CN103267897B - 一种基于反Park变换的三相锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反Park变换的三相锁相环，将三相电网电压经Clarke变换转换到静止坐标系得到其αβ分量，再分别经基于反Park变换的正交信号发生器得到其带通滤波后的量及其正交量，经正负序计算模块后得到电压正序基频的αβ分量，最后经基于同步坐标系的锁相环得到电压正序基频分量的相位角。采用本发明基于反Park变换的三相锁相环，可在电网不平衡和频率突变情况下都能精确快速的检测电网频率及相位。

Description

一种基于反Park变换的三相锁相环

技术领域

本发明属于变流器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于反Park变换的三相锁相环。 

背景技术

为弥补和克服传统能源发电的不足，上世纪80年代起，分布式发电技术倍受重视，在电力系统中所占的比重也日益增加。因为电网是一个复杂的动态系统，容易受外界影响，因此当分布式发电系统接入电网时，电网不能视为不变的系统，为了确保分布式发电系统在当前电网状态下能正常操作，需要持续地监测电网。并且随着低压穿越等国家标准的提出，对锁相环的要求也越来越高，要求在各种电网故障情况下也能快速、精确检测电网电压正序基频分量的相位、频率和幅值等信息。 

目前的三相锁相环主要有以下几种： 

（1）基于低通滤波器的锁相环、基于空间矢量滤波器的锁相环、基于扩展卡尔曼滤波器的锁相环、基于加权最小二乘法估计的锁相环等开环锁相环。这些锁相环利用各种滤波方法来估算电网电压的相位等信息。缺点是一般都存在锁相准确度不高、响应慢、对电网电压频率变化和不平衡较敏感等问题，因此不适合用于电网畸变和不平衡、频率变化快、动态响应要求高的场合。 

（2）基于同步坐标系的锁相环。该锁相环利用同步旋转变换把三相电压转换到两相旋转坐标系下，控制电压矢量的无功分量为零，从而实现精确的锁相。该锁相环方法在电网平衡时能有效的检测频率、相位和幅值，其稳态及动态响应性能较好。缺点是在三相电压不平衡时，此锁相环检测得到的相位值存在较大的负序分量所导致的2次谐波，并且通过减小系统带宽不能消除此2次谐波。 

（3）基于双同步坐标系解耦的锁相环。该锁相环利用正序和负序的双同步坐标系结构，消除负序分量在正序分量上的2次谐波影响，再使用基于同步坐标系锁相环，从而能实现在电网电压三相不平衡下的精确锁相。缺点是其解耦结构只针对负序基频分量，对低次谐波的衰减能力不足。 

（4）基于二阶广义积分器的锁相环。该锁相环利用基于二阶广义积分的滤波器，利用锁相环频率反馈能频率自适应的滤除负序分量和谐波影响，能在电网不平衡下精确锁相。缺点是控制结构中频率反馈与相位反馈相互交叉，电网频率突变时系统动态响应超调大且速度慢。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于反Park变换的三相锁相环，实现在各种电网三相不平衡和频率突变等情况下也能有效跟踪其正序基频分量的相位和频率等信息。 

为实现上述发明目的，本发明基于反Park变换的三相锁相环，其特征在于包括： 

Clarke变换模块，用于将三相电网电压矢量u_gabc转换到两相静止坐标系下得到两个电压分量u_gα和u_gβ； 

基于反Park变换的正交信号发生器A，输入为电压分量u_gα与锁相环模块反馈的上一次输出的相位角θ′，包括Park变换模块、低通滤波器模块、反Park变换模块，Park变换模块将电压分量u_gα和反Park变换模块反馈的上一次带通滤波量正交量u′_β(α)以锁相环模块上一次输出的相位角θ′为角度经Park变换得到u_d(α)和u_q(α)，其中锁相环第一次启用时相位角初始值θ₀与带通滤波量正交量初始值 根据实际情况确定；低通滤波器模块将u_d(α)和u_q(α)分别滤除交流分量得到直流量和反Park变换模块将直流量和以锁相环模块上一次输出的相位角θ′为角度进行反Park变换得到带通滤波量u_α(α)和带通滤波量滞后90度的正交量u_β(α)； 

