CN113447715B - 一种2次谐波式电网同步锁频环方法 - Google Patents

一种2次谐波式电网同步锁频环方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种2次谐波式电网同步锁频环方法。该方法包括：三相电网信号通过Tnd变换获取2次谐波d、q轴分量；d轴分量通过SOGI‑QSG获取第一、二正交量；第二正交量通过锁频环确定2次谐波角频率；2次谐波角频率确定对应的相角以及电网基波相角；基波相角作为Tnd矩阵的变换角度；2次谐波频率对应相角作变换角度对第一、二正交量进行park变换确定输入电压信号的正序分量幅值。所提方法的2次谐波获取途径有别于传统傅里叶分解，而是采用构造的Tnd变换进行获取2次谐波信号；本发明通过对2次谐波频率进行锁频实现对基波电网信号准确跟踪，在理想电网与非理想电网具有通用性。

Description

一种2次谐波式电网同步锁频环方法
技术领域
本发明涉及电网同步跟踪领域，特别是涉及一种2次谐波式电网同步锁频环方法。
背景技术
电网同步技术是对输入电网信号的幅值、相角、频率等进行检测的技术，在任何与电网连接的电能变换装置中都会用到电网同步技术。传统的电网同步技术包括过零检测技术、离散傅里叶变换技术及其改进技术、基于神经网络的方法、递归加权最小二乘估计算法、基于自适应陷波器的无锁相环方法、卡尔曼滤波技术、锁相环技术以及锁频环技术。
目前应用范围最广的锁相环技术为同步旋转坐标系锁相环(synchronousrotating frame phase locked loop，SRF-PLL)技术，锁相环系统是一种闭环系统，它包括三个结构：相位检波器PD、一个环路滤波器LF、压控振荡器VCO，它在电网平衡条件下能够精准地获取电网同步信号，但是在不理想电网状态SRF-PLL的电网信号获取结果明显有恶化的趋势；为了克服电网电压不平衡等非理想电网状态，不同的锁相(锁频)方法被相继提出。其中包括多重参考系的锁相环、双同步旋转坐标系锁相环、双二阶广义积分器锁相环(锁频环)、自适应滤波器锁相环、多二阶广义积分器锁相环、正弦幅值积分器锁相环等等，这些锁相(锁频)技术大多基于滤除谐波的思想，对不平衡工况出现的2次谐波信号进行滤除。已公开的《电网电压不平衡时基于二阶广义积分器SOGI的2倍频电网同步锁相方法》文章中提出了应对不平衡电网工况对电网正序二倍频交流量进行相位锁定，实现频率自适应的过程涉及环节较多，会造成一定误差。
锁频环为非线性环节，但是其性能可由一阶线性系统的阶跃响应特性来表征，快速性不受输入信号幅值和频率的影响，由恒定参数决定，从这个角度来说，锁频环要优于锁相环，另外锁频环结构相对于锁相环较为简单，同时能够达到锁相环对相角、电网频率进行获取的目的。而已有锁频环只单纯关注了对电网基波信号的频率锁取，具有一定局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种2次谐波式电网同步锁频环方法，以解决已有锁频环及锁相环具有局限性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种2次谐波式电网同步锁频环方法，包括：
获取三相电网信号；
与传统获取2次谐波的方法不同，采用构造的变换矩阵进行Tnd变换实现2次谐波信号的获取，利用Tnd变换，根据所述三相电网信号确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量；Tnd变换矩阵为
Figure BDA0003188869240000021
所述传统获取2次谐波的方法包括傅里叶分解方法以及快速傅里叶分解方法；
将所述2次谐波信号的d轴分量输入至二阶广义积分器-正交信号发生器中，输出第一正交量以及第二正交量；
根据所述第二正交量，利用锁频环锁定所述2次谐波信号的d轴分量的2次谐波角频率，确定2次谐波角频率，以实现对2次谐波角频率进行跟踪；
根据所述2次谐波角频率确定2次谐波频率对应的相角以及电网相位角；所述电网相位角为电网基波相角；所述电网基波相角作为确定所述2次谐波信号的d轴分量和q轴分量时的变换角度；
以所述2次谐波频率对应的相角为变换角度，将所述第一正交量以及所述第二正交量进行park变换，同步所述电网相位角，确定输入电网信号的基波正序分量幅值，从而实现对理想与非理想电网工况的电网信号同步；所述非理想电网工况包括三相电网电压不平衡、三相电网电压单相跌落、三相电网电压含有谐波分量、三相电网电压含有直流偏置、三相电网电压频率跳变以及相角跳变。
可选的，所述采用构造的变换矩阵进行Tnd变换实现2次谐波信号的获取，利用Tnd变换，根据所述三相电网信号确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量，具体包括：
