CN104901685A - 一种基于自适应陷波器的锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应陷波器的锁相环，采用自适应陷波器，并通过合理的设置滤波参数，以消除电网电压畸变对锁相产生的影响，同时克服采用DFT或低通滤波方式带来的延时和动态响应慢的问题。本发明的有益效果是：可实现对谐波和闪变条件下的微电网电压相位的精确、快速锁相，以消除微电网电压谐波和闪变对并网变流装置相位检测的影响。

Description

一种基于自适应陷波器的锁相环

技术领域

本发明涉及一种基于自适应陷波器的锁相环。

背景技术

微电网技术的出现，为电网末端的电能质量改善、无电地区的电力供应以及大电网抵御事故和灾害的能力的提高提供了一种解决方案。由于微电网的容量通常较为有限，因此电网谐波和闪变受分布式能源(光伏、风力、)随机性和负荷突变的影响比较明显，这将直接影响微电网中的并网变流装置如光伏逆变器、风机变流器、储能变流器等关键设备对于电网电压相位检测的快速性和精确性，进而影响到设备的控制性能以及整个微电网系统运行的稳定性。

现有技术中，常用的数字锁相控制方法主要有：

(1)基于电压过零点的锁相环，该方法在电网电压波形畸变时会出现锁相错误，且对于相位差的获取需要一个电网周期，动态响应较差；

(2)基于离散傅里叶变换(DFT)的锁相环，存在算法计算量大、动态响应慢的问题；

(3)基于坐标变换的锁相环，该方法可在一个开关周期获取相位差信号，动态性能好，但在电网谐波较大或三相电压不平衡时会存在较大的锁相误差；

(4)基于低通滤波方式的锁相环，通过减小带宽的方式滤除电网电压不平衡时两倍工频的干扰，但由于低通滤波的延时较大，在电网电压严重不平衡时会导致功率器件出现过流故障。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于自适应陷波器的锁相环，可实现对谐波和闪变条件下的微电网电压相位的精确、快速锁相，以消除微电网电压谐波和闪变对并网变流装置相位检测的影响。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，包括顺次相连的鉴相器、自适应陷波器、PI调节器和积分器；

所述鉴相器的输入端分别与三相电网电压、积分器的输出端相连并通过Clarke变换和Park变换获取q轴电网电压分量ΔUq(n)，其中，n＝1，2，3……表示时刻，且用于Park变换的角度来自于上一个开关时刻积分器所输出的电网相位；

所述自适应陷波器通过对相位差信号ΔUq(n)的自适应陷波处理，得到滤波后的相位差信号ΔUq*(n)；

所述PI调节器通过对自适应陷波器输出的相位差信号ΔUq*(n)的PI调节，使得q轴电网电压分量ΔUq(n)跟踪给定信号0，得到电网角频率的变化量Δω(n)；

所述积分器通过对电网角频率的积分获得当前电网相位θ(n)，其中，电网角频率由额定电网频率ω_g与PI调节器的输出Δω(n)相加得到。

优选，所述自适应陷波器包括相连的自适应陷波单元和自适应权值调整单元。

所述自适应陷波单元：用于根据上一时刻自适应权值单元输出的权值W(n-1)计算得到其转置WT(n-1)，并与鉴相器输出的ΔUq(n)的值进行乘积，获得当前时刻的自适应陷波单元的输出信号ΔUq*(n)；

所述自适应权值调整单元：用于根据自适应陷波单元的输出信号ΔUq*(n)和期望信号d(n)的差值e(n)，去更新自适应权值调整单元的权值W(n)。

本发明采用自适应陷波器，并通过合理的设置滤波参数，以消除电网电压畸变对锁相产生的影响，同时克服采用DFT或低通滤波方式带来的延时和动态响应慢的问题。

本发明的有益效果是：可实现对谐波和闪变条件下的微电网电压相位的精确、快速锁相，以消除微电网电压谐波和闪变对并网变流装置相位检测的影响。

附图说明

图1是本发明一种基于自适应陷波器的锁相环的结构框图；

图2是本发明自适应陷波器的结构示意图；

图3是本发明自适应陷波器算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种基于自适应陷波器的锁相环，如图1所示，包括顺次相连的鉴相器、自适应陷波器、PI调节器和积分器；

