CN102820884A - 基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法 - Google Patents

基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法 Download PDF

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许富强
吴春华
黄建明
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Abstract

本发明公开一种基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法，包括以下步骤：在微控制器为核心的控制电路中，利用虚拟信号生成环节构造一组以单相电压信号为基准的正交信号、；对该虚拟信号生成环节输出的正交信号、进行以积分环节输出的相位为旋转角的Park变换；对Park变换输出的轴分量进行PI调节；利用频率校正环节对PI调节环节的输出进行频率校正；利用积分环节对频率进行积分，积分输出即单相电压信号的估算基波相位；然后，将基波相位信号通过数模转换电路转换成模拟信号输出。本发明的单相锁相环，即使在电网频率改变和电压畸变情况下依然能准确迅速的锁定相位，且方法简单、易于实现。

Description

基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法
技术领域
    本发明涉及一种新能源并网发电系统中单相锁相环的控制方法，尤其涉及一种基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法。
背景技术
    全球面临化石能源日益紧张，气候变暖的严峻形势，世界各国比以往任何时候都渴求可持续绿色替代能源，因此光伏发电、风力发电等新能源发电系统得到了长足发展。在并网发电系统中，需要实时检测电网的相位和频率以控制并网器，使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。同步锁相是并网系统一项关键的技术，其控制精确度直接影响到系统的并网运行性能。
    目前，对基于同步坐标系的单相锁相环的研究大多借鉴三相锁相环中的闭环结构，这种锁相环需要两个互相垂直（正交）的输入信号。但是，对于单相系统只有一个输入信号                                                
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE001
，需要另外构造一个虚拟的输入信号。通常采用的方法为：查正余弦表(或者延时的方法)，基于反park变换实现90。相移构造虚拟信号。其中，采用查正余弦表(或者延时的方法)容易实现，但是对输入信号只是静态的延迟，在输入信号频率改变的情况下难以准确实现90。相移，另外对输入信号的滤波不足，对锁相环的精度影响比较大；基于park反变换构造虚拟信号，采用该方法构成的是一个非线性系统，对于其中滤波器的设计比较困难。此外，还有基于FIR滤波器线性相移构造虚拟信号，但是该方法运算量增大，对控制器要求较高，同时易受输入信号频率变化的影响，降低锁相环的精度。
发明内容
    本发明目的为解决上述的技术问题，提供一种基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法，其特征在于控制步骤如下：
步骤1：在微控制器为核心的控制电路中，利用虚拟信号生成环节构造一组以单相电压信号
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE003
为基准的正交信号
Figure 151347DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE005
。
步骤2：对该虚拟信号生成环节输出的正交信号
Figure 309094DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 63423DEST_PATH_IMAGE005
进行以积分环节输出的相位
Figure 800435DEST_PATH_IMAGE006
为旋转角的Park变换。
步骤3：对Park变换输出的
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE007
轴分量进行PI调节。
步骤4：利用频率校正环节对PI调节环节的输出进行频率校正，即将PI调节环节的输出加上初始基准频率
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE009
，得到校正后的频率
Figure 629031DEST_PATH_IMAGE010
。
步骤5：利用积分环节对频率
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE011
进行积分，积分输出即单相电压信号
Figure 480443DEST_PATH_IMAGE003
的估算基波相位
Figure 21146DEST_PATH_IMAGE006
。
步骤6：将基波相位
Figure 539983DEST_PATH_IMAGE006
信号通过数模转换电路转换成模拟信号输出。
在步骤1中，虚拟信号生成环节实际上是一种基于二阶积分器的滤波算法，其中二阶积分器对应传递函数
Figure 875149DEST_PATH_IMAGE012
为：
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE013
虚拟信号生成环节输出的正交信号
Figure 604071DEST_PATH_IMAGE004
，相对单相电压信号的等效传递函数
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 562297DEST_PATH_IMAGE016
的表达式分别为：
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE017
Figure 653881DEST_PATH_IMAGE018
其中为谐振频率，
