CN105932671A - 一种电网电压锁相方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压锁相方法及系统，锁相方法步骤包括：对三相电压采样值提取正序分量、变换到两相旋转坐标系并计算电网电压角度θ，每到一个电网工频周期，根据此时采样周期计算出的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ的差值，计算出电网电压角速度修正量Δω，并累加到上一个电网工频周期的电网电压角速度ω₂(K‑1)，将得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)并积分得到锁相输出角度θ₁；系统包括正序分量提取单元、两相静止坐标系变换单元、电网电压角度计算单元和锁相输出角度计算单元。本发明具有既保留了传统软件锁相方法锁相精度高、动态响应快的优点，又降低了锁相输出的频率值波动对系统性能的影响，锁相精度高、能够方便得出电网电压角速度的优点。

Description

一种电网电压锁相方法及系统

技术领域

本发明涉及PWM变流技术，具体涉及一种电网电压锁相方法及系统。

背景技术

在PWM变流器领域，需要通过锁相获得电网电压相位和频率从而进行相应的运算和控制。通常所用的锁相方法可分为两大类，硬件锁相和软件锁相。硬件锁相通常需要判断电网电压过零点，计算出电网电压的周期值，从而计算出电网电压的频率和相位。这种方法需要一个周期计算一次，动态响应较慢。软件锁相通常的方法是：将三相输入电压经过Park变换到dq两相旋转坐标系下，通过PI控制器调节q轴或d轴(根据实际变换)分量为零来捕获电压的相位和频率。此种方法还经常配合滤波器一起使用，或是对三相电压进行滤波，或是对变换后的d轴和q轴电压进行滤波，以此获得电压的正序分量，对其进行锁相来提高锁相的精度。目前，软件锁相应用较为广泛，对其研究的重点多集中在如何减小电网电压中的谐波以及由于电压不对称带来的负序分量对锁相精度的影响。然而，对于PI控制器输出波动对控制系统性能的影响，研究较少。

公开号为CN 103825300的中国专利文献公开了一种锁相方法，如图1所示，该技术方案在对三相电网电压进行滤波后，没有采用PI控制器将q轴电压调零来锁相的方法，而是将电网电压(U_a、U_b、U_c)的正序分量(U_a+、U_b+、U_c+)变换到两相静止坐标系αβ轴系内(得到U_α+和U_β+)，然后利用U_α+和U_β+的正交关系(图2所示电网电压角度θ、变换到两相静止坐标系αβ轴系的电压正序分量U_α+和U_β+之间的关系)，可得出电网电压角度θ对应的正弦值sin(θ)如式(1)所示和余弦值cos(θ)如式(2)所示；

$sin\mathrm{\θ}=\frac{U_{\mathrm{\β}+}}{\sqrt{U_{\mathrm{\α}+}^2+U_{\mathrm{\β}+}^2}}---\left(1\right)$

$cos\mathrm{\θ}=\frac{U_{\mathrm{\α}+}}{\sqrt{U_{\mathrm{\α}+}^2+U_{\mathrm{\β}+}^2}}---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中，sin(θ)表示电网电压角度θ对应的正弦值，cos(θ)表示电网电压角度θ对应的余弦值，U_α+和U_β+表示变换到两相静止坐标系αβ轴系的电压正序分量。但是，该技术方案存在下述问题：(1)锁相方法相当于开环控制，其精度不如采用PI控制的闭环控制精度高。(2)锁相结果为电网电压的角度信息，没有直观的得出电网电压的角速度。因此，传统的软件锁相方式，其PI控制器的输出波动会导致锁相环输出的频率发生波动，如果波动过大必然后降低整个系统的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种既保留了传统软件锁相方法锁相精度高、动态响应快的优点，又降低了锁相输出的频率值波动对系统性能的影响，锁相精度高、能够方便得出电网电压角速度的电网电压锁相方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种电网电压锁相方法，其特征在于步骤包括：

1)对三相电压采样值提取正序分量；

2)将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系；

3)将αβ两相静止坐标系下的电压分量变换到dq两相旋转坐标系，根据变换到dq两相旋转坐标系的电压分量获取电网电压角度θ；

4)在每一个电网工频周期，根据当前的锁相输出角度θ₁、当前的电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量Δω，将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)，将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

优选地，步骤4)的详细步骤包括：

4.1)检测当前的锁相输出角度θ₁，如果锁相输出角度θ₁接近指定角度时跳转执行下一步；

4.2)将当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值Δθ除以一个电网工频周期内进行电压采样的采样点数N，得到电网电压角速度修正量Δω；

4.3)将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的电网电压角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)；