基于反Park变换的正交信号发生器B，输入为电压分量u_gβ与锁相环模块反馈的上一次输出的相位角θ′，包括Park变换模块、低通滤波器模块、反Park变换模块，Park变换模块将电压分量u_gβ和反Park变换模块反馈的上一次带通滤波量正交量u′_β(β)以锁相环模块上一次输出的相位角θ′+π/2为角度经Park变换得到u_d(β)和u_q(β)，其中锁相环第一次启用时相位角初始值θ₀与带通滤波量正交量初始值根据实际情况确定；低通滤波器模块将u_d(β)和u_q(β)分别滤除交流分量得到直流量和反Park变换模块将直流量和以锁相环模块上一次输出的相位角θ′+π/2为角度进行反Park变换得到带通滤波量u_α(β)和带通滤波量滞 后90度的正交量u_β(β)； 

正负序计算模块，输入为带通滤波量u_α(α)及其正交量u_β(α)和带通滤波量u_α(β)及其正交量u_β(β)，用于根据u_α(α)、u_β(α)、u_α(β)、u_β(β)计算得到电网电压的正序分量和计算公式为： 

$u_{\mathrm{g\α}}^{+}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\α}\right)}-u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\β}\right)})$

$u_{\mathrm{g\β}}^{+}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\α}\right)}+u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\β}\right)});$

基于同步坐标系的锁相环模块，输入为电网电压的正序分量和用于根据正序分量和得到相位角θ；包括Park变换模块、PI控制器、加法器模块、积分器模块，Park变换模块将正序分量和以锁相环模块上一次输出的相位角θ′为角度进行Park变换得到和PI控制器控制等于0从而得到角频率Δω，加法器模块将角频率Δω和初始角频率ω₀相加，其和即为电网电压的角频率ω，其中初始角频率ω₀根据实际情况设置；积分器模块对角频率ω积分得到电网电压正序基频分量的相位角θ。 

其中，低通滤波器模块的传递函数为： 

$\mathrm{LPF}\left(s\right)=\frac{d}{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{bs}+c}$

其中a,b,c,d为低通滤波器的参数，根据需要滤除的电网电压低次谐波的阶数来选取，低通滤波器的截止频率根据实际情况设置。 

本发明基于反Park变换的三相锁相环，将三相电网电压经Clarke变换转换到静止坐标系得到其αβ分量，再分别经基于反Park变换的正交信号发生器得到其带通滤波后的量及其正交量，经正负序计算模块后得到电压正序基频的αβ分量，最后经基于同步坐标系的锁相环得到电压正序基频分量的相位角。采用本发明基于反Park变换的三相锁相环，可在电网不平衡和频率突变情况下都能精确快速的检测电网频率及相位。 

附图说明

图1是本发明基于反Park变换的三相锁相环的一种具体实施方式结构图； 

图2为本发明一个具体实施例的三相电网电压仿真波形； 

图3为本发明基于反Park变换的三相锁相环在图2所示的电压波形情况下的频率和相位仿真结果图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。 

实施例 

图1是本发明基于反Park变换的三相锁相环的一种具体实施方式结构图。如图1所示，本发明基于反Park变换的三相锁相环包括Clarke变换模块1、基于反Park变换的正交信号发生器A2、基于反Park变换的正交信号发生器B3、正负序计算模块4、基于同步坐标系的锁相环模块5。 

Clarke变换模块1，用于将三相电网电压矢量u_gabc转换到两相静止坐标系下得到两个电压分量u_gα和u_gβ，作为两个基于反Park变换的正交信号发生器A2和B3的输入。 

基于反Park变换的正交信号发生器A2，输入为电压分量u_gα与锁相环模块5反馈的上一次输出的相位角θ′，用于对电压分量u_ga进行带通滤波，得到带通滤波量u_α(α)及带通滤波量滞后90度的正交量u_β(α)。基于反Park变换的正交信号发生器A2包括Park变换模块21、低通滤波器（Low Pass Filter，缩写为LBF）22、低通滤波器23、反Park变换模块24，其中低通滤波器22、低通滤波器23组成低通滤波器模块，各模块的具体功能如下： 

Park变换模块21，将电压分量u_gα和反Park变换模块24反馈的上一次带通滤波量正交量u′_β(α)以上一次锁相环模块5输出的相位角θ′为角度经Park变换得到u_d(α)和u_q(α)，其中锁相环第一次启用时相位角初始值θ₀与带通滤波量正交量初始值根据实际情况确定。一般情况下，相位角初始值θ₀＝0，带通滤波量正交量初始值

