CN103094924A - 基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法及其装置，该方法包括(1)采样单相电网或三相电网中的某一相电网电压e_s，将电网电压e_s与预设频率的参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)利用二阶有源低通滤波处理后提取低频信号得U_dcos和U_dsin；(2)获取电网电压的基波e_s1和与电网电压基波正交信号e′_s1；(3)由电网电压基波e_s1及其正交信号e′_s1可得单相电网同步正、余弦的数学模型；(4)将上述步骤(3)中的电网同步基准正弦、余弦送入并网逆变器的控制器，即可保证入网电流与电网电压同频同相。本发明的方法及装置可以在电网电压畸变、电压波形存在多次过零、电压波动情况下可自行获得电网的同步基准正弦。

Description

基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法及其装置

技术领域

本发明涉及光伏并网发电技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法及其装置。

背景技术

太阳能以其取之不尽、用之不竭的优点成为最具发展潜力的新能源之一，以光伏发电等新能源为代表的分布式电源正逐渐从独立系统朝大规模并网方向发展。并网逆变器多作为新能源并网发电或无功补偿装置，其关键的一步即需得到电网同步基准正弦、余弦。目前获得电网同步基准正弦或余弦的方式多采用锁相环(PLL)或者软件锁相环(SPLL)，采用锁相环获得电网同步基准正弦在电网电压畸变或电压波形存在多次过零时误差很大，甚至会失锁现象，不能得到满意的基准正弦。如在对光伏并网发电系统基准正弦实现的研究中，采用单片机实现《基于软件锁相技术的光伏并网系统基准正弦电路》(郑翔骥，陈道炼.基于软件锁相技术的光伏并网系统基准正弦电路[J].电力自动化设备，2009，29(6)：102-105.)是一种方法，但所需硬件繁多，设计复杂。而一些学者有相继研究了单同步坐标系软件锁相环(SSRF-SPLL)和双同步坐标系软件锁相环(DDSRF-SPLL)，单同步坐标系软件锁相环较适合于理想电网情况下，若三相电网出现严重不平衡时误差很大，而双同步坐标系软件锁相环需经过多次d-q变换且需要解耦，增加了锁相环设计难度。在有源电力滤波器的谐波电流检测方法中，国内外学者也提出了无锁相环的检测策略，主要采用预设频率思想，在该策略的实现过程中出现了电网同步正弦或余弦的运算方法，但其应用领域是用于谐波、无功电流的检测，相应方法只能单独应用于单相系统或三相系统，不能将单相和三相系统统一起来应用。

发明内容

鉴于上述提出的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法及其装置，该方法和装置在电网电压畸变、电压波形存在多次过零、电压波动情况下，使并网逆变器可自行获得电网的同步基准正弦。

为了解决以上提出的问题，本发明采用如下的技术方案：

基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法，该方法包括建立建立无锁相环电网同步基准正弦数学模型，其包括以下步骤，

(1)、采样单相电网或三相电网中的某一相电网电压e_s，将电网电压e_s与预设频率的参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)利用二阶有源低通滤波处理后提取低频信号得U_dcos和U_dsin的表达式为：

以U_dcos、U_dsin分别与参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)相乘得表达式V₁、V₂、V₃、V₄如下：

(2)、利用V₁、V₂、V₃、V₄表达式中各项的关系得电网电压的基波e_s1和与电网电压基波正交信号e′_s1：

(3)、由电网电压基波e_s1及其正交信号e′_s1可得单相电网同步正、余弦的数学模型为：

(4)、将上述步骤(3)中的电网同步基准正弦、余弦送入并网逆变器的控制器，即可保证入网电流与电网电压同频同相；

在上述步骤(1)-(4)中：

e_s、实际的电网电压，e_s1、电网电压基波，e_sn、n次电压谐波，E₁、基波电压的幅值、E_n、n次谐波电压的幅值，ω、电网实际角频率，

基波电压初相角，

n次谐波电压初相角，sin(ω₀t+θ)、给定参考正弦信号，cos(ω₀t+θ)、给定余弦信号，ω₀＝100π，θ为任意值。

优选的，所述步骤(3)后还包括将所得电网同步基准正弦、余弦形成矩阵C₀，即：

$C_0=\left[\begin{array}{c}\frac{e_{s1}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\\ \frac{e_{s1}^{\′}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\end{array}\right],$

