一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子并网控制领域，具体涉及一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法及装置。
背景技术
电网频率是衡量电力系统运行状态的重要参数，也是并网逆变器实现电压跟随和功率控制所需的若干基本参数之一。随着风电、光伏等电力电子控制的新能源发电并入电网，电力系统新能源渗透功率逐步提高，相应的传统同步发电机的频率支撑能力大幅降低。为应对含大规模新能源接入的电力系统调频能力降低带来的频率稳定问题，分布式电源、新能源发电等电力电子并网装备参与系统调频已成为新能源并网的必备要求。
目前对电网同步信号的检测方法已有较多的研究，并获得了一些成果。其中，锁相环是检测电网频率信息的常用方法，但随着理论研究和工程实例同时表明锁相环在弱电网环境下存在失稳风险。部分研究分析了锁相环对并网逆变器系统稳定性的影响，认为弱电网环境下系统不稳定是锁相环过高的带宽造成的，但并没有给出锁相环参数的设计方法，有些研究考虑了锁相环自身以及锁相环与系统之间的相互作用对系统稳定性的影响，给出了锁相环参数的设计方法，但设计较为复杂。有文献提出，基于同步旋转坐标的锁相环算法具有固有的低频振荡特性，且该特性将导致低频功率振荡现象，并可能导致系统失稳。上述研究表明弱电网环境下，锁相环无法准确输出电网的频率信息，消除闭环调节过程则可显著应对上述问题，故相关研究提出电网频率的开环检测方法。
过零检测方法是典型的开环测相方法，但该方法仅适用于电网电压相位、频率恒定不变的场合。利用最小二乘估计法设计滤波器，可实现快速开环锁相，检测的频率接近正常工作频率时性能较好，但频率偏移时性能较差。其他的开环方法针对特定的条件来设计滤波器。此外，基于开环的检测方法获取电网的频率信息就需要对检测到的相位信息进行一阶差分运算，采样率低的情况下频率检测的精度也相对较低；增加采样率可提高测量的精度，但会放大高频随机噪声。有研究提出电网同步相位的快速开环检测方法，实现了恶劣环境下电网同步相位的快速准确获取，但该研究未涉及电网频率的检测方法，限制了该方法的应用范围。显然，上述开环方法均无法实现电网频率的准确检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法，包括：
基于预设固定频率的虚拟坐标系，对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行d/q轴电压计算；
将计算得到的d/q轴电压与经过一阶广义积分器选频特性后的电压进行外积计算，得到虚拟相角与检测相位角差值的正弦；
将所述差值的正弦经过积分累加直到所述差值的正弦为零时，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率。
优选的，所述将所述差值的正弦经过积分累加直到所述差值的正弦为零时，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率，包括：
步骤1：将所述相位角差值输入至积分器或准积分器，进行积分累加得到实际电网频率与所述预设固定频率的偏差；
步骤2：基于所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差，利用角速度公式计算实际电网角频率与所述预设固定角频率的偏差；
步骤3：基于一阶广义积分器的选频特性，利用实际电网角频率与所述预设固定角频率的偏差对相应的三相电压瞬时值的d/q轴电压进行低通滤波，得到选频特性后的三相电压瞬时值的d/q轴电压；
步骤4：基于选频特性后的三相电压瞬时值的d/q轴电压和对应的三相电压瞬时值的d/q轴电压计算虚拟相角与检测相位角差值的正弦；
步骤5：若所述差值的正弦不为零，则返回步骤1，否则，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率。
进一步的，所述一阶广义积分器的表达式如下：
其中，G(s)为一阶广义积分器，s为拉普拉斯算子，ωc1为一阶广义积分器的截止频率，j为复向量的复数因子，Δω为虚拟角频率与实际角频率的差值的估测值。
优选的，所述虚拟相角与检测相位角差值的正弦的计算式如下：
其中，sinΔθ为虚拟相角与检测相位角差值的正弦，usd为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的d轴电压，usq为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的q轴电压，u′sd为三相电压瞬时值的d轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值，u′sq为三相电压瞬时值的q轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值。
