一种适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相技术的制作方法

本发明属于电网并网控制技术领域，尤其涉及一种适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相方法、系统、用于电能质量分析的评估系统以及实现所述方法的计算机可读存储介质。

背景技术：

随着能源危机和高油价的出现，对气候变化忧虑，还有不断增加的政府支持，都在推动增加可再生能源发电的大规模利用。其中光伏发电是比较重要的一种可再生能源发电形式。在有大电网存在的地方，光伏发电可以并网运行，逆变器是新能源发电并网的核心设备，已经有很多的应用。不只是光伏发电应用场景，逆变器也是储能系统的核心设备。

随着人们对于物质生活的需求不断提高和能源消耗的增加，太阳能、风能等清洁能源逐渐成为可以消纳的新型可再生能源。

光伏发电系统(photovoltaicpowergeneratingsystem，pv)是一种清洁高效的可再生能源发电系统。它可以利用光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能。该系统由通常由光伏方阵、蓄电池组、蓄电池控制器、逆变器等设备组成，构成了一个微电网。

当微网运行在孤岛模式时，由于无大电网作为微网母线电压和频率的支撑，且逆变器具有惯性小和过载能力差的特点，易产生各种电能质量问题，而由于不平衡负载所引起的微网电压不平衡问题是其中最为突出的。当低压微网中负载不对称的问题严重时，会直接影响到系统内用电设备的正常运行，甚至会导致系统的不稳定。

消除不平衡电压的有效方法之一是通过安装并联补偿装置，但这显然会增加额外的成本。而微网中的逆变器作为电力电子装置，具有很强的可控性。对于微网中用来建立微网电压和频率的逆变器如储能逆变器等，通过使用合适的控制方法可实现在控制其输出有功和无功功率的同时，还能具有对负序电流的均分能力和对不对称电压的补偿能力。

申请号为cn201110398433.3的中国发明专利申请提出一种用于太阳能光伏并网系统的三相逆变器，包括逆变电路、控制电路、滤波电路和检测电路，所述的控制电路包括dsp、保护模块和用于锁定电网的电压相位的数字锁相模块，该数字锁相模块包括依次连接的数字鉴相器、数字滤波器和数控振荡器，所述的数字鉴相器通过比较输入信号与输出信号，检测输入信号与输出信号的相位差，所述的数字滤波器对输入的信号进行滤波，所述的数控振荡器用于调整数字信号的相位差。该方案可对电网电压进行数字锁相，可以有效防止电压相位抖动或失锁的现象，保证太阳能光伏并网系统的正常运行。

然而，逆变器的由于需要并网运行，所以与大电网的电压同步非常重要。新能源的发电机理与传统电力系统不同，所以其锁相技术也有本质区别。在新能源发电系统中，与大电网的相位同期由逆变器的内部控制来完成。锁相是逆变器控制中的重要环节，锁相环很大程度上影响了逆变器输出电流的电能质量。而且，当电力系统出现故障导致孤岛或单相电压缺失时，锁相环能否稳定工作，直接决定了逆变器的低/零电压穿越能力。目前常用的逆变器的锁相技术都需要通过对所要链接的大电网的电压的检测来实现，在大电网的电压电能质量正常的时候都可以锁相成果，但是当电能质量存在比较严重的问题时，时长会出现锁相失败的情况。锁相失败会造成并网电流的电能质量下降，低电压穿越无法完成等问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相方法、系统以及用于电能质量分析的评估系统。所述方法包括电网电压采样步骤、电网电压变换步骤、电网电压信号滤波步骤以及电网电压正负序分离步骤。电网电压采样步骤，利用多个远程终端单元(rtu)对光伏电网的电压进行多次采样，获得多次电压采样信号；电网电压变换步骤执行电网电压信号的坐标系变换操作；电网电压滤波步骤采用广义二阶积分器滤除变换电网电压信号的谐波信号；电网电压正负序分离步骤利用双同步旋转坐标系法对电网电压进行正负序分离获得三相平衡的电网电压正序分量。本方法充分考虑到电能质量较差的电网实际运行状况，可以提高逆变器低电压穿越的成功率。

具体来说，在本发明的第一个方面，提供一种适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相方法，所述方法包括电网电压采样步骤、电网电压变换步骤、电网电压信号滤波步骤以及电网电压正负序分离步骤；

作为本发明的第一个优点，所述电网电压采样步骤，利用多个远程终端单元(rtu)对光伏电网的电压进行多次采样，获得多次电压采样信号；

并且，每个所述远程终端单元(rtu)连接一个所述边缘计算终端，

基于所述远程终端单元(rtu)获得的多次电压采样信号，获取当前光伏电网的电压值u、频率f、波形信号以及谐波信号thd；

所述边缘计算终端基于所述电压采样信号，采集电能质量稳态数据、暂态数据、开关状态数据，并执行边缘计算流程。所述边缘计算终端配置多种负荷模型，包括车充模型、用户用电模型、光伏模型以及风电模型。

