CN111162563B - 一种具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，通过Clarke变换单元、正交信号发生器、正序计算单元，实现了在电网电压信号含有直流偏置、不平衡和波形畸变工况下的正序基波提取，然后经过Park变换单元将三相电网电压变换为同步旋转的直流量，最后通过滑模控制器、校正单元、积分单元，实现闭环控制，完成对电网电压相位角的快速提取。本发明所提出的方法能在整个锁相过程当中实现消除三相电网电压中含有的各种干扰并快速精准的锁相。

Description

一种具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法

技术领域

本发明涉及可再生能源、分布式发电技术领域，特别涉及一种并网逆变器同步锁相方法。

背景技术

随着用电需求量的不断增加，太阳能、风能等清洁可再生能源迅猛发展。对可再生能源并网的稳定性和可靠性的要求越来越高，电网侧变流器的稳定控制依赖于电网电压同步策略。如何保证同步锁相方法快速、准确地获取电网正序基波电压相位及幅值是实现可再生能源并网的关键问题。

现如今，在三相系统中，最常用的是同步参考坐标系锁相环(SynchronousReference Frame Phase Locked Loop,SRF-PLL)。该锁相环的基本原理是通过Park变换将三相电网电压变换为同步旋转的直流量v_d和v_q，再通过闭环控制使得v_q为零完成锁相。在三相电网电压理想工况下，该方法能够快速准确地实现锁相。但是当三相电网电压不平衡或者含有谐波时，通过Park变换得到的直流量v_q中将会含有各种频率的脉动量，进而导致锁相失败。

目前，对于锁相环噪声信号抑制和快速锁相问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出解决方法，例如：

1、Rodríguezg P等人发表的“New positive-sequence voltage detector forgrid synchronization of power converters under faulty grid conditions”《37thIEEE Power Electronics Specialists Conference》,2006:1-7，该文章提出了一种双二阶广义积分器锁相环(dual second order generalized integrator PLL，DSOGI-PLL)，利用对称分量法，在锁相环中添加两个二阶广义积分器，以达到实现对正负序分量分离的目的，当电压不平衡时，能够可靠地检测到相角的正序分量。但是当电网信号含有直流偏置时，难以有效抑制，会影响系统对锁相准确性的要求。

2、郑诗程等人发表的“一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相”的发明专利中提出了锁相方法，它通过滑动DFT滤波原理能有效滤除高次谐波和直流分量，但在基于延时信号对消的基波正序分量提取方法和多个DFT滤波算法过于繁琐复杂。

3、陈冀生等人发表的“二阶广义积分器电路和锁相环”的发明专利中提出了锁相方法，它通过二阶广义积分器中添加了一个减法电路实现了对输入信号直流分量的抑制，但由于其二阶广义积分器实际上是一个三阶系统，而且锁相环路中包含一个PI单元，都给系统带来一些延时，影响了锁相的响应速度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，以解决现有同步锁相技术在电网含直流偏置、不平衡、波形畸变等工况下无法实现精确快速锁相的问题。

本发明具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，采用Clarke变换单元、α轴-正交信号发生器、β轴-正交信号发生器、正序计算单元、Park变换单元、滑模控制器、频率校正单元和积分单元进行电压锁相：

所述Clarke变换单元将三相电压信号转换为两相αβ静止坐标系下的α轴电压信号和β轴电压信号，其中所述β轴电压信号滞后于所述α轴电压信号相位90°；

所述α轴-正交信号发生器的输入端与所述Clarke变换单元的α轴输出端连接，α轴-正交信号发生器根据α轴电压信号输出α轴电压同步信号和α轴电压滞后信号；所述β轴-正交信号发生器的输入端与所述Clarke变换单元的β轴输出端连接，β轴-正交信号发生器根据β轴电压信号输出β轴电压同步信号和β轴电压滞后信号；

所述正序计算单元的输入端与所述α轴-正交信号发生器的输出端以及所述β轴-正交信号发生器的输出端连接，正序计算单元将α轴电压同步信号与β轴电压滞后信号混合成α轴正序分量信号以及将α轴电压滞后信号和β轴电压同步信号混合β轴正序分量信号；

所述Park变换单元的输入端与所述正序计算单元的输出端连接，Park变换单元将两相αβ静止坐标系下的α轴正序分量信号和β轴正序分量信号转换为两相dq同步旋转坐标系下的d轴正序分量信号和q轴正序分量信号；