优选的，所述基于预设固定频率的虚拟坐标系，对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行d/q轴电压计算，包括：
对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行Clarke变换后的结果在预设固定频率的虚拟坐标系下进行Parker变换，得到三相电压瞬时值的d/q轴电压。
进一步的，所述经过一阶广义积分器选频特性后的d轴电压的计算式如下：
其中，u′sd为三相电压瞬时值的d轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值，s为拉普拉斯算子，ωc1为一阶广义积分器的截止频率，j为复向量的复数因子，Δω为虚拟角频率与实际角频率的差值，usd为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的d轴电压。
进一步的，所述经过一阶广义积分器选频特性后的q轴电压的计算式如下：
其中，u′sq为三相电压瞬时值的q轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值，usq为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的q轴电压，s为拉普拉斯算子，ωc1为一阶广义积分器的截止频率，j为复向量的复数因子，Δω为虚拟角频率与实际角频率的差值。
优选的，所述积分器的表达式如下：
其中，H1(s)为积分器，s为拉普拉斯算子。
优选的，所述准积分器的表达式如下：
其中，H2(s)为准积分器，s为拉普拉斯算子，ωc2为准积分器的截止频率。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测装置，包括：
第一计算模块，用于基于预设固定频率的虚拟坐标系，对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行d/q轴电压计算；
第二计算模块，用于将计算得到的d/q轴电压与经过一阶广义积分器选频特性后的电压进行外积计算，得到虚拟相角与检测相位角差值的正弦；
累加和检测模块，用于将所述差值的正弦经过积分累加直到所述差值的正弦为零时，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供了一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法及装置，包括：基于预设固定频率的虚拟坐标系，对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行d/q轴电压计算；将计算得到的d/q轴电压与经过一阶广义积分器选频特性后的电压进行外积计算，得到虚拟相角与检测相位角差值的正弦；将所述差值的正弦经过积分累加直到所述差值的正弦为零时，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率；本发明提供的技术方案能在电网频率变化情况下仍保持检测频率对实际频率的准确跟踪，动态响应时间短，实现对电网频率的快速准确检测，抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明提供的一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法的流程图；
图2是本发明提供的一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法的主电路图；
图3是本发明提供的一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法的实际频率与检测频率仿真结果图；
图4是本发明提供的一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提出了一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：基于预设固定频率的虚拟坐标系，对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行d/q轴电压计算；
步骤102：将计算得到的d/q轴电压与经过一阶广义积分器选频特性后的电压进行外积计算，得到虚拟相角与检测相位角差值的正弦；