Figure 411752DEST_PATH_IMAGE020
为虚拟信号生成环节带宽系数。
考虑到正常电网频率在49.42～50.42Hz之间变化，以及对谐波的抑制效果，这里取
Figure 764236DEST_PATH_IMAGE019
为
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 706784DEST_PATH_IMAGE022
为0.8。
在步骤2中，Park变换是一种两相静止坐标系到两相旋转坐标系的数学变换，变换公式如下：
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE025
分别为静止
Figure 316068DEST_PATH_IMAGE026
坐标系，
Figure 788638DEST_PATH_IMAGE028
轴上的分量；，
Figure 511875DEST_PATH_IMAGE030
分别为旋转
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE031
坐标系，
Figure 661413DEST_PATH_IMAGE007
轴上的分量；
Figure 201210031658X100002DEST_PATH_IMAGE033
为Park变换的旋转角，即
Figure 863856DEST_PATH_IMAGE032
轴与
Figure 148206DEST_PATH_IMAGE007
轴的夹角。
将得到正交信号
Figure 436099DEST_PATH_IMAGE034
、以及积分环节的输出
Figure 198519DEST_PATH_IMAGE006
代入上述公式得到Park变换
Figure 380102DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 710720DEST_PATH_IMAGE007
轴的输出分量，
Figure 176653DEST_PATH_IMAGE008
，如下式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
    与现有技术相比，本发明的有意效果是，在电网频率改变和电网电压畸变情况下准确迅速的锁定相位，而且方法简单、易于硬件和软件实现。
附图说明
    图1是本发明的硬件实现电路示意图。
图2是本发明的基于二阶积分器的单相电网锁相环的控制系统原理图。
    图3是本发明的虚拟信号生成环节的算法原理图。
    图4是本发明的虚拟信号生成环节的幅频特性和相频特性图。
    图5是本发明的Park变换示意图。
    图6是本发明基于二阶积分器的单相电网锁相环的控制方法在微控制器为核心的控制电路中执行的步骤图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
如图1所示，本实施例基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法采用的硬件电路由电压信号采集电路1、以微控制器为核心的控制电路2和数模转换电路3三部分组成。电压信号采集电路1采样单相电压信号
Figure 88109DEST_PATH_IMAGE003
并将其输入到以微控制器为核心的控制电路2，再由以微控制器为核心的控制电路2按照本方法计算单相电压信号
Figure 714262DEST_PATH_IMAGE003
的基波相位
Figure 101381DEST_PATH_IMAGE006
，最后，将基波相位信号通过数模转换电路3转换成模拟信号输出。
如图2所示，本实施例基于二阶积分器的单相电网锁相环的控制方法的控制系统由虚拟信号生成环节4、Park变换环节5、PI调节环节6、频率校正环节7以及积分环节8构成。
基于二阶积分器的单相电网锁相环的控制方法在微控制器为核心的控制电路中执行的步骤，如图6所示：
步骤1：利用虚拟信号生成环节构造一组以单相电压信号
Figure 237144DEST_PATH_IMAGE038
为基准的正交信号
Figure DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 34199DEST_PATH_IMAGE040
。
步骤2：对虚拟信号生成环节输出的正交信号
Figure 518401DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure DEST_PATH_IMAGE041
进行以积分环节输出的反馈相位
Figure 691894DEST_PATH_IMAGE006
为旋转角的Park变换。
步骤3：对Park变换输出的
Figure 702575DEST_PATH_IMAGE007
轴分量
Figure 545897DEST_PATH_IMAGE008
进行PI调节。
步骤4：利用频率校正环节对PI调节环节的输出进行频率校正，即将PI调节环节的输出加上初始基准频率
Figure 642029DEST_PATH_IMAGE009
，得到校正后的频率
Figure 88054DEST_PATH_IMAGE010
。
步骤5：利用积分环节对频率进行积分，积分输出即单相电压信号
Figure 233045DEST_PATH_IMAGE042
的估算基波相位
Figure 816473DEST_PATH_IMAGE006
。
步骤6：将基波相位
Figure 66188DEST_PATH_IMAGE006
信号通过数模转换电路转换成模拟信号输出。
在步骤1中，虚拟信号生成环节的算法原理图，如图3所示。虚拟信号生成环节是基于二阶积分器（图3中虚框）构成的一个闭环控制系统，其中二阶积分器对应传递函数
Figure 926828DEST_PATH_IMAGE012
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
虚拟信号生成环节的输出信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
分别相对单相电压信号
Figure 182677DEST_PATH_IMAGE003
等效传递函数
