同步检测及同步技术.docx

同步检测及同步技术并网变换器必须与所连接的电网同步运行。要实现并网变换器与电网的同步运行，首先必须检测电网电压的频率和相位，并以此来控制变换器，使其与电网电压保持同步。对系统的正常运行来说，电网电压的相位与幅值是同样重要的。甚至20-50毫秒的偏角度可能导致严重的生产过程的中断。目前，应用于分布式电源同步技术最为广泛是锁相环技术，因此，锁相同步技术是并网变换器的一个共性问题，也是并网变换器控制系统的一个最基本的问题，锁相同步电路的性能优劣将直接关系到并网变换器的技术性能和运行稳定性。因而是必须优先解决的基础性关键技术。通用并网变换器用的锁相同步电路的接口信号如图11所示。输入Ua、Ub、Uc为电网三相电压信号，作为并网变换器的同步参考信号，若采用单相同步，则只有一路电压信号输入；Fout为与Ua频率相同、零相位时刻相同的方波输出信号，用来反映电网频率和零相位时刻；NFout为Fout的N倍频方波输出信号，用来反映当前时刻的数字相位，相位分辨率为2棚，或者反映电网电压一个周期的N个等间隔的特定相位时刻。譬如，对于三相测量系统而言，NFout的每个上升沿(或下降沿)代表一个工频周期中的N个等间隔采样点；对于SPWM或SVPWM控制的电压源逆变器而言，NFout的每个上升沿(或下降沿)代表一个调制波信号的周期内每个载波信号的起始点。同步相位检测要解决的关键问题为： (1)如何正确地检测出电网电压信号的零相位时刻，而不受电网电压扰动的影响；(2)如何产生倍于电网频率的等间隔离散相位信号。针对这些问题，形成了多种具有不同原理和实现方法的解决方案。从同步方式来讲，分为单相同步和三相同步；从原理上讲，有单纯的矢量变换法、基于波形过零比较的锁相环和基于矢量变换的锁相环之分；从实现方法上讲，有硬件实现与软件实现之分，还有模拟电路与数字电路之分。但是，在实现等间隔离散相位信号输出时均采用锁相环原理。电网基波信息检测电力系统中的基波频率是电力系统运行稳定程度的重要参数，理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定频率以及规定电压幅值的。但近年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，所以实际上，电力网的波形是含有许多谐波成分的，电力系统的基波频率不再是单一频率而是不平稳时变的。目前已经存在许多检测基波信息的方法，为了方便归纳这些方法，下面先介绍相关的基础知识，目前对于电网基波信息的检测，可以归结为以下三类方法：基于正弦信号模型的检测方法、基于周期信号模型的检测方法和基于复杂模型的检测方法。1基于正弦信号模型的检测方法对于最简单的正弦信号模型，显然我们很容易就能得出信号的频率与相位信息，针对这种信号，常用的检测方法有：(1)过零检测法(周期法)相继测出信号前后过零点的时间，就是信号的半个周期。(2)最大值算法相继测出信号的相邻最大值(最小值)为信号的一个周期，或相继测出相邻的最大值或最小值为信号的半个周期。方法评价：此模型简单，是人们向往的最理想的模型。但实际上此种方法忽略了所有谐波与噪声，故其精度是很低的，在正弦信号模型上人们研究了很多改进算法，这些算法能在一定程序减少由于模型过于简单而易受谐波与噪声影响。另外人们研究各种复杂滤波器对电网信号进行处理的目的就是要把实际的复杂电网信号回归到这种模型中，然后就能用较简单的方法找出基波信息。2基于周期信号模型的检测方法这种模型考虑了电网上的谐波存在的影响，最主要也是最典型的做法是离散傅里叶变换(DFT)法，通过计算分离出基波和频率为基波频率整数倍的各次谐波的幅值和相位，从而得到基波信息。