所述滑模控制器的输入端与所述Park变换单元的q轴输出端连接，滑模控制器对q轴正序分量进行调节；

所述频率校正单元的输入端与所述滑模控制器的输出端连接，频率校正单元根据滑模控制器的输出和电网频率初始值得到瞬时角频率输出值；

所述积分单元的输入端与所述频率校正单元的输出端连接，积分单元的输出端与Park变换单元的输入端连接；积分单元对瞬时角频率输出值进行积分，得到电网电压的相位输出值，并反馈到所述Park变换单元。

进一步，所述的α轴-正交信号发生器和β轴-正交信号发生器采用结构相同的正交信号发生器，该正交信号发生器的传递函数为：

其中，v为输入电压信号，v'为输出的电压同步信号，qv'为输出的电压滞后信号，k为v'和qv'的带宽系数，ω_o为谐振频率。

进一步，所述滑膜控制器的滑动模态函数为：

其中Y为滑模面，v_q ⁺为电网电压的q轴正序分量，v_ref为给定基准信号；

所述滑膜控制器的趋近律为：

其中ε>0，sgn(*)为符号函数。

进一步，所述Clark变换单元的变化公式为:

其中v_α、v_β分别为三相电压在静止αβ坐标系下的α轴电压信号和β轴电压信号；

所述正序计算单元的公式为：

其中，v'_α为α轴电压同步信号，qv'_α为α轴电压滞后信号，v'_β为β轴电压同步信号，qv'_β为β轴电压滞后信号，v_α ⁺为α轴正序电压信号v_β ⁺为β轴正序电压信号；

所述Park变换单元的变换公式为:

其中，v_d ⁺和v_q ⁺分别为同步旋转坐标系下d轴、q轴上的正序分量；θ_out为电网电压的相位输出值。

本发明的有益效果：

(1)本发明具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，针对电网电压信号在各种复杂环境(含有直流分量、不平衡、波形畸变)下，应用正交信号发生器消除输入信号中的直流分量和高次谐波，通过正序分量计算消除电网电压不平衡对锁相结果的影响，实现精准跟踪基频正序分量。

(2)针对传统锁相环路中由PI控制器进行调节，存在锁相动态性能较差，调节速度较慢的问题，本发明具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法采用滑模控制器对信号进行处理，能大大提高动态响应速度，增强系统鲁棒性，快速精准的提取其基波信息。

(3)本发明具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，其锁相过程精确可靠，控制方便，实现简单，便于推广应用。

附图说明

图1是实施例中锁相方法的结构示意图；

图2是实施例中正交信号发生器的结构示意图；

图3是实施例中滑模控制器的结构示意图；

图4为实施例中电网电压不平衡(A相电压幅值为额定值，B相增加20％,C相减小20％)，同时B相电压含有20％的直流分量和10％的5次谐波分量时的锁相波形。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

具体地，在电力系统中，含有直流分量和谐波、不平衡的三相电压信号可以表示为:

其中v_a、v_b、v_c分别为a、b、c三相电压信号，n为基频的谐波次数(当n为负数时，表示负序谐波)，V_aDC、V_bDC、V_cDC分别为abc三相电压中的直流分量幅值，V_n为abc三相中的交流分量幅值，ω_s为电压信号的基波角频率，

为电压信号的初始相位角。

针对上述电网非理想工况下的三相电压，本实施例中具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法采用Clarke变换单元、α轴-正交信号发生器、β轴-正交信号发生器、正序计算单元、Park变换单元、滑模控制器、频率校正单元和积分单元来实现电压快速锁相。三相电压信号输入Clarke变换单元，α轴-正交信号发生器的输入端与所述Clarke变换单元的α轴输出端连接，β轴-正交信号发生器的输入端与所述Clarke变换单元的β轴输出端连接。正序计算单元的输入端与所述α轴-正交信号发生器的输出端以及所述β轴-正交信号发生器的输出端连接；Park变换单元的输入端与所述正序计算单元的输出端连接；滑模控制器的输入端与所述Park变换单元的q轴输出端连接；频率校正单元的输入端与所述滑模控制器的输出端连接；积分单元的输入端与所述频率校正单元的输出端连接，积分单元的输出端与Park变换单元的输入端连接。本实施例中具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法的电压锁相步骤如下：

