CN109547016B - 基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环 - Google Patents

基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，基于虚拟三相算法构造单相信号的另外两相信号，所得的虚拟三相信号通过正序dq变换所得q轴分量的闭环控制对单相系统的电网电压进行数字锁相。为消除电网电压频率变化的影响，通过虚拟三相信号经负序dq变换所得q轴分量的闭环控制，调节虚拟三相算法的相关基频参数以自适应电网电压频率变化。该锁相环实现单相系统的精确锁相，可应用于分布式光伏等可再生能源并网发电领域，提高电力电子变流器控制性能，改善可再生能源发电系统并网点的电能质量。

Description

基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环
技术领域
本发明涉及电力电子变流器技术领域，特别是涉及一种基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环。
背景技术
电力电子变流器是光伏、风电等可再生能源发电系统的关键设备，是光伏、风电与电网/微网母线相连接的电力电子接口，其性能好坏直接影响到并网点的电能质量。当光伏、风电等发电系统并网运行时，对电网/微网母线电压的相位锁定是实现电力电子变流器准确控制的基础，所采用的锁相技术好坏直接影响变流器的性能。在电力电子变流器锁相技术中，三相系统的锁相技术已十分完善，但单相系统的锁相技术仍需进一步研究。
目前单相系统的锁相技术主要是过零检测和基于构造正交信号的数字锁相方法。其中，过零检测方法存在无法实时检测工频周期内相位变化、以及检测精度受谐波影响大的缺陷；基于构造正交信号的数字锁相方法存在正交信号构造延时长、相位锁定速度慢、受输入信号频率变化影响大的不足。
发明内容
基于此，有必要提供一种基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，基于虚拟三相算法构造单相信号的其它两相信号，形成对称的三相信号后进行正序dq变换，所得的q轴分量通过闭环控制被控为零，同时该闭合控制输出用于调节锁定相位的变化量，以实现电网电压相位锁定。为消除输入信号的频率变化对锁相环精度的影响，引入了基于负序dq变换所得q轴分量的闭环控制，通过该控制调节虚拟三相算法相关基频参数以适应电网电压的频率变化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，其包括：
虚拟三相算法模块，用于将采样所得的单相电网电压vG通过虚拟三相算法得到abc坐标系下的虚拟三相信号vGA_v、vGB_v和vGC_v。
在虚拟三相算法模块中，虚拟三相算法其本质是单相的采样信号通过移相的方式构造出对称的三相信号，使后续模块能够采用三相系统的数字锁相方法，以实现低延时、快速的电网电压相位锁定。
虚拟三相信号vGA_v、vGB_v和vGC_v获取方法为：vGA_v直接采用电网电压采样信号vG数值；vGC_v通过vGA_v延迟60°后取相反数获得；vGB_v通过vGA_v与vGC_v分别取相反数后加和获得。
延迟60°环节通过一阶惯性环节实现，可将固定频率的信号相位滞后60°且幅值保持不变，输入与输出的传递函数如式(1)所示：
Figure BDA0001888391510000021
式中：s为拉氏变换复参数，
Figure BDA0001888391510000022
f为需延迟60°信号的基频，在本发明中为电网电压频率。因在具体实施中无法准确预测电网电压频率，可定义f＝k·50Hz，其中k为频率调节系数，在本发明中来自参数调节模块，利用闭环控制产生系数k，调节延迟60°环节作用的基频参数，以保证延迟60°环节对相位和幅值的作用不因电网电压频率变化而改变。
锁相控制模块，用于将vGA_v、vGB_v和vGC_v经正序dq变换后得到dq坐标系下的虚拟三相矢量信号vGd_vP和vGq_vP；所得的虚拟三相矢量信号的q轴分量vGq_vP与零作比较，其差通过PI调节器控制后取相反数，与固定增量Δωt0、上一采样周期相位ωt0相加后得到相位ωt；上一采样周期相位ωt0被用于正序dq变换矩阵CP，以形成闭环控制，实现ωt对电网电压相位的锁定。
在锁相控制模块中，正序dq变换计算公式如式(2)所示：
Figure BDA0001888391510000031