4.4)将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

优选地，所述步骤3)中具体是指通过PARK变换将αβ两相静止坐标系下的正序分量变换到dq两相旋转坐标系，且将电网电压角度θ作为PARK变换的控制量。

优选地，所述步骤3)中获取电网电压角度θ的步骤包括：

3.1)将dq两相旋转坐标系的d轴电压分量U_d或q轴电压分量U_q送入PI控制器；

3.2)将PI控制器的输出量与基准频率ω₁相加得到电网电压角速度ω；

3.3)将电网电压角速度ω进行积分得到电网电压角度θ。

优选地，所述步骤2)中具体是指通过CLARK变换将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系。

本发明还提供一种电网电压锁相系统，包括：

正序分量提取单元，用于对三相电压采样值提取正序分量；

两相静止坐标系变换单元，用于将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系；

电网电压角度计算单元，用于将αβ两相静止坐标系下的电压分量变换到dq两相旋转坐标系，根据变换到dq两相旋转坐标系的电压分量获取电网电压角度θ；

锁相输出角度计算单元，用于在每一个电网工频周期根据当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量Δω，将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)，将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

优选地，所述锁相输出角度计算单元包括：

电网工频周期检测模块，用于检测当前的锁相输出角度θ₁，如果锁相输出角度θ₁接近指定角度时跳转执行角速度修正量计算模块；

角速度修正量计算模块，用于将当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值Δθ除以一个电网工频周期内进行电压采样的采样点数N，得到电网电压角速度修正量Δω；

角速度累加计算模块，用于将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的电网电压角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)；

锁相输出角度积分模块，用于将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

优选地，所述电网电压角度计算单元通过PARK变换将αβ两相静止坐标系下的电压分量变换到dq两相旋转坐标系，且将电网电压角度θ作为PARK变换的控制量。

优选地，所述电网电压角度计算单元中包括用于获取电网电压角度θ的电网电压角度计算模块，所述电网电压角度计算模块包括：

PI计算子模块，用于将dq两相旋转坐标系的d轴电压分量U_d或q轴电压分量U_q送入PI控制器；

基准频率求和子模块，用于将PI控制器的输出量与基准频率ω₁相加得到本电网工频周期的电网电压角速度ω；

角速度积分子模块，用于将电网电压角速度ω进行积分得到本电网工频周期的电网电压角度θ。

优选地，所述两相静止坐标系变换单元通过CLARK变换将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系。

本发明具有下述优点：本发明首先以传统软件锁相方法为基础计算电网电压角度θ，然后在每一个电网工频周期根据当前的锁相输出角度θ₁和电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量，将电网电压角速度修正量累加到上一个电网工频周期的角速度得到本电网工频周期的角速度，将本电网工频周期的角速度积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁，从而实现周期性修改锁相环输出的各个电网工频周期的角速度，避免了锁相环中的PI控制器动态调整时锁相环输出波动对系统性能的影响，既保留了传统软件锁相方法锁相精度高、动态响应快的优点，又降低了锁相输出的频率值波动对系统性能的影响，具有锁相精度高、能够方便得出电网电压角速度的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术锁相方法的原理示意图。

图2为现有技术锁相方法的电网电压角度θ、变换到两相静止坐标系αβ轴系的电压正序分量U_α+和U_β+之间的关系示意图。

图3为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图4为本发明实施例方法的整体原理示意图。

图5为本发明实施例方法的新增部分(图4的阴影部分)的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图3所示，本实施例电网电压锁相方法的步骤包括：

1)对三相电压采样值(U_a、U_b、U_c)提取正序分量，得到U_a+、U_b+、U_c+；

2)将提取得到的正序分量(U_a+、U_b+、U_c+)变换到αβ两相静止坐标系，得到U_α+和U_β+；

3)将αβ两相静止坐标系下的电压分量(得到U_α+和U_β+)变换到dq两相旋转坐标系(得到U_d和U_q)，根据变换到dq两相旋转坐标系的电压分量(U_d和U_q)获取电网电压角度θ；

4)在每一个电网工频周期，根据当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量Δω，将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)，将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

本实施例首先以传统软件锁相方法为基础计算电网电压角度θ，然后在每一个电网工频周期，根据锁相输出角度θ₁和当前的电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量Δω，将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)，将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁，一个电网电压工频周期调整一次锁相环输出的电网电压频率，并以此为基础计算电网电压的角度，避免了锁相环中的PI控制器动态调整时，锁相环输出波动对系统性能的影响，既保留了传统软件锁相方法锁相精度高、动态响应快的优点，又降低了锁相输出的频率值波动对系统性能的影响，具有锁相精度高、能够方便得出电网电压角速度的优点。

本实施例中，步骤2)中具体是指通过CLARK变换将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系。

本实施例中，步骤3)中具体是指通过PARK变换将αβ两相静止坐标系下的正序分量变换到dq两相旋转坐标系，且将电网电压角度θ作为PARK变换的控制量。

参见图4，本实施例步骤3)中获取电网电压角度θ的步骤包括：

3.1)将dq两相旋转坐标系的d轴电压分量U_d或q轴电压分量U_q送入PI控制器；

3.2)将PI控制器的输出量与基准频率ω₁相加得到电网电压角速度ω；

3.3)将电网电压角速度ω进行积分得到电网电压角度θ。

如图4和图5所示，本实施例步骤4)的详细步骤包括：

4.1)检测当前的锁相输出角度θ₁，如果锁相输出角度θ₁接近指定角度时跳转执行下一步；本实施例中指定角度具体为360°或0°，此外也可以根据需要采用其它角度，同样也可以实现一个电网工频周期运行一次图5中的虚线区域的处理。

