技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于電網(wǎng)頻率檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高精度且抗噪聲干擾的電網(wǎng)頻率快速檢測方法。

背景技術(shù)：
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頻率是電能生產(chǎn)、消費必須具備的質(zhì)量檢驗指標，也是衡量電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)，可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)對電網(wǎng)頻率檢測的精度和實時性提出了更高的要求?，F(xiàn)有的頻率檢測方法必須依賴鎖相環(huán)，也稱軟鎖相環(huán)(softwarephase-lockedloop，spll)。典型的spll主要有3種：單同步坐標系spll(singlesynchronousreferenceframespll，ssrf-spll)、基于對稱分量法的ssrf-spll、基于雙同步坐標系的解耦spll(decoupleddoublesrf-spll，ddsrf-spll)。其中，ssrf-spll能有效地應(yīng)用于電網(wǎng)平衡時的幅值、頻率與相位檢測，其動態(tài)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能均較好。但是，當電網(wǎng)不平衡時，ssrf-spll輸出的頻率中存在諧波，因此穩(wěn)態(tài)性能不好。改進ssrf-spll利用對稱分量法來分離正序電壓分量，并將其送入閉環(huán)調(diào)節(jié)器之后即可獲得不平衡電網(wǎng)的頻率。然而，該方法使用了固定參數(shù)的全通濾波器，當電網(wǎng)發(fā)生頻率漂移時，頻率檢測的準確性較差。ddsrf-spll則采用了基于正、負序的雙同步坐標系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了正負序的解耦，有效解決了三相不對稱時的頻率檢測問題。然而，由于雙同步坐標系結(jié)構(gòu)的使用以及pi調(diào)節(jié)器與4個低通濾波器間的耦合作用，使得該方法的動態(tài)過程十分復(fù)雜，其較長的響應(yīng)時間無法滿足頻率檢測對快速性的要求。此外，spll的環(huán)路濾波器幾乎都采用了pi調(diào)節(jié)器，因此其動態(tài)響應(yīng)時間主要決定于調(diào)節(jié)器的特性。當電網(wǎng)環(huán)境較惡劣時，調(diào)節(jié)器參數(shù)很難進行優(yōu)化設(shè)計，且調(diào)節(jié)器的動態(tài)過程耗時較長，現(xiàn)有的spll的響應(yīng)時間幾乎都大于1個工頻周期，無法滿足快速準確檢測頻率的要求。消除閉環(huán)調(diào)節(jié)過程則可顯著提高頻率檢測速度，這也是開環(huán)檢測的出發(fā)點，然而電網(wǎng)電壓存在高頻噪聲信號時，對開環(huán)方法檢測的相位進行微分運算會放大噪聲信號，導(dǎo)致頻率檢測存在較大的誤差。

上述的方法都存在一些明顯的不足，理想的電網(wǎng)頻率檢測技術(shù)應(yīng)同時滿足準確性、快速性、抗噪聲干擾性要求，此外檢測方法還應(yīng)當簡單易行，以便于在嵌入式控制器中實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對現(xiàn)有的電網(wǎng)頻率檢測必須依靠鎖相環(huán)來實現(xiàn)，弱電網(wǎng)環(huán)境下鎖相環(huán)存在的固有的負阻尼特性會導(dǎo)致局域電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩，無法準確獲得電網(wǎng)頻率信息，本發(fā)明公開了一種高精度且抗噪聲干擾的電網(wǎng)頻率快速檢測方法，該方法基于開環(huán)檢測到的準確實時相位信息，通過提取其中的差頻相位，并經(jīng)差頻閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)即可獲得準確電網(wǎng)的頻率信息。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種高精度且抗噪聲干擾的電網(wǎng)頻率的快速檢測方法，包括電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測環(huán)節(jié)、差頻相位計算環(huán)節(jié)和頻率閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)電壓信號ua、ub、uc經(jīng)電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測環(huán)節(jié)以后即可獲得電網(wǎng)的同步相位，通過差頻信號計算環(huán)節(jié)即可提取出電網(wǎng)同步相位信號中的差頻相位，將此差頻相位信號輸入至頻率閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)之后即可獲得電網(wǎng)的實時頻率f。

