摘要：在单相电压谐波畸变及频率突变等异常情况下为了快速准确地获得电网电压的基本参数如频率，相位角和幅值，本文在传统离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）的基础上通过增加基于二阶广义积分的正交信号发生器模块（Quadrature Signal Generator based on a Second Order Generalized Integrator，QSG-SOGI）来提高电压幅值和相角的测量精度。该技术利用固定窗口的DFT模块估计随时间变化的单相电网电压基波频率以此作为QSG-SOGI谐振频率，通过SOGI模块来估计电网电压的基本参数。仿真结果表明DFT-SOGI技术能快速准确地跟踪电网电压频率和相位且频率估计的振荡幅度较小。
关键词：谐波畸变；频率闪变；离散傅立叶变换；正交信号发生器
The Application of The discrete fourier transform- second order generalized integrator in the estimation of grid voltage parameters
YAN Bin- bin1，YANG Shu-gui2
School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；
2.State Grid Shanxi Electric Power Company Lvliang Power Supply Company，Lvliang 033000， Shangxi，China）
Abstract：In order to obtain the basic parameters such as：frequency，phase angle and amplitude of the single phase grid voltage quickly and accurately under abnormal conditions，such as harmonic distortion and frequency flicker，a novel grid synchronization method is proposed. The proposed technique consists of a fundamental frequency tracking method based on a fixed window discrete fourier transform（DFT）and a quadrature signal generator（QSG）based on a second order generalized integrator（SOGI）which can improve the measurement accuracy of fundamental amplitude and phase angle. The fixed window DFT is used to track the time-varying fundamental frequency which is subsequently used as the resonance frequency of the QSG-SOGI to estimate the basic parameters of the grid voltage. Simulation results show that the DFT-SOGI technique provides high precision and good dynamic responds estimation of frequency and phase angle provides with a few oscillation.
Key Words：harmonic distortion；frequency flicker；discrete fourier transform；quadrature signal generator based on second order generalization integrator
前言
无论是与电网连接的逆变器，不间断电源和有源滤波器还是电力系统的控制、保护和电能质量的监控等方面电网电压的基本参数如频率、幅值和相位角都是必需的信息[1-2]。从理想的电网电压波形中获得这些参数是比较容易的，但是当电力系统发生故障或发电功率和负荷需求动态变化时会加重电网电压的谐波畸变或频率波动，从而导致频率或相位的振荡，不能准确的跟踪电网电压[3]。
目前跟踪和估计电压波形常用的方法有卡尔曼滤波器[4]，增强型锁相环（Enhanced Phase Locked Loop，EPLL），基于二阶广义积分器的锁频环[5-6]（Frequency Locked Loop（FLL） based QSG-SOGI，SOGI-FLL）和基于二阶广义积分器的锁频环[7]（Phase Locked Loop（PLL） based QSG-SOGI，SOGI-PLL）等技术。卡尔曼滤波器可以估计随时间变化的电网电压波形，通过噪声测量求出状态变量的一个最佳估计，缺点是算法复杂运算量大且不易建立模型和测量误差的协方差矩阵。EPLL和SOGI-PLL通过单一的PI反馈环来估计电压信号的相位和频率，当电网故障或相位突变时估计的频率会有较大的超调量和抖动，延迟电网同步过程。SOGI-FLL通过构造频率反馈环来减少频率抖动，但是由于引入频率反馈环和PI反馈环的相互影响会导致控制器参数的调整更为敏感，从而降低系统的稳定裕度。
为了克服反馈环间的相互影响和提高动态响应，文章提出了DFT-SOGI技术。首先利用固定窗口DFT模块[8-10]来估计随时间变化的单相电网电压频率以此作为QSG-SOGI谐振频率，然后利用QSG-SOGI模块产生幅值相等的两个正交电压信号来求取基波电压的相角和幅值。文中DFT窗口的大小是固定的，DFT运算所需的三角函数可以离线估计和存储以便用于实时应用。仿真表明所提出方法能快速准确地实现同步电网电压的基波并具有自适应和抗谐波干扰能力的优点。
