CN113014250A - 一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法，属于电网电压相位信号检测提取相关技术领域。本发明针对电网电压中直流偏移电压的存在会导致锁相环相位估计中存在基频振荡误差，从而无法快速准确地实现相位锁定的问题，提出了一种级联型二阶自适应陷波器，并对将其改进成为可消除直流偏移电压的双改进级联型二阶自适应陷波器。锁相环通过引入该双改进级联型二阶自适应陷波器，利用其可同时滤除电网电压直流偏移电压和基波负序电压的特点，从而使本发明具有滤除直流偏移性能好、锁相精度高、动态响应快等优点。本发明主要用于电网电压发生不平衡和直流偏移电压混入时电压相位检测。
Description
技术领域
本发明属于电网电压相位信号检测提取相关技术领域，特别涉及一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法。
背景技术
随着包括光伏、风电等可再生能源新型发电技术的发展，分布式发电日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率、提高供电可靠性的一种有效途径，并在配电网中得到广泛的应用。将分布式发电产生的可再生能源通过并网电力转换器连接到公用电网，特别是在中高电压条件下，需要基于锁相环的电网同步技术以实现对并网转换器的操作和控制，进而保证输出电压与电网电压同步以确保系统连续稳定的运行。
消除电网电压中的直流偏移电压是锁相环技术亟需解决的主要问题。电网电压直流偏移产生的原因有许多种，包括电网故障，数字信号处理器中的A/D转换、地磁现象、半波整流、电流互感器饱和、分布式发电系统的直流注入以及由于半导体器件的不均匀特性等导致的正弦波不对称等。在锁相环输入中存在直流偏移会导致锁相环估计的相位、频率和幅值中含有基波频率振荡误差，由于振荡误差频率低，因而消除这些振荡的难度较大。
为了解决直流偏移对锁相环的影响，多种消除直流偏移分量的技术手段被先后提出。有国外学者通过使用线性小信号状态空间模型定量分析了直流偏移对锁相环的影响，规定了锁相环带宽与直流偏移变化的固有关系。但随着输入中直流偏移的增加，所提算法的带宽必须相应地减小，从而影响锁相环的动态响应时间。有的学者提出在输入端采用高通滤波器，电网电压首先通过低通滤波器来估计其直流偏移量，然后从电网电压中减去低通滤波器输出信号以消除直流分量。但由于受到低通滤波器阶次和截止频率的影响，该方法会降低锁相环的谐波滤波能力并在其输出端引起相位误差。还有的学者提出采用dq坐标系延迟信号消除运算器(dqDSC)和陷波滤波器(NF)的方法在dq坐标系下消除锁相环输入中的直流偏移，这些方法具有动态响应慢、谐波敏感等缺点。
发明内容
本发明目的是为了解决上述技术的不足，提供一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法。
为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案是：
本发明提出了一种可消除直流偏移电压的锁相环，该可消除直流偏移电压的锁相环由三相电网电压的克拉克变换单元、双改进级联型二阶自适应陷波器、帕克变换单元、比例积分控制器、积分环节1/s组成。
三相电网电压vabc接入克拉克变换单元的输入端，克拉克变换单元的输出端与双改进级联型二阶自适应陷波器的输入端相连，双改进级联型二阶自适应陷波器的输出端与帕克变换单元的输入端相连，帕克变换单元的输出端连接在比例积分控制的输入端，比例积分控制器的输出信号与固有频率ωn相加后输入积分环节1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果
同时积分环节1/s的输出端与帕克变换的输入端相连。
所述双改进级联型二阶自适应陷波器，由两个改进级联型二阶自适应陷波器通过并行交错结构构成，其传递函数公式为
式中，
为谐振频率，s表示s域，ξ值通常取0.7。
所述改进级联型二阶自适应陷波器，其结构是在级联型二阶自适应陷波器原有结构上进行了改进，改进后的结构具有可消除直流偏移电压的能力，其传递函数公式为：
