一种电网电压信号参数的检测方法与流程

1.本发明涉及电网信号检测技术领域，具体涉及一种电网电压信号参数的检测方法。


背景技术：

2.电网信号的参数估计对分布式发电系统的可靠运行，电力系统检测和调节等具有重要的意义。然而随着分布式发电和非线性负载的大量应用，电网环境变得越来越复杂，这些复杂情况通常包括电网电压信号含有谐波、发生频率偏移、相角和幅值的突变以及直流偏置。如何在这些复杂电网环境下保证电网电压信号参数估计快速准确的性能是十分重要的。
3.在电网信号参数估计方法中，最广泛应用的则是基于二阶广义积分器(sogi)的锁相环(pll)和锁频环(fll)，因为它们不仅实现简单，鲁棒性好,能直接用于单相系统而没有二倍频分量，也可以用于三相系统作频率自适应分离正负序分量。
4.对于标准的sogi-pll，过去的研究已经对它进行了细节的稳定性分析从小信号模型的角度，同时基于扩展对称最优原则对sogi-pll的三个参数进行了设计，然而它门的分析是相对复杂的，并且它的三个参数很好的折中设计是不容易的。为了避免sogi和pll的耦合，一个基于频率固定的连续sogi建模的锁相环已经提出，然而它已经从小信号模型的角度被证明和标准的sogi-pll拥有一样的性能。同时，频率固定的连续sogi-pll的全局稳定性分析仍然是不容易的，它的环路滤波器的两个参数仍然需要很好地折衷设计。另外，频率固定的连续sogi-pll在低采样频率下可能会有建模的离散化误差，其相位补偿器可能面临较大的误差当频率偏移较大时。
5.对于标准的sogi-fll，过去的研究已经对它进行了细节地小信号建模和参数设计。然而sogi-fll的稳定性分析和参数设计需要高度准确的小信号模型，而小信号模型的建立可能不是容易的特别是对于那些带有改进滤波能力的sogi-fll。为了避免sogi的离散化误差，一个基于离散自适应sogi的fll也已经在过去的研究提到，然而它的半全局稳定性分析是极其复杂的，同时没有参数设计给出。
6.总的来说，尽管过去研究所提到的sogi-pll/fll在不同的电网环境拥有可以接受的性能，然而它们的稳定性分析和参数设计仍然是复杂的。导致这种结果的主要原因就是sogi往往需要pll/fll所检测的频率信息，这就造成了sogi与pll/fll的相互耦合，降低了动态性能。特别是那些改进滤波能力的sogi-pll/fll，它们的稳定性和参数设计则会更加难以分析。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于离散频率固定sogi的lms滤波器的电网电压参数检测方法。所提出的基于离散非自适应sogi的lms滤波器完全避免了sogi与频率检测结构的耦合，因此整个结构更加简单，稳定性分析和参数设计更加容易，性能也更
好。
8.本发明中的电网电压信号参数的检测方法，包括，采用基于离散频率固定sogi的lms滤波器对电网电压参数进行估计；该滤波器包括级联的离散频率固定的sogi滤波器模块和lms滤波器模块；
9.所述估计的步骤如下：
10.步骤1：单相电网电压输入信号v(i)通过离散频率固定的sogi滤波器模块得到两相信号v
α
(i)和v
β
(i)；
11.步骤2：两相信号v
α
(i)和v
β
(i)通过lms滤波器模块，以最小化误差为目的输出信号
12.步骤3：根据步骤1和步骤2得到输出信号v
α
(i)，v
β
(i)和计算得出待估计的单相电网电压信号的频率，相位和幅值信息。
13.进一步，所述离散频率固定的sogi滤波器模块采用以下传递函数输出信号：
[0014][0015][0016]
其中，p＝c2 1 kc,q＝2(c
2-1),h＝c2 1-kc,c＝tan(ω
n
ts/2),
[0017]
ω
n
为电网的额定角频率，
[0018]
g
α
(z)为生成信号v
α
(i)与电网信号v(i)的离散传递函数，
[0019]
g
β
(z)为生成信号v
β
(i)与电网信号v(i)的离散传递函数，
[0020]
c为一已知常数。
[0021]
进一步，所述lms滤波器模块按照以下公示以最小化误差e(i)为目标进行自适应滤波，以得到输出信号
[0022][0023][0024]
其中，μ为阻尼因子。
[0025]
进一步，所述电网电压信号的频率，相位和幅值的信息，计算如下。