步骤一：Clarke变换单元将三相电压信号转换为两相αβ静止坐标系下的α轴电压信号和β轴电压信号，其中所述β轴电压信号滞后于所述α轴电压信号相位90°；根据式(1)和Clarke变换公式得到：

其中v_α、v_β分别为三相电压在静止αβ坐标系下的α轴电压信号和β轴电压信号，

和

分别为三相电压在静止αβ坐标系下的直流分量幅值。

Clarke变换公式为:

步骤二：α轴-正交信号发生器根据步骤一得到的两相αβ静止坐标系下的α轴电压信号，输出α轴电压同步信号和α轴电压滞后信号；β轴-正交信号发生器根据步骤一得到的两相αβ静止坐标系下的β轴电压信号，输出β轴电压同步信号和β轴电压滞后信号。

本步骤中所述的α轴-正交信号发生器和β轴-正交信号发生器采用结构相同的正交信号发生器，该正交信号发生器的传递函数为：

其中，v为输入电压信号，v'为输出的电压同步信号，qv'为输出的电压滞后信号，k为v'和qv'的带宽系数，ω_o为谐振频率。

该正交信号发生器的结构示意图如图2所示，三相电网电压在两相静止坐标系下的表示方式v_αβ(t)，在s域中，v_αβ(t)可以表示为:

v_α(s)经过正交信号发生器后可得:

对(5)、(6)作拉普拉斯逆变换，得到v'_α(s)与qv'_α(s)的稳态输出为

其中，

由(7)和(8)可知，v'_α∞(s)与qv'_α∞(s)不含直流偏置。

当ω_o＝ω_s时，m₁＝m_-1＝1，

故正负序基波幅值相位不变；高次谐波的幅值增益m_nω_o/nω_s＜m_n＜1，由此可见正交信号发生器对直流分量和高次谐波能够有效抑制。故v'_α∞(t)与qv'_α∞(t)可简化为：

同样，v'_β(t)与qv'_β(t)的稳态输出也可简化得到

在上述的正交信号发生器中，为保证正交信号发生器动态响应和滤波性能，正交信号发生器的带宽系数和谐振频率应合理设计，本实施例中设置k为1.4，谐振频率ω_o优选为100πrad/s。

步骤三：在步骤二得到的α轴电压同步信号、α轴电压滞后信号、β轴电压同步信号和β轴电压滞后信号后，正序计算单元将α轴电压同步信号与β轴电压滞后信号混合成α轴正序分量信号以及将α轴电压滞后信号和β轴电压同步信号混合β轴正序分量信号。

根据式(9)-(12)和正序计算公式可得：

其中v_d ⁺、v_q ⁺分别为三相电压在静止dq坐标系下的d轴正序电压信号和q轴正序电压信号。

正序计算公式为：

步骤四：在步骤三得到电网电压在两相αβ静止坐标系下的正序电压分量信息后，Park变换单元将两相αβ静止坐标系下的α轴正序分量信号和β轴正序分量信号转换为两相dq同步旋转坐标系下的d轴正序分量信号和q轴正序分量信号。根据式(13)和Park变换公式可得：

其中，v_d ⁺和v_q ⁺分别为两相同步旋转坐标系下d轴、q轴上的正序分量，

θ_out为电网电压的相位输出值。

当sin(θ_s-θ_out)极小时，sin(θ_s-θ_out)≈θ_s-θ_out,故Park变换单元可以作为鉴相器，得到的输出v_q ⁺可以表示增益为V_α ⁺的电网电压正序基波实际相位值与检测相位值之差，v_d ⁺可以表示为三相电网电压的正序基波幅值。而控制v_q ⁺为零的情况下就实现了锁相功能。

Park变换公式为:

步骤五：在步骤四得到q轴正序分量后，再利用滑模控制器对q轴正序分量进行调节，用于之后得到瞬时角频率输出值。本实施例中的滑模控制器，其结构示意图如图3所示。

本实施例中滑模控制器的滑动模态函数具体为：

其中Y为滑模面，v_q ⁺为电网电压的q轴正序分量，v_ref为给定基准信号，本实施例中v_ref＝0。

本实施例中滑模控制器的趋近律具体为：

其中ε>0，sgn(*)为符号函数。

根据上述滑动模态函数和趋近律得到滑模控制器的输出为：

Δω＝-εe^|Y|sgn(Y) (19)

