与虚拟磁链角θ存在关系电网电压矢量角又滞后电网A相电压相位角θa90°，因此，与电网电压同步的正余弦信号表示为：
步骤6：在前级降阶广义积分器加入锁频环实现整个复合广义积分的频率自适应，避免由于电网频率偏移造成的谐波检测精度下降；
步骤7：引入后级二阶广义积分的误差信号，通过虚拟磁链与误差信号做差的方式消除直流分量的影响；
步骤8：将正余弦发生器输出的正余弦信号代入FBD谐波检测方法中，精确检测电网谐波。
锁频环的输入信号包括两部分，一部分是α轴的误差信号与其正交信号/>的乘积，另一部分是β轴的误差信号与其正交信号/>的乘积。输入信号含有ω′-ω这一频率估计所需要的误差信号，ω′为锁频环输出频率，ω为电网频率。当ω′>ω，/>大于0，反之小于0，因此当/>经过一个负的增益系数和积分控制器，使/>此时ω′＝ω，实现频率自适应。
降阶广义积分器的输出为二阶广义积分器的输入，经过前级降阶广义积分的正负序分离以及滤波作用，二阶广义积分的输入信号仅包括电压正序基波和直流量；二阶广义积分的输入到误差的传递函数具有陷波特性，陷波频率与基波频率相等，因此二阶广义积分器的误差信号仅有直流量，采用虚拟磁链与误差信号做差就能消除直流分量的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)通过观测虚拟磁链替代传统FBD谐波检测法的锁相环，采用一种无锁相环的谐波检测方法，避免锁相环在复杂工况下锁相误差大的问题，且结构简单实用，适于推广。
(2)虚拟磁链通过降阶广义积分与二阶广义积分相串联的结构观测，不需要后期计算就可以直接获得正序虚拟磁链。
(3)前级降阶广义积分对电网电压进行正负序分离，并对电网电压中的谐波加以抑制。
(4)降阶广义积分输出的正序电网电压输送至后级二阶广义积分器，二阶广义积分器生成与电网电压正交的虚拟磁链，同时进一步抑制电网电压信号中的谐波和噪声。
(5)引入锁频环，实现频率自适应，使所提方法在电网频率波动时依旧有较好的检测效果。
(6)设计了一种直流分量滤除环节，检测效果不受输入信号中的直流分量影响，进一步提高所提方法的适应性。
附图说明
图1为本发明提出的复合广义积分FBD谐波检测法原理图；
图2为降阶广义积分幅频特性曲线；
图3为复合广义积分结构图；
图4为直流分量消除结构图；
图5为复杂工况下检测到的基波电流波形；
图6为频率自适应环节的输出频率；
图7为网侧电压含不对称直流时检测到的A相基波电流有效值。
具体实施方式
为了使本发明的实施方案和优势更清晰，下面将结合附图，介绍具体的工作原理，同时通过实例对本发明作进一步阐述。
本发明通过观测虚拟磁链代替传统FBD谐波检测法中的锁相环。虚拟磁链通过降阶广义积分和二阶广义积分相结合的复合广义积分结构进行观测：前级降阶广义积分实现对电网电压的正负序分离，后级二阶广义积分生成与电网电压正交的虚拟磁链信号并进一步抑制谐波。同时，在降阶广义积分中引入锁频环，实现频率自适应，设计了直流分量滤除环节，使得检测效果不受输入信号中的直流分量影响，进一步提高所提方法的适用性。
根据图1，电网电流和与电网电压同步的正余弦信号获得等效有功电导：
式中，u为电网电压，u＝[ua,ub,uc]T，i为电网电流，i＝[ia,ib,ic]T，分别为n次谐波电流正序和负序幅值；/>分别为n次谐波电流正序和负序的初相角；
再经过低通滤波器得到直流等效有功电导将直流等效有功电导与相应正余弦信号相乘得到三相基波正序有功电流，当有源滤波器既补偿谐波又补偿无功时，将电网电流与基波正序有功电流做差，得到补偿指令信号；当有源滤波器仅补偿谐波电流时，将电网电流与基波正序有功和无功电流做差，得到补偿指令信号。