4.2)将当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值Δθ除以一个电网工频周期内进行电压采样的采样点数N，得到电网电压角速度修正量Δω；

4.3)将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的电网电压角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)；

4.4)将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

图4所示软件锁相的框图中的步骤一个采样周期运行一次，其中填充区域为本实施例的新增部分；图5所示的本实施例新增部分的原理示意图中，左侧虚线框部分为每一个电网电压工频周期运行一次，其余部分一个采样周期运行一次，其中N指一个电网工频周期内的采样点数，K表示第K个电网电压工频周期。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电网电压锁相方法，其特征在于步骤包括：

1)对三相电压采样值提取正序分量；

2)将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系；

3)将αβ两相静止坐标系下的电压分量变换到dq两相旋转坐标系，根据变换到dq两相旋转坐标系的电压分量获取电网电压角度θ；

4)在每一个电网工频周期，根据当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量Δω，将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)，将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

2.根据权利要求1所述的电网电压锁相方法，其特征在于，步骤4)的详细步骤包括：

4.1)检测当前的锁相输出角度θ₁，如果锁相输出角度θ₁接近指定角度时跳转执行下一步；

4.2)将当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值Δθ除以一个电网工频周期内进行电压采样的采样点数N，得到电网电压角速度修正量Δω；

4.3)将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的电网电压角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)；

4.4)将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

3.根据权利要求2所述的电网电压锁相方法，其特征在于，所述步骤3)中具体是指通过PARK变换将αβ两相静止坐标系下的正序分量变换到dq两相旋转坐标系，且将电网电压角度θ作为PARK变换的控制量。

4.根据权利要求1所述的电网电压锁相方法，其特征在于，所述步骤3)中获取电网电压角度θ的步骤包括：

3.1)将dq两相旋转坐标系的d轴电压分量U_d或q轴电压分量U_q送入PI控制器；

3.2)将PI控制器的输出量与基准频率ω₁相加得到电网电压角速度ω；

3.3)将电网电压角速度ω进行积分得到电网电压角度θ。

5.根据权利要求1所述的电网电压锁相方法，其特征在于，所述步骤2)中具体是指通过CLARK变换将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系。

6.一种电网电压锁相系统，其特征在于包括：

正序分量提取单元，用于对三相电压采样值提取正序分量；

两相静止坐标系变换单元，用于将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系；

电网电压角度计算单元，用于将αβ两相静止坐标系下的电压分量变换到dq两相旋转坐标系，根据变换到dq两相旋转坐标系的电压分量获取电网电压角度θ；

锁相输出角度计算单元，用于在每一个电网工频周期根据当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值生成电网电压角速度修正量Δω，将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)，将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

7.根据权利要求6所述的电网电压锁相系统，其特征在于，所述锁相输出角度计算单元包括：

电网工频周期检测模块，用于检测当前的锁相输出角度θ₁，如果锁相输出角度θ₁接近指定角度时跳转执行角速度修正量计算模块；

角速度修正量计算模块，用于将当前的锁相输出角度θ₁、电网电压角度θ之间的差值Δθ除以一个电网工频周期内进行电压采样的采样点数N，得到电网电压角速度修正量Δω；

角速度累加计算模块，用于将电网电压角速度修正量Δω和上一个电网工频周期的电网电压角速度ω₂(K-1)相加得到本电网工频周期的角速度ω₂(K)；

锁相输出角度积分模块，用于将本电网工频周期的角速度ω₂(K)积分得到本电网工频周期的锁相输出角度θ₁。

8.根据权利要求7所述的电网电压锁相系统，其特征在于，所述电网电压角度计算单元通过PARK变换将αβ两相静止坐标系下的电压分量变换到dq两相旋转坐标系，且将电网电压角度θ作为PARK变换的控制量。

9.根据权利要求7所述的电网电压锁相系统，其特征在于，所述电网电压角度计算单元中包括用于获取电网电压角度θ的电网电压角度计算模块，所述电网电压角度计算模块包括：

PI计算子模块，用于将dq两相旋转坐标系的d轴电压分量U_d或q轴电压分量U_q送入PI控制器；

基准频率求和子模块，用于将PI控制器的输出量与基准频率ω₁相加得到电网电压角速度ω；

角速度积分子模块，用于将电网电压角速度ω进行积分得到电网电压角度θ。

10.根据权利要求6所述的电网电压锁相系统，其特征在于，所述两相静止坐标系变换单元通过CLARK变换将提取得到的正序分量变换到αβ两相静止坐标系。