CN104821603A - 一种控制风力并网逆变器同频同相的方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制风力并网逆变器同频同相的方法和电路，其解决风力发电系统并网时相位、频率不同步的问题，克服了现有的风力并网逆变器数字、软件锁相环技术的不足，具有简单、灵活性好、响应速度快、可靠性好等优点，广泛适用于风力发电系统的并网逆变器，获取风力并网逆变器输出电流信号和电网电压信号，电网电压信号移相放大后与风力并网逆变器输出电流信号通过乘法鉴相器相乘，生成相位差信号；相位差信号与移相后的电网电压信号通过乘法鉴相器相乘,生成幅度调整信号；将幅度调整信号与电网电压信号叠加生成矢量控制信号，所述矢量控制信号用于控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。

Description

一种控制风力并网逆变器同频同相的方法及电路
技术领域
本发明涉及风力并网发电技术领域，具体为一种控制风力并网逆变器同频同相的方法及电路。
背景技术
风力并网逆变器将风力交流发电机发出的交流电，进行整流后变成直流电，再经过高频逆变装置，逆变成与电网同频，同相的交流电，由此实现风力发电的并网。目前实现同频、同相的方法大多采用数字锁相环，比如虚拟平均无功鉴相的单相锁相环，通过一定的算法由输入信号                                                构造出两相静止坐标系下的另一相正交信号，由、作为输入信号，再以d轴定向将两相静止坐标系变换到同步旋转坐标系，分解出轴分量，然后通过调节器调节使为0，即可实现锁相。单相数字锁相环与模拟锁相环相比，具有无直流零点漂移、无器件饱同时不受电源和环境温度变化等优点，但是数字锁相环程序编写复杂，难度高，让很多工程师望而却步。
也有纯软件锁相环，编程相对简单，其基本原理是将输入信号与估计信号相乘，之后通过滤波器滤除其二倍频分量，以得出输入输出信号的相位差，通过调节器使其相位差为0，从而实现锁相。但在这种锁相环中，为了更好地滤去二倍频分量，加入的滤波器使得锁相环的带宽受限，从而影响锁相效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其解决风力发电系统并网时相位、频率不同步的问题，克服了现有的风力并网逆变器数字、软件锁相环技术的不足，具有电路简单、响应速度快、可靠性好等优点，广泛适用于风力发电系统的并网逆变器，此外，本发明还提供了控制风力并网逆变器同频同相的电路。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其特征在于：获取风力并网逆变器输出电流信号和电网电压信号，电网电压信号依次通过移相电路和第一放大电路移相、放大后转化成电压信号的风力并网逆变器输出电流信号通过第一乘法鉴相电路相乘，生成相位差信号；
将相位差信号通过滤波电路和第二放大电路，分别用于消除二次谐波和放大相位差信号；
将消除二次谐波后并放大后的相位差信号与移相放大后的电网电压信号通过第二乘法鉴相电路相乘,生成幅度调整信号；
将幅度调整信号与电网电压信号通过加法器电路叠加，生成矢量控制信号，矢量控制信号通过矢量控制来控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。
进一步的，风力并网逆变器输出电流信号经过霍尔电流传感器转为电压信号。
进一步的，经过霍尔电流传感器转为电压信号的风力并网逆变器输出电流信号经过电压跟随器电路后输出。
进一步的，将相位差信号通过低通滤波电路，用于消除二次谐波。
进一步的，风力并网逆变器输出电流信号经过霍尔电流传感器转为电压信号并通过电压跟随器电路后为 ，，电网电压信号为，，电网电压信号经第一移相电路和第一放大电路移相并放大后为，。风力并网逆变器输出电流信号和移相放大后的电网电压信号  通过第一乘法鉴相电路生成相位差信号，，设置低通滤波电路滤除二次谐波并通过第二放大电路放大相位差信号，相位差信号可简化为，当相角误差很小时，，得出，相位差信号再与移相并放大后的电压信号通过第二乘法鉴相电路相乘生成幅度调整信号，幅度调整信号通过加法器电路叠加原始电网电压信号形成矢量控制信号，风力并网逆变器将整流后的直流电，通过矢量控制信号，实现逆变器的输出电流与电网电压同相。
