CN112600537A - 改进型自适应陷波器以及改进型自适应陷波器锁相环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型自适应陷波器以及改进型自适应陷波器锁相环，该改进型自适应陷波器锁相环，用于输入不平衡电网电压Vabc，进行Clark变换成Vαβ，Vαβ经过XANF后实现正负序分量分离，得到无直流分量的Vαf和Vβf信号；进行park变换，将Vαf、Vβf转换成两相同步旋转dq坐标系下的直流Vd和Vq；通过闭环控制使Vq趋于零，实现锁相；其中，XANF为改进型自适应陷波器。本发明的改进型自适应陷波器锁相环可以适用各种单/三相不平衡且包含直流分量的复杂工况，能快速且准确得到电网电压的同步信息。
Description
技术领域
本发明涉及电网电压的同步领域，尤其涉及一种改进型自适应陷波器(XANF)以及可消除直流分量的改进型自适应陷波器锁相环(XANF-PLL)。
背景技术
由于同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)具有结构简单、易实现的优点，在获取电网同步信息方面得到了广泛应用。但当电网电压不对称时，基波负序分量会在旋转坐标系dq轴分量中产生2倍工频波动，影响基波正序分量的提取结果。
为了解决该问题，将自适应陷波器(Adaptive Notch Filter，ANF)加入到同步参考坐标系锁相环的结构，利用ANF陷波器的2个相互正交的输出量分别抵消电网电压dq轴分量中由于负序分量造成的2倍工频波动，以此消除了电网电压不对称对同步信号检测的影响，并且可以同时提取出基波负序分量的幅值和相位，但ANF不能消除直流分量，直流分量会导致PLL(Phase Locked Loop锁相环)的相位及频率估计中存在基波频率振荡误差。
发明内容
本发明提供了一种改进型自适应陷波器(XANF)以及改进型自适应陷波器锁相环(XANF-PLL)，用以解决ANF不能消除直流分量，从而导致PLL的相位及频率估计中存在基波频率振荡误差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种改进型自适应陷波器，改进型自适应陷波器的传递函数为：
其中，ωANF为谐振角频率，u为输入信号，ξ为正实数参数，e表示输入信号与输出信号x1的偏差，x和x1为输出信号，Di(s)、Qi(s)分别为输出量x和x1的频域传递函数，s＝jω，s为复频率，j为虚单位，ω为电网实际运行角频率。
本发明还提供一种改进型自适应陷波器锁相环，用于输入不平衡电网电压Vabc，进行Clark变换成Vαβ，Vαβ经过XANF后实现正负序分量分离，得到无直流分量的Vαf和Vβf信号；进行park变换，将Vαf、Vβf转换成两相同步旋转dq坐标系下的直流Vd和Vq；通过闭环控制使Vq趋于零，实现锁相；
其中，XANF为上述的改进型自适应陷波器。
优选地，不平衡电网三相电压：
式中：
其中，VabcD表示直流分量，V+、
V-、
分别为基波正、负序电压的幅值和初相角，ω为电网实际运行角频率。
优选地，直流Vd和Vq为：
其中，Tdq为变换矩阵，t为时间，ω0为旋转角频率预设值。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的自适应陷波器(XANF)，能消除直流分量，从而应用于PLL时的相位及频率可克服基波频率振荡误差。
2、本发明的改进型自适应陷波器锁相环(XANF-PLL)，实现简单，可以适用各种单/三相不平衡的且包含直流分量的复杂工况，能快速且准确得到电网电压的同步信息。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的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。在附图中：
