CN103647550A - 一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电网领域的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，包括下列步骤：采样步骤：通过采样电路，采集三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c；第一坐标变换步骤：通过第一运算器对三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c进行C32变换，得到u_α和u_β；第二坐标变换步骤：对u_α和u_β再次进行C变换，得到u_p和u_q；PI调节步骤：通过PI调节将u_q调节至0,输出误差信号角频率ω；扰动角频率输入步骤：将误差信号角频率ω与一个扰动角频率ω₁相加，得到锁相环的输出角频率ω*；积分步骤：输入锁相环的输出角频率ω*，对锁相环的输出角频率ω*进行积分计算，得到并输出锁相环输出相位θ*。其技术效果是：该锁相环方法稳定性高，跟踪速度快，锁相频率范围宽，能精确快速地跟踪电力系统中电压和电流的基波频率和相位信息。

Description

一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法

技术领域

本发明涉及电网领域的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法。

背景技术

为实现无功补偿目的，获得电源侧电压的相位是首要任务。获得相位信息的方法有过零比较法、最小二乘法、小波分析法等多种方法。

过零比较法结构简单，实现较为容易，但动态响应速度慢，对畸变电压的抑制较差；

最小二乘法动态响应速度快，能准确地锁定正序电压的相位，但输入电压存在谐波时性能较差；

小波分析性能较好，但结构复杂，实现起来较为困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，其稳定性高，跟踪速度快，锁相频率范围宽，能精确快速地跟踪电力系统中电压和电流的基波频率和相位信息。

实现上述目的的一种技术方案是：一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，包括下列步骤：

采样步骤：通过采样电路，采集三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c；

第一坐标变换步骤：通过第一运算器对三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c进行C32变换，得到u_α和u_β；

第二坐标变换步骤：对u_α和u_β再次进行C变换，得到u_p和u_q；

PI调节步骤：通过PI调节将u_q调节至0,输出误差信号角频率ω；

扰动角频率输入步骤：将误差信号角频率ω与一个扰动角频率ω₁相加，得到锁相环的输出角频率ω*；

积分步骤：输入锁相环的输出角频率ω*，对锁相环的输出角频率ω*进行积分计算，得到并输出锁相环输出相位θ*。

进一步的，所述积分步骤后还包括对误差信号角频率ω清零的清零步骤。

再进一步的，所述清零步骤进行的频率为一个工频一次。

进一步的，所述第二坐标变换步骤与所述PI调节步骤之间设有滤波步骤，使用三阶契比雪夫滤波器滤除三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c中的零序分量，负序分量和高次谐波。

进一步的，扰动角频率ω₁等于三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c的基波的角频率。

采用本发明的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，即通过顺序进行的采样步骤、第一坐标变换步骤、第二坐标变换步骤、PI调节步骤、扰动角频率输入步骤和积分步骤得到并输出锁相环输出相位θ*的用于动态电压无功补偿的锁相环方法。其技术效果是：采用闭环控制，稳定性高，跟踪速度快，暂态响应时间小于0.03s，锁相频率范围宽，约45Hz-55Hz，能精确快速地跟踪电力系统中电压和电流的基波频率和相位信息，从而提供动态电压无功补偿所需的倍频信号和过零信号。

附图说明

图1为一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法的第一实施例的流程图。

图2为一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法的第二实施例的流程图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

第一实施例

本发明的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，包括下列步骤：

采样步骤：通过电压采集电路，采集三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c。

若三相电源线上三相电压信号中仅含三相基波正序，则设输入三相电压信号可以表示为：

其中：u表示三相电源线上三相电压信号的幅值，ω₁表示三相电源线上三相电压信号的角频率，

为三相电源线上的上三相电压信号的初相角。

第一坐标变换步骤：通过第一运算器对 $\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$ 进行C₃₂坐标变换，得到 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{32}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}u=u_{\mathrm{\α}}+u_{\mathrm{\β}}=u\∠{\mathrm{\φ}}_U\\ i=i_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}=i\∠{\mathrm{\φ}}_i\end{array}\right.$

第二坐标变换步骤：通过第二运算器对 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$ 进行C坐标变换，得到 $\left[\begin{array}{c}{u}_p\\ u_q\end{array}\right];$

该步骤的计算公式为：

其中ω为误差信号角频率，误差信号角频率ω的初始值为0。

PI调节步骤：

由上一步骤计算得到的结果可知，误差信号角频率ω没有锁定时，u_q是一个交流分量，误差信号角频率ω锁定，相位没有锁定时，u_q是一个直流分量，其大小代表锁相输入与输出之间的相位差信息。在频率和相位完全捕获的情况下，即ω₁=ω，

