CN104467823B - 一种对软件锁相环的改进方法 - Google Patents
一种对软件锁相环的改进方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种对软件锁相环的改进方法,其技术特点包括以下步骤:对电网电压采样,通过Clarke变换得到两相坐标系下电压分量uα、uβ;采用加权平均方法计算电压分量uα、uβ的准确延迟信号uα‑D、uβ‑D;根据延迟信号消除原理提取电网电压正序分量对电网电压正序分量做旋转坐标变换得到n表示当前为第n个控制周期;计算电网电压频率;对电网电压频率做数字积分得到电网电压相角,该电网电压相角同时被用于旋转坐标变换计算,构成闭环反馈。本发明采用两组延迟信号的加权平均方法来逼近期望延迟信号,从而使得信号延时更加准确,有效抑制了锁相角度和幅值中的直流偏置和波动,提高了对电网基波电压锁相的准确度,可广泛应用在对PLL响应速度有较高要求的场合。
Description
技术领域
本发明属于锁相环技术领域,尤其是一种采用信号延迟消除(Delayed SignalCancellation,DSC)技术对软件锁相环的改进方法。
背景技术
电压源并网变流器广泛应用于有源滤波、UPS不间断电源、变频调速驱动及可再生能源发电领域,是一类重要的电力电子变换装置。迅速、准确地获取电网电压基频正序信息对这类装置的控制非常重要,这一任务通常采用软件锁相环(Phase Locked Loop,PLL)技术实现。
软件锁相环的种类较多,目前在三相电压源并网变流器中最常用的是同步坐标系锁相环(Synchronous Reference Frame PLL,SRF-PLL),该锁相环架构如图1所示。SRF-PLL技术最早见于文献(A.Gole and V.K.Sood.A static compensator model for use withelectromagnetic transients simulation programs,IEEE Trans.Power Del.,1990,5(3):1398-1407),V.Kaura和V.Blasko等人报道了该技术的数字实现方法(V.Kaura andV.Blasko.Operation of a phase locked loop system under distorted utilityconditions.IEEE Trans.Industry App.,1997,33(1):58-63)。当三相电网电压对称、平衡时,SRF-PLL能够准确观测出电压相位,实现变流器的精确功率控制。除良好的动、静态性能外,基于SRF的电流控制仍然是目前电力电子变流器控制的主流,这也是SRF-PLL应用广泛的一个重要原因。
电网不平衡是影响SRF-PLL性能的一个重要因素,在这一工况下,网侧电压中的负序分量导致SRF变换后的电压分量中含有二阶谐波,影响观测结果。调整PI参数、减小环路滤波器的带宽可以抑制二阶谐波的影响,但这是以牺牲锁相环的动态性能为代价,在一些对PLL响应速度有较高要求的场合(例如风电、光伏等应用要求并网变流器具有低电压穿越功能)不可行。为了解决这一问题,研究人员提出了不同的改进方法,较为常用的有:双同步坐标系锁相环(P.Rodr íguez and J.Pou,et al.Decoupled double synchronousreference frame PLL for power converters control,IEEE Trans.Power Electron.,2007,22(2):584-592),改进锁相环方法(M.Karimi-Ghartemani and M.R.Iravani.Amethod for synchronization of power electronic converters in polluted andvariable-frequency environment,IEEE Trans.Power Syst.,2004,19(3):1263-1270.)和信号延迟消除锁相环方法(Delayed Signal Cancellation PLL,DSC-PLL)(J.Svenssonand M.Bongiorno,et al.Practical implementation of delayed signal cancellationmethod for phase-sequence separation,IEEE Trans.Power Del.,2007,22(1):18-26)。
