CN111509726A - 一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法和系统 - Google Patents

一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于动态电压恢复器的锁相环控制方法及系统，其中方法包括：通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位；通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压VS +1，其中，正序电压分量VS +1包括D轴的正序电压分量Vsd +,及Q轴正序电压分量Vsq +1；设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值
Figure DDA0002502410870000011
大于Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为
Figure DDA0002502410870000012
当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值
Figure DDA0002502410870000013
小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将Vsq +1/Vol_d_Min，上述动态电压恢复器的锁相环控制方法不再受正序电压幅值分量变化的影响，解决了传统锁相环再市电跌落故障时的动态响应问题。使其既能兼顾稳态特性又能有很好的动态特性。

Description

一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法和系统
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别是涉及一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法和系统。
背景技术
动态电压恢复器即DVR(以下简称DVR)，是带有储能装置(系统)的串或并联补偿装置，除无功功率之外，有补偿有功功率的能力。应用现代电力电子技术可以实现电能质量的控制和为用户提供特定的电能供应。
计算机系统的电压受到干扰造成负荷侧电压短时跌落(几个周波至几十个周波)是造成敏感负荷，计算机设备故障的主要原因。而动态电压恢复器(DVR)，在1～2毫秒之内产生补偿电压，抵消系统电压所受干扰，使负荷侧电压感受不到扰动，保证了敏感负荷，计算机负荷的安全可靠运行。动态电压调节器响应速度快，可以保证负荷侧电压波形为标准正弦，消除电压谐波和电压波动与闪变对负载的影响。
离线式DVR仅在电网电压跌落发生的时刻投入运行，电网正常时是处于旁路状态，以减少损耗。有些DVR设备也可以在电网正常的时候，并网提供无功电流补偿功能。但是不管时离线状态或者是并网补偿无功电流状态或者是在线式串联DVR，DVR设备需要始终通过自身的软件锁相环保持与电网电压相位时刻同步，在发生电压跌落时刻能够快速跟踪系统角度且需要保证系统计算得到正确得电网的正负序分量从而迅速有效的判断电压跌落，因此锁相环的稳态及动态性能决定了DVR谐波抑制能力和电压补偿响应速度以及电压恢复时平滑切换的能力。
目前传统的基于双DQ同步坐标变换的锁相环控制技术(DDSRF-PLL)可将三相电网电压矢量分为正序和负序两个分量，将两个分量通过坐标变换分别对应ω的角速度逆时针旋转的同步坐标系，以ω角速度顺时针方向旋转的同步坐标系。
对于DDSRF-PLL方案，由于PLL(锁相环，Phase Locked Loop)控制器的高带宽，仅使用正序电压分量，所以在应对非对称电网故障条件下可以表现得非常好，与电网正常时并无太多差别。DDSRF-PLL最重要的优势在于对在电网不平衡时正负序检测和在电网谐波含量较大两种条件下，它表现出非常好的鲁棒性。
但是，如图1所示，从现有的DDSRF-PLL的线性模型来分析，它的正序电压幅值是锁相环路增益的一部分，随着正序电压幅值的减小，锁相环的控制带宽也会变小，这就导致在发生电网电压跌落故障时，总会伴随着非常大的超调，影响电压跌落时刻电网相位的计算以及正负序电压分量的计算提取。从而可能导致动态电压恢复器电压补偿失败。
发明内容
基于此，有必要针对上述正序电压幅值的减小，导致锁相环的控制带宽变小，进而导致电网电压跌落的故障问题，提供一种避免电网电压跌落的基于动态电压恢复器的锁相环控制系统。
一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法，包括：
通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位；
通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压VS +1，其中，正序电压分量VS +1包括D轴的正序电压分量Vsd +,及Q轴正序电压分量Vsq +1；
设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf大于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsq +1/Vsd + _Lpf，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以电压变化阈值Vsq +1/Vol_d_Min。
在其中一个优选实施方式中，所述锁相环控制方法还包括：
设置锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000021
监测所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf，若所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000031
将锁相环控制器的输入量定义为0。
在其中一个优选实施方式中，所述锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000032
小于所述电压变化阈值Vol_d_Min。
在其中一个优选实施方式中，将锁相环控制器的输入量进行饱和限幅优化处理。
