CN112532071A - 一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法 - Google Patents

一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，属于UPS系统锁相控制技术领域，用以解决现有UPS系统中，由于接入的电网电压不平衡、电网电压不对称、电压畸变等电网问题的存在，导致同步旋转坐标变换后的锁相环锁相效果差的问题。本发明通过采用双dq坐标变换和解耦计算电网电压的正序分量和负序分量，并通过提取负序分量中的直流电压分量，进而对交轴正序电压分量进行补偿，从而精准锁定正序电压相位。本发明可用于对UPS系统稳定性的控制。

Description

一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的 控制方法
技术领域
本发明涉及UPS系统锁相控制技术领域，具体涉及一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法。
技术背景
随着电力电子技术在人们生产生活中的广泛应用，使得负载设备对电源的要求越来越高，在保证负载设备安全可靠运行的同时，电网断电或电网故障会导致设备不可持续运行，大大降低了生产效率，这就使得UPS(Uninterruptible Power System)系统应运而生，它是一种具有稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压冲浪等功能的电力保护系统。在市电正常时，UPS系统相当于市电稳压器，提高供电质量的同时整流器还充当充电器给电池组充电；当市电断电时，由电池组供电给逆变器将直流电逆变为交流电给负载；当UPS故障时，市电可通过旁路直接供电给负载。三相背靠背变流器是由两个桥式整流电路共用直流母线组成，且变流器直流电容两侧完全对称，即左侧整流、右侧逆变，在电网电压不平衡、电压畸变或电网电压非对称情况下，为了保证网侧变流器可以安全、可靠、稳定运行，要求UPS系统可以快速准确检测电网电压正序基波分量的相位信息，以保证对变流器的精准控制。
锁相环是一种典型的反馈控制电路，利用外部反馈输入信号调节环路内部信号，实现输入输出信号频率的自动跟踪和相位锁定。锁相环在UPS系统的控制中具有至关重要的作用，特别是在三相电压不平衡、电压及频率不稳定、谐波含量大等非理想条件下运行时。在电网电压非对称或畸变时，负序电压分量的存在导致在同步旋转坐标变换后的锁相输出结果存在误差，从而影响UPS系统的稳定性，因此，如何精准实现对电压相位的跟踪锁定，进而提高锁相环锁相效果是亟需解决的问题。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，用以解决现有UPS系统中，由于接入的电网电压不平衡、电网电压不对称、电压畸变等电网问题的存在，导致同步旋转坐标变换后的锁相环锁相效果差的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在正序旋转dq参考坐标下通过dq坐标变换计算获得输入三相电网电压的正序电压分量和负序电压分量；
步骤二、在负序旋转dq参考坐标下通过双dq坐标变换计算提取所述负序电压分量中的直流电压分量；
步骤三、利用所述负序电压分量中的直流电压分量通过解耦运算对正序电压分量进行补偿，从而精准锁定电压相位。
进一步地，步骤一的具体步骤为：所述三相电网电压首先经过Clark变换后得到静止坐标系下的电压分量usαβ＝[usα usβ]T；然后再经过Park旋转变换同步到旋转坐标系中得到直轴电压分量usd和交轴电压分量usq；然后将直轴电压分量和交轴电压分量分解分别获得直轴正序电压分量usd+和负序电压分量usd-、交轴正序电压分量usq+和负序电压分量usq-。
进一步地，所述静止坐标系下的电压分量为：
Figure BDA0002806256380000021
其中，Um表示电网电压幅值；Um1表示负序电压分量电压幅值；ω表示旋转坐标系下的旋转角速度；
Figure BDA0002806256380000022
表示负序电压分量初始相角；
所述直轴电压分量和交轴电压分量为：
Figure BDA0002806256380000023
其中，θ表示旋转坐标系下某一时刻的旋转角度。
进一步地，步骤二的具体步骤为：
步骤二一、在旋转角度为-θ下进行dq坐标变换获得所述负序电压分量为：
Figure BDA0002806256380000024
步骤二二、将所述负序电压分量分解如下：
Figure BDA0002806256380000025
其中，[u1sd- u1sq-]T为：
Figure BDA0002806256380000026
[u2sd- u2sq-]T为：
Figure BDA0002806256380000031
步骤二三、当ωt＝θ时，锁相环完成精确相位锁定，即负序直流电压分量[u2sd-u2sq-]T为：
Figure BDA0002806256380000032
进一步地，步骤三中对正序电压分量进行补偿为对交轴正序电压分量进行补偿。
