适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法及装置与流程

1.本发明涉及电力控制技术领域，尤其涉及一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法及装置。


背景技术：

2.农村配电网台区存在供电半径大、导线截面积小、设备老化以及线路过载等不足，常出现末端低电压问题。随着农村用电负荷急剧增加，用电品质需求也有所提升。较低的电压幅值会严重影响居民用户的生产生活，不可逆地损坏电气设备，还会波及电网的稳定性，故亟需改善末端电压质量。
3.目前，为了解决农村配电网台区的末端低电压问题，在低压配电网应用电力电子变换和控制技术，设计交直流配电系统，通过直流配电，适当提高输电电压，来延长供电半径。但由于交直流配电系统中引入电力电子变流器实现低压直流配电，交直流配电系统在直流配电模态切换为交流配电模态的过程中，负载侧容易出现电压相位突变的情况，难以实现交直流配电系统从直流配电模态到交流配电模态的平滑切换。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法及装置，能够实现交直流配电系统从直流配电模态到交流配电模态的平滑切换。
5.为了解决上述技术问题，第一方面，本发明一实施例提供一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法，所述交直流配电系统包括送端变流器、受端变流器、电源、线路和负载；
6.当所述交直流配电系统工作在直流配电模态下时，所述电源的输出端与所述送端变流器的输入端连接，所述送端变流器的输出端与所述线路的输入端连接，所述线路的输出端与所述受端变流器的输入端连接，所述受端变流器的输出端接入所述负载；
7.所述方法，包括：
8.当所述交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过所述受端变流器检测感应电压，得到待测信号；
9.采用双相位锁定放大器，根据所述待测信号，以及根据所述待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到所述待测信号的电压相位。
10.进一步地，所述采用双相位锁定放大器，根据所述待测信号，以及根据所述待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到所述待测信号的电压相位，具体为：
11.根据所述待测信号构造所述第一参考信号，并对所述待测信号和所述第一参考信号进行信号处理，得到第一目标信号；
12.根据所述第一参考信号构造所述第二参考信号，并对所述第一参考信号和所述第二参考信号进行信号处理，得到第二目标信号；
13.根据所述第一目标信号和所述第二目标信号，得到所述待测信号的电压相位。
14.进一步地，所述根据所述待测信号构造所述第一参考信号，并对所述待测信号和所述第一参考信号进行信号处理，得到第一目标信号，具体为：
15.根据所述待测信号，构造一个与所述待测信号同频率的信号作为所述第一参考信号；
16.采用乘法器将所述待测信号与所述第一参考信号相乘，得到第一中间信号；
17.采用低通滤波器对所述第一中间信号进行滤波，得到所述第一目标信号。
18.进一步地，所述根据所述第一参考信号构造所述第二参考信号，并对所述第一参考信号和所述第二参考信号进行信号处理，得到第二目标信号，具体为：
19.根据所述第一参考信号，构造一个与所述第一参考信号同频率但存在90
°
相移的信号作为所述第二参考信号；
20.采用乘法器将所述第一参考信号与所述第二参考信号相乘，得到第二中间信号；
21.采用低通滤波器对所述第二中间信号进行滤波，得到所述第二目标信号。
22.进一步地，所述待测信号的电压相位为：
[0023][0024]
其中，u
oa
为所述第一目标信号，u
ob
为所述第二目标信号，a1为所述待测信号的幅值，a2为所述第一参考信号或所述第二参考信号的幅值。
[0025]
第二方面，本发明一实施例提供一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制装置，所述交直流配电系统包括送端变流器、受端变流器、电源、线路和负载；
[0026]
当所述交直流配电系统工作在直流配电模态下时，所述电源的输出端与所述送端变流器的输入端连接，所述送端变流器的输出端与所述线路的输入端连接，所述线路的输出端与所述受端变流器的输入端连接，所述受端变流器的输出端接入所述负载；
[0027]
所述装置，包括：
[0028]
待测信号获取模块，用于当所述交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过所述受端变流器检测感应电压，得到待测信号；
