CN109980678B - 锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组 - Google Patents

锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组，该装置包括第一运算模块、滤波模块、反馈调节模块、锁相模块和第二运算模块。第一运算模块根据三相电压信号和电网相位反馈值输出电网电压的q轴正序分量，反馈调节模块根据电网电压的q轴正序分量，向锁相模块输出相位调节信号，第二运算模块将相位调节信号转换为用于表征电网波动特征的频率信号；滤波模块的第一输入端接收电网电压的q轴正序分量，滤波模块对频率信号进行滤波处理，并向反馈调节模块输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，反馈调节模块还根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，调节锁相模块输出的电网相位值。采用本发明实施例中的锁相装置能够提高电网适应性。

Description

锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组。
背景技术
锁相环是风力发电机组并网运行的重要部件，锁相环的作用是提供电网相位，供风力发电机组的矢量控制算法使用。现有技术中的锁相环的工作原理为：当电网输出相位反馈与电网实际相位相同时，基于电网输出相位对电网的三相电压进行坐标变(比如，abc-dq)后的q轴分量为零，d轴分量与相电压峰值相等；而当电网输出相位反馈与电网实际相位不同时，经变换后q轴分量不再为零，以q轴分量作为误差信号，经过某种调节后能够对电网的输出相位进行误差修正，使得电网的输出相位跟踪上实际相位。但是，本申请的发明人发现，当电网处于恶劣情况，比如电网波动严重时，现有技术中的锁相环的输出相位也会存在较大波动，降低风力发电机组矢量控制算法的计算准确度。
发明内容
本发明实施例提供了一种锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组，能够提高电网适应性，避免锁相环的输出相位在电网处于恶劣情况时出现波动。
第一方面，本发明实施例提供了一种锁相装置，该锁相装置包括第一运算模块、滤波模块、反馈调节模块、锁相模块和第二运算模块；其中，
第一运算模块的第一输入端接收电网的三相电压信号，第一运算模块的第二输入端接收锁相模块输出的电网相位反馈值，第一运算模块根据三相电压信号和电网相位反馈值输出电网电压的q轴正序分量；
反馈调节模块根据电网电压的q轴正序分量，向锁相模块输出相位调节信号；
第二运算模块将相位调节信号转换为用于表征电网波动特征的频率信号；
滤波模块的第一输入端接收电网电压的q轴正序分量，滤波模块的第二输入端接收频率信号，滤波模块对频率信号进行滤波处理，并向反馈调节模块输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量；
反馈调节模块根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，调节锁相模块输出的电网相位值，直到电网相位值达到电网的实际相位。
在第一方面的一些实施例中，滤波模块为变动频率平均值VFA滤波器。
在第一方面的一些实施例中，反馈调节器为PI调节器，PI调节器根据电网电压的q轴正序分量，向锁相模块输出角速度形式的相位调节信号。
在第一方面的一些实施例中，第一运算模块包括第一运算器，滤波模块包括第一滤波器和第二滤波器；第一运算器的第一输入端接收电网的三相电压信号，第一运算模块的第二输入端接收锁相模块输出的电网相位反馈值，第一运算模块根据三相电压信号和电网相位反馈值分别输出电网电压的q轴正序分量和电网电压的d轴正序分量；第一滤波器的第一输入端接收电网电压的q轴正序分量，第一滤波器的第二输入端接收频率信号，第一滤波器对频率信号进行滤波处理，并向反馈调节模块输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量；第二滤波器的第一输入端接收电网电压的d轴正序分量，第一滤波器的第二输入端接收频率信号，第二滤波器对频率信号进行滤波处理，并输出滤除电网中异常波动后的d轴正序分量。
在第一方面的一些实施例中，第一运算模块还包括第二运算器，滤波模块还包括第三滤波器和第四滤波器；装置还包括第三运算模块，其中，第三运算模块对锁相模块输出的电网相位反馈值进行取反运算；第二运算器的第一输入端接收电网的三相电压信号，第二运算模块的第二输入端接收取反运算后的电网相位反馈值，第二运算模块根据三相电压信号和取反运算后的电网相位反馈值分别输出电网电压的q轴负序分量和电网电压的d轴负序分量；第三滤波器的第一输入端接收电网电压的q轴负序分量，第三滤波器的第二输入端接收频率信号，第三滤波器对频率信号进行滤波处理，并输出滤除电网中异常波动后的q轴负序分量；第四滤波器的第一输入端接收电网电压的d轴负序分量,第四滤波器的第二输入端接收频率信号，第四滤波器对频率信号进行滤波处理，并输出滤除电网中异常波动后的d轴负序分量。