本实施方式中上述动态电压恢复器的锁相环控制方法不再受正序电压幅值分量变化的影响，解决了传统锁相环再市电跌落故障时的动态响应问题。使其既能兼顾稳态特性又能有很好的动态特性。
一种基于动态电压恢复器的锁相环控制系统，包括：
监测模块，用以通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位；
坐标变换模块，用以通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压VS +1，其中，正序电压分量VS +1包括D轴的正序电压分量Vsd +,及Q轴正序电压分量Vsq +1；及
第一处理模块，用以设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsq +1/Vsd + _Lpf。
在其中一个优选实施方式中，所述锁相环控制系统还包括：
极值限定模块，用以设置锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000033
第二处理模块，用以监测所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf，若所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000034
将锁相环控制器的输入量定义为0。
在其中一个优选实施方式中，所述锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000035
小于所述电压变化阈值Vol_d_Min。
在其中一个优选实施方式中，将锁相环控制器的输入量进行饱和限幅优化处理。
本实施方式中上述动态电压恢复器的锁相环控制系统不再受正序电压幅值分量变化的影响，解决了传统锁相环再市电跌落故障时的动态响应问题。使其既能兼顾稳态特性又能有很好的动态特性。
附图说明
图1为本发明第一优选实施方式的一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法的流程示意图；
图2为本发明第一优选实施方式的一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法的控制原理图；
图3为本发明公开的一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法的仿真模型图；
图4为本发明第三优选实施方式的一种基于动态电压恢复器的锁相环控制系统的模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
针对传统DDSRF-PLL的控制方法中，由于正序电压分量是环路增益的一部分，控制环路动态性能受电压幅值的影响非常大，所以我们需要消除正序电压分量幅值带来的负面影响。
如图1所示，本发明一优选实施方式中一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法，该锁相环控制方法包括：
S10：通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位。
S20：通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压VS +1，其中，正序电压分量VS +1包括D轴的正序电压分量Vsd +,及Q轴正序电压分量Vsq +1。
由于正序电压分量VS +1是环路增益的一部分，控制环路动态性能受电压幅值的影响非常大，所以需要消除正序电压分量幅值带来的负面影响。
将Vsq +1/Vsd + _Lpf作为锁相环控制器的输入量，其中，所述Vsd + _Lpf为D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值。因为我们的控制目标是Vq Ref＝0，因此正序分量幅值VS +1与D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf近似，实际应用中实现可以使用D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf替代正序电压分量VS +1，减少程序平方开根号运算复杂度。
S30：设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf大于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsq +1/Vsd + _Lpf，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以电压变化阈值Vsq +1/Vol_d_Min。
如图2所示，从线性模型看出，本实施方式中上述动态电压恢复器的锁相环控制方法不再受正序电压幅值分量变化的影响，解决了传统锁相环再市电跌落故障时的动态响应问题。使其既能兼顾稳态特性又能有很好的动态特性。
在本发明第二优选实施方式中，上述锁相环控制方法还包括：
S40：设置锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000051
S50：监测所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf，如图3所示，若所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000061
将锁相环控制器的输入量定义为0。
其中，一般地，所述锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000062
小于所述电压变化阈值Vol_d_Min。
上述对进入锁相环控制器的输入量进行饱和限幅处理，可以有效改善系统动态响应。
如图4所示，一种基于动态电压恢复器的锁相环控制系统100，该系统100包括监测模块110、坐标变换模块120及第一处理模块130
上述监测模块110用以通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位；
上述坐标变换模块120用以通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压VS +1，其中，正序电压分量VS +1包括D轴的正序电压分量Vsd +,及Q轴正序电压分量Vsq +1；及
