CN112202200B - 一种快速相位跟踪补偿的控制方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速相位跟踪补偿的控制方法、电路和并网切换控制方法，该方法包括以下步骤：在电网电压畸变情况下，检测输出频率信号利用双电网电压正交信号发生器达到滤除谐波电压，同时利用直流电压校正积分器负反馈环控制滤除直流分量；实现电网相位快速锁定后切换至并网运行控制。本发明一方面能够满足快速跟踪电网变换控制的要求，另一方面能够保证在畸变电网下适应性运行。

Description

一种快速相位跟踪补偿的控制方法和电路
技术领域
本发明涉及虚拟同步机微网技术领域，具体将涉及一种快速相位跟踪补偿的控制方法、电路和并网切换控制方法。
背景技术
近年来，随着能源危机和环境问题的日益加剧，太阳能作为清洁可再生能源得到迅猛发展。微电网发电系统常用于解决偏远地区的供电需求，而偏远地区、海岛等电网末端的电网通常为相对较小的负载设计，其电力供应多为中低压等级。弱电网低短路容量的电气特性使电网的短路承载力降低，负荷变化容易引起电网电压波动；高电网阻抗容易导致谐波共振和电网电压波形畸变。畸变的电网电压容易使虚拟同步机锁相环出现偏差甚至失效，并导致并网电能质量降低，因此为保证虚拟同步机能够实现弱电网下并网运行，保证与电网同步方法至关重要。
基于双二阶广义积分器的锁相环(DSOGI-PLL)在电网电压不对称和谐波含量低时，能准确地提取电压同步信号，但在电网电压含有多次谐波时，同步信号的提取受到谐波影响，出现较大的波动。单相输入信号通过正交信号发生器(QSG)构造出两相正交信号，再采用三相电路适用的同步坐标系锁相环可获得精度较高的同步检测信号，但当输入的电网电压信号出现直流偏差和谐波畸变时，QSG输出的两路正交信号将包含直流分量和谐波分量，SOGI-FLL的频率和相角检测精度将受到影响。
发明内容
为了解决微电网下发电控制策略问题，本发明提供一种快速相位跟踪补偿的控制方式，一方面能够满足快速跟踪电网变换控制的要求，另一方面能够保证在畸变电网下适应性运行。
一种快速相位跟踪补偿的控制方法，包括以下步骤：1、传感器采集单相电压输入信号，通过双正交发生器滤除畸变电压生成相互垂直的输出电压Vα和Vβ；2、所述Vα和Vβ信号经过锁相控制器(PLL)环节最终得到电网相位角；
其中，步骤1中的双正交发生器包括直流电压校正积分器、双二阶广义积分器、锁频控制器(FLL)，所述直流电压校正积分器用于抵消输入信号中的直流分量，消除后级输出Vα和Vβ信号的不对称性。
进一步的，单个正交发生器的传递函数为：
其中，k为系统增益，w0为电网基波频率，s为拉普拉斯算子。
进一步的，直流电压校正积分器为一负反馈控制环路，反馈端为第二个二阶广义积分器的输入端，与第二个二阶广义积分器中的缩放电路的输入端连接，输出端与第一个二阶广义积分器的输入端相减，反馈环路上设置有积分器电路，积分器电路的输出为直流电压校正积分器的输出，积分电路的输入与缩放电路的输出端连接，由反馈端和基波频率值经乘法器电路后的输出作为缩放电路的输入端。
进一步的，步骤1还包括通过αβ变换将输入信号由三相静止坐标系转换到正交坐标系下，再通过双二阶广义积分器进行带通滤波，生成正交分量Vα和Vβ。
进一步的，步骤2中还包括正负序分量计算模块，正交分量Vα和Vβ通过正负序分量计算模块得到电压正负分量和负序分量，正序分量再经过Park变换由两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系下，通过锁相控制器(PLL)完成锁相。
一种并网切换控制方法，包括以下步骤：1、传感器采集单相电压输入信号，通过双正交发生器滤除畸变电压生成相互垂直的输出
Vα和Vβ；2、Vα和Vβ信号经过锁相控制器(PLL)环节最终得到电网相位角；3、当电网相位角偏差小于设定值时，闭合并网接触器开关从离网运行控制切换至并网控制模式；
