CN103199532A - 一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法，该方法包括以下步骤：正交向量产生模块将输入的单相信号虚拟成正交信号；Park变换模块对正交向量产生模块输出的正交信号进行以锁相环相角为基础的Park变换，将正交信号变换为直流分量；通过串联的两个微分器对Park变换模块输出的直流分量进行二次求导，将二次求导后的信号通过比例器，并将比例器的输出与Park变换模块输出的直流分量通过第一加法器求和，消除直流分量中所含的二次谐波；消除二次谐波后的直流分量依次通过比例积分器、第二加法器和积分器后输出锁相环相角。与现有技术相比，本发明具有设计简单、实时和动态性能好等优点。

Description

一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法

技术领域

本发明涉及分布式发电系统中的单相锁相环，尤其是涉及一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法。

背景技术

近年，在寻找克服世界能源危机的方法中，风力和光伏等分布式发电系统受到越来越多的关注。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，以及和配电网的接口，其性能直接影响和决定了整个并网系统的好坏。电网电压的相位，频率和幅值作为并网同步的关键信息，单相锁相环(Phase Locked Loop，PLL)起着举足轻重的作用。图1所示为传统单相PLL的通用模型，在传统的单相电力系统中，会包含大量谐波，由于传统单相PLL检测的技术原因，其输出的直流分量中会产生大量的二倍频谐波，如果能够有效快速的消除二倍频分量，不仅可以精确检测单相交流信息的相位分量，还可以进行精确地有功功率和无功功率控制，从而有效提高电力系统的电能质量。传统采用的消除直流分量二倍频的方法是利用一个低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)来滤除二倍频分量，如图2所示，存在以下不足：

1.传统方法中滤波器的截止频率必须设计的很低，这增加了滤波器的设计难度，难以实现；

2.由于传统技术中滤波器的延时性特点，它会随着截止频率的变小，延时会变得越来越长，这会影响到整个系统的动态响应性能。

鉴于以上原因，传统消除锁相环中的二倍频分量的方法增加了系统的设计难度，并且影响了整个系统的动态性能，对整个系统的使用是不适合的。

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能够快速精确消除二次谐波、动态响应性能高、设计简单的无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法，该方法包括以下步骤：

正交向量产生步骤，正交向量产生模块将输入的单相信号虚拟成正交信号；

Park变换步骤，Park变换模块对正交向量产生模块输出的正交信号进行以锁相环相角为基础的Park变换，将正交信号变换为直流分量；

二次求导步骤，通过串联的两个微分器对Park变换模块输出的直流分量进行二次求导，将二次求导后的信号通过比例器，并将比例器的输出与Park变换模块输出的直流分量通过第一加法器求和，消除直流分量中所含的二次谐波；

锁相环相角输出步骤，消除二次谐波后的直流分量依次通过比例积分器、第二加法器和积分器后输出锁相环相角。

所述的比例器的比例系数为

ω为第二加法器输出的角频率。

所述的二次求导步骤中，采用离散数字信号求差分方法代替串联微分器对直流分量进行二次求导。

与现有技术相比，本发明通过串联的两个微分器S对Park变换模块输出的直流分量进行二次微分，以消除直流分量中的二次谐波，具有以下优点：

1)能够快速、精确消除二次谐波，无延时；

2)较传统方法而言，提高了系统的动态性能；

3)不需要设计低通滤波器，减小了电路实现的难度；

4)当采样频率较高时，可用离散化数字信号求差分代替导数，提高了实时性，减小了系统的误差。

附图说明

图1为传统PLL通用模型示意图；

图2为采用低通滤波器的PLL消除二倍频方法示意图；

图3为本发明的原理示意图；

图4为输入的单相信号u₁波形图；

图5为虚拟构造成的u_α波形图；

图6为虚拟构造成的u_β波形图；

图7为传统PLL输出的V_d、V_q结果示意图；

图8为采用低通滤波器消除二倍频后的V_d、V_q结果示意图；

图9为本发明方法消除二倍频后的V_d、V_q结果示意图。

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。

实施例

如图3所示，一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法，该方法包括以下步骤：

正交向量产生步骤：正交向量产生模块1将输入的单相信号虚拟成正交信号；

将输入的单相信号u_i虚拟成正交信号u_α、u_β的方法包括延时、微分、数字实现等。设u_i的有效值为U_m，u_i＝U_msin314t，如图4所示，则

其中，Δθ为角度误差，u_α、u_β的波形如图5、图6所示。

Park变换步骤：Park变换模块2对正交向量产生模块输出的正交信号进行以锁相环相角为基础的Park变换(派克变换)，将正交信号变换为直流分量u_d、u_q：

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

其中θ为锁相环的相角，则

u_d＝u_αcosθ+u_βsinθ

＝U_mcos²θ+U_msinθsin(θ+Δθ)

