技术领域
[0001] 本
发明涉及检测
电网电压信号的装置，具体涉及一种动态响应速度快、能够消除不对称和谐波干扰、准确提取电网信号的一种采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置。
背景技术
[0002] 在新
能源发电中，各种分布式电源通过电
力电子变流器并网，要实现并网变流器与电网的同步运行，需检测电网电压的
频率、
相位和基波分量，即提取电网电压信号，同时电网电压信号还可能会参与变流器的控制。电网电压信号提取装置的性能会影响分布式发电系统的并网运行性能。随着电网环境的变化和变流器技术的不断发展，并网变流器对电网电压信号提取的要求也在不断提高。大规模新能源发电并入电网，电网也对新能源发电参与系统频率控制也提出了要求。非理想工况下，电网电压可能会出现不对称、谐波和频率变化等。电网电压信号检测装置也需要在非理想工况下具有良好的同步性能，同时动态响应速度也是需要考虑的一个重要指标。
[0003] 在近似认为电网频率恒定的情况下，瞬时对称分量法和基于瞬时对称分量法的延时信号对消法，以及空间矢量滤波法均被用于电网电压信号的检测，并得到了较好的效果。但当电网频率变动时，检测结果受到影响，同步效果差。在新能源发电网系统中，接入点的电网频率会存在
波动。因此应用于新能源发电并网的电网电压信号检测装置还需具有频率自适应性。基于dq变换的同步参考坐标系
锁相环(Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL)方法具有频率自适应功能，该装置在理想电网电压情况下可以实现优越的同步效果，已得到了广泛的应用。但在电网电压不对称和含有谐波的非理想工况下，同步效果受到极大影响。在电网电压不对称的情况下，电压负序分量在dq轴坐标系分量上存在二倍工频波动，为了消除负序分量对同步性能的影响，可以采用降低低通
滤波器带宽的方法来提高同步效果，但动态响应速度会受到影响。为了在同步效果和动态响应速度方面进行折中，许多文献提出了不同的解决方案。如采用双二阶通用积分器得到和电网电压
正交的90°移相信号，先进行正负序分解避免二倍工频分量的产生，然后进行dq变换以消除负序分量的影响。以及基于正序dq轴坐标系分解的解耦双同步参考坐标系
锁相环(DDSRF-PLL)，DDSRF-PLL是解决电网
不平衡对电网电压信号检测的影响问题较为优秀的解决方案。另外以自适应滤波器(ANF)为
基础的具有频率自适应功能的非线性同步方案也由单相系统的应用，通过对每相分别采用一个ANF单元进行锁相推广用于三相系统，可解决电网电压不对称的问题。采用附加的第四个ANF单元改善频率
跟踪性能的增强型PLL(EPLL)也被用于解决负序分量的问题。为了解决谐波对同步效果的影响，上述方案均以降低带宽，牺牲动态响应速度为代价，而采用附加的时变滤波单元来抵消部分谐波的影响，实现非常复杂。基于解耦多坐标系统锁相环的电压控制方法进行了有限的谐波解耦，不具有通用性，并且频率信号提取是没有经过
低通滤波器，当含有高次谐波时，将不能准确提取频率。
[0004] 综上所述，现有检测电网信号的装置存在以降低带宽，牺牲动态响应速度为代价来减小谐波的干扰，控制运算复杂等
缺陷。
发明内容
[0005] 本发明的目的是，提供一种动态响应速度快、能够消除不对称和谐波干扰、准确提取电网信号、并具有通用性的一种采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置。
[0006] 本发明的技术方案是这样的：
[0007] 一种采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置，其特征是：包括dq轴坐标系变换
电路 d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)、q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)、PI调节器和积分器I；其中，dq轴变换电路 的h＝1，-1，2，-2……n；dq轴变换电路将输入的电网电压
采样信号uabc变换到dq轴坐标系中，得到d轴变换电压ud(h)和q轴变换电压uq(h)；d轴变换电压ud(h)输入到d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)得到h次d轴解耦
直流分量 q轴变换电压uq(h)输入到q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)得到h次q轴解耦直流分量 其中当h＝1时的1次q轴解耦直流分量 输入PI调节器，PI调节器输出电网电压采样信号uabc的
角频率 角频率 通过积分器I获得电网电压采样信号uabc的相位相位 作为反馈，输入dq轴变换电路 d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)和q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)中。
[0008] x次d轴解耦直流分量 和x次q轴解耦直流分量 作为解耦网络的反馈，输入d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)和q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)中，x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h。
[0009] 所述电网电压采样信号uabc表示为：
[0010] i＝a，b，c，对应的ki＝0，1，2。
[0011] 所述dq轴变换电路 中，电网电压采样信号uabc首先变换到αβ坐标系，变换过程为：
[0012] 式中
[0013] 之后由αβ坐标系变换到dq轴坐标系的变换过程为：
[0014]
[0015] 式中 x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h；
[0016] 所述dq轴变换电路 中，电网电压采样信号uabc变换到dq轴坐标系的变换过程为：
[0017]
[0018] 式 中x＝1，-1，
2，-2……，n且x≠h；