第二方面，本发明实施例提供一种锁相控制方法，该锁相控制方法包括：
根据电网的三相电压信号和电网的相位反馈值，得到电网电压的q轴正序分量；
根据电网电压的q轴正序分量，得到相位调节信号；
将相位调节信号转换为用于表征电网当前波动特征的频率信号；
对频率信号进行滤波处理，并根据电网电压的q轴正序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的q轴正序分量；
根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，调节电网的输出相位值，直到电网的输出相位值达到电网的实际相位。
在第二方面的一些实施例中，对频率信号进行滤波处理包括：滤除频率信号中与电网的基波频率呈倍数关系的频率信号。
在第二方面的一些实施例中，该锁相控制方法还包括：根据电网的三相电压信号和电网的输出相位反馈值，得到电网电压的d轴正序分量；根据电网电压的d轴正序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的d轴正序分量。
在第二方面的一些实施例中，该锁相控制方法还包括：对电网的输出相位反馈值进行取反运算；根据电网的三相电压信号和取反运算后的输出相位反馈值，得到电网电压的q轴负序分量和电网电压的d轴负序分量；根据电网电压的q轴负序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的q轴负序分量；并根据电网电压的d轴负序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的d轴负序分量。
第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述锁相装置。
如上所述，本发明实施例中的锁相装置增加了滤波模块，该滤波模块能够对频率信号f进行滤波处理并向反馈调节模块输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，然后由反馈调节模块根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，调节锁相模块输出的电网相位值，直到电网相位值达到电网的实际相位。
由于滤波模块能够滤除电网中异常波动，从而降低输入至反馈调节模块的q轴正序分量的波动，进而能够使得锁相模块输出的电网相位值趋于稳定。因此，与现有技术中的锁相装置相比，本发明实施例中的锁相装置能够提高锁相环的电网适应性，从而能够避免锁相环的输出相位在电网处于恶劣情况时出现波动，进而能够提高风力发电机组矢量控制算法的计算准确度。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为发明一实施例提供的锁相装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的锁相装置的结构示意图；
图3为本发明又一实施例提供的锁相装置的结构示意图；
图4为本发明再一实施例提供的锁相装置的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的锁相控制方法的流程示意图；
图6为本发明另一实施例提供的锁相控制方法的流程示意图；
图7为本发明又一实施例提供的锁相控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明实施例的全面理解。
本发明实示例提供一种锁相装置和锁相控制方法、风力发电机组，用于风力发电机组的并网装置中。采用本发明实施例中的技术方案，能够提高锁相环的电网适应性，避免锁相环的输出相位在电网处于恶劣情况时出现波动，从而提高风力发电机组矢量控制算法的计算准确度。
图1为本发明一实施例提供的锁相装置的结构示意图。如图1所示，该锁相装置包括第一运算模块101、滤波模块102、反馈调节模块103、锁相模块104和第二运算模块105。
其中，第一运算模块101的第一输入端接收电网的三相电压信号(Va，Vb，Vc)，第一运算模块101的第二输入端接收锁相模块104输出的电网相位反馈值θ，第一运算模块101根据三相电压信号(Va，Vb，Vc)和电网相位反馈值θ输出电网电压的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000051
反馈调节模块103根据电网电压的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000052
向锁相模块104输出相位调节信号。
第二运算模块105将相位调节信号转换为用于表征电网波动特征的频率信号f。
滤波模块102的第一输入端接收电网电压的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000053