DSC-PLL通过以下公式来提取正序电压分量:
式中,uα、uβ是三相交流电压经过3/2静止坐标变换(Clarke变换)后的两相电压分量;经过DSC环节分离出的正序分量;表示uα、uβ延迟T/4后的信号,T为电网电压周期。通过式(1),可以将三相电压信号中的正序分量提取出来送入SRF-PLL锁相。DSC-PLL的原理如图2所示。
式(1)是连续系统的表达式,在数字控制器中实现时,必须对其做离散处理,因此存在一个问题:数字控制器对信号的延迟时间只能做到其控制周期Ts的整数倍,当Ts与T/4不成整倍数关系时,数字控制器无法获得准确的电压延迟信号。这一问题在大功率应用场合的影响较大,由于大功率场合功率器件的开关频率通常较低,其控制器的控制周期也较大,因此上述电压延迟信号的误差也较大。举例来说,若控制周期为Ts=2.0ms,电网电压周期T为20ms,则期望的信号延迟时间为T/4=5ms,但数字控制器只能实现其控制周期整数倍的延时,所以和5ms延迟最接近的是2Ts或3Ts延时,即4ms或6ms。图3对比了Ts分别为2.0ms和1.25ms、信号延迟分别为4ms和5ms时DSC-PLL得到的相角偏差和幅值偏差,分别用实线和虚线表示,其中角度偏差为相对360°的百分数。显然,信号延迟误差导致锁相得到的相角和幅值有明显的直流偏置及波动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种对软件锁相环的改进方法,解决了传统DSC-PLL当数字控制器控制周期与信号延迟时间不成整数倍关系时,难以获得准确信号延迟,导致锁相效果不好的问题。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的:
一种对软件锁相环的改进方法,包括以下步骤:
步骤1、对电网电压采样,通过Clarke变换得到两相坐标系下电压分量uα、uβ;
步骤2、在数字控制器中,采用加权平均方法计算电压分量uα、uβ的准确延迟信号uα-D、uβ-D;
步骤3、根据延迟信号消除原理提取电网电压正序分量
步骤4、对电网电压正序分量做旋转坐标变换得到n表示当前为第n个控制周期;
步骤5、计算电网电压频率;
步骤6、对电网电压频率做数字积分得到电网电压相角,该电网电压相角同时被用于旋转坐标变换计算,构成闭环反馈。
而且,所述步骤1两相坐标系下电压分量uα、uβ的计算公式为:
式中uab,uca,ubc分别为ab、ca、bc相之间电压。
而且,所述步骤2计算准确延迟信号uα-D、uβ-D的公式为:
式中,k表示向下取整函数,k=floor(Td/Ts),Td=T/4为延迟时间,Ts为控制周期,T为电网电压周期,m1、m2为加权系数,m1、m2的计算公式为:
而且,所述步骤3提取电网电压正序分量的计算公式如下:
而且,所述步骤4对电网电压正序分量做旋转坐标变换的计算公式为:
式中,θe(n-1)为上一控制周期锁相环计算出的电网电压相角。
而且,所述步骤5的计算方法为:令q轴电压给定为0,采用PI调节器对误差进行调节,调节器输出即为电网电压频率。
本发明的优点和积极效果是:
本发明在传统DSC-PLL的基础上,采用两组延迟信号的加权平均方法来逼近期望延迟信号,从而使得信号延时更加准确,有效抑制了锁相角度和幅值中的直流偏置和波动,解决了传统DSC-PLL当数字控制器控制周期与信号延迟时间不成整数倍关系时,难以获得准确信号延迟的问题,提高了对电网基波电压锁相的准确度,可广泛应用在对PLL响应速度有较高要求的场合,如有源滤波、UPS不间断电源、变频调速驱动及可再生能源发电领域等众多领域。
附图说明
图1是现有的同步坐标系锁相环(SRF-PLL)的结构框图;
图2是现有的信号延迟消除锁相环(DSC-PLL)的结构框图;
图3是信号延迟误差导致的锁相偏差示意图;
图4是本发明的原理框图;
图5是不平衡三相输入电压示意图;
图6是改进后的锁相幅值和相角偏差示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种对软件锁相环的改进方法,包括以下步骤:
步骤1、对电网电压采样,通过Clarke变换得到两相坐标系下电压分量uα、uβ,其计算公式如下:
需要注意的是:式中的电网电压为线电压而非相电压,因为在大多数应用场合电网中性点并不引出,相电压不好测量。
步骤2、在数字控制器中,采用加权平均方法计算电压分量uα、uβ的准确延迟信号uα-D、uβ-D,其处理方法如下:
对式(2)的uα、uβ做延迟处理,得到uα(n-kTs)、uα[n-(k+1)Ts]和uβ(n-kTs)、uβ[n-(k+1)Ts],其中k=floor(Td/Ts),Td=T/4为延迟时间,Ts为控制周期,函数floor表示向下取整。
对uα(n-kTs)、uα[n-(k+1)Ts]和uβ(n-kTs)、uβ[n-(k+1)Ts]分别做加权平均,如下式
式中,n表示当前为第n个控制周期;m1、m2为加权系数,其计算公式为:
步骤3、根据延迟信号消除(DSC)原理提取电网电压正序分量,计算公式如下:
图4给出了上述步骤2、3的原理框图。
步骤4、对电网电压正序分量做旋转坐标变换得到其计算公式如下:
式中,θe(n-1)为上一控制周期锁相环计算出的电网电压相角。
步骤5、计算电网电压频率。如图1及图2所示,令q轴电压给定为0,采用PI调节器对误差进行调节,调节器输出即为电网电压频率。为加快响应速度,此处引入电网电压前馈。
步骤6、对计算出的电压频率做数字积分得到电网电压相角,该相角也被用于旋转坐标变换计算,构成闭环反馈。
下面对本发明方法做数字仿真验证。仿真不平衡三相交流电压如图5所示,其中正序分量幅值为0.9,负序分量幅值0.1,周期均为20ms,因此期望的信号延迟时间为Td=5ms;以数字控制器控制周期Ts=2.0ms为例,根据公式(2)~(5)可以算出,k=2,m1=m2=0.5,仿真得到锁相幅值和相角偏差如图6所示。对比图6和图3的结果可以看出,角度的偏差和波动减小了一个数量级,幅值的偏差和波动也有明显改善,验证了本发明方法对传统DSC-PLL的改进效果。
由于软件锁相环常用于为并网变流器提供电网电压同步信号,因此本发明可在有源滤波、UPS不间断电源、变频调速驱动及可再生能源发电领域等众多领域发挥作用,应用前景广阔。
需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种对软件锁相环的改进方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1、对电网电压采样,通过Clarke变换得到两相坐标系下电压分量uα、uβ;该电压分量uα、uβ的计算公式为:
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式中uab,uca,ubc分别为ab、ca、bc相之间电压;
步骤2、在数字控制器中,采用加权平均方法计算电压分量uα、uβ的准确延迟信号uα-D、uβ-D,计算准确延迟信号uα-D、uβ-D的公式为:
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式中,k表示向下取整函数,k=floor(Td/Ts),Td=T/4为延迟时间,Ts为控制周期,T为电网电压周期,m1、m2为加权系数,m1、m2的计算公式为:
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步骤3、根据延迟信号消除原理提取电网电压正序分量
步骤4、对电网电压正序分量做旋转坐标变换得到n表示当前为第n个控制周期;
步骤5、计算电网电压频率;
步骤6、对电网电压频率做数字积分得到电网电压相角,该电网电压相角同时被用于旋转坐标变换计算,构成闭环反馈。
2.根据权利要求1所述的一种对软件锁相环的改进方法,其特征在于:所述步骤3提取电网电压正序分量的计算公式如下:
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3.根据权利要求1所述的一种对软件锁相环的改进方法,其特征在于:所述步骤4对电网电压正序分量做旋转坐标变换的计算公式为:
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式中,θe(n-1)为上一控制周期锁相环计算出的电网电压相角。
4.根据权利要求1所述的一种对软件锁相环的改进方法,其特征在于:所述步骤5的计算方法为:令q轴电压给定为0,采用PI调节器对误差进行调节,调节器输出即为电网电压频率。
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2014
- 2014-11-13 CN CN201410637204.6A patent/CN104467823B/zh active Active
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