[0029]
电压相位同步模块，用于采用双相位锁定放大器，根据所述待测信号，以及根据所述待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到所述待测信号的电压相位。
[0030]
进一步地，所述电压相位同步模块，包括：
[0031]
第一信号处理单元，用于根据所述待测信号构造所述第一参考信号，并对所述待测信号和所述第一参考信号进行信号处理，得到第一目标信号；
[0032]
第二信号处理单元，用于根据所述第一参考信号构造所述第二参考信号，并对所述第一参考信号和所述第二参考信号进行信号处理，得到第二目标信号；
[0033]
电压相位同步单元，用于根据所述第一目标信号和所述第二目标信号，得到所述待测信号的电压相位。
[0034]
进一步地，所述第一信号处理单元，具体用于：
[0035]
根据所述待测信号，构造一个与所述待测信号同频率的信号作为所述第一参考信号；
[0036]
采用乘法器将所述待测信号与所述第一参考信号相乘，得到第一中间信号；
[0037]
采用低通滤波器对所述第一中间信号进行滤波，得到所述第一目标信号。
[0038]
进一步地，所述第二信号处理单元，具体用于：
[0039]
根据所述第一参考信号，构造一个与所述第一参考信号同频率但存在90
°
相移的信号作为所述第二参考信号；
[0040]
采用乘法器将所述第一参考信号与所述第二参考信号相乘，得到第二中间信号；
[0041]
采用低通滤波器对所述第二中间信号进行滤波，得到所述第二目标信号。
[0042]
进一步地，所述待测信号的电压相位为：
[0043][0044]
其中，u
oa
为所述第一目标信号，u
ob
为所述第二目标信号，a1为所述待测信号的幅值，a2为所述第一参考信号或所述第二参考信号的幅值。
[0045]
本发明的实施例，具有如下有益效果：
[0046]
令交直流配电系统工作在直流配电模态下，应用交直流配电系统进行直流配电，当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，电源的输出端与送端变流器的输入端连接，送端变流器的输出端与线路的输入端连接，线路的输出端与受端变流器的输入端连接，受端变流器的输出端接入负载，以当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过受端变流器检测感应电压，得到待测信号，采用双相位锁定放大器，根据待测信号，以及根据待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到待测信号的电压相位，完成受端变流器输出电压相位与电网电压相位的同步控制。相比于现有技术，本发明的实施例通过采用双相位锁定放大器对受端变流器检测的感应电压，也就是电网电压进行相位锁定，使受端变流器输出电压相位与电网电压相位同步，能够有效防止交直流配电系统在直流配电模态切换为交流配电模态的过程中负载侧容易出现电压相位突变的情况，从而实现交直流配电系统从直流配电模态到交流配电模态的平滑切换。
附图说明
[0047]
图1为本发明第一实施例中的一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法的流程示意图；
[0048]
图2为本发明第一实施例中示例的工作在交流配电模态下的交直流配电系统的结构示意图；
[0049]
图3为本发明第一实施例中示例的工作在直流配电模态下的交直流配电系统的结构示意图；
[0050]
图4为本发明第一实施例中示例的一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法的流程示意图；
[0051]
图5为本发明第一实施例中示例的程序计算相位输出结果的示意图；
[0052]
图6为本发明第一实施例中示例的待测信号的波形图；
[0053]
图7为本发明第一实施例中示例的双相位锁定放大器输出结果的示意图；
[0054]
图8为本发明第二实施例中一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制装置的结构示意图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的终端设备执行，且下文均以控制器作为执行主体为例进行说明。
[0057]
如图1-3所示，本发明的实施例提供一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制方法，所述交直流配电系统包括送端变流器1、受端变流器2、电源3、线路4和负载5；
[0058]
