高精度且抗噪声干扰的电网同步相位快速开环检测方法与流程

技术领域：

本发明属于电网同步相位检测技术领域，特别涉及一种高精度且抗噪声干扰的电网同步相位快速开环检测方法。

背景技术：
：

快速准确地获取电网的同步相位是并网型电力电子装置安全稳定运行的基本要求，也是实现高性能变流器控制的关键技术。现有的电网同步相位检测方法可大致分成两类：闭环检测方法与开环检测方法。

闭环相位检测，也称为软锁相环(softwarephase-lockedloop，spll)。典型的spll主要有3种：单同步坐标系spll(singlesynchronousreferenceframespll，ssrf-spll)、基于对称分量法的ssrf-spll、基于双同步坐标系的解耦spll(decoupleddoublesrf-spll，ddsrf-spll)。其中，ssrf-spll能有效地应用于电网平衡时的幅值、频率与相位检测，其动态、稳态响应性能均较好。但是，当电网不平衡时，ssrf-spll输出的相位存在着2次谐波，因此稳态性能不好。改进ssrf-spll利用对称分量法来分离正序电压分量，并将其送入闭环调节器之后即可获得不平衡电压的相位。然而，该方法使用了固定参数的全通滤波器，当电网发生频率漂移时，锁相的准确性较差。ddsrf-spll则采用了基于正、负序的双同步坐标系结构，实现了正负序的解耦，有效解决了三相不对称时的锁相问题。然而，由于双同步坐标系结构的使用以及pi调节器与4个低通滤波器间的耦合作用，使得该方法的动态过程十分复杂，其较长的响应时间无法满足高性能锁相对快速性的要求。此外，spll的环路滤波器几乎都采用了pi调节器，因此其动态响应时间主要决定于调节器的特性。当电网环境较恶劣时，调节器参数很难进行优化设计，且调节器的动态过程耗时较长，现有的spll的响应时间几乎都大于1个工频周期，无法满足快速准确锁相的要求。消除闭环调节过程则可显著提高相位检测的速度，这即是开环测相的出发点。

过零鉴相法是目前最常用的开环相位检测方法，常用于电网环境较好且控制精度不高的场合，其缺陷是无法获得电压基波正序分量的实时相位，其它开环锁相法大多针对某种特定的电网条件来设计滤波器，以实现快速开环锁相，例如：加权最小二乘估计法、基于低通滤波变换的相位检测器等。显然，上述开环锁相方法无法同时应对各种可能的电网异常，此外也有算法复杂、不易在嵌入式处理器中实现等问题。上述的几种方法都存在一些不足，理想的电网同步相位检测技术应同时满足准确性、快速性、抗噪声干扰性要求，此外检测方法还应当简单易行，以便于在嵌入式控制器中实现。

技术实现要素：
：

本发明的目的是提供一种高精度且抗噪声干扰的电网同步相位快速开环检测方法，该方法无需进行闭环动态调节，因此无需繁琐而复杂的控制系统参数设计。

本发明所采用的技术方案进行如下：一种高精度且抗噪声干扰的电网同步相位快速开环检测方法，包括三相电网电压信号ua、ub、uc经同步旋转坐标变换后得到两相旋转坐标系下的ud、uq，基于ud、uq以及附加角θex选取规则，即可根据本发明公开的幅值、相位公式计算出电网电压的实时幅值、相位。

以下内容将对电网同步相位快速开环检测方法的基本原理进行详细说明。

本发明中的三相电网电压信号、同步旋转坐标变换矩阵分别如下所示：

(1)

(2)

三相电网电压经旋转坐标变换后可得ud、uq：

(3)

假设初始相位θ∈(0,2π)，则根据式(3)可得：

(4)

其中，

(5)

此时电网电压的同步相位如下：

(6)

幅值为：

(7)

本发明所述的电网同步相位快速开环检测方法，包括如下步骤：

（1）通过电压传感器检测电网电压信号ua、ub、uc；

（2）将检测到的电网电压信号通过同步旋转坐标变换模块进行同步旋转坐标变换，且同步旋转坐标变换矩阵为tabc/dq(ωst)，得到两相旋转坐标系下的电压ud、uq；其中，ωs=2πfs，ωs为电网电压的同步角频率，fs为50hz（北美国家为60hz），且；

