适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法。

背景技术：

微电网是由若干分布式电源(distributedgeneration,dg)、储能装置和就地负荷组成的可控系统，具有孤岛和并网两种运行模式，其中dg通常经由三相并网逆变器接入电网。为了实现离/并网切换以及向电网注入单位功率因数的电流，并网逆变器需要检测公共连接点(pointofcommoncoupling,pcc)的电压相位。由于微电网中接入大量并网逆变器，线路阻抗通常不可忽略，因此pcc电压含有背景谐波和负序而表现为畸变和不平衡。三相并网逆变器的电压相位检测通常采用基于同步坐标系的软件锁相环(synchronousreferenceframephaselockedloop,srf-pll)，电压畸变不平衡时，其中的负序分量会在srf-pll的同步坐标变换结果中产生2倍频振荡，即便低通滤波器也不能完全消除振荡对检测精度的影响，从而使相位检测结果存在误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法，该方法解决了在电网电压畸变不平衡时传统相位检测方法存在误差的问题，在电压畸变且不平衡时可以准确地进行电压相位检测。

本发明所采用的技术方案是，适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将电压合成矢量并投影到转速和转向可调的vsf上，将vsf的转向设定为逆时针方向，转速设定为ω′，其中ω′为微电网规定的工频角速度；

步骤2，应用lpf从ex和ey中提取小于0.5hz的低频分量，并计算出正序基波电压相位，其中ex为电压矢量在vsf的x轴上的坐标，ey为电压矢量在vsf的y轴上的坐标；

步骤3，vsf的转向设定为逆时针方向，转速调整为mω′，将电压矢量e投影到vsf，计算出正序m次电压的相位，其中m为谐波的次数；

步骤4，vsf的转向设定为为顺时针方向，转速调整为mω′，将电压矢量e投影到vsf，计算出负序m次电压的相位。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，设畸变且不平衡电压为：

式中：em⁺为m次正序电压的幅值；em^-为m次负序电压的幅值；θm⁺为m次正序电压的初始相角；θm^-为m次负序电压的初始相角；m为谐波次数；t为时间；上标﹢表示正序，上标﹣表示负序；ω为电压基波的角频率；

步骤1.2，应用公式(2)将畸变不平衡的电压合成电压矢量e，电压矢量e为：

式中：er为电压矢量在复平面实轴上的坐标；ei为电压矢量在复平面虚轴上的坐标；

步骤1.3，e与虚轴负半轴的夹角为θ，电压矢量在复平面实轴和虚轴上的坐标er和ei为：

式中：|e|为电压矢量的幅值；

步骤1.4，建立转速为ω′，转向为逆时针的vsf；由vsf的x轴与虚轴负半轴的夹角为ω′t+γ，e与虚轴负半轴的夹角为θ，得到e与x轴的夹角为ω′t+γ-θ，所以e在vsf上的坐标为：

式中：t表示时间；γ为xy坐标系的初相角，取随机值；

步骤1.5，将er和ei的值代入公式(4)得e在vsf上的坐标为：

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，应用lpf提取出正序基波电压在vsf上的坐标为：

步骤2.2，在t时刻，vsf的x轴与虚轴负半轴的夹角ω′t+γ为已知量；根据正序基波电压矢量在vsf上的坐标求出正序基波电压矢量与x轴的夹角为正序基波电压的相位ωt+θ1⁺等于正序基波电压矢量与虚轴负半轴的夹角，在t时刻正序基波电压相位的计算公式为：

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，根据e与x轴的夹角为mω′t+γ-θ的几何关系，得到e在vsf上的坐标为：

步骤3.2，应用lpf提取出正序m次电压在vsf上的坐标为：

步骤3.3，在t时刻，vsf的x轴与虚轴负半轴的夹角mω′t+γ为已知量；根据正序m次电压矢量在vsf上的坐标求出正序m次电压矢量与x轴的夹角为正序m次电压的相位mωt+θm⁺等于正序m次电压矢量与虚轴负半轴的夹角，在t时刻正序m次电压相位的计算公式为：

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，根据e与x轴的夹角为mω′t+γ-θ的几何关系，得到e在vsf上的坐标为：

步骤4.2，应用lpf提取出负序m次电压在vsf上的坐标为：

步骤4.3，在t时刻，vsf的x轴与虚轴正半轴的夹角mω′t+γ为已知量；根据负序m次电压矢量在vsf上的坐标求出负序m次电压矢量与x轴的夹角为负序m次电压的相位mωt+θm^－等于负序m次电压矢量与虚轴正半轴的夹角，在t时刻负序m次电压相位的计算公式为：

本发明的有益效果是，适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法与srf-pll相比，该相位检测方法不受电压畸变和不平衡的影响；相位检测不需要整定pi参数，使得相位检测的调整过程简单；该相位检测方法可以检测任意指定的正负序基波和谐波电压相位；该相位检测方法复杂性也无明显增加。

