CN106374917A - 一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于电压暂降情况下，基于延时信号消除方法的改进型软件锁相技术实现方法，包括步骤1：将三相静止坐标系下三相电压u_sa、u_sb、u_sc变换至两相静止αβ坐标系下分量u_sα和u_sβ；步骤2：所得u_sα和u_sβ通过延迟信号消除法分离出在两相静止αβ坐标系下的电网电压正序分量和步骤3：计算锁相环输出相角和实际电网的相角差值与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积步骤4：计算电网电压的频率信息；步骤5：对于电网电压的频率进行积分后得到电网电压的相位信息，该相位信息被用作步骤3中的三角函数合并运算，进而构成闭环反馈系统。本发明以在电网发生电压暂降的情况下，快速提供准确的电网电压基波正序分量的相位和频率。

Description

一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法

技术领域

本发明属于电能检测，锁相技术领域，具体涉及一种应用于电压暂降情况下，基于延时信号消除(Delay Signal Cancellation,DSC)方法的改进型软件锁相技术实现方法。

背景技术

随着电力工业和电力电子技术的迅速发展，以及传统化石能源的日益枯竭，可再生能源在电力系统的广泛应用已成为必然趋势。然而，可在生能源常以分布式的形式介入电网中，这使得电力系统网络结构复杂化、负荷弹性化和非线性化。不仅如此，这还严重污染了电力系统的电能质量，危及可再生能源的并网接入。

在可再生能源系统中，并网逆变器是实现可再生能源发电单元与电网联系的接口，是十分关键的设备。面对电力系统最为常见的故障——电压暂降，并网逆变器不离网不间断运行成为其最为重要的发展方向之一，即实现低电压穿越。目前的低电压穿越的控制方案一般是基于dq同步旋转坐标系下进行的，这使得快速而准确地测量电压暂降下的相角和频率成为逆变器实现低压穿越亟需解决的问题。

如图1所示，目前广泛采用的措施是锁相环技术。硬件锁相环采用过零点检测，这使得基波正序电压的测量受到负序电压和零序电压较大的影响。而基于Clarke变换和Park变换的软件锁相环方案通常受到二倍频谐波的干扰，或滤波器延时的影响。这使得锁相环在电压暂降发生时，响应时间长，频率的超调量大，相角的跟踪速度慢，这都会给逆变器的低电压穿越带来负面影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法，可以在电网发生电压暂降的情况下，快速提供准确的电网电压基波正序分量的相位和频率。

本发明解决现有的技术问题通过以下技术方案进行实现：

一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方式，包括以下步骤：

步骤1：采样三相电网电压，通过Clarke变换，将三相静止坐标系下三相电压u_sa、u_sb和u_sc变换至两相静止αβ坐标系下分量u_α和u_β；

步骤2：u_α和u_β通过延迟信号消除法分离出在两相静止αβ坐标系下的电网电压正序分量和

步骤3：将αβ坐标系下的电网电压正序分量和分别乘以锁相环所输出相角的正弦值和余弦值，经三角函数合并，得到锁相环输出相角和实际电网的相角差值Δφ与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积构成输出信号的反馈；

步骤4：计算电网电压的频率信息；

步骤5：电网电压的频率进行积分后得到电网电压的相位信息，所述相位信息反馈至步骤3中的三角函数合并运算，构成闭环反馈。

步骤1中两相静止αβ坐标系下分量u_α和u_β，通过式(1)计算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=T_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{u}_{sa}\\ u_{sb}\\ u_{sc}\end{array}\right],T_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

u_sa、u_sb和u_sc为三相静止坐标系下三相电压，u_α和u_β为三相静止坐标系下三相电压变换到两相静止αβ坐标系下的分量。

步骤2的具体实现步骤为：

201：将步骤1中所得到的分量u_α和u_β分为正序、负序和零序的形式，满足式(2)：

式(4)中，和分别为三相电压在αβ坐标系下正序分量、负序分量和零序分量，为三相电压在αβ坐标系下正序分量幅值，为αβ坐标系下负序分量幅值，为负序电压初始相角；

202：对于分量u_α和u_β，进行1/4个基波周期延迟后的值，满足式(3)：

T为基波周期；

203：分量u_α和u_β经过延时信号消除法后，得到电网电压在αβ坐标系下正序分量和负序分量，满足式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\α}}^{-}=1/2\[u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\β}}^{-}=1/2\[u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\]\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，为电网电压在αβ坐标系下两相电压的正序分量，为电网电压在αβ坐标系下两相电压的负序分量；u_α(t)、u_β(t)为分量u_α和u_β的函数表示形式。

