一种适用于单相畸变电网的非线性幅相检测方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于单相畸变电网的非线性幅相检测方法，根据单相畸变电网的模型，利用静止坐标系锁相环方法，提取单相信号的基波信号和构建正交信号；根据单相信号的基波信号和正交信号构建李亚普诺夫函数，由于李亚普诺夫函数的导数小于零，即系统全局稳定和收敛，得到自适应正交发生器和锁频环；根据自适应正交发生器和锁频环，得到单相信号的基波幅值和相位。本方法的设计根据单相畸变电网的模型，利用李亚普诺夫方法对对角频率信号的估计，不依赖于传统的线性化方法，利用非线性方法保证了信号的完整性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
与电网相关的电能变换中，例如正蓬勃发展的并网逆变器、有源滤波器、V2G系统 以及分布式储能系统等，电网同步技术作为一项关键技术得到了广泛应用。单相工频电网 中存在的相位突变、频率扰动和幅值波动快速精确检测，对单相锁相控制技术提出了严格 要求。与电网的能源量交换中，电网基波的检测为功率变换器提供准确的交流参考信号，满 足电能质量的标准，实现可靠运行；除此之外，电网中谐波的提取在微网系统中得到广泛应 用。 为了提高在单相畸变电网下的同步性能，许多学者进行了深入研究，例如基于硬 件电路的过零检测方法，卡尔曼滤波算法，滑动离散傅里叶变换及其改进方法，锁相环技术 等，其中锁相环技术受到了广泛关注。通过延迟或滤波器网络产生正交信号，或利用控制理 论构建锁相环的偏差产生环节，实现了将锁相环方法原理应用于单相系统，由于频率波动 和谐波影响下，在提高响应速度和锁相稳态精度仍需不断尝试，以获得良好的锁相效果。 基于滤波器技术的锁相方法，例如基于延迟对消原理的锁相方法、基于多重二阶 广义积分的锁相方法、静止坐标系锁相环技术和自适应采样技术，利用不同的滤波方法集 中于基波分量的提取，并通过数学计算实现对电网相位和幅值的估计，并取得了良好的实 验效果。 但是，目前对频率变化较慢的电网信号，对电网的同步计算方法还没有相关的技 术实现。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了一种基于非线性自适应滤波器的电压 幅值和频率检测方法，在对单相信号进行理论分析的基础上，设计了自适应频率正交信号 发生器，利用锁频环获得信号的频率和谐波反馈解耦方法，构建了基于锁频环的多重自适 应滤波器，提高算法在畸变电网中的基波分量的同步和不同分量的提取效果。 另外，本专利技术给出了自适应正交信号发生器和锁频环的参数设计，适用于对频率 变化较慢的电网信号，实现对电网的同步，可以快速对频率进行跟踪，判断频率变化和电压 跌落等故障。 为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下： -种适用于单相畸变电网的非线性幅相检测方法，包括以下步骤： 步骤一：根据单相畸变电网的模型，利用静止坐标系锁相环方法，提取单相信号的 基波信号和构建正交信号； 步骤二：根据单相信号的基波信号和正交信号构建李亚普诺夫函数，由于李亚普 诺夫函数的导数小于零，即系统全局稳定和收敛，得到自适应正交发生器和锁频环，利用锁 频环获得信号的频率和谐波反馈解耦，构建基于锁频环的多重自适应滤波器； 步骤三：基波频率输出给正交信号自适应带通滤波器，通过谐波反馈解耦网络消 除电网电压中低次谐波的干扰，通过多回路反馈解耦准确提取基波和低次谐波信号，通过 幅相计算环节得到单相信号的基波幅值和相位。 所述单相畸变电网的模型具体为： 实际单相电网电压信号v和其虚拟正交信号u可以表示为一系列谐波之和，定义 为： 其中，h表示谐波分量阶次，\为h次谐波分量的幅值，Θ,为h次谐波的相位角， 许为h次谐波分量的初始相角，ω为实际电网的角频率，t为运行时间。 