1、基于改进型二阶广义积分器的同步信号检测任旭虎，李德文，苏建楠，孙晓（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东青岛 266580）摘要：为了满足三相电压在不对称、直流分量及谐波畸变等情况下并网变换器的控制需求，需要准确地检测出电压信号的正序分量、幅值和基波频率。基于双二阶广义积分器锁频环的方法可实现电压在不对称和畸变下同步信号的提取。但当电压信号含有直流分量和多次谐波时，基本的 SOGI 结构滤波效果不理想，追踪的波形波动比较大，并降低了追踪速度。文中介绍一种改进的 SOGI 结构，该结构在 SOGI 的基础上增加求差节点和自适应滤波器，并保留 SOGI-FLL 的优势。电压的幅值和基波频率
2、能准确快速被检测出来，很好的减小频率跳变后的波动、滤除谐波和消除直流分量。MATLAB 仿真结果表明，其改进方法在电压信号不对称、直流分量及多次谐波存在条件下准确地检测出正序分量和基波频率。关键词：同步信号；正序分量；基波频率；二阶广义积分器；锁频环（FLL）中图分类号: TM71 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2018）05-0000-00Synchronous signal detection based on improved second-order generalized integratorRen Xuhu, Li Dewen, Su Jiannan, Sun Xi
3、ao(College of Information and Control Engineering ,ChinaEngineering, China University of Petroleum,QingdaoPetroleum, Qingdao 266580,Shandong,China, Shandong, China)Abstract: In order to meet the control requirements of the grid connected converter under the condition of three-phase voltage asymmetry
4、, DC component and harmonic distortion. , the positive sequence component，, amplitude and fundamental frequency of the voltage signal should be detected accurately. The method based on dual second second-order generalized integrator FLL can extract synchronous signal under the voltage asymmetry and
5、distortion. However,whenHowever, when the voltage signal contains DC component and multiple harmonics,theharmonics, the filtering effect of basic SOGI structure is not ideal,theideal, the waveform tracking is relatively large,andlarge, and the tracking speed is reduced. In this paper,improvedpaper,
6、the improved SOGI structure is proposed,whichproposed, which increase increases the differential node and the adaptive filter based on SOGI, and retain retains the advantages of SOGI-FLL. The amplitude and frequency of the voltage can be detected accurately and quickly,whilequickly, while it can wel
7、l reduce frequency hopping fluctuation,harmonicfluctuation, harmonic filter and eliminate the DC component. MATLAB simulation results show that the improved method can accurately detect the positive sequence component and frequency of the fundamental wave under the condition of voltage signal asymme