将所述三相电网信号[va vb vc]T左乘Tabc/αβ矩阵，将三相电压变换为两相静止坐标分量；
以所述电网相位角为变换角度，对所述两相静止坐标分量进行Tnd变换，确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量。
可选的，获取进行Tnd变换的两相静止分量的Tabc/αβ矩阵为
Figure BDA0003188869240000031
可选的，所述根据所述第二正交量，利用锁频环锁定所述2次谐波信号的d轴分量的2次谐波角频率，确定2次谐波角频率，具体包括：
将所述第二正交量，乘-1，确定运算后的第二正交量；
根据所述运算后的第二正交量与所述二阶广义积分器-正交信号发生器的输入误差相乘，确定相乘结果；
将所述相乘结果经过PI调节器后，与200π相加，确定2次谐波角频率。
可选的，所述根据所述2次谐波角频率确定2次谐波频率对应的相角以及电网相位角，具体包括：
将所述2次谐波角频率经过积分运算后，与2π进行取余处理，确定2次谐波频率对应的相角；
同时，将积分运算后的2次谐波角频率的一半与2π进行取余处理，确定电网相位角，通过2次谐波频率跟踪以实现对电网基波频率、电网相位角以及基波幅值的准确跟踪。
可选的，所述第一正交量以及所述第二正交量进行park变换对应的变换矩阵为
Figure BDA0003188869240000032
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种2次谐波式电网同步锁频环方法，利用Tnd变换而非传统傅里叶或快速傅里叶分解的方法获取2次谐波信号的d轴分量，并利用锁频环结构对2次谐波信号的d轴分量的频率进行锁定，在此过程中通过对2次谐波频率信号的跟踪实现电网基波正序分量相位、频率以及幅值的准确跟踪，解决了已有锁频环及锁相环锁频环具有局限性的问题。
此外，相比于锁相环，使用锁频环实现频率自适应功能中间环节少，误差小，同时能够实现电网相位跟踪。本发明适用于理想与非理想电网工况，能够快速准确地获取电网同步信息。本发明具有结构紧凑简单、控制系统动态性能好、适用性广等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的2次谐波式电网同步锁频环方法流程图；
图2为本发明整体结构框图；
图3为现有的2倍频锁相环(double fundamental frequency-phase lockedloop)结构框图；
图4为本发明所提供的SOGI-QSG结构图；
图5为SOGI结构的误差传递函数与输出传递函数的伯德BODE图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种2次谐波式电网同步锁频环方法，能够同时获取电网正序基波电压相位、正序电压幅值和频率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的2次谐波式电网同步锁频环方法流程图，图2为本发明整体结构框图，如图1-2所示，主要结构顺序为clark变换、Tnd变换、SOGI-FLL以及park变换。其中，锁频环(Frequency locked loop，FLL)输出频率进行积分运算获取2次谐波对应相角，将此相角作为park变换角，该相角除以2获取的相角作为基波相角，基波相角作为clark变换的变换角。
一种2次谐波式电网同步锁频环方法，包括：
步骤101：获取三相电网信号。
步骤102：与传统获取2次谐波的获取方法不同，采用构造的变换矩阵进行Tnd变换实现2次谐波信号的获取，利用Tnd变换，根据所述三相电网信号确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量；Tnd变换矩阵为
Figure BDA0003188869240000051
所述传统获取2次谐波的方法包括傅里叶分解方法以及快速傅里叶分解方法。
对输入电压向量[va vb vc]T左乘Tabc/αβ矩阵，其中Tabc/αβ为
Figure BDA0003188869240000052
将三相电压va、vb、vc变换为两相静止坐标电压分量vα、vβ。
对vα、vβ进行Tnd变换，即[vαvβ]T左乘Tnd矩阵，获取2次谐波信号的d轴分量v′d+，其中，
Figure BDA0003188869240000053
变换角度
Figure BDA0003188869240000054
为步骤105中获取的基波频率对应相角
Figure BDA0003188869240000055
即电网基波相角。
