CN201830237U - 一种基于滤波器的软锁相环 - Google Patents

Abstract

本实用新型主要是提供一种基于滤波器的软锁相环，其由鉴相器、滤波器、调节器和压控振荡器组成，鉴相器、滤波器、调节器和振荡器为串联结构，所述鉴相器的输入信号为三相电压，所述鉴相器的输出端接到滤波器的输入端，所述滤波器的输出端接到调节器的输入端，所述调节器的输出端接到振荡器的输入端，振荡器的输出信号为锁相环的输出信号。该新型软锁相环可以实现当电网发生不对称故障时，准确、快速地检测电网电压正序分量的幅值与相位，不仅能有效抑制相位100Hz扰动，而且响应速度快、稳定性能好、抗干扰能力强，有助于改善网侧变流器在电网不对称故障期间的动态控制性能，为风力发电系统低电压穿越技术提供了保障。

Description

一种基于滤波器的软锁相环 

技术领域

本实用新型涉及风力发电领域，具体涉及一种基于兼具陷波和低通滤波功能的滤波器的新型软锁相环。 

背景技术

风力发电是当今世界可再生能源开发利用中技术最成熟、最具开发规模和商业化发展前景的发电形式，电网同步信息的准确获取是对风电机组进行功率控制的关键，风电机组的网侧变流器的矢量控制策略是基于电网基波正序电压进行定向的，在电网正常运行时，软锁相环可以应用于电网基波正序电压相位的观察，具有相位跟踪平滑、快速、灵活性较好等特点。随着风力发电规模和风电机组单机容量的不断增大，目前很多标准都要求风电机组能够在一定程度的电网故障(如电压不平衡)下仍能够正常工作，因此在电网故障情况下需要准确、快速地检测电网电压的幅值及相位来使控制达到良好的效果。 

锁相环一般是由鉴相器、滤波器、调节器和振荡器组成。锁相环是一个使输出信号(由振荡器产生的)与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路，在同步(通常称为锁定)状态，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。如果出现相位误差，一种控制机理作用到振荡器上，使得相位误差再次减小到最小。在这样的控制系统中，实际输出信号的相位锁定到参考信号的相位。若将锁相环的功能不再用一些专用的硬件实现，而是用软件，用计算机程序来完成，即为软锁相环技术。在电力系统正常运行过程中，软锁相环(SPLL)可以实现对电网基波正序电压相位准确观测的功能。 

然而，电网电压含有正序分量、负序分量和谐波分量，软锁相环既要求较快的响应速度，又要求足够的抗干扰能力，其中，调节器的主要任务是满足锁相的快速性要求，而滤波环节的主要任务是滤除q轴倍频纹波和高次谐波分量。但是这两者是矛盾的，针对以上问题，已有相当多的文献提出了各种解决方法。对于滤波环节的设计，有提出采用T/4延时的方法来分离电网电压正序与负序分量，但所用的T/4是定值，一旦电网频率波动时，该方法将无法准确分离电网正序和负序分量；对于调节器是设计，有提出用PI调节器，采用变PI参数的锁相环控制方法，该类型方法有一个缺陷：在电网频率波动较大时，锁相环存在振荡问题。当电网发生不对称故障时，由于电网正、负序电压合成矢量的旋转速度在一个工频周期内波动了两次，因此采用软锁相环得到的相位存在100Hz波动。目前，工程上普遍采用减小软锁 相环闭环带宽的方法来抑制相位100Hz波动，但是会降低SPLL响应速度，容易导致网侧变流器在电网发生严重不对称故障期间过流或过压。因此，现阶段软锁相环无法实现相位跟踪平滑、快速、抑制波动、抗干扰能力强、灵活性较好的功能。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种基于滤波器的软锁相环，该软锁相环是一种基于陷波器和低通滤波器的改进型软锁相环，这种软锁相可以解决当电网发生不对称故障时，准确、快速地检测电网电压正序分量的幅值与相位，不仅能有效抑制相位100Hz扰动，而且响应速度快、稳定性能好、抗干扰能力强。 

本实用新型是通过下述技术方案来实现的： 

一种基于滤波器的软锁相环，其由鉴相器、滤波器、调节器和压控振荡器组成，鉴相器、滤波器、调节器和振荡器为串联结构，所述鉴相器的输入信号为三相电压，所述鉴相器的输出端接到滤波器的输入端，所述滤波器的输出端接到调节器的输入端，所述调节器的输出端接到振荡器的输入端，振荡器的输出信号为锁相环的输出信号。 

