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《相控开关技术基波参考信号提取》

盛晓云1,李孝尊1,刘军2,李红梅3,张恒果3

(1.安徽华电工程咨询设计有限公司,安徽 合肥 230022;2.国网安徽省电力公司,安徽 合肥 230061;3.合肥工业大学,安徽 合肥 230009)


摘要:基于自适应陷波器技术实现输入信号的基波分量提取和频率估计,并鉴于其谐波抑制能力不足的问题,设计前置无限冲激响应滤波器,实现在输入信号畸变的情况下基波参考信号的准确提取及基波频率的自适应估计。最后,通过 DSPACE快速控制原型系统验证了该方案的有效性。

关键词:相控开关技术;基波参考信号提取;自适应陷波器


引言

我国中、低压配电网普遍采用并联电容器组实现系统无功补偿,但传统电容器组投切时引起的涌流和过电压暂态过程,会对电容器、断路器等电力设备造成危害。应用相控开关技术能有效削弱暂态过程,但效果依赖于断路器在最佳相位角分合闸的准确度。这主要受断路器的机械特性、介质绝缘特性和控制系统精度的影响,其中基波参考信号提取是影响控制系统精度的重要因素。

基波参考信号的准确提取是实现相控开关技术的前提,通常可在相邻两个异号的采样数据间进行线性插值来获得参考信号零点,但存在较大的误差。文献[3-4]采用交越零点相位差算法提取信号相位和周期,在保证运算速度的基础上提高了运算精度,但不足是输入信号要有较高的信噪比。为了消除谐波及噪声的影响,通常设计FIR数字滤波器对原始信号进行滤波处理,以提取出基波参考信号,进而采用线性插值方法获得参考信号零点,但高阶FIR滤波器的使用增加了算法计算时间,且本身无法完成基波频率的估计。

基于FFT算法的信号频率和相位估计,不仅能从采样信号中抽取基波分量,而且具有算法抗干扰能力强的特点,FT本身受信号采样频率影响较大,需采用同步采样法来保证对基波信号的整周期采样以避免相位估计误差7。针对基于FFT的相位估计算法对信号频率敏感及频率检测不准确导致的同步采样困难问题,文献[8]提出基于 Hilbert变换计算信号瞬时频率和相位的方案。该方案能取得较好的估计精度,但要求采样信号有较高的信噪比,且运算时间较长。

为此,本文简介了相控开关并联电容器组的控制策略,提出了基波参考信号准确提取方案,即设计前置IIR峰值滤波器以减小输入信号谐波的影响,再匹配设计自适应陷波器( Adaptive Notch Filter,ANF)实现基波参考信号提取及信号频率的准确估计。

1相控开关并联电容器组的控制策略

相控开关并联电容器组的系统框图如图1所示。系统由相控开关控制器、永磁操动机构、控制电源等组成控制器实时采样电网电压和电流信息,提取出相应的基波参考信号,并根据断路器当前环境因素和操作历史,计算获得分合闸指令所需的延迟时间;再通过定时器中断发送触发信号,驱动控制永磁操动机构完成断路器分合闸操作。


 

1  相控开关并联电容器组系统框图


以断路器合闸操作为例,相控开关并联电容器组的控制时序如图2所示。控制器实时检测电网电压以获得基波参考信号,t0时刻收到合间指令后,以指令前参考信号零点为参考零点,根据预测的断路器动作合阐时间Tcl和最佳合闸时间Tφ

式中,f为电网电压基波频率;TZ0为合闸指令距参考零点的时间;Tcal为控制器算法执行时间;mod表示取余数运算;n为保证Td>0的最小整数。


2  相控开关并联电容器组控制时序图


基波参考信号提取与频率估计

通常,采样得到的电网电压、电流信号包含基波分量及各次谐波分量。为降低诸波对基波参考信号估计误差的影响,在提取基波信号前设计前置IR峰值滤波器,以衰减输入信号中存在的谐波分量,如图3所示。

采用的二阶IR峰值滤波器的传递函数为:


