CN110165706B - 一种自适应三相并网变换器锁相环及其锁相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气工程技术领域，提供一种自适应三相并网变换器锁相环及其锁相控制方法。本发明的锁相环包括坐标变换单元、延时信号对消模块、二阶广义积分器、PI调节器；电网电压信号输入坐标变换单元，坐标变换单元的输出分量输入延时信号对消模块，延时信号对消模块的输出分量串联二阶广义积分器，延时信号对消模块的输出分量与二阶广义积分器的输出分量作差得到的q轴电压分量串联PI调节器，PI调节器输出的频率差值与电网电压的额定角频率求和后经过积分环节得到电网电压信号的相位角，电网电压信号的相位角反馈给坐标变换单元。本发明能够实现复杂工况下尤其是电网不对称故障及混入谐波分量时对电网电压相位的动态检测，且检测准确性高。

Description

一种自适应三相并网变换器锁相环及其锁相控制方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，特别是涉及一种自适应三相并网变换器锁相环及其锁相控制方法。

背景技术

新能源(光伏，风能)并网发电控制需要进行电网相位信息的同步检测。同时在电网故障期间也要求并网逆变器具有一定的低电压穿越能力，即逆变器要根据电网电压跌落深度的不同发出对应的无功功率来支撑电网电压的恢复。在正常并网运行以及故障工况下都需要准确地提取电网相位、幅值以及频率。目前多种锁相环被应用到电网电压相位检测中来。

现有的锁相环中，最为常见的是硬件锁相环。硬件锁相环通过硬件设备来进行电网相位信息的锁定，在相位检测过程中存在着多次过零，会导致锁相失败。此外，基于同步坐标系的软件锁相环是利用坐标变换将abc三相电压变换到了两相dq坐标系下，并控制d轴或q轴电压为零来实现锁相，而基于同步坐标系的锁相环在电网电压不对称故障和混入谐波分量时无法准确锁相。基于数字陷波器的锁相环尽管可以消除谐波影响，但陷波器的参数设置较为复杂，且系统的计算量过大，响应速度慢。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种自适应三相并网变换器锁相环及其锁相控制方法，能够实现复杂工况下尤其是电网不对称故障及混入谐波分量时对电网电压相位的动态检测，且相位检测的准确性高。

本发明的技术方案为：

一种自适应三相并网变换器锁相环，其特征在于：包括坐标变换单元、延时信号对消模块、二阶广义积分器、PI调节器；电网电压信号输入所述坐标变换单元，所述坐标变换单元的输出分量输入延时信号对消模块，所述延时信号对消模块的输出分量串联二阶广义积分器，所述延时信号对消模块的输出分量与二阶广义积分器的输出分量作差得到的q轴电压分量串联PI调节器，所述PI调节器输出的频率差值与电网电压的额定角频率求和后经过积分环节得到电网电压信号的相位角，电网电压信号的相位角反馈给坐标变换单元。

一种上述自适应三相并网变换器锁相环的锁相控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将三相电网电压信号{u_a,u_b,u_c}输入到坐标变换单元，坐标变换单元对三相电网电压信号{u_a,u_b,u_c}进行Park变换，得到电网电压的dq轴电压分量为[u_d u_q]^T，并将dq轴电压分量输出给延时信号对消模块；其中，

当x分别为a、b、c时，k分别为0、1、2；U_p、U_n分别为电网电压基波正、负序分量的幅值，θ_p、θ_n分别为电网电压基波正、负序分量的初始相位角，ω为电网电压基波的角频率；φ＝θ_n-θ_p，Park变换的变换矩阵为

θ为电网电压的相位角；

步骤2：延时信号对消模块对dq轴电压分量进行滤波，得到滤波后的dq轴电压分量[u_d'u_q']^T，并将滤波后的q轴电压分量输出给二阶广义积分器；

步骤3：二阶广义积分器对滤波后的q轴电压分量进行处理，输出电压分量[q_v'v']^T，将滤波后的dq轴电压分量与电压分量[q_v'v']^T作差，得到消除负序分量后的dq轴电压分量，并将消除负序分量后的q轴电压分量输出给PI调节器；其中，