8、try, DC component and multiple harmonics.Keywords：: synchronizing signal,fundamentalsignal, frequency,positivepositive sequence components,secondcomponents, fundamental frequency, second-order generalized integrator,frequencyintegrator, frequency locked loop0 引 言电压信号正负序分量提取是并网研究中应用比较广泛的技术 1。实现三相电压正负
9、序分量提取比较常用的方法是锁相环（Phase Locked Loop, PLL）技术 2-3。三相电压在不对称、谐波存在以及频率跳变情况下，锁相环技术可以准确地检测出电压信号的正负序分量、相位等信息，实现频率的自适应性和实施的方便性的优势。目前研究者针对电压信号正负序分量、基波频率等信息的提取提出了多种方法。基于解耦双同步旋转坐标系锁相环 4（Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL,DDSRF-PLL）的方法，该方法将三相电压经过双 dq 坐标转换对正负序分量进行检测，通过解耦网络，可以在电压不对称时准确分离出电压信号的正负序分量，但结
10、构比较复杂、运算量比较大、实时性差。基于延时信号对消 5（Delayed Signal Cancellation,DSC）的方法，该方法利用延时信号消除电压不对称、谐波存在等原因造成的 2 倍频波动，从而抑制不对称等情况下的影响，但所需的缓存数据较大、运算量比较大，不利于实时实现。基于双二阶广义积分器锁相环 6（Dual Second Order Generalized Integrator PLL,DSOGI-PLL）的锁相方法。该方法利用 SOGI 的输出正交的特性可得到电压在 坐标系下的基波分量及其正交分量，再通过对称分量运算模块计算得到基波正负序分量，但是多次谐波和直流偏移量的存在对
11、SOGI 的性能影响比较大，使追踪的波形波动比较大。基于自适应陷波滤波器 7（adaptive notch filter, ANF）的锁相方法，该方法利用 ANF 输出的正交信号消除 SRF-PLL 在电压不平衡下引起的 2 倍频波动；通过 ANF 的正交输出特性可以检测出电压信号的正负序分量和基波频率；该方法结构比较简单，与 SOGI 相似，但直流偏移量对其影响比较大，导致追踪到的波形波动比较大。本文对 SOGI-QSG 结构进行改进优化，通过在 SOGI 上增加求差节点和自适应滤波器，提出一种基于改进型 SOGI 的电压信号检测方法。该方法继承了 SOGI-FLL 的优势，并提高了电压信号
12、在畸变条件下的系统性能。与 DSOGI-FLL 算法相比，该算法能够减小波形的波动，很好的滤除谐波和抑制直流分量，快速准确的提取出电压的幅值和频率。仿真结果验证了其改进方法的系统性能。1 SOGI-FLL1.1 二阶广义积分器广义积分器(Generalized Integrator,GI)8源于正弦函数本身的时域卷积产生的时间变量乘以原来函数的原则。针对单一正弦输入信号的简化模块可以用传递函数 来描述。作为比例谐2/()s振控制器的基础，同时它也被应用到自适应性的滤波器和锁相环中。自适应滤波器结构基于 GI 结构，命名为 SOGI9。该滤波器的结构如图 1 所示。kvvq vS O G I图
13、1 基于 GI 的自适应滤波器的结构图Fig. 1 The sStructure diagram of adaptive filter based on GISOGI 的传递函数为：（1）2()()vsGIk式中 是作为谐振频率区别于输入信号的频率 。其相互正交的两个输出信号 与 ，可vq以用下式的传递函数表示：（2）2()vksDs（3）2()qQs所表示的是一个带通滤波器的结构，其()s频带宽只受增益系数 的约束； 所表示的是k()Qs一个低通滤波器的结构，其稳态增益也只受增益系数 的约束；两个结构均与谐振频率 无关。k此外，由（2）式和（3）式可以看出，输出信号和 的相位差是 ，因此总是
14、相互正交。qvo901.2 锁频环结构FLL10作为适应 SOGI-QSG 中心频率的有效机制。因此 SOGI-FLL 结构包括 SOGI 和锁频环，如图 2 所示。 vkvvq vS O G I0F L L图 2 SOGI-FLL 的结构框图 Fig. 2 Block diagram of SOGI-FLL SOGI-FLL 结构里面的锁频环根据误差信号和输出 来识别电压信号频率信息。 的传vqv递函数计算得到：（4）22()vvsGsk图 3 是 SOGI-FLL 里面的 和 的 Bode 图。vq很明显如果输入频率小于中心频率（ ）则信号同相，如果输入频率大于中心频率（ ）则反相。从这些
