基于内模的频率自适应滤波器建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于内模的频率自适应滤波器建模方法，涉及信号处理技术领域。所述方法包括如下步骤：设计基于内模原理的滤波器；设计频率跟踪模块，用来实时计算或追踪电力系统实际频率；通过所述基于内模原理的滤波器以及频率跟踪模块构建频率自适应滤波器模型。通过所述方法建立的滤波器模型结构稳定且收敛，带宽可不受被测频率波动的影响，可使滤波器在拥有较好的选频特性的同时仍具有良好的响应速度。

Modeling Method of Frequency Adaptive Filter Based on Internal Mode

【技术实现步骤摘要】
基于内模的频率自适应滤波器建模方法
本专利技术涉及信号处理
，尤其涉及一种基于内模的频率自适应滤波器建模方法。
技术介绍
独立电力系统或独立电网的运行过程中，除了电压畸变外，还会产生由负载有功波动导致的系统频率波动或偏移。最为常用的基于同步旋转坐标系锁相环(SynchronousRotatingFrame-PLL，SRF-PLL)，能准确提取电压正序分量，具有良好的动态响应速度和较小的误差，但在电压畸变和频率波动同时存在的环境下，该锁相环滤波器带宽的选取存在矛盾，同步效果差；最近提出的双二阶广义积分锁相环(DoubleSecondOrderGeneralizedIntegrator-PLL，DSOGI-PLL)，其滤波器对三相不平衡、谐波电压有较好的抑制效果，且具有频率自适应特性，但仍受频率波动和电压幅值波动的影响，在独立电网频率波动的运行环境下具有较大相位误差。因此，需要设计一种锁相环滤波器，能够在滤除谐波电压的同时，还具有较好的抗频率波动鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种结构稳定且收敛，带宽可不受被测频率波动的影响的基于内模的频率自适应滤波器建模方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于内模的频率自适应滤波器建模方法，其特征在于包括如下步骤：设计基于内模原理的滤波器；设计频率跟踪模块，用来实时计算或追踪电力系统实际频率；通过所述基于内模原理的滤波器以及频率跟踪模块构建频率自适应滤波器模型。进一步的技术方案在于：已知输入信号u为交流信号，其特征数学算子为cos或sin，又要求输出信号uα和uβ相互正交，即uα⊥uβ，可知，输入信号u表达式为cos(ωt)或sin(ωt)，其拉普拉斯变换为：上式即为目标传递函数G0(s)；根据内模原理，设计传递函数如下：其中，u(t)为输入信号，u1(t)、u2(t)为输出信号，ω为系统角频率，为微分算子，ξ1、ξ2为误差控制参数；根据公式(2)得到基于内模原理的滤波器的数学表达式为：其中：是指对u1(t)求一阶导，是指对u2(t)求一阶导，εu(t)是输入误差。进一步的技术方案在于：所述频率跟踪模块的设计方法包括如下步骤：为使估算角频率能跟随实际角频率ω的波动而波动，故令其表达式为该式具有唯一局部平衡点，即，当时，则呈增大趋势；当时，则呈减小趋势；根据滤波器模型现有参量输入信号u(t)、输出信号u1(t)和输出信号u2(t)来设计频率跟踪模块的f(t)：采用估算角频率来做实际角频率ω，得可知εu(t)很小，故有根据式(3)可得将式(6)代入式(7)，可得再将式(8)乘以输出信号u2(t)，并加入一个控制系数Γ(Γ>0)，并令其为由此构造出频率跟踪模型的数学表达式为其中，进一步的技术方案在于：所述通过所述基于内模原理的滤波器以及频率跟踪模块构建频率自适应滤波器模型的方法如下：将所设计的滤波器中心频率以频率跟踪模块实时估算角频率来代替，即，式(3)中的角频率ω均由估算角频率来代替，最终得到基于内模原理的自适应滤波器的数学模型，如下：其中，输入误差εu(t)和频率误差εω(t)为估计频率微分表达式为采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法基于内模原理，设计与滤波器输入基波形态相同的动力学模型，以期被选频信号无静态误差通过；引入两个误差控制参数ξ1、ξ2，通过参数调节，使滤波器获取更好的选频性能和稳定裕度；同时，设计频率跟踪模块，用于实时跟踪系统实际频率，以估算角频率作为该滤波器的中心频率，可使滤波器在系统频率产生波动或偏移时，仍然同时拥有较好的选频特性和响应速度，从而提高了滤波器抗系统频率波动的鲁棒性。