以下內(nèi)容將對電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測方法的基本原理進行詳細說明：

三相電網(wǎng)電壓可用如下表達式描述：

(1)

電網(wǎng)電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標變換后得ud、uq如下：

假設(shè)初始相位θ∈(0,2π)，根據(jù)附加角θex選取規(guī)則可得電網(wǎng)的同步相位如下：

(3)

其中，arctan(uq/ud)+θex即為差頻相位。

頻率捕獲方法如下：

（1）通過電壓傳感器采集電網(wǎng)電壓信號ua、ub、uc；

（2）將采集到的電網(wǎng)電壓信號通過同步旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊進行同步旋轉(zhuǎn)坐標變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓信號ud、uq；

（3）若采集到的電網(wǎng)電壓信號中存在高頻噪聲或者諧波成分，則需要在同步旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊之后增加濾波器模塊，對步驟（2）中的輸出信號進行濾波，以消除噪聲、諧波的影響；

（4）根據(jù)步驟（3）得到的ud、uq，由判斷條件選擇正確的θex，判斷條件如下：若ud>0且uq>0，則θex=0；若ud<0，則θex=π；若ud>0且uq<0，則θex=2π；

（5）根據(jù)步驟（3）、（4）得到的參數(shù)ud、uq、θex，結(jié)合本發(fā)明公開的幅值、相位公式計算電網(wǎng)電壓的實時幅值與相位；其中，幅值計算公式為：，相位計算公式為：；其中，ωst即為工頻相位；arctan(uq/ud)+θex即為差頻相位。

（6）提取電網(wǎng)同步相位中的差頻相位記為x，將其延遲一個采樣周期記為y，將周期計數(shù)器n的初值設(shè)置為0，該部分的相位信息經(jīng)差頻相位計算環(huán)節(jié)調(diào)整后輸出，記為phase，其中phase=x+2*π*n；

（7）將步驟（6）的輸出延遲一個采樣周期后記為θ，作為閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸入，閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸出經(jīng)積分后作為反饋信號θfeedback，兩者的差值經(jīng)pi調(diào)節(jié)后作為閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸出，將其除以2π得到差頻δf。

（8）將差頻δf與工頻(中國為50hz)疊加即可得到電網(wǎng)的真實頻率f。

此外，通過搭建高精度且抗噪聲干擾的電網(wǎng)頻率快速檢測方法的仿真模型，對這種頻率檢測方法進行仿真驗證，仿真結(jié)果也同時證實了該方案的正確性和有效性。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為：與現(xiàn)有的頻率檢測方法相比，本發(fā)明公開的電網(wǎng)頻率檢測方法是基于準確的實時相位信息，實時相位信息可以準確獲取，不存在閉環(huán)測相系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性問題；基于實時準確相位信息的閉環(huán)測頻方法避免了對相位信息進行差分運算，因此抗噪聲干擾能力強，可以獲取高精度的電網(wǎng)頻率信息。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明中電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測環(huán)節(jié)的原理圖；

圖2是本發(fā)明中差頻相位計算環(huán)節(jié)的原理圖；

圖3是本發(fā)明中頻率閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)的原理圖；

圖4是含噪聲的三相電網(wǎng)電壓波形；

圖5有高頻噪聲時電網(wǎng)頻率突變前后的仿真波形對比圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。

圖1-3為本發(fā)明頻率捕獲原理圖，包括：三相電網(wǎng)電壓信號ua、ub、uc，電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測環(huán)節(jié)、差頻相位計算環(huán)節(jié)、頻率閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)。

