一种交流电相位频率幅值跟踪重构的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交流电相位检测与重构的技术领域，更具体地，涉及一种交流电相位 频率幅值跟踪重构的方法。
【背景技术】
[0002] 光伏、风力等新能源并网发电快速发展，分布式发电成为热点研究对象。软件锁相 环是分布式发电系统中的关键技术，用以检测污染的电网电压的频率和相位，为并网发电 提供支持。受污染的电网不仅电压不平衡，而且含有多次谐波分量。为越来越多的学者对 其进行了研究，提出了诸多锁相环的控制与设计方案。例如基于低通滤波锁相环、基于加权 最小二乘法估计的锁相环、基于扩展卡尔曼滤波器的锁相环、基于空间矢量滤波器的锁相 环等等。他们都存在以下问题：锁相的精度不高，响应慢，对系统频率变化和三相电压不平 衡较敏感。随着研究的深入，许多锁相环被提出，从而使锁相环的性能得到不断的改善和提 升。基于单同步坐标系软件锁相环，当三相电网电压不平衡时，得到的电压正序分量的相位 存在较大2次谐波。基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相环，对频率适应性相对不足。 为了提高锁相环的锁相精度和响应，提出了基于双同步坐标系的解耦软件锁相环。该方法 能在电压平衡和不平衡条件下准确地获取电网电压的相位、幅值和频率信息，具有较好的 电网适应性。
[0003] 由于单相电网电压信号不存在构成同步旋转坐标系的两相正交电压信号，上述基 于同步旋转坐标系的三相电网锁相环控制策略一般不适用于单相电网锁相环的控制。单相 电网电压的锁相环方案有：基于延迟法构造虚拟两相的单相锁相环，存在周期性的延迟，动 态响应慢。基于P-Q理论的单相锁相环，在电压跌落、相位突变时，响应慢。基于Park反变 换的单相锁相环，滤波器设计困难，电压不平衡时响应慢。
[0004] 基于双二阶广义积分器的检测算法在许多方面都用应用。基于双二阶广义积分器 的三相软件锁相环能在电压平衡和不平衡条件下分析三相电网电压的相位、幅值和频率信 息，响应快。而且基于双二阶广义积分器的单相软件锁相环也能准确快速的获取单相交流 电的信息。但是，一方面，以上锁相环技术均需要提供被测对象的基频和三相电压的相序； 另一方面，当交流电谐波分量较大时，实际的相位曲线不是标准的正弦曲线，角频率不为恒 定值，而以上算法得到的角频率均为恒定值，这样相位误差就会变大，在变频调速、未知电 网和锁相环相位跟踪等复杂的应用情况下，上述算法并不能实际解决问题。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二阶广义积分器交 流电相位频率跟踪重构的算法，其目的在于无需给定参考频率，可以对任意未知幅值、频率 的交流电分析，从而得出各自的幅值、频率和相位，具备良好的跟踪和重构效果。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种交流电相位频率幅值跟踪 重构方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0007] (1)实时米集交流电，判断其是单相或是二相交流电，若是单相，则进入步骤（2)， 若是三相交流电，则进入步骤（3);
[0008] (2)实现单相交流电的重构；其包括如下子步骤：
[0009] (2-1)连续采集N组单相交流电实时数据，并将其输入二阶广义积分器求解出两 个正交的输出量，利用上述两个正交的输出量求出实时交流电幅值；
[0010] (2-2)求解其中0为单相交流电实际相位角，|为单相交流电跟踪相 位角，其中sin(6>-#；) =JT._#+r.sini，其中X、Y是分别与所述两个正交的输出量相关的 系数；
[0011] (2-3)将所述步骤（2-2)获得的sin⑷作为PI控制器的输入，进行调节，进而 输出所述单相交流电的角频率，所述角频率积分之后获得所述单相交流电的相位角；
[0012] (2-4)由上述步骤获得的所述幅值、角频率和相位角，实现所述单相交流电的重 构；
[0013] (3)实现三相交流电的重构；其包括如下子步骤：
[0014] (3-1)连续采集N组三相交流电实时数据，计算得出嫁.sini，其中 9为三相交流电实际相位角，I为三相交流电跟踪相位角，其中M、N是与三相电压幅值和 三相电压信号相关的表达式；
[0015] (3-2)将所述步骤（3-1)获得的Sin(f-6b作为PI控制器的输入，进行调节，进而输 出所述三相交流电的角频率，所述角频率积分之后获得所述三相交流电的相位角；
[0016] (3-3)将所述步骤（3-2)的输出输入二阶广义积分器，求解得出三组两个正交的 输出量，计算得出各相实时幅值；
[0017] (3-4)由所述步骤（3-2)、（3-3)获得的所述幅值、角频率和相位角，实现所述单相 交流电的重构。
[0018] 进一步地，所述步骤（2-1)及所述步骤（3-3)中计算所述幅值的方法为 ^4 = 士|2+丨||2::，其中t和1分别为求出的所述两正交的输出量。
[0019] 进一步地，所述步骤（2-1)及所述步骤（3-3)中计算所述幅值的方法为反Park变 换法，即J= -(悉賊
[0020] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于对采集的三 相交流电实际值分析出三相交流电的频率、相位、相序关系，其次利用二阶广义积分器、频 率和相位信息得到各相实时的估计幅值，再次估计幅值代入提出的算法，减小估计的频率 和相位误差，能够取得下列有益效果：
[0021] (1)巧妙地应用了正弦差公式及二阶广义积分器，无需提供前馈参考角频率，能有 效分析任意未知角频率的交流电的相位、频率和幅值；
[0022] (2)对于单相或三相电压、电流信号，均可实现信号分析；
[0023] (3)本发明能适应含有谐波和噪声的交流电信号，并分析出准确的交流电的相位、 频率和幅值；
[0024] (4)本发明实用有效、计算量小，在0.2s内即计算出交流电的频率、相位和幅值， 并且实现交流电的实时重构。
【附图说明】
[0025] 图1是按照本发明实现的针对三相交流电锁相环原理框图；
[0026] 图2是按照本发明实现的针对单相交流电锁相环原理框图；
[0027] 图3是按照本发明实现的交流电跟踪重构方法流程图；
[0028] 图4是发电机实际控制绕组三相电流的观测图；
[0029] 图5是按照本发明实现的三相锁相环计算得出的相位和频率的观测图；
[0030] 图6是按照本发明的方法重构的B相电流与实际滤波后的三相电流的观测图。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032] 将三相交流电压用正弦函数表示，同理也可以用余弦函数分析求解。三相交流电 压表达式如下所示：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]va+vb+vc= 0 (4)
[0037]A、B、C分别表示三相交流电压幅值，当三相电压幅值相等时，满足A=B=C;当 三相交流电压不平衡，幅值不相等时。忽略电压幅值恒为零情况，式（1)_(3)也可表示为：
[0038]
[0041]由（5)_(7)可得：[0042]
[0039]
[0040]
[0047] 其中0=心奸炉，为a相电压实际相位角；#，啬为a相电压算法跟踪相位角和角 频率。当未知三相交流电的相序时，可使用正序锁相环算法。如果计算出来的角频率为负， 则三相交流电为负序；如果计算出来的角频率为正，则三相交流电为正序。
[0048]