式中，u为改进级联型二阶自适应陷波器的输入，vma和vmb分别为改进级联型二阶自适应陷波器的两个输出；
所述的级联型二阶自适应陷波器，由两个二阶自适应陷波器级联构成，其传递函数为
式中，u为级联型二阶自适应陷波器的输入，vca和vcb分别为双改进级联型二阶自适应陷波器的两个输出；
一种可消除直流偏移电压的锁相环的锁相控制方法，包括以下步骤:
步骤1：将含有直流偏移电压的三相电网电压信号vabc输入到克拉克变换单元得到电网电压的αβ轴电压分量vα和vβ；
步骤2：将vα和vβ分别输入到两个改进级联型二阶自适应陷波器中，分别生成不含直流偏移电压的正交信号vα’和qvα’，vβ’和qvβ’；
步骤3：将步骤2生成的不含直流偏移电压的两组正交信号vα’和qvα’，vβ’和qvβ’添加到并行交错的基波正序电压计算单元中，提取基波正序电压的αβ轴电压分量
和
步骤4：将步骤3获得的
和
输入到帕克变换单元，得到基波正序电压在dq坐标系下的分量
和
步骤5：将步骤4获得的
通过PI控制器，PI控制器的输出加上固有频率后得到锁相环测得的电网电压角频率
固有角频率ωn通常为工频50Hz；
步骤6：将步骤5得到的
输入积分环节1/s，得到锁相环测得的电网电压相位
步骤7：将步骤6得到的电网电压相位
反馈回帕克变换单元完成闭环控制。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法，提高了锁相环对电网电压中的直流偏移电压的滤除能力，同时提高了针对锁相环输入端含有直流偏移电压分量时的锁相精度。对比其他锁相环直流偏移消除方法，该发明具有更好的动态特性，抗干扰能力更强。
附图说明
图1为本发明所提供的二阶自适应陷波器结构图。
图2为本发明所提供的级联型二阶自适应陷波器结构图。
图3为本发明所提供的级联型二阶自适应陷波器的传递函数波特图。
图4为本发明所提供的改进级联型二阶自适应陷波器的传递函数波特图。
图5为本发明所提供的改进级联型二阶自适应陷波器的传递函数波特图。
图6为本发明所提供的基于双改进级联型二阶自适应陷波器的锁相环结构图。
图7为本发明所提供的双改进级联型二阶自适应陷波器传递函数波特图。
图8为基于双改进级联型二阶自适应陷波器的可消除直流偏移电压锁相环的锁相控制方法流程图。
图9为本发明所提供的电网电压发生40°相位跳变时的相位估计图。
图10为本发明所提供的电网电压发生+5Hz频率跳变时的相位估计图。
图11为本发明所提供的电网电压发生直流偏移电压混入时的相位估计图。
图12为本发明所提供的电网电压发生渐变时的相位估计图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
针对电网电压含有直流偏移的情况下传统锁相环滤波环节滤除直流偏移能力不足且对动态响应慢的问题，一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法。
本发明的实现原理：
一种可消除直流偏移电压的锁相环，该可消除直流偏移电压的锁相环由三相电网电压的克拉克变换单元、双改进级联型二阶自适应陷波器、帕克变换单元、比例积分控制器、积分环节1/s组成。
三相电网电压vabc接入克拉克变换单元的输入端，克拉克变换单元的输出端与双改进级联型二阶自适应陷波器的输入端相连，双改进级联型二阶自适应陷波器的输出端与帕克变换单元的输入端相连，帕克单元的输出端连接在比例积分控制的输入端，比例积分控制器的输出信号与固有频率ωn相加后输入积分环节1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果
同时积分环节1/s的输出端与帕克变换的输入端相连。
在理想电网条件下的三相并网应用中，同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)具有出色的相位跟踪能力和动态性能，并且由于简单的实现结构使其成为最常用的同步技术。然而，当电网电压出现不平衡且混入直流偏移时，稳态振荡将出现在电网电压相位和频率估计中，需要对其环路滤波环节进行改进，通过在αβ坐标系下引入双改进级联型二阶自适应陷波器，采取相应的直流偏移锁相控制方法，达到电网电压不平衡和混入直流偏移电压时正确检测电网电压相位的目的，具体实现步骤如下：