所述边缘计算终端配置多种负荷模型，基于所述多种负荷模型，对所述电能质量进行预测。

作为一个优选，所述边缘计算终端对所述电压采样信号进行电能质量分析，并基于所述电能质量分析的结果，执行电网电压信号的坐标系变换操作，具体包括：

在第i次采样时，将电压采样信号{uai，ubi，uci}接入边缘计算设备mi；

通过所述边缘计算设备mi计算输出负载li，得到所有边缘计算设备的输出负载集合l＝{l1，l2，......ln}；

判断所述输出负载集合l中的元素值是否在预定范围内符合均匀分布；

如果否，则执行电网电压信号的坐标系变换操作，所述坐标系变换操作将所述光伏电网的三相电源电压值变换为两相静止坐标系下的二维电压值；

如果是，则返回所述电网电压采样步骤。

作为本发明的再一个优点，所述电网电压变换步骤，采用多个边缘计算终端接收所述多个电压采样信号，并对所述电压采样信号进行电能质量分析，并基于所述电能质量分析的结果，执行电网电压信号的坐标系变换操作，得到变换电网电压信号；

所述电网电压滤波步骤，采用广义二阶积分器滤除所述变换电网电压信号的谐波信号；

所述电网电压正负序分离步骤，利用双同步旋转坐标系法对电网电压进行正负序分离，去除电网电压的负序分量，获得三相平衡的电网电压正序分量；

其中，边缘计算终端对所述电压采样信号进行电能质量分析，并基于所述电能质量分析的结果，执行电网电压信号的坐标系变换操作，具体包括：

在第i次采样时，将电压采样信号{uai，ubi，uci}接入边缘计算设备mi；

通过所述边缘计算设备mi计算输出负载li，得到所有边缘计算设备的输出负载集合l＝{l1，l2，......ln}；

判断所述输出负载集合l中的元素值是否在预定范围内符合均匀分布；

如果否，则执行电网电压信号的坐标系变换操作，所述坐标系变换操作将所述光伏电网的三相电源电压值变换为两相静止坐标系下的二维电压值；

如果是，则返回所述电网电压采样步骤。

所述电网电压滤波步骤，采用广义二阶积分器滤除所述变换电网电压信号的谐波信号；

所述电网电压正负序分离步骤，利用双同步旋转坐标系法对电网电压进行正负序分离，去除电网电压的负序分量，获得三相平衡的电网电压正序分量。

在本发明的第二个方面，提供一种适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相系统，所述锁相系统包括电压信号采样终端、边缘计算终端、变换子系统、滤波子系统以及分离子系统，用于执行前述的三相逆变器锁相方法，其中，电压信号采样终端执行所述电网电压采样步骤，边缘计算终端执行所述边缘计算；变换子系统执行所述电网电压变换步骤，滤波子系统执行所述电网电压滤波步骤，分离子系统执行所述电网电压正负序分离步骤。

在本发明的第三个方面，提供用于电能质量分析的评估系统，所述评估系统连接前述的一种适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相系统，用于对光伏电网的电能指令进行评估和预测，从而实现所述适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相方法。

上述方法可以综合控制的计算机系统实现，因此，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令代码，通过存储器和处理器执行所述可执行指令代码，用于实现前述的三相逆变器锁相方法。

概括来说，本发明公开了一种可适应较差电能质量状况的三相逆变器锁相方法。逆变器并网运行时需要对电网电压进行相位同步操作，针对由于电网电压的电能质量差造成的并网逆变器锁相失败的问题，提出一种可适应较差电能质量状况的三相逆变器锁相方法。电网电压的电能质量问题中对锁相影响比较大的是谐波和三相不平衡两个指标，本方法分别引入广义二阶积分环节和双同步旋转坐标转换环节，滤除电网电压的谐波畸变，并对电网电压进行正负序分离，去除三相不平衡度对锁相的影响。本方法充分考虑到电能质量较差的电网实际运行状况，通过采用本方法，可以提高逆变器锁相成功率，在谐波含量较大三相不平衡度很高的情况下也不会造成逆变器锁相失败。同时还可以提高逆变器低电压穿越的成功率。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相系统的整体架构图；

