CN111431210B - 三相并网型变流器的锁相环控制方法及系统 - Google Patents

三相并网型变流器的锁相环控制方法及系统 Download PDF

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CN111431210B CN202010362113.1A CN202010362113A CN111431210B CN 111431210 B CN111431210 B CN 111431210B CN 202010362113 A CN202010362113 A CN 202010362113A CN 111431210 B CN111431210 B CN 111431210B
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Abstract

本发明属于变流器控制领域，提供了一种三相并网型变流器的锁相环控制方法及系统。其中，三相并网型变流器的锁相环控制方法包括接收三相电网电压并实时提取三相电网电压基波分量；从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压基波正序分量；将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节。其能够提高电网频率变化时三相锁相环的动态响应速度与抗干扰能力。

Description

三相并网型变流器的锁相环控制方法及系统
技术领域
本发明属于变流器控制领域，尤其涉及一种三相并网型变流器的锁相环控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。
锁相技术是三相并网型变流器的核心技术之一，主要负责完成电网电压的锁相，实时获取电网电压的相位信息，完成电网侧有功、无功的独立解耦控制。锁相环的好坏直接影响到三相并网变流器的并网控制性能。在实际工程中，大规模电动汽车通过充电系统充电，常会遇到非理想电网(谐波污染、三相不平衡、频率变化、电压跌落)工况，这就要求并网变流器能够自动适应复杂环境，可靠稳定运行，精确锁相则是满足这一要求的首要条件。
现有锁相环技术有硬件锁相环和软件锁相环两大类。其中，硬件锁相环均是通过硬件电路来获取电网电压相位信息，不仅成本较高、体积较大而且检测过程还存在多次过零，易导致锁相失败。软件锁相则一般采用：以电网电压相位为控制目标的乘法鉴相器，以电网电压无功分量为控制目标的单同步坐标系软件锁相环(SSRF-SPLL)、基于双同步坐标系的解耦软件锁相环(DDSRF-SPLL)、基于双二阶广义积分器的软件锁相环(DSOGI-SPLL)等方案。然而，发明人发现，由于这些常见的软件方案多采用PI控制器来实现控制目标的闭环调节，受制于PI控制器本身的特性，常存在动态响应速度慢、抗干扰能力弱、稳态误差相对较大、参数整定相对复杂等诸多缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种三相并网型变流器的锁相环控制方法及系统，其能够实现非理想电网下对电网电压的高精准锁相，同时提高电网频率变化时三相锁相环的动态响应速度与抗干扰能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供一种三相并网型变流器的锁相环控制方法。
一种三相并网型变流器的锁相环控制方法，包括：
接收三相电网电压并实时提取三相电网电压基波分量；
从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压正序分量；
将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节。
本发明的第二方面提供一种三相并网型变流器的锁相环控制系统。
一种三相并网型变流器的锁相环控制系统，包括：
基波分量提取模块，其用于接收三相电网电压并实时提取三相电网电压基波分量；
正序分量提取模块，其用于从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压基波正序分量；
有限时间控制模块，其用于将三相电网电压正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节。
本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的三相并网型变流器的锁相环控制方法中的步骤。
本发明的第四方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的三相并网型变流器的锁相环控制方法中的步骤。
本发明的有益效果是：
(1)与传统软件锁相环方案相比，该方案创新性的采用有限时间控制器实现了电网基波正序电压无功分量的闭环调节，大幅提高电网频率变化时锁相环动态响应速度与抗干扰能力，同时进一步降低锁相环系统的稳态误差。
(2)本发明提出的基于有限时间控制器的三相锁相环系统，其锁相过程快速、精准、可靠，控制方便，实现简单，实用价值高，便于推广应用。
(3)与硬件锁相环方案相比，本发明的三相并网型变流器的锁相环控制系统成本低、体积小且效率高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的三相并网型变流器的锁相环控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
