CN112034242B - 一种消除直流偏置电压的方法及其单相锁相环 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除直流偏置电压的方法及其单相锁相环，可以消除由于电压传感器及相关模拟器件和A/D转换得到的电网电压中的直流偏置分量，避免了锁相环输出的电网电压的角度偏差，以及由此导致的并网逆变器输出电流的畸变。

Description

一种消除直流偏置电压的方法及其单相锁相环
技术领域
本发明涉及锁相环技术领域，更具体的说是涉及一种消除直流偏置电压的方法及其单相锁相环。
背景技术
并网逆变器通常采用电压传感器来测量电网电压，图1示出了使用电压传感器的电网电压的测量路径。由电压传感器测量得到的电网电压信号通过模拟电路构成的低通滤波器和A/D转换器转换为数字信号，然后送入数字信号处理器(DSP)进行处理。然而，由于测量路径中包含的模拟电路和电压传感器本身的非线性和不平衡，不可避免地会产生直流偏移。因此，DSP实际处理的并不是ug而是us，里面包含了由测量路径引入的直流电压分量ΔVdc。
当使用包含直流电压分量的电压信息进行运算时，锁相环输出电网电压的角度会产生偏差，导致并网逆变器输出电流畸变，系统性能下降，严重时使并网点空气开关跳闸。
因此，如何消除电网电压中的直流电压分量是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种消除直流偏置电压的方法及其单相锁相环，能够消除由于电压传感器及相关模拟期间和A/D转换得到的电网电压中的直流电压分量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种消除直流偏置电压的方法，包括：
基于电网电压us构造虚拟相，得到两相电压uα和uβ：
uα＝us＝-Um sinθ+ΔVdc
uβ＝Um cosθ+ΔVdc
其中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度，ΔVdc为直流电压分量；
对两相电压uα和uβ进行旋转变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电压ud；
对d轴电压ud进行积分和高通滤波，得到d轴电压中间量ud-inter；
Figure BDA0002638179250000021
其中，Ki为积分系数，ω为电网电压角频率，θ＝ωt；
将d轴电压中间量ud-inter延时90°后得到q轴电压中间量uq-inter；
Figure BDA0002638179250000022
计算ud-inter和uq-inter的平方和，并开根号，得到：
Figure BDA0002638179250000023
基于式(7)计算直流电压分量ΔVdc；
Figure BDA0002638179250000024
其中，
Figure BDA0002638179250000025
基于直流电压分量ΔVdc和电网电压us得到理想电网电压ug。
优选的，所述构造虚拟相的方法包括：90°传输延时、希尔伯特变换、反Park变换，二阶广义积分或全通滤波器。
一种消除直流偏置电压的单相锁相环，包括：
虚拟相构造模块，用于基于电网电压us构造虚拟相，得到两相电压uα和uβ；
uα＝us＝-Um sinθ+ΔVdc
uβ＝Um cosθ+ΔVdc
其中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度，ΔVdc为直流电压分量；
旋转变换模块，用于对两相电压uα和uβ进行旋转变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电压ud；
PI调节器，用于对d轴电压ud进行积分，得到积分电压；
高通滤波模块，用于对积分电压进行高通滤波，得到d轴电压中间量ud-inter；
Figure BDA0002638179250000031
其中，Ki为积分系数，ω为电网电压角频率，θ＝ωt；
延时模块，用于将d轴电压中间量ud-inter延时90°后得到q轴电压中间量uq-inter；
Figure BDA0002638179250000032
第一计算模块，用于计算ud-inter和uq-inter的平方和，并开根号，得到：
Figure BDA0002638179250000033
第二计算模块，用于基于式(7)计算直流电压分量ΔVdc；
Figure BDA0002638179250000034
其中，
Figure BDA0002638179250000035
消除模块，用于基于直流电压分量ΔVdc和电网电压us得到理想电网电压ug。
