CN109067393A - 一种电力系统的锁相方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电力系统的锁相方法、装置及设备，该方法包括：获取目标电力系统的三相电压在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ；将偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；并利用Ctrl获取第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；利用同步相位补偿值Δθ”对进行补偿，得到获取目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值利用第一相位误差值和第二相位误差值对进行校正，以得到对目标电力系统中的相位进行锁定的相位角显然，该方法能够对目标电力系统的电压基波正序分量进行准确、快速的锁定。

Description

一种电力系统的锁相方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及电压同步技术领域，特别涉及一种电力系统的锁相方法、装置及设备。

背景技术

随着新能源与电力电子技术的发展，接入电力系统中的电力电子装置日益增多，其中，分布式发电、不间断电源、柔性交流输电、高压直流等常常需要经过电力电子换流器与电力系统相连。要实现对这些换流器的准确控制，需要获取与电力系统同步的参考相位。如果不能准确地与电网进行同步，会使得交直流侧出现过压或过流，进而导致换流器闭锁，严重时甚至会损坏电力设备、影响电力系统安全。

在现有技术当中，一般是通过锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)来锁定电力系统中的相位，稳定工况下，PLL能够准确跟踪相位电力系统的电压相位。暂态工况下，如电压突变、三相电压不平衡和电压发生畸变时，现有PLL中相位与频率检测耦合紧密，导致相位跟踪效果较差。由此可见，如何利用一种更好的方法来对电力系统的相位进行快速、准确跟踪，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电力系统的锁相方法、装置及设备，以能够快速、准确地跟踪电力系统的电压相位。其具体方案如下：

一种电力系统的锁相方法，包括：

获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；

获取能够与所述电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取所述电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ；其中，所述偏差值Δδ为所述电压基波正序分量v_q在所述目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻运行值的差值；

将所述偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；

利用所述补偿控制信号Ctrl获取所述第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；

利用所述同步相位补偿值Δθ”对所述第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角

获取所述目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值

利用所述第一相位误差值和所述第二相位误差值对所述第二同步相位角进行校正，以得到对所述目标电力系统中的相位进行锁定的相位角

优选的，所述获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q的过程，包括：

获取所述目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c；

对所述三相电压v_a、v_b和v_c进行Clark变换，得到所述三相电压v_a、v_b和v_c在αβ静止坐标系中的电压分量v_α和v_β；

滤除所述电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和

获取所述αβ静止坐标系中电压基波正序分量和的标量值，得到标量电压分量v'_α和v'_β；

对所述标量电压分量v'_α和v'_β进行Park变换，得到所述电压基波正序分量v_q。

优选的，所述滤除所述电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ坐标系中电压基波正序分量和的过程，包括：

利用目标模型滤除所述电压分量v_α和v_β中的二次谐波，并利用级联延迟信号消除法滤除所述电压分量v_α和v_β中的高次谐波，得到所述αβ静止坐标系中电压基波正序分量和

其中，所述目标模型的表达式为：

式中，T₀为基波周期，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位。

优选的，所述级联延迟信号消除法的表达式为：

式中，T₀为基波周期，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位。

优选的，所述利用所述补偿控制信号Ctrl获取所述同步相位角的同步相位补偿值Δθ”的过程之后，还包括：

利用低通滤波器对所述同步相位补偿值Δθ”进行滤波。

优选的，所述获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q的过程之后，还包括：

利用滑窗均值滤波器对所述电压基波正序分量v_d进行滤波。

优选的，所述获取能够与所述电压基波正序分量v_d进行相位同步的第一同步相位角的过程，包括：

将所述电压基波正序分量v_d乘以增益k_p，得到增益电压；

将所述增益电压与额定角频率w₀相加，得到目标分量；

将所述目标分量输入至积分器，输出得到所述第一同步相位角

相应的，本发明还公开了一种电力系统的锁相装置，包括：

分量获取模块，用于获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；

相角获取模块，用于获取能够与所述电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取所述电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ；其中，所述偏差值Δδ为所述电压基波正序分量v_q在所述目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻运行值的差值；

