CN108226588A - 一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，属于电网同步技术领域。设计思路主要包括：首先通过控制开关K状态来决定单相或三相锁相环模式，单相电压通过相移算法生成两路正交信号u_α和u_β或三相电压采用Clark坐标变换生成u_α和u_β，然后将u_α和u_β通过正序分量提取环节和复数带通滤波器得到电网电压基波正序分量，再通过Park变换得到u_d和u_q，将u_q与0的差值送入PI控制器进行调节，PI控制器输出量与电网额定角频率ω_f相加后通过积分器即可得到初始相位角，初始相位角通过比较器和选择器得到最终相位角。本发明所提锁相方法能适用于单相和三相电力系统，能在不对称和畸变电网电压下准确地跟踪电网电压的频率和相位角。

Description

一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法

技术领域

本发明属于电网同步技术领域，具体涉及一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断进步，基于电力电子功率开关的新能源并网逆变器、高压直流输电换流器、有源滤波器等电力电子并网装置在电力系统中所占比重逐渐增加，现代电力系统呈现电力电子化趋势。锁相环是电力电子并网装置控制系统中的重要环节，锁相环性能的好坏将直接影响电力电子并网装置的控制性能甚至影响其稳定性。由于电力电子并网装置在电力系统的大量应用，电网电压并非理想正弦信号，可能存在畸变和不对称的情况。传统锁相方法往往只能适用于单相或三相系统，灵活性差，并且对电网电压的不对称和畸变的适应性较差。

发明内容

针对现有锁相方法存在的问题，本发明公开了一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，该方法不仅适用于单相和三相电力系统，而且在电网电压不对称和畸变时仍能准确地跟踪电网电压的频率和相位角。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，包括以下步骤：

步骤1：通过控制开关K状态来决定单相和三相锁相环模式；

所述步骤1包括如下步骤：

步骤a：若电网电压为单相电压信号，就需要构造一个虚拟的两相直角静止坐标系，所以单相电压信号u_a通过相移算法生成两路正交信号u_α和u_β，并将开关K处于0状态，从而送入正序分量提取环节；

步骤b：若电网电压为三相电压信号，则采用Clark坐标变换将三相电压信号u_a、u_b、u_c变换为α和β坐标轴上的两路信号u_α和u_β，并将开关K处于1状态，从而送入正序分量提取环节。

步骤2：采用延时1/4周期方法消除电网电压中的负序分量，得到电网电压的正序分量u_α+和u_β+；

采用延时1/4周期方法提取电压正序分量，具体表达式如式(1)所示：

将提取的正序分量u_αβ+转换为α和β坐标轴上的两路信号u_α+和u_β+送入复数带通滤波器中进行滤波。

步骤3：采用复数带通滤波器(complex passband filter，CBPF)滤除u_α+和u_β+中的谐波分量，将得到电网电压基波正序分量u_α1+和u_β1+；

所述步骤3包括如下步骤：

步骤a：CBPF是一个可以对任意次序分量进行提取和检测的滤波器，它的表达式如式(2)所示：

式中，ω_r为谐振角频率，单位rad/s；ω_c为带宽，单位rad/s；

步骤b：采用双线性变换将CBPF离散化，得到CBPF的差分方程，并以差分方程的形式执行。

步骤4：将两相静止坐标系α、β轴上的分量u_α1+和u_β1+进行Park变换得到旋转坐标系d、q轴上的分量u_d和u_q。

步骤5：将u_q与0的差值送入PI控制器调节输出角频率修正量，PI输出的角频率修正量与电网额定角频率ω_f相加后再通过积分器将得到初始相位θ₀；

步骤6：初始相位θ₀与2π分别作为比较器的两个输入信号，若θ₀≥2π，则比较器输出1；若θ₀＜2π，则比较器输出0；

步骤7：比较器的输出作为选择器的控制信号CTR。若选择器的控制信号CTR＝0，则选择器的输出为θ₀，即out＝θ₀；若选择器的控制信号CTR＝1，则选择器的输出为θ₀-2π，即out＝θ₀-2π。选择器的输出即为最终的相位θ，相位θ经过三角变换后用于构造Park变换矩阵。