[0026][0027][0028][0029]
其中，
[0030][0031]
进一步，计算中采用下列近似表达成立：
[0032][0033]
进一步，所述阻尼因子μ小于信号[v
β
(i)-cv
α
(i)]2的最大值。
[0034]
进一步，所述阻尼因子μ取0.5。
[0035]
本发明利用离散频率固定的sogi滤波器模块生成的两相信号构成了一个线性频率参数模型，再利用lms滤波器对该模型的频率参数进行估计和计算。该方法主要有以下优点：
[0036]
1.所采用的滤波器的实现和结构都非常简单，仅有一个状态变量,没有多个反馈环路，完全避免了传统sogi与频率检测结构的耦合，同时不需要考虑离散化方法。
[0037]
2.得益于避免了sogi和频率检测结构的耦合，使得在发生电网电压信号参数跳变时sogi与频率检测结构的动态之间相互影响更小，因此它比标准的sogi-fll拥有更加平滑的暂态过渡性能,同时由于幅值补偿器的作用使得幅值检测的扰动抑制能力更好。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例中的离散频率固定的sogi滤波器的系统模块框图；
[0039]
图2为频率固定的sogi传递函数的幅频、相频伯德图；
[0040]
图3本发明实施例中的基于离散频率固定的sogi的lms滤波器的系统模块框图；
[0041]
图4(a)为本发明实施例中的测试例1的输入电压信号波形图；
[0042]
图4(b)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例1下的估计的频率波形的对比图(d)幅值波形图；
[0043]
图4(c)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例1下的估计的相位偏差波形对比图；
[0044]
图4(d)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例1下的估计的幅值波形对比图；
[0045]
图5(a)为本发明实施例中的测试例2的输入电压信号波形；
[0046]
图5(b)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例2下的估计的频率波形的对比图(d)幅值波形图；
[0047]
图5(c)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例2下的估计的相位偏差波形对比图；
[0048]
图5(d)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例2下的估计的幅值波形对比图；
[0049]
图6(a)为本发明实施例中的测试例3的输入电压信号波形；
[0050]
图6(b)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例3下的估计的频率波形的对比图(d)幅值波形图；
[0051]
图6(c)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例3下的估计的相位偏差波形对比图；
[0052]
图6(d)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例3下的估计的幅值波形对比
图；
[0053]
图7(a)为本发明实施例中的测试例4的输入电压信号波形；
[0054]
图7(b)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例4下的估计的频率波形的对比图(d)幅值波形图；
[0055]
图7(c)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例4下的估计的相位偏差波形对比图；
[0056]
图7(d)为本发明实施例中的三种滤波器结构在测试例4下的估计的幅值波形对比图。
具体实施方式
[0057]
下面，通过具体实施例及其模拟实验的结果，对本发明进行进一步的说明。
[0058]
离散频率固定的sogi
[0059]
为了更为清晰地表达本实施例中的电网电压信号参数的检测方法，此处先介绍现有的离散频率固定的sogi滤波器及其原理。
