一種基于卡爾曼濾波器的低電壓穿越控制策略

黨興華

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

一種基于卡爾曼濾波器的低電壓穿越控制策略

黨興華

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

風(fēng)電容量的日益提升使得電網(wǎng)對其低電壓穿越能力的要求逐漸提高.本文提出了的低電壓穿越控制的策略，通過對外網(wǎng)電壓跌落的檢測，計(jì)算出跌落前后的電壓、電流幅值和相位角，根據(jù)這些量可以計(jì)算出保護(hù)電路補(bǔ)償電阻的大小.本文對這一策略給出了檢測電壓跌落和電阻計(jì)算的具體方法和電路實(shí)現(xiàn)思路.

低電壓穿越；電壓跌落檢測；卡爾曼濾波器

1 引言

風(fēng)力發(fā)電容量持續(xù)增大使得其低電壓穿越能力對整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要.各類型風(fēng)機(jī)的低電壓穿越支持系統(tǒng)(CLSS)都是在對電壓發(fā)生陡降快速識(shí)別的基礎(chǔ)上的.本文在研究低電壓穿越理論的基礎(chǔ)上，建立新的電網(wǎng)電壓跌落分析模型，運(yùn)用一種新方法得出電網(wǎng)信號(hào)的狀態(tài)方程和測量方程，從而找出一種應(yīng)用于低電壓穿越支持系統(tǒng)(CLSS)中的電壓跌落點(diǎn)快速檢測算法.

2 運(yùn)用高速浮點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)快速檢測的控制策略概述

本策略通過運(yùn)用高速浮點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)快速檢測.在正常狀態(tài)時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率通過主開關(guān)并網(wǎng)輸出，實(shí)施保護(hù)的負(fù)載電阻被主開關(guān)短路而不起作用.在檢測到外網(wǎng)電壓陡降時(shí)，主開關(guān)打開，負(fù)載電阻投入,為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供一個(gè)功率消耗通道,支持風(fēng)力發(fā)電機(jī)繼續(xù)維持發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行.在外網(wǎng)的電壓恢復(fù)后，主開關(guān)合上，風(fēng)機(jī)的功率重新向電網(wǎng)輸出.

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，并網(wǎng)點(diǎn)故障出現(xiàn)和恢復(fù)的判斷時(shí)間要求一般小于2ms，這就要求低電壓穿越支持系統(tǒng)(CLSS)的必須建立在對電壓陡降快速識(shí)別的基礎(chǔ)上.本算法首先使用FPGA在故障發(fā)生前不停的采集電壓和電流信號(hào),并采用卡爾曼濾波器分離出干擾信號(hào).得到連續(xù)的真實(shí)的電壓信號(hào)，并把跌落前的60MS和跌落后的1.1MS的電壓和電流數(shù)據(jù)快速傳遞到高速浮點(diǎn)DSP中.DSP計(jì)算出跌落前和跌落后的電壓、電流幅值和相位角，按照既定的電阻投入方案,計(jì)算出要投入的電阻值.

3 電壓跌落檢測的算法

3.1 矢量卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波器是用遞歸方式的濾波器,非常適合FPGA或是DSP.

3.1.1 系統(tǒng)的狀態(tài)和測量方程如下:

式中:Xk:系統(tǒng)K時(shí)刻的n維狀態(tài)向量；

A:系統(tǒng)n×n維狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

Wk:n維系統(tǒng)過程噪聲序列；

Zk:系統(tǒng)的m維觀測序列；

H:m×n維觀測矩陣；

Vk:m維觀測噪聲.

并且Wk，Vk滿足如下的條件:

Q為系統(tǒng)過程噪聲Wk的對稱非負(fù)定方差矩陣，R為系統(tǒng)觀測噪聲Vk的正定方差陣，均為可知的.

另外：1)Wk和Vk不相關(guān)；

3)定義P為誤差協(xié)方差.

3.1.2 遞推過程

1)先給定初值X0和P0；

2)根據(jù)K時(shí)刻的觀測值Zk，先計(jì)算卡爾曼增益:

3）計(jì)算預(yù)測值:

4）列出下一次計(jì)算的協(xié)方差矩陣:

3.2 使用卡爾曼濾波器的分離主頻信號(hào)

電壓波形的表達(dá)式:

其中Δt為采樣間隔.

令u1=ucos(ωkΔt+a)，將超前u190度作為u2，則:u1=usin (ωkΔt+a)；

在復(fù)坐標(biāo)下合成為:U=u1+ju2=uej(ωkΔt+a)；

其中un為諧波次數(shù)的幅值,N為高次諧波(最高為7次), an為第n次諧波相角.