一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，其特征在于：包括：
移相电路，用于将接收到的电网电压信号移相；
第一放大电路，第一放大电路的输入端连接移相电路的输出端，用于将移相后的电网电压信号放大；
第一乘法鉴相电路，第一乘法鉴相电路的输入端分别连接第一放大电路、第二放大电路的输出端，用于将移相放大后的电网电压信号与放大后的风力并网逆变器输出电流信号相乘，生成输出的相位差信号；
低通滤波电路，低通滤波电路的输入端连接第一乘法鉴相电路的输出端，用于消除输入的相位差信号的二次谐波；
第二放大电路，第二放大电路的输入端连接低通滤波电路的输出端，用于放大相位差信号；
第二乘法鉴相电路，第二乘法鉴相电路的输入端分别连接第一放大电路的输出端、第二放大电路的输出端，用于将滤波放大后的相位差信号与移相放大后的电网电压信号相乘,生成输出的幅度调整信号；
加法器电路，加法器电路的输入端分别连接第二乘法鉴相电路的输入端、电网电压信号的输入端，用于将输入的幅度调整信号与电网电压信号叠加，生成输出的矢量控制信号，矢量控制信号通过矢量控制来控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。
进一步的，还包括电压跟随器电路，用于隔离转化成电压信号的风力并网逆变器输出电流信号。
进一步的，移相电路包括TL084运算放大器U1A、电容C1、C2、C3和电阻R2；第一放大电路包括TL084运算放大器U3A、电阻R1、R4；电压跟随器电路包括TL084运算放大器U3D、电容C5、C8；第一乘法鉴相电路包括MPY634乘法鉴相器U4和电阻R13、R15、R16；低通滤波电路包括电阻R12和电容C7；第二放大电路包括TL084运算放大器U3C、电阻R10、R11；第二乘法鉴相电路包括MPY634乘法鉴相器U2和电阻R7、R8、R9；加法器电路包括TL084运算放大器U3B和电容C4、C6、电阻R6、R14、R3、R5。
进一步的，电网电压信号P1从1端口输出后串联电阻R2后输入TL084运算放大器U1A的2端口，再从TL084运算放大器U1A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的2端口和1端口之间连接了电容C1，电网电压信号P1移相后从TL084运算放大器U1A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的1端口串联电阻R4后与TL084运算放大器U3A的2端口相连接，电网电压信号P1放大后再从TL084运算放大器U3A的1端口输出，TL084运算放大器U3A的1端口与TL084运算放大器U3A 的2端口连接了电阻R1；风力并网逆变器输出电流信号P4转变成电压信号后从1端口输出后从TL084运算放大器U3D的12端口输入再从TL084运算放大器U3D的14端口输出进行隔离，TL084运算放大器U3D的13端口与14端口相连接形成反馈，TL084运算放大器U3A的1端口与MPY634乘法鉴相器U4的1端口相连接输入电网电压，TL084运算放大器U3D的14端口与MPY634乘法鉴相器U4的6端口相连接输入风力并网逆变器输出电流信号，MPY634乘法鉴相器U4的12、11端口相连接后输出相位差信号，相位差信号通过包括了电阻R12、电容C7的低通滤波器消除二次谐波后从TL084运算放大器U3C的9端口输入，相位差信号经放大后再从TL084运算放大器U3C的8端口输出，TL084运算放大器U3C的9端口与8端口之间连接了电阻R10，TL084运算放大器U3C的8端口连接MPY634乘法鉴相器U2的6端口把相位差信号输入给第二乘法鉴相器，TL084运算放大器U3A的1端口连接了MPY634乘法鉴相器U2的1端口把移相放大后的电网电压信号输入给第二乘法鉴相器，MPY634乘法鉴相器U2的12、11端口相连接后输出幅度调整信号，MPY634乘法鉴相器U2的12、11端口和电网电压信号P3的1端口分别连接TL084运算放大器U3B的5端口，将幅度调整信号与电网电压信号相叠加得到矢量控制信号从TL084运算放大器U3B的7端口输出，TL084运算放大器U3B的7端口与6端口之间连接了电阻R5并接地。
