电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压正负序分离方法与流程

本发明涉及一种电能检测和电能应用技术，特别涉及一种电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压正负序分离方法。

背景技术：

由于传统资源日益枯竭，新能源技术的日趋成熟，越来越多的新能源发电系统接入到电网中。但风能、太阳能等新能源发电系统出力具有不稳定、间接性等特点，严重影响着电网的电能质量。其中最严重的影响之一是电网电压不平衡及谐波的产生。

在新能源发电系统并网中存在着大量的电力电子器件，他们的正常工作依赖于电源电压和电网电压保持同步运行。要实现电力电子器件与电网的同步运行，必须首先检测电网电压的频率和相位，并以此来控制变换器，使其与电网电压保持同步。其中实现该功能的最重要的一个工具就是锁相环。

在电网电压平衡的条件下，传统的锁相环可以准确地检测出电压的幅值和相位，而当发生电网电压不平衡时，传统锁相环则丧失了其功能。

技术实现要素：

本发明是针对在电网三相不平衡的情况下，常规的软件锁相环失去锁定电网基波分量的问题，提出了一种电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压正负序分离方法，能够在单相电压跌落、两相电压跌落及含高低次谐波的情况下准确及时地锁定基波电压的正负序量分量。

本发明的技术方案为：一种电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压正负序分离方法，具体包括如下步骤：

1)通过3s/2s变换，将三相静止坐标系上的abc分量ua、ub、uc转化为两相静止坐标系上的αβ分量uα、uβ；

2)将步骤1)得到的αβ分量uα、uβ作为输入，输入到由降阶谐振控制器组成的分离器中，得到两相静止坐标系上的正负序分量，并滤除全部的高次谐波和部分低次谐波；

3)将步骤2)得到的两相静止坐标系的正负序分量输入给级联延时信号消除dsc，滤除剩余部分的低次谐波，得到两相静止坐标系上的最终的正负序分量；

4)将步骤3)得到的两相静止坐标系的正负序分量经过2s/2r变换，得到两相旋转坐标系dq轴上的正负序分量；

5)将步骤4)得到的q轴上的正序分量反馈给软件锁相环，锁定电网的角频率和相位角；

6)将步骤3)得到的两相静止坐标系上的正负序分量经过2s/3s变化，得到三相静止坐标系上的正负序分量。

所述步骤2)中降阶谐振控制器分别采用正序解耦谐振控制器与负序解耦谐振控制器对不平衡电流中正序电流分量与负序电流分量进行控制，正和负序解耦谐振控制器中的传递函数为：

式中：ω0为谐振频率；ωc为截止频率系数；ki为增益系数。

降阶谐振控制器得到输出为：

式中：uαβ为输入电网电压矢量；u⁺αβ、u^-αβ分别为正、负序谐振控制器的电压分量。

所述步骤3)中在αβ坐标系中dsc算法为：

式中：α、β为分别表示坐标轴α、β上的电压分量即uα、uβ；下标p、n分别表示正、负序分量；n1、n2分别取值为2(n-1)、2(n+1)。

本发明的有益效果在于：本发明电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压正负序分离方法，采用的sdr控制器和级联dsc(延时信号消除)控制器级联方法可在电网电压不平衡及含高低次谐波的条件下准确分离出正、负序分量。较常规的spll可在电网电压不平衡及含有谐波情况下可更加快速、准确地分离出基波电压的正、负序量。

附图说明

图1为本发明正序降阶谐振结构图；

图2为本发明负序降阶谐振结构图；

图3为本发明正负序级联dsc原理图；

图4为常规软件锁相环原理图；

图5为本发明正负序量分离的总体框图；

图6为本发明单相电压跌落情况下的正序量分离图；

图7为本发明单相电压跌落情况下的负序量分离图；

图8为本发明两相电压跌落情况下的正序量分离图；

图9为本发明两相电压跌落情况下的负序量分离图；

图10为本发明两相电压跌落情况下含低次谐波情况下的正序量分离图；

图11为本发明两相电压跌落情况下含低次谐波情况下的负序量分离图；

图12为本发明两相电压跌落情况下含高低次谐波情况下的正序量分离图；

图13为本发明两相电压跌落情况下含高低次谐波情况下的负序量分离图。

具体实施方式

本发明电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压正负序分离方法，包括以下步骤：

s1：通过3s/2s变换，将三相静止坐标系上的abc分量转化为两相静止坐标系上的αβ分量；

s2：将步骤s1得到的αβ分量作为输入，输入到由sdr控制器组成的分离器中，得到两相静止坐标系上的正负序分量，并滤除全部的高次谐波和部分低次谐波；

s3：将步骤s2得到的两相静止坐标系的正负序分量输入给级联的dsc，滤除剩余部分的低次谐波，得到两相静止坐标系上的最终的正负序分量；

s4：将步骤s3得到的两相静止坐标系的正负序分量经过2s/2r变换，得到两相旋转坐标系dq轴上的正负序分量；

s5：将步骤s4得到的q轴上的正序分量反馈给软件锁相环，锁定电网的角频率和相位角；

s6：将步骤s3得到的两相静止坐标系上的正负序分量经过2s/3s变化，得到三相静止坐标系上的正负序分量。

图1、图2分别为正、负序降阶谐振结构图，sdr控制器用于三相不平衡系统的并网电流控制，分别采用正序解耦谐振(positivesequencedecoupledresonant，psdr)控制器与负序解耦谐振(negativesequencedecoupledresonant，nsdr)控制器对不平衡电流中正序电流分量与负序电流分量进行控制。根据结构图，可以得到传递函数为：