1.DFT-SOGI算法
为了准确跟踪含有谐波或电压畸变等情况下的电压信号的参数如幅值，频率，相位等提出了DFT-SOGI技术。该技术主要有两个模块组成：固定窗口DFT和QSG-SOGI模块。当谐振频率是电网频率时，QSG-SOGI模块产生幅值相等的两个正交电压信号来求取基波电压的相角和幅值，因此通过DFT模块估计电网的角频率值反馈给QSG-SOGI模块即可提取基波信号的参数。图1为本文提出的DFT-SOGI的具体框：
图5，6表示单相电网电压谐波畸变和频率相位时SOGI-FLL和本文提出的DFT-SOGI电压相位误差和频率检测结果。
由图5可知，当谐波畸变时，SOGI-FLL的频率响应慢且不能彻底消除谐波影响，检测的角频率和基波电压幅值是波动的。DFT-SOGI经过一个15ms就能准确的获取电压幅值和相角。由图6可知，当频率突变时，SOGI-FLL和DFT-SOGI均能准确检测出电网相位和频率。通过比较图中两种动态响应可得，SOGI-FLL大约需要30ms才能准确锁定，DFT-SOGI需要15ms就能完成锁相。其中在频率突变情况下，SOGI-FLL的频率超调为35rad/s，达到 11.2%，而DFT-SOGI超调量为10rad/s，仅为3.2%。
3 结论
本文提出的DFT-SOGI控制器有更快的动态响应且频率估计的振荡幅度较小。由于SOGI-FLL是闭环控制，减小SOGI的增益k虽然能平抑频率估计的波动但是系统的动态响应会降低，而DFT-SOGI不是闭环控制，所以可以通过改变SOGI的增益k来减小波动。仿真结果表明，在谐波畸变和频率突变时DFT-SOGI比SOGI-FLL有更好的性能，说明了所提方案的有效性。相比于目前广泛应用的电网电压参数估计技术具有以下特点：
（1）结构相对简单，克服了反馈环间的相互影响使得QSG-SOGI控制器参数的调整简单化，DFT运算模块可以离线估计易于实现数字化。
（2）电网电压畸变和频率突变时，能快速准确地跟踪电网电压频率和相位且频率估计的振荡幅度较小。
综上所述，本文提出的DFT-SOGI设计方案在估计电网电压参数方面具有优越性，可以应用到工程实践中。
参考文献：
[1]P. Rodriguez，A. Luna，R. S. Munoz-Aguilar，1. Etxeberria-Otadui，R. Teodorescu，and F. Blaabjerg，"A stationary reference frame grid synchronization system for three-phase grid-connected power converters under adverse grid conditions，" IEEE Trans. Power Elect.，vol. 27，vol. I，pp. 99-112，.Ian. 2012.
[2]E. Lavopa，P. Zanchetta，M. Sumner，and F. Cupertino，"Real-time estimation of fundamental frequency and harmonics for active shunt power filters in aircraft electrical systems，" IEEE Trans. Ind. Elect ..vol. 56，no. 8，pp. 2875-2884，Aug. 2009.
[3]周鹏，贺益康.电网电压不对称且谐波畸变时基波电压同步信号的检测[J].仪器仪表学报，2010，31（1）：78-84.
[4]M. S. Reza，M. Ciobotaru，and V. G. Agelidis，"Instantaneous power quality analysis using frequency adaptive Kalman filter technique，" in Proc. of IEEE Int. Power Elect. Motion Cant. Can[（IPEMC 2012）¬ECCE Asia，2012，pp. 81-87.
[5]辛振，赵仁德，陈晨等.基于双二阶广义积分器-锁频环的异步电机同步角频率估计方法[J].中国电机工程学报，2014，（27）：4676-4682.
[6]邓哲，周峰武，林辉品等.电网故障时基于双输入SOGI-FLL的新型电网快速同步方法[J].电工技术学报，2013，28（12）：32-43.
[7]刘述奎，韩莹，李奇等.基于双二阶广义积分锁相环的燃料电池并网系统研究[J].电力系统保护与控制，2014，（5）：122-128.
[8]刘伟增，刘小刚，郭磊等.基于DFT的改进并网逆变器锁相方法[J].电力电子技术，2012，46（10）：48-50.
[9]F. Cupertino，E. Lavopa，P Zanchetta，M. Sumner，and L. Salvatore，"Running DFT-based PLL algorithm for frequency，phase，and amplitude tracking in aircraft electriDcal systems，" IEEE Trans. Ind. Elect.，vol. 58，no. 3，pp. 1027-1035，Mar. 2011.
[10]白鸿斌，王瑞红，王真等.风电场接入电网的电能质量分析方法研究及案例分析[J].东北电力大学学报，2008，28（6）：33-37.
作者简介：
闫斌斌（1990—），闫斌斌（1990-），男，助理工程师，主要从事变电检修一次设备的检修与维护。
论文作者:闫斌斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/12
标签：电压论文; 频率论文; 电网论文; 谐波论文; 基波论文; 畸变论文; 相位论文; 《电力设备》2017年第30期论文;