＝U_mcos²θ+U_msin²θcosΔθ+U_mcosθsinθΔθ，

因为Δθ很小，则可近似为cosΔθ≈1，则同理可得：u_d、u_q都含有二倍频分量，如图7所示，图中V_d、V_q分别为单相锁相环输出的直流分量。为了使PLL的输出结果更加准确，必须对产生的二倍频分量进行限制，最传统的方法就是使用滤波器将二倍频分量滤除，而且必须选择截至频率较低的滤波器，然而过低的滤波器又会使系统动态性能变差，如图8所示。

二次微分步骤：通过串联的两个微分器S对Park变换模块输出的直流分量进行二次微分，将二次微分后的信号通过比例器P，并将比例器的输出与Park变换模块2输出的直流分量通过第一加法器3求和，消除直流分量中所含的二次谐波，比例器的比例系数为

ω为第二加法器4输出的角频率。

以u_d为例， $u_d\≈U_m+\frac{U_m\mathrm{\Δ\θ}}{2}\sin 2\mathrm{\θ}=U_m+\frac{U_m\mathrm{\Δ\θ}}{2}\sin 2\mathrm{\ωt}$ 经过一次微分后可以得到

经过二次微分可以得到

再乘以

可以得到 ${u_d}^{,,,}\≈-\frac{U_m\mathrm{\Δ\θ}}{2}\sin 2\mathrm{\ωt},$ 最后 $u_d+{u_d}^{,,,}\≈U_m+\frac{U_m\mathrm{\Δ\θ}}{2}\sin 2\mathrm{\ωt}-\frac{U_m\mathrm{\Δ\θ}}{2}\sin 2\mathrm{\ωt}=U_m,$ 即有效的消除了二倍频分量，使输出结果更加精细，如图9所示，图中V_d、V_q分别为消除二次谐波后的直流分量。

锁相环相角输出步骤：消除二次谐波后的直流分量依次通过比例积分器PI、第二加法器4和积分器

后输出锁相环相角θ。第二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。

微分就是求导，当采样频率较高时，利用两相邻时刻的电压采样值就可以构建并得到导数，其延时接近于0。

在工程实现中，电压的求导过程可以用离散数字信号求差分来代替导数，即 $\frac{{\mathrm{du}}_d}{\mathrm{dt}}={u_d}^{,}=\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{u_d(t+\mathrm{\Δt}/2)-u_d(t-\mathrm{\Δt}/2)}{\mathrm{\Δt}},$ $\frac{{{\mathrm{du}}_d}^{,}}{\mathrm{dt}}={u_d}^{,,}=\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{{u_d}^{,}(t+\mathrm{\Δt}/2)-{u_d}^{,}(t-\mathrm{\Δt}/2)}{\mathrm{\Δt}},$ 在采样频率较高的情况下，以差分代替导数是可行的，具有良好的实时性。

本发明提出了一种新的消除二倍频的方法，通过二次微分的原理，对锁相环输出的直流分量进行二次求导，然后再和开始的输出累加，这样就可以抵消输出直流分量中所含有的二次谐波分量。如果采样频率取值较高时，两相邻时刻的电压采样值就可以简单的得到导数，其延时接近于0，且电压的求导过程可以用离散数字信号求差分来代替导数。该发明较传统方法而言，设计简单、实时和动态性能好的优点。

Claims (3)

1.一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

正交向量产生步骤，正交向量产生模块将输入的单相信号虚拟成正交信号；

Park变换步骤，Park变换模块对正交向量产生模块输出的正交信号进行以锁相环相角为基础的Park变换，将正交信号变换为直流分量；

二次求导步骤，通过串联的两个微分器对Park变换模块输出的直流分量进行二次求导，将二次求导后的信号通过比例器，并将比例器的输出与Park变换模块输出的直流分量通过第一加法器求和，消除直流分量中所含的二次谐波；

锁相环相角输出步骤，消除二次谐波后的直流分量依次通过比例积分器、第二加法器和积分器后输出锁相环相角。

2.根据权利要求1所述的一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法，其特征在于，所述的比例器的比例系数为

ω为第二加法器输出的角频率。

3.根据权利要求1所述的一种无延时的单相锁相环二次谐波滤除方法，其特征在于，所述的二次求导步骤中，采用离散数字信号求差分方法代替串联微分器对直流分量进行二次求导。

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