阈值比较模块，用于将所述偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；

第一相角补偿模块，用于利用所述补偿控制信号Ctrl获取所述第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；

第二相角补偿模块，用于利用所述同步相位补偿值Δθ”对所述第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角

误差值获取模块，用于获取所述目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值

相角补偿模块，用于利用所述第一相位误差值和所述第二相位误差值对所述第二同步相位角进行校正，以得到对所述目标电力系统中的相位进行锁定的相位角

相应的，本发明还公开了一种电力系统的锁相设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如前述公开的电力系统的锁相方法的步骤。

可见，在本发明中，首先是获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q，然后，获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角再获取电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ，再将偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl，以对目标电力系统的相位和频率检测进行解耦，当通过补偿控制信号Ctrl获取第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”之后，利用同步相位补偿值Δθ”对第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角并利用目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值对第二同步相位角进行校正，也即，利用相位补偿的方法消除目标电力系统由于采样和频率偏移所引起的相位误差，由此便实现了对目标电力系统的相位和频率检测进行解耦，从而提高电力系统在暂态过程中对电压基波正序分量的相位跟踪的精确度和速度。相应的，本发明公开的一种电力系统的锁相装置及设备，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电力系统的锁相方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种电力系统的锁相方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的又一种电力系统的锁相方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种锁相与锁频解耦的锁相环的示意图；

图5为本发明实施例提供的第一种测试工况下锁相环检测的频率和相位误差的示意图；

图6为本发明实施例提供的第二种测试工况下锁相环检测的频率和相位误差的示意图；

图7为本发明实施例提供的第三种测试工况下锁相环检测的频率和相位误差的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种电力系统的锁相装置的结构图；

图9为本发明实施例提供的一种电力系统的锁相设备的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在现有技术当中，一般是通过锁相环来锁定电力系统中的相位，稳态工况下，PLL能够准确跟踪相位电力系统的电压相位。暂态工况下，如电压突变、三相电压不平衡和电压发生畸变时，现有PLL中相位与频率检测耦合紧密，导致相位跟踪效果很差。在本发明中，是通过将锁相环中的相位和频率检测进行解耦，以相位补偿的方式来快速、准确跟踪电力系统的电压相位，从而提高锁定电压相位的快速性与准确性。为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

本发明实施例公开了一种电力系统的锁相方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S11：获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；

目标电力系统在三相电压不平衡且畸变时，现有技术当中，各种锁相环中的相位和频率检测紧密耦合，当电力系统发生故障时，电压相位发生突变，此时频率基本没有变化，但现有检测方法中频率的检测值也会受到明显影响，进而影响到锁相环对相位的跟踪。在本实施例中，是将锁相环中的相位与频率进行解耦，以相位补偿的方法来消除目标电力系统中的相位误差，以此来实现目标电力系统在暂态过程中对相位的稳定、准确跟踪。

当目标电力系统的三相电压不平衡且畸变时，不平衡的三相电压可表示为一系列不平衡谐波成分的集合。一般的，三相电压可以表示为正序分量、负序分量和零序分量的集合，具体的，在本实施例中，首先是获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q，以达到将三相电压v_a、v_b和v_c从静止坐标系转换到旋转坐标系下，从而使得将交流量转化为直流量，以便于在后续流程步骤中的分析与计算。

步骤S12：获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ；

其中，偏差值Δδ为电压基波正序分量v_q在目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻运行值的差值；

可以理解的是，电压基波正序分量v_q在目标电力系统当中的实际值与测量得到的值会有偏差，所以，在本实施例中，是当获取到三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q以后，获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角以达到对相位的初步同步效果。具体的，可以通过比例积分控制器来获取第一同步相位角

并获取电压基波正序分量v_q在目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻运行值的偏差值Δδ，以利用该偏差值Δδ对第一同步相位角进行校正，以得到更为精确的第一同步相位角

