CN106655276A - 一种适用于三相电网电压的新型锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于三相电网电压的新型锁相方法，经Clark变换将三相电网电压由三相坐标系变量V_abc转换为两相坐标变量v_αβ；基波正序分量提取单元包括双改进型二阶广义积分器(SOGI)和正序基波逻辑运算，用于提取三相电网电压中的基波正序分量和尤其是电网电压同时存在不平衡、直流及谐波的情况时能够准确提取出电网中的基波正序分量；锁相环包括Park变换和PI调节器，用于根据所述改进型二阶广义积分器提取的基波正序分量，对电网进行准确的相位跟踪，锁定电网相位θ。本发明具有更强的电网适应性，可同时在三相电网电压不平衡、含有谐波及直流条件下，依然能准确提取出三相电网电压中的基波正序分量，实现精确电网相位跟踪，提高锁相精度。

Description

一种适用于三相电网电压的新型锁相方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种新型锁相方法。

背景技术

在单相和三相系统中，锁相的应用非常广泛，如并网逆变器和UPS，尤其是在dq坐标系下做系统环路控制时，更需要准确的电网相位信息。锁定的相位包含了我们所需要的电网相位信息，是系统环路控制的基础，精确的锁相结果才能得到精确的环路控制结果。

单同步坐标系软件锁相环(SSRF-PLL)是一种较为常见的锁相方式，它具有控制方法简单，响应速度快等优点，但在电网电压不平衡、含有直流分量及高次谐波时，SSRF-PLL的锁相结果存在较大的误差。虽然可以通过加入低通滤波器或改变PI调节器参数降低系统带宽来减小锁相误差，但如此一来很大程度上影响了锁相的响应速度，难以满足系统对锁相快速响应的要求。

为了克服SSRF-PLL在电网电压不平衡、含有直流分量及高次谐波方面的不足，可以使用解耦双同步参考坐标系锁相环(DDSRF-PLL)。DDSRF-PLL可以提取出电网电压的正负序分量，利用解耦网络消除振荡，以取得准确的锁相结果，但其算法结构较复杂而且低带宽的滤波器仍给系统带来一些延时。

为了克服DDSRF-PLL结构复杂和延时问题，可以利用二阶广义积分器实现锁相环(SOGI-PLL)，这种基于一般型SOGI的锁相方法在电网电压正常及不平衡时可获得准确锁相，但在电网电压含有直流分量和含有高次谐波条件下不能获得准确锁相信息。

针对一般型SOGI用于锁相系统存在不能同时对电网中电压不平衡、含有直流分量和谐波的情况进行精确锁相的缺点，本发明给出了改进型SOGI-PLL，可以实现精确锁相，使锁相具有更强地电网适应性，具有很重要的学术价值和非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种解决现有锁相技术中不能同时对电网电压不平衡、含有直流分量和谐波的情况进行精确锁相缺点的适用于三相电网电压的新型锁相方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1，将三相电网电压V_abc经Clark变换，使三相电网电压V_abc由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系v_αβ；

步骤2，两相静止坐标系v_αβ经基波正序分量提取单元后得到基波正序分量和

步骤3，和经锁相环后得到相位信息，对电网进行相位跟踪，锁定电网相位θ。

进一步的，步骤1中所述的两相静止坐标系v_αβ，α轴超前β轴90度相角。

进一步的，步骤2中，所述基波正序分量提取单元包括双改进型二阶广义积分器(SOGI)和正序基波逻辑运算单元；改进型SOGI的传递函数为：

其中，D(s)与Q(s)是改进型SOGI的传递函数表达式，s是拉普拉斯变换算子，τ表示惯性时间常数，qv′为一般型SOGI的输出信号；v是输入电压信号；v′为输出信号；ω为输入电压信号频率；ω′为SOGI的中心频率；k是阻尼系数；当SOGI的中心频率ω′与输入电压信号频率ω一致时，输出信号v′与qv′是幅值相同的正弦波，但v′超前于qv′相角90度，并且v′与v同相位。