图2-3是采用图1所述系统实现适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相方法的流程图；

图4是图1-3所述方案中abc轴与αβ轴坐标图；

图5是图1-3所述方案中使用的广义二阶积分器处理正交信号原理图；

图6是图1和图2所述方案用到的电能质量评估系统的原理图；

图7是进行电能质量评估的一个优选实施例；

图8是图7所述元素值是否在预定范围内符合均匀分布的示意图；

图9是本发明所述技术方案锁相的实验结果示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

如背景技术所述，逆变器的锁相的效果常常受到谐波和电压三相不平衡的影响而导致锁相失败，因此本发明的各个实施例提出一种新型的锁相技术，通过分别利用广义二阶积分和双同步旋转坐标轴的方法，很好的实现了对电网电压的谐波过滤和电压负序分量的去除。新型锁相技术可以很好的完成在电能质量很差的情况下的锁相工作。

参照图1，是本发明一个实施例的适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相系统的整体架构图。

图1中，所述锁相系统包括电压信号采样终端、边缘计算终端、变换子系统、滤波子系统以及分离子系统。

作为优选，所述电压信号采样终端为远程终端单元。远程终端单元(remoteterminalunit，rtu)，一种针对通信距离较长和工业现场环境恶劣而设计的具有模块化结构的、特殊的计算机测控单元。

每一个远程终端单元均连接一个边缘计算终端后连接至变换子系统。

所述多个边缘计算终端连接至电能质量评估系统。

在图1基础上，参见图2-3。

图2-3是采用图1所述系统实现适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相方法的流程图。

图2所述方法包括电网电压采样步骤、电网电压变换步骤、电网电压信号滤波步骤以及电网电压正负序分离步骤；

具体来说，所述电网电压采样步骤，利用多个远程终端单元(rtu)对光伏电网的电压进行多次采样，获得多次电压采样信号；

所述电网电压变换步骤，采用多个边缘计算终端接收所述多个电压采样信号，并对所述电压采样信号进行电能质量分析，并基于所述电能质量分析的结果，执行电网电压信号的坐标系变换操作，得到变换电网电压信号；

所述电网电压滤波步骤，采用广义二阶积分器滤除所述变换电网电压信号的谐波信号；

所述电网电压正负序分离步骤，利用双同步旋转坐标系法对电网电压进行正负序分离，去除电网电压的负序分量，获得三相平衡的电网电压正序分量。

图1中，电压信号采样终端执行所述电网电压采样步骤，边缘计算终端执行所述边缘计算；变换子系统执行所述电网电压变换步骤，滤波子系统执行所述电网电压滤波步骤，分离子系统执行所述电网电压正负序分离步骤。

图3则概括了上述方法的具体步骤。首先通过电压采样的硬件电路获取电网电压的采样信号，采样到的信号是a、b、c三相电网电压信号。得到三相电网电压信号后，对电网电压进行3/2变换，得到电网电压的αβ坐标系的数值。然后，利用广义二阶积分器滤除电网电压的谐波信号，可以得到没有谐波畸变的电网电压的αβ坐标系数值，不过此时的电网电压仍然会有三相不平衡的问题存在。最后，利用双同步旋转坐标系法对电网电压进行正负序分离，去除电网电压的负序分量，获得三相平衡的电网电压正序分量。利用无谐波三相平衡的正序分量计算出电网电压相位角更加准确，逆变器的锁相环节不容易出现失效的情况。

更具体的，首先参照图4所述的坐标轴关系对采集过来的电网电压进行abc→αβ变换，变换公式如下式所示。

逆变器是通过采集滤波电容上的线电压进行锁相，受到电网和逆变桥的影响，电容上的三相电压会含有大量谐波，这些谐波导致变换后的αβ信号上也叠加了谐波，进而影响后面的运算。

二阶广义积分器可以很好的解决正弦分量中的谐波问题。图5为二阶广义积分器处理正交信号原理图。输入为为电网电压信号经过abc→αβ变换后得到的电压直角坐标系下的信号，k为一个调节系统带宽的常数，经过二阶广义积分器处理后，可以得到一个与输入信号完全同步和一个与输入信号有90度相位角的信号。输出信号的谐波分量会被剔除。

电力系统的相电压存在三相不平衡，则可以将电压分解成正序、负序和零序。其中零序电压为共模分量，取三相线电压可以抵消相电压的零序分量。所以，需要将不平衡的三相线电压进行正负序分解，而锁相环仅针对正序电压锁相。

设矢量v⁺与坐标轴d⁺q⁺相对静止，投影得到直流分量，记作d⁺、q⁺；同理，矢量v^-与坐标轴d^-q^-相对静止，投影得到直流分量，记作d^-、q^-。将v^-向d⁺上投影，即d^-、q^-在d⁺轴上投影d^-_d+、q^-_d+的和，d⁺和d^-之间的角度为2ωt。所以以d⁺轴正方向为正，d^-_d+、q^-_d+的表达式如下：

所以电压合成矢量v在d⁺轴上投影，表达式如下：

d⁺＝d⁺+d^-·cos(2ωt)+q^-·sin(2ωt)

