CN103391095A - 基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其至少包括第一鉴相器、第二鉴相器、第三鉴相器、正序电压解耦变换计算模块、负序电压解耦变换计算模块、若干个分别连接在正序电压解耦变换计算模块输出端和负序电压解耦变换计算模块输出端的低通滤波器、全波积分器和PI控制器；本发明将三相电压信号在第一鉴相器分解为正序、负序和零序分量的基础上，分别进行正序、负序两个坐标轴下的dq转换，并利用负向dq坐标系下的转换结果消除正向dq坐标系转换时产生的二倍频分量，从而抑制了负序分量对锁相结果的影响。本发明能在三相信号不平衡时有效跟踪出其正序分量，且该锁相环的运算量较小，更适合在实时控制***中使用。

Description

基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环

技术领域

本发明涉及数字锁相技术，尤其是涉及一种基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环。

背景技术

在光伏等逆变***中，当电网电压不平衡和畸变情况下，必须准确而快速检测电网电压正序基波分量的相位和频率信号而实现低电压穿越，需要分解电网电压的正序分量和负序分量，分别设计正序控制器和负序控制器采用延时控制法实现电网电压的低电压穿越控制。

然而，现有采用延时控制方法需要存储电网电压的采样点，要求的存储空间较大，且分解电网电压的正序分量和负序分量受电网电压波动的影响较大，导致控制效果不佳。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，利用解耦方法分解出了三相不平衡电压中的正序分量、负序分量和零序分量实现锁相的功能。

本发明采用如下技术方案实现：一种基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其至少包括第一鉴相器、第二鉴相器、第三鉴相器、正序电压解耦变换计算模块、负序电压解耦变换计算模块、若干个分别连接在正序电压解耦变换计算模块输出端和负序电压解耦变换计算模块输出端的低通滤波器、全波积分器和PI控制器；

所述第一鉴相器用于将三相电压u_a、u_b和u_c进行αβ坐标系的变换，得到正序分量和负序分量在αβ坐标系上的分量

和

所述第二鉴相器连接在所述第一鉴相器的输出端与正序电压解耦变换计算模块的输入端之间，用于将第一鉴相器的输出结果在正向dq坐标系d⁺q⁺进行正向同步变换，得到

和

所述第三鉴相器连接在所述第一鉴相器的输出端与负序电压解耦变换计算模块的输入端之间，用于将第一鉴相器的输出结果在负向dq坐标系d^-q^-进行负向同步变换，得到

和

所述正序电压解耦变换计算模块和所述负序电压解耦变换计算模块分别用于对正序电压、负序电压进行解耦变换计算，利用负向dq坐标系d^-q^-下的转换结果消除正向dq坐标系d⁺q⁺转换时产生的二倍频分量；

所述PI控制器用于对所述正序电压解耦变换计算模块输出的

信号采用闭环控制来消除偏差；

所述全波积分器用于产生反馈相位θ′提供给所述第二鉴相器、所述第三鉴相器、所述正序电压解耦变换计算模块和所述负序电压解耦变换计算模块。

其中，

U⁺为正序基波电压峰值，U^-为负序基波电压峰值，

正序基波电压的初始相位角，

是负序基波电压的初始相位角，为时间。

其中，根据

和所述第二鉴相器和所述第三鉴相器输出结果的计算公式为：

其中，所述正序电压解耦变换计算模块对正序电压进行解耦变换计算，得到

和

计算公式为：

其中，所述负序电压解耦变换计算模块对负序电压进行解耦变换计算，得到

和

计算公式为：

其中，所述全波积分器的传递函数均为1/s，s为拉氏算子。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，与现有延时控制方法实现正负序分解相比较，不需要存储电网电压的采样点，节省了存储空间，此外，分解的结果受电网电压波动的影响小，分解效果较好。并且，由于采用闭环控制，可获得良好的锁相性能，在三相电压平衡的条件下，能取得很好的效果，但是当三相电压不平衡时，相位跟踪效果较差。再者，本发明能在三相信号不平衡时有效跟踪出其正序分量，且该锁相环的运算量较小，更适合在实时控制***中使用。

附图说明

图1是本定明锁相环的结构示意图。

图2是双同步坐标系电压矢量示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种完全消除电压不平衡的影响的锁相环，基于双同步坐标变换和解耦计算，在电网电压频率突变和单相接地等故障情况下也能快速、准确地锁定相位。

如图1所示，本发明提出的锁相环至少包括第一鉴相器11、第二鉴相器12、第三鉴相器13、正序电压解耦变换计算模块14、负序电压解耦变换计算模块15、若干低通滤波器、全波积分器16和PI控制器17。

第一鉴相器将三相电压u_a、u_b和u_c进行αβ坐标系的变换，抑制了零序分量的影响并得到正序分量和负序分量在αβ坐标系上的分量

和

不平衡电压矢量在双同步参考坐标系下的分解，在三相电网电压不平衡时，根据对称分量法，电网电压矢量可以描述为正序、负序和零序分量的合成。即

   式(1-1)

式(1-1)中：U⁺、U^-和U⁰分别是正序基波电压峰值、负序基波电压峰值和零序基波电压峰值；

和

分别是正序基波电压的初始相位角、负序基波电压的初始相位角和零序基波电压的初始相位角。

三相电压u_a、u_b和u_c变换到两相静止坐标系，零序分量变换为零，从而抑制了零序分量的影响。电网电压矢量在αβ坐标系下可描述为：

   式(1-2)