步骤103：将所述差值的正弦经过积分累加直到所述差值的正弦为零时，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率。
步骤101，具体包括：
通过传感器，采集电力电子并网装备端三相电压瞬时值，usa、usb、usc分别表示采集得到的三相电压的瞬时值。
利用Clarke变换对三相电压usa、usb、usc进行Clarke变换得到三相电压的α轴分量usα和β轴分量usβ；
Clarke变换的表达式如下：
利用Parker变换，以50Hz固定频率作为虚拟基准频率，即由周期为20ms幅值为2π的锯齿波产生的相位角θ分别对usα～usβ进行Parker变换得到在固定频率虚拟坐标系(旋转角频率ω1＝100πrad/s)下三相电压的d轴分量usd和q轴分量usq；
Parker变换的表达式如下：
其中，相位角θ是一周期为20ms幅值为2π的锯齿波状的相角信号。
步骤102，具体包括：
将所获得的usd和usq分别经过两个参数相同的一阶广义积分器(也称将降阶广义积分器)(reduced-order generalized integrator,ROGI)，而后可获得所检测到的频率处的d轴电压和q轴电压u′sd和u′sq，在频域内的表达式为，
式中，Δω＝2π·Δf为谐振频率，Δω是旋转角频率偏差(虚拟角频率与实际角频率的差值)，Δf为频率偏差(虚拟频率与实际频率的差值)，如附图1所示。u′sd为电力电子并网装备端三相电压瞬时值的d轴分量对应的在所检测到的频率处的电压幅值，u′sq为电力电子并网装备端三相电压瞬时值的q轴分量对应的在所检测到的频率处的电压幅值，G(s)为一阶广义积分器，s为拉普拉斯算子，ωc1为截止频率，一般设置在5-25rad/s间，j为复向量的复数因子。
为利用虚拟相角与检测相角之间的相角差Δθ进行频率估算，考虑到Δθ在零度附近变化，可引入矢量外积。构造虚拟相位角下的电压矢量为：
Usdq＝usd+j·usq
经过一阶广义积分器后的电压矢量为：
U′sdq＝u′sd+j·u′sq
U′sdq＝G(s)·Usdq
式中，其中，usd、usq为电压在固定频率下虚拟相位角下的d、q轴分量，u′sd、u′sq为检测频率下经过一阶广义积分器后的电压d、q轴分量，j复向量的复数因子。
二者间的相角(Usdq相角减去U′sdq相角)的正弦可表示为，
式中，sinΔθ为虚拟相角与检测相位角之间的差值的正弦，为三相电压瞬时值的d轴分量的平方值，为三相电压瞬时值的q轴分量的平方值，为经过一阶积分器的三相电压瞬时值的d轴分量对应的在所检测到的频率处的电压幅值的平方值，为经过一阶积分器的三相电压瞬时值的q轴分量对应的在所检测到的频率处的电压幅值的平方值。
步骤103，具体包括：
将虚拟相角与检测相位角之间的差值的正弦带入积分器或准积分器，积分器或准积分器输出检测频率与实际电网频率的偏差的估测值，将检测频率与实际电网频率的偏差的估测值带入一阶广义积分器进行积分累加，一阶广义积分器输出的值与所检测到的频率处的d轴电压和q轴电压u′sd和u′sq计算新的虚拟相角与检测相位角之间的差值的正弦，再将新的虚拟相角与检测相位角之间的差值的正弦带入积分器或准积分器，进行迭代，直至虚拟相角与检测相位角之间的差值的正弦为零，得到检测频率与实际电网频率的偏差，最终，将检测频率与实际电网频率的偏差与固定频率相加，得到实际电网频率。
在稳态情况下，检测频率与实际电网频率相等，则频率偏差为零，G(s)在谐振频率处相角为零度；当出现频率扰动导致实际电网频率下降时，频率偏差为正数，G(s)在谐振频率处相角为负值，通过积分累加，使得检测频率逐步降低，并趋近于实际频率，当检测频率与实际电网频率相等，G(s)相角为零，进入新的稳态；当出现频率扰动导致实际电网频率上升时，频率偏差为负数，G(s)在谐振频率处相角为正值，通过积分累加，使得检测频率逐步上升，并趋近于实际频率，当检测频率与实际电网频率相等，G(s)相角为零，进入新的稳态。
在实际电网频率在49-51HZ的区间内波动时，由于电网频率偏差角度相对较小，可近似认为，
sinΔθ≈Δθ
这也反应了电网频率fg的调整趋势，当谐振频率收敛至实际电网频率与虚拟基准频率的差值时，Usdq和U′sdq的外积(Usdq×U′sdq)为零。引入积分器或者准积分器(表达式如下)，并将Usdq和U′sdq的外积(Usdq×U′sdq)作为频率估测的误差输入，并与降阶广义积分器构成频率估测闭环控制，得到实现对电网电压频率的无静差估测。
积分器：
准积分器：
式中，H1(s)为积分器，H2(s)为准积分器，s为拉普拉斯算子，ωc2为准积分器的截止频率。
同时，积分节器(准积分调节器)对电网电压频率的估测能起一定的滤波作用，同时本发明采用的降级广义积分器的谐振频率在基频附近，并与频率偏差量相同，对负序、谐波电压扰动能够起到一定的衰减作用，增强了该频率估测方法的抗干扰性。
