CN102868163B - 一种自适应并网变流器三相软锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应并网变流器三相软锁相环，包括一个自适应滑动平均滤波器和低通滤波器，自适应滑动平均滤波器串联在鉴相器和PID控制器之间。所述自适应滑动平均滤波器滤除基波整数倍的波动，采用PID调节器作为自适应滑动平均滤波器的调节器。采用本发明后：稳态时候锁相环的频率精度满足《GBT 19862-2005电能质量监测设备通用要求》对电网频率的偏差小于0.01Hz，同时快速性能满足《GBT 19939-2005光伏系统并网技术要求》能在0.2s内检测到频率变化超过标准的要求。

Description

一种自适应并网变流器三相软锁相环

技术领域

本发明属于电气工程领域，涉及一种三相软锁相环，尤其是一种自适应并网变流器三相软锁相环。

背景技术

并网变流器（PWM整流器、光伏、风电、APF、SVG等）正常工作需要获得准确电网相位信息，在低电压穿越等需要快速精确得到电网正负序电压的场合显得尤为重要。目前的锁相环有：电压过零点锁相，主要是通过检测电网电压过零点来获取电网相位信息，这种方法一般采用硬件电路实现，在电压畸变比较大的时候存在多次过零，会导致锁相失败；基于同步坐标系锁相环，主要是通过坐标变换，将电网电压变换到同步坐标系下，然后将d轴或者q轴电压控制为零，来实现电网相位的锁定，但这种方法在电网电压在负序电压和比较大谐波电压时候会有比较大的锁相误差，这种锁相环的结构如图1所示；双DQ坐标系锁相环，这种方法是通过两次坐标变换来效率电网负序电压对同步坐标系锁相环的影响，是一种改进的同步坐标系锁相环，但此种方法计算比较复杂，而且对频率的变化适应性差，对相位的动态跟踪性能差；基于数字陷波器的软锁相环，这种方法本质上也是消除电网负序电压对同步坐标系锁相环的影响，同样，此种方法相对比较复杂，占用较多的计算资源，而且对谐波的消除效果较差。本发明提出了一种基于自适应滑动窗滤波器的电网电压软件锁相环，可以在保证锁相环动态性能的情况下，消除电网负序电压以及谐波电压电压的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自适应并网变流器三相软锁相环，改进了锁相环的环路滤波器，达到了在稳态时候完全消除负序和谐波电压对电网的影响，同时也保证了锁相的快速性。

本发明实现的原理和思路如下：

三相电压的一般表达式可以描述如下：

$\stackrel{\→}{V_g}=\left[\begin{array}{c}{V}_1\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)-V_5\cos \left({5\mathrm{\θ}}_i\right)+V_7\cos \left({7\mathrm{\θ}}_i\right)+...\\ (1+\mathrm{\β})(V_1\cos ({\mathrm{\θ}}_i-\frac{2\mathrm{\π}}{3})-V_5\cos \left(5({\mathrm{\θ}}_i-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\right)+...)\\ (1+\mathrm{\γ})(V_1\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\frac{2\mathrm{\π}}{3})-V_5\cos (5({\mathrm{\θ}}_i-+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+...))\end{array}\right]---\left(1\right)$

若坐标变换的方程为：

那么，当

时候，有：

于是，在同步坐标系下q轴电压分量的大小为：

$v_q=E_g\mathrm{\δ}\left(\frac{3+\mathrm{\γ}+\mathrm{\β}}{3}\right)+E_g+E_{\mathrm{pu}}\cos ({2\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pu}})$

$+\sqrt{\frac{3}{2}}(V_5+V_7)\cos ({6\mathrm{\θ}}_i+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(5\right)$

$+\sqrt{\frac{3}{2}}(V_{11}+V_{13})\cos ({12\mathrm{\θ}}_i+\frac{\mathrm{\π}}{2})+...$

其中，有：

$E_g=\sqrt{\frac{3}{2}}{V}_1---\left(6\right)$

$E_{\mathrm{pu}}=\sqrt{{\left(\frac{(\mathrm{\γ}-\mathrm{\β})}{2\sqrt{3}}\right)}^2+{(\frac{(\mathrm{\γ}+\mathrm{\β})}{6})}^2}---\left(7\right)$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pu}}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}}{3}\frac{(\mathrm{\γ}+\mathrm{\β})}{\mathrm{\γ}-\mathrm{\β}}\right)---\left(8\right)$

$P_{\mathrm{qu}}=E_g\mathrm{\δ}\left(\frac{3+\mathrm{\γ}+\mathrm{\β}}{3}\right)+E_g{E}_{\mathrm{pu}}\cos ({2\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pu}})---\left(10\right)$

