检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法

摘要

本发明涉及一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，属于电力信号检测技术领域。首先，利用传感器采集电力系统的电压信号或电流信号，采集的信号经过适当的处理后，利用派克变换和频率控制滤波，然后，分别得到初相位检测值

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，属于电力信 号检测技术领域。

背景技术

获取周期信号的相位和频率在电气工程中具有非常重要的实际应用价值。

在电气工程中，电力系统关键节点和断面上电压频率和相互之间的相位差控制在一定 范围之内，是保证电网正常运行的必要条件。在电力系统发生静态、动态失稳的过程中， 关键节点的相位变化是分析其失稳过程发展和失稳机理的重要信息。这就要求，无论电力 系统运行于稳定状态还是处于动态调整过程，都能够准确、快速地获得系统的频率和相位。 此外，准确、快速地获得系统电压的频率和相位对于改善配电网的供电质量也有重要应用 价值。在配电网中，存在无功、谐波、负序、闪变和电压跌落等众多电能质量问题。大功 率电力电子装置是改善这些问题的最佳手段，诸如静止无功发生器(STATCOM)、电力有 源滤波器(APF)、不间断电源(UPS)、动态电压恢复器(DVR)等等。它们要完成改善 电能质量的任务，必须实现其补偿电压/电流与系统电压/电流同步的问题。在电力系统因 远方短路等故障导致系统电压和相位突变时，同步问题尤为重要。此时正确的同步不仅是 改善电能质量的基础，更是控制补偿装置不过流、过压，使其安全可靠运行的重要保证。 风力发电、太阳能发电等新能源往往是通过分布式发电、微型电网的形式与电力系统相连 的，这时，也需要维持这些小系统与电力系统接入点频率和相位上的同步。

现在常用的电压信号或电流信号相位检测方法包括：过零检测、反三角函数计算和锁 相环。过零检测是把电压信号或电流信号的正向过零时刻作为电压信号或电流信号相位的 零点，之后，根据系统的额定频率计算电压信号或电流信号的相位，直到电压信号或电流 信号的下一个正向过零时刻。该方法在两个过零点之间无法获得准确的相位信息，系统频 率发生偏移时会产生检测误差，而且极易受到谐波和噪声的干扰，导致检测错误。反三角 函数计算是指利用反三角函数，直接计算正弦信号的相位。该方法同样容易遭受谐波和噪 声的干扰，产生较大的检测误差。锁相环是通过闭环控制，通过计算电压信号或电流信号 的检测值与实际值的误差，时时修正检测值，以得到准确的检测值。该方法的响应速度比 较慢，而且谐波和噪声依然会导致输出误差。由于现在已有的这些检测方法存在上述缺点， 使得在实际应用中，不能准确、迅速地检测电力系统的相位，不利于电力系统的控制和稳 定；会影响静止无功发生器、电力有源滤波器、不间断电源、动态电压恢复器等正常工作， 甚至会导致它们过流、过压，严重时会损坏这些设备；不利于分布式发电或微型电网的功 率和频率控制。

发明内容

本发明目的是提出一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，克服 已有技术的缺点，以避免谐波和噪声的干扰，快速准确地检测电力系统电压信号或电流信 号的频率和相位。

本发明提出的检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，包括以下各步 骤：

(1)利用传感器采集电力系统的电压信号或电流信号：若电力系统为三相系统，采 集的信号记为v_a、v_b、v_c，利用克拉克变换将v_a、v_b、v_c变换为两路信号v_α、v_β；若电力系 统为单相系统，采集的信号记为v_in，并将v_in作为信号v_α，利用希尔伯特变换得到信号v_β；

(2)设派克变换所需相位的初始值为0，对上述两路信号v_α、v_β进行派克变换得到 信号v_d1、v_q1；

(3)根据上述信号v_d1、v_q1，计算v_d1与v_d1延时后信号的平均值v_d2，计算v_d2与 v_d2延时后信号的平均值v_d3，计算v_d3与v_d3延时后的信号平均值v_d4，计算v_d4与v_d4延时后的信号求平均值v_d5，对v_d5进行低通滤波，得到v_d；计算v_q1与v_q1延时后 信号的平均值v_q2，计算v_q2与v_q2延时后信号的平均值v_q3，计算v_q3与v_q3延时后 的信号平均值v_q4，计算v_q4与v_q4延时后的信号求平均值v_q5，对v_q5进行低通滤波， 得到v_q，其中为电力系统的工频周期；