Figure 236084DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 75864DEST_PATH_IMAGE016
的表达式为：
Figure 431890DEST_PATH_IMAGE017
Figure 724331DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 581429DEST_PATH_IMAGE019
为谐振频率，
Figure 151081DEST_PATH_IMAGE046
为虚拟信号生成环节带宽系数。
考虑到正常电网频率在49.42～50.42Hz 之间变化，以及对谐波的抑制效果，这里取
Figure 802642DEST_PATH_IMAGE019
为
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 847959DEST_PATH_IMAGE048
为0.8。
Figure 118534DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 542694DEST_PATH_IMAGE016
的幅频特性和相频特性，如图4所示。从幅频特性可以看出，
Figure 630735DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 897769DEST_PATH_IMAGE016
在谐振频率处幅值增益为0dB，对于谐波信号的幅值衰减幅度很大，减小谐波信号对锁相环的干扰。相频特性表明，
Figure 375334DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 634277DEST_PATH_IMAGE016
在谐振频率
Figure 998394DEST_PATH_IMAGE019
处相移角度为超前
Figure DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 985DEST_PATH_IMAGE050
，从而可以构造一组正交信号。
当单相电压信号
Figure 524370DEST_PATH_IMAGE003
的基波分量幅值为
Figure DEST_PATH_IMAGE051
、初始相位为
Figure 564001DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure DEST_PATH_IMAGE053
次谐波分量幅值为
Figure 805627DEST_PATH_IMAGE054
、初始相位为
Figure DEST_PATH_IMAGE055
；则单相电压信号可表示为：
由于虚拟信号生成环节能够较好衰减单相电压信号中谐波分量，因此单相电压信号
Figure 539042DEST_PATH_IMAGE003
中谐波分量对虚拟信号生成环节输出结果影响不大，则以此单相电压信号
Figure 883435DEST_PATH_IMAGE003
为基准可以得到对应的正交信号
Figure DEST_PATH_IMAGE057
、为：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
在步骤2中，Park变换是一种两相静止坐标系到两相旋转坐标系的数学变换，变换公式为：
Figure 762847DEST_PATH_IMAGE060
其中
Figure 979065DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
分别为静止
Figure 736936DEST_PATH_IMAGE026
坐标系
Figure 89420DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 766389DEST_PATH_IMAGE028
轴上的分量；
Figure 79690DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
分别为旋转坐标系
Figure 972876DEST_PATH_IMAGE032
，轴上的分量；
Figure 863485DEST_PATH_IMAGE033
为Park变换的旋转角，即
Figure 87793DEST_PATH_IMAGE032
轴与
Figure 414869DEST_PATH_IMAGE007
轴的夹角。
记步骤1中虚拟信号生成环节正交信号、合成矢量为
Figure 721534DEST_PATH_IMAGE066
，则记矢量
Figure 749533DEST_PATH_IMAGE066
在旋转位置角为
Figure 806482DEST_PATH_IMAGE006
（
Figure 261734DEST_PATH_IMAGE006
为积分环节输出相位）的
Figure 161557DEST_PATH_IMAGE031
坐标系上
Figure 727667DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 639123DEST_PATH_IMAGE007
轴的分量分别为、
Figure 265276DEST_PATH_IMAGE068
，如图5所示。因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure 262182DEST_PATH_IMAGE070
与、
Figure 631984DEST_PATH_IMAGE072
的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
当积分环节输出的相位与单相电压信号相位一致时，即
Figure 663525DEST_PATH_IMAGE074
，为
Figure DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure 944781DEST_PATH_IMAGE076
为0；
当积分环节输出的相位与单相电压信号相位的差恒定时，为一直流量，包含相位差的信息。当两者的相位差在较小的范围变化时，则有：
Figure 852695DEST_PATH_IMAGE078
因此，可以将虚拟信号生成环节输出的正交信号
Figure DEST_PATH_IMAGE079