从上述技术方案可以看出，本发明采用了纯硬件的方法实现了风力并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，将风力并网逆变器输出电流信号和电网电压信号通过乘法鉴相器相乘，生成相位差信号，再将相位差信号与电网电压信号通过乘法鉴相器相乘生成幅度调整信号，幅度调整信号与电网电压信号叠加生成矢量控制信号，矢量控制信号通过矢量控制来控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相，风力并网逆变器将整流后的直流电，通过矢量控制信号，实现逆变器的输出电流与电网电压同相，本发明的技术方案广泛适用于风力发电系统的并网逆变器 ，相较于数字锁相环，无需编程，控制电路简单，操作实现难度低，更易于推广及应用；相较于纯软件锁相环，硬件电路响应更快，风力发电系统可获得较好的控制精度和稳定性，可实现高速运算，易于控制，可靠性好。
附图说明
图1是本发明的矢量控制信号的矢量合成框图；
图2是本发明的硬件控制电路原理图；
图3是本发明的控制风力并网逆变器同频同相的电路的前半部分的电路图；
图4是本发明的控制风力并网逆变器同频同相的电路的后半部分的电路图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
图1为本发明的矢量控制信号的矢量合成框图，见图2，一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，获取风力并网逆变器输出电流信号和电网电压信号，电网电压信号依次通过移相电路和第一放大电路移相、放大后转化成电压信号的风力并网逆变器输出电流信号通过第一乘法鉴相电路相乘，生成相位差信号；
将相位差信号通过滤波电路和第二放大电路，分别用于消除二次谐波和放大相位差信号；
将消除二次谐波后并放大后的相位差信号与移相放大后的电网电压信号通过第二乘法鉴相电路相乘,生成幅度调整信号；
将幅度调整信号与电网电压信号通过加法器电路叠加，生成矢量控制信号，矢量控制信号用于控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。
风力并网逆变器输出电流信号经过霍尔电流传感器转为电压信号。
经过霍尔电流传感器转为电压信号的风力并网逆变器输出电流信号经过电压跟随器电路后输出。
将相位差信号通过低通滤波电路，用于消除二次谐波。
风力并网逆变器输出电流信号经过霍尔电流传感器转为电压信号并通过电压跟随器电路后为 ，，电网电压信号为，，电网电压信号经第一移相电路和第一放大电路移相并放大后为，；风力并网逆变器输出电流信号和移相放大后的电网电压信号  通过第一乘法鉴相电路生成相位差信号，，设置低通滤波电路滤除二次谐波并通过第二放大电路放大相位差信号，相位差信号可简化为，当相角误差很小时，，得出，相位差信号再与移相并放大后的电压信号通过第二乘法鉴相电路相乘生成幅度调整信号，幅度调整信号通过加法器电路叠加原始电网电压信号形成矢量控制信号，风力并网逆变器将整流后的直流电，通过矢量控制信号，实现逆变器的输出电流与电网电压同相。
见图2、图3、图4，一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，其特征在于：包括：
一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，包括：
移相电路，用于将接收到的电网电压信号移相；
第一放大电路，第一放大电路的输入端连接移相电路的输出端，用于将移相后的电网电压信号放大；
第一乘法鉴相电路，第一乘法鉴相电路的输入端分别连接第一放大电路、第二放大电路的输出端，用于将移相放大后的电网电压信号与放大后的风力并网逆变器输出电流信号相乘，生成输出的相位差信号；
低通滤波电路，低通滤波电路的输入端连接第一乘法鉴相电路的输出端，用于消除输入的相位差信号的二次谐波；