图1给出了本实施例的三相并网型变流器的锁相环控制原理图。如图1所示，本实施例的三相并网型变流器的锁相环控制方法，包括：
S101：接收三相电网电压并实时提取三相电网电压基波分量。
具体地，接收三相电网电压Va、Vb、Vc，经离散傅里叶变换进行各相电网电压基波分量的提取，最终提取出三相电网电压基波分量
Figure BDA0002475468200000041
考虑到a、b、c三相电压变换形式的一致性，故以a相为例给出离散傅里叶变换模块输入输出量之间的对应关系，如式(1)、式(2)、式(3)所示。
Figure BDA0002475468200000042
Figure BDA0002475468200000043
Figure BDA0002475468200000044
式中，Va_k为离散傅里叶变换的输入量，这里指a相电压在第k个采样点的瞬时值；
Figure BDA0002475468200000051
为离散傅里叶变换的输出量，这里指a相电网电压的基波分量，N为一个周期内的采样点数，k代表一个周期内的第几个采样点。
本实施例采用离散傅里叶变换技术，实现了对严重畸变电网基波分量的实时提取，消除了谐波分量对锁相环的干扰。
可以理解的是，也可采用其他方法进行三相电网电压基波分量的提取，比如：基于瞬时无功功率理论的传统ip-iq法、正序基波提取法。然而，前者滤波算法复杂、基波提取精度较低，后者滤波算法相对简单，但实时性较差。
S102：从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压正序分量。
为满足电网不平衡工况下的高精准锁相，本实施例采用对称分量法实现不平衡电网正序分量的实时提取，消除了负序分量对锁相环的干扰。
基于对称分量法的正序分量分解算法运算公式如式(4)所示：
Figure BDA0002475468200000052
式中，
Figure BDA0002475468200000053
为电网电压基波正序分量，
Figure BDA0002475468200000054
为电网电压的基波分量，
Figure BDA0002475468200000055
可以理解的是，也可采用其他方法进行三相电网电压正序分量的提取，比如：双dq变换+低通滤波器法、基于相序解耦谐振控制器法。然而，前者需要经过两次dq变换，而且需要加入低通滤波器，锁相输出容易受滤波参数的影响；后者对应的算法实现相对简单，但控制器参数整定较为复杂。
S103：将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节。
具体来说：
首先，将电网电压的基波正序分量
Figure BDA0002475468200000061
输入至3s/2s/2r变换部分，由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，再以d轴为有功轴将两相静止αβ坐标系变换到同步旋转dq坐标系，得到电网电压基波正序分量在d轴、q轴下的电压分量
Figure BDA0002475468200000062
变换过程如式(5)、式(6)所示。
Figure BDA0002475468200000063
Figure BDA0002475468200000064
式中，
Figure BDA0002475468200000065
为三相静止abc坐标系下的电网电压基波正序分量，
Figure BDA0002475468200000066
Figure BDA0002475468200000067
为两相静止αβ坐标系下的电网电压基波正序分量，
Figure BDA0002475468200000068
为同步旋转dq坐标系下的电网电压基波正序分量。
然后，将同步旋转dq坐标系下的电网电压基波正序分量
Figure BDA0002475468200000069
送至有限时间控制器，进而执行有限时间控制器的函数关系式(7)，计算出有限时间控制器的输出值yFTC，即：
yFTC＝k1*sign(e(t))*|e(t)|α (7)
其中，yFTC为有限时间控制器的输出量，e(t)为有限时间控制器输入量
Figure BDA00024754682000000610
与
Figure BDA00024754682000000611
的差值，即
Figure BDA00024754682000000612
Figure BDA00024754682000000613
为电网电压基波正序分量在q轴下的电压分量参考值，k1与α为控制器参数，其中，k1>0,0<α<1,其具体取值需要根据控制系统的控制目标进行整定。
将有限时间控制器的输出量yFTC与额定角速度wn进行叠加，形成输出角频率wo，并将wo进行积分形成角度信号θ，最后，完成角度信号θ对2π的求余，输出电网电压基波正序分量的锁相角θout，并将其返回至3s/2s/2r变换部分，为2s/2r变换提供变换角度。
本实施例可以用于电网电压严重畸变、不平衡等复杂工况下并网变流器对电网电压基波正序分量相位信息的超快速检测，检测精度高、抗干扰能力强。
实施例二
本实施例提供了一种三相并网型变流器的锁相环控制系统，其包括：
(1)基波分量提取模块，其用于接收三相电网电压并实时提取三相电网电压基波分量。
具体地，在基波分量提取模块中，接收三相电网电压Va、Vb、Vc，经离散傅里叶变换进行各相电网电压基波分量的提取，最终提取出三相电网电压基波分量
Figure BDA0002475468200000071