所述鉴相器的输入端分别与三相电网电压、积分器的输出端相连并通过Clarke变换和Park变换获取q轴电网电压分量ΔUq(n)，(即相位差信号)，其中，n＝1，2，3……表示时刻，且用于Park变换的角度来自于上一个开关时刻积分器所输出的电网相位；

所述自适应陷波器通过对相位差信号ΔUq(n)的自适应陷波处理，滤除其中的谐波信号，得到滤波后的相位差信号ΔUq*(n)；

所述PI调节器通过对自适应陷波器输出的相位差信号ΔUq*(n)的PI调节，使得q轴电网电压分量ΔUq(n)跟踪给定信号0，得到电网角频率的变化量Δω(n)；

所述积分器通过对电网角频率的积分获得当前电网相位θ(n)，其中，电网角频率由额定电网频率ω_g与PI调节器的输出Δω(n)相加得到。

优选如图2所示，所述自适应陷波器包括相连的自适应陷波单元和自适应权值调整单元。

其中：

自适应陷波单元：用于根据上一时刻自适应权值单元输出的权值W(n-1)计算得到其转置W^T(n-1)，并与鉴相器输出的ΔUq(n)的值进行乘积，获得当前时刻自适应陷波单元的输出信号ΔUq*(n)；

自适应权值调整单元：根据自适应陷波单元的输出信号ΔUq*(n)和期望信号d(n)的差值e(n)，去更新自适应权值调整单元的权值W(n)，使得下一时刻自适应陷波单元输出的ΔUq*(n+1)与期望信号d(n+1)的差值e(n+1)进一步减小。

通过自适应陷波器模块消除电网谐波和闪变信号对q轴电压信号的干扰，自适应陷波器在工作过程中，需要进行参数更新，即对于n＝1，2…，计算：

更新增益：

$k\left(n\right)=P(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)/[\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ}{U}_q^T\left(n\right)P(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)]---\left(1\right)$

滤波： $\mathrm{\Δ}{U}_q^{*}\left(n\right)=W^T(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)---\left(2\right)$

估计误差： $e\left(n\right)=d\left(n\right)-\mathrm{\Δ}{U}_q^{*}\left(n\right)---\left(3\right)$

更新权值：W(n)＝W(n-1)+k(n)e(n)  (4)

更新矩阵： $P\left(n\right)={\mathrm{\λ}}^{-1}[P(n-1)-k\left(n\right)\mathrm{\Δ}{U}_q^T\left(n\right)P(n-1)]---\left(5\right)$

更新期望信号：d(n)＝ΔU_q(n-1)  (7)

式中：

λ为遗忘因子，且0＜λ＜1，遗忘因子越大，滤波效果越好；

对于期望信号d(n)，由于其值大小随着锁相过程的进行逐步趋向于0，即其值并非恒定或已知，故除令d(0)＝0以外，其它时刻均令期望信号d(n)＝ΔUq(n-1)，即：

$d\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& n=0;\\ \mathrm{\Δ}{U}_q(n-1),& n\≠0;\end{array}\right.---\left(6\right).$

优选，所述自适应陷波器的具体算法如图3所示：

S01：对自适应陷波器的参数进行初始化：令W(0)＝0，d(0)＝0，P(0)＝σ^-1I，其中I为单位矩阵，σ＝0.01；

S02：读入进行自适应陷波器计算所需要的数据d(n)和ΔU_q(n)；

S03：通过式(2)计算自适应陷波单元的输出

$\mathrm{\Δ}{U}_q^{*}\left(n\right)=W^T(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)---\left(2\right)$

S04：通过式(3)计算估计误差e(n)：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-\mathrm{\Δ}{U}_q^{*}\left(n\right)---\left(3\right)$

S05：通过式(4)更新滤波器的权值W(n)：

W(n)＝W(n-1)+k(n)e(n)  (4)