步骤4：PI调节器对消除负序分量后的q轴电压分量进行处理，得到频率差值，将频率差值与电网电压的额定角频率ω_ff相加，并将相加后的结果输入积分环节，积分环节输出所述自适应三相并网变换器锁相环锁定的相位角θ，将相位角θ反馈给坐标变换单元，进行自适应调整。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的锁相环及其锁相控制方法利用延时信号对消模块来消除谐波对相位和频率检测的影响，大大提升了整个锁相环系统的滤波能力；在传统的单同步坐标系锁相环中加入二阶广义积分器，利用其正交信号输出的特性来消除负序分量的影响，同时采用PID调节器来实现电网频率和相位的无静差跟踪，将锁相环输出相位值反馈回坐标变换单元，实现了系统动态的自适应调整，能够实现复杂工况下尤其是电网不对称故障及混入谐波分量时对电网电压的相位检测，提高了相位检测的准确性。

(2)同目前应用范围较广的基于正交信号发生器的锁相环相比，本发明的自适应三相并网变换器锁相环只使用了一个正交信号发生单元，节约了硬件成本。

附图说明

图1为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环的结构示意图；

图2为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环的锁相控制方法的流程图；

图3为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环中二阶广义积分器的结构示意图；

图4为实施例中加入谐波以及不对称故障时电网电压的波形图；

图5为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环检测电网电压基波正序分量的结果示意图；

图6为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环检测电网电压基波负序分量的结果示意图；

图7为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环对电网电压相位检测的结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

如图1所示，为本实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环的结构示意图。本发明的自适应三相并网变换器锁相环，其特征在于：包括坐标变换单元、延时信号对消模块、二阶广义积分器、PI调节器；电网电压信号输入所述坐标变换单元，所述坐标变换单元的输出分量输入延时信号对消模块，所述延时信号对消模块的输出分量串联二阶广义积分器，所述延时信号对消模块的输出分量与二阶广义积分器的输出分量作差得到的q轴电压分量串联PI调节器，所述PI调节器输出的频率差值与电网电压的额定角频率求和后经过积分环节得到电网电压信号的相位角，电网电压信号的相位角反馈给坐标变换单元。

其中，延时信号对消模块(DSC，Delay Signal Cancellation)能够消除谐波对相位和频率检测的影响；延时信号对消模块的输出分量与二阶广义积分器(SOGI)滤波后的输出分量作差可以消除不对称故障下电网电压基波负序分量的影响，消除负序波动后的电网电压d轴分量在锁相系统稳定后其值等于基波电压幅值。PI调节器输出的频率差值和2π相除，得到电网电压信号的频率f。

如图2所示，为实施例中本发明自适应三相并网变换器锁相环的锁相控制方法的流程图。本发明的上述自适应三相并网变换器锁相环的锁相控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将三相电网电压信号{u_a,u_b,u_c}输入到坐标变换单元，坐标变换单元对三相电网电压信号{u_a,u_b,u_c}进行Park变换，得到电网电压的dq轴电压分量为[u_d u_q]^T，并将dq轴电压分量输出给延时信号对消模块；其中，

当x分别为a、b、c时，k分别为0、1、2；U_p、U_n分别为电网电压基波正、负序分量的幅值，θ_p、θ_n分别为电网电压基波正、负序分量的初始相位角，ω为电网电压基波的角频率；φ＝θ_n-θ_p，Park变换的变换矩阵为

θ为电网电压的相位角。

其中，Park变换将三相电网电压由三相静止abc坐标系变换到两相静止dq坐标系，得到

φ₀为锁相环输出的正序分量相位角，当锁相环达到稳态时有φ₀＝ωt+θ_p。

设u_d,u_q中的直流分量和交流分量分别为u_d-dc,u_d-ac，u_q-dc,u_q-ac则有：

可以看出，在电网电压不对称故障时，电网电压的dq轴分量中除了直流分量外还混有二倍工频的交流分量。从而，当电网电压混有谐波分量时，也会影响锁相环的锁相结果。而本发明的方案可以消除这些因素的影响，实现准确锁相。