事实上，这种方法不但可以获取基波频率与相位，而且可以获取各整数次谐波频率与相位信息。方法评价：这种算法能有效的排除谐波信号对频率测量的影响，但也有其固有的缺陷，其一是易受噪声影响，其二是受采样不同步的影响，从而造成频率泄漏与栅栏现象。针对这种缺陷，人们又研究了大量改进算法，包括有准同步采样算法、非周期采样算法、加窗插值算法等。3基于复杂模型的检测方法(1)基于小波变换的方法小波变换具有时域和频域局部特性，可在含有高次谐波、随机噪声或某些确定性噪声的信号中捕捉基波信号，小波变换法与基于DFT的方法相比，克服了DFT只能在单一域观察信号的缺点，能同时在时、频域分析信号。小波变换相对于加窗DFT而言，克服了DFT窗口固定大小的缺点，能自适应地调整时频窗，即在分析低频时，频率分辨率高，而分析高频时，时间分辨率高。(2)频率函数逼近的方法这种方法以最小化误差的某种范数为目标，关键在于将测量求解化为相应的标准格式，如最小二乘、法【331、最小绝对值近似法【341、牛顿类算法、卡尔曼滤波算法等。(3)基于现代谱分析的方法对于考虑了随机噪声的电网信号，其傅里叶变换并不存在，因此转向研究它的功率谱，现代谱估计方法也是从频域分析信号的方法，它隐含了对观察所得信号自相关函数的外推，由此弥补了传统DFT算法的不足，提高了谱的分辨率和谱的真实程度。(4)基于神经网络的方法神经网络作为一种映像网络，可以确定其输入和输出之间复杂的映射关系，而电网电压波形与其基波信息存在映像关系，因此神经网络也可以用于获取电网基波信息。方法评价：这类方法的特点是把各种噪声、各种谐波、直流分量统一加以考虑，这些基于数字信号处理的算法能很好抑制噪声干扰信号，但这些方法一般对信号的处理较复杂，主要是为获取基波的频率信息，相位信息往往会在处理过程中被污染(如滤波对相位的影响)，实际应用中经常有运算量较大的问题，导致实时性不够好，难以用于逆变器的基波同步信号检测中。4.一种频率自适应的同步相位与对称分量检测方法（对称分量法）电网不对称故障时，快速、准确地检测同步相位和对称分量是电力电子装王实现控制与保护的关键问题之一分析了负序分量对传统三相镇榴环检测性能的影响，设计了一种频率自适应的同步相位与瞬时对祢分量检测新方法谈方法利用瞬时对称分量理论在两相静止坐标系下实现对称分量的实时检刺，利用广叉二阶积分器实现90。相移，用测得的基波正序电压g轴分量作为镁相环的输入，用镇相环的输出角轰率作为相移电路的谐振角频率，逸到谐波抑制与频率自适应跟踪，是一个闭环的类时捡测系统。分析了该方法的实现杌理。给出了捡嘲电路的实现框图，进行了实验验证结果表明该方法既能在被测电压不对称对准确捡测同步相位和对称分量，又能消徐电压频率变化对检测同步相位和对称分量的影响-陈海荣,刘子坚,屠卿瑞等.一种频率自适应的同步相位与对称分量检测方法J.浙江大学学报（理学版）,2012,39(3):297-302.DOI:10.3785/j.issn.1008-9497.2012.03.013. 可用于基波同步信号检测的数字信号处理方法1 离散傅里叶变换方法DFT主要是用于基波与谐波分析。对电网信号进行了DFT分解后，可得到基波幅值与相位信息，由于DFT方法在进行分析时，会假定基波频率已知，而事实上是电网基波频率难以维持在固定值上，所以存在原理上的误差，包括存在频谱泄漏与栅栏效应问题，一般有实用价值的是基于DFT的改进算法。2 小波变换方法与DFT一样，小波同样能检测电网信号所含有的所有频率成分。当选择适当的分解频段，即可把基波检测出来。例如用二进小波，经过某个级数的分解后，可把基波从谐波与噪声中分离出来，进而可运用各种方法求得基波频率。例如某种基波检测方法中：在分离基波后，用极大点法计算出基波频率。