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基于三阶广义积分器的谐波检测算法

更新时间:2016-07-05

近年来,作为集中式发电的有效补充,分布式发电技术及并网系统已日趋成熟。随着单位千瓦电能生产价格的不断下降,分布式发电正得到越来越广泛的应用。同时,分布式电源并网带来的复杂的谐波谐振问题受到越来越多的关注[1]分布式能源发电采用的并网逆变器属于电力电子设备,越来越多电力电子设备的应用,会对配电网注入大量谐波,造成了日益严重的谐波污染。相比于传统电网,微网和主动配电网系统的谐波现象呈现出新的特点。

为解决逆变器并网带来的谐波问题,需要在并网逆变器与电网之间加设滤波装置。传统的LCL滤波器对于高频谐波电流表现出很大阻抗,但对于某些特定频次的谐波表现出的阻抗很小,这些特定频次的谐波电流不但不会被抑制,反而会被LCL滤波器放大[2-4]。传统无源阻尼方法,如在LCL滤波器电容支路串联阻尼电阻,增加了滤波器在谐振频率处的阻尼,在一定程度上抑制了谐振的发生。但引入的无源阻尼电阻引起变换器发热,带来了额外损耗。近年来,相关学者提出有源阻尼的方法,在电网公共点连接有源阻尼器,通过控制算法来增加系统的等效阻尼,实现谐振抑制。由于该方法不增加耗能元件,因此不存在阻尼损耗问题。有源阻尼器值只工作在谐振频率处,因此对当前电网中谐波的检测变得尤其重要,检测精度直接影响有源阻尼器的作用效果。

目前对广义谐波电流的检测方法都是以瞬时无功理论为基础,但多个滤波器的引入,会引起相位滞后的问题。文献[5]提出一种运用双向解耦法消除复数分量中的谐波电流,虽没有采用低通滤波器,但是算法过于复杂,而且多个双向解耦装置的加入减慢了系统动态响应速度;文献[6]提出基于平均值理论的自适应锁相环法,用积分均值代替低通滤波器,自适应锁频环实时检测电网频率,提高了检测的实时性,但是没有考虑到频率波动和电压三相不平衡对检测算法的影响。文献[7]运用二阶广义积分器 SOGI(second order generalized integrator),实现了基波正序分量的提取,但无法消除谐波对检测精度的影响;文献[8]提出了由多个二阶广义积分器与锁相环MSOGI-FLL(multi second-order generalized integrator-phase locked loop)组成的谐波检测算法,该方法基于锁相环FLL和二阶广义积分器,将多个二阶广义积分器并联,实现检测电网电压基波正负序分量,以及谐波的正负序分量,由于FLL的存在,系统可以实现频率自适应。但该系统不能再次谐波和简谐波干扰下,不能保证检测精度;文献[9]提出了级联型二阶广义积分器的结构,克服了次谐波和间谐波影响,但多畸变电网下的直流偏置问题仍无法解决。

因此,本文提出一种基于三阶广义积分控制器TOGI(third-order generalized integrator)的谐波检测算法,该方案通过采用多个基于三阶广义积分的正交信号发生器构成的反馈网络,消除直流偏移对检测结果的影响,提高检测精度。通过消除特定次谐波,同步提取精度更高的电压和电流的正负序基波分量,同时能够自适应跟踪电网角频率。在输入信号畸变严重且含有直流偏置情况下,仍然可以实现高精度检测结果。仿真结果说明在畸变电网下应用该算法效果显著。

1 基于二阶广义积分器的谐波检测实现及存在的问题

1.1 谐波检测原理

SOGI具有陷波特性,只允许频率为ω0的交流分量通过。图1所示为SOGI的结构,其中ξ是系统阻尼系数。FLL输入信号是SOGI提供的正交信号vq与偏差信号e,根据两路输入信号的频率特性,进而通过带有负增益的积分器,实现对角频率的跟踪,输出的预估频率ω0提供给SOGI,通过不断调整SOGI输入的频率ω0,直至误差角频率为0,这样就实现了二阶广义积分器的自适应锁定角频率的功能。