优选的，所述虚拟相构造模块基于90°传输延时、希尔伯特变换、反Park变换，二阶广义积分或全通滤波器构造虚拟相。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种消除直流偏置电压的方法以及改进型的单相锁相环，可以消除由于电压传感器及相关模拟器件和A/D转换得到的电网电压中的直流偏置分量，避免了锁相环输出的电网电压的角度偏差，以及由此导致的并网逆变器输出电流的畸变。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为采用电压传感器测量电网电压的测量路径的示意图；
图2为现有技术中单相锁相环的结构示意图；
图3为单相并网逆变器原理图；
图4为本发明提供的改进后的单相锁相环的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图2，并网逆变器要实现并网，必须要获得电网角度信息，目前普遍采用锁相环获得。图2为普通单相锁相环系统的原理结构图，采用全通滤波器APF构造虚拟的β相电压，将α、β相电压进行旋转变换，得到ud、uq电压，将零与ud的差送入PI调节器，将PI调节器的输出值与ωc(为前馈系数，提高锁相环追踪速度)相加，对相加得到的值进行积分得到电网电压角度θ。
当使用包含直流电压分量的电压信息进行运算时，锁相环输出电网电压的角度会产生偏差，导致并网逆变器输出电流畸变，系统性能下降，严重时使并网点空气开关跳闸。
基于上述技术问题，本发明实施例公开了一种消除直流偏置电压的方法以及改进型的锁相环，可以消除由于电压传感器及相关模拟器件和A/D转换得到的电网电压中的直流偏置分量，避免了锁相环输出的电网电压的角度偏差，以及由此导致的并网逆变器输出电流的畸变。
单相并网逆变器原理图如图3所示，由两个直流母线电容、4个IGBT开关管和滤波器组成，并网电流为ig，电网电压为ug。
令理想电网电压ug，表达式如下
ug＝-Um sinθ (1)
式中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度。
含直流电压分量的电网电压为us，表达式如下：
us＝ug+ΔVdc＝-Um sinθ+ΔVdc
式中，ΔVdc为直流电压分量；
因为只有两相正交系统才可以进行同步旋转变换，单相系统只有一个电压，无法直接应用旋转变换，需要构造一个与真实电压正交的虚拟电压信号，真实电压与虚拟电压构成两相系统即可应用同步旋转变换。构造的虚拟电压滞后电网电压90°。构造虚拟相的方法有90°传输延时、希尔伯特变换(Hilbert)；反Park变换；二阶广义积分(second-ordergeneralized integrator,SOGI)，全通滤波器(all pass filter,APF)等，本发明中采用全通滤波器APF来构造虚拟相。
基于电网电压us构造虚拟相，得到两相电压uα和uβ：
uα＝us＝-Um sinθ+ΔVdc
uβ＝Um cosθ+ΔVdc
其中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度，ΔVdc为直流电压分量；
写成矩阵形式如下：
Figure BDA0002638179250000061
将静止坐标系下的式(3)变换到同步旋转坐标系下即旋转变换，得
Figure BDA0002638179250000062
式中，
Figure BDA0002638179250000063
为旋转变换矩阵。
对d轴电压ud进行积分和高通滤波，得到d轴电压中间量ud-inter；
Figure BDA0002638179250000064
其中，Ki为积分系数，ω为电网电压角频率，θ＝ωt；
将d轴电压中间量ud-inter经过APF延时90°后得到q轴电压中间量uq-inter；
Figure BDA0002638179250000065
为了分离出直流电压分量，将式(5)和式(6)分别平方后求和，再开根号后得到：
Figure BDA0002638179250000071
令
Figure BDA0002638179250000072
基于式(7)和(8)计算直流电压分量ΔVdc；
Figure BDA0002638179250000073
通过式(9)求出直流电压分量ΔVdc。
参见附图4，图4示出了改进型单相锁相环的结构，其中，Kp、Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数，ωc为前馈系数(提高锁相环追踪速度)，
Figure BDA0002638179250000074
为积分器，HPF为高通滤波器(因PI调节器中积分器输出包含2部分，一部分为直流分量，还有一部分为基频分量即由直流偏置电压引起，通过高通滤波器将基频分量分离出来)。将PI调节器中积分调节器的输出通过HPF进行高通滤波，得到ud-inter，将ud-inter通过全通滤波器APF得到uq-inter，将uq-inter、uq-inter通过式(8)运算得到ε，然后基于式(9)计算得到直流电压分量ΔVdc，将us减去ΔVdc即可得到ug，这样就消除了由测量路径引入的直流分量ΔVdc。
此外，本发明实施例还公开了一种消除直流偏置电压的单相锁相环，包括：