、
Figure 738742DEST_PATH_IMAGE041
进行以积分环节输出的相位
Figure 706698DEST_PATH_IMAGE006
为旋转角的Park变换，再将Park变换输出的
Figure 678196DEST_PATH_IMAGE007
轴分量依次通过PI调节环节和频率校正环节来调节积分环节输出的相位
Figure 389800DEST_PATH_IMAGE006
，实现Park变换
Figure 520567DEST_PATH_IMAGE007
轴输出为零的闭环控制，使得积分环节输出的相位与单相电压信号的基波相位一致。
    以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：
步骤1：在微控制器为核心的控制电路中，利用虚拟信号生成环节构造一组以单相电压信号                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
为基准的正交信号
Figure 598422DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤2：对该虚拟信号生成环节输出的正交信号
Figure 420885DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 563284DEST_PATH_IMAGE003
进行以积分环节输出的相位
Figure 762185DEST_PATH_IMAGE004
为旋转角的Park变换；
步骤3：对Park变换输出的
Figure DEST_PATH_IMAGE005
轴分量
Figure 431063DEST_PATH_IMAGE006
进行PI调节；
步骤4：利用频率校正环节对PI调节环节的输出进行频率校正，即将PI调节环节的输出加上初始基准频率
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，得到校正后的频率；
步骤5：利用积分环节对频率
Figure DEST_PATH_IMAGE009
进行积分，积分输出即单相电压信号
Figure 929489DEST_PATH_IMAGE010
的估算基波相位
Figure 932080DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤6：将基波相位
Figure 455465DEST_PATH_IMAGE004
信号通过数模转换电路转换成模拟信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法，其特征在于所述步骤1中的虚拟信号生成环节是一种基于二阶积分器的滤波算法，其中二阶积分器对应传递函数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为：
虚拟信号生成环节输出的正交信号
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，相对单相电压信号
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的等效传递函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的表达式分别为：
Figure 530683DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中为谐振频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为虚拟信号生成环节带宽系数；
考虑到正常电网频率在49.42～50.42Hz之间变化，以及对谐波的抑制效果，取为
Figure 464067DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 696465DEST_PATH_IMAGE021
为0.8。
3.根据权利要求1所述的基于二阶积分器的单相锁相环的控制方法，其特征在于所述步骤2中的Park变换是一种两相静止坐标系到两相旋转坐标系的数学变换，变换公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
分别为静止
Figure 294117DEST_PATH_IMAGE026
坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 176622DEST_PATH_IMAGE028
轴上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，分别为旋转坐标系
Figure 222386DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 660321DEST_PATH_IMAGE005
轴上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为Park变换的旋转角，即
Figure 346517DEST_PATH_IMAGE032
轴与
Figure 428874DEST_PATH_IMAGE005
轴的夹角；
将得到正交信号
Figure 542323DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 467554DEST_PATH_IMAGE034
以及积分环节的输出
Figure 691862DEST_PATH_IMAGE004
代入上述公式得到Park变换
Figure 894304DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 913076DEST_PATH_IMAGE005
轴的输出分量
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 200969DEST_PATH_IMAGE006
，如下式所示：
Figure 228968DEST_PATH_IMAGE036
。
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