所以，各次諧波在復(fù)坐標(biāo)下合成:

由上述的條件,可產(chǎn)生狀態(tài)方程和測量方程:

由上述的過程,可以計(jì)算得到U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7，從而可以計(jì)算出u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,也就可以分離出我們需要的主頻率信號(hào).

3.3 跌落點(diǎn)的識(shí)別算法

電網(wǎng)信號(hào)通過濾波器去除白噪聲后，分離出了主頻的電壓信號(hào).下一步就需要對主頻信號(hào)跌落點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別.

為了快速判斷電壓跌落,所采用識(shí)別算法需要用到過去一段時(shí)間內(nèi)采得的電壓值.

首先我們可以通過下圖來具體分析本算法：

圖1 電網(wǎng)電壓跌落波形示意

控制器對每相電壓至少要存儲(chǔ)從當(dāng)前時(shí)刻到過去的兩倍周期T即2T（=40ms）的時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù).之所以把兩個(gè)周期的對應(yīng)點(diǎn)引入計(jì)算，是為了消除頻率的漂移造成的影響.假定在兩個(gè)周期內(nèi)頻率發(fā)生漂移的方向不變，即連續(xù)變小或變大，則原本在一個(gè)周期的兩端點(diǎn)本來是相等的采樣值有了偏差，如果連續(xù)兩個(gè)周期相同位置上的偏差值的大小基本相同，則上述的方法減小了頻率漂移帶來的影響.

其次，基于以上分析，可將具體的算法描述如下：

1)從當(dāng)前時(shí)刻向前尋找得到n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)：Un-1,Un-2,Un-3,…U1；

4）然后進(jìn)行運(yùn)算得到電壓突變量：

上述電壓突變量的計(jì)算可得到電壓跌落的位置.

4 投入電阻值的計(jì)算

為了計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)該投入的電阻值得大小,需要跌落前電流值I1以及跌落前電壓U1和跌落后電壓U2.

電壓可采用單相dq變換的計(jì)算方法,計(jì)算出跌落前U1和跌落U2的電壓.具體計(jì)算方法如下:

首先，由已知需要計(jì)算的電壓Ua，延時(shí)60得到-Uc，然后可得到Ub（Ub=-Ua-Uc）；

其次，構(gòu)建一個(gè)三相電壓，經(jīng)過dq變換，提取出直流分量；

再次，將直流分量經(jīng)過dq反變換，計(jì)算出其中的基波分量從而計(jì)算出電壓值；

最后，依據(jù)計(jì)算出電壓值和跌落前電流值得出電阻值.

具體的計(jì)算方法過程如下:

最后，計(jì)算出投入的電阻值:R=(U1-U2)/I1.

5 小結(jié)

本文提出的一種低電壓穿越控制的策略，通過對外網(wǎng)電壓跌落的檢測，使用卡爾曼濾波器濾除噪聲信號(hào)，并設(shè)計(jì)一種算法計(jì)算出跌落前后的電壓、電流幅值和相位角，然后根據(jù)這些量計(jì)算出保護(hù)電路補(bǔ)償電阻的大小.

〔1〕姚新陽，黃學(xué)良，王正齊，等.火電廠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)低電壓穿越解決方案[J].電氣傳動(dòng)，2016,46（10）：57-61.

〔2〕李妍，余欣梅，熊信艮，段獻(xiàn)忠.電力系統(tǒng)電壓暫降分析計(jì)算方法綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（14）：74-77.

〔3〕張彥凱，智勇，拜潤卿，等.火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越能力的研究[J].電氣傳動(dòng)，2014，44（11）：55-58.

〔4〕劉淳，張興，周宏林，等，含無刷DFIG的風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越極限控制能力分析 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016,40（17）：122-127.

〔5〕LIMA F K A,LUNA A,RODRIGUEZ P,et al. Rotor voltage dynamics in the doubly fed induction generator during grid faults [J].IEEE Trans on Power Electronics,2010,25(1):118-130.

〔6〕張艷霞，童銳，趙杰，等．雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)特性分析及低電壓穿越方案[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（6）：7-11．

〔7〕高明海，孫建軍，胡偉，查曉明.電網(wǎng)電壓不平衡條件下并網(wǎng)逆變器的動(dòng)態(tài)相量模型 [J].電測與儀表，2016,53（1）：106-111．

〔8〕鄒振宇．基于DSP的Kalman濾波器的算法研究[D]．成都:成都理工大學(xué)，2012．

TP273

A

1673-260X（2017）03-0025-03

2016-11-20

安徽建筑大學(xué)“校青年科研專項(xiàng)”基金資助（2012nyjy-校青年-19）