CN112702058A - 一种基于线性自抗扰技术的锁相环控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于二阶线性自抗扰技术的锁相环控制方法，包括：将二阶线性自抗扰控制作为锁相环的控制器，并重新设计二阶线性自抗扰控制的系统增益，以得到在新的系统增益下，具有在电压不平衡波动时能输出稳定频率能力的自抗扰锁相环算法；重新设计二阶线性自抗扰控制的系统增益b0，得到新的系统增益b0'，是指根据计算得到的网侧电压不平衡波动程度，相应改变自抗扰锁相环的系统增益b0的值，以抑制此时自抗扰锁相环输出中的波动分量。
Description
技术领域
本发明涉及电网电压行为信号检测和电网负载谐波电流提取相关技术领域，特别是指一种适用于电网电压不平衡状态的锁相环。
背景技术
传统的基于同步旋转坐标系锁相环(Synchronous Reference Frame PLL，SRF-PLL)在三相电压平衡时能够很好得获得相位信息，但当电网电压发生跌落时，其输出的幅值、频率和相位信息存在波动和误差。原因是传统锁相环中PI控制在变量多，耦合强，或者存在强非线性、剧烈未知扰动、系统参数存在跳变的场合，难以取得理想控制效果。因此寻找一种新的更高性能的替代结构便显得更为必要和迫切。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种可以兼顾动态性能和能在电网电压跌落时的稳定输出的二阶线性自抗扰锁相环(LADRC-PLL)控制算法。本发明的技术方案如下：
一种基于二阶线性自抗扰技术的锁相环控制方法：将二阶线性自抗扰控制作为锁相环的控制器，并重新设计二阶线性自抗扰控制的系统增益b0，以得到在新的系统增益b′0下，具有在电压不平衡波动时能输出稳定频率能力的自抗扰锁相环算法，包括：
(1)所述的将二阶线性自抗扰控制作为锁相环的控制器，是指在选定二阶线性自抗扰控制器的观测器带宽ωo和控制器带宽ωc后，根据公式
确定余下的各参数，其中，β1，β2，β3分别是对锁相环的输出x1的估计值z1、输出的微分x2的估计值z2和总扰动x3的估计值z3的系数，其中z1、z2、z3由下式得到：
式中，u是二阶线性自抗扰控制器的中间变量；b0为系统增益，通过b0＝Ks/T2得到，其中Ks是被控对象的系统增益，T2是被控对象传递函数的时域增益；h是对扰动的微分。
设计自抗扰锁相环的控制律为：
其中v是所设计自抗扰锁相环的参考输入，即q轴分量uq的参考值，取为0；kp和kd是控制器系数，其计算式如下式所示，其中ωc控制器带宽，ζ为系统的阻尼系数：
(2)重新设计二阶线性自抗扰控制的系统增益b0，得到新的系统增益b0’，是指根据计算得到的网侧电压不平衡波动程度，相应改变自抗扰锁相环的系统增益b0的值，以抑制此时自抗扰锁相环输出中的波动分量，其中，
网侧电压不平衡波动程度的计算是将网侧电压经过abc-dq变换后，再将d轴分量作为二阶广义积分器SOGI的输入进行相移变换，然后将SOGI经过相移后的输出与q轴分量相加得到电压不平衡波动时的正序分量幅值ud +，再根据下式得到不同波动程度时的新的系统增益b0’的取值：
b’0＝b0+md
式中，un是额定电压幅值d是电压不平衡波动程度，m是波动系数，取为50,由此完成对自抗扰锁相环的设计。
附图说明
图1逆变器控制单元结构
图2SRF-PLL控制结构
图3二阶LADRC控制结构图
图4SOGI原理图
图5本文的正序电压算法
图6LADRC-PLL算法
图7两种锁相环算法的动态性能比较
图8相位突变30°时两种算法比较
图9A相电压跌落30％时两种锁相环算法对比
图10A相电压跌落30％两种锁相环算法条件下的电流畸变率对比
表1LADRC-PLL和SRF-PLL的动态参数对比
具体实施方式