其中，(1)若采样A相电网电压，则在三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

(2)若采样B相电网电压，则在三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

(3)若采样C相电网电压，则在三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

即为电网同步基准正弦，送入并网逆变器的控制器可保证入网电流与电网电压同频同相。

优选的，所述步骤(1)中的二阶有源低通滤波处理具体采用如下表达式：

$\left\{\begin{array}{cc}f\left(t\right)=\frac{k}{\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}}{e}^{-\frac{b}{2}t}\sin \left(\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}t\right),& t>0\\ f\left(t\right)=C,& t=0\end{array}\right.$

式中：

b＝ω_c/Q，

A为滤波器增益，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，t为时间。

本发明还提供一种实现上述的基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法的装置，其包括开关器件逆变桥、控制器以及基准正弦实现模块，其中开关器件逆变桥输出端连接电网，所述控制器分别与开关器件逆变桥控制端、基准正弦实现模块连接，所述基准正弦实现模块与电网连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的方法及装置可以在电网电压畸变、电压波形存在多次过零、电压波动情况下可自行获得电网的同步基准正弦。

附图说明

图1(a)为本发明并网逆变器基准正弦的数学模型推导原理图；

图1(b)为本发明并网单相逆变器结构原理图；

图1(c)为本发明并网三相逆变器结构原理图；

图2(a)为本发明中电网电压畸变和存在多次过零点波形图；

图2(b)、(c)为电网电压过零点附近的局部放大图；

图3(a)为电网电压畸变无多个过零点时，参考基准正弦、锁相环检测基准正弦、本发明装置检测基准正弦的对比波形对比图；

图3(b)为图3(a)中标记处的局部放大图；

图4(a)为电网电压畸变且存在多个过零点时，参考基准正弦、锁相环检测基准正弦、本发明装置检测基准正弦的对比波形对比图；

图4(b)为图4(a)的两个周期的波形图；

图4(c)为图4(b)中标记处的局部放大图；

图5(a)本发明运算过程中重要中间量(U_dcos)、(U_dsin)为直流信号时波形图；

图5(b)为本发明运算过程中重要中间量(U_dcos)、(U_dsm)在低频2Hz时的波形图；

图5(c)为图5(b)中波形零时刻附近局部放大图；

图6(a)为本发明所采用的实例(单相光伏并网系统)电网电压和并网电流仿真波形图；

图6(b)、图6(c)分别为图6(a)中标记处1、标记处2的局部放大图；

图7(a)为验证本法明装置的可行性时的单相逆变器并网实验，指令电流(i_ref)，并网电流(i)，本发明装置检测基准正弦(U_sin)波形图；

图7(b)为图7(a)中标记处局部放大图；

图8(a)为验证本发明装置的可行性时的单相逆变器并网实验，畸变电网电压(e_s)、电网电压基波(e_s1)、并网电流(i_ref)实验波形图；

图8(b)为图8(a)中标记处局部放大图；

图9为本发明实验实测电网时检测的某时刻低频信号U_dcos、U_dsin波形图；

图10为本发明得到单相电网同步基准正弦、余弦仿真图；

图11为经矩阵变换得到三相同步基准正弦仿真图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法，其中：并网逆变器的实现关键是建立无锁相环电网同步基准正弦数学模型，参看图1(a)，据此建立的单相并网逆变器模型(参看图1(b))和三相并网逆变器模型(参看图1(c))。其模型建立参数包括实际的电网电压e_s，电网电压基波e_s1，n次电压谐波e_sn，基波电压的幅值E₁、n次谐波电压的幅值E_n，电网实际角频率ω，基波电压初相角