I改进级联型二阶自适应陷波器实现
(1)二阶自适应陷波器设计
为了减少由于基波负序分量引起的2倍工频波动量对锁相环的影响，进而有效实现基波电压正负序分离的同步信号检测，本发明提出的级联型二阶自适应陷波器(CSOANF)和改进级联型二阶自适应陷波器(MCSOANF)均基于二阶自适应陷波器(SOANF)结构改进而得，SOANF由二阶陷波器部分和频率自适应单元组成，其结构如图1所示。
图1中输入信号为u，输出信号va和vb，c为主回路差值信号的值。其具有频率自适应功能，当电网电压频率变化时，这种自适应陷波器可通过频率自适应单元调节实现电网频率跟踪，进而输出自适应的频率估计信号
SOANF可用下述微分方程进行描述：
式中：
为电网电压频率的估计值；
为其1阶导数；参数η和ξ分别决定电压频率估计的精度和响应速度；x表示中间变量；
分别表示x的1阶、2阶导数。
若自适应陷波器输入为正弦输入信号为
与输入信号的角频率ω相同时，则自适应陷波器数学方程有唯一解为：
根据图1，可以得到输出信号va、vb分别为：
此外，从图1中还可以推算出其s域输入输出关系如下：
SOANF单元的传递函数可以从公式(4)中获得表达式如下：
由公式(5)、(6)可进一步推算出va及vb的时间响应的稳态分量为：
由公式(6)有
式(8)表明，减小参数ξ滤波器相位延迟将增大，同时带宽变窄，增强了滤波器的频率分辨率。
(2)级联型二阶自适应陷波器设计
本发明提出的级联型二阶自适应陷波器(CSOANF)是将两个二阶自适应陷波器(SOANF)的二阶陷波器部分级联，并保留频率自适应单元，其结构如图2所示。
图2中还可以推算出其s域输入输出关系如下：
SOANF单元的传递函数可以从公式(9)中获得表达式如下：
根据公式(10)和(11)，ξ取0.7时时，Gca(s)和Gcb(s)的波特图示如图3所示。由图3可知由于Gca(s)是一个带通滤波器，具有带通滤波特性，可以消除输入信号的直流偏移。此外，观察公式(10)也可以看出，Gca(s)存在一个零点在s＝0上,即在0Hz处具有零点，同样说明Gca(s)具有消除直流偏移的功能，即vca的输出是不包含直流偏移的。从图3还可以看出，由于Gca(s)为低通滤波器，当输入u含有直流偏移分量时，则输出vcb会被直流偏移影响而产生振荡误差，从而影响锁相精度。
(3)改进级联型二阶自适应陷波器实现
为了完全滤除直流偏移，本发明提出的改进级联型二阶自适应陷波器采用与级联型二阶自适应陷波器相同的结构，而输出信号vmb取自不同点并加入增益单元-1输出，其结构图如图4所示。
改进后的MCSOANF的传递函数为：
根据公式(12)和(13)，ξ取0.7时时，Gma(s)和Gmb(s)的波特图示如图5所示。由图5可知Gmb(s)的波特图较Gcb(s)有了变化，改进后的Gmb(s)变为带通滤波器，具有直流偏移消除功能。此外，从公式(13)也可以看出，Gmb(s)的传递函数存在两个零点在s＝0上，即在0Hz处具有两个零点，因此可完全滤除交轴信号vmb中的直流分量。
另外，由于Gma(s)与Gca(s)的传递函数相同，因此Gma(s)也同样具有直流偏移消除功能。由此可见，改进后的MCSOANF可以完全滤除输入信号中的直流偏移。
II双改进级联型二阶自适应陷波器实现
为了准确提取电网电压的基波正序分量，本发明采用2个MCSOANF并通过并行交错结构构造出双改进级联型二阶自适应陷波器(DMCSOANF)。
根据图6可以得到：
其中vα，vβ为三相电压vabc经过Clark变换以后得到静止坐标系下的电压信号。DMCSOANF滤波后得到的vα’，qvα’，vβ’和qvβ’，经过交错的正序分量计算后输出只包含电压正序分量的信号
和
采用复变滤波器理论，可以得出αβ坐标系下的DMCSOANF的传递函数：
观察公式(15)可以发现，DMCSOANF(s)内存在一个零点在
上，同时存在另一个零点在s＝0上，这说明在αβ坐标系下电网电压的基波负序分量和直流偏移可以完全被同时滤除。
