CN106451571A - 一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法 - Google Patents

一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法，该方法利用坐标变换将三相电压从旋转坐标系转换到两相静止坐标系中，以静止坐标系中q轴电压分量为零作为控制目标建立相位跟踪闭环控制系统，通过频率估计手段获得准确的三相电压频率作为前馈量以提高控制系统响应速度。本发明利用频率前馈与反馈技术相结合进行三相相位跟踪控制，该前馈环节的加入能够大大增加相位跟踪闭环系统的响应速度，较传统的三相锁相环技术具有更佳的动态性能，非常适合于系统干扰较大的工业应用场合。

Description

一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法
技术领域
本发明涉及电力供电技术领域，尤其涉及一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法。
背景技术
在钢铁、冶金等工业电力系统中，由于负荷的快速变动而需要对系统进行动态无功补偿，此时需要检测三相电压相位以进行同步的相控调整。在风光发电系统中，新能源产生的直流电压经过逆变后需要与大电网同步以实现并联上网，只有获得准确的三相电压相位才能保证并网成功。常规的锁相环技术采用过零检测方法判断信号的相位，对于电压谐波较大的情况容易产生误判和调整时间过长等问题。因此，本发明提出一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法，包括以下步骤：
1)初始化，设三相电压A相相位为θ＝0；
2)信号采集，采样三相电压信号ua(k)、ub(k)、uc(k)，令采样频率为fs，其中k为采样序号；
3)坐标转换，针对采样获得的数据ua(k)、ub(k)、uc(k)，利用转换公式将三相电压从三相旋转坐标系转换到二相旋转坐标系中，其中uα(k)、uβ(k)分别为二相旋转坐标系中α轴电压分量和β轴电压分量；
4)针对uα(k)、uβ(k)，利用公式计算二相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)；
5)设频率检测环节滤波器传递函数为其中r表示极点半径，0≤r≤1，a为滤波器系数，z为移位因子；令输入信号uα(k)经过滤波器H(z)后的输出为eu(k)，为了检测得到准确的三相电压频率以使得滤波器H(z)输出为0，则滤波器参数a的迭代公式为a(k+1)＝a(k)-λeu(k)(ua(k-1)-reu(k-1))，其中λ为迭代步长，λ＞0；此时三相电压系统角频率w0(k)＝cos-1(-a(k)/2)(rad/sec，弧度/秒)，角频率w0(k)即为系统的前馈控制量；
6)令输出滤波器离散表示式为其中a0、b0、b1为滤波器系数，则q轴分量uq(k)经过输出滤波器后为uqf(k)；
7)令系统误差e(k)＝0-uqf(k)，PI控制器的离散表达式为其中kp、ki为控制器参数，相位角经过PI控制器调整后为Δw(k)＝kpe(k)+(Δw(k-1)-kpe(k-1))+kie(k)，其中Δw(k)为PI控制器k时刻输出，Δw(k-1)为PI控制器k-1时刻输出；
8)前馈控制器与PI控制器综合频率调整量为则此时A相电压相位为θ(k)＝θ(k-1)+Ts(Δw(k)+w0(k))，其中Ts为采样周期；
如果相位θ(k)＞2π，则调整后最终的相位θ(k)＝θ(k)-2π；如果θ(k)＜-2π，则调整后最终的相位θ(k)＝θ(k)+2π；
9)根据A相电压相位得到B、C相电压相位分别为
10)重复执行步骤2)至步骤9)，以获得下一个时刻的三相电压相位。
按上述方案，所述步骤3)中转换公式为
按上述方案，所述步骤5)中r＝0.92，步长λ＝10-9。
按上述方案，所述步骤7)中PI控制器参数为kp＝-0.1674，ki＝-0.2039。
本发明产生的有益效果是：本发明利用频率前馈与反馈技术相结合进行三相相位跟踪控制，该前馈环节的加入能够大大增加相位跟踪闭环系统的响应速度，较传统的三相锁相环技术具有更佳的动态性能，非常适合于系统干扰较大的工业应用场合。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的原理图；
图2为本发明实施例中三相电压实测采样曲线图；
图3为本发明实施例中两相旋转坐标系中α轴电压分量和β轴电压分量；
图4为本发明实施例中两相静止坐标系中q轴分量uq(k)曲线图；
图5为本发明实施例中频率检测滤波器获得的系统频率曲线图；
图6为本发明实施例中系统的频率跟踪曲线图；
图7为本发明实施例中A相电压相位跟踪效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法，包括以下步骤：
1)初始化，设三相电压A相相位为θ＝0；
2)信号采集，采样三相电压信号ua(k)、ub(k)、uc(k)，令采样频率为fs，其中k为采样序号；
3)坐标转换，针对采样获得的数据ua(k)、ub(k)、uc(k)，利用转换公式将三相电压从三相旋转坐标系转换到二相旋转坐标系中，其中uα(k)、uβ(k)分别为二相旋转坐标系中α轴电压分量和β轴电压分量；
4)针对uα(k)、uβ(k)，利用公式计算二相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)；
