CN115085223A - 一种用于电网晃电故障时的电压检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电网晃电故障时的电压检测方法及装置,当电网电压发生三相不平衡电压波动时,t时刻的电压正序分量、负序分量通过t‑TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压直接计算获得,TS为采样周期。本发明能够有效保证电压检测的实时性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电网晃电故障时的电压检测方法及装置。
背景技术
当三相电网电压发生三相平衡电压波动时,负序分量和零序分量为零,仅有正序分量发生改变;当电网电压发生三相不平衡电压波动时(晃电故障时),电压存在正序分量和负序分量,而且正序分量和负序分量中均有二倍频分量。现有晃电故障的电压检测大都采用低通滤波器法或延迟信号对滤除二倍频,获得电压正序分量和负序分量,此种方法存在时间延迟过长,电压检测实时性较差的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电网晃电故障时的电压检测方法及装置,能够有效保证电压检测的实时性和准确性。
基于同一发明构思,本发明具有两个独立的技术方案:
1、一种电网晃电故障时的电压检测方法,当电网电压发生三相不平衡电压波动时,t时刻的电压正序分量、负序分量通过t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压直接计算获得,TS为采样周期。
进一步地,t时刻的电压d轴正序分量通过如下方法计算获得,
进一步地,t时刻的电压q轴正序分量通过如下方法计算获得,
进一步地,t时刻的电压d轴负序分量通过如下方法计算获得,
进一步地,t时刻的电压q轴负序分量通过如下方法计算获得,
进一步地,采样点的正序电压通过如下方法计算获得,
式中upd,upq分别为t时刻采样点的d轴正序电压分量、q轴正序电压分量,ua(t)、ub(t)、uc(t)分别为t时刻采样点三相电压,正序坐标变换矩阵TP(ωt)为:
ω为电网电压角频率。
进一步地,采样点的负序电压通过如下方法计算获得,
式中und,unq分别为t时刻采样点的d轴负序电压分量、q轴负序电压分量,ua(t)、ub(t)、uc(t)分别为t时刻采样点三相电压;负序坐标变换矩阵Tn(ωt)为:
ω为电网电压角频率。
进一步地,将计算获得的电压正序分量输入至锁相环,获得电压估计相位角θ0。
进一步地,锁相环采用类一阶锁相环,d轴电压正序分量、q轴电压正序分量分别输入所述类一阶锁相环,通过所述类一阶锁相环获得电压估计相位角θ0的计算公式如下,
式中,ωff为标称频率,ω0为估计频率,△ω0为估计频率与标称频率之间的偏差,根据输入的d轴电压正序分量、q轴电压正序分量计算获得,△θ0为电压估计相位角与电压标称相位角之间的偏差。
2、一种用于电网晃电故障时的电压检测装置,其特征在于,包括:
电压传感器,用于检测三相电压,并将电压检测信号传送至控制单元;
控制单元,用于当电网电压发生三相不平衡电压波动时,通过t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压计算获得t时刻的电压正序分量、电压负序分量;
类一阶锁相环,根据所述电压正序分量获得电压估计相位角θ0。
本发明具有的有益效果:
本发明当电网电压发生三相不平衡电压波动时,t时刻的电压正序分量、负序分量通过t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压直接计算获得,不需采用低通滤波器法或延迟信号对滤除二倍频,有效缩短检测时间,有效保证电压检测的准确性和实时性。
本发明t时刻的电压d轴正序分量通过如下方法计算获得,
t时刻的电压q轴正序分量通过如下方法计算获得,
t时刻的电压d轴负序分量通过如下方法计算获得,
t时刻的电压q轴负序分量通过如下方法计算获得,
本发明基于t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压,通过上述方法获得电压正序分量、负序分量,不需采用低通滤波器法或延迟信号对滤除二倍频,进一步有效保证电压检测的准确性和实时性。
本发明将计算获得的电压正序分量输入至锁相环,获得电压估计相位角θ0;锁相环采用类一阶锁相环,d轴电压正序分量、q轴电压正序分量分别输入所述类一阶锁相环,通过类一阶锁相环获得电压估计相位角θ0的计算公式如下,
本发明将通过上述方法计算获得的电压正序分量直接输入至锁相环,获得电压估计相位角θ0,锁相环不需要滤除不平衡故障下的负序分量以及二倍频分量,有效保证***的实时精确锁相,并减少***的复杂度,提高***的稳定性。本发明采用的类一阶锁相环与传统的二阶锁相环相比,有更快地响应速度和更大的相位裕度,同时控制结构也更加简单,不仅可以加快电压检测的速度,也可以提高***的稳定性。
附图说明
图1是本发明电压计算示意图;
图2是类一阶锁相环模型图;
图3是本发明电压检测方法示意图;
图4是电压dq正序变换后的示意图;
图5是电压dq负序变换后的示意图;
图6是电压基波正序分量提取波形示意图;
图7是电压基波负序分量提取波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明,但应当说明的是,这些实施方式并非对本发明的限制,本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代,均属于本发明的保护范围之内。
实施例一:
电网晃电故障时的电压检测方法