其中，k(n)表示增益，

$k\left(n\right)=P(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)/[\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ}{U}_q^T\left(n\right)P(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)]---\left(1\right)$

式中，λ为遗忘因子，P(n)为矩阵且：

$P\left(n\right)={\mathrm{\λ}}^{-1}[P(n-1)-k\left(n\right)\mathrm{\Δ}{U}_q^T\left(n\right)P(n-1)]---\left(5\right);$

S06：判断迭代次数是否达到预设值N，若是，则自适应陷波算法结束，否则，转入步骤S02。

本发明采用自适应陷波器，并通过合理的设置滤波参数，以消除电网电压畸变对锁相产生的影响，同时克服采用DFT或低通滤波方式带来的延时和动态响应慢的问题。可实现对谐波和闪变条件下的微电网电压相位的精确、快速锁相，以消除微电网电压谐波和闪变对并网变流装置相位检测的影响。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，包括顺次相连的鉴相器、自适应陷波器、PI调节器和积分器；

所述鉴相器的输入端分别与三相电网电压、积分器的输出端相连并通过Clarke变换和Park变换获取q轴电网电压分量ΔUq(n)，其中，n＝1,2,3……表示时刻，且用于Park变换的角度来自于上一个开关时刻积分器所输出的电网相位；

所述自适应陷波器通过对相位差信号ΔUq(n)的自适应陷波处理，得到滤波后的相位差信号ΔUq*(n)；

所述PI调节器通过对自适应陷波器输出的相位差信号ΔUq*(n)的PI调节，使得q轴电网电压分量ΔUq(n)跟踪给定信号0，得到电网角频率的变化量Δω(n)；

所述积分器通过对电网角频率的积分获得当前电网相位θ(n)，其中，电网角频率由额定电网频率ω_g与PI调节器的输出Δω(n)相加得到。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，所述自适应陷波器包括相连的自适应陷波单元和自适应权值调整单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，

所述自适应陷波单元：用于根据上一时刻自适应权值单元输出的权值W(n-1)计算得到其转置W^T(n-1)，并与鉴相器输出的Δ

Uq(n)的值进行乘积，获得当前时刻的自适应陷波单元的输出信号ΔUq*(n)；

所述自适应权值调整单元：用于根据自适应陷波单元的输出信号ΔUq*(n)和期望信号d(n)的差值e(n)，去更新自适应权值调整单元的权值W(n)。

4.根据权利要求3所述的一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，所述自适应陷波器的具体算法如下：

S01：对自适应陷波器的参数进行初始化：令W(0)＝0，d(0)＝0，P(0)＝σ^-1I，其中I为单位矩阵，σ＝0.01；

S02：读入进行自适应陷波器计算所需要的数据d(n)和ΔU_q(n)；

S03：通过式(2)计算自适应陷波单元的输出

$\mathrm{\Δ}{U}_q^{*}\left(n\right)=W^T(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)---\left(2\right)$

S04：通过式(3)计算估计误差e(n)：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-\mathrm{\Δ}{U}_q^{*}\left(n\right)---\left(3\right)$

S05：通过式(4)更新滤波器的权值W(n)：

W(n)＝W(n-1）+k(n)e(n)  (4)

其中，k(n)表示增益，

$k\left(n\right)=P(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)/[\mathrm{\λ}+\mathrm{\Δ}{U}_q^T\left(n\right)P(n-1)\mathrm{\Δ}{U}_q\left(n\right)]---\left(1\right)$

式中，λ为遗忘因子，P(n)为矩阵且：

$P\left(n\right)={\mathrm{\λ}}^{-1}[P(n-1)-k\left(n\right)\mathrm{\Δ}{U}_q^T\left(n\right)P(n-1)]---\left(5\right);$

S06：判断迭代次数是否达到预设值N，若是，则自适应陷波算法结束，否则，转入步骤S02。

5.根据权利要求3所述的一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，所述期望信号d(n)的取值为：

$d\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}0,n=0;\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{Uq}(n-1),n\≠0;\end{array}\right.---\left(6\right).$

6.根据权利要求4所述的一种基于自适应陷波器的锁相环，其特征在于，0＜λ＜1。