图1是本发明优选实施例的自适应陷波器(ANF)的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的自适应陷波器(ANF)的D(s)的伯德图；
图3是本发明优选实施例的自适应陷波器(ANF)的Q(s)的伯德图；
图4是本发明优选实施例的改进的自适应陷波器(XANF)的结构示意图；
图5是本发明优选实施例的改进的自适应陷波器(XANF)的Di(s)的伯德图；
图6是本发明优选实施例的改进型自适应陷波器锁相环(XANF-PLL)的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图4，本发明的改进型自适应陷波器，以下简称XANF；其传递函数为：
其中，ωANF为谐振角频率，u为输入信号，ξ为正实数参数，e表示输入信号与输出信号x1的偏差，x和x1为输出信号，Di(s)、Qi(s)分别为输出量x和x1的频域传递函数，s＝jω，s为复频率，j为虚单位，ω为电网实际运行角频率。
参见图6，本发明实施例还提供一种改进型自适应陷波器锁相环，以下简称XANF-PLL：
(1)首先对不平衡电网电压Vabc进行Clark变换成Vαβ；
(2)Vαβ经过XANF后得到正负序分量分离、无直流分量的Vαf、Vβf信号；
(3)Vαf、Vβf经过park变换成两相同步旋转dq坐标系下的直流Vd、Vq；
(4)通过闭环控制使Vq趋于零即可以实现锁相。
根据步骤(1)，电网在不平衡且含有直流分量的非理想条件下可表示下式：
式中：
其中，VabcD表示直流分量，V+、
V-、
分别为基波正、负序电压的幅值和初相角，ω为电网实际运行角频率。
将Vabc进行Clark变换：
其中
根据步骤(2)，将经过Clark变换得到的Vαβ经过XANF，实现正负序分离与消除直流分量。
(a)消除直流分量方面
根据图2得到了XANF的传递函数：
假定XANF的输入信号U＝Acos(ωt)+Ud cos(ω0t)，Ud为直流分量的幅值，ω0＝2nπ(n＝0，1，2，3，…)，对U进行拉普拉斯变化得：
将U拉普拉斯式带入XANF的表达式可得：
其中，
SM＝s2+ω2
当s＝jω且ω＝0，
可知，XANF对于输入的直流分量具有滤除作用。
(b)正序分量分离：
令ωANF＝ω，将s＝jω带入式XANF传递函数：
XANF的输出量x1等于输入信号U，且x1和x的幅值相等，相位相差了90°，XANF的输出是一对正交信号。而静止坐标系下的正序分量vαβ+的表达式为
式中，q＝e-jπ/2，是一个90°滞后的移相运算。故可将XANF作为正交信号发生器，来完成静止坐标系下提取正序分量vαβ+所需要的移相运算，因此经过XANF后可以得到无直流分量、正负序分离的Vαf、Vβf。
根据步骤(3)，Vαf、Vβf经过park变换成两相同步旋转dq坐标系下的直流Vd、Vq。
根据步骤(4)，将Vd输入PI调节器，PI调节器具有直流无静差调节特性，因此通过对Vd的PI调节，即可使Vq趋于零，从而实现锁相。
实施例2：
实施例1中的XANF以及XANF-PLL是通过以下步骤设计得到的：
(1)建立ANF数学模型，确定参数，分析不能消除直流分量的机理。
(2)建立XANF数学模型，理论推导能实现消除直流分量的机理。
(3)确定了XANF-PLL的结构框图。
如步骤(1)的所示ANF的结构框图如图1所示，传递函数表示为：
其中，ωANF为谐振角频率，u为输入信号，ξ为正实数参数，e表示输入信号与输出信号x1的偏差,x和x1为输出信号，D(s)、Q(s)分别为输出量x和x1的频域传递函数。
根据式ANF传递函数可知，它是一个二阶系统，根据二阶系统动态性能指标的估算方法，可以得出系统响应时间ts的表达式：
当ωANF一定时，系统调节时间ts随着参数ζ的变化而变化，考虑到系统既需要较强的阻尼程度，又需要较高的响应速度和较短的调节时间，需采取合理的折中方案来达到预想的效果，一般取ζ＝0.4～0.8。