图3为现有的二倍频锁相环(double fundamental frequency-phase lockedloop结构框图，对电网输入信号进行clark变换，从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，通过正序旋转坐标变换得到正序分量，而后利用二阶广义积分器(Second ordergeneralized integrator，SOGI)-正交信号发生器(Quadrature signal generator，QSG)结构获取两个正交信号V+sin(2ωt)(vq′+)和V+cos(2ωt)(-qvq′+)，将上述两个正交信号进行Park变换，变换至正旋转坐标系中，与此同时q轴的输出经过PI调节器，可以得到电网的同步角频率，再经过积分之后，得到电网的相位角，得到电网二倍频锁相角
Figure BDA0003188869240000056
将获得的相角反馈给Park变换矩阵中作变换角度，至此完成电网相角的同步，锁相环输出为电网电压相位的二倍，经过简单运算即可获得电网基波电压相位。SOGI-QSG输出作为两相静止坐标系的输入，进行Park变换获取的
Figure BDA0003188869240000061
即为电网电压正序分量的幅值。所述主要功能结构顺序为：clark变换、正序旋转坐标系变换、SOGI、park变换、PLL。所提锁频环方法控制结构与上述DFF-PLL结构的区别在于：主要功能结构FLL存在于SOGI中，并且没有PLL；从结构框图中能够轻易观察到两者的不同，本发明所提锁频方法结构更为简单，并且也能够实现对电网正序基波相位的获取。
步骤103：将所述2次谐波信号的d轴分量输入至二阶广义积分器-正交信号发生器中，输出第一正交量以及第二正交量。
将2次谐波信号v′d+作为输入SOGI-QSG中获取第一正交量v″d+和第二正交量qv″d+，SOGI-QSG结构如图4所示。
图4为SOGI-FLL结构框图，该结构能够对输入信号进行一定滤波并获取相位相差90°的输出信号，使用锁频结构提高频率的自适应性。图4所示结构为所提方法的电网频率锁定提供了条件。
步骤104：根据所述第二正交量，利用锁频环锁定所述2次谐波信号的d轴分量的2次谐波角频率，确定2次谐波角频率，以实现对2次谐波角频率进行跟踪。
在确定第一正交量以及第二正交量的同时，利用锁频环对正序分量的2次谐波角频率2ωt进行锁定，具体锁频过程为将qv″d+乘-1与图2中SOGI-QSG的输入误差εv相乘经过PI调节器与200π相加，获取2次谐波角频率。
步骤105：根据所述2次谐波角频率确定2次谐波频率对应的相角以及电网相位角；所述电网相位角为电网基波相角；所述电网基波相角作为确定所述2次谐波信号的d轴分量和q轴分量时的变换角度。
获取的2次谐波角频率2ωt经过积分运算再与2π进行取余获得2次谐波频率对应相角
Figure BDA0003188869240000062
同时将经过积分运算的值除以2，再与2π进行取余获取电网基波相角，相角
Figure BDA0003188869240000063
即电网相位角。
与现有电网信号同步领域中已有的锁频技术中采用电网基波信号频率进行锁定的方式不同，本发明通过2次谐波频率跟踪来实现对电网基波频率和电网相位角以及基波幅值的准确跟踪。
步骤106：以所述2次谐波频率对应的相角为变换角度，将所述第一正交量以及所述第二正交量进行park变换，同步所述电网相位角，确定输入电网信号的基波正序分量幅值，从而实现对理想与非理想电网工况的电网信号同步，非理想电网工况包括三相电网电压不平衡、三相电网电压单相跌落、三相电网电压含有谐波分量、三相电网电压含有直流偏置、三相电网电压频率跳变以及相角跳变等。
将两个正交量v″d+和qv″d+进行park变换，变换角度为2次谐波频率对应的相角
Figure BDA0003188869240000071
对应park变换矩阵为
Figure BDA0003188869240000072
至此获取到输出
Figure BDA0003188869240000073
和
Figure BDA0003188869240000074
其中，
Figure BDA0003188869240000075
为输入电网信号的基波正序分量幅值，
Figure BDA0003188869240000076
为正序电压在dq坐标系下的q轴分量。
图5为SOGI结构的误差传递函数与输出传递函数的伯德BODE图，其中，ω为频率变量，
Figure BDA0003188869240000077
为SOGI结构中的谐振频率，
Figure BDA0003188869240000078
为输入误差对输入电压的传递函数即输入误差传递函数，
Figure BDA0003188869240000079
为SOGI输出第二正交量qv’对输入电压的传递函数，εv为SOGI输入误差；根据频率响应特征来判别电网同步角频率与参数