实施例2
为验证提出的适用于电力电子装备并网控制的频率检测方法理论的正确性，在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建了主电路图如图2所示的电网频率估算控制仿真模型。仿真中，电网实际频率在1.0s发生波动。此时将根据控制策略所得到的频率检测值与实际频率相对比，可得到仿真结果如图3所示。
由仿真结果可知，本专利所提出的频率检测方法能在电网频率变化情况下仍保持检测频率对实际频率的准确跟踪，动态响应时间短，能够对电网电频率中的估量值起到一定的滤波作用，抗干扰能力强。
实施例3
本发明提供了一种适用于电力电子装备组网控制的频率检测装置，如图4所示，所述装置包括：
第一计算模块，用于基于预设固定频率的虚拟坐标系，对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行d/q轴电压计算；
第二计算模块，用于将计算得到的d/q轴电压与经过一阶广义积分器选频特性后的电压进行外积计算，得到虚拟相角与检测相位角差值的正弦；
累加和检测模块，用于将所述差值的正弦经过积分累加直到所述差值的正弦为零时，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率。
优选的，所述第一计算模块具体用于：
对采集的电力电子并网装备端三相电压瞬时值进行Clarke变换后的结果在预设固定频率的虚拟坐标系下进行Parker变换，得到三相电压瞬时值的d/q轴电压；
所述经过一阶广义积分器选频特性后的d轴电压的计算式如下：
其中，u′sd为三相电压瞬时值的d轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值，s为拉普拉斯算子，ωc1为一阶广义积分器的截止频率，j为复向量的复数因子，Δω为虚拟角频率与实际角频率的差值，usd为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的d轴电压。
所述经过一阶广义积分器选频特性后的q轴电压的计算式如下：
其中，u′sq为三相电压瞬时值的q轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值，usq为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的q轴电压，s为拉普拉斯算子，ωc1为一阶广义积分器的截止频率，j为复向量的复数因子，Δω为虚拟角频率与实际角频率的差值。
优选的，所述第二计算模块具体用于：
所述虚拟相角与检测相位角差值的正弦的计算式如下：
其中，sinΔθ为虚拟相角与检测相位角差值的正弦，usd为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的d轴电压，usq为三相电压瞬时值在预设固定频率的虚拟坐标系下的q轴电压，u′sd为三相电压瞬时值的d轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值，u′sq为三相电压瞬时值的q轴电压经过一阶广义积分器选频特性后的电压值。
优选的，所述累加和检测模块具体用于：
步骤1：将所述相位角差值输入至积分器或准积分器，进行积分累加得到实际电网频率与所述预设固定频率的偏差；
步骤2：将所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差分别乘以2π得到实际电网角频率与所述预设固定角频率的偏差；
步骤3：基于一阶广义积分器的选频特性，利用实际电网角频率与所述预设固定角频率的偏差对相应的三相电压瞬时值的d/q轴电压进行低通滤波，得到选频特性后的三相电压瞬时值的d/q轴电压；
步骤4：基于选频特性后的三相电压瞬时值的d/q轴电压和对应的三相电压瞬时值的d/q轴电压计算虚拟相角与检测相位角差值的正弦；
步骤5：若所述差值的正弦不为零，则返回步骤1，否则，将预设固定频率和所述实际电网频率与所述预设固定频率的偏差相加，检测实际电网频率；
所述一阶广义积分器的表达式如下：
其中，G(s)为一阶广义积分器，s为拉普拉斯算子，ωc1为一阶广义积分器的截止频率，j为复向量的复数因子，Δω为虚拟角频率与实际角频率的差值的估测值；
所述积分器的表达式如下：
其中，H1(s)为积分器，s为拉普拉斯算子。
所述准积分器的表达式如下：
其中，H2(s)为准积分器，s为拉普拉斯算子，ωc2为准积分器的截止频率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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