与现有锁相环技术相比，本发明的有益效果是：通过控制开关K的状态可实现单相和三相电力系统锁相环，采用延时1/4周期方法和复数带通滤波器可使锁相环能在电网电压不对称和畸变情况下依然能快速准确地跟踪电网电压信息且动态性能良好。

附图说明

图1适用于单相和三相电力系统的软件锁相原理图；

图2为基于延时1/4周期方法的执行过程框图；

图3为CBPF在s域中的实现框图；

图4为CBPF离散域执行过程框图；

图5为电网电压不对称和畸变下的仿真结果。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

步骤1：如图1所示，通过控制开关K状态来决定单相或三相锁相环模式；

所述步骤1包括如下步骤：

步骤a：若电网电压为单相电压信号，就需要构造一个虚拟的两相直角静止坐标系，所以单相电压信号u_a通过相移算法生成两路正交信号u_α和u_β，并将开关K处于0状态，从而送入正序分量提取环节，其中采用90°延迟模块产生与输入电网电压信号u_a相差90°的电压信号u_β，由此构成αβ静止正交坐标系，相移算法公式如式(1)所示：

步骤b：若电网电压为三相电压信号，则采用Clark坐标变换将三相电压信号u_a、u_b、u_c变换为α和β坐标轴上的两路信号u_α和u_β，并将开关K处于1状态，从而送入正序分量提取环节，其中Clark坐标变换公式如式(2)所示：

步骤2：如图2，采用延时1/4周期方法消除电网电压中的负序分量，得到电网电压的正序分量u_α+和u_β+；

若三相电网处于不平衡状态，在不考虑零序分量情况下，三相电压信号由正序分量和负序分量组成，其表达式如式(3)所示：

式中分别为正序和负序分量的相角偏移量；

采用延时1/4周期方法提取电压正序分量，具体表达式如式(4)所示：：

将提取的正序分量u_αβ+转换为α和β坐标轴上的两路信号u_α+和u_β+送入复数带通滤波器中进行滤波,转换公式如式(5)所示：

根据公式(5)做出基于延时1/4周期方法的执行过程框图如图2所示。

步骤3：采用复数带通滤波器滤除u_α+和u_β+中的谐波分量，将得到电网电压基波正序分量u_α1+和u_β1+；

复数带通滤波器是一个可以对任意次序分量进行提取和检测的滤波器，它的表达式如式(6)所示：

式中，ω_r为谐振角频率，单位rad/s；ω_c为带宽，单位rad/s；

所述CBPF设计步骤包括如下步骤：

步骤a：谐振角频率ω_r的确定；由于电网电压信号的正序分量为工频50Hz，则ω_r＝100πrad/s；

步骤b：带宽ω_c的确定；ω_c越大对电网频率变化的适应性越好，响应速度越快，但选择性越差即稳态性能越差；电网频率变化一般在±1Hz以内，因此为了能够适应电网频率的变化，ω_c最小值取2π；ω_c可在区间[2π，40π]内根据对响应速度和稳态性能的要求确定一个合适的数值；

步骤c：CBPF在s域中的表达式如式(7)所示：

式中，大写U_α+、U_β+和U_α1+、U_β1+分别表示s域中的输入量和输出量；小写u_α+、u_β+和u_α1+、u_β1+分别表示时域中的输入量和输出量。

