[发明专利]电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法，适用于并网型逆变器、无功补偿器、不间断电源等电力设备控制中基准信号的检测，尤其适合于非理想电网条件下风力发电机组增强运行能力控制，以及四象限可逆交流调速传动系统高性能控制所需的电网基波电压相位、幅值和频率的快速获取。

背景技术

近年来，随着不可控整流器、不可逆交流调速传动系统、无功补偿装置、太阳能光伏发电并网逆变器及单相供电的电力机车等电力电子设备在电力系统中的广泛应用，电网电压谐波污染及三相不平衡问题日趋严重，造成电网电压、电流波形畸变和负序分量的生成，影响所接其他负载的安全运行。特别是在分布式发电系统（风力发电、太阳能光伏发电等）大规模并网的地区，各种电力电子设备的集中使用，使得局部电网电压波形畸变十分严重。与此同时，这些地区的电网往往处于偏远的电力系统末端，系统的稳定性较差，易发生各类电网故障，引起电网电压骤降、相位跳变、三相电压不对称等问题，影响到用作控制基准的电网基波电压频率、相位和幅值的准确检测，恶化了控制系统、特别是矢量控制系统的运行性能，给各种电力电子设备的运行控制带来困难。因此，在电网发生故障导致电压波形畸变及三相不平衡时，对电压基波同步信号的快速准确检测就成为各种电力电子设备实现有效运行控制的前提和关键。

正常电网条件下电网中只存在基波正序电压，采用传统的电压过零检测或锁相环(Phase-locked loop, PLL)技术即可方便地获得电压同步信号作为控制基准。但是当电网电压含有低次谐波及三相不平衡时，因传统锁相环不能抑制谐波及负序分量的干扰，使故障电网电压的过零点并非其基波的过零点，产生了检测误差。一种简单的处理办法是将畸变电压实行信号滤波并作相位补偿后作为基波电压来使用，但这将导致响应速度变慢且电压幅值检测存在较大误差。    

现有改进传统PLL检测方法可以归纳为三类：

1. 采用滤波器的方法。为了排除谐波和负序分量对基波电压正序分量频率和相位检测的影响，通常采用低通滤波器或者陷波器滤除                                                轴电网电压中的交流分量来保持为直流量，以满足PI控制器的有效工作条件并维持其输出（电网电压频率）的稳定。这种方法可以有效滤除谐波和负序分量的干扰，但因在控制闭环中引入了滤波器而严重影响PLL的动态响应速度，导致对基波电压正序分量频率、相位和幅值检测的滞后。

2. 采用相序分离的方法。为了消除电网电压中所含的谐波及负序分量，锁相环中采用基于对称分量法的相序分离方法或改进相序分离方法来提取所需要的基波电压信号。虽然这种方法也会引入正、负序分离的时延，但由于相序分离处理位于PLL控制环之外，因而对PLL动态性能无影响。这类方法的缺陷是相序分离计算复杂且对电网频率扰动极为敏感。

3. 改进控制器的方法。为了克服上述两类检测方法的缺陷，改进传统PLL中的PI控制器成为锁相环研究的热点。比较典型的是采用超前/滞后控制器（Lag/lead controller）取代PI调节器对进行调节。这种改进调节器采取增大控制系统带宽以提高动态响应速度，同时还具有滤除中的二倍频（负序）和指定次数谐波的能力。但这类控制器的设计需解决系统稳定性与动态响应速度之间的矛盾，系统控制参数设计较为复杂。

通过以上分析可见，现有电网电压谐波畸变及三相不平衡时基波电压同步信号的检测方法的核心内容是力图克服电网电压中谐波和负序分量对PI控制器的影响。这是因为当电网谐波畸变及三相不平衡时，正转同步旋转坐标系中表达的电网电压dq轴分量均含有6倍频（300Hz）和2倍频（100Hz）脉动分量。传统PLL所采用的PI控制器受调节带宽和增益裕度的限制难以实现对交流分量的有效调节，导致同步旋转坐标系中输出电压幅值、频率的波动和锁相角的抖动，严重影响了检测效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号的检测方法。

本发明的电网电压谐波畸变及不平衡时基波电压同步信号检测方法，包含以下步骤：

1. 利用一组（三个）电压霍尔传感器采集三相电网电压信号； 

2. 将采集到的定子电压信号经过静止三相/两相坐标变换，得到包含电压谐波及正、负序分量的电网电压综合矢量；

3. 利用相位角对所得到的静止坐标系中电网电压综合矢量作正转同步速旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标系中的电网电压综合矢量；