步骤S13：将偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；

步骤S14：利用补偿控制信号Ctrl获取第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；

步骤S15：利用同步相位补偿值Δθ”对第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角

能够想到的是，当获取到偏差值Δδ以后，将偏差值Δδ与预设阈值进行比较，就能够根据比较结果得出应该给目标电力系统的锁相环中加入何种控制信号来对电压基波正序分量v_q的相位进行修正，并通过补偿控制信号Ctrl来将锁相环中的相位和频率检测进行解耦。需要说明的是，此处的预设阈值是根据人为经验而预先设定的值。

当得到补偿控制信号Ctrl后，就能够根据补偿控制信号Ctrl得到能够对第一同步相位角进行相位同步的同步相位补偿值Δθ”，以此来对第一同步相位角进行再次校正，得到更为准确的第二同步相位角并且，通过步骤S13至步骤S15也实现了将目标电力系统的相位和频率检测进行了解耦，由此，便能够对目标电力系统的电压基波正序分量v_q的相位进行更好的跟踪。

步骤S16：获取目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值

步骤S17：利用第一相位误差值和第二相位误差值对第二同步相位角进行校正，以得到对目标电力系统中的相位进行锁定的相位角

可以理解的是，利用第一相位误差值和第二相位误差值来消除目标电力系统由于电压采样和频率偏移所带来的相位误差的影响，这样一来，就能够得到更为精确的目标电力系统的相位进行锁定的相位角

可见，在本实施例中，首先是获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q，然后，获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角再获取电压基波正序分量v_q在目标电力系统的锁相环中的当前电压值与初始运行时刻的电压值的差值的偏差值δ，再将偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl，以对目标电力系统的相位和频率检测进行解耦，当通过补偿控制信号Ctrl获取第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”之后，利用同步相位补偿值Δθ”对第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角并利用目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值对第二同步相位角进行校正，也即，利用相位补偿的方法消除目标电力系统由于采样和频率偏移所引起的相位误差，由此便实现了对目标电力系统的相位和频率检测进行解耦，从而提高电力系统在暂态过程中对电压基波正序分量的相位跟踪的精确度和速度。

基于上述实施例，本实施例对上述实施例中的内容作进一步的说明与优化，如图2所示。

具体的，上述步骤S11：获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q的过程，包括：

步骤S111：获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c；

步骤S112：对三相电压v_a、v_b和v_c进行Clark变换，得到三相电压v_a、v_b和v_c在αβ静止坐标系中的电压分量v_α和v_β；

步骤S113：滤除电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和

步骤S114：获取αβ静止坐标系中电压基波分量和的标量值，得到标量电压分量v'_α和v'_β；

步骤S115：对标量电压分量v'_α和v'_β进行Park变换，得到电压基波正序分量v_q。

在本实施例中，首先是获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c，然后对三相电压v_a、v_b和v_c进行Clark变换，得到三相电压v_a、v_b和v_c在αβ静止坐标系中的电压分量v_α和v_β，

能够想到的是，在将三相电压v_a、v_b和v_c进行Clark变换，得到三相电压v_a、v_b和v_c在αβ静止坐标系中的电压分量v_α和v_β时，电压分量v_α和v_β中会含有大量的二次谐波和高次谐波，所以，为了保证后续流程步骤中相位锁定的准确性，还滤除了电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和并且，当获取到了αβ静止坐标系中电压基波正序分量和以后，还求取了αβ坐标系中电压基波正序分量和的标量值，以避免αβ静止坐标系中电压基波正序分量和的原始值对后续检测结果的影响，得到标量电压分量v'_α和v'_β；

然后，再利用Park变换将电压分量v'_α和v'_β转换到两相旋转坐标系下，得到电压基波正序分量v_q，由此便实现了将三相交流量转换为直流量，更便于在后续步骤流程中，对电压基波正序分量相位的跟踪。

此处，将目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c转换为在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q和v_d为本领域技术人员所熟知的内容，此处不作具体的赘述。

具体的，上述步骤S113：滤除电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和的过程，包括：

利用目标模型滤除电压分量v_α和v_β中的二次谐波，并利用级联延迟信号消除法滤除电压分量v_α和v_β中的高次谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和