步骤2：延时信号对消模块对dq轴电压分量进行滤波，得到滤波后的dq轴电压分量[u_d'u_q']^T，并将滤波后的q轴电压分量输出给二阶广义积分器。

其中，当电网电压中含有谐波时，其dq轴矢量表达式为：

其中，h次谐波空间矢量的瞬时相位角θ^h＝hωt+φ₀ ^h，φ₀ ^h为h次谐波分量的初始相位角，V为电压信号幅值，谐波次数h＝±1,±2,···±H。

为dq坐标下的空间矢量表达式。dq坐标系下DSC模块的表达式为：

其中，n为延时周期数，T为基波电压周期，v^h _d,v^h _q为h谐波的dq分量。当

时h次谐波矢量的增益为零。由于本发明中使用了二阶广义积分器(SOGI)，有着对于高次谐波较好的滤波特性。而延时信号对消模块主要是滤除低次谐波分量。

步骤3：二阶广义积分器对滤波后的q轴电压分量进行处理，输出电压分量[q_v'v']^T，将滤波后的dq轴电压分量与电压分量[q_v'v']^T作差，得到消除负序分量后的dq轴电压分量，并将消除负序分量后的q轴电压分量输出给PI调节器；其中，

本实施例中二阶广义积分器的结构如图3所示。二阶广义积分器又称为正交信号发生器。当输入的信号为v₀时，输出的两个信号为原信号v₀和与其正交的信号qv₀。

步骤4：PI调节器对消除负序分量后的q轴电压分量进行处理，得到频率差值，将频率差值与电网电压的额定角频率ω_ff相加，并将相加后的结果输入积分环节，积分环节输出所述自适应三相并网变换器锁相环锁定的相位角θ，将相位角θ反馈给坐标变换单元，进行自适应调整。

本实施例中，在simulink中搭建了仿真平台来进行实现本发明的方法。本实施例中，二阶广义积分器的阻尼系数为1.4，电网电压的频率f取为50Hz，相电压幅值为311V，对应的标幺值为1.0pu，仿真时间0.2s，PI调节器的比例环节系数k_p＝1.26、积分环节系数k_i＝81.2。

本实施例中，故障设置为：加了入了5次、7次、20次、25次电压谐波，谐波电压的幅值为15V。在0.1s时发生不对称跌落故障，A相电压跌落的幅值为50％。本实施例中加入谐波以及不对称故障时电网电压的波形如图4所示；本实施例中检测电网电压基波正序分量、负序分量、相位检测的结果分别如图5、图6、图7所示。从图5至图7可以看出，本发明自适应三相并网变换器锁相环在电网电压不对称故障以及混有谐波时可以准确地提取电网电压幅值和相位信息，且具有快速的响应和良好的动态性能。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种自适应三相并网变换器锁相环的锁相控制方法，所述自适应三相并网变换器锁相环包括坐标变换单元、延时信号对消模块、二阶广义积分器、PI调节器；电网电压信号输入所述坐标变换单元，所述坐标变换单元的输出分量输入延时信号对消模块，所述延时信号对消模块的输出分量串联二阶广义积分器，所述延时信号对消模块的输出分量与二阶广义积分器的输出分量作差得到的q轴电压分量串联PI调节器，所述PI调节器输出的频率差值与电网电压的额定角频率求和后经过积分环节得到电网电压信号的相位角，电网电压信号的相位角反馈给坐标变换单元；其特征在于，所述自适应三相并网变换器锁相环的锁相控制方法包括下述步骤：

步骤1：将三相电网电压信号{u_a,u_b,u_c}输入到坐标变换单元，坐标变换单元对三相电网电压信号{u_a,u_b,u_c}进行Park变换，得到电网电压的dq轴电压分量为[u_d u_q]^T，并将dq轴电压分量输出给延时信号对消模块；其中，

当x分别为a、b、c时，k分别为0、1、2；U_p、U_n分别为电网电压基波正、负序分量的幅值，θ_p、θ_n分别为电网电压基波正、负序分量的初始相位角，ω为电网电压基波的角频率；φ＝θ_n-θ_p，Park变换的变换矩阵为

θ为电网电压的相位角；

步骤2：延时信号对消模块对dq轴电压分量进行滤波，得到滤波后的dq轴电压分量[u_d'u_q']^T，并将滤波后的q轴电压分量输出给二阶广义积分器；

步骤3：二阶广义积分器对滤波后的q轴电压分量进行处理，输出电压分量[q_v'v']^T，将滤波后的dq轴电压分量与电压分量[q_v'v']^T作差，得到消除负序分量后的dq轴电压分量，并将消除负序分量后的q轴电压分量输出给PI调节器；其中，

步骤4：PI调节器对消除负序分量后的q轴电压分量进行处理，得到频率差值，将频率差值与电网电压的额定角频率ω_ff相加，并将相加后的结果输入积分环节，积分环节输出所述自适应三相并网变换器锁相环锁定的相位角θ，将相位角θ反馈给坐标变换单元，进行自适应调整。

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