圖4為含噪聲的三相電網(wǎng)電壓波形，電壓初始幅值為1p.u，2.5s時變?yōu)?.5p.u.。

圖5是在有高頻噪聲的情況下，電網(wǎng)頻率突變前后仿真波形對比圖，電網(wǎng)電壓初始頻率為60hz，在2.5s時，頻率突變?yōu)?0hz。

如圖1-3所示，一種高精度且抗噪聲干擾的電網(wǎng)頻率的快速檢測方法，包括電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測環(huán)節(jié)、差頻相位計算環(huán)節(jié)和頻率閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)，如圖1所示將電網(wǎng)電壓信號ua、ub、uc經(jīng)電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測環(huán)節(jié)以后即可獲得電網(wǎng)的同步相位，通過差頻信號計算環(huán)節(jié)即可提取出電網(wǎng)同步相位信號中的差頻相位，將此差頻相位信號輸入至頻率閉環(huán)檢測環(huán)節(jié)之后即可獲得電網(wǎng)的實時頻率f。

以下內(nèi)容將對電網(wǎng)同步相位快速開環(huán)檢測方法的基本原理進行詳細說明：

三相電網(wǎng)電壓可用如下表達式描述：

(1)

電網(wǎng)電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標變換后得ud、uq如下：

假設(shè)初始相位θ∈(0,2π)，根據(jù)附加角θex選取規(guī)則可得電網(wǎng)的同步相位如下：

(3)

其中，arctan(uq/ud)+θex即為差頻相位。

頻率捕獲方法如下：

（1）通過電壓傳感器采集電網(wǎng)電壓信號ua、ub、uc；

（2）將采集到的電網(wǎng)電壓信號通過同步旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊進行同步旋轉(zhuǎn)坐標變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓信號ud、uq；

（3）若采集到的電網(wǎng)電壓信號中存在高頻噪聲或者諧波成分，則需要在同步旋轉(zhuǎn)坐標變換模塊之后增加濾波器模塊，對步驟（2）中的輸出信號進行濾波，以消除噪聲、諧波的影響；

（4）根據(jù)步驟（3）得到的ud、uq，由判斷條件選擇正確的θex，判斷條件如下：若ud>0且uq>0，則θex=0；若ud<0，則θex=π；若ud>0且uq<0，則θex=2π；

（5）根據(jù)步驟（3）、（4）得到的參數(shù)ud、uq、θex，結(jié)合本發(fā)明公開的幅值、相位公式計算電網(wǎng)電壓的實時幅值與相位；其中，幅值計算公式為：，相位計算公式為：；其中，ωst即為工頻相位；arctan(uq/ud)+θex即為差頻相位；

（6）提取電網(wǎng)同步相位中的差頻相位記為x，將其延遲一個采樣周期記為y，將周期計數(shù)器n的初值設(shè)置為0，比較x與y的大小，若(y-x)大于閾值m（m的理論值為2π，考慮到離散采樣過程導(dǎo)致的誤差，m的取值應(yīng)取略小于2π，采樣周期越大，閾值應(yīng)越?。?，則周期計數(shù)器n自增1，否則不對n進行累加，該部分的相位信息經(jīng)差頻相位計算環(huán)節(jié)調(diào)整后輸出，記為phase，其中phase=x+2*π*n；

（7）將步驟（6）的輸出延遲一個采樣周期后記為θ，作為閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸入，閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸出經(jīng)積分后作為反饋信號θfeedback，兩者的差值經(jīng)pi調(diào)節(jié)后作為閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸出，將其除以2π得到差頻δf。

（8）將差頻δf與工頻(中國為50hz)疊加即可得到電網(wǎng)的真實頻率f。

此外，通過搭建高精度且抗噪聲干擾的電網(wǎng)頻率快速檢測方法的仿真模型，對這種頻率檢測方法進行仿真驗證，仿真結(jié)果也同時證實了該方案的正確性和有效性。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的案例對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護范圍。