其中，目标模型的表达式为：

式中，T₀为基波周期，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位。

相应的，上述步骤中的级联延迟信号消除法的表达式为：

式中，T₀为基波周期，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位。

在本实施例中，是利用数学运算的方法M₂(s)来滤除谐波当中的二次谐波，也即，利用目标模型滤除二次谐波，利用来滤除谐波当中的高次谐波，以此来消除电压分量v_α和v_β中的谐波，并提取三相电压中的基波正序电压。

基于上述实施例，本实施例对上述实施例作进一步的说明与优化，具体的，上述步骤S14：利用补偿控制信号Ctrl获取同步相位角的同步相位补偿值Δθ”的过程之后，还包括：

利用低通滤波器对同步相位补偿值Δθ”进行滤波。

在本实施例中，是利用低通滤波器来对同步相位补偿值Δθ”进行滤波，以消除同步相位补偿值Δθ”中的谐波干扰，进一步的提高对电压基波正序分量v_q的相位跟踪的准确性。

基于上述实施例，本实施例对上述实施例作进一步的说明与优化，具体的，上述步骤S11：获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q的过程之后，还包括：

利用滑窗均值滤波器对电压基波正序分量v_d进行滤波。

在现有技术当中，一般是利用低通滤波器对电压基波正序分量v_d进行滤波，系统的计算量较大，而在本实施例中，是利用滑窗均值滤波器对电压基波正序分量v_q进行滤波，不仅大大降低了系统的计算量，而且，也提高了系统响应速度。

基于上述实施例，本实施例对上述实施例作进一步的说明与优化，如图3所示，具体的，上述步骤S12：获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角的过程，包括：

步骤S121：将电压基波正序分量v_q乘以增益k_p，得到增益电压；

步骤S122：将增益电压与额定角频率w₀相加，得到目标分量；

步骤S123：将目标分量输入至积分器，输出得到第一同步相位角

可以理解的是，当目标电力系统的三相电压不平衡且发生畸变时，不能够准确锁定电压基波正序分量，所以，在本实施例中，为了提高锁定电压基波正序分量v_q的相位的准确性与速度，是将电压基波正序分量v_q乘以增益k_p，并与额定角频率ω₀相加后，输入积分器，得到第一同步相位

基于上述实施例，本实施例通过一个具体的锁相环来对上述实施例中的内容作出详细的阐述。

如图4所示，首先，是将目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c进行Clark变换，得到三相电压v_a、v_b和v_c在αβ静止坐标系下的电压分量v_α、v_β；

其中，变换过程如式1所示：

之后，将电压分量v_α、v_β先后经过如公式(2)和(3)分别所示CDSC(CascadedDelayed Signal Cancellation，级联联延迟信号消除)滤波环节和二次谐波滤除环节M₂(s)，得到αβ静止坐标系下电压基波正序分量

其中，CDSC滤波环节的表达式为：

其中，二次谐波滤除环节M₂(s)的表达式为：

式中，T₀为额定基波周期。

然后，按照公式(4)求取αβ静止坐标系下电压基波分量幅值V_m。

之后，按照公式(5)将αβ静止坐标系下电压基波分量除以幅值V_m，得到αβ坐标系下电压基波分量的标量形式分量v'_α、v'_β。

对v'_α、v'_β进行Park变换，得到v'_α、v'_β在旋转坐标系dq轴上的电压基波正序分量v_q、v_d；

其中，Park变换过程如式(6)所示。

需要说明的是，公式(6)中的旋转相位角是由锁相环反馈所得的相位角。也即，在新的坐标系下实施控制过程，经过比例积分处理，系统输出的相角反馈给Park变换作为输入相角，此种控制方式得到的结果精度高，响应速度快。

在此处，旋转坐标变换起到鉴相作用，其输出的d轴代表电压幅值，p轴接入环路滤波器，PI模块作为该结构的环路滤波器，PI模块的输出与额定角频率ω₀相加，然后通过一个积分器处理，最后输出目标电力系统电压基波正序分量的相位，该结构在理想电网条件下能快速精确检测到电压相位信息。