与电网电压同步的正余弦信号由虚拟磁链观测模块和正余弦信号计算模块获得。首先通过Clark变换，将电网三相电压信号变换为静止坐标系下的两相信号，此信号经过虚拟磁链观测模块生成与电网电压矢量正交的虚拟磁链，虚拟磁链再输入至正余弦信号计算模块计算生成与电网电压同步的正余弦信号。电压同步正余弦信号的准确与否决定FBD谐波检测法的检测效果，然而传统锁相环仅能在电网电压平衡无畸变工况下才有较为精确的结果，适应复杂工况的性能差。
图2是降阶广义积分(reduced order generalized integration,ROGI)传递函数Gr(s)的幅频特性曲线，其中实线为负序特性曲线，虚线为正序特性曲线。可见正序曲线在50Hz处具有无穷大增益，能够无静差跟踪基波分量，在-50Hz处增益极小，基本可以忽略。同时Gr(s)在高频处增益迅速减少，因此ROGI能够实现正负序分离并具有一定的谐波抑制能力。由图2可见Gr(s)在其中心频率处带宽很窄，抗电网频率偏移能力差，因此必须精准跟踪电网频率变化才能保证ROGI功能的有效实现。
虚拟磁链与电网电压矢量具体有如下关系：
可见要观测虚拟磁链，就要产生与电压矢量正交的信号，二阶广义积分器(secondorder generalized integrator,SOGI)具有正交特性，可用于后级观测虚拟磁链。
图3是复合广义积分虚拟磁链观测结构图，ROGI作为前级，分离正负序分量，并将正序分量送至后级SOGI，通过SOGI的正交特性生成与电压信号正交的虚拟磁链，同时SOGI也具有一定的高频滤波效果，可以进一步滤除谐波。
与电网电压同步的正余弦信号可由虚拟磁链计算获得，已知电网电压矢量角θe与虚拟磁链角θ存在关系电网电压矢量角又滞后电网A相电压相位角θa90°，因此与电网A相电压同步的正余弦信号：
为了提高虚拟磁链观测器抗电网频率偏移的能力，在前级降阶广义积分器加入锁频环。本发明采用的锁频环输入信号包括两部分，一部分是α轴的误差信号与其正交信号的乘积，另一部分是β轴的误差信号与其正交信号/>的乘积。输入信号/>含有ω′-ω这一频率估计所需要的误差信号，ω′为锁频环输出频率，ω为电网频率。当ω′>ω，/>大于0，反之小于0，因此当/>经过一个负的增益系数和积分控制器，使/>此时ω′＝ω，锁频环的输出频率与电网频率一致，实现频率自适应。
为了消除不平衡直流分量的影响，设计了如图4所示的直流量消除结构，经过前级降阶广义积分的正负序分离以及滤波作用，二阶广义积分的输入信号仅包括电压正序基波分量和直流量，二阶广义积分的输入到误差的传递函数具有陷波特性，陷波频率与基波频率相等，因此误差信号仅有直流量，虚拟磁链与误差信号做差就能消除直流分量的影响。
将得到的与电网电压同步的正余弦信号代入FBD谐波检测方法中，便能准确检测电网谐波。
实施例：
搭建仿真模型，设置不同运行条件对上述谐波检测方法的性能进行仿真验证。图5是在电网电压不对称的条件下加入3、5、7次谐波，复合广义积分的FBD谐波检测方法所检测出的基波电流波形，仿真时通过在A相加入10Ω电阻模拟电网不对称运行条件。可见，在复杂工况下本发明提出的方法也能精确检测到网侧基波电流。
设置电网频率在0.08秒时由50Hz降为49.5Hz，图6为复合广义积分中频率自适应环节输出的频率波动。在0.08秒前，检测到的频率稳定、准确，在电网发生频率偏移后，自适应环节经过一个周期的调整可以稳定在49.5Hz，适应电网频率偏移能力强。