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术实施例所述方法中基于内模原理的滤波器结构图；图2是本专利技术实施例所述方法中加入频率跟踪模块的内模原理滤波器结构；图3是本专利技术实施例中基于内模原理的自适应滤波器结构图；图4是本专利技术实施例中SOGI的结构图；图5是本专利技术实施例所述方法中IMAF与SOGI的Gd(s)幅相频特性比较图；图6是本专利技术实施例所述方法中IMAF与SOGI的Gq(s)幅相频特性比较图；图7是本专利技术实施例中E(s)的幅相频特性图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。总体的，本专利技术实施例公开了一种基于内模的频率自适应滤波器建模方法，包括如下步骤：设计基于内模原理的滤波器；设计频率跟踪模块，用来实时计算或追踪电力系统实际频率；通过所述基于内模原理的滤波器以及频率跟踪模块构建频率自适应滤波器模型。下面对上述步骤进行详细说明：内模原理是把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。原理的核心在于：要求一个反馈控制系统能够良好抵消外部扰动，或跟踪参考输入信号，其反馈回路必须包含一个与外部输入信号相同的动力学模型，这个内部模型即称为“内模”。基于内模原理的滤波器设计：已知输入信号u为交流信号，其特征数学算子为cos或sin，又要求输出信号uα、uβ相互正交，即uα⊥uβ。可知，输入信号u表达式为cos(ωt)或sin(ωt)，其Laplace(拉普拉斯)变换(传递函数)为上式即为目标传递函数G0(s)。根据内模原理，只要设计出的控制系统传递函数G(s)与G0(s)很接近，则可抑制各种干扰对系统的影响，实现控制系统的无误差跟踪。由于G0(s)难以实现，但可选用与其相近的控制结构，因此设计的滤波器结构如图1所示。其中，u(t)为输入信号，u1(t)、u2(t)为输出信号，ω为系统角频率(后文将对其进行自适应处理)，为微分算子，ξ1、ξ2为误差控制参数。该结构滤波器的传递函数为对比G(s)与G0(s)，除了分母含有单次分项ξ2ωs外，其余部分都相似，同时，由于分子项与分母单次分项分别由不同的参数ξ1、ξ2控制，则可通过单独减小参数ξ2，来使G(s)接近G0(s)。根据公式(2)得到该滤波器模型的数学表达式为：系统角频率的自适应：由模型传递函数，即式(2)的bode图可以看出，该滤波器的中心频率为ω，理论上ω应该为实际系统频率，但实际系统频率并不能真实获取，常规滤波器将该值选取为一个常数，即ω0＝2π×50Hz＝100πrad/s，但这样选取的问题在于，当系统频率发生偏移或波动时，即实际系统频率ω偏离ω0时，将导致滤波效果严重下降。因此，所述方法设计一个频率跟踪模块，用来实时计算或追踪实际系统频率，该模块实时计算的角频率用来表示，则得到基于内模原理的自适应滤波器结构如图2所示，实时估算角频率使滤波器中心频率具有自适应能力，能自动跟随系统的波动频率，从而使滤波器在限制带宽的同时仍具有良好的响应速度。频率跟踪模块数学模型的设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于内模的频率自适应滤波器建模方法，其特征在于包括如下步骤：设计基于内模原理的滤波器；设计频率跟踪模块，用来实时计算或追踪电力系统实际频率；通过所述基于内模原理的滤波器以及频率跟踪模块构建频率自适应滤波器模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于内模的频率自适应滤波器建模方法，其特征在于包括如下步骤：设计基于内模原理的滤波器；设计频率跟踪模块，用来实时计算或追踪电力系统实际频率；通过所述基于内模原理的滤波器以及频率跟踪模块构建频率自适应滤波器模型。2.如权利要求1所述的基于内模的频率自适应滤波器建模方法，其特征在于：已知输入信号u为交流信号，其特征数学算子为cos或sin，又要求输出信号uα和uβ相互正交，即uα⊥uβ，可知，输入信号u表达式为cos(ωt)或sin(ωt)，其拉普拉斯变换为：上式即为目标传递函数G0(s)；根据内模原理，设计传递函数如下：其中，u(t)为输入信号，u1(t)、u2(t)为输出信号，ω为系统角频率，为微分算子，ξ1、ξ2为误差控制参数；根据公式(2)得到基于内模原理的滤波器的数学表达式为：其中：是指对u1(t)求一阶导，是指对u2(t)求一阶导，εu(t)是输入误差。3.如权利要求2所述的基于内模的频率自适应滤波器建模方法，其特征在于，所述频率跟踪模...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷重熹，周芸，刘正春，李宝晨，李宇明，高伟伟，周海俊，方正，
申请(专利权)人：河北交通职业技术学院，中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：河北,13