一種適用于單相畸變電網的非線性幅相檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種適用于單相畸變電網的非線性幅相檢測方法。
【背景技術】
[0002] 與電網相關的電能變換中，例如正蓬勃發展的并網逆變器、有源濾波器、V2G系統 以及分布式儲能系統等，電網同步技術作為一項關鍵技術得到了廣泛應用。單相工頻電網 中存在的相位突變、頻率擾動和幅值波動快速精確檢測，對單相鎖相控制技術提出了嚴格 要求。與電網的能源量交換中，電網基波的檢測為功率變換器提供準確的交流參考信號，滿 足電能質量的標準，實現可靠運行；除此之外，電網中諧波的提取在微網系統中得到廣泛應 用。
[0003] 為了提高在單相畸變電網下的同步性能，許多學者進行了深入研究，例如基于硬 件電路的過零檢測方法，卡爾曼濾波算法，滑動離散傅里葉變換及其改進方法，鎖相環技術 等，其中鎖相環技術受到了廣泛關注。通過延遲或濾波器網絡產生正交信號，或利用控制理 論構建鎖相環的偏差產生環節，實現了將鎖相環方法原理應用于單相系統，由于頻率波動 和諧波影響下，在提高響應速度和鎖相穩態精度仍需不斷嘗試，以獲得良好的鎖相效果。
[0004] 基于濾波器技術的鎖相方法，例如基于延遲對消原理的鎖相方法、基于多重二階 廣義積分的鎖相方法、靜止坐標系鎖相環技術和自適應采樣技術，利用不同的濾波方法集 中于基波分量的提取，并通過數學計算實現對電網相位和幅值的估計，并取得了良好的實 驗效果。
[0005] 但是，目前對頻率變化較慢的電網信號，對電網的同步計算方法還沒有相關的技 術實現。
【發明內容】
[0006] 為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種基于非線性自適應濾波器的電壓 幅值和頻率檢測方法，在對單相信號進行理論分析的基礎上，設計了自適應頻率正交信號 發生器，利用鎖頻環獲得信號的頻率和諧波反饋解耦方法，構建了基于鎖頻環的多重自適 應濾波器，提高算法在畸變電網中的基波分量的同步和不同分量的提取效果。
[0007] 另外，本發明給出了自適應正交信號發生器和鎖頻環的參數設計，適用于對頻率 變化較慢的電網信號，實現對電網的同步，可以快速對頻率進行跟蹤，判斷頻率變化和電壓 跌落等故障。
[0008] 為實現上述目的，本發明的具體方案如下：
[0009] -種適用于單相畸變電網的非線性幅相檢測方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟一：根據單相畸變電網的模型，利用靜止坐標系鎖相環方法，提取單相信號的 基波信號和構建正交信號；
[0011] 步驟二：根據單相信號的基波信號和正交信號構建李亞普諾夫函數，由于李亞普 諾夫函數的導數小于零，即系統全局穩定和收斂，得到自適應正交發生器和鎖頻環，利用鎖 頻環獲得信號的頻率和諧波反饋解耦，構建基于鎖頻環的多重自適應濾波器；
[0012] 步驟三：基波頻率輸出給正交信號自適應帶通濾波器，通過諧波反饋解耦網絡消 除電網電壓中低次諧波的干擾，通過多回路反饋解耦準確提取基波和低次諧波信號，通過 幅相計算環節得到單相信號的基波幅值和相位。
[0013] 所述單相畸變電網的模型具體為：
[0014] 實際單相電網電壓信號v和其虛擬正交信號u可以表示為一系列諧波之和，定義 為：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，h表示諧波分量階次，\為h次諧波分量的幅值，Θ,為h次諧波的相位角， 許為h次諧波分量的初始相角，ω為實際電網的角頻率，t為運行時間。
[0018] 對于k次諧波分量，表示為
[0019]
[0020] 上述公式中分別為Vk、uk的導數，由于ω為中間變量，對其估計有比較復雜， 于是令Ω作為需要估計的頻率參數，且定義：
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 其中，?為設定的初始電網頻率；符號上面加點"表示變量的導數。
[0025] 所述提取單相信號的基波信號（即k= 1)和構建正交信號過程為：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] λ是一個待定參數，為正值，保證系統所需的阻尼，文中相關變量使用" ~ "表示其 估計值，而εν1為實際值與估計值的差值。
[0031] 所述構建李亞普諾夫函數時設定
[0040] 所述構建李亞普諾夫函數[0041 ]
[0042]
[0043]
[0044] 由于λ為正值，可見導數r小于零，系統是漸進穩定的。
[0045] 所述步驟三中，如圖2b所示，可以通過計算得到基波頻率和虛擬正交信號：
[0046]
[0047] 單相信號的基波幅值和相位：
[0048]
[0049] 李亞普諾夫函數的參數確定過程：
[0050] 所述鎖頻環中未知參數，通過試湊法不易獲得一個優化的結果，本申請發明了一 個簡潔的參數設計方法，即李亞普諾夫函數的參數確定過程如下：
[0051] 假設頻率估計為常數，基波分量自適應正交發生器環節的傳遞函數如下：
[0052]
[0053] 在任意入>〇,自然諧振頻率為ω，以及系統阻尼為ξ=λ/2ω;
[0054]系統參數的確定主要根據自適應自交信號發生器所需的穩定時間，系統的帶寬越 大，達到穩定的速度越快，考慮到2%的誤差標準，調節時間根據下式計算：
[0055]
[0056] 對鎖頻環和基波分量自適應正交發生器環節進行分析，可得鎖頻環的反饋線性化 傳遞函數如下：
[0057]
[0058] 其中Γ= ^，V為輸入信號基波分量的幅值，并可知鎖相環的穩定時間為Ts(Fa)= 2Λ 5/Γ，因此可以根據下式確定參數γ:
[0059]
[0060] 本發明的有益效果：
[0061] 本發明主要用于快速、精確檢測電網電壓的基波頻率、幅值和相位。該基波頻率 輸出給正交信號自適應帶通濾波器，保證其正常穩定工作，并通過諧波反饋解耦網絡消除 電網電壓中低次諧波的干擾，最后通過簡單的代數計算得到基波頻率、相位和幅值。與傳 統鎖相環相比，消除了瞬態跟蹤過渡過程，速度快且準。本方法的設計根據單相畸變電網的 模型，利用李亞普諾夫方法對對角頻率信號的估計，不依賴于傳統的線性化方法，利用非線 性方法保證了信號的完整性。本發明給出了主要參數的設計方法，但參數最優仍需進一步 調試，實驗證明本發明提出的方法和參數選取在電網同步和諧波分量提取中具有良好的效 果。
【附圖說明】
[0062] 圖la本發明的非線性幅相追蹤方法結構圖；
[0063] 圖lb鎖頻環（FLL)、自適應正交發生器（AQSGk)、多回路反饋解耦網絡以及幅相計 算環節之間的信號處理圖；
[0064] 圖2a本發明的非線性幅相追蹤方法原理圖；
[0065] 圖2b本發明的非線性幅相追蹤方法原理圖圖2a的等效圖；
[0066] 圖3非線性幅相追蹤方法改進前后的伯德圖；
[0067] 圖4非線性幅相追蹤方法在頻率變化和諧波下的實驗波形；
[0068] 圖5輸入信號中各分量提取的實驗波形。
【具體實施方式】：