n次谐波电压初相角

给定正弦信号sin(ω₀t+θ)，给定余弦信号cos(ω₀t+θ)，ω₀＝100π，θ为任意值。而该数学模型推导过程包括如下步骤：

(1)、并网逆变器要实现输出入网电流与电网电压同频同相，关键是要得到电网的同步基准正弦信号。其具体为采样单相电网或三相电网中的某一相电网电压e_s，将电网电压e_s与预设频率的参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)经过适当的运算以及低通滤波器处理得到中间量低频信号U_dcos和U_dsin，电网电压的基波e_s1与电网电压基波正交信号e′_s1；利用e_s1和e′_s1得到并网逆变器的基准正弦数学模型。

(2)、将畸变的电网电压e_s与参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)的运算，利用二阶有源低通滤波器提取低频信号得U_dcos和U_dsin的表达式：

以U_dcos、U_dsin分别与参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)相乘得表达式V₁、V₂、V₃、V₄如下：

利用V₁、V₂、V₃、V₄表达式中各项的关系得电网电压的基波e_s1和与电网电压基波正交信号e′_s1：

(3)、由电网电压基波e_s1及其正交信号e′_s1可推导出单相电网同步正、余弦的数学模型为：

(4)将上述推导所得电网同步基准正弦、余弦形成矩阵C₀，即：

$C_0=\left[\begin{array}{c}\frac{e_{s1}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\\ \frac{e_{s1}^{\′}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\end{array}\right],$

其中：若采样A相电网电压，则三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

若采样B相电网电压，则三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

若采样C相电网电压，则三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

而

即为电网同步基准正弦，送入并网逆变器控制器可保证入网电流与电网电压同频同相。

参阅图1(b)和图1(c)所示，本发明的实现上述的基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法的装置，其包括开关器件逆变桥(即并网逆变器的逆变桥)、控制器以及基准正弦实现模块，其中开关器件逆变桥输出端连接电网，控制器分别与开关器件逆变桥控制端、基准正弦实现模块连接，基准正弦实现模块与电网连接。

进一步，为协助本领域技术人员更好地理解并实现本发明，下面将进一步披露本发明根据单相畸变电网电压、电网电压基波及预设频率给定正、余弦与电网同步正弦的三角运算关系，以进行建模的推导过程。首先对单相电网电压采样，与预设频率给定正、余弦的三角运算，并通过二阶有源低通滤波器建立单相电网基准正弦数学模型。其具体推导过程如下：

在实际电网中，电压畸变现象普遍存在，电网电压可表示为：

上式中E₁、E_n分别为单相电网基波、n次谐波电压的幅值，

分别为基波和n次谐波电压初相角，n为大于1的正整数，ω为电网实际运行角频率。

给定正弦信号sin(ω₀t+θ)和余弦信号cos(ω₀t+θ)，ω₀＝100π，θ为任意值。

将电压e_s乘以正弦信号sin(ω₀t+θ)得：

令：

将电压e_s乘以cos(ω₀t+θ)得：

令：

以U_dcos乘以sin(ω₀t+θ)得：

(4)

以U_dcos乘以cos(ω₀t+θ)得：

(5)

以U_dsin乘以sin(ω₀t+θ)得：

(6)

以U_dsin乘以cos(ω₀t+θ)得：

(7)

由式(4)+(7)得：

由式(5)-(6)得：

则可得电网同步正、余弦的数学模型为：

整个推导运算原理图如图1(a)所示。

其次，将(10)式中基准正、余弦形成矩阵C₀，即

$C_0=\left[\begin{array}{c}\frac{e_{s1}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\\ \frac{e_{s1}^{\′}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