对式(7)进行整理可得：

CBPF在s域中的实现框图如图3所示。

步骤d：为了能在数字控制器中实现，采用双线性变换将CBPF离散化，得到CBPF的差分方程，双线性变换公式如公式(9)：

式中，T_s为采样周期。

将式(9)代入到式(8)，得到实现CBPF的差分方程如式(10)：

式中，u_α+和u_β+为输入信号；u_α1+和u_β1+为输出信号；k表示当前时刻kT_s的值，k-1表示上一时刻(k-1)T_s的值。

根据CBPF的差分方程式(10)做出CBPF执行过程框图如图4所示。

并以差分方程的形式执行。

步骤4：如图1，将电网电压正序分量u_α1+和u_β1+进行Park变换得到u_d和u_q，Park变换公式如式(11)所示：

式中，u_α1+和u_β1+分别为两相静止坐标系α、β轴上的分量；u_d和u_q分别为旋转坐标系d、q轴上的分量；θ为电网电压相位。

步骤5：如图1，将u_q与0的差值送入PI控制器调节输出角频率修正量，PI输出的角频率修正量与电网额定角频率ω_f相加后再通过积分器将得到初始相位θ₀；

步骤6：如图1，初始相位θ₀与2π分别作为比较器的两个输入信号，若θ₀≥2π，则比较器输出1；若θ₀＜2π，则比较器输出0。

步骤7：如图1，比较器的输出作为选择器的控制信号CTR，θ₀为第一个输入引脚in1的输入信号，θ₀-2π为第二个输入引脚in2的输入信号。若选择器的控制信号CTR＝0，则第一个输入引脚作为选择器的输出，即out＝in1；若选择器的控制信号CTR＝1，则第一个输入引脚作为选择器的输出，即out＝in2。选择器的输出即为最终的相位θ，相位θ经过三角变换后用于构造Park变换矩阵。

实施例：仿真结果分析

在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中用Fortran语言来实现软件锁相环。仿真模型参数：三相电网电压为1kV，电网频率为50Hz，采样频率10kHz。C相电压含有10％的三次谐波和10％的五次谐波，0.5s时刻发生A相接地故障，持续时间为0.3s。电网电压不对称和畸变下的仿真结果如图5所示。

图5包含了四幅子图，图5(a)-图5(d)分别为三相电网电压、u_q、锁相环锁定的频率和相位角。由图5(a)所示，电网电压处于畸变状态且在0.5s时发生A相接地故障，持续时间为0.3s。由图5(b)所示,在电网电压不对称和畸变下u_q始终保持为零。由图5(c)、(d)所示，在电网电压不对称和畸变时仍能准确地跟踪电网电压的频率和相位角且动态性能良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：通过控制开关K状态来决定单相或三相锁相环模式；

步骤2：采用延时1/4周期方法消除电网电压中的负序分量，得到电网电压的正序分量u_α+和u_β+；

步骤3：采用复数带通滤波器滤除u_α+和u_β+中的谐波分量，将得到电网电压基波正序分量u_α1+和u_β1+；

步骤4：将两相静止坐标系α、β轴上的分量u_α1+和u_β1+进行Park变换得到旋转坐标系d、q轴上的分量u_d和u_q；

步骤5：将u_q与0的差值送入PI控制器调节输出角频率修正量，PI输出的角频率修正量与电网额定角频率ω_f相加后再通过积分器将得到初始相位θ₀；

步骤6：初始相位θ₀与2π分别作为比较器的两个输入信号，若θ₀≥2π，则比较器输出1；若θ₀＜2π，则比较器输出0；

步骤7：比较器的输出作为选择器的控制信号CTR。若选择器的控制信号CTR＝0，则选择器的输出为θ₀，即out＝θ₀；若选择器的控制信号CTR＝1，则选择器的输出为θ₀-2π，即out＝θ₀-2π。选择器的输出即为最终的相位θ，相位θ经过三角变换后用于构造Park变换矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：

步骤a：若电网电压为单相电压信号，就需要构造一个虚拟的两相直角静止坐标系，所以单相电压信号u_a通过相移算法生成两路正交信号u_α和u_β，并将开关K处于0状态，从而送入正序分量提取环节；

步骤b：若电网电压为三相电压信号，则采用Clark坐标变换将三相电压信号u_a、u_b、u_c变换为α和β坐标轴上的两路信号u_α和u_β，并将开关K处于1状态，从而送入正序分量提取环节。

3.根据权利要求1所述的一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，其特征在于：所述步骤2中，采用延时1/4周期方法提取电压正序分量，具体表达式如式(1)所示：

将提取的正序分量u_αβ+转换为α和β坐标轴上的两路信号u_α+和u_β+送入复数带通滤波器中进行滤波。

4.根据权利要求1所述的一种适用于单相和三相电力系统的软件锁相方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：

步骤a：复数带通滤波器的表达式如式(2)所示：

式中，ω_r为谐振角频率，单位rad/s；ω_c为带宽，单位rad/s；

步骤b：采用双线性变换将复数带通滤波器离散化，得到复数带通滤波器的差分方程，并以差分方程的形式执行。