由于正序电压分量VS +1是环路增益的一部分，控制环路动态性能受电压幅值的影响非常大，所以需要消除正序电压分量幅值带来的负面影响。
将Vsq +1/Vsd + _Lpf作为锁相环控制器的输入量，其中，所述Vsd + _Lpf为D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值。因为我们的控制目标是Vq Ref＝0，因此正序分量幅值VS +1与D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf近似，实际应用中实现可以使用D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf替代正序电压分量VS +1，减少程序平方开根号运算复杂度。
上述第一处理模块130设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf大于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsq +1/Vsd + _Lpf，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以电压变化阈值Vsq +1/Vol_d_Min。
本实施方式中上述动态电压恢复器的锁相环控制系统不再受正序电压幅值分量变化的影响，解决了传统锁相环再市电跌落故障时的动态响应问题。使其既能兼顾稳态特性又能有很好的动态特性。
在本发明另一优选实施方式中，上述锁相环控制系统还包括：
极值限定模块140，用以设置锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000071
第二处理模块150，用以监测所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf，若所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000072
将锁相环控制器的输入量定义为0。
一般地，所述锁定锁相环输入参数
Figure BDA0002502410850000073
小于所述电压变化阈值
Figure BDA0002502410850000074
上述对进入锁相环控制器的输入量进行饱和限幅处理，可以有效改善系统动态响应。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (8)

1.一种基于动态电压恢复器的锁相环控制方法，其特征在于，包括：
通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位；
通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压Vs +1，其中，正序电压分量Vs +1包括D轴的正序电压分量Vsd +，及Q轴正序电压分量Vsq +1；
设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf大于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsq +1/Vsd + _Lpf，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以电压变化阈值Vsq +1/Vol_d_Min。
2.根据权利要求1所述的基于动态电压恢复器的锁相环控制方法，其特征在于，所述锁相环控制方法还包括：
设置锁定锁相环输入参数
Figure FDA0002502410840000011
监测所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf，若所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于锁定锁相环输入参数
Figure FDA0002502410840000012
将锁相环控制器的输入量定义为0。
3.根据权利要求2所述的基于动态电压恢复器的锁相环控制方法，其特征在于，所述锁定锁相环输入参数
Figure FDA0002502410840000013
小于所述电压变化阈值Vol_d_Min。
4.根据权利要求1所述的基于动态电压恢复器的锁相环控制方法，其特征在于，将锁相环控制器的输入量进行饱和限幅优化处理。
5.一种基于动态电压恢复器的锁相环控制系统，其特征在于，包括：
监测模块，用以通过软件锁相环，实时监测三相电网的电压信号的基波正序相位；
坐标变换模块，用以通过旋转坐标变换，将三相电网的电压信号转换到基于旋转坐标下，得到dq电压信号的正序电压Vs +1，其中，正序电压分量Vs +1包括D轴的正序电压分量Vsd +，及Q轴正序电压分量Vsq +1；及
第一处理模块，用以设定电压变化阈值Vol_d_Min，当D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于所述电压变化阈值Vol_d_Min，将锁相环控制器的输入量定义为Q轴正序电压分量除以D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsq +1/Vsd + _Lpf。
6.根据权利要求5所述的基于动态电压恢复器的锁相环控制系统，其特征在于，所述锁相环控制系统还包括：
极值限定模块，用以设置锁定锁相环输入参数
Figure FDA0002502410840000021
第二处理模块，用以监测所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf，若所述D轴正序电压幅值经过低通滤波器的值Vsd + _Lpf小于锁定锁相环输入参数
Figure FDA0002502410840000022
将锁相环控制器的输入量定义为0。
7.根据权利要求5所述的基于动态电压恢复器的锁相环控制系统，其特征在于，所述锁定锁相环输入参数
Figure FDA0002502410840000023
小于所述电压变化阈值Vol_d_Min。
8.根据权利要求5所述的基于动态电压恢复器的锁相环控制系统，其特征在于，将锁相环控制器的输入量进行饱和限幅优化处理。
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