在A相加入100V直流电压，B、C相不做变化，得到网侧电压含不对称直流分量工况下A相基波电流有效值，如图7所示，点线是未加入直流电压时检测到的基波电流波形；虚线是存在直流电压，但未加直流量消除环节的输出波形，实线是存在直流电压且加入了直流量消除环节的输出波形。可见加入直流量消除环节后，能有效避免***直流分量对检测结果的影响，进而提高复合广义积分FBD谐波检测方法的检测精度。
Claims (3)
1.一种基于复合广义积分的FBD谐波检测方法，其特征在于：通过观测虚拟磁链代替传统FBD谐波检测法中的锁相环；虚拟磁链通过降阶广义积分和二阶广义积分相结合的复合广义积分结构进行观测：前级降阶广义积分实现对电网电压的正负序分离，后级二阶广义积分生成与电网电压矢量正交的虚拟磁链信号并进一步抑制谐波；具体步骤是：
步骤1：由电网电流和与电网电压同步的正余弦信号获得等效有功电导Gp(t)
式中，u为电网电压，u＝[ua,ub,uc]T，i为电网电流，i＝[ia,ib,ic]T，分别为n次谐波电流正序和负序幅值；/>分别为n次谐波电流正序和负序的初相角；
步骤2：获得的等效有功电导经过低通滤波器得到直流等效有功电导将直流等效有功电导与相应正余弦信号相乘得到三相基波正序有功电流；当有源滤波器既补偿谐波又补偿无功时，将电网电流与基波正序有功电流做差，得到补偿指令信号；当有源滤波器仅补偿谐波电流时，将电网电流与基波正序有功电流和无功电流做差，得到补偿指令信号；
步骤3：与电网电压同步的正余弦信号由虚拟磁链观测模块和正余弦信号计算模块获得：首先通过Clark变换，将电网三相电压信号变换为静止坐标系下的两相信号，此信号经过虚拟磁链观测模块生成与电网电压矢量正交的虚拟磁链，虚拟磁链再输入至正余弦信号计算模块计算生成与电网电压同步的正余弦信号；
步骤4：虚拟磁链通过复合广义积分结构来观测，复合广义积分由降阶广义积分与二阶广义积分相串联的方式实现；前级降阶广义积分对来自电网的电压信号进行正负序分离，输出的电网电压正序信号作为后级二阶广义积分的输入，在二阶广义积分正交特性的作用下获得与电网电压矢量同相的电压信号/>和与电网电压矢量正交的虚拟磁链信号/>
步骤5：对锁相电路输出的虚拟磁链计算获得与电网电压同步的正余弦信号，已知电网电压矢量角θe与虚拟磁链角θ存在关系电网电压矢量角又滞后电网A相电压相位角θa90°，因此，与电网电压同步的正余弦信号表示为：
步骤6：在前级降阶广义积分器加入锁频环实现整个复合广义积分的频率自适应，避免由于电网频率偏移造成的谐波检测精度下降；
步骤7：引入后级二阶广义积分的误差信号，通过虚拟磁链与误差信号做差的方式消除直流分量的影响；
步骤8：将正余弦发生器输出的正余弦信号代入FBD谐波检测方法中，精确检测电网谐波。
2.根据权利要求1所述的基于复合广义积分的FBD谐波检测方法，其特征在于：在所述步骤6中，在前级降阶广义积分器加入锁频环，锁频环的输入信号包括两部分，一部分是α轴的误差信号与其正交信号/>的乘积，另一部分是β轴的误差信号与其正交信号/>的乘积；输入信号含有ω′-ω这一频率估计所需要的误差信号，ω′为锁频环输出频率，ω为电网频率；当ω′>ω，/>大于0，反之小于0；当/>经过一个负的增益系数和积分控制器，使此时ω′＝ω，实现频率自适应。
3.根据权利要求1所述的基于复合广义积分的FBD谐波检测方法，其特征在于：降阶广义积分器的输出为二阶广义积分器的输入，经过前级降阶广义积分的正负序分离以及滤波作用，二阶广义积分的输入信号仅包括电压正序基波和直流量；二阶广义积分的输入到误差的传递函数具有陷波特性，陷波频率与基波频率相等，因此二阶广义积分器的误差信号仅有直流量，采用虚拟磁链与误差信号做差就可消除直流分量的影响。
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