步骤3中，αβ坐标系下正序分量满足式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]={U_s}^{+}\cos \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]={U_s}^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\end{array}\right.,---\left(5\right)$

为三相电压在αβ坐标系下正序分量幅值；为电网电压在αβ坐标系下两相电压的正序分量；

和分量分别乘以锁相环所输出相角的正弦值和余弦值，并进行三角函数合并，得到锁相环输出相角和实际电网的相角差值与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积，式(6)和(7)所示：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}=\∫f_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}dt---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\β}}^{+}\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)-u_{\mathrm{\α}}^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)\\ =U_s^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)-U_s^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\\ =U_s^{+}\sin ({\mathrm{\φ}}_g-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL})\\ \≈\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\×U_s^{+}\end{array}---\left(7\right)$

式中，φ_αβ-PLL为锁相环输出相角，f_αβ-PLL为锁相环测量输出的电网正序电压频率，Δφ为锁相环输出相角和实际电网的相角差值，φ_g为实际电网的相角。

步骤4的计算方法为：给定角频率为实际电网角频率，令锁相环输出相角和实际电网的相角差值为零，采用PI调节器对于误差Δφ进行调节，PI调节器的输出为锁相环测量输出的电网正序电压频率f_αβ-PLL。

与现有锁相环技术相比，本发明的优点和积极效果为：

本发明在电网电压发生平衡或不平衡电压暂降时，剔除不平衡电压中的非正序分量，在至多T/4的时间内快速、准确、稳定的完成电网频率以及电网基波相位的锁定，相比于传统的DSdq-PLL技术明显缩小了响应时间与超调量。在实际发生不同种类的电压暂降的暂态过程中表现出了稳定、准确、快速的锁定电网相位的能力。

附图说明

图1是基于延时信号消除法的传统锁相环DSCdq-PLL结构图；

图2是基于两相静止αβ坐标系锁相环结构图；

图3是延时信号消除法的实现原理结构图；

图4是本发明改进型锁相环DSCαβ-PLL结构图

图5是电网电压发生电压暂降下频率突变时示意图；

图6是电网电压发生电压暂降下相位突变时示意图；

图7a是在电网频率发生突变时基于延时信号消除法的传统锁相环(DSCdq-PLL)输出频率示意图；

图7b是在电网频率发生突变时基于本发明的改进型锁相环(DSCαβ-PLL)输出频率示意图；

图8是电网频率发生突变时基于本发明的改进型锁相环输出相位与电网正序基波电压对比示意图；

图9是电网相位发生突变时基于本发明的改进型锁相环输出相位与电网正序基波电压对比示意图。

具体实施方式

下面参照附图，对本方法的应用进行详细描述。

本发明解决现有的技术问题通过以下技术方案进行实现：

一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方式，包括以下步骤：

步骤1：采样三相电网电压，通过Clarke变换，将三相静止坐标系下三相电压u_sa、u_sb和u_sc变换至两相静止αβ坐标系下分量u_α和u_β；如图2所示；

步骤2：u_α和u_β通过延迟信号消除法分离出在两相静止αβ坐标系下的电网电压正序分量和

步骤3：将αβ坐标系下的电网电压正序分量和分别乘以锁相环所输出相角的正弦值和余弦值，经三角函数合并，得到锁相环输出相角和实际电网的相角差值Δφ与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积构成输出信号的反馈；

步骤4：计算电网电压的频率信息；

步骤5：电网电压的频率进行积分后得到电网电压的相位信息，所述相位信息反馈至步骤3中的三角函数合并运算，构成闭环反馈。

步骤1中两相静止αβ坐标系下分量u_α和u_β，通过式(1)计算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=T_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{u}_{sa}\\ u_{sb}\\ u_{sc}\end{array}\right],T_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