15、特点，频率控制器也简单地构造为一阶系统 10：（5）()上式 表示为控制器增益，是输入电压信号幅值和频率的函数。控制器时间响应可以通过改变带宽和简单设置 值来调整 10-11。图 3 SOGI 里面 和 的波特图vqFig. 3 Bode plot of and in the SOGI.2 DSOGI-FLL2.1 不对称电压正负序分量分解三个不平衡的正弦波组成的电压矢量 通abcv过下面的变换可分为瞬时的正序、负序和零序分量，即 。0abcabcvv2+abcabc21 3 abcTvv（6）-2a aabcbc b2- c1 3 vvTv（7）0aa0abcbc b0c1 3 vvTv（8
16、）式中 代表Fortescue移相算子，应用j2/3e于瞬时输入信号。在不平衡情况下，对称分量产生一组三相平衡电压信号和具有相同幅值和相位的 移相信号的正负序分量。o10通过Clarke变换将电压矢量从abc到 静止参考帧。通过 参考帧瞬时电压的正负分量计算如下：（9）ababc=1 2cTvvqv（10）-abcabc 12Tvvqv式中 ， 是一个 滞后的移相计算，-j/2eqo90将其应用在时域，可得到输入信号的正交分量。2. 2 DSOGI-FLL 结构DSOGI-FLL 的结构由 SOGI、正负序分量计算模块 12（positive/negative sequence calcula
17、tor，PNSC）和锁频环组成，如图 4 所示。该结构可以通过两个 SOGI 对输入信号进行滤波处理，输出的正交信号经过 PNSC 模块得到基波的正负序分量，再由锁频环实现基波相位和频率的准确检测。TvP N S C1/2vqD S O G I S O G IS O G I eF L L/1/2c vvabc图 4 DSOGI-FLL 的结构框图Fig.4 Block diagram of DSOGI-FLL3 改进的 DSOGIDSOGI-FLL13算法有很好的静动态性能，当电压信号不对称和少量谐波时，可以很好的消除谐波影响，准确快速的检测电压的基波信息；但当电压信号含有多次谐波和直流分量时
18、，DSOGI-FLL 提取电压基波信息将受到直流分量和多次谐波的影响。因此，对 SOGI 的结构进行改进优化，消除多次谐波和直流分量的影响，以确保准确快速的提取到同步信号。3.1 改进的二阶广义积分器改进的二阶广义积分器（Improved SOGI， ISOGI）是由基本的 SOGI、自适应滤波器和求差节点组合而成，该结构如图 5。输入信号经过前面的自适应滤波器可以消除多次谐波得inv到纯净信号 ， 通过增加求差节点的 SOGI 转换1v得到两个相互正交的信号 和 ，这些信号会qv通过自适应环反馈给 和 。1vqv vkskAdaptive FilterSOGI+Differential no
19、dev图 5 改进的二阶广义积分器结构图Fig. 5 The structure Structure diagram of the Improved improved SOGI和输入 、输出 和 之间1()Vsin()s()VsQ的关系可以直接通过配置得到。通过计算得到 2/s（11）1in2ini2()()(/ 2)(VkGssksVs从上式中得到输出 、其正交信号和信号 的关系，根据输入 的传()QVin()in()s递函数经过计算处理，输出传递函数 、其正交信号传递函数 可以表示为： s 323in ()()sVs skvGs k（12） 2 323in()()sQVsssqsvk（13
20、）在结构上很明显的可以看出改进的 SOGI 与传统的 SOGI 相比，其在前面增加了一个自适应滤波器，这样可以更好的滤除多次谐波；同时又通过增加求差节点，来抑制电压信号的直流偏移量。因此在电压不对称、直流分量和多谐波条件下其改进结构的性能更好。图 6 改进的二阶广义积分器里面的 和 的波vq特图Fig. 6 Bode plot of and in the ISOGI vconfiguration.图 6 中给出两个传递函数的 Bode 图，很容易看出输出 为低通滤波器的结构，而 为()QVs()Vs带通滤波器的结构。该系统只支持中心频率 ，并阻止所有高频谐波分量。两个输出信号之间的相位差是 。
21、这意味着两个输出信号在稳定状o270态下是正交的。在上述分析的基础上，提出的改进 SOGI 算法中可以从失真的输入电压信号中得到纯净的正弦/余弦输出（ 和 ） ，再经过改进优化后的()vtqtSOGI 输出两个互相正交的信号，并通过计算检测出电压信号的正序分量。频率控制器检测电压基波信号的相位和频率，并支持信息反馈给优化的SOGI。3.2 DISOGI-FLLDISOGI-FLL 的结构由 ISOGI、正负序分量计算模块（positive-negative sequence calculator，PNSC）和锁频环组成，如图 7 所示。这种配置的构建几乎和 DSOGI-FLL 一样，但在电压不