5)设频率检测环节滤波器传递函数为其中r表示极点半径，0≤r≤1，a为滤波器系数，z为移位因子；令输入信号uα(k)经过滤波器H(z)后的输出为eu(k)，为了检测得到准确的三相电压频率以使得滤波器H(z)输出为0，则滤波器参数a的迭代公式为a(k+1)＝a(k)-λeu(k)(ua(k-1)-reu(k-1))，其中λ为迭代步长，λ＞0；此时三相电压系统角频率w0(k)＝cos-1(-a(k)/2)(rad/sec，弧度/秒)，角频率w0(k)即为系统的前馈控制量；
6)令输出滤波器离散表示式为其中a0、b0、b1为滤波器系数，则q轴分量uq(k)经过输出滤波器后为uqf(k)；
7)令系统误差e(k)＝0-uqf(k)，PI控制器的离散表达式为其中kp、ki为控制器参数，相位角经过PI控制器调整后为Δw(k)＝kpe(k)+(Δw(k-1)-kpe(k-1))+kie(k)，其中Δw(k)为PI控制器k时刻输出，Δw(k-1)为PI控制器k-1时刻输出；
8)前馈控制器与PI控制器综合频率调整量为则此时A相电压相位为θ(k)＝θ(k-1)+Ts(Δw(k)+w0(k))，其中Ts为采样周期；
如果相位θ(k)＞2π，则调整后最终的相位θ(k)＝θ(k)-2π；如果θ(k)＜-2π，则调整后最终的相位θ(k)＝θ(k)+2π；
9)根据A相电压相位得到B、C相电压相位分别为
10)重复执行步骤2)至步骤9)，以获得下一个时刻的三相电压相位。
具体实施例：
某钢厂380V三相线路上存在较大谐波干扰，拟采用本发明提出的三相电压相位跟踪技术获得三相实时相位。设采样频率fs＝10000Hz，采样周期Ts＝0.0001s，通过实际测量获得ua(k)、ub(k)、uc(k)三相电压曲线如附图2所示，通过计算分析可知现场电压畸变率THD＝10％，电压不平衡度为4％。
根据步骤(3)将三相电压从三相旋转坐标系变换到两相旋转坐标系中，此时α轴电压分量和β轴电压分量如图3所示，从图3中可以发现uα(k)、uβ(k)均受到较大的谐波干扰。
根据步骤(4)可得两相静止坐标系中q轴分量uq(k)曲线如图4所示，同样uq(k)也受到比较严重的二次谐波干扰；
根据步骤(5)，选择r＝0.92，步长λ＝10-9，则本发明提出的锁相方法通过频率检测滤波器得到的系统频率曲线如附图5所示。
针对附图4中q轴分量uq(k)受到的谐波干扰，按照步骤(6)选择滤波器参数为a0＝-0.939062505817492，b0＝0.030468747091254，b1＝0.030468747091254。
选择PI控制器参数为kp＝-0.1674，ki＝-0.2039，经过闭环反馈控制和前馈控制调节后，系统的频率估计曲线如图6所示。
在前馈和反馈控制的共同作用下，锁相系统获得的A相电压跟踪效果如图7所示，从图中可以发现系统经过3个周期共0.06秒即可以获得准确的相位跟踪。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有频率前馈补偿的三相电压相位锁定方法，包括以下步骤：
1)初始化，设三相电压A相相位为θ＝0；
2)信号采集，采样三相电压信号ua(k)、ub(k)、uc(k)，令采样频率为fs，其中k为采样序号；
3)坐标转换，针对采样获得的数据ua(k)、ub(k)、uc(k)，利用转换公式将三相电压从三相旋转坐标系转换到二相旋转坐标系中，其中uα(k)、uβ(k)分别为二相旋转坐标系中α轴电压分量和β轴电压分量；
4)针对uα(k)、uβ(k)，利用公式计算二相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)；
5)设频率检测环节滤波器传递函数为其中r表示极点半径，0≤r≤1，a为滤波器系数，z为移位因子；令输入信号uα(k)经过滤波器H(z)后的输出为eu(k)，为了检测得到准确的三相电压频率以使得滤波器H(z)输出为0，则滤波器参数a的迭代公式为a(k+1)＝a(k)-λeu(k)(ua(k-1)-reu(k-1))，其中λ为迭代步长，λ＞0；此时三相电压系统角频率w0(k)＝cos-1(-a(k)/2)，角频率w0(k)即为系统的前馈控制量；
6)令输出滤波器离散表示式为其中a0、b0、b1为滤波器系数，则q轴分量uq(k)经过输出滤波器后为uqf(k)；
7)令系统误差e(k)＝0-uqf(k)，PI控制器的离散表达式为其中kp、ki为控制器参数，相位角经过PI控制器调整后为Δw(k)＝kpe(k)+(Δw(k-1)-kpe(k-1))+kie(k)，其中Δw(k)为PI控制器k时刻输出，Δw(k-1)为PI控制器k-1时刻输出；
8)前馈控制器与PI控制器综合频率调整量为则此时A相电压相位为θ(k)＝θ(k-1)+Ts(Δw(k)+w0(k))，其中Ts为采样周期；
如果相位θ(k)＞2π，则调整后最终的相位θ(k)＝θ(k)-2π；如果θ(k)＜-2π，则调整后最终的相位θ(k)＝θ(k)+2π；
9)根据A相电压相位得到B、C相电压相位分别为
10)重复执行步骤2)至步骤9)，以获得下一个时刻的三相电压相位。
2.根据权利要求1所述的三相电压相位锁定方法，其特征在于，所述步骤3)中转换公式为
3.根据权利要求1所述的三相电压相位锁定方法，其特征在于，所述步骤5)中r＝0.92，步长λ＝10-9。
4.根据权利要求1所述的三相电压相位锁定方法，其特征在于，所述步骤7)中PI控制器参数为kp＝-0.1674，ki＝-0.2039。
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