DMCSOANF的波特图如图7所示。电网频率的估计值为50Hz。根据图7可以发现，DMCSOANF可以同时将αβ坐标系下-50Hz和0Hz的电压扰动分量完全消除，50Hz对应的电压基波电压正序分量的放大倍数为1，相位滞后了90°。这意味着电网电压的基波负序分量和直流偏移都可以完全被DMCSOANF滤除，而电网电压的基波正序分量的幅值不受任何影响，造成的90°相位滞后可以通过在输出端直接进行90°补偿来修正相位估计值。说明其可提取基波正序电压。
至此，完成基于双改进级联型二阶自适应陷波器的可消除直流偏移电压锁相环的结构设计。
图8为基于双改进级联型二阶自适应陷波器的可消除直流偏移电压锁相环的锁相控制方法流程图，所述方法为：
该可消除直流偏移电压锁相环通过Clarke变换和Park变换将abc自然坐标系下的三相输入信号(vabc)转换到αβ坐标下的α轴和β轴输出，分别对应为vα和vβ。vα和vβ输入到DMCSOANF中，进一步生成正交信号vα’，qvα’，vβ’和qvβ’。这些信号作为输入的信号被添加到基波正序列计算器(FPSC)中以提取基波正序分量
和
最后，通过使用Park变换将
和
转换到dq坐标系下得到
和
其中包含相位误差信息的
信号通过PI控制器输出频率估计误差
加上固有频率ωn后得的电网电压角频率
随后，频率估计
输入到积分环节1/s以完成相位估计。最后将得到的电网电压相位
反馈回帕克变换单元完成闭环控制。
为了验证本发明所提出的锁相环的性能，采用MATLAB/Simulink软件分别进行了相位跳变、频率跳变、频率渐变、直流偏移电压混入等四种电压故障下的相位估计仿真对比实验。实验对比对象为传统的具有直流偏移消除功能的基于陷波器的锁相环(NF-PLL)和基于dq坐标下延时系数为2的信号延迟消除滤波器锁相环(dqDSC-PLL)，本发明的PI控制参数kp和ki分别取适当的值。仿真中电网频率为50Hz，三相电压幅度归一化为1p.u，采样频率为10kHz。在四种情况下电网电压都混入直流偏移量，A相混入直流偏移量0.2p.u.，B相混入直流偏移量0.1p.u.，C相混入直流偏移量-0.2p.u.。
图9是电网电压发生相位40°相位跳变时的相位估计图，相位跳变的时间发生在0.06s，从图9中可以看出，三种方法均能消除直流偏移对相位估计造成的震荡。本发明所提出的锁相环在发生跳变1.5个电网周期后恢复了对电网相位的准确估计，相位估计误差减小到零。而NF-PLL和dqDSC-PLL两种方法的相位估计过程需要将近4个电网周期。说明本发明提出的方法具有更快的动态响应速度。
图10是电网电压发生+5Hz频率跳变时的相位估计图，相位跳变的时间发生在0.06s，从图10中可以看出，当电网发生频率跳变时，本发明所提出的锁相环能够在大约2个电网周期的时间内恢复对电网的相位跟踪，而NF-PLL和dqDSC-PLL的动态响应时间都较长，并且存在超调的情况。
图11是电网电压发生直流偏移电压混入时的相位估计图，混入直流偏移电压的时间发生在0.06s，从图11中可以看出，当直流偏移突然注入到三相电压后，三种锁相环的相位估计误差和频率估计值都出现了波动。以频率发生偏移小于0.2Hz为标准，本发明提出的锁相环在最短的时间内恢复了相位的准确跟踪，而另外两种PLL的恢复速度较慢。
图12为电网电压发生频率渐变时的相位估计图，其电网频率从50Hz渐变至55Hz，渐变速率为100Hz/s，增加的过程持续50ms。从图12中可以看出，随着电网频率的渐变增大，本发明所提出的锁相环的相位跟踪误差为1.9°，相比其他两种PLL误差最小，能够准确的进行相位估计。NF-PLL和dqDSC2-PLL分别存在着8.9°和12.1°的相位估计误差。因此，当电网频率发生持续的变化时，本发明所提出的PLL的锁相精度更高。
通过图9-图12的对比，可以看出本发明提出的可消除直流偏移电压的锁相环在动态响应速度和锁相精度等方面都表现出良好的特性，可在电网电压发生不平衡和混入直流偏移电压的情况下，快速准确地实现锁相功能，完全适用于各类复杂电网工况下的并网同步应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种可消除直流偏移电压的锁相环，其特征在于：该可消除直流偏移电压的锁相环由三相电网电压的克拉克变换单元、双改进级联型二阶自适应陷波器、帕克变换单元、比例积分控制器、积分环节1/s组成。