对于k次谐波分量，表示为 上述公式中分别为Vk、uk的导数，由于ω为中间变量，对其估计有比较复杂， 于是令Ω作为需要估计的频率参数，且定义： 其中，?为设定的初始电网频率；符号上面加点"表示变量的导数。 所述提取单相信号的基波信号（即k= 1)和构建正交信号过程为： λ是一个待定参数，为正值，保证系统所需的阻尼，文中相关变量使用" ~ "表示其 估计值，而εν1为实际值与估计值的差值。 所述构建李亚普诺夫函数时设定 所述构建李亚普诺夫函数 由于λ为正值，可见导数r小于零，系统是渐进稳定的。 所述步骤三中，如图2b所示，可以通过计算得到基波频率和虚拟正交信号： 单相信号的基波幅值和相位： 李亚普诺夫函数的参数确定过程： 所述锁频环中未知参数，通过试凑法不易获得一个优化的结果，本申请专利技术了一 个简洁的参数设计方法，即李亚普诺夫函数的参数确定过程如下： 假设频率估计为常数，基波分量自适应正交发生器环节的传递函数如下： 在任意入>〇,自然谐振频率为ω，以及系统阻尼为ξ=λ/2ω;系统参数的确定主要根据自适应自交信号发生器所需的稳定时间，系统的带宽越 大，达到稳定的速度越快，考虑到2%的误差标准，调节时间根据下式计算： 对锁频环和基波分量自适应正交发生器环节进行分析，可得锁频环的反馈线性化 传递函数如下： 其中Γ= ^，V为输入信号基波分量的幅值，并可知锁相环的稳定时间为Ts(Fa)= 2Λ 5/Γ，因此可以根据下式确定参数γ: 本专利技术的有益效果： 本专利技术主要用于快速、精确检测电网电压的基波频率、幅值和相位。该基波频率 输出给正交信号自适应带通滤波器，保证其正常稳定工作，并通过谐波反馈解耦网络消除 电网电压中低次谐波的干扰，最后通过简单的代数计算得到基波频率、相位和幅值。与传 统锁相环相比，消除了瞬态跟踪过渡过程，速度快且准。本方法的设计根据单相畸变电网的 模型，利用李亚普诺夫方法对对角频率信号的估计，不依赖于传统的线性化方法，利用非线 性方法保证了信号的完整性。本专利技术给出了主要参数的设计方法，但参数最优仍需进一步 调试，实验证明本专利技术提出的方法和参数选取在电网同步和谐波分量提取中具有良好的效 果。【附图说明】 图la本专利技术的非线性幅相追踪方法结构图； 图lb锁频环（FLL)、自适应正交发生器（AQSGk)、多回路反馈解耦网络以及幅相计 算环节之间的信号处理图； 图2a本专利技术的非线性幅相追踪方法原理图； 图2b本专利技术的非线性幅相追踪方法原理图图2a的等效图； 图3非线性幅相追踪方法改进前后的伯德图； 图4非线性幅相追踪方法在频率变化和谐波下的实验波形； 图5输入信号中各分量提取的实验波形。【具体实施方式】：当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于单相畸变电网的非线性幅相检测方法，其特征是，骤：步骤一：根据单相畸变电网的模型，利用静止坐标系锁相环方法，提取单相信号的基波信号和构建正交信号；步骤二：根据单相信号的基波信号和正交信号构建李亚普诺夫函数，由于李亚普诺夫函数的导数小于零，即系统全局稳定和收敛，得到自适应正交发生器和锁频环，利用锁频环获得信号的频率和谐波反馈解耦，构建基于锁频环的多重自适应滤波器；步骤三：基波频率输出给正交信号自适应带通滤波器，通过谐波反馈解耦网络消除电网电压中低次谐波的干扰，通过多回路反馈解耦准确提取基波和低次谐波信号，通过幅相计算环节得到单相信号的基波幅值和相位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张承慧，杜春水，王生飞，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37