式中：ω0为谐振频率；ωc为截止频率系数；ki为增益系数。

进而可以得到输出为：

式中：uαβ为输入电网电压矢量；u⁺αβ、u^-αβ分别为正、负序谐振控制器的电压分量。

图3为正负序级联dsc的原理图。在正序旋转坐标系中，正序分量为直流量，负序分量为2倍频的交流量，对谐波分量而言，n次谐波则变为n-1次谐波。在负序旋转坐标系中，负序分量则为直流量，正序分量为2倍频的正序基波分量，对谐波分量而言，n次谐波则为n+1次谐波。由于旋转坐标系中的谐波仍然是正弦波，且具有半波对称性，因此可以利用dsc进行消除谐波。在dq⁺、dq^-坐标系中将其和延时t/[2(n-1)]的量进行相加，分别可得：

式中：t为基波分量周期；n为第n次谐波；下标d、q分别表示d轴、q轴坐标上的分量。

考虑到延时对pll系统的动态响应和稳定性的影响，需将dq坐标系中的dsc级联算法通过park逆变换转换到αβ坐标系中，进而可得在αβ坐标系中dsc算法为：

式中：α、β为分别表示坐标轴α、β上的电压分量即uα、uβ；下标p、n分别表示正、负序分量；n1、n2分别取值为2(n-1)、2(n+1)。

理论上讲，dsc可消除任何阶次的谐波。但本发明主要针对消除sdr滤波效果不理想的低次谐波，而电网电压存在的低次谐波主要为5、7次谐波。对于5、7次谐波，在正序坐标系下将含有4、6次谐波，在负序坐标系中将含有6、8次谐波。因此利用dsc来消除谐波的参数设置如下：为消除正序中的负序分量和5、7次谐波n1取6和10；为了消除负序中的正序分量和5、7次谐波，n2取14和18。

图4为常规的软件锁相环，图5为正负序量分离的总体框图，降阶谐振sdr控制器和级联dsc加入常规锁相环后的改进软件锁相环。通过本发明，在电网发生电网电压不平衡及谐波存在的情况下，可快速准确地锁定电网正负序基波分量。

为了验证该方法可行性和有效性，在matlab/simulink仿真平台上通过实验来验证。仿真中，有关参数取值为：ki＝1，ωc＝150，ω0＝100πrad/s，三相电压对称时电压＝380v，仿真时间＝0.1s。由于基波正序和基波负序都是对称的，因此仅取a相电压曲线进行分析。

图6、7为单相电压跌落情况下的正、负序量分离图。故障时假设c相短路接地，则基波正序电压为up＝254.6∠-90°v，基波负序电压为un＝125.4∠-30°v。a、b、c三相电压表达式为：

由图6、7可见，当发生单相电压跌落故障时，本发明设计的sdr控制器和级联的dsc控制器方法经过约3/4t的时候可以准确地分离正序分量，而负序分量也可在一个周期t后被分离。

图8、9为两相电压跌落情况下的正、负序量分离图。故障前三相电压为对称的，即up＝380v；故障时b、c两相跌落50％，基波正序电压为up＝254.6∠-90°v，基波负序电压为un＝64.6∠-90°v。三相电压的表达式为：

由图8、9可见，采用本发明的方法，大约经过1.5t可准确分离正序分量，分离负序分量大概需要一个t周期。

图10、11为两相电压跌落情况下含低次谐波情况下的正、负序量分离图。为了评估在输入电压含有谐波情况下的性能，本发明的测试条件为输入电压在谐波畸变的情况下发生不对称跌落，输入电压含有幅值为50v的5次谐波和7次谐波，不对称的情况与上述的实验相同，都为b、c两相分别跌落50％。三相电压的表达式为：

由图10、11可见，在含有低次谐波的时候，本文使用的分离方法可分别可在0.5t周期和1.5t周期内准确分离出正负序量。

图12、13为两相电压跌落情况下含高低次谐波情况下的正、负序量分离图。为了进一步测试在输入电压含有谐波情况下的性能，此次测试条件为在上述实验基础上再增加一幅值为50v的20次的高次谐波。三相电压的表达式为：

由图12、13可见，在输入电压含有低次谐波和高次谐波的条件下，本文设计的分离方法仍具有高准确性和快速性。