CN106872808B - 一种相序自适应的三相电压锁相环算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相序自适应的三相电压锁相环算法，属于电力系统测量技术领域，该方法在传统三相电压锁相算法的基础上，在旋转坐标系下检测相序信息，并在输出环节对相角修正，实现了相序自适应控制。本发明基于同步坐标变换的三相软件锁相环，能够准确快速地对三相电网电压进行相序判定及相位锁定，自动调整锁相算法与当前相序相吻合，避免因接线错误而导致的装置无法运行。

Description

一种相序自适应的三相电压锁相环算法

技术领域

本发明属于电力系统测量技术领域，特别是一种相序自适应的三相电压锁相环算法。

背景技术

在绝大多数并网变流器的使用过程中，为确保装置的正常运行，首先必须确保接入三相电网的相位准确性，但若出现相序错乱，将会使控制环节出现错误，导致严重故障，对装置系统及人员安全构成威胁。

常规的方法是在相位锁相前，使用专门的相序检测仪器对三相电网进行检测，但这种方式增加了使用成本，且操作繁琐，容易出现误操作。针对上述问题，通常对相序检测的主要方式可分为硬件检测和软件检测两大类。硬件检测的方式主要是通过硬件电路，检测三相电网电压的过零点作为信号来判断，其电路简单，速度较快，但在实际使用过程中无法避免的会受到相关干扰信号的影响，而且在电网中出现谐波时容易出现错误结果。随着单片机性能的提升，软件检测算法逐步受到人们的重视，通过连续检测电压的状态，以一相电压为零时，其他两项电压的正负作为信号来判别，但这种方式判别过程复杂，且无法准确获得相位信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相序自适应的三相电压锁相环算法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种相序自适应的三相电压锁相环算法，包括以下步骤：

步骤1、对电网系统每相的系统电压进行采样，得到采样后的电压值U_a、U_b、U_c作为输入信号，构建3s/2s坐标变换矩阵，将三相静止坐标系下的电压值U_a、U_b、U_c转变为两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β；

步骤2、将步骤1中得到的电压信号U_α、U_β作为输入信号，利用初始相位角θ构建2s/2r坐标变换矩阵，将两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β转变为两相旋转坐标系下的电压信号U_d、U_q；

步骤3、将旋转坐标系下的q轴电压信号U_q与零作差后输入PI调节器，得到当前的旋转频率误差值Δω；

步骤4、判断当前系统工作状态与采样计算时间间隔，旋转频率误差值Δω与变流器待机采样计算时间间隔T₁相乘得到待机状态相位角误差Δθ₁，旋转频率误差值Δω与变流器运行状态计算时间间隔T₂相乘得到运行状态相位角误差Δθ₂；

步骤5、通过前一次计算的相位角与相位角误差相加得到实际电网电压相位角θ，若计算得出的相位角大于2π，则说明电网三相电压相序正确，并将相位角减小一个周期，若计算得到的相位角小于0，则说明此时电网三相电压相序相反，将相位角增大一个周期值后得到实际结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)在主功率单元运行之前即对电网电压进行锁相和判定；2)基于同步坐标变换的三相软件锁相环，准确快速地对三相电网电压进行相序判定及相位锁定；3)自动调整锁相算法与当前相序相吻合，避免因接线错误而导致的装置无法运行。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的相序自适应的三相电压锁相环算法流程图。

图2是本发明的锁相总体原理图。

图3为输出修正环节原理图。

图4是三相电压为正序情况下的锁相结果波形图。

图5是三相电压为负序情况下的锁相结果波形图。

图6是锁相结果的精度比对示意图。

具体实施方式

结合图1、图2和图3，本发明的一种相序自适应的三相电压锁相环算法，包括以下步骤：

步骤1、对电网系统每相的系统电压进行采样，得到采样后的电压值U_a、U_b、U_c作为输入信号，构建3s/2s坐标变换矩阵，将三相静止坐标系下的电压值U_a、U_b、U_c转变为两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β；

步骤2、将步骤1中得到的电压信号U_α、U_β作为输入信号，利用初始相位角θ构建2s/2r坐标变换矩阵，将两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β转变为两相旋转坐标系下的电压信号U_d、U_q；

步骤3、将旋转坐标系下的q轴电压信号U_q与零作差后输入PI调节器，得到当前的旋转频率误差值Δω；

步骤4、判断当前系统工作状态与采样计算时间间隔，旋转频率误差值Δω与变流器待机采样计算时间间隔T₁相乘得到待机状态相位角误差Δθ₁，旋转频率误差值Δω与变流器运行状态计算时间间隔T₂相乘得到运行状态相位角误差Δθ₂；