再将v_q乘以增益k_p后与额定角频率ω₀相加后，输入积分器，得到第一同步相位角其具体过程如公式(7)所示：

将v_q进行滑窗均值滤波器MAF(Moving Average Filter)；

其中，滑窗均值滤波器MAF的表达式为公式(8)所示：

式中，T_ω为延迟时间，也即，滑窗宽度，s为拉普拉斯算子。

将v_q当前值与T_ω前的值相减，得到偏差值Δδ，如公式(9)所示：

式中，T_s为电压信号采样周期。

对偏差值Δδ求绝对值后与整定值Δδ_set进行比较，得到补偿控制信号Ctrl，其具体过程如公式(10)所示：

根据补偿控制信号Ctrl，得到同步相位补偿值Δθ″，其具体过程如公式(11)所示：

同步相位补偿值Δθ″经过低通滤波器LPF得到同步相位差Δθ，其具体过程如公式(12)所示：

式中，T_c为时间常数。

得到的第二同步相位角与频率如公式(13)所示：

电网频率偏移时在CDSC滤波环节和二次谐波滤除环节M₂(s)提取电压基波正序分量的过程中，产生的电压基波正序分量的第一相位误差如公式(14)所示：

电网频率偏移时，由于离散化产生的电压基波正序分量的第二相位误差如公式(15)所示：

式中，ω₀为电网额定角频率，T_s为电压信号采样周期。

对第二同步相位角进行校正，得到如公式(16)所示：

可见，通过图4当中的锁相环，就可以实现对目标电力系统中锁相环相位和频率的解耦，前置滤波中采用数学运算方法滤除电压中的二次谐波，并与级联延迟信号消除法结合，快速提取电压基波正序分量，采用相位补偿的方法实现前置滤波的频率自适应性，消除电压采样和频率偏移所带来的相位误差，通过对相位误差突变的判断实现了目标电力系统在暂态过程中对相位和频率检测的解耦，从而使得通过本实施例中提供的锁相环能够稳定准确地跟踪电压基波正序分量的相位，具体控制过程可参看如图4所示的锁相环，图4当中锁相环的控制过程，为本领域技术人员所熟知的内容，此处对其具体的控制过程不再赘述。

以上是对本发明所提出的锁相环作出较为详细的介绍，基于上述理论，本实施例通过一个具体的仿真结果对上述实施例所公开的内容进行验证。

具体的，采用谐波注入法在PSCAD/EMTDC中验证上述实施例所提出的锁相环，并且，将上述提出的锁相环与常见的锁相环MC+SRF-PLL(前置滤波同步旋转坐标锁相环)、MC+QT1-PLL(前置准一阶型锁相环)、DSOGI-PLL(双二阶广义积分锁相环)和本发明所提出的锁相环(简称MC+MT1-PLL)进行比较，其中，常见锁相环MC+SRF-PLL、MC+QT1-PLL、DSOGI-PLL和本发明所提出的锁相环MC+MT1-PLL的主要参数如表1所示。

表1三种锁相环的参数

	SRF-PLL	QT1-PLL	本发明锁相环
				比例增益，kp	354.4	314	314
积分增益，ki	62800	-	-
				MAF的滤波窗口，Tω	-	0.01s	0.01s
判断阈值，Δδ	-	-	0.017rad
				LPF的滤波常数，Tc	-	-	0.0005s

本发明所提出的锁相环MC+MT1-PLL的仿真步长为10us，采样频率为f_s＝10kHz，额定频率为f₀＝50Hz，一个电网周期内的采样个数为N＝200。滤波模块中延迟的采样周期数以及取整后的小数部分如表2所示。

表2滤波模块的延迟时间

N＝200，T0＝0.02s，Ts＝T0/N，向下取整

滤波子模块	延迟因子	实际延迟时间	小数部分
				DSC4	4	50Ts	0
DSC8	8	25Ts	0
				DSC16	16	12Ts	0.5Ts
DSC32	32	6Ts	0.25Ts
				Math_filter_12	12	16Ts	0.667Ts