22、对称、多次谐波条件下有更好的性能。 TvP N S C1/2vqD I S O G I I m p r o v e dS O G II m p r o v e dS O G I F L L/1/2c vvabc图 7 提出的双优化的 SOGI-FLL 系统框图Fig. 7 Block diagram of proposed Dual dual ISOGI-FLL system.三相电压 首先经过 Clarke 变换转化为abcv和 。这些信号经过 DISOGI-FLL，利用vISOGI 来消除谐波和抑制直流分量，产生两组正交的信号。如前面讨论，DISOGI 的误差 和f被用于频率检测，再由 P
23、NSC 模块确定电压f的正负序分量，再通过计算得到电压的幅值和基波频率。4 仿真结果为了验证本文提出的改进SOGI的系统性能的准确性和有效性。针对三相电压信号在不对称、直流分量影响和多次谐波存在的情况下，进行仿真结果的检验。4.1 电压信号在不对称条件下为了更好的验证DISOGI-FLL算法在电压不对称情况下的性能优势，在t=0.5 s时，电压信号发生三相不对称故障，即A、B、C 三相电压分别跌落10%、20%和40%；t=0.6 s时，频率由50 Hz跳变到60 Hz，图8是电压信号不对称条件下 DSOGI-FLL和DISOGI-FLL 的性能对比仿真结果。可见，改进后的SOGI 算法可更好
24、的实现快速准确的实现电压信号幅值、基波频率的跟踪和提取。（a ）三相电压信号（b）正序分量幅值（c ）基波频率图 8 电压信号不对称下的仿真波形Fig.8 Simulation waveform of voltage signal asymmetry 4.2 电压信号在直流分量条件下为了更好的验证 DISOGI-FLL 算法在电压信号含有直流分量时的性能优势，在 t=0.5 s 时，电压信号的基波频率从 50 Hz 跳变为 60 Hz，同时含有 10 V 的直流偏移量。图 9 是 DSOGI-FLL 算法与 DISOGI-FLL 算法在电压信号含有直流分量时的性能对比仿真结果。可以看出，其改进
25、算法可以更好的抑制直流分量，准确快速的跟踪到电压的幅值和基波频率。（a ）三相电压信号（b）正序分量幅值（c ）基波频率图 9 电压信号在多次谐波下的仿真波形Fig.9 Simulation waveform of voltage signal in multiple harmonics4.3 电压信号在多次谐波条件下为了更好的验证 DISOGI-FLL 算法在电压信号含有多次谐波时的性能优势，在 t=0.5 s 时，电压信号频率由 50 Hz 跳变为 60 Hz，同时叠加幅值为 10 V 的三次谐波、5 V 的五次谐波、5 V 的七次谐波以及 2.5 V 的九次谐波。图 10 是 DSOGI
26、-FLL 与 DISOGI-FLL 电压信号含有多次谐波时性能对比仿真结果。可以看出，其改进算法可以更好的滤除谐波，准确的跟踪到电压的基波频率。（a ）三相电压信号（b） 电压信号（c ）基波频率图 10 电压信号在多次谐波下的仿真波形Fig.10 Simulation waveform of voltage signal in multiple harmonics5 结束语本文提出一种改进型的 SOGI 结构。该结构在传统的 SOGI 的增加了求差节点和自适应滤波器，作为一个三阶系统，能够很好的消除高频谐波。改进的 SOGI-FLL 方法保留了传统的 SOGI-FLL 的所有优势，与传统 S
27、OGI-FLL 相比，电压信号在不对称、直流分量和多次谐波的影响下，能够更快、更稳定地测量出电压幅值和基波频率，并且能够很好的滤除多次谐波和减小波形的波动。仿真结果证明，改进的 SOGI-FLL 有更好的性能，同时有良好的抗电网畸变能力和静、动态性能。参 考 文 献1 Shi L, Crow M L. Adaptive quadrant filter based phase locked loop systemC. North American Power Symposium(NAPS). Arlington, TX, 2010 2 庞浩, 俎云霄, 王赞基 .一种新型的全数字锁相环J. 中国
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36、 Park Y, Sul S K, Kim W C, et al. Phase-Locked Loop Based on anObserver for Grid SynchronizationJ. IEEE Transactions on IndustryApplications, 2014, 50(2): 1256-1265.作者简介：任旭虎（1973-） ，男，副教授，博士，主要研究方向：油气田生产过程的智能测控技术、智能信息处理，E-mail:; 李德文（1990） ，男，硕士研究生，从事信号检测与处理研究。Email：苏建楠（1991） ，男，硕士研究生，从事智能信息处理研究。Email：孙晓（1992） ，男，硕士研究生，从事智能信息处理研究。Email：收稿日期:2017-04-12; 修回日期: 2017-08-16 (王克祥 编发)
