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，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，安徽 合肥 230601）

風電容量的日益提升使得電網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，通過對外網電壓跌落的檢測，計算出跌落前后的電壓、電流幅值和相位角，根據這些量可以計算出保護電路補償電阻的大小.本文對這一策略給出了檢測電壓跌落和電阻計算的具體方法和電路實現思路.

低電壓穿越；電壓跌落檢測；卡爾曼濾波器

1 引言

風力發(fā)電容量持續(xù)增大使得其低電壓穿越能力對整個電網的穩(wěn)定性的影響至關重要.各類型風機的低電壓穿越支持系統(tǒng)(CLSS)都是在對電壓發(fā)生陡降快速識別的基礎上的.本文在研究低電壓穿越理論的基礎上，建立新的電網電壓跌落分析模型，運用一種新方法得出電網信號的狀態(tài)方程和測量方程，從而找出一種應用于低電壓穿越支持系統(tǒng)(CLSS)中的電壓跌落點快速檢測算法.

2 運用高速浮點DSP實現快速檢測的控制策略概述

本策略通過運用高速浮點DSP實現快速檢測.在正常狀態(tài)時，風機的功率通過主開關并網輸出，實施保護的負載電阻被主開關短路而不起作用.在檢測到外網電壓陡降時，主開關打開，負載電阻投入,為風力發(fā)電機提供一個功率消耗通道,支持風力發(fā)電機繼續(xù)維持發(fā)電機狀態(tài)運行.在外網的電壓恢復后，主開關合上，風機的功率重新向電網輸出.

在電網實際運行中，并網點故障出現和恢復的判斷時間要求一般小于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別的基礎上.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,并采用卡爾曼濾波器分離出干擾信號.得到連續(xù)的真實的電壓信號，并把跌落前的60MS和跌落后的1.1MS的電壓和電流數據快速傳遞到高速浮點DSP中.DSP計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時刻的n維狀態(tài)向量；

A:系統(tǒng)n×n維狀態(tài)轉移矩陣；

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；

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K時刻的觀測值Zk，先計算卡爾曼增益:

3）計算預測值:

4）列出下一次計算的協(xié)方差矩陣:

3.2 使用卡爾曼濾波器的分離主頻信號

電壓波形的表達式:

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)；

在復坐標下合成為:U=u1+ju2=uej(ωkΔt+a)；

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

所以，各次諧波在復坐標下合成:

由上述的條件,可產生狀態(tài)方程和測量方程:

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

3.3 跌落點的識別算法

電網信號通過濾波器去除白噪聲后，分離出了主頻的電壓信號.下一步就需要對主頻信號跌落點進行識別.

為了快速判斷電壓跌落,所采用識別算法需要用到過去一段時間內采得的電壓值.

首先我們可以通過下圖來具體分析本算法：

圖1 電網電壓跌落波形示意

控制器對每相電壓至少要存儲從當前時刻到過去的兩倍周期T即2T（=40ms）的時間段內數據.之所以把兩個周期的對應點引入計算，是為了消除頻率的漂移造成的影響.假定在兩個周期內頻率發(fā)生漂移的方向不變，即連續(xù)變小或變大，則原本在一個周期的兩端點本來是相等的采樣值有了偏差，如果連續(xù)兩個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)從當前時刻向前尋找得到n個數據點：Un-1,Un-2,Un-3,…U1；

4）然后進行運算得到電壓突變量：

上述電壓突變量的計算可得到電壓跌落的位置.

4 投入電阻值的計算

為了計算系統(tǒng)應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變換的計算方法,計算出跌落前U1和跌落U2的電壓.具體計算方法如下:

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

其次，構建一個三相電壓，經過dq變換，提取出直流分量；

再次，將直流分量經過dq反變換，計算出其中的基波分量從而計算出電壓值；

最后，依據計算出電壓值和跌落前電流值得出電阻值.

具體的計算方法過程如下:

最后，計算出投入的電阻值:R=(U1-U2)/I1.

5 小結

本文提出的一種低電壓穿越控制的策略，通過對外網電壓跌落的檢測，使用卡爾曼濾波器濾除噪聲信號，并設計一種算法計算出跌落前后的電壓、電流幅值和相位角，然后根據這些量計算出保護電路補償電阻的大小.

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TP273

A

1673-260X（2017）03-0025-03

2016-11-20

安徽建筑大學“校青年科研專項”基金資助（2012nyjy-校青年-19）