MSOGI-FLL结构如图2所示。多个SOGI并联,通过交叉反馈消除谐波对基波电压的影响,可以从畸变电网中提取出基波正负序分量以及谐波分量。该结构不仅可以提取基波及谐波的幅值和频率,同时可以实现给定信号的正负序分离。

SOGI输出信号vd与输入信号vin同相位,vq与vin相位差为90°,vd与vq互为一组正交信号。从输入输出特性分析,SOGI对vd表现带通特性,而对vq表现为低通特性。其闭环传递函数为

图6给出了取i=1,j=3、5、7时,系统基波传递函数bode图。由频率响应可以看出,系统在f=50 Hz处增益为1,可保证基波无障碍通过;在f=150、250、350 Hz处均有幅值很大的负增益,使3次、5次、7次谐波得到很大削减,保证基波准确输出。

采用人工判读数字化的方法获得屋顶的矢量化图形数据.基础数据的获取途径是:利用Google earth卫星影像,参照徐州三维电子地图重构建筑形态;必要时从网站获取建筑项目设计说明等资料,结合实地勘察、现场记载、实景拍摄等方法;按照各项评估因子要求,采集工作区已建成的永久性建筑资源现状信息,在Excel 中建立建筑物屋顶资源属性数据库.

图1 SOGI-FLL结构 Fig.1 Structure of SOGI-FLL

1.2 直流偏置对谐波检测系统的影响

直流偏置现象对MSOGI-FLL的检测精度存在很大影响。在Simulink中搭建MSOGI-FLL模型,模型设计为检测3次、5次和7次谐波。取ξ=0.707,γ=50,输入电压为 vin=50 V,fo=50 Hz,在 t=0.5 s时刻,电网电压出现畸变,直流偏置电压V0=10 V。

图2 MSOGI-FLL结构 Fig.2 Structure of MSOGI-FLL

图3所示为0.5 s处发生10 V直流偏置,FLL输出预估频率 ω0。由图可以看出,当 0<t<0.5 s时,锁频环FLL输出角频率稳定在ω0=314 rad/s,t>0.5 s后,FLL输出波形振荡。当直流偏置电压V0=10 V时,输出角频率振荡幅值约为15 rad/s。角频率输出不稳定,严重影响SOGI输出特性。

本文通过构建列车追踪间隔模型,分析了影响列车正线追踪间隔的相关因素。并以成都地铁4号线为例,结合目前已有的技术参数,提出了优化紧急制动距离、优化司机在站台确认信号时间和优化紧急保障制动率三种措施。通过模拟分析可知,上述三种措施可以有效地降低正线的追踪间隔,同时验证了正线能够实现追踪间隔为70 s的目标。

于全麻下采取腹膜后腹腔镜下右肾癌根治术,术后病理诊断为“右肾透明细胞癌I级”。术后留右肾窝引流管,两天后拔除,常规补液抗感染止血对症治疗,术后第七天拆线,隔一天出院,术后连续3年CT检查无异常。

图3 MSOGI-FLL系统输出角频率响应 Fig.3 Angular frequency response of MSOGI-FLL output with a 10 V DC-offset at 0.5 s

2 三阶广义积分器谐波检测算法

2.1 三阶广义积分器原理

本文提出一种基于三阶广义积分器的谐波检测算法来解决直流偏置电压对谐波检测精度的影响。三阶广义积分器结构如图4所示。

在Matlab/Simulink搭建单相检测模型,参数设置为 ξ=0.707, γ=50, 输入电压为 vin=50 V,fo=50 Hz。设置在t=0.5 s时刻,电网电压出现畸变,直流偏置电压v0=10 V。MTOGI-FLL系统设置为检测基波电压与3次、5次、7次谐波电压。角频率输出响应如图7所示。

我一直信奉:“人在做,天在看”的宿命。既然已经身处于一个物质极其丰富的社会,我们就不要再以“穷怕了”为自己的“贪婪”找借口。清心寡欲无疑是每个社会人最好的“护身符”—只要你能毅然决然地和“贪得无厌”“贪婪成性”决绝—起码可以在这个波诡云谲的世界里,“半夜不怕鬼敲门”地睡个安稳觉……