当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，电源3的输出端与送端变流器1的输入端连接，送端变流器1的输出端与线路4的输入端连接，线路4的输出端与受端变流器2的输入端连接，受端变流器2的输出端接入负载5；
[0059]
所述方法，包括步骤s1～s2：
[0060]
s1、当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过受端变流器2检测感应电压，得到待测信号；
[0061]
s2、采用双相位锁定放大器，根据待测信号，以及根据待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到待测信号的电压相位。
[0062]
作为示例性地，交直流配电系统包括送端变流器1、受端变流器2、电源3、线路4和负载5。
[0063]
可以理解的是，电源3、线路4和负载5构成交流配电系统，电源3是指交流配电系统中的交流电源，线路4是指交流配电系统中的配电线路，负载5是指交流配电系统中的用户负载。送端变流器1、受端变流器2、电源3、线路4和负载5构成直流配电系统，送端变流器1是指直流配电系统中的整流器，受端变流器2是指直流配电系统中的逆变器。
[0064]
如图2所示，当交直流配电系统工作在交流配电模态下，即直流开关s1、s2、s3断开，交流开关s4、s5闭合时，电源3的输出端与线路4的输入端连接，线路4的输出端接入负载5。
[0065]
如图3所示，当交直流配电系统工作在直流配电模态下，即直流开关s1、s2、s3闭合，交流开关s4、s5断开时，电源3的输出端与送端变流器1的输入端连接，送端变流器1的输出端与线路4的输入端连接，线路4的输出端与受端变流器2的输入端连接，受端变流器2的输出端接入负载5。
[0066]
在交直流配电系统从直流配电模态切换为交流配电模态的过程中，如果不对受端变流器2输出电压相位和电网本身的交流电压相位进行同步控制，那么在交流开关s5闭合
后，电网直接对负载5进行供电，其交流电压相位与原先受端变流器2输出电压相位不同，负载5电压相位会发生突变，因此在交直流配电系统从直流配电模态切换为交流配电模态之前，应该对受端变流器2输出电压相位和电网电压相位进行同步控制。
[0067]
当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，由于在直流配电时送端变流器1侧的控制器和受端变流器2侧的控制器没有采用通信，因此受端变流器2侧无法直接采样到电网电压。而线路4上交流开关s4、s5采用晶闸管等这类固态开关时，即使其开断，也依旧存在开断电阻，也就是说，在b相线路(直流配电所用三相线路中的两相线路后剩余的一相线路)上电压虽然是悬空的，但实际上会感应出电网电压，因此可以通过受端变流器2检测到b相线路上的感应电压作为电网电压，来对电网电压相位进行检测。
[0068]
令交直流配电系统工作在直流配电模态下，应用交直流配电系统进行直流配电，以当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过受端变流器2检测感应电压，得到待测信号，采用双相位锁定放大器，根据待测信号，以及根据待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到待测信号的电压相位，完成受端变流器2输出电压相位与电网电压相位的同步控制。
[0069]
本实施例通过采用双相位锁定放大器对受端变流器2检测的感应电压，也就是电网电压进行相位锁定，使受端变流器2输出电压相位与电网电压相位同步，能够有效防止交直流配电系统在直流配电模态切换为交流配电模态的过程中负载5侧容易出现电压相位突变的情况，从而实现交直流配电系统从直流配电模态到交流配电模态的平滑切换。
[0070]
在优选的实施例当中，所述采用双相位锁定放大器，根据待测信号，以及根据待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到待测信号的电压相位，具体为：
[0071]
根据待测信号构造第一参考信号，并对待测信号和第一参考信号进行信号处理，得到第一目标信号；
[0072]
根据第一参考信号构造第二参考信号，并对第一参考信号和第二参考信号进行信号处理，得到第二目标信号；
[0073]
根据第一目标信号和第二目标信号，得到待测信号的电压相位。
[0074]
可以理解的是，锁定放大器是指一种能测量湮没在噪声中的信号振幅和相位的电压表。一般的放大器，在放大信号的同时也将噪声放大，因而不能检测湮没在噪声中的信号，而锁定放大器则能在检测放大信号的同时，将噪声抑制掉。
[0075]
本实施例通过采用双相位锁定放大器对受端变流器2检测的感应电压，也就是电网电压进行相位锁定，使受端变流器2输出电压相位与电网电压相位同步，还能够去除信号中的噪声干扰。