由ANF的伯德图(频率特性曲线)图2、图3可以看出，当输入信号的频率等于ANF的振荡频率时，D(s)和Q(s)的幅值增益都为1，相位分别为0和90℃，说明其输出信号是一对正交信号，当ζ＝0.7时既能保证系统的稳定性又能兼顾系统的响应速度，故取ζ＝0.7，调节时间大约为半个周期。
由图3可知，在s＝0Hz的时候，Q(s)的幅值为无穷小，相位为0，因此可得出结论：Q(s)对输入信号中的直流分量具有抑制作用。观察Q(s)可以发现，其在s＝0Hz时存在一个零点，故可以消除直流分量，而D(s)不含有此特征。
如步骤(2)，根据改进型XANF结构框图4，得到了XANF的传递函数：
由XANF的传递函数式，Q(s)和Qi(s)具有相同的传递函数，只是对D(s)进行了改变，所以Q(s)和Qi(s)具有一样的伯德图，而Di(s)伯德图如图5所示，ζ＝0.7，f＝50Hz。图5具有和图3类似的特征，改进后的Di(s)的幅值在s＝0的时候也瞬间跌落到无穷小，所以提出的XANF也能够滤除直流分量。
进一步的，从理论方面对XANF能够滤除直流信号进行分析：
当XANF的输入信号u＝Acos(ωt)+ud cos(ω0t)，ud为直流分量的幅值，ω0＝2nπ(n＝0，1，2，3，…)，对u进行拉普拉斯变化得：
将u拉普拉斯式带入XANF的表达式可得：
其中，
SM＝s2+ω2
当s＝jω且ω＝0，
由上述分析可知，XANF对于输入的直流分量具有滤除作用。
令ωANF＝ω，将s＝jω带入式XANF传递函数：
XANF的输出量x1等于输入信号u，且x1和x的幅值相等，相位相差了90°，XANF的输出是一对正交信号。
如步骤(3)静止坐标系下的正序分量vαβ+的表达式为：
式中，q＝e-jπ/2，是一个90°滞后的移相运算。
在αβ静止坐标系下，通过对Vα，Vβ进行90°移相和简单的数学运算后，即可完成不对称电压的正负序分量的分离。故可将XANF作为正交信号发生器，来完成静止坐标系下提取正序分量vαβ+所需要的移相运算。
因此，改进型自适应陷波器锁相环XANF-PLL，其结构框图如图6所示。
综上可知，本发明的自适应陷波器(XANF)，能消除直流分量，从而应用于PLL时的相位及频率可克服基波频率振荡误差。并且，本发明的改进型自适应陷波器锁相环(XANF-PLL)，实现简单，可以适用各种单/三相不平衡，且包含直流分量的复杂工况，能快速且准确得到电网电压的同步信息。
以上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 (4)
1.一种改进型自适应陷波器，其特征在于，改进型自适应陷波器的传递函数为：
其中，ωANF为谐振角频率，u为输入信号，ξ为正实数参数，e表示输入信号与输出信号x1的偏差，x和x1为输出信号，Di(s)、Qi(s)分别为输出量x和x1的频域传递函数，s＝jω，s为复频率，j为虚单位，ω为电网实际运行角频率。
2.一种可消除直流分量的改进型自适应陷波器锁相环，其特征在于，改进型自适应陷波器锁相环，用于输入不平衡电网电压Vabc，进行Clark变换成Vαβ，Vαβ经过XANF后实现正负序分量分离，得到无直流分量的Vαf和Vβf信号；进行park变换，将Vαf、Vβf转换成两相同步旋转dq坐标系下的直流Vd和Vq；通过闭环控制使Vq趋于零，实现锁相；
其中，XANF为权利要求1的改进型自适应陷波器。
3.根据权利要求2的可消除直流分量的改进型自适应陷波器锁相环，其特征在于，不平衡电网三相电压：
式中：
其中，VabcD表示直流分量，V+、
V-、
分别为基波正、负序电压的幅值和初相角，ω为电网实际运行角频率。
4.根据权利要求3的可消除直流分量的改进型自适应陷波器锁相环，其特征在于，直流Vd和Vq为：
其中，Tdq为变换矩阵，t为时间，ω0为旋转角频率预设值。
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