若采样A相电网电压，则三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

若采样B相电网电压，则三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

若采样C相电网电压，则三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

据此可由单相电网获得三相电网的同步基准正弦数学模型。

即为电网同步基准正弦，送入并网逆变器的控制器可保证入网电流与电网电压同频同相。

从本发明上述的推导过程看，获得基准正、余弦的关键是低频信号和电网电压基波的提取。预设的给定正、余弦只起代换作用，运算结果与ω₀和θ无关，并且电网电压畸变和频率的偏差不对结果产生影响。实际电网电压有畸变，频率为50Hz，或存在一定的偏移。当电网运行频率ω＝ω₀时，U_dcos和U_dsin为直流信号，当ω≠ω₀时，且两者相差较小，U_dcos和U_dsin为低频信号。而提取U_dcos和U_dsin可采用二阶有源低通滤波器。

二阶有源低通滤波器的传递函数可表示为：

$H_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{k}{s^2+\mathrm{bs}+c}---\left(14\right)$

其中，b＝ω_c/Q，A为滤波器增益，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，t为时间。

其时域形式为：

$f\left(t\right)=\frac{k}{\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}}{e}^{-\frac{b}{2}t}\sin \left(\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}t\right)---\left(15\right)$

可知当t＝0时，f(t)＝0，即低通滤波器输出的波形始终是从0开始变化的，而算法中存在除法运算，基准正弦在0时刻会出现无穷大值，影响算法的可靠性和控制系统的稳定性。将低通滤波器给定初值，可解决此问题。采用二阶有源低通滤波器提取低频信号波形如图5(a)、(b)、(c)所示，图5(b)中预设频率取100π，低频信号为直流信号，图5(c)中预设频率取48π，低频信号频率为2Hz，低通滤波器截止频率为15Hz，设置低通滤波器初值为0.5。据此，新的二阶有源低通滤波器模型为：

$\left\{\begin{array}{cc}f\left(t\right)=\frac{k}{\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}}{e}^{-\frac{b}{2}t}\sin \left(\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}t\right),& t>0\\ f\left(t\right)=C,& C=0.5t=0\end{array}\right.$

为了验证本发明的正确性和可行性，进行了仿真和实验的验证。仿真采用单相两级式光伏并网系统结构；实验结合单相并网形式。

一、仿真系统参数设置如下：光伏阵列输出最大功率为4500W，最大功率点电压为296V，电流为15.22A，直流侧电压400V，假设电压初始峰值为311V且含有3、5、7次谐波，频率为50Hz，Cl＝100μF，L_B＝2mH，C₂＝2000μF，L＝6mH。实验系统参数为：交流侧调压为峰值15V的电压，且电压畸变严重，经隔离变压器连接到220V的交流电网，直流侧为30V直流恒压源，并网电流为2A，交流侧滤波电感为7mH。

对并网电流采用电压、电流双闭环控制，期望得到与电网电压基波同频同相的并网电流，即能验证本文所提基准正弦实现方法的正确性。在0.15s时电网电压峰值突降为200V且波形畸变情况加重，并网电流的仿真波形如图6(a)所示，可知在电压e_s正常和突降且严重畸变情况下，并网电流i与电网电压保持同频同相，呈正弦波形，即光伏系统能单位功率因数并网，说明本文的无锁相环基准正弦能准确跟踪电网的频率和相位，适用于单相并网系统。

图9所示为实测的一组低频信号U_dcos、U_dsin波形，测量知此刻电网运行在49.8Hz，存在0.2Hz的频率偏移。在其它时刻的波形是不规则的，说明电网频率时刻在变动，但频差并未超过0.2Hz。该方法可观测实际电网频率波动情况。图7(a)所示为并网电流i、参考电流i_ref和基准正弦U_sin实验波形，可知基准正弦与参考电流同频同相，并网电流能准确跟踪参考电流。如图8(a)所示为电网电压e_s、电网电压基波e_s1和并网电流i的实验波形，可知并网电流与电网电压基波同频同相。结合图7、图8实验结果知基准正弦与电网电压基波、并网电流同频同相，进一步说明本文所提的基准正弦运算方法是正确的，并适用于并网逆变系统控制中。(实验中低通滤波器未设定初值时，直流电压源输出电流为18.4A，滤波电感发出振荡声响，当低通滤波器给定初值时，实验正常运行)。