当v_q ⁺>0时，Δω<0；当v_q ⁺<0时，Δω>0。由此可见将此滑模控制器应用在锁相环路中，它能根据v_q ⁺当时状态，以跃变方式不断变换，迫使v_q ⁺按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动，确保了v_q ⁺收敛到零，提高了锁相结果的响应速度。

步骤六：频率校正单元根据步骤五得到的滑模控制器的输出和电网频率初始值ω_c得到瞬时角频率输出值ω_out，加快了相位锁定的速度。

ω_out＝ω_c+Δω (20)

其中，电网频率初始值ω_c优选为100πrad/s(50Hz)。

步骤七：在步骤六得到瞬时角频率输出值后，积分单元对瞬时角频率输出值进行积分，积分输出为电网电压的相位输出值，即为三相电压信号v_abc的a相估算基波相位角θ_out，并将θ_out反馈给Park变换单元。

本实施例中的锁相过程在基于Matlab/Simulink仿真平台下得到了仿真验证，图4为电网电压不平衡(A相电压幅值为额定值，B相增加20％,C相减小20％)，同时B相电压含有20％的直流分量和10％的5次谐波分量时本实施例的锁相波形。仿真结果表明，本实施例中具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法对电网电压中的直流分量和谐波分量也有很好的抑制能力，可以有效的提取电网电压不平衡情况下电网的基波相位角和幅值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，其特征在于，采用Clarke变换单元、α轴-正交信号发生器、β轴-正交信号发生器、正序计算单元、Park变换单元、滑模控制器、频率校正单元和积分单元进行电压锁相：

所述Clarke变换单元将三相电压信号转换为两相αβ静止坐标系下的α轴电压信号和β轴电压信号，其中所述β轴电压信号滞后于所述α轴电压信号相位90°；

所述α轴-正交信号发生器的输入端与所述Clarke变换单元的α轴输出端连接，α轴-正交信号发生器根据α轴电压信号输出α轴电压同步信号和α轴电压滞后信号；所述β轴-正交信号发生器的输入端与所述Clarke变换单元的β轴输出端连接，β轴-正交信号发生器根据β轴电压信号输出β轴电压同步信号和β轴电压滞后信号；

所述正序计算单元的输入端与所述α轴-正交信号发生器的输出端以及所述β轴-正交信号发生器的输出端连接，正序计算单元将α轴电压同步信号与β轴电压滞后信号混合成α轴正序分量信号以及将α轴电压滞后信号和β轴电压同步信号混合β轴正序分量信号；

所述Park变换单元的输入端与所述正序计算单元的输出端连接，Park变换单元将两相αβ静止坐标系下的α轴正序分量信号和β轴正序分量信号转换为两相dq同步旋转坐标系下的d轴正序分量信号和q轴正序分量信号；

所述滑模控制器的输入端与所述Park变换单元的q轴输出端连接，滑模控制器对q轴正序分量进行调节；所述滑模控制器的滑动模态函数为：

其中Y为滑模面，v_q ⁺为电网电压的q轴正序分量，v_ref为给定基准信号；

所述滑模控制器的趋近律为：

其中ε>0，sgn(*)为符号函数；

根据上述滑动模态函数和趋近律得到滑模控制器的输出为：

Δω＝-εe^Ysgn(Y)

当v_q ⁺>0时，Δω<0；当v_q ⁺<0时，Δω>0；

所述频率校正单元的输入端与所述滑模控制器的输出端连接，频率校正单元根据滑模控制器的输出和电网频率初始值得到瞬时角频率输出值；

所述积分单元的输入端与所述频率校正单元的输出端连接，积分单元的输出端与Park变换单元的输入端连接；积分单元对瞬时角频率输出值进行积分，得到电网电压的相位输出值，并反馈到所述Park变换单元。

2.根据权利要求1所述的具有强鲁棒性的电网电压快速锁相方法，其特征在于，所述的α轴-正交信号发生器和β轴-正交信号发生器采用结构相同的正交信号发生器，该正交信号发生器的传递函数为：

其中，v为输入电压信号，v'为输出的电压同步信号，qv'为输出的电压滞后信号，k为v'和qv'的带宽系数，ω_o为谐振频率。

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