小波变换原理用于基波检测实质上是设计小波滤波器，把谐波与噪声滤掉分离出基波，经过滤波器后往往会造成相移，故这种方法难以获得基波相位。并且小波变换的方法计算量很大，难以用于实时性要求高的场合。3.现代谱分析与非平稳AR模型小波神经网络解法现代谱估计隐含了对观察所得信号自相关函数的外推，由此弥补了传统DFT算法的不足，提高了谱的分辨率和谱的真实程度，但求解过程运算量很大。4.神经网络方法Dash提出了ADALINE神经网络作为逼近电力系统信号的模型。这是众多神经网络中的一种，这种方法的学习策略建立在LMS算法之上，也是一种自适应方法。它的主要优点是收敛速度较快，对噪声的去除也比较好。5局域波分解方法局域波分解法是一种新兴起的时频分析方法，它是1998年由美国学者Norden EHuang等人提出的基于经验模式分解(EMD)法发展起来的。这种方法是把复杂的原信号分解成有限个简单的分量，称这为内蕴模式函数分量或基本模式分量，它具有很好的希尔伯特变换特性，使得瞬时频率可以计算。由于这种分解法是基于信号局部特征的，特别适用非平稳与非线性信号处理。这种分解方法使得瞬时频率具有实际物理意义，并可消除传统信号分析方法(如傅氏分析法)对非线性信号是由伪谐波产生的错误解释。锁相环同步控制原理这里分析并比较了四种同步技术的工作原理及实现方法，即单同步坐标系软件锁相环(SSRF-SPLL)、增强型锁相环(EPLL)、双同步坐标系解耦软件锁相环(DDSRF-SPLL)以及基于二阶广义积分器的锁频环(DS06IFLL)。1 SSRFSPLL工作原理单同步坐标系软件锁相环方法是基于跟踪电网电压的正序分量而提出的检测算法。其工作原理如下：将abc坐标系下的三相电压矢量经静止坐标下3s2s变换到坐标系，变换矩阵为式(1)，再经静止坐标系到同步坐标系2s2r变换到dq坐标系，变换矩阵为式(2)，各坐标系下的电压矢量图如图1所示，图中 以表示实际电压矢量， 表示锁相环的输出电压矢量， 表示实际电压矢量的矢量角度， 表示锁相环输出的电压矢量角度，当锁相环处于精确锁定时， 和 应该是完全重合，即 。SSRFSPLL基本原理图如图2所示。图中 为 的角频率， 为检测电压的额定角频率。当时，在dq坐标系下，Ud=U，uq=O，其中U为相电压幅值；而当电网电压相位突变，即 时，Ud和Uq均为交流分量。因此锁相环的功能就是通过闭环控制使得Uq为零，此时。2 EPLL工作原理增强型锁相环是一种基于对称分量法提出的检测算法。主要思想是通过三个单相EPLL分别获得三相电网电压及其正交信号，然后利用对称分量法提取电压正序分量，最后利用一个单相EPLL跟踪正序分量中A相电压的相位和频率。图3给出了单相EPLL的结构，参数胜要控制幅值的收敛速度， 和 分别是输入电压u的基波分量和滞后90电压信号。将任意一组三相电压分解成正序、负序和零序三组对称分量，其中正序分量为：式中， 。整理可得：根据式(4)和图3所示单相EPLL的结构，可以得到三相EPLL，其结构如图4所示。利用EPLLlEPLL3输出三相电网电压的基波分量及其相应移相90。的电压信号，由式(4)提取三相电压的正序分量，最后利用EPLL4跟踪正序分量中A相的相位。3 DDSFR-SPLL工作原理双同步坐标系解耦软件锁相环方法(DDSRFSPLL)是考虑电网电压负序分量对传统软件锁相环的影响而提出的。原理不予详细给出。4 DSOGI-FLL工作原理由于锁相环采用相位作为反馈信号，因而它的动态输出响应对相角变化非常敏感，这是锁相环的突出缺点，因为在电网故障时往往都会伴随着相位突变。为了克服这一缺点，提出了锁频环同步方案，其主要思想是利用广义积分器构造两相虚拟正交信号，再通过频率闭环控制实现对电网电压基频信号的实时跟踪。结论：SSRFSP