一种基于级联SOGI的2倍频谐波电流检测方法

一种基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法
技术领域
1.本发明涉及电能质量技术领域，尤其是一种基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法。


背景技术：

2.长期以来对于电力系统而言，谐波问题直接关乎电网系统以及系统内各电气设备的稳定运行，特别是电力电子装置和非线性负载的激增又使得谐波问题的危害更加突显。供配电系统在受到谐波干扰时，系统中的敏感器件会出现误动作，影响系统稳定和安全。此外，谐波是造成电网电压电流波形畸变的重要原因，同次谐波还会增加电路损耗、影响电能质量。谐波还会导致电力变压器的铜损和铁损增加，影响其工作效率。所以对谐波信号的治理十分重要。为了抑制和补偿谐波，有源电力滤波器是现今常用的谐波治理装置，而准确检测谐波又是治理谐波的前提条件和关键技术。目前，常见的谐波检测方法有基于瞬时无功功率理论的检测方法、基于傅里叶变换的检测方法、基于神经网络的检测方法、基于小波分析检测方法等。
3.现有方法中，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法因为具有实时性好、结构简单等优点，而被广泛研究应用，但现有谐波检测方法仍有改进的空间。目前已经有了从三相系统中获取2倍频的技术，比如文献《电网电压不平衡时基于二阶广义积分器sogi的2倍频电网同步锁相方法》和文献《基于正弦幅值积分器的新型2倍频锁相技术》。其中，二阶广义积分器为second-order generalized integrator，以下简称s0gi。这两篇文献通过对三相电网电压不平衡情况时dq旋转坐标系下产生2倍频波动的原因进行了理论分析，利用矩阵变换提取的2倍频分量，分别基于sogi环节和sai环节提出了适用于三相电网不平衡情况的2倍频锁相方法。
4.为了精简谐波检测环节、优化谐波检测结构、避免谐波检测延时、提升谐波检测精度，本发明提出一种基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法。虽然现有技术中已经公开了2倍频锁相方法和级联sogi的结构，但尚未有基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法。本发明不申请保护2倍频及其锁相技术的已有权利要求，只申请保护单独新型的基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法，首次将2倍频锁相方法应用于谐波电流检测领域，通过结合使用级联sogi结构，能够实现电网平衡工况与电压跌落的电网不平衡工况下的谐波电流检测。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法，使用2倍频锁相方法提取电网基波频率，使用级联sogi结构提取电流基波分量，综合两个组成环节对任意次全电流谐波进行检测。
8.本发明技术方案的进一步改进在于：所述检测方法具体包括以下步骤：
9.s1、获得三相电网电压，利用2倍频锁相方法提取电网电压的基波频率；
10.s2、获得三相电网电流值，将电网电流值由三相坐标系转换至αβ坐标系得到电流i
α
和i
β
；
11.s3、利用电网电压的基波频率，结合电流i
α
和i
β
使用级联sogi提取基波电流分量i
α1
和i
β1
；
12.s4、将基波电流分量i
α1
和i
β1
反变换至三相坐标系得到三相电流基波分量i
a1
、i
b1
、i
c1
；
13.s5、将s2中提取的获得三相电网电流值与s4中获得的三相电流基波分量做差，得到三相电网电流中所含全部次谐波分量i
af
、i
bf
、o
cf
，实现对任意次全电流谐波检测。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：s1中，具体包括以下步骤：
15.s1.1将采集的三相电网电压信号经过clark变化得到v
α
和v
β
；
16.s1.2将v
α
和v
β
通过t
′
+
变化矩阵得到含有2倍频分量和直流分量的复合信号v
′q；
17.s1.3将v
′q通过改进的sogi，得到不含直流分量的2倍频交流量v
′
q+
，2倍频交流量v
′
q+
＝v
+
sin(2ωt)，其中v
+
为电压幅值，同时生成一个与v
′
q+
正交的2倍频交流信号-qv
′
q+
，其中-qv
′
q+
＝v
+
cos(2ωt))；
18.s1.4将-qv
′
q+
与v
′
q+
进行park变化，并对2ωt进行锁相，此时park变化的变换角为其中为锁相角，中间运算量为两倍工频锁相角；
19.s1.5对输出进行除2π的运算，即可得到电网电压的基波频率。
20.本发明技术方案的进一步改进在于：所述改进的sogi的结构即在单级sogi结构的输出qv
′
后增加做差路径使得该结构具有陷波器特性，进而用于消除正交信号中的直流分量。
21.本发明技术方案的进一步改进在于：s3中，将转换至αβ坐标系得到电流i
α
和i
β
利用级联sogi进行滤波提取电流基波分量。
22.本发明技术方案的进一步改进在于：s3中，所述级联sogi的结构采用两个单级sogi结构进行串联。
23.本发明技术方案的进一步改进在于：所述两个单级sogi结构均以电网电压基波频率作为谐振角频率值。
24.本发明技术方案的进一步改进在于：所述两个单级sogi结构所使用的谐振角频率值由2倍频锁相技术提供，二者协同作用以实现对任意次全电流谐波检测。
