CN113346714A - 一种基于双自由度pid补偿的锁相环电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节；Clarke变换部分的输出为Park变换部分的输入，Park变换部分输出的q轴分量V_q经

标么化转换部分转换为移动平均值滤波器的输入；双自由度PID补偿器分为PID1补偿器和PID2补偿器；移动平均值滤波器的输出接至前向通道PID1补偿器，PID1补偿器的输出与反馈通道PID2补偿器的输出以及之和初始角频率接入VCO环节，其输出反馈至Park变换部分和反馈通道PID2补偿器的输入。实现包含大量谐波甚至配电网故障时相位跳变的快速锁相。

Description

一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路

技术领域

本发明涉及一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，属于分布式能源变流器的技术领域。

背景技术

近年来，随着并网变流器的不断接入，配电网电压的情况变得极其复杂，然而并网变流器主要依靠锁相环准确获取电网电压幅值和相位信息，实现稳定的运行特性，因此当出现故障或谐波大波动时，有可能导致锁相出现错误。

基于双同步参考坐标系的锁相环、基于解耦多同步参考坐标系(decouple doublesynchronous reference frame PLL，DDSRF-PLL)等方法都获得了一定效果，克服了传统单坐标系锁相环的缺点，解决了谐波工况下的锁相问题，但结构太复杂，且这类锁相环的动态性能与锁相环的PI参数或低通滤波器参数有一定的关系。然而，传统一自由度PI控制存在一定局限性，只能较好地满足跟踪和抗扰动特性中的任何一种特性。比如按跟随特性进行控制器参数整定得到优化值，由于系统的维一控制自由度已确定不能再调整，使得系统抗扰性能无法进一步优化；同理，按抗扰特性进行参数整定，将导致系统跟随性能无法进一步优化。因此，上述PI参数或低通滤波器只能实现跟随和抗扰动性能的折中，在复杂环境下，对于传统的跟踪优先前提下，对大扰动抑制的参数整定较困难。事实上，随着并网装置的增多以及主动配电网的不断发展，复杂情况下的变流器锁相并网也是近年来锁相环技术需要解决的新方向。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，可以有效克服低次谐波和直流分量对锁相环的影响，也可以精确跟踪电网频率的斜坡变化。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节；

所述Clarke变换部分用于将三相配电网采样电压V_a,V_b,V_c转化成两相静止坐标系电压V_α,V_β；Clarke变换部分的输出为Park变换部分的输入，Park变换部分输出的q轴分量V_q经

标么化转换部分转换为移动平均值滤波器的输入；

所述双自由度PID补偿器分为PID1补偿器和PID2补偿器，PID1补偿器用于对配电网电压实际相位θ的跟踪锁相，而PID2补偿器则用于对系统电压幅值和频率变化的抗扰动；

移动平均值滤波器的输出接至前向通道PID1补偿器，前向通道PID1补偿器的输出与反馈通道PID2补偿器的输出之和，再与初始角频率的和接入VCO环节，VCO环节的输出为锁相相位，该锁相相位反馈至Park变换部分和反馈通道PID2补偿器的输入；锁相环用于跟踪配电网的频率和相位，并输出角频率和相位。

所述PID1补偿器的传递函数PID₁(s)为：

其中，S是变量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；T_f为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数。

所述PID2补偿器的传递函数PID₂(s)为：

其系数定义如PID₁(s)，S是变量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；T_f为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数。

所述移动平均值滤波器用于滤除配电网电压中的谐波分量和直流分量，降低谐波对锁相环相位的畸变程度；所述移动平均值滤波器的传递函数MAF(s)为：

其中，S是变量，ω_c为带宽，ω₀为工频角频率，T_ω为工频周期20ms，e是自然数。

所述锁相环包含Park变换、标么化转换和双自由度PID补偿器；

所述Park变换用于将两相静止坐标电压转化为与配电网电压频率相同的同步坐标信号，通过保持同步坐标系q轴分量的值为0，就能跟踪配电网的频率和相位；

所述标么化转换将Park变换q轴分量滤波输出值除以d轴分量滤波输出值，克服电压深度跌落时，锁相环由于PID增益不够的失稳问题。

所述Park变换计算如下：

其中，V_d和V_q分别为配电网电压在两相同步坐标系中的d,q分量，

为估计的角频率；V_α,V_β为两相静止坐标系电压；

所述

为通过对所述PID补偿器输出和初始角频率之和获得的系统角频率进行积分得到。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明可以克服低次谐波和直流分量对锁相环的影响，提高锁相精度；

2、本发明锁相环采用二自由度PID补偿，实现跟踪和抗干扰性能分别镇定，提高锁相环稳定性；

3、本发明提供了PID补偿，通过增加微分环节加快软件锁相环的进程；

4、本发明锁相环技术不增加并网逆变器控制器的硬件成本，仅增加少量MCU的计算负担。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的锁相环原理图；

图2为本发明的MAF滤波器的波特图；

图3为基于MATLAB的二自由度PID设计方法；

图4为本发明的锁相仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图1～4对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节。

