CN109459599B - 一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法。本发明能够有效地避免网压跳变、谐波、频率波动对基波同步信号的影响，且移植性较强，适用于单/三相的同步相位检测，具有较强的通用性。

Description

一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法
技术领域
本发明涉及电网相位检测领域，具体涉及一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法。
背景技术
电网同步信号的检测是AC/DC变换器控制的关键技术之一。电压相位检测通常是锁相环(phase-locked loop，PLL)电路(原理如图1所示)或者软件锁相环实现。软件锁相环具有成本低、易于实现、较好的捕获和跟踪性能等优点，因此在控制算法中多采用软件锁相环。典型的软件锁相环有基于对称分量法的SSRF-SPLL(single synchronous referenceframe SPLL，SSRF-SPLL)、基于双同步坐标系的解耦SPLL(decoupled double SRF-SPLL，DDSRF-SPLL)和基于二阶广义积分锁相环策略。但上述方法均存在一定的缺点：锁相环受电压畸变、不平衡影响较大，严重情况下会导致失锁现象。
有学者提供了一种无锁相环的研究思路，采用二阶低通滤波器提取低频分量可以有效的避免电网电压畸变对锁相环造成严重影响，但是未考虑频率偏差时滤波器对相位造成的偏移，造成电网电压同步相位检测精度不够高，而且电网频率偏差越大，相位偏移角度也就越大。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法解决了电网电压同步相位检测精度不够高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法，包括以下步骤：
S1、利用控制器发生参考正弦信号和参考余弦信号，通过电网电压与参考正弦信号和参考余弦信号进行积化和差运算得到低频分量；
S2、根据电网的幅频特性对两个一阶低通滤波器的低频输入分量分别进行两次相位补偿；
S3、根据第二次补偿后低通滤波器输出的低频分量、参考正弦信号和参考余弦信号变换得到电网基波电压，将电网基波电压单位化得到第i次电网同步信号；
S4、根据第i次电网同步信号计算电网平均频率，并通过电网平均频率对两个一阶低通滤波器的低频分量进行第i+1次相位补偿，i＝1,2,3,…；
S5、通过第i+1次相位补偿后的低频分量、参考正弦信号和参考余弦信号变换得到电网基波电压，将电网基波电压单位化得到第i+1次电网同步信号。
进一步地：所述步骤S1中低频分量的计算公式为：
Figure BDA0001883561840000021
Figure BDA0001883561840000022
上式中，us为电网电压，sin(ω0t+θ)为参考正弦信号，ω0为参考正弦信号的角频率，ω0＝100π，θ为参考正余弦的初始相位，t为系统本地时间，us1_sin和usn_sin分别为电网电压的基波信号和谐波信号的正弦分量，
Figure BDA0001883561840000023
和分别为基波信号和谐波信号的初相角，Usm1和Usmn分别为基波电压和谐波电压的幅值，n为自然数，其中，
上式中，ω为电网实际角频率；
Figure BDA0001883561840000031
进一步地：所述步骤S2中第一次相位补偿后的低频分量为：
Figure BDA0001883561840000032
上式中，Udcos为相位补偿后的余弦低频分量，Udsin为相位补偿后的正弦低频分量。
进一步地：所述步骤S3中第i次电网同步信号的计算公式为：
Figure BDA0001883561840000033
上式中，Usin为同步信号的正弦信号，Ucos为同步信号的余弦信号，us1为电网基波信号，u′s1为电网基波信号的正交信号，其中，
Figure BDA0001883561840000035
进一步地：所述步骤S4中电网平均频率的计算公式为：
上式中，
Figure BDA0001883561840000037
为电网的平均频率，Ts为采样频率，m为采样点个数，其中，
Figure BDA0001883561840000038
上式中，kTs为第k个采样时间。
本发明的有益效果为：本发明能够有效地避免网压跳变、谐波、频率波动对基波同步信号的影响，且移植性较强，适用于单/三相的同步相位检测，具有较强的通用性。
附图说明
图1为现有的基波同步信号检测原理图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明中的基波同步信号实现原理图；
图4为本发明中相位和幅值补偿的原理图；
图5为本发明在电网电压跳变情况下的波形图；
图6为本发明在电网电压畸变情况下的波形图；
图7为本发明在电网电压频率渐变情况下的波形图；
图8为本发明在电网电压频率48Hz情况下的波形图；
图9为本发明在电网电压频率50Hz情况下的波形图；
图10为本发明在电网电压频率52Hz情况下的波形图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图2和图3共同所示，一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法，包括以下步骤：
S1、利用控制器发生参考正弦信号和余弦信号，通过电网电压与参考正弦信号和余弦信号进行积化和差运算得到角频率接近于0的低频分量和角频率接近于两倍电网频率的高频分量。
低频分量的计算公式为：
Figure BDA0001883561840000051
Figure BDA0001883561840000052
上式中，us为电网电压，sin(ω0t+θ)为参考正弦信号，ω0为参考正弦信号的角频率，ω0＝100π，θ为参考正余弦的初始相位，t为系统本地时间，us1_sin和usn_sin分别为电网电压的基波信号和谐波信号的正弦分量，
Figure BDA0001883561840000053
和
Figure BDA0001883561840000054
分别为基波信号和谐波信号的初相角，Usm1和Usmn分别为基波电压和谐波电压的幅值，n为自然数，其中，
Figure BDA0001883561840000055
上式中，ω为电网实际角频率；
Figure BDA0001883561840000056
S2、根据电网的幅频特性对两个一阶低通滤波器的低频输入分量分别进行两次相位补偿，如图4所示，第二次相位补偿后低通滤波器输出的低频分量为：
上式中，Udcos为相位补偿后的余弦低频分量，Udsin为相位补偿后的正弦低频分量。
S3、根据第二次补偿后低通滤波器输出的低频分量、参考正弦信号和参考余弦信号变换得到电网基波电压，将电网基波电压单位化得到第i次电网同步信号。
第i次电网同步信号的计算公式为：
Figure BDA0001883561840000061
上式中，Usin为同步信号的正弦信号，Ucos为同步信号的余弦信号，us1为电网基波信号，u′s1为电网基波信号的正交信号，其中，
Figure BDA0001883561840000062
Figure BDA0001883561840000063
S4、根据第i次电网同步信号计算电网平均频率，并通过电网平均频率对两个一阶低通滤波器的低频分量进行第i+1次相位补偿，i＝1,2,3,…。电网平均频率的计算公式为：
上式中，为电网的平均频率，Ts为采样频率，m为采样点个数，其中，
Figure BDA0001883561840000066
上式中，kTs为第k个采样时间。
S5、通过第i+1次相位补偿后的低频分量、参考正弦信号和参考余弦信号变换得到电网基波电压，将电网基波电压单位化得到第i+1次电网同步信号。
如图5所示，电网电压突变情况下，电网同步正弦信号Usin也能跟踪电网信号us相位；
如图6所示，电网有大量谐波甚至畸变时，电网同步信号Usin能与电网基波同相；
如图7所示，电网频率发生波动时，电网同步信号Usin也能电网同相；
如图8所示，电网频率为48Hz，偏离给定角频率ω0时，电网同步信号检测通过反馈补偿后仍能实现与电网的同相；
如图9所示，电网频率为50Hz时，电网同步信号与电网电压能实现同相；
如图10所示，电网频率为52Hz时，通过补偿，电网电压与同步信号同相。
如图6-图10所示，双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法在电网电压畸变、电网频率波动甚至偏移情况下都能实现电网电压基波信号与同步信号同相。且移植性较强，适用于单/三相的同步相位检测，具有较强的通用性。