其中，
Figure BDA0001888391510000032
参数调节模块，用于将vGA_v、vGB_v和vGC_v经负序dq变换后得到dq坐标系下的虚拟三相矢量信号vGd_vN和vGNq_vN；所得的虚拟三相矢量信号的q轴分量vGq_vN与零作比较，其差通过PI调节器控制后取相反数，作为虚拟三相算法中延迟60°环节的比例系数k，并返回到虚拟三相算法的延迟60°环节，调节该环节的基频参数，消除因电网电压频率不为50Hz时该延迟环节在幅值和相位上产生的偏差，以实现单相锁相环对电网电压频率变化的自适应功能。
在参数调节模块中，负序dq变换计算公式如使(3)所示：
Figure BDA0001888391510000033
其中，
Figure BDA0001888391510000034
上述基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，引入虚拟三相算法，将单相电网采样信号转化为虚拟的三相对称信号，使基于矢量变换控制的三相系统锁相技术能够用于单相系统锁相，减少了传统单相锁相技术的延时，提供了单相锁相环速度。与此同时，采用了一阶惯性环节实现虚拟三相算法的延迟60°环节，并采用基于负序dq变换的虚拟三相电网电压矢量控制来调节延迟60°环节因电网电压频率变化导致的幅值和相位偏差，使单相锁相环具备了电网电压频率变化的自适应功能。
附图说明
图1为一示例的基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环示意图；
图2为一示例的延迟60°环节控制示意图；
图3为一示例的锁相效果仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图阐述本发明的基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环的实施例。
参考图1，图1为一示例的基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环示意图，图中含：一个虚拟三相算法模块、一个锁相控制模块和一个参数调节模块。
所述虚拟三相算法模块将单相电网电压信号通过虚拟三相算法生成虚拟三相信号。如图1所示的单相电网电压vG通过虚拟三相算法得到abc坐标系下的虚拟三相信号vGA_v、vGB_v和vGC_v，该虚拟三相信号将作为所述锁相控制模块以及所述参数调节模块的输入信号。
虚拟三相算法其本质是单相的采样信号通过移相的方式构造出对称的三相信号，使后续模块能够采用三相系统的数字锁相方法。采用低延时虚拟三相算法是实现电网电压相位快速和准确锁定的关键，在一较佳实施例中，虚拟三相算法模块中采用60°延时的虚拟三相算法。在所述虚拟三相算法中，如图2所示虚拟三相信号vGA_v、vGB_v和vGC_v获取方法为：vGA_v直接采用电网电压采样信号vG数值；vGC_v通过vGA_v延迟60°环节后取相反数获得；vGB_v通过vGA_v与vGC_v分别取相反数后加和获得。
图2中，所述延迟60°环节通过一阶惯性环节实现，可将固定频率的信号相位滞后60°且幅值保持不变，输入与输出的传递函数如式(4)所示：
Figure BDA0001888391510000041
式中：s为拉氏变换复参数，
Figure BDA0001888391510000051
f为需延迟60°信号的基频，在本发明中为电网电压频率。因在具体实施中无法准确预测电网电压频率，在实施例中，定义f＝k·50Hz，其中k为频率调节系数，由所述参数调节模块中的闭环控制所产生，用于调节所述延迟60°环节作用的基频参数，以保证所述延迟60°环节对相位和幅值的作用不因电网电压频率变化而改变。
所述锁相控制模块，用于锁定电网电压相位。如图1所示的vGA_v、vGB_v和vGC_v经正序dq变换后得到dq坐标系下的虚拟三相矢量信号vGd_vP和vGq_vP；所得的虚拟三相矢量信号的q轴分量vGq_vP与零作比较，其差通过PI调节器控制后取相反数，与固定增量Δωt0、上一采样周期相位ωt0相加后得到相位ωt；上一采样周期相位ωt0被用于正序dq变换矩阵CP，以形成闭环控制，实现ωt对电网电压相位的锁定。
在所述锁相控制模块中，正序dq变换计算公式如式(5)所示：
Figure BDA0001888391510000052
其中，
Figure BDA0001888391510000053