25.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
26.1、本发明在谐波电流检测领域中首次通过使用2倍频锁相方法提取电网基波频率，使用级联sogi结构提取电流基波分量进行谐波检测，结构简单，思路清晰。
27.2、本发明通过使用级联sogi结构增加了谐波检测的精确度，通过使用2倍频锁相方法提高了谐波检测的快速性。
28.3、本发明通过应用2倍频锁相方法，能够准确快速地锁定任意时刻电网电压相位信息，并提取基波频率用于级联sogi结构对电流基波分量提取，实现对任意次全电流谐波检测，在平衡电网工况与单相电压跌落工况中均适用，大大拓宽了谐波检测方法的应用范围。
29.4、本发明的谐波检测方法是谐波检测中首次使用2倍频锁相方法提取电网基波频率进行谐波检测，具有独创性和开拓性。
附图说明
30.图1是本发明整体结构框图；
31.图2是本发明所使用的2倍频锁相方法结构图；
32.图3是本发明中单级sogi结构原理图；
33.图4是本发明中改进的sogi结构原理图；
34.图5是本发明所使用的级联sogi结构原理图；
35.图6是平衡电网工况下使用本发明方法提取的三相网侧电流波形；
36.图7是使用本发明方法检测出的a相网侧电流中的谐波电流分量；
37.图8是单相电压跌落工况下使用本发明方法提取的三相网侧电流波形；
38.图9是使用本发明方法检测出的a相网侧电流中的谐波电流分量。
具体实施方式
39.下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
40.如图1所示，本发明提出一种基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法，使用2倍频锁相方法提取电网基波频率，使用级联sogi结构提取电流基波分量，综合两个组成环节协同作用实现对任意次全电流谐波进行检测，具体包括如下步骤：
41.s1、获得三相电网电压，利用2倍频锁相方法提取电网电压的基波频率，如图2所示；
42.s1.1将采集的三相电网电压信号经过clark变化得到v
α
和v
β
；
43.s1.2将v
α
和v
β
通过t
′
+
变化矩阵得到含有2倍频分量和直流分量的复合信号v
′q；
44.s1.3将v
′q通过改进的sogi，得到不含直流分量的2倍频交流量v
′
q+
，2倍频交流量v
′
q+
＝v
+
sin(2ωt)，其中v
+
为电压幅值，同时生成一个与v
′
q+
正交的2倍频交流信号-qv
′
q+
，其中-qv
′
q+
＝v
+
cos(2ωt))；
45.单级sogi结构如图3所示，改进的sogi的结构如图4所示，改进的sogi的结构即在单级sogi结构的输出qv后增加做差路径使得该结构具有陷波器特性，进而用于消除正交信号中的直流分量。
46.s1.4将-qv
′
q+
与v
′
q+
进行park变化，并对2ωt进行锁相，此时park变化的变换角为其中为锁相角，中间运算量为两倍工频锁相角；
47.s1.5对输出进行除2π的运算，即可得到电网电压的基波频率。
48.2倍频锁相方法中间运算量为2θ和200π，其中，200π＝2π
×
2f＝2π
×
100，是传统锁相方法中间运算量的二倍，又时间与频率成倒数关系，所以2倍频锁相方法(dff-pll)较传统锁相方法能更快地提取电网电压基波频率。
49.s2、获得三相电网电流值，将电网电流值由三相坐标系转换至αβ坐标系得到电流i
α
和i
β
；
50.s3、利用电网电压的基波频率，结合电流i
α
和i
β
使用级联sogi提取基波电流分量i
α1
和i
β1
；
51.将转换至αβ坐标系得到电流i
α
和i
β
利用级联sogi进行滤波提取电流基波分量。
52.单级sogi结构原理图如图3所示，级联sogi结构原理图如图5所示，级联sogi结构采用两个单级sogi结构进行串联，在滤波效果上等同于进行了两次滤波，实现了更好的滤波效果，通过提高对电流基波分量的检测精度从侧面提升了对谐波电流的检测精度。
53.级联sogi结构中的v表示交流输入信号；v'与qv'为第一个sogi的正交输出信号；v"与qv"为第二个sogi的正交输出信号；ω0为电网电压基波频率，两个单级sogi均以此频率值作为谐振角频率值。i
α
和i
β
对应级联sogi结构图中的输入信号v，i
α1
和i
β1
对应级联sogi结构图中的输出信号v"。
54.s4、将基波电流分量i
α1
和i
β1
反变换至三相坐标系得到三相电流基波分量i
a1
、i
b1
、i
c1
；
55.s5、将s2中提取的获得三相电网电流值与s4中获得的三相电流基波分量做差，得到三相电网电流中所含全部次谐波分量i
af
、i
bf
、i
cf
，实现对任意次全电流谐波检测。
56.所述任意次全电流谐波为除去基波电流分量外的其余是基波电流分量任何整数倍的谐波电流分量。
57.平衡电网工况下，提取的包含任意次全电流谐波的三相电流波形如图6所示。
58.检测出的a相网侧电流中的谐波电流波形如图7所示。
59.单相电压跌落工况下，提取的包含任意次全电流谐波的三相电流波形如图8所示。
60.检测出的a相网侧电流中的谐波电流波形如图9所示。
61.结合图6-9所示的使用本发明中的谐波电流检测方法分别在平衡电网工况和单相电压跌落工况下的检测波形，表明基于级联sogi的2倍频谐波电流检测方法具有真实性和普适性，检测快速准确。
62.综上所述，本发明首次将2倍频锁相方法应用于谐波电流检测中，并利用级联sogi结构代替低通滤波器提取电网电流基波分量，实现对任意次全电流谐波检测，在理想电网与电压跌落工况中均适用。