[0019] 所述d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)包括h-x次乘法器、d轴正弦运算器、d轴余弦运算器、d轴乘法器、q轴乘法器、解耦运算器和低通滤波器；其中，相位 输入h-x次乘法器，h-x次乘法器的输出端同时与d轴正弦运算器和d轴余弦运算器的输入端连接，d轴余弦运算器的输出和x次d轴解耦直流分量 同时输入d轴乘法器中得到d轴正弦运算器的输出和x次q轴解耦直流分量 同时输入q轴乘法器中得到 d轴变换电压ud(h)、 和 同时输入解耦
运算器中进行求和运算；解耦运算器输出解耦值 并将其输入到低通滤波器中，得到h次d轴解耦直流分量 其中h＝1，-1，2，-2……，n；x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h。
[0020] 解耦值
[0021] 低通滤波器的传递函数为：
[0022] 所述q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)包括h-x次乘法器、q轴正弦运算器、q轴余弦运算器、d轴乘法器、q轴乘法器、解耦运算器和低通滤波器；其中，相位 输入h-x次乘法器，h-x次乘法器的输出端同时与q轴正弦运算器和q轴余弦运算器的输入端连接，q轴余弦运算器的输出和x次q轴解耦直流分量 同时输入q轴乘法器中得到q轴正弦运算器的输出和x次d轴解耦直流分量 同时输入d轴乘法器中得到 q轴变换电压uq(h)、 和 同时输入解耦运
算器中进行求和运算；解耦运算器输出解耦值 并将其输入到低通滤波器中，得到h次q轴解耦直流分量 其中h＝1，-1，2，-2……，n；x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h。
[0023] 解耦值
[0024] 低通滤波器的传递函数为：
[0025] 本发明的优越性如下：
[0026] 本发明的一种采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置，包括dq轴坐标系变换电路 d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)、q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)、PI调节器和积分器I。其中电网电压采样信号在dq轴坐标系变换电路 中转换到dq轴坐标系上，经过解耦网络的解耦，输出解耦后的电网电压正序直流分量 到PI调节器和积分器I中，积分器I输出电网电压的频率、相位和正负序基波分量。该装置通过参考坐标系锁相环方法解耦各次谐波，以消除电网电压采样信号中谐波、不对称和畸变情况带来的影响，而不需要以降低滤波器的带宽来减小各次谐波对电网电压信号提取的影响。
[0027] 该装置还具有准确性高的特点，在解耦网络中，通过h次谐波解耦通道消除谐波对电网电压信号提取的影响，能准确提取电网电压的频率、相位和正负序基波分量。本发明装置的解耦网络将各次谐波均包含在内，能消除谐波干扰、准确提取电网电压信号的高性能检测，适用于检测各种非理想情况下的电网电压信号。
附图说明
[0028] 图1——本发明的一种采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置的结构
框图；
[0029] 图2a——d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)框图；
[0030] 图2b——q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)框图；
[0031] 图3a——谐波情况下本发明装置检测的频率、相位图；
[0032] 图3b——谐波情况下本发明装置检测正负序基波分量图；
[0033] 图4a——不对称情况下本发明装置检测的频率、相位图；
[0034] 图4b——不对称情况下本发明装置检测正负序基波分量图；
[0035] 图5——频率跳变情况下本发明装置检测的频率、相位图；
[0036] 图6a——畸变情况下本发明装置检测的频率、相位图；
[0037] 图6b——畸变情况下本发明装置检测正负序基波分量图。
具体实施方式
[0038] 如图1所示，本发明的一种采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置，包括dq轴变换电路 d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)、q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)、PI调节器和积分器I。三相的电网电压采样信号uabc通过dq轴变换电路 获得dq轴变换电压udq(h)，dq轴变换电压udq(h)包括d轴变换电压ud(h)和q轴变换电压uq(h)，其中d轴变换电压ud(h)输入到d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)得到h次d轴解耦直流分量q轴变换电压uq(h)输入到q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)得到h次q轴解耦直流分量电网电压采样信号uabc在当h＝1时1次的q轴解耦直流分量 输入PI调节器，PI调节器输出电网电压采样信号uabc的角频率 角频率 通过积分器I获得电网电压采样信号uabc的相位 相位 作为解耦网络的反馈，输入dq轴变换电路 d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)和q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)中。同时，x次d轴解耦直流分量 和x次q轴解耦直流分量 作为解耦网络的反馈，输入d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)和q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)中，x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h。