时有，u_q=0，此时，u_q是恒定的直流分量，而且它并不随电源电压幅值的变化而变化。可以看出，只有误差信号角频率ω和相位

完全捕获的情况下才有u_q=0，所以通过把u_q调节为0，就可以达到锁相的目的，PI调节步骤正是为了达到这一目的。

扰动角频率输入步骤：将误差信号角频率ω与一个扰动角频率ω₁相加，得到锁相环的输出角频率ω*，扰动角频率ω₁一般为三相电源线上三相电压信号基波的角频率值，以便在锁相环电路输入掉电的情况下仍能输出基波频率的正弦信号。

积分步骤：锁相环的输出角频率ω*进行积分，输出锁相环输出相位θ*。

清零步骤：同时，因在数字系统中正弦和余弦的值靠查表得到，所以锁相环输出相位θ*的值不能太大，故每隔一个工频周期，就要对误差信号角频率ω复位一次。

该方法采用闭环控制，稳定性高，跟踪速度快，暂态响应时间小于0.03s，锁相频率范围宽，约45Hz-55Hz，能精确快速地跟踪电力系统中电压和电流的基波频率和相位信息，从而提供动态电压无功补偿所需的倍频信号和过零信号。

第二实施例

假设三相输入电源电压畸变即电压中含有零序、负序和谐波分量，对于零序，做C₃₂变换后其值为0，对结果没有影响，所以不予考虑。此时采样步骤中得到的三相电压含有正序分量和负序分量，表示为：

式中：下标为1的表示正序，下标为2的表示负序；n表示谐波次数当n=1时表示基波；

表示初相角；ω为三相电源线上的上三相电压信号的角频率。

从而可以得到：

$u_q=-\sqrt{3}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{1n}\sin [(n-1)\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{1n}]-\sqrt{3}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{2n}\sin [(n+1)\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{2n}];$

基波正序转换为直流分量，其他分量经过转换都是频率较高的分量。在进行PI调节步骤前，通过三阶契比雪夫滤波器低通滤波，将u_q中的高频分量滤除，即滤除三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c中的零序分量，负序分量和高次谐波。则锁相环输出相位θ*就不受三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c中的零序分量，负序分量和高次谐波的影响。这就保证了在畸变输入电压的情况下，锁相环能够正确地锁定输入电压的基波正序。三阶契比雪夫滤波器的截止频率为50Hz，通带内的衰减≤1dB,阻带内衰减≤-35dB。

由上式可以看出，仅有基波正序转换为直流分量，其他分量经过转换都是频率较高的分量。经过三阶契比雪夫滤波器低通滤波，将这些高频分量滤除，则输出锁相环输出相位θ*就不受三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c中的零序分量，负序分量和高次谐波的影响。这就保证了在畸变输入电压的情况下，锁相环能够正确地锁定输入电压的基波正序。在三相输入电压平衡时，高次谐波和负序分量可以通过在PI调节步骤后进行的积分步骤中去除，因此对u_q中的高频分量有较强的抑制作用。但是当在三相输入电压严重不平衡时，负序分量很大，则在第二坐标变换步骤与PI调节步骤之间加入一个滤波步骤，采用三阶契比雪夫滤波器对u_q进行低通滤波，设置滤波步骤的目的在于：缩短PI调节步骤和积分步骤所需时间，从而减少整个方法动态响应时间，暂态响应时间一般小于0.03s。

Claims (5)

1.一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，包括下列步骤：

采样步骤：通过采样电路，采集三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c；

第一坐标变换步骤：通过第一运算器对三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c进行C32变换，得到u_α和u_β；

第二坐标变换步骤：对u_α和u_β再次进行C变换，得到u_p和u_q；

PI调节步骤：通过PI调节将u_q调节至0,输出误差信号角频率ω；

扰动角频率输入步骤：将误差信号角频率ω与一个扰动角频率ω₁相加，得到锁相环的输出角频率ω*；

积分步骤：输入锁相环的输出角频率ω*，对锁相环的输出角频率ω*进行积分计算，得到并输出锁相环输出相位θ*。

2.根据权利要求1所述的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，其特征在于：所述积分步骤后还包括对误差信号角频率ω清零的清零步骤。

3.根据权利要求2所述的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，其特征在于：所述清零步骤进行的频率为一个工频一次。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，其特征在于：所述第二坐标变换步骤与所述PI调节步骤之间设有滤波步骤，使用三阶契比雪夫滤波器滤除三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c中的零序分量，负序分量和高次谐波。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种用于动态电压无功补偿的锁相环方法，其特征在于：扰动角频率ω₁等于三相电源线上的三相电压信号u_a、u_b、u_c的基波的角频率。

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