低通滤波器22将u_d(α)滤除交流分量得到直流量

低通滤波器23将u_q(α)滤除交流分量得到直流量

其中，低通滤波器22和低通滤波器23组成的低通滤波器模块的传递函数 为： 

$\mathrm{LPF}\left(s\right)=\frac{d}{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{bs}+c}$

其中a,b,c,d为低通滤波器的参数，根据需要滤除的电网电压低次谐波的阶数来选取，低通滤波器的截止频率根据实际情况设置。 

反Park变换模块24将直流量和以锁相环模块5上一次输出的相位角θ′为角度进行反Park变换得到带通滤波量u_α(α)和带通滤波量正交量u_β(α)。 

基于反Park变换的正交信号发生器B3，输入为电压分量u_gβ与锁相环模块5反馈的上一次输出的相位角θ′，用于对电压分量u_gβ进行带通滤波，得到带通滤波量u_α(β)及带通滤波量滞后90度的正交量u_β(β)。基于反Park变换的正交信号发生器3包括Park变换模块31、低通滤波器32、低通滤波器33、反Park变换模块34，其中低通滤波器32、低通滤波器33组成低通滤波器模块，各模块的具体功能如下： 

Park变换模块31，将电压分量u_gβ和反Park变换模块34反馈的上一次带通滤波量正交量u′_β(β)以锁相环模块5上一次输出的相位角θ′+π/2为角度经Park变换得到u_d(β)和u_q(β)，其中锁相环第一次启用时相位角初始值θ₀与带通滤波量正交量初始值根据实际情况确定。一般情况下，相位角初始值θ₀＝0，带通滤波量正交量初始值

低通滤波器32，将u_d(β)滤除交流分量得到直流量

低通滤波器33，将u_q(β)滤除交流分量得到直流量

其中，低通滤波器32和低通滤波器33组成的低通滤波器模块的传递函数为： 

$\mathrm{LPF}\left(s\right)=\frac{d}{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{bs}+c}$

其中a,b,c,d为低通滤波器的参数，根据需要滤除的电网电压低次谐波的阶数来选取，低通滤波器的截止频率根据实际情况进行设置。 

反Park变换模块34，将直流量和以锁相环模块5上一次输出的相位角θ′+π/2为角度进行反Park变换得到带通滤波量u_α(β)和带通滤波量正交量u_β(β)； 

正负序计算模块4，输入为带通滤波量u_α(α)及其正交量u_β(α)和带通滤波量u_α(β)及其正交量u_β(β)，用于根据u_α(α)、u_β(α)、u_α(β)、u_β(β)计算得到电网电压的正序分量和负序分量和计算公式为： 

$u_{\mathrm{g\α}}^{+}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\α}\right)}-u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\β}\right)})---\left(1\right)$

$u_{\mathrm{g\β}}^{+}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\α}\right)}+u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\β}\right)})---\left(2\right)$

$u_{\mathrm{g\α}}^{-}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\α}\right)}-u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\β}\right)})---\left(3\right)$

$u_{\mathrm{g\β}}^{-}=\frac{1}{2}({-u}_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\α}\right)}+u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\β}\right)})---\left(4\right)$

本发明中，在获得相位角θ时只需使用电网电压的正序分量和将其输入至基于同步坐标系的锁相环模块5。 

基于同步坐标系的锁相环模块5，输入为电网电压的正序分量和用于根据正序分量和得到相位角θ。基于同步坐标系的锁相环模块5包括Park变换模块51、PI控制器52、加法器模块、积分器模块，各模块的详细功能如下： 

Park变换模块51，将正序分量和以锁相环模块5上一次输出的相位角θ′为角度进行Park变换得到和

PI控制器52，控制等于0从而得到角频率Δω。在本实施例中，设置PI控制器模块参数为k_p＝92，k_i＝4225。 

加法器模块53，将Δω和初始角频率ω₀相加，其和即为电网电压的角频率ω，其中初始角频率ω₀根据实际情况设置。 

积分器模块54，对角频率ω积分得到电网电压正序基频分量的相位角θ。 

图2为本发明一个具体实施例的三相电网电压仿真波形。如图2所示，本实施例中，三相电网电压在0.2s～0.3s之间为理想三相平衡电压，0.3s～0.45s之间为叠加0.3pu∠30°的基频负序谐波的不平衡三相电压，0.45s～0.6s之间不平衡三相电压频率由50Hz突变为52Hz。将图2所示的三相电网电压仿真波形输入至本实施例中的基于反Park变换的三相锁相环进行仿真。在本实施例中，低通滤波器22、23、32、33均为一阶低通滤波器，其传递函数为： 