其中，步骤1中的双正交发生器包括直流电压校正积分器、双二阶广义积分器、锁频控制器(FLL)，所述直流电压校正积分器用于抵消输入信号中的直流分量，消除后级输出Vα和Vβ信号的不对称性。
一种快速相位跟踪补偿的控制电路，包括双正交发生器和锁相控制器(PLL)，其中双正交发生器包括直流电压校正积分器、双二阶广义积分器、锁频控制器(FLL)，所述直流电压校正积分器用于抵消输入信号中的直流分量，消除后级输出Vα和Vβ信号的不对称性。
本发明具有如下的技术效果：
1、通过在双二阶广义积分器中引入一个直流偏差校正积分器，使其对电压直流分量进行衰减，保证了系统的动态性能、滤波效果，使得NSOGI-PLL系统的性能得到进一步提升。
2、双正交变换器具有带同滤波器特性，从而保证基波频率信号不衰减通过，利用二重化结构，保证控制带宽的稳定性。
3、利用锁频控制器FLL实现在电网电压变化时能够抑制相位角的稳定，从而保证系统输出功率稳定。
附图说明
图1为锁相控制图；
图2为具有电压校正和滤波功能的正交发生器电路；
具体实施方式
本发明实施方案主要通过锁频控制器实现频率锁定，通过直流电压校正积分器抵消输入信号中的直流分量，从而生成对称的正交信号。
下面结合图1和2作进一步的详细说明。
不对称电网电压正负序分量分解。
不对称的三相电网电压Vabc利用对称分量法可分解成正序、负序和零序分量。正序和负序分量可表示为：
式中：
α＝ej2π/3；vabc＝[vavbvc]T。
电网电压经过Clark变换到两相静止坐标下正序和负序分量分别为：
其中q＝e-jπ/2，是一个90°滞后的移相运算。Vα、Vβ是两相正交信号，预获得正序和负序分量需首先获得两个正交信号Vα和Vβ。
而获得正交信号一般用到全通滤波器、周期延迟、微分，以及二阶广义积分器的正交发生器，其中全通滤波器、周期延迟、微分等方法对频率的变化相应较慢，且无法印制谐波影响，而二阶广义积分器的正交发生器实现输入信号90°相移的同时，还具有自适应滤波器的功效，可以滤除高次谐波。
二阶广义积分器的传递函数为：
式中：w0为谐振频率，k为系统增益，s为拉普拉斯算子。
当输入信号w＝w0时，增益|D(jw)|＝|Q(jw)|＝0，输出信号v'(s)无静差跟踪输入信号v(s)，幅值保持不变，相位∠D(jw)＝0°∠Q(jw)＝-90°，两个信号同相位，而信号q相位滞后90°。因此，当将二阶广义积分器的谐振频率设定为电网电压基波频率w0，输入信号含有谐波时，输出信号也只是无静差的跟踪输入的基波信号，谐波信号被衰减，而且谐波次数越高，该系统对谐波的衰减作用越大。
正交分量Vα和Vβ通过正负序分量计算模块得到电压正负分量和负序分量，正序分量再经过Park变换由两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系下，通过锁相控制器(PLL)完成锁相。
但是，在电网电压和采集环节中含有一定的直流分量时，由于双二阶广义积分器锁相环(NSOGI-PLL)系统对直流分量的衰减不足将导致其检测到的电网同步信号存在较大波动，其中频率与相角信号的大幅波动可能导致系统锁相失败。
现有技术中已有直流电压偏差校正的技术手段，例如在SOGI模块之前设置一简化为带通滤波器的SOGI模块，本发明通过在双二阶广义积分器中引入一个直流偏差校正积分器，闭环控制使其对电压直流分量进行衰减，同时保证了系统的动态性能、滤波效果，使得NSOGI-PLL系统的性能得到进一步提升。
具体的，本发明提供一种快速相位跟踪补偿的控制电路包括双正交发生器和锁相控制器(PLL)，其中双正交发生器包括直流电压校正积分器、双二阶广义积分器、锁频控制器(FLL)，所述直流电压校正积分器用于抵消输入信号中的直流分量，消除后级输出Vα和Vβ信号的不对称性。
