CN105158597A - 一种改善单相数字锁相环电网电压相位监测动态性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善单相数字锁相环电网电压相位监测动态性能的方法，在单相需要采用锁相环获得电网电压相位信息的控制系统中，利用广义二阶积分器构建的锁频环获得电网电压频率信息，进而将这一频率作为锁相环参考频率输入，从而构建一种改进的锁相环，提高锁相环的动态性能。采用本发明能够提高锁相环的动态响应速度，在电网电压相位发生跳变或频率波动时，提高锁相环跟踪电网电压相位的速度，从而减小相位跳变或频率波动对变流器的不利影响，提高变流器的性能。

Description

一种改善单相数字锁相环电网电压相位监测动态性能的方法

技术领域

本发明涉及电网电压相位获取的锁相环，适用于所有需要采用锁相环获取电压相位的应用场合。

背景技术

在新能源并网、UPS电源、交流传动电力机车等应用场合，迅速而精确地获得电网的频率和相位信息对系统的控制以及可靠稳定运行至关重要。锁相环是实现上述频率和相位快速检测的有效手段。根据实现方式的不同，锁相环可分为软件锁相环和硬件锁相环。硬件锁相环也即传统的过零比较相位检测方法，该方法虽然实现简单，但锁相效果差，抗谐波干扰能力有限。全数字锁相环除具有可靠性高、抗干扰能力强、体积小、价格低、易于集成、外围电路简单等优点外，还解决了若干模拟环难以解决的根本性难题，如直流零点漂移、器件饱和、对温度敏感、必须进行初始化校准等，所以发展全数字锁相环是必然趋势。

单相数字锁相环是交流传动电力机车、单相并网系统中变流器控制的关键环节之一，用于获取电网相位信息。常用的单相数字锁相环技术主要有：

1)基于dq变换的单相锁相环。当输入电压信号和跟踪正弦信号相乘后送入到滤波器输入端，经过低通滤波后得到电压差ΔE1，反相后送入数字PI调节器，如果跟踪信号相位滞后输入电网电压信号，则数字PI调节器增大输出ω值，最终使跟踪信号相位赶上电网相位。当跟踪信号相位超前电网电压信号相位，则数字PID调节器减小输出ω值，最终使跟踪信号相位赶上电网相位。当系统调节完毕稳定后，ΔE1为零，ω值保持不变，跟踪信号和电网相位相等。

2)基于广义二阶积分器的单相锁相环。本方法利用广义二阶积分器将单相输入电压移相90°，然后将重构的输入电压和移相90°的电压进行旋转变换，得到d轴分量，送入锁相环得到相位信息。

3)基于虚拟电功率的单相锁相环。本方法利用输入电压和锁相环检测的角度，计算出虚拟有功功率，和参考功率比较后送入传统的锁相环，得到电网电压相位信息。

上述所有的相位检测方法，参考电网电压频率都是一个定值，在电网相位、频率发生变化时，均通过调节PI环节调整输出的相位角，会显著增加其调节负担，不利于锁相环性能的提高。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的就是针对现有的锁相环技术，提出了利用广义二阶积分器—锁频环获取电网电压的频率信息并将其作为锁相环的参考电网电压频率，从而提高锁相环的性能。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种改善单相数字锁相环电网电压相位监测动态性能的方法,基于广义二阶积分器-锁频环-锁相环，在单相数字锁相环电网电压相位监测动态控制系统中获得电网电压频率，并将其作为锁相环参考频率输入，提高锁相环的动态性能；其具体手段包括:

1)采集电网电压信号，将电网侧的电压转换为较低的电压并经控制系统的AD转换后送入控制系统；

2)控制系统将1)所得电网电压经过广义二阶积分器-锁频环得到电网电压的频率、重构的电网电压信号及输入电压移相90°的电压信号；

3)控制系统将2)所得信息输出至锁相环，通过锁相环得到电网电压相位信息。

采用本发明方法可以能够提高锁相环的动态性能，在电网电压频率、相位发生变化时，缩短锁相环的调整时间，提高系统的性能的动态性能。

附图说明

图1是传统的锁相环结构图

图2是基于广义二阶积分器(SOGI)的锁相环结构图

图3是基于虚拟有功的锁相环结构图

图4是基于广义二阶积分器—锁频环—锁相环结构图。

图5是基于广义二阶积分器—锁频环—锁相环软硬件实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

1.基本原理

基于广义二阶积分器-锁频环-锁相环，在单相需要采用锁相环获得电网电压相位信息的控制系统中，除了利用广义二阶积分器来获得输入信号的估计值v`以及v`的正交值qv`外，还利用锁频环获得电网电压频率信息，进而将这一频率作为锁相环参考频率输入，从而构建一种改进的锁相环，提高锁相环的动态性能。

在本发明中，当电网电压频率、相位发生变化时，广义二阶积分器-锁频环环节能够很快的估算出频率变化(相位的变化最终也是通过频率变化体现的)，因此将其作为锁相环的参考频率，就能提高锁相环的动态性能。

2.实现过程

基于广义二阶积分器-锁频环-锁相环实验过程包括如下环节：

1)采集电网电压信号。控制系统采集电网电压信号可以通过电压互感器或者电压传感器采集，将电网侧的电压转换为较低的电压并经控制系统的AD转换后送入控制系统。

2)控制系统将电网电压经过广义二阶积分器-锁频环得到电网电压的频率、重构的电网电压信号及输入电压移相90°的电压信号。

3)控制系统利用广义二阶积分器-锁频环输出，通过锁相环得到电网电压相位信息。

图4是基于广义二阶积分器—锁频环—锁相环结构图，其主要由SOGI-QSG、FLL以及PLL三部分组成。对于给定的正弦输入信号图中v`为输入信号的估计值，qv`为v`的正交值，ε<sub>v</sub>为估计误差，ω`为FLL估算的输入信号角频率。SOGI-QSG中的估计误差ε_v和正交输出qv`的乘积ε<sub>f</sub>作为FLL模块的输入，当正弦输入信号v的频率小于FLL输入频率时(ω＜ω`)，qv`和ε<sub>v</sub>同相位，ε<sub>f</sub>＞0；当输入信号的频率大于FLL输出频率时(ω＞ω`)，qv`和ε<sub>v</sub>相位相反，ε<sub>f</sub>＜0；当ω＝ω`时，ε_f＝0。FLL中具有负增益－γ的积分器根据ε_f的变化，逐渐调整输出频率ω`，最终使ω＝ω`。这样SOGI-FLL将获得的输入信号的估计值v`、v`的正交值qv`以及FLL估算的输入信号角频率ω`送入锁相环，即可得到输入电压信号的相位信息

图5是基于广义二阶积分器—锁频环—锁相环软硬件实现示意图，输入电压由电压互感器或者传感器变换成满足控制系统需要的电压信号，经过AD转换后送入控制系统的SOGI-FLL-PLL环节，获得电网电压的相位信息

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种改善单相数字锁相环电网电压相位监测动态性能的方法,其特征在于,基于广义二阶积分器-锁频环-锁相环，在单相数字锁相环电网电压相位监测动态控制系统中获得电网电压频率，并将其作为锁相环参考频率输入，提高锁相环的动态性能；其具体手段包括:

1)采集电网电压信号，将电网侧的电压转换为较低的电压并经控制系统的AD转换后送入控制系统；

2)控制系统将1)所得电网电压经过广义二阶积分器-锁频环得到电网电压的频率、重构的电网电压信号及输入电压移相90°的电压信号；

3)控制系统将2)所得信息输出至锁相环，通过锁相环得到电网电压相位信息。