其中，所述鉴相器，采用乘法鉴相器，其输出信号与其输入信号的相位误差成比例，若相位误差为θ_e，鉴相器的输出信号为u_q，且相位误差较小，则其比例关系为u_q≈Kθ_e，其中K为鉴相器增益，单位为弧度每伏(rad/V)。 

其中，所述调节器采用PI比例-积分调节器，该调节器可以使系统增加一个位于原点的开环极点，同时增加一个开环零点，增加的极点可提高系统的无差度，减小或消除稳态误差，改善系统的稳态性能，增加的零点可增加系统的阻尼程度，克服控制器对系统稳定性及动态过程产生的不利影响，超前校正装置具有相位超前的作用，可以改善锁相环的响应时间。 

所述滤波器为低通滤波器和带阻滤波器级联结构，以采用巴特沃斯2阶带阻滤波器和2阶低通滤波器级联的4阶滤波器为佳。低通滤波器可以滤除频率高于其截止频率的高次谐波，带阻滤波器可以滤除特定次数谐波，低通滤波器和带阻滤波器级联结构的滤波器可以滤除高频和倍频分量。所述压控振荡器可以输出脉冲，其频率与输入量相关。 

本实用新型技术方案的优点是：本实用新型的新型软锁相环可以实现当电网发生不对称故障时，准确、快速地检测电网电压正序分量的幅值与相位，不仅能有效抑制相位100Hz扰动，而且响应速度快、稳定性能好、抗干扰能力强，有助于改善网侧变流器在电网不对称故障期间的动态控制性能，为风力发电系统低电压穿越技术提供了保障。 

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。 

图1是该新型软锁相环矢量示意图。 

图2是该新型软锁相环结构实现框图。 

图3是该新型软锁相环小信号模型示意图。 

图4是该新型软锁相环中滤波器的频率特性图。 

图5是该新型软锁相环加入滤波环节的波特图和阶跃响应曲线。 

图6是该新型软锁相环未加入滤波环节的波特图和阶跃响应曲线。 

图7是该新型软锁相环在风里发电系统中阶跃响应曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的软锁相环做进一步详细的说明。 

本实用新型所述的软锁相环，其工作过程是基于abc-dq坐标系变换，如图1所示，即基于同步旋转坐标系的变换，两相同步旋转坐标系(dq)以电网电压基波角频率ω在逆时针旋转，且d轴与a轴的夹角为θ，设电网电压矢量为 则电网电压在dq轴的分量为u_d、u_q，由图可以看出u_q反映了d轴与电网电压 

的相位关系。u_q＞0时，d轴滞后于 

应增大同步信号频率；u_q＜0时，d轴超前 

应减小同步信号频率；u_q＝0时，d轴与 

同相。因此，可通过控制使u_q＝0来实现锁相。图1中所示，abc为三相坐标系，dq为同步旋转坐标系，u_d、u_q为电压矢量在dq坐标系下的dq分量。 

基于以上工作原理，SPLL具体实现框图如图2所示，即该软锁相环是由鉴相器、滤波器、调节器和振荡器构成。鉴相器、滤波器、调节器和振荡器为串联结构，即鉴相器的输入信号为三相电压，其输出端接到滤波器的输入端，滤波器的输出端接到调节器的输入端，调节器的输出端接到振荡器的输入端，振荡器的输出信号为锁相环的输出信号。对dq坐标中倍频分量的滤除，可以采用低通滤波器也可以采用陷波器。但是低通滤波器频带窄，在滤除倍频分量的同时，会影响锁相环动态性能，不能实现快速性的功能；而陷波器只将陷波角频率设计为2ω，这样陷波器可以滤除倍频分量，但不能滤除2次谐波以外的高次谐波。因此，综合考虑动态效果和检测精度，本实用新型提出一种兼具陷波和低通滤波功能的滤波器，即巴特沃斯2阶带阻滤波器和2阶低通滤波器级联的4阶滤波器。其中，巴特沃斯2阶带阻滤波器的截止频率为f_c1，2阶低通滤波器的截止频率为f_c2，该滤波器在S域传函数可表示为 

$H\left(s\right)=\frac{a_4{s}^4+a_3{s}^3+a_2{s}^2+a_1{s}^1+a_0}{b_4{s}^4+b_3{s}^3+b_2{s}^2+b_1{s}^1+b_0}$

其中，a₄、a₃、a₂、a₁、a₀、b₄、b₃、b₂、b₁、b₀分别为常系数。 

对于调节器，本实用新型采用超前校正环节对系统进行优化，缩短响应时间，满足软锁相环的快速性要求，该超前校正环节在S域传递函数可表示为 

$C\left(s\right)=\frac{1}{a}\×\frac{1+\mathrm{aTs}}{1+\mathrm{Ts}}$

其中，a、T、aT为调节器系数。 

此新型软锁相环的小信号模型如图3所示，图中，H(S)为滤波器环节，C(S)为调节器环节；其中q^*和q为电压矢量q轴分量，H(s)为滤波器传递函数，C(s)为调节器的传递函数，1/S为振荡器的传递函数。 