下面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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
逆变器单元的结构单元如图1所示，由直流电源、逆变桥、LC滤波器、电压、电流采样、两相静止/两相旋转坐标变换(αβ/dq)、锁相环、恒功率控制策略(PQ控制)和PWM调制环节构成。其中，锁相环是本发明LADRC-PLL所代表的部分，在传统发电单元中图1中框内的是三相同步锁相环(SRF-PLL)，其原理图如图2所示，即先对网侧的电压进行Park变换得到相应的d、q轴分量ud、q后，uq在经过PI控制后可得到角速度ω，对ω再次积分得到电网的相位θ，从而完成对电网相位的获取。
以此为基础，一种基于二阶线性自抗扰控制的锁相环算法(LADRC-PLL)为本发明所公开技术，直流电源、逆变桥、LC滤波器、电压、电流采样、两相静止/两相旋转坐标变换(αβ/dq)、恒功率控制策略(PQ控制)和PWM调制环节均为现有技术。
LADRC-PLL的设计包括以下几个步骤：
针对SRF-PLL的不足，建立二阶LADRC的状态空间模型，得到基于线性自抗扰技术的LADRC-PLL结构，过程如下：
1)SRF-PLL的控制算法如图3所示，据此可以得到SRF-PLL的传递函数H(s)，有：
式中，Um是正序电压幅值，Kp是SRF-PLL中的比例环节，Ki是积分环节，由上式可知SRF-PLL是一个典型的二阶系统，其参数设计实际上就是对PI环节的参数整定，存在上升时间、超调量和调节时间之间的矛盾，且对负序分量的衰减能力弱，容易受到不平衡电压的影响。为此，考虑设计LADRC-PLL以提高锁相环的性能。
2)二阶LADRC的状态空间列写如下：
式中：状态变量x1是系统的输出，x2是系统输出的微分，x3是总扰动，b0是逆变增益，u是控制量，h是扰动的微分。
3)构造z1，z2，z3分别对状态变量x1，x2，x3进行跟踪估计，表示为：
4)构建线性状态误差反馈律LSEF，将其设计为：
二阶LADRC的控制算法如图3所示，图中，kp和kd分别是控制器增益，v是参考输入，在本发明中取0，u0是系统变量，b0是系统增益。将三相电压经Park变换得到的q轴分量Uq同估计变量z1作差，得到输出的估计误差送入二阶LADRC，二阶LADRC计算的得到的z1作为对Uq的估计值，同Uq给定值0作差作为输入送入误差反馈律LSEF，相应地，z2，z3分别作为z1的微分的估计、系统总扰动的估计被送入到LSEF中进行计算，最后的计算结果除以系统增益b0后得到二阶LADRC的输出y，作为锁相环的频率输出ω，经过积分环节1/s生成锁相环的相位输出结果θ，θ再经过正余弦变换后经过Park变换得到q轴分量Uq。
5)为提高LADRC-PLL所设计锁相环在网侧电压不平衡时的抗扰能力，重新设计系统增益b0，得到新的系统增益b0’。
首先对电压跌落时的波动分量进行分析：
假设A相幅值跌落50％，此时有
将上式左乘旋转矩阵后，得到发生单相故障时电网三相电压在dq坐标系中的表达式：
上式中θ，ωt分别代表锁相环锁输出的相位和电网的实际相位，两者间的差值很小时，可认为近似相等，即有：
ωt＝θ (7)
此时，式(6)变为：
可知，从旋转坐标系看，单相故障会在原有的稳态ud，uq上分别添加一个幅值为1/4V的余弦和正弦的二倍频分量。因为两者的幅值相等，可以对q轴分量通过二阶广义积分器(SOGI)进行移项后再同d轴分量相加来消除d轴电压的二倍频扰动后，得到正序电压的幅值。SOGI的原理如图4所示，图中k为增益系数，ω0为谐振频率，u0和qu0的传递函数分别为：
由式(10)和(11)可得
因为在谐振频率处，Q(s)与D(s)的幅值增益相同，但相位相差90°，可知qu0实现了对原有输入的相移，其中q为相移因子。