图4 三阶广义积分器结构 Fig.4 Structure of TOGI

式中,vin(s)、v1(s)、v2(s)、v3(s)分别为信号 vin(t)、v1(t)、v2(t)、v3(t)的拉普拉斯变换。

式中,k为常数。

式中,vin(t)为输入电压信号;v0为直流分量;vc、ωc和φc分别为交流分量的幅值、频率和相位。

由三阶广义积分器构成谐波检测反馈网络,则第i次谐波输出为

为了验证所提控制策略的有效性,在PSIM环境下对MPDPC、定系数降频MPDPC和变系数降频MPDPC做了仿真对比研究,系统的参数如表1所示。为了简化,将上述3个控制策略分别依次定义为MPDPC.I,MPDPC.II和MPDPC.III。给定有功功率为1 000 W,给定无功功率为0 VAr,以保证系统单位功率因数运行。

假设输入信号是含有直流偏移分量的正弦信号,即

由此可以看出,输出信号v1(t)不含有直流分量,主要归因于其传递函数分子中的一阶微分项,其交流项与输入信号交流分量同幅同相;v2(t)含有直流分量,其交流分量与输入信号同幅,相位滞后90°;v3(t)仅含直流分量。

2.2 MTOGI-FLL工作原理

由上述分析可知,频率锁定环节输出在电网电压发生直流偏置时发生畸变,主要原因是其输入信号v2(t)中含有直流分量;同时因为系统中没有直流反馈,电网发生直流偏置畸变时,给定信号与实际输出的偏差信号e(t)受直流偏置影响不能稳定到 0,即偏差信号 e(t)中也含有直流分量;v2(t)-v3(t)与 v1(t)项同幅,相位滞后其 90°,为了消除频率锁定环节输入信号中直流分量影响,将 v2(t)-v3(t)项作为频率锁定环节FLL的输入;将TOGI输出信号 e(t)与 v3(t)作差,抵消直流偏置对锁频转置的影响,即将 e(t)-v3(t)作为 FLL 的另一输入信号,从而使频率锁定环节输入信号完全不受直流偏置的影响,实现角频率自适应稳定输出。基于TOGI的滤波结构TOGI-FLL结构如图5所示。

图5 TOGI-FLL结构 Fig.5 Structure of TOGI-FLL

可见,TOGI能够抑制输入信号中的直流分量对系统的影响,产生与系统输入基波分量同频同幅的两相正交信号。

由文献[10]可知,TOGI的输出信号分别为

式中:i、j为谐波次数;vi为各次谐波输出;Vi(t)为第 i次谐波的传递函数。

进一步整理可得

式中,ωo为SOGI的输入频率。

图4中,输入信号为给定信号vin(t)和频率值ω0,输出信号分别为 v1 (t)、v2(t)、v3(t),则输出信号与输入信号的关系分别用闭环传递函数表示为

关于古筝的起源,有两种说法。一说“分瑟为筝”,一对姐妹争一架瑟,瑟横断成两半,修补成了两架筝,而“筝”取自“争”的谐音。另一说是因为筝发音“铮铮”而得名。

对比图3与图7可以看出,基于二阶广义积分的谐波检测系统,在t=0.5 s电网发生畸变后,FLL输出角频率振荡,幅值约为15 rad/s;而改进后的谐波检测系统,FLL输出可以在0.1 s内恢复到交流给定频率,并维持稳定输出,频率锁定环节性能得到显著改善。

我校其他专业如临床医学、医学检验等也开设了生物化学课程,虽然教材使用的不同,但在教学时通常无甚差别。为了体现生物化学作为护理专业基础课的特点,我们积极与教授其他如生理、免疫、病理学等基础课程及外科护理、内科护理等护理专业课程的教师交流,了解相关课程所需的生物化学基础知识,并结合护士执业资格考试的要求,针对护理专业适当调整并不断完善教学内容。

