CN103178837B - 一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法，该方法包括以下步骤：1)正交信号产生模块将输入的单相信号u_i虚拟成含有延时τ的正交的两相信号u_α、u_β；2)派克变换模块对正交的两相信号进行以锁相环相角为基础的派克变换，将正交信号变换为直流分量u_d、u_q；3)判断当前时刻t是否满足0＜t＜τ，若是，则计算输入信号u_i的频率，并根据频率查表获得该频率所对应的垂直分量的值，将该值传输给比例积分器，执行步骤5)，若否，则执行步骤4)；4)直接将派克变换模块输出的直流分量传输给比例积分器；5)直流分量依次通过比例积分器、加法器和积分器后输出锁相环相角。与现有技术相比，本发明具有提高锁相环准确性、系统动态性高等优点。

Description

一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法

技术领域

本发明涉及分布式发电系统领域，尤其是涉及一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法。

背景技术

当今世界面临着能源枯竭与环境污染的严峻形势，在寻求克服能源危机的方法中，以风能、太阳能为代表的可再生能源，因其储量丰富、环境友好等特点，越来越受到人们的重视。分布式并网发电是可再生能源利用的主要方式之一。单相并网逆变器作为分布式发电系统中能量转换和控制的核心部件，以及和配电网的接口，它的控制好坏直接影响和决定了整个并网系统的性能。电网电压的相位和频率作为并网同步以及有功无功控制的关键信息，单相锁相环起着举足轻重的作用。而电压无功分量又决定着锁相环的好坏。为了实现单相电压的瞬时无功分量检测，通常将并网电压采集信号延时90°(四分之一个周期)构造两相正交系统而获得不同坐标系下的虚拟两相电压信号。显然，在构造过程中，会导致不同程度的延时，这使得使用数据不具备实时性，引起其他相电压波形在跟踪负载动态变化时存在严重的滞后现象，需要较长时间才能追踪负载的变化，这会对单相并网系统的稳定性、实时性和可靠性造成不利的影响。另外，在并网控制中，逆变器的输出波形在追踪负载变化时，具有滞后现象，这样需要较长时间才能追踪负载的变化，因此其较差的实时特性将严重影响系统的动态性能。

鉴于以上原因，传统锁相环技术由于其特有的延时特性，影响了单相并网系统的稳定性、实时性和可靠性，这对整个系统是非常不利的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高锁相环准确性、系统动态性高的基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法，该方法包括以下步骤：

1)正交信号产生模块将输入的单相信号u_i虚拟成含有延时τ的正交的两相信号u_α、u_β；

2)派克变换模块对正交的两相信号进行以锁相环相角为基础的派克变换，将正交信号变换为直流分量u_d、u_q；

3)判断当前时刻t是否满足0＜t＜τ，若是，则计算输入信号u_i的频率，并根据频率查表获得该频率所对应的垂直分量的值，将该值传输给比例积分器，执行步骤5)，若否，则执行步骤4)；

4)直接将派克变换模块输出的直流分量传输给比例积分器；

5)直流分量依次通过比例积分器、加法器和积分器后输出锁相环相角。

所述的正交信号产生模块通过将输入的单相信号延时τ构成虚拟的两相正交信号。

所述的τ为 为设定的周期，ω₀为给定的角频率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)能够快速、精确的得到直流分量u_q使锁相环更加准确；

2)较传统PLL而言，提高了系统的动态性能，消除了系统延时带来的静态误差；

3)数字采样计算系统频率，使系统运行精确。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为锁相环输入单相信号的示意图；

图3为虚拟构成的u_α的示意图；

图4为虚拟构成的u_β的示意图；

图5为派克变换后的u_q的示意图；

图6为派克变换后的u_d的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法，该方法包括以下步骤：

1)正交信号产生模块将输入的单相信号u_i虚拟成含有延时τ的正交的两相信号u_α、u_β。构造两相的方法有很多，通常采用的是延时四分之一个周期构成虚拟的正交两相信号。设输入u_i＝U_msinω_st，ω_s为输入信号的角频率，U_m为有效值，如图2所示，则虚拟后的正交两相信号为u_α＝u_i＝U_msinω_st，如图3所示， $u_{\mathrm{\β}}=U_m\sin \left[{\mathrm{\ω}}_s(t-\frac{T}{4})\right]=U_m\sin \left[{\mathrm{\ω}}_s(t-\frac{\mathrm{\π}}{{2\mathrm{\ω}}_0})\right],$ 如图4所示， $T=\frac{\mathrm{\π}}{{2\mathrm{\ω}}_0}$ 为设定的周期，ω₀为给定的角频率。