(4)设电力系统电压信号或电流信号的初相位检测值的初始值为0，将上述步骤(3) 得到的v_d与的正弦值相乘，得到第一计算值，将上述步骤(3)得到的v_q与的余弦值 相乘，得到第二计算值，将第二计算值减去第一计算值，得到电力系统电压信号或电流信 号初相位的实际值与初相位检测值的误差，记为

(5)对进行比例积分，得到初相位检测值

(6)对上述步骤(3)的v_d求导，使导数与上述步骤(3)的v_q相乘，得到第三计算 值，对上述步骤(3)的v_q求导，使导数与上述步骤(3)的v_d相乘，得到第四计算值， 第三计算值减去第四计算值，得到电力系统电压信号或电流信号角频率实际值ω与检测值 的误差，记为e_ω；

(7)设定一个电力系统电压或电流的扰动阈值v_th，对上述步骤(6)的e_ω取绝对值， 再求导，得到第五计算值，将第五计算值与扰动阈值v_th进行比较，若第五计算值大于v_th， 则扰动后的T_b时刻内，使e_ω为0，若第五计算值小于或等于v_th，则e_ω维持不变，其中T_b为扰动屏蔽时间；

(8)对上述步骤(7)的e_ω进行比例积分，得到电力系统电压信号或电流信号角频率 的检测值

(9)对上述步骤(8)的进行积分，得到派克变换所需的相位

(10)使上述步骤(5)的初相位检测值与上述步骤(9)的相加，得到电力系统 电压信号或电流信号相位的检测值θ；

(11)使用步骤(5)的电力系统电压信号或电流信号初相位的检测值和步骤(9) 的派克变换所需相位重复步骤(1)～(10)，实现对电力系统中电压信号或电流信号 频率和相位的检测。

本发明提出的检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，其优点是：

1、本发明方法具有快速的响应速度和良好的滤波效果，能够在信号频率和相位发生 变化后迅速跟踪新的频率和相位，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率和 相位；

2、本发明方法能够准确、迅速地检测电力系统的相位，有利于电力系统的控制和稳 定；

3、本发明方法能够保证电力系统中静止无功发生器、电力有源滤波器、不间断电源、 动态电压恢复器等设备的正常工作，保证它们在系统中存在大扰动时，不过流、不过压， 保证它们安全可靠地运行；

4、本发明方法有利于分布式发电或微型电力系统的功率和频率控制。

附图说明

图1是当电力系统为三相时，本发明方法的流程框图。

图2是当电力系统为单相时，本发明方法中利用希尔伯特(Hilbert)变换处理单相系 统采集信号的示意图。

图3是频率控制滤波的流程图。

图4是频率误差重构的流程图。

图5是输入三相电压对称且不含谐波时，用本发明方法获得的相位。

图6是输入三相电压含有谐波时，用本发明方法获得的相位。

图7是输入三相电压含有谐波时，用本发明方法获得的相位。

图8是输入三相电压在20ms时刻相位跳变30度，用本发明方法获得的相位。

图9是输入三相电压频率在20ms时刻增加1赫兹时，用本发明方法获得的频率。

具体实施方式

本发明提出的检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，其流程框图如 图1所示，包括以下各步骤：

(1)利用传感器采集电力系统的电压信号或电流信号：若电力系统为三相系统，采 集的信号记为v_a、v_b、v_c，利用克拉克(Clarck)变换将v_a、v_b、v_c变换为两路信号v_α、v_β； 克拉克变换矩阵为

$C=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)---\left(1\right)$

若电力系统为单相系统，采集的信号记为v_in，并将v_in作为信号v_α，利用希尔伯特 (Hilbert)变换得到信号v_β，如图2所示：

(2)设派克变换所需相位的初始值为0，对上述两路信号v_α、v_β进行派克(Park) 变换得到信号v_d1、v_q1，派克变换矩阵为

$T\left(\hat{\theta }\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \hat{\theta }& \sin \hat{\theta }\\ -\sin \hat{\theta }& \cos \hat{\theta }\end{array}\right)---\left(2\right)$