进一步的，步骤3中，所述锁相环包括Park变换和PI调节器，将所提取的基波正序分量经Park变换后得到q轴分量用于锁相控制。

进一步的，步骤3中，所述锁相环输出的相位是三相电网电压的相位。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明方法具有更强的电网适应性，可以同时在三相电网电压不平衡、含有直流及谐波三个条件下，依然能够准确锁定相位，准确提取出三相电网电压中的基波正序分量，以实现精确的电网相位跟踪，提高锁相精度，克服了一般二阶广义积分器只能对所述电网电压条件之一的情况进行基波正序分量提取的缺点。

附图说明

图1为本发明方法的结构示意图。

图2为本发明方法的改进型SOGI结构图。

图3为本发明方法的改进型SOGI伯德图。

图4为本发明方法的基波正序提取运算逻辑单元结构图。

图5为本发明方法的锁相原理图。

图6为本发明方法的具体实施原理图。

图7为一般型SOGI锁相仿真图。

图8为本发明方法的仿真图。

具体实施方式

本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1，将三相电网电压V_abc经Clark变换，使三相电网电压V_abc由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系v_αβ，α轴超前β轴90度相角。

步骤2，两相静止坐标系v_αβ经基波正序分量提取单元后得到基波正序分量和所述基波正序分量提取单元包括双改进型二阶广义积分器(SOGI)和正序基波逻辑运算单元。改进型SOGI的传递函数为：

其中，D(s)与Q(s)是改进型SOGI的传递函数表达式，s是拉普拉斯变换算子，τ表示惯性时间常数，qv′为一般型SOGI的输出信号；v是输入电压信号；v′为输出信号；ω为输入电压信号频率；ω′为SOGI的中心频率；k是阻尼系数；当SOGI的中心频率ω′与输入电压信号频率ω一致时，输出信号v′与qv′是幅值相同的正弦波，但v′超前于qv′相角90度，并且v′与v同相位。

步骤3，和经锁相环后得到相位信息，对电网进行相位跟踪，锁定电网相位θ，锁相环输出的相位是三相电网电压的相位。其中，锁相环包括Park变换和PI调节器。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，设三相平衡电网电压幅值为V_m，基波频率角为ω，则三相电网电压可以表示为：

将三相电网电压由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，α轴超前β轴90度相角，变换如下：

一般型SOGI的输出信号v′不包含任何直流分量，且能够滤除高频信号，其作用相当于一个带通滤波器，通带频率点就是电网基波频率。而一般型SOGI输出信号qv′很容易受到输入信号中的高次谐波和直流分量的影响。

为了克服一般型SOGI的技术缺点，本发明提供了改进型SOGI结构图如图2所示。图2中虚线框内为改进部分，改进部分所起的作用是：根据一般型SOGI结构可知，输出信号v′是不包含任何直流分量且能够很好的抑制谐波，若输入信号v含有直流分量，那么经过输出信号v′负反馈后，ε含有与输入信号相同的直流分量，将此信号经增益k放大后与qv″做减法以消除qv′中的直流分量。同时，在kε与qv″做减法通道上加入一个低通滤波器(Low PassFilter,LPF)，使qv′在高频段有较大的衰减。

LPF传递函数为：

τ与LPF的截止频率有关。

根据图2可得改进型SOGI的传递函数：

v是输入电压信号，k是阻尼系数。当SOGI的中心频率ω′与输入电压信号频率ω一致时，输出信号v′与qv′幅值相同的正弦波，但v′超前于qv′相角90度，并且v′与v同相位。

图3为改进型SOGI的伯德图，Q(s)的幅频特性与D(s)基本相同，也就是说D(s)与Q(s)不但可以抑制输入信号中的直流分量，还可以很好的抑制输入信号中的高频分量。因此，改进型SOGI能够同时对输入信号中的谐波和直流分量起到抑制作用。

图5为锁相原理图，具体的，三相电网电压经Clark变换后得到v_αβ，再经dq变换后得到v_q，根据锁相原理可知，只要控制v_q＝0，就是实现对三相电网电压的锁相。当相位锁定时v_q为一直流分量，而PI调节器对直流信号的调节可以达到无静差，因此，对v_q的控制选择PI调节器。对加入ω_c是为了加快锁相环的调节速度，若不加入ω_c，系统想要达到同样的调节速度就必须增加PI调节器的速度，这样一来就会引起被调节量ω_o的超调过大，甚至导致系统不稳定。最后对角频率ω_o进行积分就得到了锁相输出角度θ，即电网电压角度。锁相原理图中还包括Park变换，其作用是将两相交流坐标系v_αβ转换为两相直流坐标系v_dq，Park变换如下：