考虑到a、b、c三相电压变换形式的一致性，故以a相为例给出离散傅里叶变换模块输入输出量之间的对应关系，如式(1)、式(2)、式(3)所示。
Figure BDA0002475468200000072
Figure BDA0002475468200000073
Figure BDA0002475468200000074
式中，Va_k为离散傅里叶变换的输入量，这里指a相电压在第k个采样点的瞬时值；
Figure BDA0002475468200000075
为离散傅里叶变换的输出量，这里指a相电网电压的基波分量，N为一个周期内的采样点数，k代表一个周期内的第几个采样点。
本实施例采用离散傅里叶变换技术，实现了对严重畸变电网基波分量的实时提取，消除了谐波分量对锁相环的干扰。
可以理解的是，也可采用其他方法进行三相电网电压基波分量的提取，比如：基于瞬时无功功率理论的传统ip-iq法、正序基波提取法。然而，前者滤波算法复杂、基波提取精度较低，后者滤波算法相对简单，但实时性较差。
(2)正序分量提取模块，其用于从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压正序分量。
为满足电网不平衡工况下的高精准锁相，本实施例采用对称分量法实现不平衡电网正序分量的实时提取，消除了负序分量对锁相环的干扰。
基于对称分量法的正序分量分解算法运算公式如式(4)所示：
Figure BDA0002475468200000081
式中，
Figure BDA0002475468200000082
为电网电压基波正序分量，
Figure BDA0002475468200000083
为电网电压的基波分量，
Figure BDA0002475468200000084
可以理解的是，也可采用其他方法进行三相电网电压正序分量的提取，比如：双dq变换+低通滤波器法、基于相序解耦谐振控制器法。然而，前者需要经过两次dq变换，而且需要加入低通滤波器，锁相输出容易受滤波参数的影响；后者对应的算法实现相对简单，但控制器参数整定较为复杂。
(3)有限时间控制模块，其用于将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节。
具体来说：
首先，将电网电压的基波正序分量
Figure BDA0002475468200000085
输入至3s/2s/2r变换部分，由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，再以d轴为有功轴将两相静止αβ坐标系变换到同步旋转dq坐标系，得到电网电压基波正序分量在d轴、q轴下的电压分量
Figure BDA0002475468200000091
变换过程如式(5)、式(6)所示。
Figure BDA0002475468200000092
Figure BDA0002475468200000093
式中，
Figure BDA0002475468200000094
为三相静止abc坐标系下的电网电压基波正序分量，
Figure BDA0002475468200000095
Figure BDA0002475468200000096
为两相静止αβ坐标系下的电网电压基波正序分量，
Figure BDA0002475468200000097
为同步旋转dq坐标系下的电网电压基波正序分量。
然后，将同步旋转dq坐标系下的电网电压基波正序分量
Figure BDA0002475468200000098
送至有限时间控制器，进而执行有限时间控制器的函数关系式(7)，计算出有限时间控制器的输出值yFTC，即：
yFTC＝k1*sign(e(t))*|e(t)|α (7)
其中，yFTC为有限时间控制器的输出量，e(t)为有限时间控制器输入量
Figure BDA0002475468200000099
与
Figure BDA00024754682000000910
的差值，即
Figure BDA00024754682000000911
为电网电压基波正序分量在q轴下的电压分量参考值，k1与α为控制器参数，其中，k1>0,0<α<1,其具体取值需要根据控制系统的控制目标进行整定。
将有限时间控制器的输出量yFTC与额定角速度wn进行叠加，形成输出角频率wo，并将wo进行积分形成角度信号θ，最后，完成角度信号θ对2π的求余，输出电网电压基波正序分量的锁相角θout，并将其返回至3s/2s/2r变换部分，为2s/2r变换提供变换角度。
本实施例可以用于电网电压严重畸变、不平衡等复杂工况下并网变流器对电网电压基波正序分量相位信息的超快速检测，检测精度高、抗干扰能力强。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例一所述的三相并网型变流器的锁相环控制方法中的步骤。
本实施例创新性的采用有限时间控制器实现了电网基波正序电压无功分量的闭环调节，大幅提高电网频率变化时锁相环动态响应速度与抗干扰能力，同时进一步降低锁相环系统的稳态误差。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如实施例一所述的三相并网型变流器的锁相环控制方法中的步骤。
本实施例创新性的采用有限时间控制器实现了电网基波正序电压无功分量的闭环调节，大幅提高电网频率变化时锁相环动态响应速度与抗干扰能力，同时进一步降低锁相环系统的稳态误差。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相并网型变流器的锁相环控制方法，其特征在于，包括：
