CN113049880A - 一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合滤波单元的锁相环，属于电网电压相位信号检测提取相关技术领域。本发明针对传统的三相并网锁相环在电网电压发生畸变和混入直流偏移电压的情况下，无法快速准确地实现相位锁定的问题，对传统的的基于同步旋转坐标系的三相并网锁相环进行改进，引入混合滤波单元，利用其可同时滤除电网电压直流偏移电压和各次谐波电压的特点，从而使本发明具有滤波性能好、抗干扰能力强、动态响应快等优点。本发明主要用于电网电压发生畸变和直流偏移电压混入时电压相位检测。
Description
技术领域
本发明涉及电网电压相位检测和谐波抑制技术领域，特别涉及一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环。
背景技术
随着新能源技术的发展，越来越多的风力发电和太阳能发电等新能源发电设备并入电网运行，向电网提供电能，获取电网电压的频率、相位和幅值等电网同步信号是完成并网运行的前提与基础。
理想电网锁相环技术能够实时对电网同步信号进行有效的检测，得到了广泛的应用。然而，由于不可控整流、无功补偿等大量电力电子负载接入电网，导致电网出现电压不平衡或谐波畸变，同时，并网发电机被要求具有一定的故障穿越能力，在电网不平衡与谐波条件下保持与电网的同步连接。这都对电网电压同步信号的获取提出了更高的要求，因此电网不平衡与谐波条件下的锁相环技术具有一定的理论价值与实际意义。
为了提高锁相环的滤波性能和动态响应速度，很多先进的基于同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)的滤波方法被先后提出，这些方法大都是通过改进SRF-PLL的滤波环节达到提升性能的目的。有国外学者提出的DSC滤波方法通常采用级联多个不同时间延迟DSC算子的方式完成特定的滤波效果，但由于级联模块数量的问题，所以系统计算量和实现复杂度较大。还有的学者采用了非自适应DSC模块级联的形式以及额外加入相位、幅度补偿器的形式提出增强型级联DSC(EGDSC-PLL)。这种方法的计算量虽然有所减少，但是当电网发生畸变且频率发生较大变化时，该方法的滤波能力变差，会出现较大的估计误差。有的学者提出一种双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-PLL)，该方法将αβ坐标系下的DSOGI结构引入锁相环来获取基波正序电压，但DSOGI在频域中等效为低通滤波滤波，无法具有很好的谐波抑制能力。
此外，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，因此消除电网电压中的直流偏移也是锁相环亟需解决的主要问题。有的文献提出采用混合SOGI和TOGI的新结构用以消除电网中的直流偏移和基波负序分量，但当电网发生畸变时，这种方法的抗干扰能力较弱。有的文献提出文dq坐标系延迟信号消除运算器(dqDSC)和陷波滤波器(NF)等方法用于消除PLL输入中的直流偏移，但是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，提供一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环。
为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案是：
本发明提出了一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环，该基于混合滤波单元的并网同步锁相环由三相电网电压的坐标变换单元、混合滤波单元、反正切运算单元、比例积分控制器、重复控制器、积分环节1/s组成。
三相电网电压vabc接入所述帕克变换的输入端，坐标变换单元的输出端与混合滤波单元的输入端相连，混合滤波单元的输出端的与反正切运算单元的输入端相连，反正切运算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的输出端与坐标变换单元的输入端相连。
所述混合滤波单元，由具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)和dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC4,24)组成；dcTOGI和dqCDSC4,24采用串联方式连接，其中dcDTOGI负责滤除电网电压中的直流偏移，dqCDSC4,24完成电压正负序分离并滤除电网电压中的高频谐波，从而实现畸变及不平衡电网下基波电压信息的准确获取。
所述的具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)，是由传统αβ坐标系下双三阶广义积分器(αβDMTOGI)的传递函数经过αβ-dq坐标系变换并对其传递函数中的陷波频率
取
后得到，其中
为电网频率的估计值50Hz，dcDTOGI的s域传递函数为
式中k1和k2值分别为2.33和3.18，dcDTOGI具有可滤除电网电压在dq坐标系下-50Hz频率上对应的直流偏移电压的功能。
所述混合滤波单元的s域传递函数为
所述混合滤波单元可以在畸变及混入直流偏移电压的电网条件下消除直流偏移及-5，+7，-11，+13…等阶次的各主要谐波电压，从而实现基波电压信息的准确获取。