锁相的输出是否能精确的跟踪电网电压相位，主要依赖于三相电网电压经Clark变换后的v_αβ是否为基波正序分量。若三相电网电压不平衡、含有谐波或直流分量时，v_αβ一定也是不平衡、含有谐波或直流分量的，进而影响锁相结果。因此，提取v_αβ中的基波正序分量是精确锁相的关键。基于上述分析，本发明利用改进型SOGI提取v_αβ中的基波正序分量，对电网电压同时存在不平衡、谐波及直流分量的情况下，同样能够提取v_αβ中的基波正序分量，使锁相结果准确无误。

图4为基波正序提取运算逻辑单元结构图，其输入信号是两个改进型SOGI的输出信号，其输出是两相互正交的基波正序分量。图6为发明方法的原理图，将三相电网电压信号V_abc进行Clark变换得到v_α与v_β，再经两个改进型SOGI后得到两组正交信号v′_α与qv′_α和v′_β与qv′_β，v_β滞后于v_α相位90°，v′_α与电网电压V_a相同相位，qv′_α与v′_β滞后于v′_α相位90°，qv′_β滞后于v′_α相位180°，再经正序分量计算后提取出电网电压信号中的基波正序分量与将所提取的基波正序分量经Park变换后得到q轴分量最后通过锁相环控制锁定电网相位。

图7为一般型SOGI锁相仿真图，三相电网电压同时存在不平衡、谐波和直流分量，具体为三相电网电压额定有效值为220V，均含有3％的11次、21次、31次、41次和51次谐波，其中A相电压含有20V直流分量；B相电压升高20％；C相电压下降20％。图7中，SOGI输出量不受电网电压影响，而明显畸变，导致锁相结果也出现畸变，无法准确锁相。

图8为本发明提供的改进型SOGI锁相仿真图，三相电网电压同图7情况一致。从图8看出，SOGI输出量与均不受电网电压的影响，完全是电网电压基波分量，进而使锁相结果准确无误。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于三相电网电压的新型锁相方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将三相电网电压V_abc经Clark变换，使三相电网电压V_abc由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系v_αβ；

步骤2，两相静止坐标系v_αβ经基波正序分量提取单元后得到基波正序分量和

步骤3，和经锁相环后得到相位信息，对电网进行相位跟踪，锁定电网相位θ。

2.根据权利要求1所述的一种适用于三相电网电压的新型锁相方法，其特征在于：步骤1中所述的两相静止坐标系v_αβ，α轴超前β轴90度相角。

3.根据权利要求1所述的一种适用于三相电网电压的新型锁相方法，其特征在于：步骤2中，所述基波正序分量提取单元包括双改进型二阶广义积分器(SOGI)和正序基波逻辑运算单元；改进型SOGI的传递函数为：

$D\left(s\right)=\frac{v^{\′}\left(s\right)}{v\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{k\ω}}^{\′}s}{s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{qv}}^{\′}\left(s\right)}{v\left(s\right)}=\frac{k({\mathrm{\τ\ω}}^{\′2}s-s^2)}{(s^2+{\mathrm{k\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2})(1+\mathrm{\τ}s)}$

其中，D(s)与Q(s)是改进型SOGI的传递函数表达式，s是拉普拉斯变换算子，τ表示惯性时间常数，qv′为一般型SOGI的输出信号；v是输入电压信号；v′为输出信号；ω为输入电压信号频率；ω′为SOGI的中心频率；k是阻尼系数；当SOGI的中心频率ω′与输入电压信号频率ω一致时，输出信号v′与qv′是幅值相同的正弦波，但v′超前于qv′相角90度，并且v′与v同相位。

4.根据权利要求1所述的一种适用于三相电网电压的新型锁相方法，其特征在于：步骤3中，所述锁相环包括Park变换和PI调节器，将所提取的基波正序分量经Park变换后得到q轴分量用于锁相控制。

5.根据权利要求1所述的一种适用于三相电网电压的新型锁相方法，其特征在于：步骤3中，所述锁相环输出的相位是三相电网电压的相位。