通过三种测试工况来验证。第一种测试工况是设置电压基波正序分量的相位发生30°跳变，且电压不平衡、畸变。第二种测试工况为频率由50Hz偏移到52Hz，且电压不平衡、畸变。第三种测试工况为同时施加相位发生30°跳变、频率由50Hz偏移到52Hz，且电压不平衡、畸变，施加的不平衡、谐波干扰参数如表3所示。

表3设置的扰动，Vbase＝100V

谐波次数	正序(p.u.)	负序(p.u.)
			1st	1.0	0.3
2nd	0.1	0.05
			3rd	0.15	0.05
5th	－	0.06
			7th	0.06	－
11th	－	0.1

第一种测试工况下，锁相环的相位误差和检测频率如图5所示。滤波未完成时，SRF-PLL的相位误差波动幅值最大，而MT1-PLL和QT1-PLL在滤波过程中的相位误差比较平缓，主要原因是MT1-PLL和QT1-PLL中的MAF的进一步滤波作用。以±2％为标准，MT1-PLL约20ms进入稳态，SRF-PLL则需要25ms，而QT1-PLL耗时最长，需要30ms进入稳态。另外，MT1-PLL输出的频率最大偏离为4Hz，且持续时间短；而QT1-PLL检测的频率最大值偏移到57Hz，持续时间较长；SRF-PLL检测的频率最大，达到66Hz，持续时间最长。说明SRF-PLL的相位和频率检测耦合最紧密，QT1-PLL次之，而MT1-PLL实现了频率、相位的解耦，缩短了暂态过程的时间。由于谐波中含有±2次等低次谐波，DSOGI-PLL的稳态相位误差和频率的波动比较大，验证了本发明所提出的滤波器在抵御谐波干扰方面，优于DSOGI滤波方法。

第二种测试工况下，锁相环的相位误差和检测频率如图6所示，频率偏移导致了滤波能力降低，三种具有前置滤波环节的锁相环的相位稳态误差都出现波动。但MT1-PLL与QT1-PLL的相位误差稳态值远小于SRF-PLL，显示了准一阶锁相环的优势。SRF-PLL与DSOGI-PLL的稳态误差基本一致，但是SRF-PLL检测到的频率波动更小，显示出了前置滤波的优点，同时说明了DSOGI滤波同样对频率偏移很敏感。由于MT1-PLL和QT1-PLL的频率检测通路中的MAF滤波器将剩余的谐波进一步衰减，检测到的频率更加平稳。不过，由于MT1-PLL中的解耦，检测到的频率更为稳定，所以，MT1-PLL和QT1-PLL进入稳定的时间基本一致，约为30ms。

第三种测试工况下，锁相环的相位误差和检测频率如图7所示，在第三种测试工况中同时加入了前面两种工况的干扰，以更切合实际的运行情况。此时，相位跳变、频率偏移和谐波等因素共同作用，锁相环的运行条件更加苛刻。从图7中可知，MT1-PLL和QT1-PLL均能较为准确地锁定基波电压的相位和频率，进入稳态的时间基本一样，约为30ms。从检测的频率来看，MT1-PLL具有输出频率波动小且平稳的优点，能够实现暂态过程中相位与频率的解耦，而QT1-PLL输出的频率波动幅值较大，与第一种测试工况下表现的结果一样。SRF-PLL和DSOGI-PLL的相位误差和频率均有较大的波动，与第二种测试工况类似。

显然，从上述仿真结果看，本发明提出锁相环能够基本消除电网频率偏移、延迟时间非整数倍采样周期对锁相环的影响，无论是正常工况，还是其它干扰情况下,都能够稳定准确地跟踪电压基波正序分量的相位。

相应的，本发明还公开了一种电力系统的锁相装置，如图8所示，该装置包括：

分量获取模块21，用于获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；

相角获取模块22，用于获取能够与电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ；其中，偏差值Δδ为电压基波正序分量v_q在目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻运行值的差值；

阈值比较模块23，用于将偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；

第一相角补偿模块24，用于利用补偿控制信号Ctrl获取第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；