滤波模块102的第二输入端接收频率信号，滤波模块102对频率信号f进行滤波处理，并向反馈调节模块103输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000054
反馈调节模块103根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000055
调节锁相模块104输出的电网相位值，直到电网相位值达到电网的实际相位。
如上所述，本发明实施例中的锁相装置增加了滤波模块102，该滤波模块102能够对频率信号f进行滤波处理并向反馈调节模块103输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000056
然后由反馈调节模块103根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000057
调节锁相模块104输出的电网相位值，直到电网相位值达到电网的实际相位。
由于滤波模块102能够滤除电网中异常波动，从而降低输入至反馈调节模块103的q轴正序分量的波动，进而能够使得锁相模块104输出的电网相位值趋于稳定。因此，与现有技术中的锁相装置相比，本发明实施例中的锁相装置能够提高锁相环的电网适应性，从而能够避免锁相环的输出相位在电网处于恶劣情况时出现波动，进而能够提高风力发电机组矢量控制算法的计算准确度。
图2为本发明另一实施例提供的锁相装置的结构示意图。图2与图1的不同之处在于，图2是对图1中的各模块器件进行细化后的锁相装置。图2中示出的锁相装置具体为第一派克变换器、VFA滤波器和PID调节器。
其中，派克变换是现在占主流地位的交流电机分析计算时的基本变换，用于将三相电压信号(Va，Vb，Vc)在a、b和c轴上的投影等效到d轴和q轴上。
VFA滤波器又称为变动频率平均值滤波器，能够滤除电网中异常波动，具体地，能够滤除频率信号中与电网的基波频率呈倍数关系的频率信号。本领域技术人员也可以结合电网的实际运行情况，选择合适的滤波器，此处不进行限定。
PI调节器能够根据电网电压的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000061
向锁相模块104输出角速度形式的相位调节信号ω。
锁相模块104中包括积分运算单元和取模运算单元，其中，积分运算单元用于对所述反馈调节器输出的角速度形式的相位调节信号ω进行积分处理，取模运算单元利用2π对积分处理后的数据取模得到电网相位值θ。
图3为本发明又一实施例提供的锁相装置的结构示意图。图3与图2的不同之处在于，图3中的滤波模块102包括VFA1滤波器和VFA2滤波器。
其中，VFA1滤波器的第一输入端接收电网的三相电压信号(Va，Vb，Vc)，第VFA1滤波器的第二输入端接收锁相模块104输出的电网相位反馈值θ，第一运算模块101根据三相电压信号(Va，Vb，Vc)和电网相位反馈值θ分别输出电网电压的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000062
和电网电压的d轴正序分量
Figure BDA0001531197900000063
VFA1滤波器的第一输入端接收电网电压的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000071
VFA1滤波器的第二输入端接收频率信号f，VFA1滤波器对频率信号f进行滤波处理，并向PID调节器输出滤除电网中异常波动后的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000072
VFA2滤波器的第一输入端接收电网电压的d轴正序分量
Figure BDA0001531197900000073
第一滤波器的第二输入端接收频率信号f，第二滤波器对频率信号f进行滤波处理，并输出滤除电网中异常波动后的d轴正序分量
Figure BDA0001531197900000074
由于风力发电机组矢量控制算法需求的计算参数除电网相位值以外，还包括电网电压的正序分量和负序分量，但是，目前的锁相装置只能给提供电网电压的正序分量分量，无法提供电网电压的负序分量，因此本发明实施例还提供另外一种锁相装置，能够在电网适应性较高的前提下，满足风力发电机组矢量控制算法的参数需求。
图4为本发明再一实施例提供的锁相装置的结构示意图。图4与图3的不同之处在于，图4中的第一运算模块101还包括第二派克变换器，滤波模块102还包括VFA3滤波器和VFA4滤波器。图4中的锁相装置还包括第三运算模块106。
其中，第三运算模块106用于对锁相模块104输出的电网相位反馈值θ进行取反运算，得到-θ。
第二派克变换器的第一输入端接收电网的三相电压信号(Va，Vb，Vc)，第二派克变换器的第二输入端接收取反运算后的电网相位反馈值-θ，第二派克变换器根据三相电压信号(Va，Vb，Vc)和取反运算后的电网相位反馈值-θ分别输出电网电压的q轴负序分量