u_sa、u_sb和u_sc为三相静止坐标系下三相电压，u_α和u_β为三相静止坐标系下三相电压变换到两相静止αβ坐标系下的分量。

如图3所示，步骤2的具体实现步骤为：

201：将步骤1中所得到的分量u_α和u_β分为正序、负序和零序的形式，满足式(2)：

式(4)中，和分别为三相电压在αβ坐标系下正序分量、负序分量和零序分量，为三相电压在αβ坐标系下正序分量幅值，为αβ坐标系下负序分量幅值，为负序电压初始相角；

202：对于分量u_α和u_β，进行1/4个基波周期延迟后的值，满足式(3)：

T为基波周期；

203：分量u_α和u_β经过延时信号消除法后，得到电网电压在αβ坐标系下正序分量和负序分量，满足式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\α}}^{-}=1/2\[u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\β}}^{-}=1/2\[u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\]\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，为电网电压在αβ坐标系下两相电压的正序分量，为电网电压在αβ坐标系下两相电压的负序分量；u_α(t)、u_β(t)为分量u_α和u_β的函数表示形式。

步骤3中，αβ坐标系下正序分量满足式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]={U_s}^{+}cos\left({\mathrm{\φ}}_g\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]={U_s}^{+}sin\left({\mathrm{\φ}}_g\right)\end{array}\right.,---\left(5\right)$

为三相电压在αβ坐标系下正序分量幅值；为电网电压在αβ坐标系下两相电压的正序分量；

如图4所示，和分量分别乘以锁相环所输出相角的正弦值和余弦值，并进行三角函数合并，得到锁相环输出相角和实际电网的相角差值与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积，式(6)和(7)所示：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}=\∫f_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}dt---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\β}}^{+}\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)-u_{\mathrm{\α}}^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)\\ =U_s^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)-U_s^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\\ =U_s^{+}\sin ({\mathrm{\φ}}_g-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL})\\ \≈\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\×U_s^{+}\end{array}---\left(7\right)$

式中，φ_αβ-PLL为锁相环输出相角，f_αβ-PLL为锁相环测量输出的电网正序电压频率，Δφ为锁相环输出相角和实际电网的相角差值，φ_g为实际电网的相角。

步骤4的计算方法为：给定角频率为实际电网角频率，令锁相环输出相角和实际电网的相角差值为零，采用PI调节器对于误差Δφ进行调节，PI调节器的输出为锁相环测量输出的电网正序电压频率f_αβ-PLL。

为了证明所提出理论的正确性，采用Matlab动态仿真软件对于本发明方法进行数字仿真。仿真电路参数为：电网电压在1s时发生电压暂降故障，仿真时间为1.15s。

具体实施效果为：

图5是当电网发生电压暂降下频率突变时仿真波形图，三条波形分别为三相电压波形，由图5可见，电网电压在1s时发生三相电压暂降，三相电压均降至0.3pu.，并且电网电压频率发生突变，即由50Hz突变至51Hz。

图6是当电网发生电压暂降下相位突变时仿真波形图，其中，B相幅值降至0.567pu.，C相幅值降至0.445pu.，B、C相电压发生相位突变，其中B相电压相位超前18°，C相电压相位滞后29°。

图7a所示为传统的DSCdq-PLL输出频率波形图与本发明的改进型DSCαβ-PLL输出频率波形图，由仿真波形可以看出，当电网发生三相对称电压暂降与电网频率突变时，传统的DSdq-PLL需要比本发明的改进型DSCαβ-PLL多1个周期的调节时间以及多0.5％的超调来锁定电网频率，本发明的改进型DSCαβ-PLL的响应时间短，并且只需要0.012％超调就可以稳定锁住电网电压频率。

图7b所示为传统的DSCdq-PLL的输出频率示意图与本发明的改进型DSCαβ-PLL输出频率波形图。从图7b可以看出，当电网发生电压暂降具有相位突变时，传统的DSCdq-PLL需要比本发明的改进型锁相环多0.5个周期的调节时间以及多1.93％的超调来锁定电网频率。本发明的改进型DSCαβ-PLL相比于传统的锁相环具有更快的响应时间，并且仅需至多1％的超调量即可稳定的锁定当前电网电压的频率。

图8所示为当电网电压在同时发生电压暂降与频率突变时电网电压A相的基波正序分量与本发明DSCαβ-PLL所输出的相角信息的对比仿真波形。从图中可以看出，当电网发生三相电压暂降与电网频率突变时，本发明的改进型DSCαβ-PLL几乎无延时稳定锁定实际电网电压相位。