本发明提出的一种基于混合滤波单元的锁相环，对传统的DTOGI锁相环进行改进为可滤除直流偏移电压的dcDTOGI，引入dqCDSC4,24滤波器，将dcDTOGI的输出与dqCDSC4,24滤波器相连形成新的混合滤波单元，使基于混合滤波单元锁相环的谐波提取精度提高并可消除直流偏移电压的影响。
本发明主要适用于电网电压畸变并混入直流偏移电压时的相位检测，通过本发明可在三相电压混入直流偏移电压并发生严重畸变时，准确检测三相电压基波正序分量的相位值，提高锁相的锁相精度，从而优化谐波抑制滤波器的滤波效果。
附图说明
图1为本发明所提供的基于同步参考坐标系锁相环的标准结构图；
图2为本发明所提供的三阶广义积分器(TOGI)结构图；
图3为本发明所提供的双三阶广义积分器(DTOGI)结构图；
图4为本发明所提供的具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)传递函数波特图；
图5为本发明所提供的dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC4,24)传递函数波特图；
图6为本发明所提供的基于混合滤波单元的三相并网锁相环结构图；
图7为本发明所提供的混合滤波单元传递函数波特图；
图8为本发明所提供的电网电压发生30°相位跳变时的相位估计图；
图9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10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11为本发明所提供的电网电压发生畸变时的相位估计图。
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。
针对三相并网锁相环在电网电压含有谐波和直流偏移的情况下滤波环节滤波能力不足且对直流偏移影响敏感的问题，本发明提供一种基于混合滤波单元的三相并网锁相环。
本发明的实现原理：
一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环，其特征在于：该基于混合滤波单元的并网同步锁相环由三相电网电压的坐标变换单元、混合滤波单元、反正切运算单元、比例积分控制器、积分环节1/s组成。三相电网电压vabc接入帕克变换的输入端，坐标变换单元的输出端与混合滤波单元的输入端相连，混合滤波单元的输出端的与反正切运算单元的输入端相连，反正切运算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的输出端与坐标变换单元的输入端相连。
传统的三相并网同步参考坐标系锁相环SRF-PLL由于其实现简单，鲁棒性强和相位跟踪精度高而广泛用于并网应用中。当电网电压处于理想状态时，SRF-PLL具有令人满意的相位，频率跟踪精度和瞬态响应性能。然而，当电网电压出现不平衡、畸变及混入直流偏移时，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，通过引入混合滤波单元，采取dcDTOGI与dqCDSC4,24器串联的方法，同时发挥两种滤波器的优点，达到电网电压不平衡和畸变时正确检测电网电压相位的目的，具体实现步骤如下：
I同步参考坐标系锁相环的基本结构及锁相原理
同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)是三相电网电压同步锁相技术中最常用的方法，图1为传统的标准SRF-PLL结构图，它是本发明采用的基本结构，也是三相并网应用中所有改进版SRF-PLL的基本结构。
和
分别是由SRF-PLL检测的幅度估计值，角频率估计值和相位估计值，ωn是电网额定角频率(设定为2π50rad/s，对应电网额定频率为50Hz)，kp和ki分别是PI控制器的比例和积分增益，kv是低通滤波器(LPF)的截止频率，用于进行幅值估计。SRF-PLL中的鉴相器通过克拉克变换和帕克变换将abc自然坐标系下的三相输入信号(vabc)转换到dq旋转坐标下的d轴和q轴输出，分别对应为vd和vq。其中包含相位误差信息的vq信号通过PI控制器输出角频率估计误差。随后，角频率估计输入到电压控制震荡器以完成最终的相位估计。
假设三相电压va、vb、vc处于理想状态，则可以将其表达为公式(1)，其中V是三相电压的幅值，θ是三相电压的相位。
对三相电压采用的克拉克变换和帕克变换的表达式分别为：
将公式(2)和(3)应用到公式(1)中，可以得到公式(4)
当锁相环输出的相位角
与实际电网电压相位角θ接近时，即
接近于0时，
可近似为
因此，当锁相环锁定时，电网电压在dq坐标系下的q轴分量将变为0。通过反馈控制，使vq＝0，积分环节1/s对控制器的输出值与固有频率ωn之和进行积分即可得到相位角
即公式(5)，达到实现锁相的目的。
II基于混合滤波单元的同步参考坐标系锁相环
(1)具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)实现
三阶广义积分器的分母阶数比分子高两阶，因此其谐波的抑制能力和响应速度都要优于二阶广义积分器，但由于其不具有滤除直流偏移电压的功能所以需要对其三阶广义积分器(TOGI)进行改进。传统TOGI结构如图2所示，其为单输入双输出结构。双输出分别是输入信号v经滤波后产生的输出信号的直轴分量和交轴分量。