接收三相电网电压并利用离散傅里叶变换实时提取三相电网电压基波分量；
从三相电网电压基波分量中利用对称分量法实时提取出三相电网电压基波正序分量；
将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节；经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角的过程为：
将同步旋转dq坐标系下的电网电压基波正序分量送至有限时间控制器，有限时间控制器的输出量与额定角速度进行叠加，形成输出角频率，并将输出角频率进行积分形成角度信号，最后，完成角度信号对2π的求余，输出电网电压基波正序分量的锁相角；有限时间控制器的函数关系式yFTC＝k1*sign(e(t))*|e(t)|α；
其中，yFTC为有限时间控制器的输出值；e(t)为有限时间控制器输入量
Figure FDA0003148521870000011
与
Figure FDA0003148521870000012
的差值；k1与α为控制器参数，k1>0，0<α<1。
2.如权利要求1所述的三相并网型变流器的锁相环控制方法，其特征在于，基于对称分量法的正序分量分解算法从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压基波正序分量。
3.如权利要求1所述的三相并网型变流器的锁相环控制方法，其特征在于，将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系的过程为：
将三相电网电压基波正序分量由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，再以d轴为有功轴将两相静止αβ坐标系变换到同步旋转dq坐标系，得到电网电压基波正序分量在d轴和q轴下的电压分量。
4.一种三相并网型变流器的锁相环控制系统，其特征在于，包括：
基波分量提取模块，其用于接收三相电网电压并实时提取三相电网电压基波分量；在所述基波分量提取模块中，利用离散傅里叶变换实时提取三相电网电压基波分量；
正序分量提取模块，其用于从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压基波正序分量；在所述正序分量提取模块中，基于对称分量法的正序分量分解算法从三相电网电压基波分量中实时提取出三相电网电压基波正序分量；
有限时间控制模块，其用于将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系，再经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角，利用所述锁相角为三相电网电压基波正序分量的解耦变换提供变换角度，实现对三相电网电压基波正序无功分量的闭环调节；在所述有限时间控制模块中，经有限时间控制器输出电网电压基波正序分量的锁相角的过程为：
将同步旋转dq坐标系下的电网电压基波正序分量送至有限时间控制器，有限时间控制器的输出量与额定角速度进行叠加，形成输出角频率，并将输出角频率进行积分形成角度信号，最后，完成角度信号对2π的求余，输出电网电压基波正序分量的锁相角；在所述有限时间控制模块中，有限时间控制器的函数关系式yFTC＝k1*sign(e(t))*|e(t)|α；
其中，yFTC为有限时间控制器的输出值；e(t)为有限时间控制器输入量
Figure FDA0003148521870000021
与
Figure FDA0003148521870000022
的差值；k1与α为控制器参数，k1>0，0<α<1。
5.如权利要求4所述的三相并网型变流器的锁相环控制系统，其特征在于，
在所述有限时间控制模块中，将三相电网电压基波正序分量变换到同步旋转dq坐标系的过程为：
将三相电网电压基波正序分量由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，再以d轴为有功轴将两相静止αβ坐标系变换到同步旋转dq坐标系，得到电网电压基波正序分量在d轴和q轴下的电压分量。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的一种三相并网型变流器的锁相环控制方法中的步骤。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的一种三相并网型变流器的锁相环控制方法中的步骤。
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Assignee: SHANDONG HOTEAM ELECTRICAL Co.,Ltd.

Assignor: SHANDONG University

Contract record no.: X2022980010512

Denomination of invention: Phase locked loop control method and system of three-phase grid connected converter

Granted publication date: 20210910

License type: Exclusive License

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