虚拟相构造模块，用于基于电网电压us构造虚拟相，得到两相电压uα和uβ；
uα＝us＝-Um sinθ+ΔVdc
uβ＝Um cosθ+ΔVdc
其中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度，ΔVdc为直流电压分量；
旋转变换模块，用于对两相电压uα和uβ进行旋转变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电压ud；
PI调节器，用于对d轴电压ud进行积分，得到积分电压；
高通滤波模块，用于对积分电压进行高通滤波，得到d轴电压中间量ud-inter；
Figure BDA0002638179250000081
其中，Ki为积分系数，ω为电网电压角频率，θ＝ωt；
延时模块，用于将d轴电压中间量ud-inter延时90°后得到q轴电压中间量uq-inter；
Figure BDA0002638179250000082
第一计算模块，用于计算ud-inter和uq-inter的平方和，并开根号，得到：
Figure BDA0002638179250000083
第二计算模块，用于基于式(7)计算直流电压分量ΔVdc；
Figure BDA0002638179250000084
其中，
Figure BDA0002638179250000085
消除模块，用于基于直流电压分量ΔVdc和电网电压us得到理想电网电压ug，通过本发明实施例提供的消除直流偏置电压的单相锁相环，能够有效消除由测量路径引入的直流分量ΔVdc。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种消除直流偏置电压的方法，其特征在于，包括：
基于电网电压us构造虚拟相，得到两相电压uα和uβ：
uα＝us＝-Umsinθ+ΔVdc
uβ＝Umcosθ+ΔVdc
其中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度，ΔVdc为直流电压分量；
对两相电压uα和uβ进行旋转变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电压ud；
对d轴电压ud进行积分和高通滤波，得到d轴电压中间量ud-inter；
Figure FDA0002638179240000011
其中，Ki为积分系数，ω为电网电压角频率，θ＝ωt；
将d轴电压中间量ud-inter延时90°后得到q轴电压中间量uq-inter；
Figure FDA0002638179240000012
计算ud-inter和uq-inter的平方和，并开根号，得到：
Figure FDA0002638179240000013
基于式(7)计算直流电压分量ΔVdc；
Figure FDA0002638179240000014
其中，
Figure FDA0002638179240000015
基于直流电压分量ΔVdc和电网电压us得到理想电网电压ug。
2.根据权利要求1所述的一种消除直流偏置电压的方法，其特征在于，所述构造虚拟相的方法包括：90°传输延时、希尔伯特变换、反Park变换，二阶广义积分或全通滤波器。
3.一种消除直流偏置电压的单相锁相环，其特征在于，包括：
虚拟相构造模块，用于基于电网电压us构造虚拟相，得到两相电压uα和uβ；
uα＝us＝-Umsinθ+ΔVdc
uβ＝Umcosθ+ΔVdc
其中，Um为电网电压峰值，θ为电网电压角度，ΔVdc为直流电压分量；
旋转变换模块，用于对两相电压uα和uβ进行旋转变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电压ud；
PI调节器，用于对d轴电压ud进行积分，得到积分电压；
高通滤波模块，用于对积分电压进行高通滤波，得到d轴电压中间量ud-inter；
Figure FDA0002638179240000021
其中，Ki为积分系数，ω为电网电压角频率，θ＝ωt；
延时模块，用于将d轴电压中间量ud-inter延时90°后得到q轴电压中间量uq-inter；
Figure FDA0002638179240000022
第一计算模块，用于计算ud-inter和uq-inter的平方和，并开根号，得到：
Figure FDA0002638179240000023
第二计算模块，用于基于式(7)计算直流电压分量ΔVdc；
Figure FDA0002638179240000031
其中，
Figure FDA0002638179240000032
消除模块，用于基于直流电压分量ΔVdc和电网电压us得到理想电网电压ug。
4.根据权利要求3所述的一种消除直流偏置电压的单相锁相环，其特征在于，所述虚拟相构造模块基于90°传输延时、希尔伯特变换、反Park变换，二阶广义积分或全通滤波器构造虚拟相。
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