第二相角补偿模块25，用于利用同步相位补偿值Δθ”对第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角

误差值获取模块26，用于获取目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值

相角补偿模块27，用于利用第一相位误差值和第二相位误差值对第二同步相位角进行校正，以得到对目标电力系统中的相位进行锁定的相位角

相应的，本发明还公开了一种电力系统的锁相设备，如图9所示，包括：

存储器31，用于存储计算机程序；

处理器32，用于执行计算机程序时实现如前述公开的电力系统的锁相方法的步骤。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置和设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电力系统的锁相方法、装置及设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电力系统的锁相方法，其特征在于，包括：

获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；

获取能够与所述电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取所述电压基波正序分量v_q的偏差值Δδ；其中，所述偏差值Δδ为所述电压基波正序分量v_q在所述目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻的运行值的差值；

将所述偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；

利用所述补偿控制信号Ctrl获取所述第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；

利用所述同步相位补偿值Δθ”对所述第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角

获取所述目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值

利用所述第一相位误差值和所述第二相位误差值对所述第二同步相位角进行校正，以得到对所述目标电力系统中的相位进行锁定的相位角

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q的过程，包括：

获取所述目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c；

对所述三相电压v_a、v_b和v_c进行Clark变换，得到所述三相电压v_a、v_b和v_c在αβ静止坐标系中的电压分量v_α和v_β；

滤除所述电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和

获取所述αβ静止坐标系中电压基波正序分量和的标量值，得到标量电压分量v'_α和v'_β；

对所述标量电压分量v'_α和v'_β进行Park变换，得到所述电压基波正序分量v_q。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述滤除所述电压分量v_α和v_β中的谐波，得到αβ静止坐标系中电压基波正序分量和的过程，包括：

利用目标模型滤除所述电压分量v_α和v_β中的二次谐波，并利用级联延迟信号消除法滤除所述电压分量v_α和v_β中的高次谐波，得到所述αβ静止坐标系中电压基波正序分量和

其中，所述目标模型的表达式为：

式中，T₀为基波周期，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述级联延迟信号消除法的表达式为：

式中，T₀为基波周期，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述补偿控制信号Ctrl获取所述同步相位角的同步相位补偿值θ”的过程之后，还包括：

利用低通滤波器对所述同步相位补偿值Δθ”进行滤波。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q的过程之后，还包括：

利用滑窗均值滤波器对所述电压基波正序分量v_d进行滤波。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述获取能够与所述电压基波正序分量v_d进行相位同步的第一同步相位角的过程，包括：

将所述电压基波正序分量v_d乘以增益k_p，得到增益电压；

将所述增益电压与额定角频率w₀相加，得到目标分量；

将所述目标分量输入至积分器，输出得到所述第一同步相位角

8.一种电力系统的锁相装置，其特征在于，包括：

分量获取模块，用于获取目标电力系统的三相电压v_a、v_b和v_c在dq旋转坐标系下的电压基波正序分量v_q；

相角获取模块，用于获取能够与所述电压基波正序分量v_q进行相位同步的第一同步相位角并获取所述电压基波正序分量vq的偏差值Δδ；其中，所述偏差值Δδ为所述电压基波正序分量v_q在所述目标电力系统的锁相环中的当前值与前时刻运行值的差值；

阈值比较模块，用于将所述偏差值Δδ与预设阈值进行比较，得到补偿控制信号Ctrl；

第一相角补偿模块，用于利用所述补偿控制信号Ctrl获取所述第一同步相位角的同步相位补偿值Δθ”；

第二相角补偿模块，用于利用所述同步相位补偿值Δθ”对所述第一同步相位角进行补偿，得到第二同步相位角

误差值获取模块，用于获取所述目标电力系统由于采样和频率偏移引起的第一相位误差值和第二相位误差值

相角补偿模块，用于利用所述第一相位误差值和所述第二相位误差值对所述第二同步相位角进行校正，以得到对所述目标电力系统中的相位进行锁定的相位角

9.一种电力系统的锁相设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的电力系统的锁相方法的步骤。