[0060]
首先给出理想情况下电网信号的离散时域表达式为：
[0061]
v(i)＝acos(ωits φ)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
这里a是基频电压幅值，i是当前采样点，ts为采样时间，φ是基频信号的初相，ω为电压信号的角频率。
[0063]
接下来给出离散频率固定的sogi的传递函数：
[0064][0065][0066]
这里p＝c2 1 kc,q＝2(c
2-1),h＝c2 1-kc,c＝tan(ω
n
ts/2),ω
n
是额定角频率。
[0067]
g
α
(z)为生成信号v
α
(i)与电网信号v(i)的离散传递函数，g
β
(z)为生成信号v
β
(i)与电网信号v(i)的离散传递函数。之所以叫做频率固定的sogi，是因为该传递函数不因实际电网信号频率的变化而变化，即c为一已知常数，该sogi滤波器离散化实现的系统模块框图如图1所示。
[0068]
对于图1中的系统，其输入信号为电网信号v(i)，通过上述的离散频率固定的sogi滤波器模块，可以得到输出两相信号v
α
(i)和v
β
(i)，其具体的模块实现，例如可利用matlab/simulink搭建如图所示的模块，为本领域技术人员所熟知的技术手段，在次不做赘述，其中参数k和c均为常数。
[0069]
图2为通过simulink中的linear analysis画出的g
α
(z)和g
β
(z)的伯德图，图中上半部分为幅频(magnitude/frequency)伯德图,单位为db/hz，下半部分相频(phase/frequency)伯德图,单位为deg/hz,从图中可以得知，g
α
(z)是一个带通滤波器，g
β
(z)是一个低通滤波器。基于离散频率固定sogi的lms自适应滤波器
[0070]
此部分介绍本实施例中的基于离散频率固定sogi的lms自适应滤波器。
[0071]
首先由(2)，(3)可以得到生成的两相信号的时域表达式如下：
[0072][0073]
其中参数满足如下关系
[0074][0075][0076][0077]
基于式(4)-(7)，我们可以推出下列关于两相信号v
α
(i),v
β
(i)的线性关系：
[0078]
x(v
β
(i)-cv
α
(i))-cv
α
(i)-v
β
(i-1)＝0
ꢀꢀꢀ
(8)
[0079]
这里x＝cos(ωts)。
[0080]
对于式(8)，我们的目标就是从信号v
α
(i),v
β
(i)中估计出参数x，因此我们定义如下误差e(i):
[0081][0082]
因此为了使误差e(i)最小，我们有以下lms自适应滤波器设计：
[0083][0084]
这里为待估参数x，μ是阻尼因子。为了保证lms滤波器的收敛性，通常取为小于信号[v
β
(i)-cv
α
(i)]2的最大值。
[0085]
结合图1的sogi模块和此处推出的自适应滤波器(10)，可以得到本发明所提出的如图3所示的用于电网信号参数估计的基于离散频率固定sogi的lms自适应滤波器：
[0086]
对于图3，虚线框内为离散频率固定的sogi滤波器模块，即图1所示的模块。整个图3反映了所提出的基于离散频率固定sogi的lms滤波器。
[0087]
在实际检测工作工程中，利用该基于离散频率固定sogi的lms滤波器进行电网电压参数估计的具体步骤如下：
[0088]
步骤1：单相电网电压信号v(i)通过虚线框内的sogi模块可以得到两相信号v
α
(i)和v
β
(i)。这里输入信号为v(i)，输出信号为v
α
(i)和v
β
(i)；
[0089]
步骤2：实现虚线框外的模块，即利用两相信号v
α
(i)和v
β
(i)的信息实现发明所提出的lms滤波器，即公式(9)和(10)可以得到估计的参数它们对应的模块搭建如图3所示。这里输入信号为v
α
(i)和v
β
(i)，输出信号为
[0090]
步骤3：根据步骤1和步骤2得到输出信号v
α
(i)，v
β
(i)和我们就可以得到待估计的单相电网电压信号的频率，相位和幅值信息，其计算公式如(11)，(12)和(13)所示。
[0091][0092]
[0093][0094]
这里和ω
n
为额定角频率.这里为了避免三角函数的计算，于是有下列近似表达成立.