第二放大电路，第二放大电路的输入端连接低通滤波电路的输出端，用于放大相位差信号；
第二乘法鉴相电路，第二乘法鉴相电路的输入端分别连接第一放大电路的输出端、第二放大电路的输出端，用于将滤波放大后的相位差信号与移相放大后的电网电压信号相乘,生成输出的幅度调整信号；
加法器电路，加法器电路的输入端分别连接第二乘法鉴相电路的输入端、电网电压信号的输入端，用于将输入的幅度调整信号与电网电压信号叠加，生成输出的矢量控制信号，矢量控制信号用于控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。
还包括电压跟随器电路，用于隔离转化成电压信号的风力并网逆变器输出电流信号。
移相电路包括TL084运算放大器U1A、电容C1、C2、C3和电阻R2；第一放大电路包括TL084运算放大器U3A、电阻R1、R4；电压跟随器电路包括TL084运算放大器U3D、电容C5、C8；第一乘法鉴相电路包括MPY634乘法鉴相器U4和电阻R13、R15、R16；低通滤波电路包括电阻R12和电容C7；第二放大电路包括TL084运算放大器U3C、电阻R10、R11；第二乘法鉴相电路包括MPY634乘法鉴相器U2和电阻R7、R8、R9；加法器电路包括TL084运算放大器U3B和电容C4、C6、电阻R6、R14、R3、R5。
电网电压信号P1从1端口输出后串联电阻R2后输入TL084运算放大器U1A的2端口，再从TL084运算放大器U1A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的2端口和1端口之间连接了电容C1，电网电压信号P1移相后从TL084运算放大器U1A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的1端口串联电阻R4后与TL084运算放大器U3A的2端口相连接，电网电压信号P1放大后再从TL084运算放大器U3A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的4、11端口分别连接电容C2、C3后接地，TL084运算放大器U3A的1端口与TL084运算放大器U3A 的2端口连接了电阻R1；风力并网逆变器输出电流信号P4转变成电压信号后从1端口输出后从TL084运算放大器U3D的12端口输入再从TL084运算放大器U3D的14端口输出进行隔离，TL084运算放大器U3D的13端口与14端口相连接形成反馈，TL084运算放大器U3D的4、11端口分别连接电容C5、C8后接地，TL084运算放大器U3A的1端口与MPY634乘法鉴相器U4的1端口相连接输入电网电压，TL084运算放大器U3D的14端口与MPY634乘法鉴相器U4的6端口相连接输入风力并网逆变器输出电流信号，MPY634乘法鉴相器U4的12、11端口相连接后输出相位差信号，相位差信号通过包括了电阻R12、电容C7的低通滤波器消除二次谐波后从TL084运算放大器U3C的9端口输入，相位差信号经放大后再从TL084运算放大器U3C的8端口输出，TL084运算放大器U3C的9端口与8端口之间连接了电阻R10，TL084运算放大器U3C的8端口连接MPY634乘法鉴相器U2的6端口把相位差信号输入给第二乘法鉴相器，TL084运算放大器U3A的1端口连接了MPY634乘法鉴相器U2的1端口把移相放大后的电网电压信号输入给第二乘法鉴相器，MPY634乘法鉴相器U2的12、11端口相连接后输出幅度调整信号，MPY634乘法鉴相器U2的12、11端口和电网电压信号P3的1端口分别连接TL084运算放大器U3B的5端口，将幅度调整信号与电网电压信号相叠加得到矢量控制信号从TL084运算放大器U3B的7端口输出，TL084运算放大器U3B的7端口与6端口之间连接了电阻R5并接地，TL084运算放大器U3B的6端口连接电阻R3后接地，TL084运算放大器U3B的4、11端口分别连接电容C4、C6后接地。