[0076]
在优选的实施例当中，所述根据待测信号构造第一参考信号，并对待测信号和第一参考信号进行信号处理，得到第一目标信号，具体为：根据待测信号，构造一个与待测信号同频率的信号作为第一参考信号；采用乘法器将待测信号与第一参考信号相乘，得到第一中间信号；采用低通滤波器对第一中间信号进行滤波，得到第一目标信号。
[0077]
作为示例性地，假设待测信号为单相正弦信号，对于单相正弦信号的相位锁定采用锁定放大器，采用乘法器将一个与待测信号同频率的正弦信号，即第一参考信号，与含有广谱噪声的待测信号相乘，乘法器输出一个含有直流分量的两倍频正弦信号，即第一中间信号，其中直流分量与待测信号幅度成正比，且与待测信号和第一参考信号两个正弦信号
的相移差有关。若采用低通滤波器滤除乘法器输出的第一中间信号中的两倍频正弦波，也就是交流分量，保留直流分量，就可以得到一个正比于待测信号幅度的直流量。
[0078]
例如，待测信号为单相正弦信号，即则构造一个与待测信号同频率的正弦信号作为第一参考信号，即u2＝a2sin(ωt)，采用乘法器将待测信号与第一参考信号u2＝a2sin(ωt)相乘，得到第一中间信号，即采用低通滤波器滤除第一中间信号中的交流分量得到第一中间信号中的直流分量，也就是第一目标信号，即该直流分量与待测信号的幅值a1、相位有关。
[0079]
前述的锁定放大器输出结论，建立在第一参考信号与待测信号同频同相的基础上。但在实际工作中，保证两者频率相同是容易的，但要得到一个交流信号的幅值较难。用锁定放大器测量正弦信号相位时首先需要得到待测信号的幅值。因此，采用双相位锁定放大器，可一次性求解出幅值，同时获得相位差。
[0080]
在优选的实施例当中，所述根据第一参考信号构造第二参考信号，并对第一参考信号和第二参考信号进行信号处理，得到第二目标信号，具体为：根据第一参考信号，构造一个与第一参考信号同频率但存在90
°
相移的信号作为第二参考信号；采用乘法器将第一参考信号与第二参考信号相乘，得到第二中间信号；采用低通滤波器对第二中间信号进行滤波，得到第二目标信号。
[0081]
作为示例性地，采用双相位锁定放大器需要构造两个参考信号，即第一参考信号和第二参考信号，且第一参考信号和第二参考信号同频但存在90
°
相移。
[0082]
由于第一参考信号为u2＝a2sin(ωt)，则构造一个与第一参考信号同频率但存在90
°
相移的正弦信号作为第二参考信号，即采用乘数相同的乘法器将第一参考信号u2＝a2sin(ωt)与第二参考信号相乘，得到第二中间信号，采用同样的低通滤波器滤除第二中间信号中的交流分量，得到第二中间信号中的直流分量，也就是第二目标信号，即
[0083]
在优选的实施例当中，待测信号的电压相位为：
[0084][0085]
其中，u
oa
为第一目标信号，u
ob
为第二目标信号，a1为待测信号的幅值，a2为第一参考信号或第二参考信号的幅值。
[0086]
作为示例性地，在采用双相位锁定放大器计算待测信号的电压相位时，由于其相位最终输出是求解相位正切值的反函数，但是由于f(x)＝arctanx在-180
°
到180
°
的区间内
一个函数值对应两个自变量的值，因此在求解相位差时需要判断两个乘法器结果的直流分量的正负，即判断和的正负。
[0087]
为了更清楚地说明本实施例，按照图4的流程编写程序验证采用双相位锁定放大器进行受端变流器2输出电压相位与电网电压相位同步控制的有效性。
[0088]
假设待测信号在前0.5s内与参考信号的相位差为35
°
，在0.5s后与参考信号相位差变为60
°
，则在上述的流程下，程序计算相位输出结果的示意图如图5所示，可见在待测信号的相位突变后，过了一个工频周期后采用双相位锁定放大器输出相位能完全跟踪待测信号的电压相位。
[0089]
在采用双相位锁定放大器计算待测信号的电压相位时，由于其相位最终输出是求解相位正切值的反函数，但是由于f(x)＝arctanx在-180
°
到180
°
的区间内一个函数值对应两个自变量的值，因此在求解相位差时需要判断两个乘法器结果的直流分量的正负，即判断和的正负。
[0090]
采用锁定放大器另一个好处是在于待测信号即使包含谐波，但是不影响其输出结果，这是因为谐波的频率与参考信号频率不同，因此相乘之后只会产生交流分量，通过低通滤波器后谐波分量产生的结果将被滤除，只留下与参考信号同频信号的信息。该好处对于实际工程有十分好的效果，这是因为实际采样传感器上往往有高频的噪声，因此用锁定放大器进行相位检测可以去除掉噪声带来的干扰。
[0091]
下面依旧用程序来验证，图6为待测信号叠加了100次谐波信号和3次谐波信号的波形图，用来模拟采样的高频噪声和低频噪声。
[0092]
