一種基於旋轉變換的三相電網各分量瞬時值的提取方法與流程
2023-10-17 10:22:49 3
本發明涉及電氣領域，尤其涉及一種電網電壓各種分量的提取方法，適用於電網電壓不對稱且含有諧波分量時，同時獲得包括零序分量瞬時值、正序基波分量瞬時值、負序基波分量瞬時值、諧波分量瞬時值。
背景技術：
在新能源發電等應用場合，要求控制系統能夠快速、準確地檢測出電網電壓幅值與瞬時相位，為控制系統及時反饋準確的電網信息。目前，廣泛應用於控制系統中的鎖相環主要是硬體鎖相(PLL)和軟體鎖相(SPLL)兩種方式。當電網電壓不對稱且含有諧波分量時，這一要求並不能被很好的滿足。因此需要能夠兼容電網電壓不對稱且含有諧波分量時的電網電壓鎖相環方法，使控制系統及時應對三相電壓不對稱引起的過電流以及併網變流器直流側電壓的波動。
在電網不對稱且含有諧波下，鎖相環設計的一個關鍵技術問題是電網各種分量的提取。目前，已有的相關文獻提出的解決方案，主要包括：基於雙同步坐標系的解耦方法，延時信號濾除法，滑動平均濾波法等。基於雙同步坐標系的解耦方法利用正負序的雙同步坐標系，對正、負序基波分量實現了解耦，這種方法結構複雜，響應時間較長且計算量大，實現起來比較困難。延時信號濾除法是在同步旋轉坐標系中，將含有n次諧波的電壓信號Ud延時T/2(n-1)，再與Ud相加，若含有多種諧波，需要通過濾除不同諧波的多個重複計算。但這些方法都無法同時獲得包括零序分量瞬時值、正序基波分量瞬時值、負序基波分量瞬時值、諧波分量瞬時值。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於，克服現有技術存在的缺陷，提供一種基於旋轉變換的三相電網各分量的提取方法，解決了電網電壓不對稱且含有諧波分量時，同時獲得包括零序分量瞬時值、正序基波分量瞬時值、負序基波分量瞬時值、諧波分量瞬時值的問題。
本發明提出的一種基於旋轉變換的三相電網各分量的提取方法，包括如下步驟：
步驟1、根據CLARKE變換，將三相ABC坐標系下的電網電壓變換到αβ坐標系，獲得αβ坐標系下的電網電壓瞬時值，其表達式為各種電壓分量之和，
將其寫成複數形式，如下式：
式中：Emk——電網電壓k次分量的幅值；——電網電壓k次分量的初始相位角；ω——電網電壓基波角頻率；t——三相ABC坐標系下的電網電壓變換到αβ坐標系的時間點；e——三相ABC坐標系下的電網電壓向量；eɑ——電網電壓αβ坐標變換後α軸上的電壓值；eβ——電網電壓αβ坐標變換後β軸上的電壓值；j——虛部符號；k＝0，±1、±2…,-50≤k≤50。
步驟2、將由坐標變換獲得的電網電壓瞬時值離散化，如下式：
式中：TS——電網電壓周期；Em0——電網電壓的零序分量幅值；——電網電壓零序分量的相位角；E-mk——電網電壓-k次分量的峰值；——電網電壓-k次分量的初始相位角；
n為常數；e(n)——當前周期的電網電壓矢量；e(n-1)——當前周期前一個周期的電網電壓矢量；e(n+1)——當前周期後一個周期的電網電壓矢量。
步驟3、將前l個周期的電網電壓表示為一個指數形式的複數列向量Ε(n)，
當前周期電網電壓的各種分量的瞬時值，表示為一個指數形式的複數列向量ε(n)，如下式：
式中：——當前周期電網電壓的-k次、k次分量，k＝1、2…,k≤50；e-m1(n),em1(n)——當前周期電網電壓的負序、正序基波分量；em0(n)——當前周期電網電壓的零序分量。
步驟4、根據Ε(n)和ε(n)的表達式，得到一個旋轉矩陣R，當l＝2k+1時，進一步計算出當前電網電壓的各種分量，如下式：
ε(n)＝R-1Ε(n) (7)
步驟5：將由計算獲得的電壓正、負序基波分量，進一步計算獲得電壓正、負序相角的正餘弦值，如下式：
式中：θ+,θ-——正、負序基波分量的瞬時相位角；
Re(em1(n)),Im(em1(n))——正序基波分量的實部和虛部；
Re(e-m1(n)),Im(e-m1(n))——負序基波分量的實部和虛部。
進而，獲得三相電網的瞬時正序角度和瞬時負序角度。
本發明的有益效果是：通過旋轉變換矩陣，提取三相電網電壓的各種分量，由獲得的正、負序基波分量計算出電網的瞬時正序角度和瞬時負序角度。這種方法只需要多個歷史周期的電壓採樣數據即可提取出電網電壓的各種分量，而無需一個完整的電網周期的數據。避免了現有方法中計算方法複雜且延時較長的問題，本發明的優點在於：實現簡單、延時小，精度高
附圖說明
圖1:基於本發明提供的提取方法，獲取得電壓負序分量矢量圖；
圖2:基於本發明提供的提取方法，獲取得電壓正序分量矢量圖；
圖3:基於本發明提供的提取方法，獲取得電壓5次諧波分量矢量圖；