步骤5、通过前一次计算的相位角θ^*与相位角误差相加得到实际电网电压相位角θ，若计算得出的相位角大于2π，则说明电网三相电压相序正确，并将相位角减小一个周期，若计算得到的相位角小于0，则说明此时电网三相电压相序相反，将相位角增大一个周期值后得到实际结果。

步骤1中在电网系统每一相上分别安装电压传感器，以监测每相的系统电压U_a、U_b、U_c，下标a、b、c代表系统电压不同相序；

进一步的，步骤1中输入信号U_a、U_b、U_c的表达式为：

或

式中，U_m为电压幅值，ω为电压频率信号，t为时间信号。

进一步的，步骤1中3s/2s坐标变换矩阵为：

进一步的，步骤2中2s/2r坐标变换矩阵为：

进一步的，在步骤3中输入的dq坐标系下电压信号为：

或

式中，U_m为电压幅值，θ为电压相角，ω为电压频率信号，t为时间信号；通过PI调节器调节输出旋转频率误差值Δω，多次计算后将使式中U_q趋于零，即有θ＝ωt或θ＝-ωt，则相角锁定成功。

图4为在三相电压的输入为正相序情况下，锁相环得到逐渐递增的相位信号，在相位值到达最大值后变为零，并进入下一递增周期。对比相位角与电压波形，两者的频率周期一致，说明锁相结果正确。

图5为在三相电压的输入为负相序的情况下，该情况下锁相环的相位角输出变为逐步递减的信号，其值在一个周期内由最大值逐步递减到零，并立刻转变为最大值进入下一周期。而且在这种情况下锁相环输出的相位角的频率和周期也同电压波形的频率和周期一致。

图6为在三相电压相序位逆序情况下，本发明的锁相环输出波形与a相电压波形的比对，其相位锁定所用时间短，锁相结果波形与原A相波形重合度高，说本设计中的锁相环能准确的对三相电网电压相位锁定，响应时间及精确度都较好。

Claims (6)

1.一种相序自适应的三相电压锁相环算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对电网系统每相的系统电压进行采样，得到采样后的电压值U_a、U_b、U_c作为输入信号，构建3s/2s坐标变换矩阵，将三相静止坐标系下的电压值U_a、U_b、U_c转变为两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β；

步骤2、将步骤1中得到的电压信号U_α、U_β作为输入信号，利用初始相位角θ^*构建2s/2r坐标变换矩阵，将两相静止坐标系下的电压信号U_α、U_β转变为dq坐标系下的电压信号U_d、U_q；

步骤3、将dq坐标系下的q轴电压信号U_q与零作差后输入PI调节器，得到当前的旋转频率误差值Δω；

步骤4、判断当前系统工作状态与采样计算时间间隔，旋转频率误差值Δω与变流器待机采样计算时间间隔T₁相乘得到待机状态相位角误差Δθ₁，旋转频率误差值Δω与变流器运行状态计算时间间隔T₂相乘得到运行状态相位角误差Δθ₂；

步骤5、通过前一次计算的相位角与相位角误差相加得到实际电网电压相位角θ，若计算得出的相位角大于2π，则说明电网三相电压相序正确，并将相位角减小一个周期，若计算得到的相位角小于0，则说明此时电网三相电压相序相反，将相位角增大一个周期值后得到实际结果。

2.根据权利要求1所述的相序自适应的三相电压锁相环算法，其特征在于，步骤1通过在电网系统每一相上分别安装电压传感器，以监测每相的系统电压U_a、U_b、U_c。

3.根据权利要求1所述的相序自适应的三相电压锁相环算法，其特征在于，步骤1中输入信号U_a、U_b、U_c的表达式为：

或

式中，U_m为电压幅值，ω为电压频率信号，t为时间信号。

4.根据权利要求1所述的相序自适应的三相电压锁相环算法，其特征在于，步骤1中3s/2s坐标变换矩阵为：

5.根据权利要求1所述的相序自适应的三相电压锁相环算法，其特征在于，步骤2中2s/2r坐标变换矩阵为：

6.根据权利要求1所述的相序自适应的三相电压锁相环算法，其特征在于，步骤3中输入的dq坐标系下电压信号为：

或

式中，U_m为电压幅值，θ为电压相位角，ω为电压频率信号，t为时间信号；通过PI调节器调节输出旋转频率误差值Δω，多次计算后将使式中U_q趋于零，即有θ＝ωt或θ＝-ωt，则相角锁定成功。