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《相控開關技術基波參考信號提取》

盛曉云1,李孝尊1,劉軍2,李紅梅3,張恒果3

(1.安徽華電工程咨詢設計有限公司,安徽 合肥 230022;2.國網安徽省電力公司,安徽 合肥 230061;3.合肥工業大學,安徽 合肥 230009)


摘要:基于自適應陷波器技術實現輸入信號的基波分量提取和頻率估計,并鑒于其諧波抑制能力不足的問題,設計前置無限沖激響應濾波器,實現在輸入信號畸變的情況下基波參考信號的準確提取及基波頻率的自適應估計。最后,通過 DSPACE快速控制原型系統驗證了該方案的有效性。

關鍵詞:相控開關技術;基波參考信號提取;自適應陷波器


引言

我國中、低壓配電網普遍采用并聯電容器組實現系統無功補償,但傳統電容器組投切時引起的涌流和過電壓暫態過程,會對電容器、斷路器等電力設備造成危害。應用相控開關技術能有效削弱暫態過程,但效果依賴于斷路器在最佳相位角分合閘的準確度。這主要受斷路器的機械特性、介質絕緣特性和控制系統精度的影響,其中基波參考信號提取是影響控制系統精度的重要因素。

基波參考信號的準確提取是實現相控開關技術的前提,通常可在相鄰兩個異號的采樣數據間進行線性插值來獲得參考信號零點,但存在較大的誤差。文獻[3-4]采用交越零點相位差算法提取信號相位和周期,在保證運算速度的基礎上提高了運算精度,但不足是輸入信號要有較高的信噪比。為了消除諧波及噪聲的影響,通常設計FIR數字濾波器對原始信號進行濾波處理,以提取出基波參考信號,進而采用線性插值方法獲得參考信號零點,但高階FIR濾波器的使用增加了算法計算時間,且本身無法完成基波頻率的估計。

基于FFT算法的信號頻率和相位估計,不僅能從采樣信號中抽取基波分量,而且具有算法抗干擾能力強的特點,FT本身受信號采樣頻率影響較大,需采用同步采樣法來保證對基波信號的整周期采樣以避免相位估計誤差7。針對基于FFT的相位估計算法對信號頻率敏感及頻率檢測不準確導致的同步采樣困難問題,文獻[8]提出基于 Hilbert變換計算信號瞬時頻率和相位的方案。該方案能取得較好的估計精度,但要求采樣信號有較高的信噪比,且運算時間較長。

為此,本文簡介了相控開關并聯電容器組的控制策略,提出了基波參考信號準確提取方案,即設計前置IIR峰值濾波器以減小輸入信號諧波的影響,再匹配設計自適應陷波器( Adaptive Notch Filter,ANF)實現基波參考信號提取及信號頻率的準確估計。

1相控開關并聯電容器組的控制策略

相控開關并聯電容器組的系統框圖如圖1所示。系統由相控開關控制器、永磁操動機構、控制電源等組成控制器實時采樣電網電壓和電流信息,提取出相應的基波參考信號,并根據斷路器當前環境因素和操作歷史,計算獲得分合閘指令所需的延遲時間;再通過定時器中斷發送觸發信號,驅動控制永磁操動機構完成斷路器分合閘操作。


 

1  相控開關并聯電容器組系統框圖


以斷路器合閘操作為例,相控開關并聯電容器組的控制時序如圖2所示。控制器實時檢測電網電壓以獲得基波參考信號,t0時刻收到合間指令后,以指令前參考信號零點為參考零點,根據預測的斷路器動作合闡時間Tcl和最佳合閘時間Tφ

式中,f為電網電壓基波頻率;TZ0為合閘指令距參考零點的時間;Tcal為控制器算法執行時間;mod表示取余數運算;n為保證Td>0的最小整數。


2  相控開關并聯電容器組控制時序圖


基波參考信號提取與頻率估計

通常,采樣得到的電網電壓、電流信號包含基波分量及各次諧波分量。為降低諸波對基波參考信號估計誤差的影響,在提取基波信號前設計前置IR峰值濾波器,以衰減輸入信號中存在的諧波分量,如圖3所示。

采用的二階IR峰值濾波器的傳遞函數為:


3  基波參考信號提取與頻率估計算法框圖


式中,為濾波器中心頻率;v為濾波器帶寬角頻率;

鑒于IR峰值濾波器系數與αb有關,電網頻率變化將影響IR峰值濾波器性能,因此本文根據ANF輸出基波角頻率估計值動態修正該系數,確保電網頻率變化時濾波器濾波性能。ANF具有自適應的結構,本文基于ANF提取輸入信號中包含的基波分量,且實現對基波頻率的跟蹤控制,采用的ANF可由以下微分方程組描述:

式中,x為狀態變量;zn()為輸入信號;0為基波角頻率估計值;e()為輸入信號與提取出的基波信號之間的差值;和了為待設計的正實參數。

ANF算法結構框圖如圖4所示。ANF算法包含頻率檢測和基波提取兩部分,γ的取值影響頻率估計的收斂速度,的取值影響電網電壓、電流信號中的諧波濾除效果,兩參數的設定需從兼顧算法穩態精度和收斂速度兩方面考慮。由于輸入信號經過一級IR濾波器處理后,諧波含量大大降低,因此ANF參數選擇范圍相對較大,基波提取與頻率估計響應速度較濾波前有所提升。


4  ANF算法結構框圖


若輸入信號為單相正弦信號

其中,A0φ0分別為信號幅值和相位,則系統(4)穩定后的唯一周期軌道為:

由此可知,ANF可實現對基波信號及其頻率的在線估計。


試驗測試

如圖5所示,本文基于 DSPACE快速控制原型系統驗證提出的基于ANF的基波參考信號提取方案的可行性利用可編程交流電壓源生成單相電壓測試信號,再基于DSPACE1007平臺實現該方案的核心算法。ANF及前置IR峰值濾波器參數設置見表1所示,其中ANF頻率檢測單元積分器初始條件設置為250rad/s,其余積分器初始條件均設置為0


5 DSPACE快速控制原型系統圖


關鍵參數


為評估本文提出的基波參考信號提取方案的穩態性能,設定輸入電壓基波有效值和頻率分別為110V50Hz,輸人電壓中各次諧波分量見表2。圖6為該方案的穩態試驗波形,虛線部分為輸入電壓信號u,實線部分為其基波參考信號估計值uf,通過設置不同縱坐標標度來防止曲線重合。經測試, uuf的總諧波畸變率(THD)分別為11.25%0.63%


表2 輸入電壓信號諧波含量


6  輸入信號含諧波情況下的基波參考信號提取圖


由圖6可知,在輸入電壓信號含有較大諧波情況下,該方案能實現基波參考信號的準確提取。

7為輸入電壓信號基波幅值負向階躍變化時的基波參考信號提取和頻率估計的實測波形,基波頻率為50Hz,0.18時設定輸入電壓信號基波有效值由110V降至55V,各諧波含量仍見表2


7  輸入信號基波幅值突變時的基波參考信號提取與頻率估計圖


由圖7可知,基波幅值負向階躍變化后,估計的參考信號幅值經3個基波周期后跟蹤上實際值,頻率估計值在0.17s后達到穩態。另外,穩態時信號基波頻率能實現準確估計,在表2所示輸入信號條件下,頻率估計誤差為士0.05Hz

為驗證該方案在輸入信號基波頻率突變情況下的動態性能,設定基波頻率由50Hz突變為51Hz,基波有效值為110V,設定頻率突變時刻為0.09,波形如圖8所示。

由圖8可知,基波頻率變化不影響提取的基波參考信號幅值,基波頻率估計值在0.12s后達到新的穩態(51Hz),穩態頻率估計誤差為士0.05Hz

4結語

參考信號的準確提取是實現并聯電容器組相控投切的關鍵,本文提出了集成自適應陷波器與前置IR濾波器的參考信號準確提取方案,并完成了該方案的試驗測試。測


輸入信號基波頻率突變時的基波參考信號提取與頻率估計圖


試結果表明,該方案能在輸入信號畸變的情況下準確提取出其基波參考信號,實現頻率的自適應跟蹤,而且具有結構簡單和計算量小的優點,滿足相控開關電器組的實時控制要求,可推廣應用于相控開關并聯電容器組系統。

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