在此新型软锁相环中，设置4阶滤波器为截止频率为f_c＝55Hz～195Hz的巴特沃斯2阶带阻滤波器和截止频率为f_c＝195Hz的2阶低通滤波器级联，则该滤波器在S域传函数可表示为 

$H\left(s\right)=\frac{0.007533s^4+104.6s^3+1.412\×{10}^6{s}^2+4.835\×{10}^{7}s+6.374\×{10}^{11}}{s^4+2611s^3+3.453\×{10}^6{s}^2+2.059\×{10}^{9}s+6.374{\×10}^{11}}$

其频率特性如图4所示。图4示出的是该锁相环中滤波器的幅频和相频特性曲线，其中横坐标为频率，纵坐标分别为幅值和相角，由图可以看出，在频率为100Hz时，幅值衰减为170dB，可以达到滤除倍频分量的要求。 

带入本实用新型所提出滤波环节，调节器采用本实用新型采用的超前校正环节，得到改进后的新型SPLL闭环频率特性和阶跃响应。由图5可以看出，改进后的SPLL阶跃响应调整时间为t_s＝0.02s，相位裕量为90°，而且能够完全抑制控制回路中的100Hz分量，其性能完全满足倍频分量的抑制和响应速度快速的要求。图5示出的是该锁相环的幅频、相频特性曲线及响应时间曲线，其中幅频、相频特性曲线的横坐标为频率，纵坐标分别为幅值和相角，由图可以看出，在频率为100Hz时，幅值衰减为190dB，可以达到滤除倍频分量的要求，响应时间曲线的横坐标为时间，由图可以看出，响应时间为0.025s，满足锁相环的快速性的要求。 

若不考虑本实用新型提出的滤波环节，调节器采用PI调节器，则SPLL为一个二阶系统，其闭环传递函数为 

$G_{\mathrm{close}}\left(s\right)=\frac{K_{p}s+K_i}{s^2+K_{p}s+K_i}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中：自然振荡角频率 阻尼比 

K_p、K_i为PI调节器的比例系数和积分系数。取ξ＝0.707为最佳阻尼比，设计其调整时间t_s＝0.04s，K_p＝236，K_i＝14105，则此软 锁相环的频率特性如图6所示。图6示出的是该锁相环未加入本实用新型的滤波器环节的幅频、相频特性曲线及响应时间曲线，其中幅频、相频特性曲线的横坐标为频率，纵坐标分别为幅值和相角，由图可以看出，在频率为100Hz时，幅值衰减为10dB，不能达到滤除倍频分量的要求，响应时间曲线的横坐标为时间，由图可以看出，响应时间为0.06s，不能满足锁相环的快速性的要求。由图6可以得出，系统的带宽为70Hz左右，但100Hz分量衰减只有-8dB，SPLL输出相位在电网不对称故障期间会存在100Hz波动，不能满足倍频分量的抑制和响应速度快速的要求。 

如图7所示，为该锁相环在风力发电系统中的阶跃响应曲线，其中横坐标为时间，纵坐标分别为系统正序电压相位和该新型软锁相环的输出的电压相位以及系统电压波形和该新型软锁相环输出的电压波形。由图可以看出，在系统电压正序电压相位跳变30°时，该新型软锁相环的输出电压相位也发生跳变30°，该新型软锁相环输出的电压波形在经过0.02s的调节后与系统电压波形保持一致，满足快速、准确获取电网信息的要求。 

此处已经根据特定的示例性实施例对本实用新型进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本实用新型的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本实用新型的范围的限制，本实用新型的范围由所附的权利要求定义。 

Claims (3)

1.一种基于滤波器的软锁相环，其特征在于：由鉴相器、滤波器、调节器和压控振荡器组成，鉴相器、滤波器、调节器和振荡器为串联结构，所述鉴相器的输入信号为三相电压，所述鉴相器的输出端接到滤波器的输入端，所述滤波器的输出端接到调节器的输入端，所述调节器的输出端接到振荡器的输入端，振荡器的输出信号为锁相环的输出信号。

2.如权利要求1所述的软锁相环，其特征是：所述鉴相器采用乘法鉴相器。

3.如权利要求2所述的软锁相环，其特征是：所述调节器采用PI比例-积分调节器。 

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