二、与现有技术对比：

对比现有采用锁相环(PLL)技术获得电网同步基准正弦的方法。参考同步正弦为标准的电网电压基波的单位信号，电网电压在0.15s时峰值突降且畸变程度加大，出现多次过零点。检测基准正弦的仿真波形如图3(a)、图4(a)所示，点画线为采用锁相环检测基准正弦，虚线本发明逆变器的基准正弦，实线为参考同步正弦。比较锁相环检测法与本发明检测基准正弦跟踪参考标准同步正弦的速度、精度，对比出本发明的优势。从图3(a)和图3(b)看出，当不知电网初始相角(这里预置为20°)时，可看出无锁相环方法检测基准正弦比用锁相环检测速度快、精度高。由图4(a)、图4(b)、图4(c)(以初相为0°)知无锁相环检测基准正弦在电网电压畸变加重、幅值突变和多次过零的情况下能准确快速检测出电网同步基准正弦；锁相环检测出现失锁现象，不能得到基准正弦。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法，其特征在于：该方法包括建立无锁相环电网同步基准正弦数学模型，其包括以下步骤，

(1)、采样单相电网或三相电网中的某一相电网电压e_s，将电网电压e_s与预设频率的参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)利用二阶有源低通滤波处理后提取低频信号得U_dcos和U_dsin的表达式为：

以U_dcos、U_dsin分别与参考正弦sin(ω₀t+θ)和余弦cos(ω₀t+θ)相乘得表达式V₁、V₂、V₃、V₄如下：

(2)、利用V₁、V₂、V₃、V₄表达式中各项的关系得电网电压的基波e_s1和与电网电压基波正交信号e′_s1：

(3)、由电网电压基波e_s1及其正交信号e′_s1可得单相电网同步正、余弦的数学模型为：

(4)、将上述步骤(3)中的电网同步基准正弦、余弦送入并网逆变器的控制器，即可保证并网逆变器入网电流与电网电压同频同相；

在上述步骤(1)-(4)中：

e_s、实际的电网电压，e_s1、电网电压基波，e_sn、n次电压谐波，E₁、基波电压的幅值、E_n、n次谐波电压的幅值，ω、电网实际角频率，基波电压初相角，

n次谐波电压初相角，sin(ω₀t+θ)、给定参考正弦信号，cos(ω₀t+θ)、余弦信号，ω₀＝100π，θ为任意值。

2.根据权利要求1所述的基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法，其特征在于，所述步骤(3)后还包括将所得电网同步基准正弦、余弦形成矩阵(C₀)，即：

$C_0=\left[\begin{array}{c}\frac{e_{s1}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\\ \frac{e_{s1}^{\′}}{\sqrt{e_{s1}^2+e_{s1}^{\′2}}}\end{array}\right],$

其中，(1)、若采样A相电网电压，则在三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

(2)、若采样B相电网电压，则在三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

(3)、若采样C相电网电压，则在三相并网逆变器电网同步基准正弦数学模型：

即为电网同步基准正弦，送入并网逆变器的控制器可保证入网电流与电网电压同频同相。

3.根据权利要求1所述基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的二阶有源低通滤波处理具体采用如下表达式：

$\left\{\begin{array}{cc}f\left(t\right)=\frac{k}{\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}}{e}^{-\frac{b}{2}t}\sin \left(\sqrt{c-\frac{b^2}{4}}t\right),& t>0\\ f\left(t\right)=C,& t=0\end{array}\right.$

式中：参数

b＝ω_c/Q，

A为滤波器增益，ω_c为滤波器截止频率，Q为品质因数，t为时间。

4.基于无锁相环实现电网同步基准正弦的装置，其特征在于：包括开关器件逆变桥、控制器以及实现权利要求1-3任一项所述的基于无锁相环实现电网同步基准正弦的方法的基准正弦实现模块，其中：开关器件逆变桥输出端连接电网，所述控制器分别与开关器件逆变桥控制端、基准正弦实现模块连接，所述基准正弦实现模块与电网连接。

Images