式(2)中，可以利用通过积分获得，应先将设为电力系统的额角频率，然 后通过闭环不断修正，以得到系统角频率的准确值；

(3)根据上述信号v_d1、v_q1，延时信号消除算法较之于普通的滤波器具有更好地滤波 效果和更快的响应速度，非常适合于滤除直流信号中的低频干扰，多次重复使用延时信号 消除算法可以滤除某频率以下的所有谐波，然后再结合低通滤波器，滤除高次谐波和噪声， 具体过程如图3所示，首先计算v_d1与v_d1延时后信号的平均值v_d2，计算v_d2与v_d2延时 后信号的平均值v_d3，计算v_d3与v_d3延时后的信号平均值v_d4，计算v_d4与v_d4延时后的信号求平均值v_d5对v_d5进行低通滤波，得到v_d；计算v_q1与v_q1延时后信号的平 均值v_q2，计算v_q2与v_q2延时后信号的平均值v_q3，计算v_q3与v_q3延时后的信号平 均值v_q4，计算v_q4与v_q4延时后的信号求平均值v_q5，对v_q5进行低通滤波，得到v_q， 其中为电力系统的工频周期；

(4)设电力系统电压信号或电流信号的初相位检测值的初始值为0，将上述步骤(3) 得到的v_d与的正弦值相乘，得到第一计算值，将上述步骤(3)得到的v_q与的余弦值 相乘，得到第二计算值，将第二计算值减去第一计算值，得到电力系统电压信号或电流信 号初相位的实际值与初相位检测值的误差，记为

(5)对进行比例积分，得到初相位检测值

(6)对上述步骤(3)的v_d求导，使导数与上述步骤(3)的v_q相乘，得到第三计算 值，对上述步骤(3)的v_q求导，使导数与上述步骤(3)的v_d相乘，得到第四计算值， 第三计算值减去第四计算值，得到电力系统电压信号或电流信号角频率实际值ω与检测值 的误差，记为e_ω，如图4所示；

(7)输入信号发生相位突变和频率突变时，频率误差检测环节的输出e_ω具有不同的 特性，发生相位跳变时e_ω具有较陡的上升沿，输入信号幅值突变时，e_ω同样会产生陡峭 的上升沿，这种特性可以用来剔除干扰，保证频率检测的准确性。具体做法是：设定一个 电力系统电压或电流的扰动阈值v_th，对上述步骤(6)的e_ω取绝对值，再求导，得到第五 计算值，将第五计算值与扰动阈值v_th进行比较，若第五计算值大于v_th，则扰动后的T_b时 刻内，使e_ω为0，若第五计算值小于或等于v_th，则e_ω维持不变，其中T_b为扰动屏蔽时间；

(8)对上述步骤(7)的e_ω进行比例积分，得到电力系统电压信号或电流信号角频率 的检测值

(9)对上述步骤(8)的进行积分，得到派克变换所需的相位

(10)使上述步骤(5)的初相位检测值与上述步骤(9)的相加，得到电力系统 电压信号或电流信号相位的检测值θ；

(11)使用步骤(5)的电力系统电压信号或电流信号初相位的检测值和步骤(9) 的派克变换所需相位重复步骤(1)～(10)，实现对电力系统中电压信号或电流信号 频率和相位的检测。

通过仿真结果可以看出：

1、无论是电压中含有谐波，还是因电网故障造成的电压信号不对称，本发明都能准 确地检测输入信号基波正序的相位，图5所示为输入三相电压对称且不含谐波时，使用本 发明方法检测得到的相位。图6所示为输入三相电压含有谐波时，使用本发明方法检测得 到的相位。图7所示为输入三相电压含有谐波时，使用本发明方法检测得到的相位。

2、当输入电压信号相位发生跳变时，仅需10ms左右就可以准确地检测出变化后的相 位，如图8所示；输入电压信号频率发生变化时，需要30ms左右就可以准确地检测出频 率。图9所示是输入三相电压频率在20ms时刻增加1赫兹时，使用本发明方法检测得到 的频率。