3  基波参考信号提取与频率估计算法框图


式中,为滤波器中心频率;v为滤波器带宽角频率;

鉴于IR峰值滤波器系数与αb有关,电网频率变化将影响IR峰值滤波器性能,因此本文根据ANF输出基波角频率估计值动态修正该系数,确保电网频率变化时滤波器滤波性能。ANF具有自适应的结构,本文基于ANF提取输入信号中包含的基波分量,且实现对基波频率的跟踪控制,采用的ANF可由以下微分方程组描述:

式中,x为状态变量;zn()为输入信号;0为基波角频率估计值;e()为输入信号与提取出的基波信号之间的差值;和了为待设计的正实参数。

ANF算法结构框图如图4所示。ANF算法包含频率检测和基波提取两部分,γ的取值影响频率估计的收敛速度,的取值影响电网电压、电流信号中的谐波滤除效果,两参数的设定需从兼顾算法稳态精度和收敛速度两方面考虑。由于输入信号经过一级IR滤波器处理后,谐波含量大大降低,因此ANF参数选择范围相对较大,基波提取与频率估计响应速度较滤波前有所提升。


4  ANF算法结构框图


若输入信号为单相正弦信号

其中,A0φ0分别为信号幅值和相位,则系统(4)稳定后的唯一周期轨道为:

由此可知,ANF可实现对基波信号及其频率的在线估计。


试验测试

如图5所示,本文基于 DSPACE快速控制原型系统验证提出的基于ANF的基波参考信号提取方案的可行性利用可编程交流电压源生成单相电压测试信号,再基于DSPACE1007平台实现该方案的核心算法。ANF及前置IR峰值滤波器参数设置见表1所示,其中ANF频率检测单元积分器初始条件设置为250rad/s,其余积分器初始条件均设置为0


5 DSPACE快速控制原型系统图


关键参数


为评估本文提出的基波参考信号提取方案的稳态性能,设定输入电压基波有效值和频率分别为110V50Hz,输人电压中各次谐波分量见表2。图6为该方案的稳态试验波形,虚线部分为输入电压信号u,实线部分为其基波参考信号估计值uf,通过设置不同纵坐标标度来防止曲线重合。经测试, uuf的总谐波畸变率(THD)分别为11.25%0.63%


表2 输入电压信号谐波含量


6  输入信号含谐波情况下的基波参考信号提取图


由图6可知,在输入电压信号含有较大谐波情况下,该方案能实现基波参考信号的准确提取。

7为输入电压信号基波幅值负向阶跃变化时的基波参考信号提取和频率估计的实测波形,基波频率为50Hz,0.18时设定输入电压信号基波有效值由110V降至55V,各谐波含量仍见表2


7  输入信号基波幅值突变时的基波参考信号提取与频率估计图


由图7可知,基波幅值负向阶跃变化后,估计的参考信号幅值经3个基波周期后跟踪上实际值,频率估计值在0.17s后达到稳态。另外,稳态时信号基波频率能实现准确估计,在表2所示输入信号条件下,频率估计误差为士0.05Hz

为验证该方案在输入信号基波频率突变情况下的动态性能,设定基波频率由50Hz突变为51Hz,基波有效值为110V,设定频率突变时刻为0.09,波形如图8所示。

由图8可知,基波频率变化不影响提取的基波参考信号幅值,基波频率估计值在0.12s后达到新的稳态(51Hz),稳态频率估计误差为士0.05Hz

4结语

参考信号的准确提取是实现并联电容器组相控投切的关键,本文提出了集成自适应陷波器与前置IR滤波器的参考信号准确提取方案,并完成了该方案的试验测试。测


输入信号基波频率突变时的基波参考信号提取与频率估计图


试结果表明,该方案能在输入信号畸变的情况下准确提取出其基波参考信号,实现频率的自适应跟踪,而且具有结构简单和计算量小的优点,满足相控开关电器组的实时控制要求,可推广应用于相控开关并联电容器组系统。