[0095][0096]
实验结果分析及对比
[0097]
本部分内容将本实施例提出的采用基于离散频率固定sogi的lms自适应滤波器进行参数预估的方法与采用最常用的sogi-fll和sogi-pll滤波器进行参数预估的犯方法进行比较。实验中的参数选择和离散化方式见表1，其中sogi-pll和sogi-fll均是严格按照参考文献[s.golestan,et al,"dynamics assessment of advanced single-phase pll structures,"ieee transactions on industrial electronics,vol.60,no.6,pp.2167-2177,june 2013.]和[s.golestan,et al,"modeling,tuning,and performance comparison of second-order-generalized-integrator-based flls,"ieee transactions on power electronics,vol.33,no.12,pp.10229-10239,dec.2018.]的给定值来比较，同时为了达到公平的对比，其动态调节时间保证几乎一致，因此令其参数μ＝0.05来达到同样的调节时间。同时k＝1为sogi的参数，这一参数在参考文献中常为推荐0.707或1，这里取做1使得式(12)(13)计算负担更低。其实验环境为matlab/simulink下实时仿真进行，其采样频率为12.8khz。
[0098]
值得强调的是参数μ的取值不应局限于0.05，其值越小，动态速度越慢，而越大，则速度越快。因此其取值可以根据实际的需要来选取，但是应该保证其最多不能超过信号[v
β
(i)-cv
α
(i)]2的最大值，这是由lms的收敛性所决定的。
[0099]
表1三种滤波器结构的参数设定和离散化方法
[0100][0101]
测试例1：电压信号在t＝1秒时相角跳变pi/3。
[0102]
图4中示出了测试例1的输入电压信号波形和上述三种结构在测试例1下估计的频率，相位偏差和幅值波形图。图4(a)为输入电压信号波形图，图4(b)为频率波形图，图4(c)为相位偏差波形图，图4(d)为幅值波形图。
[0103]
图4分别表示了发生相角跳变时输入信号波形和三种结构的频率动态过程，相位动态过程和幅值动态过程，可以看出本实施例中提出的方法从频率，相位和幅值检测上均
拥有更加平滑的暂态过程，同时其调节时间略微快于sogi-fll。
[0104]
测试例2：电压信号在t＝1秒时频率跳变 5hz。
[0105]
图5中示出了测试例1的输入电压信号波形和上述三种结构在测试例2下估计的频率，相位偏差和幅值波形图。图5(a)为输入电压信号波形图，图5(b)为频率波形图，图5(c)为相位偏差波形图，图5(d)为幅值波形图。
[0106]
图5分别表示了发生频率偏移时候输入电压信号波形和三种结构的频率动态过程，相位偏差的动态过程和幅值的动态过程，可以看出所提方法的暂态过程非常平滑，特别是幅值的动态过程，且调节时间和sogi-fll几乎一致，然而sogi-pll的相位动态则表现出较差的动态性能。
[0107]
测试例3：电压信号在t＝1秒时幅值跌落50％。
[0108]
图6中示出了测试例3的输入电压信号波形和上述三种结构在测试例3下估计的频率，相位偏差和幅值波形图。图6(a)为输入电压信号波形图，图6(b)为频率波形图，图6(c)为相位偏差波形图，图6(d)为幅值波形图。
[0109]
图6分别表示了发生幅值跌落时候输入电压信号波形和三种结构的频率动态过程，相位偏差的动态过程和幅值的动态过程，可以看出所提方法的在发生幅值跌落时暂态过程非常平滑，且调节时间也快于sogi-fl和sogi-pll。这一特性非常有利于逆变器的低压穿越运行。
[0110]
测试例4：电压信号在t＝1秒时混入直流偏置,3,5,7,9,11,13次谐波，其含量分别为基频电压信号含量的10％,7％,5％,6％,5％,3.5％,3％。
[0111]
图中7示出了测试例4的输入电压信号波形和上述三种结构在测试例4下估计的频率，相位偏差和幅值波形图。图7(a)为输入电压信号波形图，图7(b)为频率波形图，图7(c)为相位偏差波形图，图7(d)为幅值波形图。
[0112]
图7分别表示了电网电压混入直流分量和谐波情况时候输入电压信号波形和四种结构的动态过程，可以看出所提方法和sogi-fll，sogi-pll均不能完全抑制直流分量和各次谐波，但本发明所提方法其稳态误差最小，即说明其扰动抑制能力最好。特别是幅值的检测，本发明所提方法拥有明显的优势。
[0113]
从仿真结果的对比可以看出本发明提出了一种基于离散频率固定sogi的电网电压信号参数的检测方法，它利用了离散频率固定sogi生成的两相信号建立的模型来构造自适应lms滤波器，进而对电网的电压参数进行频率估计。
[0114]
该方法主要有以下优点：
[0115]
1.所采用的滤波器的实现和结构都非常简单，仅有一个状态变量,没有多个反馈环路，完全避免了传统sogi与频率检测结构的耦合，同时不需要考虑离散化方法.
[0116]
2.得益于避免了sogi和频率检测结构的耦合，使得在发生电网电压信号参数跳变时sogi与频率检测结构的动态之间相互影响更小，因此它比标准的sogi-fll拥有更加平滑的暂态过渡性能,同时由于幅值补偿器的作用使得幅值检测的扰动抑制能力更好。
[0117]
以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。