图9所示为当电网发生具有相位突变的电压暂降时，电网电压A相的基波正序分量与本发明的DSCαβ-PLL所输出的相角信息的对比仿真波形。从图中可以看出，当电网发生具有相位突变的电压暂降时，本发明改进型DSαβ-PLL可以几乎无延时的稳定锁定实际电网电压相位。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采样三相电网电压，通过Clarke变换，将三相静止坐标系下三相电压u_sa、u_sb和u_sc变换至两相静止αβ坐标系下分量u_α和u_β；

步骤2：u_α和u_β通过延迟信号消除法分离出在两相静止αβ坐标系下的电网电压正序分量和

步骤3：将αβ坐标系下的电网电压正序分量和分别乘以锁相环所输出相角的正弦值和余弦值，经三角函数合并，得到锁相环输出相角和实际电网的相角差值Δφ与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积构成输出信号的反馈；

步骤4：计算电网电压的频率信息；

步骤5：电网电压的频率进行积分后得到电网电压的相位信息，所述相位信息反馈至步骤3中的三角函数合并运算，构成闭环反馈。

2.根据权利要求1中所述的一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法，其特征在于：所述步骤1中两相静止αβ坐标系下分量u_α和u_β，通过式(1)计算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=T_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\left[\begin{array}{c}{u}_{sa}\\ u_{sb}\\ u_{sc}\end{array}\right],T_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

u_sa、u_sb和u_sc为三相静止坐标系下三相电压，u_α和u_β为三相静止坐标系下三相电压变换到两相静止αβ坐标系下的分量。

3.根据权利要求1中所述的一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现步骤为：

201：将步骤1中所得到的分量u_α和u_β分为正序、负序和零序的形式，满足式(2)：

式(4)中，和分别为三相电压在αβ坐标系下正序分量、负序分量和零序分量，为三相电压在αβ坐标系下正序分量幅值，为αβ坐标系下负序分量幅值，为负序电压初始相角；

202：对于分量u_α和u_β，进行1/4个基波周期延迟后的值，满足式(3)：

T为基波周期；

203：分量u_α和u_β经过延时信号消除法后，得到电网电压在αβ坐标系下正序分量和负序分量，满足式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\α}}^{-}=1/2\[u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]\\ u_{\mathrm{\β}}^{-}=1/2\[u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\α}}(t-T/4)\]\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，为电网电压在αβ坐标系下两相电压的正序分量，为电网电压在αβ坐标系下两相电压的负序分量；u_α(t)、u_β(t)为分量u_α和u_β的函数表示形式。

4.根据权利要求1中所述的一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法，其特征在于：所述步骤3中，αβ坐标系下正序分量满足式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)-u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]={U_s}^{+}\cos \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}=1/2\[u_{\mathrm{\α}}\left(t\right)+u_{\mathrm{\β}}(t-T/4)\]={U_s}^{+}sin\left({\mathrm{\φ}}_g\right)\end{array}\right.,---\left(5\right)$

为三相电压在αβ坐标系下正序分量幅值；为电网电压在αβ坐标系下两相电压的正序分量；

和分量分别乘以锁相环所输出相角的正弦值和余弦值，并进行三角函数合并，得到锁相环输出相角和实际电网的相角差值与αβ坐标系下正序分量幅值的乘积，式(6)和(7)所示：

φ_αβ-PLL＝∫f_αβ-PLLdt (6)

$\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\β}}^{+}\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)-u_{\mathrm{\α}}^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)\\ =U_s^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)-U_s^{+}\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL}\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}_g\right)\\ =U_s^{+}\sin ({\mathrm{\φ}}_g-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}-PLL})\\ \≈\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\×U_s^{+}\end{array}---\left(7\right)$

式中，φ_αβ-PLL为锁相环输出相角，f_αβ-PLL为锁相环测量输出的电网正序电压频率，Δφ为锁相环输出相角和实际电网的相角差值，φ_g为实际电网的相角。

5.根据权利要求1中所述的一种适用于电压暂降情况下的锁相环实现方法，其特征在于：所述步骤4的计算方法为：给定角频率为实际电网角频率，令锁相环输出相角和实际电网的相角差值为零，采用PI调节器对于误差Δφ进行调节，PI调节器的输出为锁相环测量输出的电网正序电压频率f_αβ-PLL。