2)派克变换模块对正交的两相信号进行以锁相环相角为基础的派克变换，将正交信号变换为直流分量u_d、u_q，派克变换如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}-\cos \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

由于延时四分之一个周期的原因，使u_β得前四分之一个周期的波形信息不能完全显示出来，出现恒为0的结果，致使在计算的u_d、u_q过程中出现误差，会对整个系统产生大量的延时，如图5和图6所示。

3)系统带来的延时对整个系统的有效运行是不利的，为了解决以上的延时问题，本方法判断当前时刻t是否满足若是，由于延时的原因使u_β没有波形，四分之一个周期之后才能正常显示，这样导致u_q在此期间也不能正常输出，可在此区间对u_q进行补偿接入，具体做法如下：对u_α＝u_i＝U_msinω_st的前四分之一个周期的相近两个点进行数字采样，当采样频率较高时，即t₁和t₂十分接近时可以准确求出此时输入信号的频率，如下公式所示： $f\≈\frac{U_m\sin {\mathrm{\ω}}_s{t}_1-U_m\sin {\mathrm{\ω}}_s{t}_2}{2U_m\mathrm{\π}(t_1-t_2)}=\frac{\sin {\mathrm{\ω}}_s{t}_1-\sin {\mathrm{\ω}}_s{t}_2}{2\mathrm{\π}(t_1-t_2)},$ 知道了此时的频率后可以通过式子求出u_q，已知f₀＝50Hz。将这些实时的u_q在0到之间通过查表导入到系统运行，将该值传输给比例积分器，执行步骤5)，若否，不存在延时，则执行步骤4)。

4)直接将派克变换模块输出的直流分量传输给比例积分器；

5)直流分量依次通过比例积分器PI、加法器和积分器后输出无延时的锁相环相角θ。加法器为角频率调节环节，在PI的输出上加上设定的角频率ω₀，获得ω。

由于国际标准规定电力系统的偏移为±0.2Hz，所以本发明在直接对49.8Hz＜f＜50.2Hz之间的频率都进行计算求出u_q，并写入表中，如表1所示，一旦通过数字方法检测出某时刻的频率，在表中找到与之对应的频率，也就知道了u_q，并将此时的u_q导入系统中。

表1不同频率f对应的u_q值

频率f(Hz)	uq值
		49.80	0.3140
49.85	0.2355
		49.90	0.1570
49.95	0.0785
		50.00	0
50.05	-0.0785
		50.10	-0.1570
50.15	-0.2355
		50.20	-0.314

本发明提出了基于查表补偿的无延时单相锁相环技术，本发明对0到T/4之间的u_q实现查表补偿，T/4之后实现正常检测，这样用检测查表的值代替0到T/4的误差值，使u_q消除了虚拟两相带来的延时误差，从而使整个系统没有延时。本发明较传统PLL而言，消除了延时带来的误差，提高了系统的实时性和可靠性。

Claims (3)

1.一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)正交信号产生模块将输入的单相信号u_i虚拟成含有延时τ的正交的两相信号u_α、u_β；

2)派克变换模块对正交的两相信号进行以锁相环相角为基础的派克变换，将正交的两相信号变换为直流分量u_d、u_q；

3)判断当前时刻t是否满足0＜t＜τ，若是，则计算输入的单相信号u_i的频率，并根据频率查表获得该频率所对应的垂直分量的值，执行步骤5)，若否，则执行步骤4)；

4)直接将派克变换模块输出的直流分量传输给比例积分器；

5)将查表获得的垂直分量的值依次通过比例积分器、加法器和积分器后输出锁相环相角。

2.根据权利要求1所述的一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法，其特征在于，所述的正交信号产生模块通过将输入的单相信号延时τ构成虚拟的两相正交信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于查表补偿的单相锁相环延时消除方法，其特征在于，所述的τ为 为设定的周期，ω₀为给定的角频率。