附图说明

图1是本发明适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法的原理框图；

图2是虚拟同步坐标系原理图；

图3是用于检测负序电压相位的虚拟同步坐标系；

图4是电网电压畸变不平衡时的三相电压波形图；

图5是a相电网电压、a相正序基波电压及其相位检测波形图；

图6是a相电网电压、a相正序5次谐波电压及其相位检测波形图；

图7是a相电网电压、a相负序基波电压及其相位检测波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将电压合成矢量并投影到转速和转向可调的虚拟同步坐标系(virtualsynchronizationframe,vsf)上，将vsf的转向设定为逆时针方向，转速设定为ω′，其中ω′为微电网规定的工频角速度；

步骤2，应用低通滤波器(lowpassfilter，lpf)从ex和ey中提取小于0.5hz的低频分量，并计算出正序基波电压相位，其中ex为电压矢量在vsf的x轴上的坐标，ey为电压矢量在vsf的y轴上的坐标；

步骤3，vsf的转向设定为逆时针方向，转速调整为mω′，将电压矢量e投影到vsf，计算出正序m次电压的相位，其中m为谐波的次数；

步骤4，vsf的转向设定为为顺时针方向，转速调整为mω′，将电压矢量e投影到vsf，计算出负序m次电压的相位。

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，设畸变且不平衡电压为：

式中：em⁺为m次正序电压的幅值；em^-为m次负序电压的幅值；θm⁺为m次正序电压的初始相角；θm^-为m次负序电压的初始相角；m为谐波次数；t为时间；上标﹢表示正序，上标﹣表示负序；ω为电压基波的角频率；

步骤1.2，应用公式(2)将畸变不平衡的电压合成电压矢量e，e可以看成是由正负序基波和谐波电压矢量合成，幅值和相角是时变的，电压矢量e为：

式中：er为电压矢量在复平面实轴上的坐标；ei为电压矢量在复平面虚轴上的坐标；

步骤1.3，e与虚轴负半轴的夹角为θ，根据图2所示的空间几何关系，电压矢量在复平面实轴和虚轴上的坐标er和ei为：

式中：|e|为电压矢量的幅值；

步骤1.4，建立转速为ω′，转向为逆时针的vsf；由vsf的x轴与虚轴负半轴的夹角为ω′t+γ，e与虚轴负半轴的夹角为θ，得到e与x轴的夹角为ω′t+γ-θ，所以e在vsf上的坐标为：

式中：t表示时间；γ为xy坐标系的初相角，取随机值；

步骤1.5，将er和ei的值代入公式(4)得e在vsf上的坐标为：

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，应用lpf提取出正序基波电压在vsf上的坐标为(国家电网规定容量在300万千瓦以下的电网允许频率偏差为±0.5hz，因此ω－ω′在0～0.5hz)：

步骤2.2，在t时刻，vsf的x轴与虚轴负半轴的夹角ω′t+γ为已知量；根据正序基波电压矢量在vsf上的坐标求出正序基波电压矢量与x轴的夹角为如图2所示空间几何关系，正序基波电压的相位ωt+θ1⁺等于正序基波电压矢量与虚轴负半轴的夹角，在t时刻正序基波电压相位的计算公式为：

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，如图2所示，根据e与x轴的夹角为mω′t+γ-θ的几何关系，得到e在vsf上的坐标为：

步骤3.2，应用lpf提取出正序m次电压在vsf上的坐标为：

步骤3.3，在t时刻，vsf的x轴与虚轴负半轴的夹角mω′t+γ为已知量；根据正序m次电压矢量在vsf上的坐标求出正序m次电压矢量与x轴的夹角为图2所示的空间几何关系，正序m次电压的相位mωt+θm⁺等于正序m次电压矢量与虚轴负半轴的夹角，在t时刻正序m次电压相位的计算公式为：

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，如图3所示，根据e与x轴的夹角为mω′t+γ-θ的几何关系，得到e在vsf上的坐标为：

步骤4.2，应用lpf提取出负序m次电压在vsf上的坐标为：

步骤4.3，在t时刻，vsf的x轴与虚轴正半轴的夹角mω′t+γ为已知量；根据负序m次电压矢量在vsf上的坐标求出负序m次电压矢量与x轴的夹角为如图3所示，负序m次电压的相位mωt+θm^－等于负序m次电压矢量与虚轴正半轴的夹角，在t时刻负序m次电压相位的计算公式为：

为了验证本算法的有效性，在matlab/simulink上进行仿真，电网电压由正序基波电压叠加0.2pu的负序基波电压和0.05pu的正序5次谐波电压构成。

图4为电网电压畸变不平衡时的三相电压波形图；图5为a相电网电压、a相正序基波电压及其相位检测波形图；图6为a相电网电压、a相正序5次谐波电压及其相位检测波形图；图7为a相电网电压、a相负序基波电压及其相位检测波形图。可以看出应用本发明的检测方法得到的电压相位和电压实际相角完全一致。因此本发明适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法可以准确的从畸变且不平衡的电压中检测出基波、谐波及负序电压的相位信息。

本发明的适用于电网电压畸变且不平衡的电压相位检测方法有如下优点：与srf-pll相比，该相位检测方法不受电压畸变和不平衡的影响；相位检测不需要整定pi参数，使得相位检测的调整过程简单；该相位检测方法可以检测任意指定的正负序基波和谐波电压相位；该相位检测方法复杂性也无明显增加。