[0039] 当i＝a，b，c，对应的ki＝0，1，2时，三相的电网电压采样信号uabc表示为：
[0040]
[0041] dq轴变换电路 用于将三相的电网电压采样信号uabc变换到dq轴坐标系中，其变换方式可分为间接和直接两种。其中间接的变换方式是首先将电网电压采样信号uabc变换到αβ坐标系，变换过程为：
[0042]
[0043] 式中
[0044] 之后再由αβ坐标系变换到dq轴坐标系的变换过程为：
[0045]
[0047] 式中 由于 因而可推知x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h；
[0048] 直接的变换方式比间接的变换方式计算过程复杂一些，但变换的结果相同，是直接将电网电压采样信号uabc变换到dq轴坐标系的变换过程为：
[0049]
[0050] 直流分量+交流分量
[0051] 式中x＝1，-1，2，-2……，n且x≠h；
[0052] 如图2(a)所示，d轴解耦网络Dd(h，x1，x2，……，xn)的原理是电网电压采样信号uabc的d轴变换电压ud(h)解耦各x(x≠h)次谐波在h次d轴坐标系上变换得到的交流分量，来获得解耦值 就是说以h＝1，x＝-1为例，-1次谐波在1次d轴坐标系上变换得到的是一个2次的交流分量，当d轴变换电压ud(1)解耦这个2次的交流分量后，剩下的就是一个直流分量的解耦值
[0053] 解耦值 通过低通滤波器LPF获得电网电压采样信号uabc在h次谐波的d轴坐标系变换的h次d轴解耦直流分量 如方程(4)可知，经过解耦网络获得电网电压采样信号uabc在x次dq轴坐标系变换后得到的x次dq轴解耦直流分量 与x次谐波在x(x≠h)次dq轴变换的直流分量 近似相等；并如方程(5)可知，电网电压采样信号uabc在h次d轴变换电压ud(h)的交流分量包含(h-x)次的余弦函数与x次谐波在x次d轴变换的直流分量 的乘积和(h-x)次的正弦函数与x次谐波在x次q轴变换的直流分量 的乘积；因此如方程(6)可知，x次谐波在h次d轴变换的交流分量的解耦项可由(h-x)次的余弦函数与x次d轴解耦直流分量 的乘积和(h-x)次的正弦函数与x次q轴解耦直流分量 的乘积共同产生。
[0054] 经过解耦网络获得x次dq轴系变换的x次dq轴解耦直流分量 与x次谐波在x次dq轴变换的直流分量 近似相等：
[0055] 电网电压采样信号uabc在h次d轴系变换的ud(h)的结构：
[0056]
[0057] 直流分量+交流分量
[0058]
[0059] 解耦值
[0060] 且低通滤波器LPF传递函数为：
[0061] 如图2(b)所示，q轴解耦网络Dq(h，x1，x2，……，xn)的原理是电网电压采样信号uabc的q轴变换电压uq(h)解耦各x(x≠h)次谐波在h次q轴坐标系变换得到的交流分量，来获得解耦值 解耦值 通过低通滤波器LPF获得电网电压采样信号uabc在h次谐波的q轴坐标系变换的h次q轴解耦直流分量 如方程(7)可知，经过解耦网络获得电网电压采样信号uabc在x(x≠h)次dq轴坐标系变换后得到的x次dq轴解耦直流分量 与x次谐波在x次dq轴变换的直流分量 近似相等；并如方程(8)可知，电网电压采样信号uabc在h次q轴变换电压uq(h)的交流分量包含(h-x)次的余弦函数与x次谐波在x次q轴变换的直流分量 的乘积和(x-h)次的正弦函数与x次谐波在x次d轴变换的直流分量的乘积；因此如方程(9)可知，x次谐波在x次d轴变换的交流分量的解耦项可由(h-x)次的余弦函数与x次q轴解耦直流分量 的乘积和(x-h)次的正弦函数与x次d轴解耦直流分量 的乘积共同产生。
[0062] 经过解耦网络获得x次dq轴系变换的x次dq轴解耦直流分量 与x次谐波在x次dq轴变换的直流分量 近似相等：
[0063] 电网电压采样信号uabc在h次q轴系变换的uq(h)的结构：
[0064]
[0065] 直流分量+交流分量
[0066]
[0067] 解耦值
[0068] 且低通滤波器LPF传递函数为：
[0069] 下面结合实验结果来说明本发明的优越性。
[0070] 谐波情况的实验条件为：在正常情况下，输入电压 当电网电压含有谐波时， u5＝15V。图3a为谐波情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的频率、相位；图3b为谐波情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的正负序基波分量。
[0071] 不对称情况的实验条件为：在正常情况下，输入电压 当电压不对称时，图4a为不对称情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的频率、相位，图4b为不对称情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的正负序基波分量。图5为频率从50Hz跳变到55Hz的情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的频率、相位。
[0072] 畸变情况的实验条件为：正常情况下， 当电压畸变时，u5＝5V，u7＝5V，u11＝2.5V，u13＝2.5V。图6a为畸变情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的频率、相位，图6b为畸变情况下采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置检测的正负序基波分量。
[0073] 从上述实验结果可以说明：采用多同步参考坐标系变换的电压信号检测装置在不影响动态响应速度的前提下，消除了谐波的干扰，能准确提取电网电压的相位、频率和各序基波分量。
[0074] 应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本
说明书参照附图和
实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行
修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造
专利的保护范围当中。