（3）若采集到的电网电压信号中存在高频噪声或者谐波成分，则需要在同步旋转坐标变换模块之后增加滤波器模块，以消除噪声、谐波等的影响；若电网电压信号中存在高频噪声，则对步骤(2)中的输出信号进行滤波，且应优先使用高带宽的低通滤波器(lpf)；若电网电压信号中存在特定次的谐波成分，则可增加dsc、maf或其他滤波器进行谐波消除；若要同时消除任意次谐波成分的影响，则应直接使用滑动步长为工频周期的maf作为滤波模块，以获得最佳的滤波性能；

（4）根据步骤(3)得到的ud、uq，由判断条件选择正确的θex，判断条件如下：若ud>0且uq>0，则取θex=0；ud<0，则取θex=π；若ud>0且uq<0，则取θex=2π；

（5）根据步骤(3)、(4)得到的参数，结合本发明提出的幅值、相位计算公式即可得到电网的实时相位；其中，幅值计算公式为：，相位计算公式为：。

此外，通过搭建电网同步相位快速开环检测方法的仿真模型，对这种相位检测方法进行仿真验证，仿真结果也同时证实了该方案的正确性和有效性。通过上述技术方案，本发明的有益效果为：与现有的电网同步相位检测方法相比，能够快速准确且实时在线地检测电网的同步相位，可分别或者同时应对电网电压幅值、相位、频率的突变以及噪声的干扰，方法简单易行，无需根据具体的应用场合进行参数调试，测量精度高且抗噪声干扰能力强。

附图说明：

图1本发明的电网同步相位的快速开环检测方法原理图；

图2本发明中含噪声的三相电网电压及其幅值波形；

图3本发明中有噪声时电网相位突变前后的仿真波形对比图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1为本发明电网同步相位快速开环检测原理图，主要包括：中电网电压信号ua、ub、uc采集模块、同步旋转坐标变换模块、低通滤波模块、附加角θex选择模块和幅值相位计算模块。

图2为含噪声的三相电网电压波形和幅值波形，电压的初始幅值为1p.u.，0.05s时幅值突变为1.5p.u.。

图3是在有高频噪声的情况下，电网相位突变前后的仿真波形对比图，电网电压的初始频率为50hz，幅值为1p.u.，初始相位为0；0.05s时，电网电压频率突变为60hz，幅值突变为1.5p.u.，初始相位突变为π/6。

本发明中的三相电网电压信号、同步旋转坐标变换矩阵分别如下所示：

(1)

(2)

三相电网电压经旋转坐标变换后可得ud、uq：

(3)

假设初始相位θ∈(0,2π)，则根据式(3)可得：

(4)

其中，

(5)

此时电网电压的同步相位如下：

(6)

幅值为：

(7)

本发明所述的一种高精度且抗噪声干扰的电网同步相位快速开环检测方法，包括如下步骤：

（1）通过电压传感器检测电网电压信号ua、ub、uc；

（2）将检测到的电网电压信号通过同步旋转坐标变换模块进行同步旋转坐标变换，且同步旋转坐标变换矩阵为tabc/dq(ωst)，得到两相旋转坐标系下的电压ud、uq；其中，ωs=2πfs，ωs为电网电压的同步角频率，fs为50hz（北美国家为60hz），且；

（3）若采集到的电网电压信号中存在高频噪声或者谐波成分，则需要在同步旋转坐标变换模块之后增加滤波器模块，以消除噪声、谐波等的影响；若电网电压信号中存在高频噪声，则对步骤(2)中的输出信号进行滤波，且应优先使用高带宽的低通滤波器(lpf)；若电网电压信号中存在特定次的谐波成分，则可增加dsc、maf或其他滤波器进行谐波消除；若要同时消除任意次谐波成分的影响，则应直接使用滑动步长为工频周期的maf作为滤波模块，以获得最佳的滤波性能；

（4）根据步骤(3)得到的ud、uq，由判断条件选择正确的θex，判断条件如下：若ud>0且uq>0，则取θex=0；ud<0，则取θex=π；若ud>0且uq<0，则取θex=2π；

（5）根据步骤(3)、(4)得到的参数，结合本发明提出的幅值、相位计算公式即可得到电网的实时相位；其中，幅值计算公式为：，相位计算公式为：。

以上内容是结合具体的案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。