图6 MTOGI-FLL基波频率响应 Fig.6 Fundamental wave frequency response of MTOGI-FLL

图7 MTOGI-FLL系统输出角频率响应 Fig.7 Angular frequency response of MTOGI-FLL output

3 实验仿真

3.1 单相谐波检测环节仿真

在Matlab中搭建单相谐波检测模型,参数设置为 ξ=0.707,γ=50,输入电压为 vin=50 V,fo=50 Hz。在t=0.5 s电网电压发生畸变,出现3次、5次、7次谐波,谐波电压幅值均为10 V,直流偏置电压v0=10 V。电网电压波形如图8所示。MTOGI-FLL谐波检测系统设置为检测基波电压与3次、5次、7次谐波电压,基波与谐波电压检测结果如图9所示。

图8 单相系统电网电压仿真波形 Fig.8 Grid voltage waveform of single-phase simulation system

3.2 三相谐波检测环节仿真

搭建三相谐波检测模型,参数设置为ξ=0.707,γ=50,输入电压为 vin=50 V,fo=50 Hz。在 t=0.5 s时电网发生畸变,出现5次正序分量和7次谐波负序分量,直流偏置电压v0=10 V。电网电压波形如图10所示。MTOGI-FLL谐波检测系统设置为检测基波正、负序电压与3次、5次、7次谐波正、负序电压,基波与谐波电压检测结果如图11所示。

由仿真结果可以看出,基波正序分量、5次谐波正序分量和7次谐波负序分量检测结果准确;基波负序分量、5次谐波负序分量和7次谐波正序分量经过暂态后恢复到0。

图9 单相系统谐波检测仿真结果 Fig.9 Harmonic detection results of single-phase simulation system

图10 三相系统电网电压 Fig.10 Grid voltage of three-phase simulation system

图11 三相系统谐波检测仿真结果 Fig.11 Harmonic detection results of three-phase simulation system

4 结论

(1)在谐波检测系统中引入三阶广义积分,利用其输出特性,可以消除直流偏置对频率锁定环节FLL的影响,解决畸变电网下FLL不能稳定输出的问题,保证频率锁定环节的稳定输出。

(2)由多个三阶广义积分器与频率锁定环节交叉反馈构成的MTOGI-FLL系统,可以实现基波与特定次谐波的检测,通过交叉反馈网络提高检测精度,消除直流偏置对谐波检测结果的影响。

(3)由单相和三相仿真结果证明了提出的基于三阶广义积分器的MTOGI-FLL系统在直流偏置畸变电网下的优良性能。

1)_____Do all the risks have possible negative results?

参考文献:

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从空间的视角出发,分析山西黄河旅游带发展的各项基础条件,摸清构景要素的资源依托,为第三部分旅游线路设计奠定基础。具体研究过程:第一步,数据收集与整理。地形地貌数据来自于课题组数据库,国家高速公路和国道线路来自于中国公路网,经济发展情况由《2016年山西省统计年鉴》中计算分析得出,旅游资源状况从课题组数据库提取。第二步,数据处理及可视化。运用ArcGIS 10.3软件对上述关键数据进行空间分析,绘制区域单位面积GDP图(图1)、区域地形图(图2)、区域主要景区分布和交通图(图3),实现可视化表达。

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对于不同的寄生虫学标本片,要根据片中标本的大小,选择放大倍数合适的镜头。有时候观察同一个标本,需要几个不同的镜头来完成。如通常使用10倍物镜观察感染性蛔虫卵的形态特征(虫卵形状、卵壳、蛋白质膜、虫卵中的蛔虫幼虫),之后换成40倍物镜观察虫卵中蛔虫幼虫的形态特征以及其在卵中的运动情况。因此教师要在课程开始之初向学生讲解清楚,通过之后几次实验课让学生自己逐渐找到规律,避免认知过程中出现“盲人摸象”的现象。

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武健,张彩红,王蕊,漆岳,尤燕飞,徐殿国
《电源学报》 2018年第02期
《电源学报》2018年第02期文献

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