电网电压通过移相电路移相，移相电路包含了TL084运算放大器U1A ，经移相电路移相后的电网电压通过第一放大电路放大，第一放大电路包含了TL084运算放大器U3A ；风力并网逆变器输出电流信号经过电流传感器转为电压信号，风力并网逆变器输出电流信号通过电压跟随电路隔离，电压跟随电路包含了TL084运算放大器U3D，分别经移相电路、第一放大电路移相放大后的电网电压信号与经电压跟随电路隔离后的风力并网逆变器输出电流信号通过第一乘法鉴相器电路相乘，生成相位差信号，第一乘法鉴相器电路包括了MPY634乘法鉴相器U4，相位差信号通过顺次通过低通滤波电路和第二放大电路，先消除相位差信号的二次谐波再放大相位差信号，低通滤波电路包括电阻R12、电容C7，第二放大电路包括TL084运算放大器U3C，通过低通滤波放大电路的相位差信号和移相放大后的电网电压通过第二乘法鉴相器电路相乘，得到幅度调整信号，第二乘法鉴相器电路包括了MPY634乘法鉴相器U2，将幅度调整信号与电网电压信号通过加法器电路叠加生成矢量控制信号，加法器电路包括TL084运算放大器U3B，矢量控制信号用于控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相，本发明的技术方案仅使用了硬件电路实现风力并网逆变器输出电流与电网电压同频同相，相较于数字锁相环，无需编程，控制电路简单，操作实现难度低，更易于推广及应用；相较于纯软件锁相环，硬件电路响应更快，风力发电系统可获得较好的控制精度和稳定性，可实现高速运算。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其特征在于：获取风力并网逆变器输出电流信号和电网电压信号，电网电压信号依次通过移相电路和第一放大电路移相、放大后与转化成电压信号的风力并网逆变器输出电流信号通过第一乘法鉴相电路相乘，生成相位差信号；
将所述相位差信号通过滤波电路和第二放大电路，分别用于消除二次谐波和放大所述相位差信号；
将消除二次谐波后并放大后的相位差信号与移相放大后的电网电压信号通过第二乘法鉴相电路相乘,生成幅度调整信号；
将所述幅度调整信号与电网电压信号通过加法器电路叠加，生成矢量控制信号，所述矢量控制信号通过矢量控制来控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。
2.根据权利要求1所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其特征在于：风力并网逆变器输出电流信号经过霍尔电流传感器转为电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其特征在于：经过霍尔电流传感器转为电压信号的风力并网逆变器输出电流信号经过电压跟随器电路后输出。
4.根据权利要求3所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其特征在于：将所述相位差信号通过低通滤波电路，用于消除二次谐波。
5.根据权利要求4所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的方法，其特征在于：风力并网逆变器输出电流信号经过霍尔电流传感器转为电压信号并通过电压跟随器电路后为                                                ，，电网电压信号为，，电网电压信号经第一移相电路和第一放大电路移相并放大后为，，风力并网逆变器输出电流信号和移相放大后的电网电压信号  通过第一乘法鉴相电路生成相位差信号，，设置低通滤波电路滤除二次谐波并通过第二放大电路放大相位差信号，相位差信号可简化为，当相角误差很小时，，得出，相位差信号再与移相并放大后的电压信号通过第二乘法鉴相电路相乘生成幅度调整信号，幅度调整信号通过加法器电路叠加原始电网电压信号形成矢量控制信号，风力并网逆变器将整流后的直流电，通过矢量控制信号，实现逆变器的输出电流与电网电压同相。
6.一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，其特征在于：包括：
移相电路，用于将接收到的电网电压信号移相；
第一放大电路，第一放大电路的输入端连接移相电路的输出端，用于将移相后的电网电压信号放大；
第一乘法鉴相电路，第一乘法鉴相电路的输入端分别连接第一放大电路、第二放大电路的输出端，用于将移相放大后的电网电压信号与放大后的风力并网逆变器输出电流信号相乘，生成输出的相位差信号；