该电路的工作过程，包括：

1)Clarke变换部分将三相配电网电压V_a,V_b,V_c转化成两相静止坐标系电压V_α,V_β，具体计算公式如下：

2)Park变换部分将步骤(1)中的静止坐标电压转化为与配电网电压频率相同的同步坐标信号，计算公式如下：

其中，V_d和V_q分别为配电网电压在两相同步坐标系中的d,q分量，

为估计的角频率，通过保持同步坐标系q轴分量V_q的值为0，就能跟踪配电网的频率和相位。

3)移动平均值滤波器采用移动平均值直流滤波器，是一个以配电网电压工频周期的滤波器，移动平均值滤波器的传递函数为：

其中，T_ω为20ms。

由图2可知，移动平均值滤波器等效为一个截止频率为低于工频的低通滤波器，因此可以较好地实现直流分量的挑选。配电网电压中原有的直流分量经过Clarke和Park变换后，其信号变为-50Hz的信号，由图2可知，该原电压值中的直流信号可以很好地被滤除；而对于其他次谐波经过Clarke和Park变换后，其信号变为50*(n-1)Hz(n＝2,3,4等整数)的信号，由图2可知，通过移动平均值滤波器，谐波可以简单的被滤除；因而其他直流及其谐波信号则可以在一个完整周期内完整的抵消。

4)所述PID补偿器分为PID1补偿器和PID2补偿器，形成二自由度的PID补偿，PID1补偿器用于对配电网电压实际相位θ的跟踪锁相，而PID2补偿器则用于对系统电压幅值和频率变化的抗扰动。

所述PID1补偿器的传递函数PID₁(s)为：

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，T_f为滤波系数，一般为微分系数的1/10，b为比例占比系数，c为微分占比系数。

所述PID2补偿器的传递函数PID₂(s)为：

其系数定义如PID₁(s)。b、c参数的选择主要根据跟踪和抗扰动性能要求设定，改变b、c参数的值可以调整系统对给定信号的跟随性能和抗扰性能。

如图1所示，其中控制对象由移动平均值滤波器和VCO环节级联组成，其模型为：

为有效设计补偿环节的参数，可先根据系统对抗扰性能的要求，选择对应的带宽和相角裕度，然后使用图3所示的基于MATLAB的PID软件设定对应补偿器类型，导入上述对象模型，并设置带宽和相角裕度补偿要求，PID软件则根据设定的参数自动生成上述PID1补偿器和PID2补偿器的参数，两者参数为互补关系。

如图4所示，第1个分图表示实际的电压波形，包含谐波、电压跌落、前馈量突变和频率跳变；第2个分图采用atan锁相，很明显该方法虽然响应速度较快，但对谐波的抗扰能力较差，相位有波动；第3个分图采用PI补偿的含MAF滤波器的锁相环技术，经过前馈量突变后，锁相失稳，无法正常工作；第5个分图为单SRF锁相环技术，虽然可以有效工作，但对谐波的抗扰能力较差，相位有波动；第6个分图为双SRF锁相环技术，虽然谐波的抗扰能力有所提高，但在电压跌落和频率跳变后失稳，无法正常运行；第6个分图采用本发明所提的二自由度PID锁相环技术，即使在复杂的电网环境下，也能获得准确的相位，保证并网逆变器的性能；同时，在电压和频率突变时，可以快速的跟踪配电网电压的相位信息，保证并网逆变器正常运行，保障配电网运行可靠性和稳定性。

本发明的电路结构通过移动平均值直流滤波器，可以消除低次谐波和直流分量，提高锁相环的锁相适应性，而且滤波器参数与锁相环控制环节的参数相关性小，不仅提高了锁相环的运行性能和整定效率，而且仅增加少量的计算负担；此外，克服传统单自由度PI控制跟随性能和抗扰性能存在的相互耦合局限性，通过二自由度分别设置，能同时较好地满足跟踪和抗扰动特性；本发明的锁相技术实现了复杂环境下的精确锁相，非常适合于包含交直流变换的电力电子变换器领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节；

所述Clarke变换部分用于将三相配电网采样电压V_a,V_b,V_c转化成两相静止坐标系电压V_α,V_β；Clarke变换部分的输出为Park变换部分的输入，Park变换部分输出的q轴分量V_q经

标么化转换部分转换为移动平均值滤波器的输入；

所述双自由度PID补偿器分为PID1补偿器和PID2补偿器，PID1补偿器用于对配电网电压实际相位θ的跟踪锁相，而PID2补偿器则用于对系统电压幅值和频率变化的抗扰动；

移动平均值滤波器的输出接至前向通道PID1补偿器，前向通道PID1补偿器的输出与反馈通道PID2补偿器的输出之和，再与初始角频率的和接入VCO环节，VCO环节的输出为锁相相位，该锁相相位反馈至Park变换部分和反馈通道PID2补偿器的输入；锁相环用于跟踪配电网的频率和相位，并输出角频率和相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，所述PID1补偿器的传递函数PID₁(s)为：

其中，S是变量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；T_f为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数；

所述PID2补偿器的传递函数PID₂(s)为：

其系数定义如PID₁(s)，S是变量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数；T_f为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，所述移动平均值滤波器用于滤除配电网电压中的谐波分量和直流分量，降低谐波对锁相环相位的畸变程度；所述移动平均值滤波器的传递函数MAF(s)为：

其中，S是变量，ω_c为带宽，ω₀为工频角频率，T_ω为工频周期20ms，e是自然数。

4.根据权利要求3所述的一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，所述锁相环包含Park变换、标么化转换和双自由度PID补偿器；

所述Park变换用于将两相静止坐标电压转化为与配电网电压频率相同的同步坐标信号，通过保持同步坐标系q轴分量的值为0，就能跟踪配电网的频率和相位；

所述标么化转换将Park变换q轴分量滤波输出值除以d轴分量滤波输出值，克服电压深度跌落时，锁相环由于PID增益不够的失稳问题。

5.根据权利要求4所述的一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，所述Park变换计算如下：

其中，V_d和V_q分别为配电网电压在两相同步坐标系中的d,q分量，

为估计的角频率；V_α,V_β为两相静止坐标系电压；

所述

为通过对所述PID补偿器输出和初始角频率之和获得的系统角频率进行积分得到。

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