其中，直流电压校正积分器为一负反馈控制环路，反馈端为第二个二阶广义积分器的输入端，与第二个二阶广义积分器中的缩放电路的输入端连接，输出端与第一个二阶广义积分器的输入端相减，反馈环路上设置有积分器电路，积分器电路的输出为直流电压校正积分器的输出，积分电路的输入与缩放电路的输出端连接，由反馈端和基波频率值经乘法器电路后的输出作为缩放电路的输入端。
在DSOGI中引入该直流电压校正积分器，由于在内部电路中引入了积分反馈环，因此单个正交发生器结构的传递函数为：
其中，k为系统增益，w0为电网基波频率，s为拉普拉斯算子。
传递函数表现为带通滤波器的特性，其中k值越小滤波效果越好，这样能够滤除除基波频率w0外的其他次谐波，通过二重化结构能够在满足多次衰减达到更好的滤波效果的同时保证有一定的滤波频带宽；
直流分量得以滤除，当输入采集信号中含有直流分量或实际电压含有直流分量，经过坐标变换后造成输出的Va和Vb信号不对称，影响后极锁相环工作，利用直流电压校正积分器，从而抵消输入信号中的直流分量，保证了系统的动态性能、滤波效果，使得NSOGI-PLL系统的性能得到进一步提升。
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在本发明申请待批的权利申请要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种快速相位跟踪补偿的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1、传感器采集电压输入信号，通过双正交发生器滤除畸变电压生成相互垂直的输出电压Vα和Vβ；2、所述Vα和Vβ信号经过锁相控制器(PLL)环节最终得到电网相位角；
其中，步骤1中的双正交发生器包括直流电压校正积分器、双二阶广义积分器、锁频控制器(FLL)，所述直流电压校正积分器用于抵消输入信号中的直流分量，消除后级输出Vα和Vβ信号的不对称性；
单个正交发生器的传递函数为：
其中，k为系统增益，w0为电网基波频率，s为拉普拉斯算子；
直流电压校正积分器为一负反馈控制环路，反馈端为第二个二阶广义积分器的输入端，与第二个二阶广义积分器中的缩放电路的输入端连接，输出端与第一个二阶广义积分器的输入端相减，反馈环路上设置有积分器电路，积分器电路的输出为直流电压校正积分器的输出，积分电路的输入与缩放电路的输出端连接，由反馈端和基波频率值经乘法器电路后的输出作为缩放电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤1还包括通过αβ变换将输入信号由三相静止坐标系转换到正交坐标系下，再通过双二阶广义积分器进行带通滤波，生成正交分量Vα和Vβ。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤2中还包括正负序分量计算模块，正交分量Vα和Vβ通过正负序分量计算模块得到电压正负分量和负序分量，正序分量再经过Park变换由两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系下，通过锁相控制器(PLL)完成锁相。
4.一种快速相位跟踪补偿的控制电路，其特征在于，包括双正交发生器和锁相控制器(PLL)，其中双正交发生器包括直流电压校正积分器、双二阶广义积分器、锁频控制器(FLL)，所述直流电压校正积分器用于抵消输入信号中的直流分量，消除后级输出Vα和Vβ信号的不对称性；
单个正交发生器的传递函数为：
其中，k为系统增益，w0为电网基波频率，s为拉普拉斯算子；
直流电压校正积分器为一负反馈控制环路，反馈端为第二个二阶广义积分器的输入端，与第二个二阶广义积分器中的缩放电路的输入端连接，输出端与第一个二阶广义积分器的输入端相减，反馈环路上设置有积分器电路，积分器电路的输出为直流电压校正积分器的输出，积分电路的输入与缩放电路的输出端连接，由反馈端和基波频率值经乘法器电路后的输出作为缩放电路的输入端。
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