式(1-2)中分别为正序分量和负序分量在αβ坐标系上的分量。

从式(1-2)可以看出，在αβ坐标系上，电压矢量可以分别为以角频率ω旋转的正序电压分量U⁺和以角频率为-ω旋转的负序电压分量U^-。如图2所示，它是由2个旋转坐标系组成：一个是以频率ω旋转的d⁺q⁺坐标系，旋转的角度为θ′(其中θ′为全波积分器16输出的反馈相位，全波积分器16的传递函数均为1/s，s为拉氏算子)；另一个是以角频率为-ω旋转的d^-q^-坐标系，旋转的角度为-θ′。

由第二鉴相器12对第一鉴相器11的输出结果在正向dq坐标系d⁺q⁺进行正向同步变换，得到

和

由第三鉴相器13对第一鉴相器11的输出结果在负向dq坐标系d^-q^-进行负向同步变换，得到和

   式(1-3)

根据双同步锁相原理，正向同步变换的旋转角θ′应该尽可能接近于

即有

将式(1-3)整理得：

   式(1-4)

由式(1-4)可以看出，在正向dq坐标系d⁺q⁺的正向变换下，输出电压的正序分量变成了直流量，负序分量则变为2ω频率的交流分量；同样，在负向dq坐标系d^-q^-的负向变换下，输出电压的负序分量为直流量，而正序分量为2ω频率的交流分量。

然后，由正序电压解耦变换计算模块14对正序电压进行解耦变换计算，得到

和

如下式(1-5)所示；由负序电压解耦变换计算模块15负序电压进行解耦变换计算，得到

和

如下式(1-6)所示。

由式(1-4)已知：

令

则得：

   式(1-5)

同样由式(1-4)已知：

令：

则得：

   式(1-6)

然后，由多个分别连接在正序电压解耦变换计算模块14的输出端、负序电压解耦变换计算模块15输出端的低通滤波器对

和

同时进行低通滤波处理，即对式(1-5)和式(1-6)的结果同时进行低通滤波得：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{u_d^{+}}\\ \stackrel{\‾}{u_q^{+}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_d^{+}\\ u_q^{+}\end{array}\right]$    式(1-7)

   式(1-8)

当锁相后，

代入式(1-6)得

   式(1-9)

将式(1-8)代入式(1-5)得：

$\left[\begin{array}{c}{u_d^{+}}^{*}\\ {u_q^{+}}^{*}\end{array}\right]\≈\left[\begin{array}{c}{u}_d^{+}\\ u_q^{+}\end{array}\right]-\stackrel{\‾}{u_d^{-}}\left[\begin{array}{c}\cos \left(2{\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\\ -\sin \left(2{\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\end{array}\right]-\stackrel{\‾}{u_q^{-}}\left[\begin{array}{c}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\\ \cos \left(2{\mathrm{\θ}}^{\′}\right)\end{array}\right]$    式(1-10)

并且，对正序电压解耦变换计算模块14输出信号的闭环控制采用PI控制器17来消除偏差。当

时，即可实现输出相位与电网电压相位同步。由于采用闭环控制，可获得良好的锁相性能。该算法在三相电压平衡的条件下，能取得很好的效果，但是当三相电压不平衡时，相位跟踪效果较差。

因此，本发明将三相电压信号在分解为正序、负序和零序分量的基础上，分别进行正序、负序两个坐标轴下的dq转换，并利用负向dq坐标系d^-q^-下的转换结果消除正向dq坐标系d⁺q⁺转换时产生的二倍频分量，从而抑制了负序分量对锁相结果的影响。本发明能在三相信号不平衡时有效跟踪出其正序分量，且该锁相环的运算量较小，更适合在实时控制***中使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其特征在于，至少包括第一鉴相器、第二鉴相器、第三鉴相器、正序电压解耦变换计算模块、负序电压解耦变换计算模块、若干个分别连接在正序电压解耦变换计算模块输出端和负序电压解耦变换计算模块输出端的低通滤波器、全波积分器和PI控制器；

所述第一鉴相器用于将三相电压u_a、u_b和u_c进行αβ坐标系的变换，得到正序分量和负序分量在αβ坐标系上的分量

和

所述第二鉴相器连接在所述第一鉴相器的输出端与正序电压解耦变换计算模块的输入端之间，用于将第一鉴相器的输出结果在正向dq坐标系d⁺q⁺进行正向同步变换，得到

和

所述第三鉴相器连接在所述第一鉴相器的输出端与负序电压解耦变换计算模块的输入端之间，用于将第一鉴相器的输出结果在负向dq坐标系d^-q^-进行负向同步变换，得到

和

所述正序电压解耦变换计算模块和所述负序电压解耦变换计算模块分别用于对正序电压、负序电压进行解耦变换计算，利用负向dq坐标系d^-q^-下的转换结果消除正向dq坐标系d⁺q⁺转换时产生的二倍频分量；

所述PI控制器用于对所述正序电压解耦变换计算模块输出的信号采用闭环控制来消除偏差；

所述全波积分器用于产生反馈相位θ′提供给所述第二鉴相器、所述第三鉴相器、所述正序电压解耦变换计算模块和所述负序电压解耦变换计算模块。

2.根据权利要求1所述基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其特征在于，

U⁺为正序基波电压峰值，U^-为负序基波电压峰值，

正序基波电压的初始相位角，

是负序基波电压的初始相位角，为时间。

3.根据权利要求2所述基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其特征在于，根据

和

所述第二鉴相器和所述第三鉴相器输出结果的计算公式为：

4.根据权利要求3所述基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其特征在于，所述正序电压解耦变换计算模块对正序电压进行解耦变换计算，得到

和计算公式为：

5.根据权利要求4所述基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其特征在于，所述负序电压解耦变换计算模块对负序电压进行解耦变换计算，得到和

计算公式为：

6.根据权利要求1所述基于解耦控制的三相电压不平衡锁相环，其特征在于，所述全波积分器的传递函数均为1/s，s为拉氏算子。

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