Figure BDA0001531197900000075
和电网电压的d轴负序分量
Figure BDA0001531197900000076
VFA3滤波器的第一输入端接收电网电压的q轴负序分量
Figure BDA0001531197900000077
VFA3滤波器的第二输入端接收频率信号f，VFA3滤波器对频率信号f进行滤波处理，并输出滤除电网中异常波动后的q轴负序分量
Figure BDA0001531197900000078
VFA4滤波器的第一输入端接收电网电压的d轴负序分量
Figure BDA0001531197900000079
VFA4滤波器的第二输入端接收频率信号f，VFA4滤波器对频率信号f进行滤波处理，并输出滤除电网中异常波动后的d轴负序分量
Figure BDA00015311979000000710
如上所述，本发明实施例的锁相装置首先采用第一派克运算器根据电网相位反馈值θ对三相电压信号(Va，Vb，Vc)进行转换运算，得到电网电压的q轴负序分量
Figure BDA0001531197900000081
和电网电压的d轴负序分量
Figure BDA0001531197900000082
且第二派克运算器根据取反运算后的电网相位反馈值-θ对三相电压信号(Va，Vb，Vc)进行转换运算，得到电网电压的q轴负序分量
Figure BDA0001531197900000083
和电网电压的d轴负序分量
Figure BDA0001531197900000084
然后分别经过VFA1滤波器、VFA3滤波器、VFA3滤波器和VFA3滤波器滤除了各分量中的异常波动信号，从而能够得到电网电压的稳定的q轴正序分量
Figure BDA0001531197900000085
d轴正序分量
Figure BDA0001531197900000086
q轴负序分量
Figure BDA0001531197900000087
和d轴负序分量
Figure BDA0001531197900000088
进而能够在电网适应性较高的前提(即正常或者异常的电网环境)下，均满足风力发电机组矢量控制算法的参数需求，进一步提高了风力发电机组矢量控制算法的计算准确度。
需要说明的是，上文所述锁相控制装置中的各模块或者器件可以是单独设置，也可以是以任意组合形成集成设置，此处不进行限定。
图5为本发明一实施例提供的锁相控制方法的流程示意图。如图5所示，该锁相控制方法包括步骤501至步骤505。
在步骤501中，根据电网的三相电压信号和电网的相位反馈值，得到电网电压的q轴正序分量。
在步骤502中，根据电网电压的q轴正序分量，得到相位调节信号。
在步骤503中，将相位调节信号转换为用于表征电网当前波动特征的频率信号。
在步骤504中，对频率信号进行滤波处理，并根据电网电压的q轴正序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的q轴正序分量。具体地，滤除频率信号中与电网的基波频率呈倍数关系的频率信号。
在步骤505中，根据滤除电网中异常波动后的q轴正序分量，调节电网的输出相位值，直到电网的输出相位值达到电网的实际相位。
图6为本发明另一实施例提供的锁相控制方法的流程示意图。图6与图5的不同之处在于，图6中的锁相控制方法还包括步骤506和步骤507。
在步骤506中，根据电网的三相电压信号和电网的输出相位反馈值，得到电网电压的d轴正序分量。
在步骤507中，根据电网电压的d轴正序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的d轴正序分量。
图7为本发明又一实施例提供的锁相控制方法的流程示意图。图7与图6的不同之处在于，图7中的方法还包括步骤508至步骤510。
在步骤508中，对电网的输出相位反馈值进行取反运算。
在步骤509中，根据电网的三相电压信号和取反运算后的输出相位反馈值，得到电网电压的q轴负序分量和电网电压的d轴负序分量。
在步骤510中，根据电网电压的q轴负序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的q轴负序分量；并根据电网电压的d轴负序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除电网中异常波动后的d轴负序分量。
本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的锁相装置。该风力发电机组具有上述锁相装置的技术效果，不再赘述。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (10)

1.一种锁相装置，其特征在于，用于风力发电机组中，包括第一运算模块、滤波模块、反馈调节模块、锁相模块和第二运算模块；其中，
所述第一运算模块根据三相电压信号和电网相位反馈值输出电网电压的q轴正序分量；