低通滤波电路，低通滤波电路的输入端连接第一乘法鉴相电路的输出端，用于消除输入的相位差信号的二次谐波；
第二放大电路，第二放大电路的输入端连接低通滤波电路的输出端，用于放大相位差信号；
第二乘法鉴相电路，第二乘法鉴相电路的输入端分别连接第一放大电路的输出端、第二放大电路的输出端，用于将滤波放大后的相位差信号与移相放大后的电网电压信号相乘,生成输出的幅度调整信号；
加法器电路，加法器电路的输入端分别连接第二乘法鉴相电路的输入端、电网电压信号的输入端，用于将输入的幅度调整信号与电网电压信号叠加，生成输出的矢量控制信号，所述矢量控制信号通过矢量控制来控制风力并网逆变器输出电流信号与电网电压信号同频同相。
7.根据权利要求6所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，其特征在于：还包括电压跟随器电路，用于隔离转化成电压信号的风力并网逆变器输出电流信号。
8.根据权利要求7所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，其特征在于：所述移相电路包括TL084运算放大器U1A、电容C1、C2、C3和电阻R2；第一放大电路包括TL084运算放大器U3A、电阻R1、R4；电压跟随器电路包括TL084运算放大器U3D、电容C5、C8；第一乘法鉴相电路包括MPY634乘法鉴相器U4和电阻R13、R15、R16；低通滤波电路包括电阻R12和电容C7；第二放大电路包括TL084运算放大器U3C、电阻R10、R11；第二乘法鉴相电路包括MPY634乘法鉴相器U2和电阻R7、R8、R9；加法器电路包括TL084运算放大器U3B和电容C4、C6、电阻R6、R14、R3、R5。
9.根据权利要求8所述的一种控制风力并网逆变器同频同相的电路，其特征在于：电网电压信号P1从1端口输出后串联电阻R2后输入TL084运算放大器U1A的2端口，再从TL084运算放大器U1A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的2端口和1端口之间连接了电容C1，电网电压信号P1移相后从TL084运算放大器U1A的1端口输出，TL084运算放大器U1A的1端口串联电阻R4后与TL084运算放大器U3A的2端口相连接，电网电压信号P1放大后再从TL084运算放大器U3A的1端口输出，TL084运算放大器U3A的1端口与TL084运算放大器U3A 的2端口连接了电阻R1；风力并网逆变器输出电流信号P4转变成电压信号后从1端口输出后从TL084运算放大器U3D的12端口输入再从TL084运算放大器U3D的14端口输出进行隔离，TL084运算放大器U3D的13端口与14端口相连接形成反馈，TL084运算放大器U3A的1端口与MPY634乘法鉴相器U4的1端口相连接输入电网电压，TL084运算放大器U3D的14端口与MPY634乘法鉴相器U4的6端口相连接输入风力并网逆变器输出电流信号，MPY634乘法鉴相器U4的12、11端口相连接后输出相位差信号，相位差信号通过包括了电阻R12、电容C7的低通滤波器消除二次谐波后从TL084运算放大器U3C的9端口输入，相位差信号经放大后再从TL084运算放大器U3C的8端口输出，TL084运算放大器U3C的9端口与8端口之间连接了电阻R10，TL084运算放大器U3C的8端口连接MPY634乘法鉴相器U2的6端口把相位差信号输入给第二乘法鉴相器，TL084运算放大器U3A的1端口连接了MPY634乘法鉴相器U2的1端口把移相放大后的电网电压信号输入给第二乘法鉴相器，MPY634乘法鉴相器U2的12、11端口相连接后输出幅度调整信号，MPY634乘法鉴相器U2的12、11端口和电网电压信号P3的1端口分别连接TL084运算放大器U3B的5端口，将幅度调整信号与电网电压信号相叠加得到矢量控制信号从TL084运算放大器U3B的7端口输出，TL084运算放大器U3B的7端口与6端口之间连接了电阻R5并接地。
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