将三相电压经过park变换后的q轴分量值经过SOGI后，得到相移量qu0，将得到的qu0与三相电压的d轴分量相加从而得到正序幅值ud +，具体算法如图5所示。本文中要对二倍频的扰动进行移相，故ω取200π，相较于ω取100π的传统正负序分离结构，积分系数大小是之前的两倍，据此可知本发明所提出的方法能对电网电压跌落进行快速计算和判断。
随着系统增益b0的增加，锁相环的整体幅值增益下降，同时对高频分量的抑制能力也相应增强。因此可以在电压跌落时通过调整b0的大小来抑制锁相环输出中的波动；为避免因系统参数突变给锁相环带入干扰，本文提出一种根据不同电压跌落深度，LADRC的比例系数进行自适应调节的参数配置方法。即在较大误差时取大比例系数，较小误差时取小比例系数。根据给定的额定幅值un和提出的ud +分量计算方法，同时参考电压跌落深度定义，通过式(11)计算负序分量所占比重大小d，然后乘以给定值m。相应的参数设置如下：
b’0＝b0+md (12)
将二阶LADRC中原本的系统增益b0用上式(12)中的新b’0代替，完成对本发明的LADRC-PLL算法的设计，如图6所示。
图7为SRF-PLL和LADRC-PLL的动态性能比较，其中在0.2时使电网频率增加0.2Hz，可以看到LADRC-PLL的动态性能更好，表1是两者的动态参数比较。
图8在0.2s时使电网相位突变30°，可以看到LADRC-PLL和SRF-PLL都发生了一定的波动，但前者的波动幅度更小，且恢复速度更快。
图9是在网侧A相电压幅值跌落30％时，SRF-PLL和LADRC-PLL的频率和相位输出情况，图10则是此时逆变器分别使用SRF-PLL、LADRC-PLL的锁相环时相应的电流输出波形比较，可以看到LADRC-PLL的具有最优性能。
表1 LADRC-PLL和SRF-PLL动态参数比较
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种基于二阶线性自抗扰技术的锁相环控制方法，其特征在于，将二阶线性自抗扰控制作为锁相环的控制器，并重新设计二阶线性自抗扰控制的系统增益b0，以得到在新的系统增益b′0下，具有在电压不平衡波动时能输出稳定频率能力的自抗扰锁相环算法。包括：
(1)所述的将二阶线性自抗扰控制作为锁相环的控制器，是指在选定二阶线性自抗扰控制器的观测器带宽ωo和控制器带宽ωc后，根据公式
确定余下的各参数，其中，β1，β2，β3分别是对锁相环的输出x1的估计值z1、输出的微分x2的估计值z2和总扰动x3的估计值z3的系数，其中z1、z2、z3由下式得到：
式中，u是二阶线性自抗扰控制器的中间变量；b0为系统增益，通过b0＝Ks/T2得到，其中Ks是被控对象的系统增益，T2是被控对象传递函数的时域增益；h是对扰动的微分。
设计自抗扰锁相环的控制律为：
其中v是所设计自抗扰锁相环的参考输入，即q轴分量uq的参考值，取为0；kp和kd是控制器系数，其计算式如下式所示，其中ωc控制器带宽，ζ为系统的阻尼系数：
(2)重新设计二阶线性自抗扰控制的系统增益b0，得到新的系统增益b0'，是指根据计算得到的网侧电压不平衡波动程度，相应改变自抗扰锁相环的系统增益b0的值，以抑制此时自抗扰锁相环输出中的波动分量，其中，
网侧电压不平衡波动程度的计算是将网侧电压经过abc-dq变换后，再将d轴分量作为二阶广义积分器SOGI的输入进行相移变换，然后将SOGI经过相移后的输出与q轴分量相加得到电压不平衡波动时的正序分量幅值ud +，再根据下式得到不同波动程度时的新的系统增益b0'的取值：
b'0＝b0+md
式中，un是额定电压幅值d是电压不平衡波动程度，m是波动系数。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，m＝50。
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