所述反馈调节模块根据所述电网电压的q轴正序分量，向所述锁相模块输出相位调节信号；
所述第二运算模块将所述相位调节信号转换为用于表征所述电网波动特征的频率信号；
所述滤波模块对所述频率信号进行滤波处理，并向所述反馈调节模块输出滤除所述电网中异常波动后的q轴正序分量；
所述反馈调节模块还根据所述滤除所述电网中异常波动后的q轴正序分量，调节所述锁相模块输出的电网相位值，直到所述电网相位值达到所述电网的实际相位；
所述第一运算模块包括第一运算器与第二运算器，所述装置还包括第三运算模块；
其中，所述第一运算器的第一输入端接收所述电网的三相电压信号，所述第一运算器的第二输入端接收所述锁相模块输出的电网相位反馈值，所述第一运算器根据所述三相电压信号和所述电网相位反馈值分别输出所述电网电压的q轴正序分量和所述电网电压的d轴正序分量；
所述第三运算模块对所述锁相模块输出的电网相位反馈值进行取反运算；
所述第二运算器的第一输入端接收所述电网的三相电压信号，所述第二运算器的第二输入端接收取反运算后的电网相位反馈值，所述第二运算器根据所述三相电压信号和所述取反运算后的电网相位反馈值分别输出所述电网电压的q轴负序分量和所述电网电压的d轴负序分量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滤波模块为变动频率平均值VFA滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述反馈调节模块 为PI调节器，所述PI调节器根据所述电网电压的q轴正序分量，向所述锁相模块输出角速度形式的相位调节信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滤波模块包括第一滤波器和第二滤波器；
所述第一滤波器的第一输入端接收所述电网电压的q轴正序分量，所述第一滤波器的第二输入端接收所述频率信号，所述第一滤波器对所述频率信号进行滤波处理，并向所述反馈调节模块输出滤除所述电网中异常波动后的q轴正序分量；
所述第二滤波器的第一输入端接收所述电网电压的d轴正序分量，所述第一滤波器的第二输入端接收所述频率信号，所述第二滤波器对所述频率信号进行滤波处理，并输出滤除所述电网中异常波动后的d轴正序分量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述滤波模块还包括第三滤波器和第四滤波器；其中，
所述第三滤波器的第一输入端接收所述电网电压的q轴负序分量，所述第三滤波器的第二输入端接收所述频率信号，所述第三滤波器对所述频率信号进行滤波处理，并输出滤除所述电网中异常波动后的q轴负序分量；
所述第四滤波器的第一输入端接收所述电网电压的d轴负序分量,所述第四滤波器的第二输入端接收所述频率信号，所述第四滤波器对所述频率信号进行滤波处理，并输出滤除所述电网中异常波动后的d轴负序分量。
6.一种锁相控制方法，其特征在于，用于风力发电机组中，包括：
根据电网的三相电压信号和所述电网的相位反馈值，得到所述电网电压的q轴正序分量；
根据所述电网电压的q轴正序分量，得到相位调节信号；
将所述相位调节信号转换为用于表征所述电网当前波动特征的频率信号；
对所述频率信号进行滤波处理，并根据所述电网电压的q轴正序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除所述电网中异常波动后的q轴正序分量；
根据所述滤除所述电网中异常波动后的q轴正序分量，调节所述电网的输出相位值，直到所述电网的输出相位值达到所述电网的实际相位；
所述方法还包括：
根据所述电网的三相电压信号和所述电网的输出相位反馈值，得到所述电网电压的d轴正序分量；
对所述电网的输出相位反馈值进行取反运算；
根据所述电网的三相电压信号和取反运算后的输出相位反馈值，得到所述电网电压的q轴负序分量和电网电压的d轴负序分量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述频率信号进行滤波处理包括：滤除所述频率信号中与所述电网的基波频率呈倍数关系的频率信号。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述电网电压的d轴正序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除所述电网中异常波动后的d轴正序分量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述电网电压的q轴负序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除所述电网中异常波动后的q轴负序分量；并根据所述电网电压的d轴负序分量和滤波处理后的频率信号，得到滤除所述电网中异常波动后的d轴负序分量。
10.一种风力发电机组，其特征在于，设置如权利要求1-5任意一项所述锁相装置。
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