$\mathrm{LPF}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{s+{\mathrm{\ω}}_f}---\left(5\right)$

其中ω_f为截止频率，本实施例中ω_f设为70.7rad/s。 

图3为本发明基于反Park变换的三相锁相环在图2所示的电压波形情况下的频率和相位仿真结果图。如图3所示，0.2s～0.3s之间频率稳态值为50Hz，0.3s～0.45s之间频率稳态值为50Hz，动态调节过程约为100ms，0.45s～0.6s之间频率稳态值为52Hz，动态调节过程约为100ms。 

仿真表明，本发明基于反Park变换的三相锁相环在电网不平衡和频率突变情况下都能精确快速的检测电网频率及相位。 

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 

Claims (2)

1.一种基于反Park变换的三相锁相环，其特征在于包括：

Clarke变换模块，用于将三相电网电压矢量u_gabc转换到两相静止坐标系下得到两个电压分量u_gα和u_gβ；

基于反Park变换的正交发生器A，输入为电压分量u_gα与锁相环模块反馈的上一次输出的相位角θ′，包括第一Park变换模块、第一低通滤波器模块、第一反Park变换模块，第一Park变换模块将电压分量u_gα和第一反Park变换模块反馈的上一次带通滤波量正交量u′_β(α)以锁相环模块上一次输出的相位角θ′为角度经Park变换得到u_d(α)和u_q(α)，其中锁相环第一次启用时相位角初始值θ₀与带通滤波量正交量初始值根据实际情况确定；第一低通滤波器模块将u_d(α)和u_q(α)分别滤除交流分量得到直流量和第一反Park变换模块将直流量和以锁相环模块上一次输出的相位角θ′为角度进行反Park变换得到带通滤波量u_α(α)和带通滤波量滞后90度的正交量u_β(α)；

基于反Park变换的正交信号发生器B，输入为电压分量u_gβ与锁相环模块反馈的上一次输出的相位角θ′，包括第二Park变换模块、第二低通滤波器模块、第二反Park变换模块，第二Park变换模块将电压分量u_gβ和第二反Park变换模块反馈的上一次带通滤波量正交量u′_β(β)以锁相环模块上一次输出的相位角θ′+π/2为角度经Park变换得到u_d(β)和u_q(β)，其中锁相环第一次启用时相位角初始值θ₀与带通滤波量正交量初始值根据实际情况确定；第二低通滤波器模块将u_d(β)和u_q(β)分别滤除交流分量得到直流量和第二反Park变换模块将直流量和以锁相环模块上一次输出的相位角θ′+π/2为角度进行反Park变换得到带通滤波量u_α(β)和带通滤波量滞后90度的正交量u_β(β)；

正负序计算模块，输入为带通滤波量u_α(α)及其正交量u_β(α)和带通滤波量u_α(β)及其正交量u_β(β)，用于根据u_α(α)、u_β(α)、u_α(β)、u_β(β)计算得到电网电压的正序分量和计算公式为：

$u_{\mathrm{g\α}}^{+}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\α}\right)}-u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\β}\right)})$

$u_{\mathrm{g\β}}^{+}=\frac{1}{2}(u_{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\α}\right)}+u_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\β}\right)});$

基于同步坐标系的锁相环模块，输入为电网电压的正序分量和用于根据正序分量和得到相位角θ；包括第三Park变换模块、PI控制器、加法器模块、积分器模块，第三Park变换模块将正序分量和以锁相环模块上一次输出的相位角θ′为角度进行Park变换得到和PI控制器控制等于0从而得到角频率Δω，加法器模块将角频率Δω和初始角频率ω₀相加，其和即为电网电压的角频率ω；积分器模块对角频率ω积分得到电网电压正序基频分量的相位角θ。

2.根据权利要求1所述的三相锁相环，其特征在于，所述的第一低通滤波器模块、第二低通滤波器模块的传递函数均为：

$\mathrm{LPF}\left(s\right)=\frac{d}{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{bs}+c}$

其中a,b,c,d为低通滤波器的参数，根据需要滤除的电网电压低次谐波的阶数来选取，低通滤波器的截止频率根据实际情况设置。