进一步地，步骤二中利用二阶巴特沃斯滤波器对负序电压分量进行滤波处理，获得平坦的交轴负序电压分量中的直流电压分量。
本发明的有益效果是：
在UPS系统中，由于接入的电网电压不平衡、电网电压不对称、电压畸变等电网问题的存在，会导致负序电压或负序电流分量的存在，负序分量会使在同步旋转坐标变换后的锁相环锁相效果差且存在误差，影响控制策略对UPS系统的控制和性能的稳定性，本发明通过采用双dq坐标变换和解耦计算电网电压的正序分量和负序分量，并通过提取负序分量中的直流电压分量，进而对交轴正序电压分量进行补偿，从而精准锁定正序电压相位。仿真结果表明了本发明方法能够实现对正序电压相位的快速跟踪锁定。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。
图1示出了典型的在线式UPS系统框图；
图2示出了三相背靠背变流器在线式UPS拓扑结构图；
图3示出了本发明双dq坐标变换三相电压锁相环结构框图；
图4示出了本发明仿真结果的同步旋转坐标系q轴电压分量输出波形图；
图5示出了非对称三相电压波形图；
图6示出了本发明仿真结果的非对称三相电压或电压畸变下锁相环的输出波形图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
UPS(Uninterruptible Power System)系统是一种具有稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压冲浪等功能的电力保护系统，典型的UPS系统框图如图1所示，由整流、逆变、电池组、旁路部分组成，在市电正常时，UPS系统相当于市电稳压器，提高供电质量的同时整流器还充当充电器给电池组充电；当市电断电时，由电池组供电给逆变器将直流电逆变为交流电给负载；当UPS故障时，市电可通过旁路直接供电给负载。三相背靠背变流器在线式UPS拓扑结构如图2所示，变流器是由两个桥式整流电路共用直流母线组成，且变流器直流电容两侧完全对称，即左侧整流、右侧逆变，在电网电压不平衡、电压畸变或电网电压非对称情况下，为了保证网侧变流器可以安全、可靠稳定运行，这就要求系统可以快速准确检测电网电压正序基波分量的相位信息，以保证对变流器进行精准控制。
锁相环是一种典型的反馈控制电路，利用外部反馈输入信号调节环路内部信号，实现输入输出信号频率的自动跟踪和相位锁定。锁相环在UPS系统的控制中具有至关重要的作用，特别是在三相电压不平衡、电压及频率不稳定、谐波含量大等非理想条件下运行时，是影响UPS系统控制稳定性的一个重要因素。本发明针对电网电压非对称或畸变情况下锁相环方法进行研究，在电网电压非对称或畸变时，因负序电压分量的存在，导致在同步旋转坐标变换后的锁相输出结果存在误差，采用双dq坐标变换和解耦计算电网电压的正序分量和负序分量，通过提取出负序分量中的直流电压分量，对q轴正序电压分量进行补偿，可实现快速精准锁定正序电压相位。
首先设三相电网电压为三相对称电压，即：
Figure BDA0002806256380000041
其中，usa、usb、usc表示a、b、c节点处电压；Um表示电网电压幅值；ω表示旋转坐标系下的旋转角速度。
经过Clark变换后得到静止坐标系下的电压分量usαβ＝[usα usβ]T如式(2)：
Figure BDA0002806256380000051
再经Park变换可得到旋转坐标系下直轴和交轴电压分量usdq＝[usd usq]T如式(3)：
Figure BDA0002806256380000052
其中，θ表示旋转坐标系下某一时刻的旋转角度。
由式(3)可知，当ωt＝θ，即usq＝0时，锁相环精准锁定基波电压信号相位，此法适用于三相电网电压为理想电压时。对于低压电网中，由于三相负荷的不平衡严重过高，会导致负荷重的某相电压偏低，其他相相比于正常三相电压就会相对较高；电力系统中三相阻抗的不对称性，也将破坏电压和电流的对称性，进而产生负序分量；当电网故障，如缺相、接触不良等，也会导致电网电压不对称。利用对称分量法，可将三相不对称电压分解为含有正序、负序和零序电压分量的三组对称电压表达式。电压表达式可以表示如式(4)：
Figure BDA0002806256380000053
其中，Um1表示负序电压分量电压幅值；
Figure BDA0002806256380000054
表示负序电压分量初始相角；Um0表示零序电压分量电压幅值；
Figure BDA0002806256380000055
表示零序电压分量初始相角。
再经Clark变换到两相静止坐标系中，简化后可以得到含有负序分量的usαβ＝[usαusβ]T如式(5)：
Figure BDA0002806256380000056
再经Park公式转化到同步旋转坐标系中，简化后可以得到含有负序分量的usdq＝[usd usq]T如式(6)：
Figure BDA0002806256380000061
由(6)式可以看出，在同步旋转坐标变换后，由于负序分量的存在会导致在ωt＝θ时，锁相环锁相效果差且存在误差，采用双dq坐标变换的三相电压锁相环结构，可以很好的消除由负序分量带来的锁相误差同时滤除谐波分量。将usdq＝[usd usq]T分解为(7)式：