当三相电网电压发生三相平衡电压波动时,负序分量和零序分量为零,仅有正序分量发生改变;当电网电压发生三相不平衡电压波动时(晃电故障时),电压存在正序分量和负序分量,而且正序分量和负序分量中均有二倍频分量。
基于对称分量原理,可将所检测到的三相电网电压U=[ua(t) ub(t) uc(t)]T描述为正序分量U+与负序分量U-的和,即有:
U=U++U- (1)
其中:
双dq变换包括正序、负序变换,分别用来检测基波正序分量和基波负序分量。为了提取正序分量,需要将三相电压进行正序变换,即:
式中upd,upq分别为t时刻采样点的d轴正序电压分量、q轴正序电压分量,ua(t)、ub(t)、uc(t)分别为t时刻采样点三相电压,正序坐标变换矩阵TP(ωt)为:
经过正序变换后,得到旋转坐标系下的表达式为:
为了提取负序分量,需要将三相电压进行负序变换,即:
式中und,unq分别为t时刻采样点的d轴负序电压分量、q轴负序电压分量,ua(t)、ub(t)、uc(t)分别为t时刻采样点三相电压;负序坐标变换矩阵Tn(ωt)为:
经过负序变换后,得到旋转坐标系下的表达式为:
由式(6)和(9)可知,当三相不平衡电压分别经过正序dq变换与负序变换之后均会变成直流分量与二倍频交流分量叠加的形式。
因此在滤除二倍频谐波之后,通过式(10)计算即可求得正序、负序电压分量的幅值与相位。
式中K取+,-分别表示正序,负序分量。
如图1、图3所示,本发明不需滤除二倍频谐波,对dq坐标系下的正负序电压分量进行一个采样周期与两个采样周期的延迟后,通过正负序分量提取算法直接计算获得电压正序分量、负序分量。
当电网电压发生三相不平衡电压波动时,t时刻的电压正序分量、负序分量通过t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压直接计算获得,TS为采样周期。
t时刻的电压d轴正序分量通过如下方法计算获得,
联立式(11)、(12)得到t时刻的电压d轴正序分量(d轴基波正序分量)为:
同理,t时刻的电压q轴正序分量通过如下方法计算获得,
t时刻的电压d轴负序分量通过如下方法计算获得,
联立式(15)(16)得到t时刻的电压d轴负序分量(d轴基波负序分量)为:
同理,t时刻的电压q轴负序分量通过如下方法计算获得,
当电网发生不平衡故障时,电压中包含的负序分量以及dq变换后的二倍频分量都对锁相环的性能有所影响,因此将以上得到的电压正序分量(dq轴正序分量)作为锁相环的输入,有助于提高***的动态响应特性以及控制精度。
如图2、图3所示,将计算获得的电压正序分量(dq轴正序分量upd、upq)输入至锁相环,获得电压估计相位角θ0。
图2、图3显示了类一阶锁相环的结构,此为现有技术。图3中Z-Ts与Z-2Ts分别为延时一个采样时间与两个采样时间模块,LPF为低通滤波器,kp为锁相环增益系数,θ0.e为锁相环输出角度。
ωff为标称频率,ωo=ωff+Δωo为估计频率,θo为估计相位角。
Vi为输入电压幅值。
θi为输入相位角,ωi和Δωi分别为输入频率及其与标称频率的偏差。
经过坐标变换后,可以得到dq坐标系下电压为:
通过以上式子,可以得到一阶锁相环的微分方程:
其中θe=θi-θ0=Δθi-Δθ0。
在锁相情况下,相角误差应该是确定的。因此可以分别得到相角阶跃变化和频率阶跃变化的解,分别为:
上式可以看到,在非标称电网频率下,一阶锁相环的相位跟踪误差取决于输入电压的幅值Vi,因此在类一阶锁相环中采用了振幅归一化方案,通过将dq轴电压求反正切来消除输入电压幅值对PLL跟踪误差的影响。在振幅归一化之后,相位跟踪误差与Δωi成正比
通过上式的计算,通过前馈补偿,将误差结果添加到类一阶锁相环的输出中,就可以使锁相环相位跟踪误差为0。
将补偿后的θ0.e作为正负序变换中的相角输入,可以减少频率阶跃变化给正负序变换计算带来的影响。
为评估所提出晃电故障检测方法的性能,基于simulink实验平台搭建了VSI硬件仿真测试平台。图4、图5给出了在0.06s到0.1s期间电网发生A相短路不平衡故障时,双dq变换后电压幅值波形。图6、图7给出了基于本发明方法提取基波正负序分量的波形。
实施例二:
电网晃电故障检测装置
包括电压传感器,所述电压传感器用于检测三相电压,并将电压检测信号传送至控制单元。
包括控制单元,所述控制单元用于执行实施例一所述方法,计算获得电压正序分量、负序分量。
包括实施例一所述的类一阶锁相环,将计算获得的电压正序分量(dq轴正序分量upd、upq)输入至锁相环,获得电压估计相位角θ0。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
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。
Claims (9)
1.一种用于电网晃电故障时的电压检测方法,其特征在于:当电网电压发生三相不平衡电压波动时,通过t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压计算获得t时刻的电压正序分量、电压负序分量,并将所述电压正序分量输入至锁相环,获得电压估计相位角θ0.e;其中TS为采样周期。
9.一种用于电网晃电故障时的电压检测装置,其特征在于,包括:
电压传感器,用于检测三相电压,并将电压检测信号传送至控制单元;
控制单元,用于当电网电压发生三相不平衡电压波动时,通过t-TS时刻、t时刻、t+TS时刻的3个连续采样点电压计算获得t时刻的电压正序分量、电压负序分量;
类一阶锁相环,根据所述电压正序分量获得电压估计相位角θ0。
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