将该待测信号输入到双相位锁定放大器，按照上述的计算过程，得到其基波相位，双相位锁定放大器输出结果的示意图如图7所示。由图7可见，即使待测信号叠加低频噪声和高频噪声后，依旧能很好地跟踪基波的相位，在基波相位突变后也在一个工频周期后能良好地得到其实际相位。
[0093]
根据实际程序验证可知，采用双相位锁定放大器能对单相正弦信号的相位进行良好的跟踪，因此在交直流配电系统从直流配电模态切换到交流配电模态的过程中，首先通过检测中间b相线路上感应的电网b相电压进行相位的锁定，将受端变流器2输出电压相位和电网电压相位进行同步，来实现切换过程中负载5电压的相位连续。
[0094]
基于与第一实施例相同的发明构思，第二实施例提供如图8所示的一种适用于交直流配电系统的电压相位同步控制装置，所述交直流配电系统包括送端变流器1、受端变流器2、电源3、线路4和负载5；
[0095]
当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，电源3的输出端与送端变流器1的输入端连接，送端变流器1的输出端与线路4的输入端连接，线路4的输出端与受端变流器2的输入端连接，受端变流器2的输出端接入负载5；
[0096]
所述装置，包括：
[0097]
待测信号获取模块，用于当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过受端变流器2检测感应电压，得到待测信号；
[0098]
电压相位同步模块，用于采用双相位锁定放大器，根据待测信号，以及根据待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到待测信号的电压相位。
[0099]
在优选的实施例当中，电压相位同步模块，包括：
[0100]
第一信号处理单元，用于根据待测信号构造第一参考信号，并对待测信号和第一参考信号进行信号处理，得到第一目标信号；
[0101]
第二信号处理单元，用于根据第一参考信号构造第二参考信号，并对第一参考信号和第二参考信号进行信号处理，得到第二目标信号；
[0102]
电压相位同步单元，用于根据第一目标信号和第二目标信号，得到待测信号的电压相位。
[0103]
在优选的实施例当中，第一信号处理单元，具体用于：
[0104]
根据待测信号，构造一个与待测信号同频率的信号作为第一参考信号；
[0105]
采用乘法器将待测信号与第一参考信号相乘，得到第一中间信号；
[0106]
采用低通滤波器对第一中间信号进行滤波，得到第一目标信号。
[0107]
在优选的实施例当中，第二信号处理单元，具体用于：
[0108]
根据第一参考信号，构造一个与第一参考信号同频率但存在90
°
相移的信号作为第二参考信号；
[0109]
采用乘法器将第一参考信号与第二参考信号相乘，得到第二中间信号；
[0110]
采用低通滤波器对第二中间信号进行滤波，得到第二目标信号。
[0111]
在优选的实施例当中，待测信号的电压相位为：
[0112][0113]
其中，u
oa
为第一目标信号，u
ob
为第二目标信号，a1为待测信号的幅值，a2为第一参考信号或第二参考信号的幅值。
[0114]
综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：
[0115]
令交直流配电系统工作在直流配电模态下，应用交直流配电系统进行直流配电，当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，电源3的输出端与送端变流器1的输入端连接，送端变流器1的输出端与线路4的输入端连接，线路4的输出端与受端变流器2的输入端连接，受端变流器2的输出端接入负载5，以当交直流配电系统工作在直流配电模态下时，通过受端变流器2检测感应电压，得到待测信号，采用双相位锁定放大器，根据待测信号，以及根据待测信号构造的第一参考信号和第二参考信号，得到待测信号的电压相位，完成受端变流器2输出电压相位与电网电压相位的同步控制。本发明的实施例通过采用双相位锁定放大器对受端变流器2检测的感应电压，也就是电网电压进行相位锁定，使受端变流器2输出电压相位与电网电压相位同步，能够有效防止交直流配电系统在直流配电模态切换为交流配电模态的过程中负载5侧容易出现电压相位突变的情况，从而实现交直流配电系统从直流配电模态到交流配电模态的平滑切换。
[0116]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
[0117]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只
读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。