根据上述推导过程，可以得到合成电压矢量v在q⁺、d^-、q^-上上的投影表达式如下：

q⁺＝q⁺-d^-·sin(2ωt)+q^-·cos(2ωt)

d^-＝d^-+d⁺·cos(2ωt)-q⁺·sin(2ωt)

q^-＝q^-+d⁺·sin(2ωt)+q⁺·cos(2ωt)

从上述四个式中可以看到，电压矢量v在四个旋转坐标轴上的投影都是由直流分量和二倍频分量组成。对正序分量锁相的目的就是通过反馈调整相角，保证q^-为零；而d⁺乘以适当的系数可以表示电压的幅值或有效值。所以，通过αβ→dq变换求投影的直流分量是下一步的目的，所以将四个式子进行变换，得到下面的表达式。

根据上式，在适当的位置加入低通滤波器，可以画出求解d⁺、q⁺、d^-、q^-。得到q⁺后，根据瞬时无功理论，认为锁相成功时正序无功分量q⁺为0，通过一个pi控制器得到角频率ω，经过积分得到相角ωt。

在上述实施例中，基于所述远程终端单元(rtu)获得的多次电压采样信号，获取当前光伏电网的电压值u、频率f、波形信号以及谐波信号thd；

所述边缘计算终端基于所述电压采样信号，采集电能质量稳态数据、暂态数据、开关状态数据，并执行边缘计算流程，进行电能质量分析。

图6是图1和图2所述方案用到的电能质量评估系统的原理图。

所述边缘计算终端配置多种负荷模型，包括车充模型、用户用电模型、光伏模型以及风电模型。

所述边缘计算终端配置多种负荷模型，基于所述多种负荷模型，对所述电能质量进行预测。

图7是进行电能质量评估的一个优选实施例。

在图2基础上，边缘计算终端对所述电压采样信号进行电能质量分析，并基于所述电能质量分析的结果，执行电网电压信号的坐标系变换操作，具体包括：

在第i次采样时，将电压采样信号{uai，ubi，uci}接入边缘计算设备mi；

通过所述边缘计算设备mi计算输出负载li，得到所有边缘计算设备的输出负载集合l＝{l1，l2，......ln}；

判断所述输出负载集合l中的元素值是否在预定范围内符合均匀分布；

如果否，则执行电网电压信号的坐标系变换操作，所述坐标系变换操作将所述光伏电网的三相电源电压值变换为两相静止坐标系下的二维电压值；

如果是，则返回所述电网电压采样步骤。

图8是图7所述元素值是否在预定范围内符合均匀分布的示意图。

图8上图是元素符合标准的均匀分布的情形，即所有元素大小相同；图8下图则是元素值在预定范围内符合均匀分布的示意图，即所有元素大小变化范围均在5％以内，判定为在预定范围内符合均匀分布。

图9为采用本发明的技术方案的锁相环输出结果，上面曲线为三相线电压，存在谐波和三相不平衡，三相不平衡的情况设置为缺相的极端情况。下面曲线为对电网电压的锁相结果，可以看到，在电网电压缺相的时间段内不断进行锁相的运算，在电网电压缺相恢复的时候有两个周期锁相结果稍微有些波动后，锁相结果立刻恢复比较正常的情况，锁相的准确程度可以满足逆变器运行的各项要求。

综上所述，本发明至少解决了如下技术问题：

逆变器软件锁相环采样值通过检查电网电压值得到，容易受到电压波形畸变的影响，造成锁相失败的问题；

逆变器软件锁相环的变换公式过于理想，而实际系统中电网的电压经常存在三相不平衡的情况，电压三相不平衡会造成逆变器锁相失败的问题；

逆变器在谐波比较大同时又有三相不平衡的系统中运行，造成锁相失败的问题；

逆变器在进行低电压穿越的过程中，电网电压恢复时不能准确预测电网电压相位，造成低电压穿越失败的问题。

本发明的技术方案至少可以达到如下技术效果：

采用远程终端单元以及边缘计算终端执行采样信号的电能计算，能够适应适用于极端电能质量条件下的三相逆变器锁相；采用新型锁相技术后，由于引入了广义二阶积分器的环节，逆变器在计算电网电压的相位角度时，可以不受电网电压谐波畸变的影响。采用新型锁相技术后，由于引入了双同步旋转坐标系对电网电压进行正负序分离，逆变器在计算电网电压的相位角度时，可以不受电网电压三相不平衡对计算结果产生的影响。采用新型锁相技术后，逆变器锁相可以不受电网电压电能质量的影响，所以锁相失败概率降低。在电网电压短时跌落时，并网设备需要采取低电压穿越操作，采用新型锁相技术后，低电压穿越成功率高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。