[发明专利]先进实时电网监控系统

说明书

技术领域

本发明涉及单相和三相网络的电功率系统中的实时电网变量监 控，即电压和电流监控。

电网电压和电流参数的监控和表征在大多数与功率系统有关的 电气设备中是至关重要的任务。本发明涉及使用新算法的先进实时电 网监控系统(RTGMS)，该新算法适于单相或多相网络尤其是三相网 络。本专利的RTGMS可用作复杂系统的实质部分，或聚焦于监控和 诊断功率系统，或致力于控制与电网交互作用的功率处理器。本发明 基于非常适于在畸变和失衡电网情况下对电网变量进行实时表征的 新算法。该新监控算法的有效性由其高稳定性、快速响应及低计算成 本证明。RTGMS在三相系统中检测电网电压的正序和负序分量时在 鲁棒性、精密度和速度方面展现卓越的性能，这使得其非常适合在电 网故障期间立即与电压序分量同步。前一特征使所提出的RTGMS可 理想地用于控制分布式发电系统(DGS)、灵活的AC传输系统 (FACTS)、功率质量调节器(PQC)及不间断电源(UPS)。在所有 这些系统中，电压和/或电流序分量的实时检测是至关重要的问题， 例如以实施电流和电压调节功能、达到国际电网代码中规定的故障承 受要求、及检测反孤岛保护系统中的瞬时电压和频率变化。

背景技术

电网监控系统提供的信息通常用于监控电网运行情况、诊断电网 故障特征、使功率变换器与电网同步、计算功率通量、将复杂系统的 状态变量转到同步参考系、及计算在普通电网情况下运行的功率变换 器的电流和电压基准。

不管监控系统中使用的技术如何，均必须以快速且准确的方式获 得所监控变量的振幅、频率和相位。另外，当监控系统用于多相网络 尤其是三相电网时，序分量也应被快速且精确地检测，即使效用电压 畸变和失衡也应如此。值得注意的是，实时监控系统应基于具有低计 算负担的简单算法，其可在每一采样周期中进行计算。

电网监控可通过对效用频率采用恒定不变及众所周知的值进行。 这种方法使计算简单，但在频率不同于其额定值时将引起检测误差。 在普遍使用分布式发电机的微型电网和效率低电网中，在故障情况下 工作是常有的事。最广泛的、用于实现对频率不敏感的电网监控的技 术是使用锁相环(PLL)。关于被认为是电网监控的最一般情况的三 相系统，基于使用某些类型的PLL的实时监控系统已在下述文献中 报导：

基于同步参考系(SRF-PLL)[1]的监控器在测量和控制系统中广 泛使用。然而，如文献[2]中所报导的，SRF-PLL在存在电压不平衡 时引起不可接受的有缺陷的结果。

基于解耦双同步参考系(DSRF-PLL)[3]的监控器能够在失衡电 网情况下估计基频时的正序和负序分量。然而，DSRF-PLL由于其显 著的计算成本而应实施在高性能数字信号处理器中。这种限制使其用 于检测多个谐波分量时变得复杂。

基于单相增强锁相环(EPLL)[4]的监控器借助于使用频率自适 应单相陷波滤波器[5]及基于a-b-c参考系的瞬时对称分量方法[6]实现 正序和负序分量的隔离。基于EPLL的GMS可在失衡电网情况下应 用，但由于实施三相应用需要四个单相EPLL，其响应较慢且其计算 负担非常高。此外，其单相起源使GMS对电网电压中的零序分量的 影响很敏感。

基于双二阶广义积分器(DSOGI-PLL)[7]的监控器也能够在失 衡电网情况下估计正序和负序分量，且其计算成本小于在前的方法。

所有先前提出的电网监控技术均来自常规单相PLL技术的演变， 且为使这些技术在普通失衡和畸变电网情况下在检测三相系统中的 零序分量时足够坚固已应用许多不同的方法。因此，所有这些技术具 有共同的特征，即监控算法基于将要检测的变量的相角的检测。

WO 02/091578涉及锁相环(PLL)系统的新结构。与常规PLL 一样，该发明由相位检测、环路滤波器及电压受控的振荡器单元组成。 提出了受自适应滤波及动态系统理论概念启发的备选相位检测结构， 该结构实质上在稳定性和动态性能方面增强了环路的性能。所提出的 相位检测方案消除了对复杂的环路滤波器的需要，从而使得一阶滤波 器足以满足大多数应用。除了PLL的正常功能之外，该系统还直接 产生输入信号的振幅、相位和频率的估计值。该特征将系统的应用范 围延伸到不同电气规程中的众所周知的PLL应用之外。