传统TOGI单元的传递函数如下：
其中q为π/2相移因子，
为电网电压角频率估计，v’和qv’是v滤波后的直轴、交轴输出，k1和k2是动态系数。为了实现与ξ＝0.707时的SOGI滤波器近似的滤波及动态性能，在TOGI滤波器中需将k1设置为2.33，k2设置为3.18。
TOGI滤波器通常应用于αβ坐标系下，为了准确提取电网电压的基波正序分量，通常采用2个TOGI并通过并行交错结构滤除基波负序分量。
双TOGI(DTOGI)结构如图3所示，首先，通过采用Clark变换将三相电压vabc从abc坐标系转换到αβ坐标系下从而得到vα和vβ。然后，将vα和vβ输入到DTOGI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中以提取基波正序分量
和
最后，通过使用帕克变换将
和
转换到dq坐标系下得到
和
采用复变滤波器的方法，可以将在αβ坐标系下的DTOGI滤波环节(αβDTOGI)写成复变传递函数的形式
本发明提出的具有直流偏移功能的DTOGI(dcDTOGI)是将陷波频率
取为
再通过用
代替DTOGI(s)中的s而得到的，dcDTOGI的传递函数为
陷波频率
取为
时DTOGI(s)和所提出的dcDTOGI(s)所对应的波特图如图4所示,ξ取0.7。图中，红虚线为DTOGI(s)所对应的频率特性曲线，将
值由2π50rad/s改为2π25rad/s后，其陷波频率在-25Hz。之后用
代替s，即将红虚线左移25Hz得到蓝实线对应的dcDTOGI(s)的频率特性曲线。
由图4可以看出，dcDTOGI(s)在dq坐标系下能够完全消除-50Hz处所对应的锁相环输入端直流偏移分量，且基波正序分量(0Hz成分)的幅值为0db，不发生变化。dcDTOGI(s)在基波处(dq坐标系下0Hz)频率特性没有发生频率偏移，并且放大倍数为1，说明提出的dcDTOGI可滤除直流偏移电压的同时完整提取基波正序电压。
(2)dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC4,24)
信号延迟消除方法(DSC)作为一种在电网电压不平衡和畸变下最为常用的滤波技术，可以在dq坐标系下使用。
dqDSC的传递函数为公式(10),其中，T是电网电压基波周期。n是延迟系数。
多数情况下，单个dqDSC算子无法消除所有谐波分量。因此，根据电网谐波类型和应用环境的不同，通过级联多个不同n值的dqDSC算子可以消除任何指定次谐波。公式(11)为级联dqDSC算子(dqCDSC)在s域的表达式，其中m是dqDSC算子的数量。
由公式(10)和(11)可以得出本发明提出的dqCDSC4,24滤波器的表达式为：
整理后可得
图5为dqCDSC4,24滤波器的波特图，从图中可以看出dqCDSC4,24可以消除dq坐标下-100Hz所对应的电网电压基波负序分量及±300Hz，±600Hz…等对应的-5，+7，-11，+13…等阶次的谐波分量。与此同时0Hz所对应的电网电压基波正序分量的放到倍数为1，相位为0，说明基波正序分量不受影响，即dqCDSC4,24滤波器可提取基波正序分量。
(3)混合滤波单元实现
本发明将dcCNF与dqCDSC4,24串联组合成新的混合滤波单元，并将该滤波器结合到SRF-PLL的内环，形成新的三相并网锁相环，其结构如图6所示。
采用dcDTOGI滤除dq坐标系下的-50Hz所对应的的直流偏移分量，采用dqCDSC4,24滤除-100Hz所对应的基波负序电压分量和±300Hz，±600Hz…等所对应的-5，+7，-11，+13…等阶次的其他次谐波分量。
由dcDTOGI与dqCDSC4,24串联组成的混合滤波单元的传递函数为
所提出的混合滤波单元的频率响应曲线，如图7所示。可以发现，混合滤波单元H(s)能够完全滤除的电网电压中基波负序分量、直流偏移分量及其他次谐波扰动成分。dq坐标系下的电网电压基波正序分量(在dq坐标系下为0Hz成分)没有发生频率偏移，并且放大倍数为1。说明其可完整提取基波正序电压。
至此，完成基于混合滤波单元的三相并网锁相环的设计。
为了验证本发明所提出的锁相环的性能，采用MATLAB/Simul ink软件分别进行了相位跳变、频率跳变、直流偏移电压混入和电压畸变等四种电压故障下的相位估计仿真对比实验。实验对比对象为基于双三阶广义积分器的锁相环(DTOGI-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(dqDSC2-PLL)，本发明的PI控制参数kp和ki分别选取合适的值。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。
图8是电网电压发生相位30°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8中可以看出，本发明所提出的锁相环需要大约1个电网周期来恢复电网的准确相位估计，从而使相位估计误差减少到零，其动态调整时间远小于DTOGI-PLL和dqDSC2-PLL。
图9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9中可以看出，本章提出的锁相环在25ms内实现了电网相位准确捕获，而DTOGI-PLL和dqDSC2-PLL的动态响应时间都较长，并且存在超调的情况。
