一种基于卡尔曼滤波器的低电压穿越控制策略

党兴华

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

一种基于卡尔曼滤波器的低电压穿越控制策略

党兴华

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

风电容量的日益提升使得电网对其低电压穿越能力的要求逐渐提高.本文提出了的低电压穿越控制的策略，通过对外网电压跌落的检测，计算出跌落前后的电压、电流幅值和相位角，根据这些量可以计算出保护电路补偿电阻的大小.本文对这一策略给出了检测电压跌落和电阻计算的具体方法和电路实现思路.

低电压穿越；电压跌落检测；卡尔曼滤波器

1 引言

风力发电容量持续增大使得其低电压穿越能力对整个电网的稳定性的影响至关重要.各类型风机的低电压穿越支持系统(CLSS)都是在对电压发生陡降快速识别的基础上的.本文在研究低电压穿越理论的基础上，建立新的电网电压跌落分析模型，运用一种新方法得出电网信号的状态方程和测量方程，从而找出一种应用于低电压穿越支持系统(CLSS)中的电压跌落点快速检测算法.

2 运用高速浮点DSP实现快速检测的控制策略概述

本策略通过运用高速浮点DSP实现快速检测.在正常状态时，风机的功率通过主开关并网输出，实施保护的负载电阻被主开关短路而不起作用.在检测到外网电压陡降时，主开关打开，负载电阻投入,为风力发电机提供一个功率消耗通道,支持风力发电机继续维持发电机状态运行.在外网的电压恢复后，主开关合上，风机的功率重新向电网输出.

在电网实际运行中，并网点故障出现和恢复的判断时间要求一般小于2ms，这就要求低电压穿越支持系统(CLSS)的必须建立在对电压陡降快速识别的基础上.本算法首先使用FPGA在故障发生前不停的采集电压和电流信号,并采用卡尔曼滤波器分离出干扰信号.得到连续的真实的电压信号，并把跌落前的60MS和跌落后的1.1MS的电压和电流数据快速传递到高速浮点DSP中.DSP计算出跌落前和跌落后的电压、电流幅值和相位角，按照既定的电阻投入方案,计算出要投入的电阻值.

3 电压跌落检测的算法

3.1 矢量卡尔曼滤波器

卡尔曼滤波器是用递归方式的滤波器,非常适合FPGA或是DSP.

3.1.1 系统的状态和测量方程如下:

式中:Xk:系统K时刻的n维状态向量；

A:系统n×n维状态转移矩阵；

Wk:n维系统过程噪声序列；

Zk:系统的m维观测序列；

H:m×n维观测矩阵；

Vk:m维观测噪声.

并且Wk，Vk满足如下的条件:

Q为系统过程噪声Wk的对称非负定方差矩阵，R为系统观测噪声Vk的正定方差阵，均为可知的.

另外：1)Wk和Vk不相关；

3)定义P为误差协方差.

3.1.2 递推过程

1)先给定初值X0和P0；

2)根据K时刻的观测值Zk，先计算卡尔曼增益:

3）计算预测值:

4）列出下一次计算的协方差矩阵:

3.2 使用卡尔曼滤波器的分离主频信号

电压波形的表达式:

其中Δt为采样间隔.

令u1=ucos(ωkΔt+a)，将超前u190度作为u2，则:u1=usin (ωkΔt+a)；

在复坐标下合成为:U=u1+ju2=uej(ωkΔt+a)；

其中un为谐波次数的幅值,N为高次谐波(最高为7次), an为第n次谐波相角.

所以，各次谐波在复坐标下合成:

由上述的条件,可产生状态方程和测量方程:

由上述的过程,可以计算得到U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7，从而可以计算出u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7,也就可以分离出我们需要的主频率信号.

3.3 跌落点的识别算法

电网信号通过滤波器去除白噪声后，分离出了主频的电压信号.下一步就需要对主频信号跌落点进行识别.

为了快速判断电压跌落,所采用识别算法需要用到过去一段时间内采得的电压值.

首先我们可以通过下图来具体分析本算法：

图1 电网电压跌落波形示意

控制器对每相电压至少要存储从当前时刻到过去的两倍周期T即2T（=40ms）的时间段内数据.之所以把两个周期的对应点引入计算，是为了消除频率的漂移造成的影响.假定在两个周期内频率发生漂移的方向不变，即连续变小或变大，则原本在一个周期的两端点本来是相等的采样值有了偏差，如果连续两个周期相同位置上的偏差值的大小基本相同，则上述的方法减小了频率漂移带来的影响.

其次，基于以上分析，可将具体的算法描述如下：

1)从当前时刻向前寻找得到n个数据点：Un-1,Un-2,Un-3,…U1；

4）然后进行运算得到电压突变量：

上述电压突变量的计算可得到电压跌落的位置.

4 投入电阻值的计算

为了计算系统应该投入的电阻值得大小,需要跌落前电流值I1以及跌落前电压U1和跌落后电压U2.

电压可采用单相dq变换的计算方法,计算出跌落前U1和跌落U2的电压.具体计算方法如下:

首先，由已知需要计算的电压Ua，延时60得到-Uc，然后可得到Ub（Ub=-Ua-Uc）；

其次，构建一个三相电压，经过dq变换，提取出直流分量；

再次，将直流分量经过dq反变换，计算出其中的基波分量从而计算出电压值；

最后，依据计算出电压值和跌落前电流值得出电阻值.

具体的计算方法过程如下:

最后，计算出投入的电阻值:R=(U1-U2)/I1.

5 小结

本文提出的一种低电压穿越控制的策略，通过对外网电压跌落的检测，使用卡尔曼滤波器滤除噪声信号，并设计一种算法计算出跌落前后的电压、电流幅值和相位角，然后根据这些量计算出保护电路补偿电阻的大小.

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TP273

A

1673-260X（2017）03-0025-03

2016-11-20

安徽建筑大学“校青年科研专项”基金资助（2012nyjy-校青年-19）