圖4:基於本發明提供的提取方法，獲得的負序分量、正序分量、5次諧波分量合成的當前周期電網電壓的矢量圖；
圖5:基於本發明提供的提取方法，在三相電網電壓相位突加30度的情況下對電網電壓正、負序分量以及5次諧波分量提取的實驗結果。
圖6:基於本發明提供的提取方法，在三相電網電壓BC兩相電壓跌落50％情況下對電網電壓正、負序分量以及5次諧波分量提取的實驗結果。
圖7:基於本發明提供的提取方法，在三相電網電壓注入幅值為100V的5次諧波情況下對電網電壓正、負序分量以及5次諧波分量提取的實驗結果。
圖8:基於本發明提供的提取方法，在三相電網電壓相位突加30度、BC兩相電壓跌落50％和注入幅值為100V的5次諧波三種狀況同時發生的情況下對電網電壓正、負序分量以及5次諧波分量提取的實驗結果。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步詳細說明。
為方便說明本發明的原理和特徵，以提取正、負序基波分量和5次諧波分量為例，對本發明方法進行說明，所舉實例只為方便用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。
實施例：利用本發明提出一種基於旋轉變換的三相電網各分量瞬時值的提取方法，提取三相電網正、負序基波分量和5次諧波分量。其具體實施過程如下：
步驟1：通過靜止坐標變換，將三相ABC坐標系下的電網電壓變換到αβ坐標系，獲得αβ坐標系下的電網電壓瞬時值，其表達式為正、負序基波分量和5次諧波分量之和，並寫成複數形式，如下式：
式中：E-m1,Em1,Em5——電網電壓正、負序基波分量和5次諧波分量的峰值；
——電網電壓正、負序基波分量和5次諧波分量的初始相位角；
ω——電網電壓基波角頻率。
步驟2：將由坐標變換獲得的電網電壓瞬時值離散化，如下式：
式中：TS——電網電壓周期；
步驟3：將前3個周期的電網電壓表示為一個列向量Ε(n)，當前周期電網電壓的正、負序基波分量和5次諧波分量表示為一個列向量ε(n)，如下式：
式中：e-m1(n),em1(n),em5(n)——當前周期電網電壓的負序、正序基波分量和5次諧波分量。
步驟4：根據Ε(n)和ε(n)的表達式，可以得到一個3階旋轉矩陣R，進一步計算出當前電網電壓的正、負序基波分量和5次諧波分量，如下式：
式中：λ-m1,λ′-m1,λ″-m1——提取負序分量時第n周期、第n-1周期、第n-2周期電網電壓經過旋轉之後的幅值增益；
λm1,λ′m1,λ″m1——提取正序分量時第n周期、第n-1周期、第n-2周期電網電壓經過旋轉之後的幅值增益；
λm5,λ′m5,λ″m5——提取5次諧波分量時第n周期、第n-1周期、第n-2周期電網電壓經過旋轉之後的幅值增益；
θ-m1,θ′-m1,θ″-m1——提取負序分量時第n周期、第n-1周期、第n-2周期電網電壓經過旋轉之後的相移；
θm1,θ′m1,θ″m1——提取正序分量時第n周期、第n-1周期、第n-2周期電網電壓經過旋轉之後的相移；
θm5,θ′m5,θ″m5——提取5次諧波分量時第n周期、第n-1周期、第n-2周期電網電壓經過旋轉之後的相移。
步驟5：將由計算獲得的電壓正、負序基波分量，進一步計算獲得電壓正、負序相角的正餘弦值，如下式：
式中：θ+,θ-——正、負序基波分量的瞬時相位角；
Re(em1(n)),Im(em1(n))——正序基波分量的實部和虛部；
Re(e-m1(n)),Im(e-m1(n))——負序基波分量的實部和虛部。
如圖1～圖4所示正、負序分量和5次諧波分量的提取方法，以此來說明旋轉變換方法原理，圖1～圖4中λ表示電網電壓旋轉之後的電壓幅值增益，θ表示電網電壓旋轉之後相位的偏移。圖1～圖3分別表示通過該旋轉變換方法獲得的負序分量、正序分量、5次諧波分量的矢量圖，圖4表示由獲得的負序分量、正序分量、5次諧波分量合成的當前周期電網電壓的矢量圖。
圖5～圖8給出了提取電網電壓正、負序分量以及5次諧波分量的實驗結果，圖5～圖7分別給出了三相電網電壓相位突加30度、BC兩相電壓跌落50％、三相電網電壓注入幅值為100V的5次諧波的實驗結果，圖8是這三種情況同時加在正常電網上的實驗結果。從實驗結果來看，在電網電壓不對稱且含有諧波時，電網相位信息均能夠在2ms之內穩定準確的獲得，體現了本發明提出的方法的快速性和精確性。
以上所述僅為本發明創造的較佳實施例而已，並不用以限制本發明創造，凡在本發明創造的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明創造的保護範圍之內。