Figure BDA00031888692400000710
的相对大小，进而调节
Figure BDA00031888692400000711
最终可使误差传递函数为零，实现电网频率的锁定。
需要注意的是，本发明是通过对电网2次谐波信号进行频率锁定，实现对电网基波电压频率的获取；对电网频率进行锁定实现电网同步，而不是对电网相位进行锁定。本发明能够适用于理想电网工况和非理想电网工况，非理想电网工况包括电压不平衡、含有多次谐波、含有直流偏置、电压跌落、频率跳变以及相角跳变等。
采用本发明所提供的锁频方法，能够在平衡电网工况下对电网相角、频率、基波幅值进行准确获取，同时在非理想状态下也能够获取电网同步信号，系统结构简单，思路清晰，性能优良，适用性广。
已有二倍频锁相环方法单纯关注电网电压不平衡工况、以及含有直流偏置工况下相角信号的获取；另外，已有锁频环也只单纯关注了对电网基波信号的频率锁取，具有一定局限性。而本发明在理想工况和非理想工况下，通过对2次谐波信号进行频率锁定，实现电网相位、频率、幅值信息的准确跟踪，解决了现有技术所存在的上述问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种2次谐波式电网同步锁频环方法，其特征在于，包括：
获取三相电网信号；
与传统获取2次谐波的获取方法不同，采用构造的变换矩阵进行Tnd变换实现2次谐波信号的获取，利用Tnd变换，根据所述三相电网信号确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量；Tnd变换矩阵为
Figure FDA0003511495110000011
其中，
Figure FDA0003511495110000012
为2次谐波角频率计算获得的电网相位角；所述传统获取2次谐波的方法包括傅里叶分解方法以及快速傅里叶分解方法；
将所述2次谐波信号的d轴分量输入至二阶广义积分器-正交信号发生器中，输出第一正交量以及第二正交量；
根据所述第二正交量，利用锁频环锁定所述2次谐波信号的d轴分量的2次谐波角频率，确定2次谐波角频率，以实现对2次谐波角频率进行跟踪；
根据所述2次谐波角频率确定2次谐波频率对应的相角以及电网相位角；所述电网相位角为电网基波相角；所述电网基波相角作为确定所述2次谐波信号的d轴分量和q轴分量时的变换角度；
以所述2次谐波频率对应的相角为变换角度，将所述第一正交量以及所述第二正交量进行park变换，同步所述电网相位角，确定输入电网信号的基波正序分量幅值，从而实现对理想与非理想电网工况的电网信号同步；所述非理想电网工况包括三相电网电压不平衡、三相电网电压单相跌落、三相电网电压含有谐波分量、三相电网电压含有直流偏置、三相电网电压频率跳变以及相角跳变。
2.根据权利要求1所述的2次谐波式电网同步锁频环方法，其特征在于，所述采用构造的变换矩阵进行Tnd变换实现2次谐波信号的获取，利用Tnd变换，根据所述三相电网信号确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量，具体包括：
将所述三相电网信号[va vb vc]T左乘Tabc/αβ矩阵，将三相电压变换为两相静止坐标分量；
以所述电网相位角为变换角度，对所述两相静止坐标分量进行Tnd变换，确定2次谐波信号的d轴分量和q轴分量。
3.根据权利要求2所述的2次谐波式电网同步锁频环方法，其特征在于，获取进行Tnd变换的两相静止分量的Tabc/αβ矩阵为
Figure FDA0003511495110000021
4.根据权利要求1所述的2次谐波式电网同步锁频环方法，其特征在于，所述根据所述第二正交量，利用锁频环锁定所述2次谐波信号的d轴分量的2次谐波角频率，确定2次谐波角频率，具体包括：
将所述第二正交量，乘-1，确定运算后的第二正交量；
根据所述运算后的第二正交量与所述二阶广义积分器-正交信号发生器的输入误差相乘，确定相乘结果；
将所述相乘结果经过PI调节器后，与200π相加，确定2次谐波角频率。
5.根据权利要求1所述的2次谐波式电网同步锁频环方法，其特征在于，所述根据所述2次谐波角频率确定2次谐波频率对应的相角以及电网相位角，具体包括：
将所述2次谐波角频率经过积分运算后，与2π进行取余处理，确定2次谐波频率对应的相角；
同时，将积分运算后的2次谐波角频率的一半与2π进行取余处理，确定电网相位角，通过2次谐波频率跟踪以实现对电网基波频率、电网相位角以及基波幅值的准确跟踪。
6.根据权利要求1所述的2次谐波式电网同步锁频环方法，其特征在于，所述第一正交量以及所述第二正交量进行park变换对应的变换矩阵为
Figure FDA0003511495110000022
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