三相电网电压vabc接入克拉克变换单元的输入端，克拉克变换单元的输出端与双改进级联型二阶自适应陷波器的输入端相连，双改进级联型二阶自适应陷波器的输出端与帕克变换单元的输入端相连，帕克变换单元的输出端连接在比例积分控制的输入端，比例积分控制器的输出信号与固有频率ωn相加后输入积分环节1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果
同时积分环节1/s的输出端与帕克变换单元的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的可消除直流偏移电压的锁相环，其特征在于:
所述双改进级联型二阶自适应陷波器，由两个改进级联型二阶自适应陷波器通过并行交错结构构成，其传递函数公式为
式中，
为谐振频率，s表示s域，ξ值通常取0.7。
双改进级联型二阶自适应陷波器可实现在αβ坐标系下同时消除电网电压基波负序电压和直流偏移电压的功能，并可完整提取基波正序电压。
3.根据权利要求2所述的可消除直流偏移电压的锁相环，其特征在于:
所述改进级联型二阶自适应陷波器，其结构是在级联型二阶自适应陷波器原有结构上进行了改进，改进后的结构具有可消除直流偏移电压的能力，其传递函数公式为
式中，u为改进级联型二阶自适应陷波器的输入，vma和vmb分别为改进级联型二阶自适应陷波器的两个输出。
4.根据权利要求3所述的可消除直流偏移电压的锁相环，其特征在于:
所述的级联型二阶自适应陷波器，由两个二阶自适应陷波器级联构成，其传递函数为
式中，u为级联型二阶自适应陷波器的输入，vca和vcb分别为双改进级联型二阶自适应陷波器的两个输出。
5.一种权利要求1所述的可消除直流偏移电压的锁相环的锁相控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1：将含有直流偏移电压的三相电网电压信号vabc输入到克拉克变换单元得到电网电压的αβ轴电压分量vα和vβ；
步骤2：将vα和vβ分别输入到两个改进级联型二阶自适应陷波器中，分别生成不含直流偏移电压的正交信号vα’和qvα’，vβ’和qvβ’；
步骤3：将步骤2生成的不含直流偏移电压的两组正交信号vα’和qvα’，vβ’和qvβ’添加到并行交错的基波正序电压计算单元中，提取基波正序电压的αβ轴电压分量
和
步骤4：将步骤3获得的
和
输入到帕克变换单元，得到基波正序电压在dq坐标系下的分量
和
步骤5：将步骤4获得的
通过PI控制器，PI控制器的输出加上固有频率后得到锁相环测得的电网电压角频率
固有角频率ωn通常为工频50Hz；
步骤6：将步骤5得到的
输入积分环节1/s，得到锁相环测得的电网电压相位
步骤7：将步骤6得到的电网电压相位
反馈回帕克变换单元完成闭环控制。
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| CN202110253163.0A CN113014250B (zh) | 2021-03-04 | 2021-03-04 | 一种可消除直流偏移电压的锁相环及其锁相控制方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114089037A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-25 | 深圳市振邦智能科技股份有限公司 | 一种基于光耦的电网电压相位检测方法 |
| CN114666200A (zh) * | 2022-02-14 | 2022-06-24 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 一种智能变电站网络的环路检测方法、装置及存储介质 |
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