Figure BDA0002806256380000062
在旋转角度为-θ时dq坐标变换，可以得到usdq-＝[usd- usq-]T如(8)式：
Figure BDA0002806256380000063
设：
Figure BDA0002806256380000064
Figure BDA0002806256380000065
Figure BDA0002806256380000066
当ωt＝θ时，锁相环完成精确相位锁定，此时：
Figure BDA0002806256380000067
将式(6)中usq展开可以得到：
Figure BDA0002806256380000068
将式(11)代入式(12)整理化简可得：
usq＝u2sd-sin(-2θ)+u2sq-cos(-2θ) (13)
由式(13)式可知，通过解耦运算，负序分量中的直流电压分量可以很好的补偿q轴正序电压分量，实现快速精准锁定电压相位。在双dq坐标变换三相电压锁相环的结构中利用二阶巴特沃斯滤波器对负序电压分量进行滤波处理，可以得到平坦的q轴负序电压中的直流分量，双dq坐标变换三相电压锁相环的结构如图3所示。
采用PSIM电力电子仿真软件，搭建在线式UPS系统仿真模型，验证双dq坐标变换三相电压锁相环结构的有效性，其中，设置网侧电压在0s～0.18s内为理想的三相对称电压，其对应的仿真结果即同步旋转坐标系q轴电压分量输出波形图如图4所示；在0.18s～0.2s内为畸变电压，即三相非对称电压，波形图如图5所示，且电压基值为537V，其对应的仿真结果即非对称三相电压或电压畸变下锁相环的输出波形图如图6所示。
由图4可以看出，在0s～0.18s内，由于负序电压直流分量对q轴正序电压起到很好的补偿作用，使得q轴电压分量输出波形趋近于0；由图6可以看出，在0s～0.18s理想三相对称电压和0.18s～0.2s三相非对称电压下，双dq坐标变换三相电压锁相环结构均能够快速、精准地实现对正序电压相位的跟踪锁定，仿真结果验证了本发明方法的可行性和准确性。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在正序旋转dq参考坐标下通过dq坐标变换计算获得输入三相电网电压的正序电压分量和负序电压分量；
步骤二、在负序旋转dq参考坐标下通过双dq坐标变换计算提取所述负序电压分量中的直流电压分量；
步骤三、利用所述负序电压分量中的直流电压分量通过解耦运算对正序电压分量进行补偿，从而精准锁定电压相位。
2.根据权利要求1所述一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，其特征在于，步骤一的具体步骤为：所述三相电网电压首先经过Clark变换后得到静止坐标系下的电压分量usαβ＝[usα usβ]T；然后再经过Park旋转变换同步到旋转坐标系中得到直轴电压分量usd和交轴电压分量usq；然后将直轴电压分量和交轴电压分量分解分别获得直轴正序电压分量usd+和负序电压分量usd-、交轴正序电压分量usq+和负序电压分量usq-。
3.根据权利要求2所述一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，其特征在于，所述静止坐标系下的电压分量为：
Figure FDA0002806256370000011
其中，Um表示电网电压幅值；Um1表示负序电压分量电压幅值；ω表示旋转坐标系下的旋转角速度；
Figure FDA0002806256370000012
表示负序电压分量初始相角；
所述直轴电压分量和交轴电压分量为：
Figure FDA0002806256370000013
其中，θ表示旋转坐标系下某一时刻的旋转角度。
4.根据权利要求1所述一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，其特征在于，步骤二的具体步骤为：步骤二一、在旋转角度为-θ下进行dq坐标变换获得所述负序电压分量为：
Figure FDA0002806256370000014
步骤二二、将所述负序电压分量分解如下：
Figure FDA0002806256370000021
其中，[u1sd- u1sq-]T为：
Figure FDA0002806256370000022
[u2sd- u2sq-]T为：
Figure FDA0002806256370000023
步骤二三、当ωt＝θ时，锁相环完成精确相位锁定，即负序直流电压分量[u2sd- u2sq-]T为：
Figure FDA0002806256370000024
5.根据权利要求1所述一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，其特征在于，步骤三中对正序电压分量进行补偿为对交轴正序电压分量进行补偿。
6.根据权利要求1所述一种基于双dq变换解耦的三相锁相环对UPS系统精准锁相的控制方法，其特征在于，步骤二中利用二阶巴特沃斯滤波器对负序电压分量进行滤波处理，获得平坦的交轴负序电压分量中的直流电压分量。
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