图10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，其中A相电压混入了0.2p.u.的直流偏移量，B相电压混入了0.1p.u.的直流偏移量，C相电压混入了-0.2p.u.的直流偏移量，从图10中可以看出，由于本发明提出的锁相环和dqDSC2-PLL都具有直流偏移消除功能，在三相电压混入直流偏移后，都可实现准确的电网锁相，只是本发明提出的锁相环动态响应速度更快。而DTOGI-PLL不具备滤除直流偏移的能力，因此其相位误差出现50Hz的基频振荡，无法实现锁相。
图11是电网电压发生畸变时的相位估计图，注入的谐波电压为
并且在0.06s电网的频率发生了+5Hz的跳变。从图11中可以看出，本发明提出的锁相环能够完全消除谐波成分的干扰。DTOGI-PLL的滤波环节只能够抑制而无法完全消除谐波干扰，其相位估计存在微小的由谐波引起的振荡误差。此外，由于dqDSC2-PLL的抗干扰能力差，其在相位估计上存在较大纹波。
通过图8-图11的对比，可以看出本发明提出的基于混合滤波单元的锁相环在瞬态响应速度和滤波能力方面都表现出优异的性能，可在电网电压发生严重畸变并混入直流偏移电压的情况下，快速准确地实现锁相功能，完全适用于各类污染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 (4)
1.一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环，其特征在于：该基于混合滤波单元的并网同步锁相环由三相电网电压的坐标变换单元、混合滤波单元、反正切运算单元、比例积分控制器、积分环节1/s组成；
三相电网电压vabc接入坐标变换单元的输入端，坐标变换单元的输出端与混合滤波单元的输入端相连，混合滤波单元的输出端的与反正切运算单元的输入端相连，反正切运算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的输出端与坐标变换单元的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于混合滤波单元的并网同步锁相环，其特征在于：
所述混合滤波单元，由具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)和dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC4,24)组成；dcTOGI和dqCDSC4,24采用串联方式连接，其中dcDTOGI负责滤除电网电压中的直流偏移，dqCDSC4,24完成电压正负序分离并滤除电网电压中的高频谐波。
3.根据权利要求2所述的基于混合滤波单元的并网同步锁相环，其特征在于：
所述的具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)，是由传统αβ坐标系下双三阶广义积分器(αβDMTOGI)的传递函数经过αβ-dq坐标系变换并对其传递函数中的陷波频率
取
后得到，其中
为电网频率的估计值50Hz，dcDTOGI的s域传递函数为
式中k1和k2值分别为2.33和3.18，dcDTOGI具有可滤除电网电压在dq坐标系下-50Hz频率上对应的直流偏移电压的功能。
4.根据权利要求1所述的基于混合滤波单元的并网同步锁相环，其特征在于：
所述混合滤波单元的s域传递函数为
所述混合滤波单元可以在畸变及混入直流偏移电压的电网条件下消除直流偏移及-5，+7，-11，+13…等阶次的各主要谐波电压，从而实现基波电压信息的准确获取。
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| CN105743109A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-07-06 | 大连理工大学 | 一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环 |
| CN106340878A (zh) * | 2016-10-15 | 2017-01-18 | 沈阳建筑大学 | 一种新型混合并联型有源电力滤波器 |
| CN106786780A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-05-31 | 江苏大学 | 一种基于虚拟同步发电机的并网控制方法及系统 |
| CN110146742A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-08-20 | 江苏师范大学 | 一种基于改进虚拟磁链定向的谐波检测方法 |
| US20190379205A1 (en) * | 2017-02-27 | 2019-12-12 | Magnetic Pumping Solutions, Llc | Sogi-based pll for grid connection and motor control |
-
2021
- 2021-03-05 CN CN202110253264.8A patent/CN113049880A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
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