所述参数调节模块，用于调节所述虚拟三相算法模块中的频率调节系数k。如图1所示的vGA_v、vGB_v和vGC_v经负序dq变换后得到dq坐标系下的虚拟三相矢量信号vGd_vN和vGNq_vN；所得的虚拟三相矢量信号的q轴分量vGq_vN与零作比较，其差通过PI调节器控制后取相反数，作为所述虚拟三相算法中延迟60°环节的比例系数k，并返回到虚拟三相算法的延迟60°环节，调节该环节的基频参数，消除因电网电压频率不为50Hz时该延迟环节在幅值和相位上产生的偏差，以实现单相锁相环对电网电压频率变化的自适应功能。
在所述参数调节模块中，负序dq变换计算公式如式(6)所示：
Figure BDA0001888391510000061
其中，
Figure BDA0001888391510000062
图3展示一示例中本发明所提单相锁相环在仿真试验中的锁相效果。仿真试验中，实际电网电压取自两个正弦电压源(电压源1和电压源2)，所述两个正弦电压源频率分别为50Hz(电压源1)和60Hz(电压源2)，且电网电压在0s～0.1s取电压源1，在0.1s时切换为电压源2，即电网电压频率在0.1s时刻由50Hz变化为60Hz。如图3所示的仿真波形中，锁相环在0.1s前精确锁定电压源1的相位，在0.1s时刻开始锁定电压源2相位，并在0.112s时刻实现了相位精确锁定。由此可见，电网电压频率变化时本发明所提出的锁相环可迅速、精确地锁定电网电压相位。
本发明上述一种基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，引入虚拟三相算法，将单相电网采样信号转化为虚拟的三相对称信号，使基于矢量变换控制的三相系统锁相技术能够用于单相系统锁相，减少了传统单相锁相技术的延时，提供了单相锁相环速度。与此同时，采用了一阶惯性环节实现虚拟三相算法的延迟60°环节，并采用基于负序dq变换的虚拟三相电网电压矢量控制来调节延迟60°环节因电网电压频率变化导致的幅值和相位偏差，使单相锁相环具备了电网电压频率变化的自适应功能。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，其特征在于，包括：虚拟三相算法模块、锁相控制模块和参数调节模块；
所述虚拟三相算法模块根据单相电网电压信号vG并采用60°延时的虚拟三相算法生成abc坐标系下的虚拟三相信号vGA_v、vGB_v和vGC_v，具体方法为：vGA_v直接采用单相电网电压信号vG的数值；vGC_v通过vGA_v延迟60°环节后取相反数获得；vGB_v通过vGA_v与vGC_v分别取相反数后加和获得；
所述延迟60°环节通过一阶惯性环节实现，输入与输出的传递函数如下：
Figure FDA0003762846360000011
式中：s为拉氏变换复参数，
Figure FDA0003762846360000012
f为电网电压频率，定义f＝k·50Hz，其中k为频率调节系数，由所述参数调节模块中的闭环控制产生；
所述锁相控制模块，用于锁定电网电压相位，abc坐标系下的虚拟三相信号vGA_v、vGB_v和vGC_v经正序dq变换后得到dq坐标系下的虚拟三相矢量信号vGd_vP和vGq_vP；所得的虚拟三相矢量信号的q轴分量vGq_vP与零作比较，其差通过PI调节器控制后取相反数，与电网电压上一采样周期相位ωt0及相位的固定增量Δωt0相加后得到相位ωt；上一采样周期相位ωt0被用于正序dq变换矩阵CP，以形成闭环控制，实现ωt对电网电压相位的锁定；
在所述锁相控制模块中，正序dq变换计算公式如下式所示：
Figure FDA0003762846360000013
其中，
Figure FDA0003762846360000014
所述参数调节模块，用于调节所述虚拟三相算法模块中的频率调节系数k，具体算法为：vGA_v、vGB_v和vGC_v经负序dq变换后得到dq坐标系下的虚拟三相矢量信号vGd_vN和vGq_vN；所得的虚拟三相矢量信号的q轴分量vGq_vN与零作比较，其差通过PI调节器控制后取相反数，作为所述虚拟三相算法中延迟60°环节的频率调节系数k，上一采样周期相位ωt0被用于负序dq变换矩阵CP；
在所述参数调节模块中，负序dq变换计算公式如下式所示：
Figure FDA0003762846360000021
其中，
Figure FDA0003762846360000022
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