$P_{\mathrm{qd}}=\sqrt{\frac{3}{2}}(V_5+V_7)\cos ({6\mathrm{\θ}}_i+\frac{\mathrm{\π}}{2})+\sqrt{\frac{3}{2}}(V_{11}+V_{13})\cos ({12\mathrm{\θ}}_i+\frac{\mathrm{\π}}{2})+...---\left(11\right)$

从公式可以看出，电压不平衡会引起q轴电压二次波动，进而导致锁相环锁定的相位会产生二次波动，同样的5、7次谐波会引起q轴电压6次的波动，从而相位也有6次的波动，11、13次电压谐波会引起相位12次的波动。总之，这些波动的频率都是基波的整数倍。采用本发明方法，可以彻底消除这些波动，而且能保证锁相的快速性。

本发明在锁相环的环路滤波器之前串联了一个自适应的滑动平均滤波器(Moving Average Filter)来滤除基波整数倍的波动，同时调节器采用PID调节器，滑动平均滤波器的输入信号为q轴电压v_q以及锁相环的经过滤波后的输出频率。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种自适应并网变流器三相软锁相环，包括一个自适应滑动平均滤波器和低通滤波器，自适应滑动平均滤波器串联在鉴相器和PID控制器之间。

所述自适应滑动平均滤波器滤除基波整数倍的波动，采用PID调节器作为自适应滑动平均滤波器的调节器。

所述自适应滑动平均滤波器根据锁相环的输出进行自适应的调节。

所述自适应并网变流器三相软锁相环采样三相电网电压分别进行CLARKE变换和PARK变换，并提取出其中的q轴电压；

将q轴电压进行滑动平均滤波，滤波器的窗长度根据锁相环出来的频率进行调整，在初始的时候，需要给一个初值,计算初始的滤波窗长为：

$N_o=\frac{f_c}{f_g}---\left(12\right)$

在程序的运行中，采用式（12）进行窗长度计算，并可以进一步采用算法对不能整除的情况就行修正；

由于采用了滑动平均滤波，使得锁相环的低频特性受到了一定的影响，将调节器设计为PID调节器，其中微分环节起到提高系统响应速度的作用；

调节器输出的频率需要经过低通滤波后，作为锁相环的频率输出；同时经过低通滤波器后的输出f_g进一步作为步骤二中自适应锁相环的输入，动态改变滑动平均滤波器的窗长度。

采用本发明后：稳态时候锁相环的频率精度满足《GBT 19862-2005电能质量监测设备通用要求》对电网频率的偏差小于0.01Hz，同时快速性能满足《GBT 19939-2005光伏系统并网技术要求》能在0.2s内检测到频率变化超过标准的要求。

附图说明

图1为现有的基于同步坐标系的软锁相环结构示意图；

图2为本发明的锁相环结构示意图；

图3为采样频率为10kHz，窗长度为50Hz的滑动平均滤波幅频特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，本发明的鉴相器采用坐标变换（若锁定单相电网采用乘法鉴相即可），与传统方法保持一致。本发明的具体实现方式如下：

采样三相电网电压分别进行CLARKE变换和PARK变换，并提取出其中的q轴电压；

将q轴电压进行滑动平均滤波，滤波器的窗长度根据锁相环出来的频率进行调整（在初始的时候，需要给一个恰当的初值）,计算初始的滤波窗长为：

$N_o=\frac{f_c}{f_g}---\left(12\right)$

在程序的运行中，采用式进行窗长度计算，并可以进一步采用算法对不能整除的情况就行修正。例如若电压的采样频率f₀＝10kHz，电网频率估计为f_g＝50Hz时候，用计算得到窗长为N₀＝200,此时滤波器的频率响应如图3所示：电网频率的波动都被抑制到了-100dB以下。

由于采用了滑动平均滤波，使得锁相环的低频特性受到了一定的影响，将调节器设计为PID调节器，其中微分环节起到提高系统响应速度的作用。例如在10kHz的采样频率，电压标幺化到单位1的下，可以将调节器的比例系数设置为28，积分系数0.05,微分系数设置为1600，这样锁相环可以在半个工频周期内锁定相角。

调节器输出的频率需要经过低通滤波后，作为锁相环的频率输出；同时经过低通滤波器后的输出f_g进一步作为步骤二中自适应锁相环的输入，动态改变滑动平均滤波器的窗长度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种自适应并网变流器三相软锁相环，其特征在于：包括一个自适应滑动平均滤波器和低通滤波器，自适应滑动平均滤波器串联在鉴相器和PID控制器之间；所述自适应滑动平均滤波器滤除基波整数倍的波动，采用PID调节器作为自适应滑动平均滤波器的调节器；所述自适应滑动平均滤波器根据锁相环的输出进行自适应的调节；所述低通滤波器的输出与自适应滑动平均滤波器输入连接，低通滤波器输入与PID控制器的输出连接，PID调节器输出的频率经过低通滤波后作为锁相环的频率输出；PID调节器输出的频率同时经过低通滤波器后的输出作为自适应锁相环的输入。