Claims (1)

1.一种双重补偿的无锁相环电网同步信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用控制器发生参考正弦信号和参考余弦信号，通过电网电压与参考正弦信号和参考余弦信号进行积化和差运算得到低频分量；
S2、根据电网的幅频特性对两个一阶低通滤波器的低频输入分量分别进行两次相位补偿；
S3、根据第二次补偿后低通滤波器输出的低频分量、参考正弦信号和参考余弦信号变换得到电网基波电压，将电网基波电压单位化得到第i次电网同步信号；
S4、根据第i次电网同步信号计算电网平均频率，并通过电网平均频率对两个一阶低通滤波器的低频分量进行第i+1次相位补偿，i＝1,2,3,…；
S5、通过第i+1次相位补偿后的低频分量、参考正弦信号和参考余弦信号变换得到电网基波电压，将电网基波电压单位化得到第i+1次电网同步信号；
所述步骤S1中低频分量的计算公式为：
Figure FDA0002253599430000011
Figure FDA0002253599430000012
上式中，us为电网电压，sin(ω0t+θ)为参考正弦信号，ω0为参考正弦信号的角频率，ω0＝100π，θ为参考正余弦的初始相位，t为系统本地时间，us1_sin和usn_sin分别为电网电压的基波信号和谐波信号的正弦分量，
Figure FDA0002253599430000013
和
Figure FDA0002253599430000014
分别为基波信号和谐波信号的初相角，Usm1和Usmn分别为基波电压和谐波电压的幅值，n为自然数，其中，
Figure FDA0002253599430000021
上式中，ω为电网实际角频率，us1和usn分别为电网电压的基波信号和谐波信号；
Figure FDA0002253599430000022
上式中，α1、β1、αn和βn均为中间变量；
所述步骤S2中第二次相位补偿后的低频分量为：
上式中，Udcos为相位补偿后的余弦低频分量，Udsin为相位补偿后的正弦低频分量；
所述步骤S3中第i次电网同步信号的计算公式为：
Figure FDA0002253599430000024
上式中，Usin为同步信号的正弦信号，Ucos为同步信号的余弦信号，us1为电网基波信号，u's1为电网基波信号的正交信号，其中，
Figure FDA0002253599430000025
Figure FDA0002253599430000026
所述步骤S4中电网平均频率的计算公式为：
Figure FDA0002253599430000027
上式中，
Figure FDA0002253599430000028
为电网的平均频率，Ts为采样频率，m为采样点个数，其中，
Figure FDA0002253599430000031
上式中，kTs为第k个采样时间。
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