CN106487039A - 一种适用于畸变电网的锁相技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于畸变电网的锁相技术，在传统的三相锁相环中，加入了重复控制器闭环回路，在原有Parker变换参考相位基础上，补偿了谐波相位，大大减小了在电网电压不平衡及畸变条件下，基波频率及相位检测的误差。因此，本发明适用于一般畸变电网，能在该条件下，准确而快速地检测出基波电压的频率和相位信息，从而保证实际电网、特别是弱电网下并网型电力电子装置运行的可靠性和稳定性。

Description

一种适用于畸变电网的锁相技术

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种适用于畸变电网的锁相技术。

背景技术

在大多数并网型电力电子装置(如风电变流器、光伏并网装置、有源滤波器、静止无功补偿器、直流输电逆变/整流阀等)中，为保证并网和运行的安全可靠性，一般需要通过锁相技术，实时检测电网基波电压的频率、相位。而实际电网中允许出现一定的不平衡及谐波畸变，加上更多的新能源发电并网装置安装在弱电网中，锁相技术面临电网畸变的挑战。不少文献表明^[1]，传统的基于d、q变换的锁相技术在畸变电网中性能下降，检测的频率、相位发生一定畸变。这造成坐标变换的基准相位发生偏移，进而使坐标变换后的电压/电流的d、q轴分量偏离实际，降低并网型电力电子装置的运行质量，破坏并网型电力电子装置的运行稳定。因此应提高锁相技术，保证其在畸变电网下也能准确检测基波电压的频率、相位。目前文献^[2-5]主要基于以下技术提高锁相技术：1通过坐标变换分离正、负序电压；2通过延时分离正、负序电压；3通过谐振控制器补偿谐波相位；4利用低通滤波器滤除不平衡及谐波电压。其中1、2两种方法都针对不平衡电网，分别通过坐标变换及延时，去除电网电压的负序分量，将基波电压的q轴分量送入PI调节器。这两种方法都可有效消除不平衡电网下负序电压分量引起的锁相结果误差。但方法1运算量较大，方法2存在较大延时，且都无法适用于谐波畸变电网。方法3通过谐振控制器补偿谐波相位，以消除特定次谐波对基波频率和相位检测的影响。此方法运算量小，然而只能针对特定次谐波畸变电网。方法4则通过一个低通滤波器，滤除电网电压q轴分量的不平衡及谐波后，再将基波电压的q轴分量送入PI调节器。该方法可以较好的适用于畸变电网，然而低通滤波器的加入必然引起一定的延时，使锁相环节响应速度降低。需要寻求一种具有较快响应速度且适用于谐波畸变电网的锁相技术。

参考文献

[1]吴恒，阮新波，杨东升，弱电网条件下锁相环对LCL型并网逆变器稳定性的影响研究及锁相环参数设计，中国电机工程学报，2014年10月25日，第34卷第30期，pp:5259-5268。

[2].周鹏，贺益康，胡家兵，电网不平衡状态下风电机组运行控制中电压同步信号的检测，电工技术学报，2008年5月，第23卷第5期，pp:108-113。

[3].龚锦霞，解大，张延迟，三相数字锁相环的原理及性能，电工技术学报，2009年10月，第24卷第10期，pp:94-99。

[4]王颢雄，马伟明，肖飞，等，双dq变换软件锁相环的数学模型研究，电工技术学报，2011年7月，第26卷第7期，pp:238-241。

[5]刘扬，谭国俊，基于改进型自适应锁相环的特定次谐波补偿算法在APF中的应用，电工技术学报，2013年5月，第28卷第5期，pp：259-264。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种适用于畸变电网的锁相技术，能够提高***动态响应速度，并控制所有可能出现的谐波电流。

一种适用于畸变电网的锁相技术，包括如下步骤：

(1)采集电网三相电压；

(2)通过Park变换确定三相电压在同步速旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量；

(3)将电压的q轴分量通过一个比例-积分控制器，检测得到电网基波电压的频率；将检测得到的频率通过积分器进行积分，检测得到电网A相基波电压的相位；

(4)将电压的q轴分量通过一个重复控制器，重复控制器输出为谐波电压的补偿相位；

(5)将(3)中检测的基波电压相位与(4)中的谐波电压补偿相位相加，作为步骤(2)中的Park变换的参考相位。

所述的步骤(2)中，根据下式进行Park变换：

其中：U_a、U_b和U_c分别为电网A相、B相和C相电压；U_d和U_q分别为三相电网电压在同步速旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量；θ为Park变换的参考相位。

所述的步骤(3)中，根据以下算式进行PI调节，检测电网基波电压的频率ω₁；

其中：K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

根据以下算式进行积分，检测电网基波电压的相位θ₁；

所述的步骤(4)中，根据以下算式进行重复控制器调节，得到谐波电压补偿相位θ_h：

其中：k_r为给定的重复控制系数，k_f为提高重复控制稳定性的给定系数，s为拉普拉斯算子，T＝0.02秒。

所述的步骤(5)中，根据下式计算步骤(2)中的Park变换的参考相位θ：

θ＝θ₁+θ_h

本发明能够在保证良好的动态响应条件下，减小由于电网畸变电压引起的基波电压频率、相位的检测误差，确保实际畸变电网中，基波电压频率和相位检测的正确性，从而确保并网型电力电子装置的稳定性及安全性，有效提高实际电网中电力电子装置的运行质量。本发明在传统的基于坐标变换的锁相环中，加入了基于重复控制器的闭环控制环路。其中，重复控制器调节的周波频率为50Hz，可大大地消除不平衡及任意次谐波电压引起的锁相误差，由此可精准地检测出电网基波电压的频率和相位信息。

本发明采用重复控制器消除谐波电压的影响，相比已有的采用低通滤波器的方法，具有更快的动态响应能力，减小电网相位变动给并网型电力电子装置运行带来的影响。相比与基于坐标变化或者延时的正、负序分离的方法，本发明采用重复控制器，不仅能消除不平衡电压的不利影响，还能任意次谐波电压的不利影响。由于实际电网畸变不可预测，而本发明能应对不平衡及任意次谐波畸变电网。所以无论电网电压畸变情况如何，都能快速而精准地检测基波电压频率、相位，是一种适用于实际畸变电网的锁相技术。

本发明方法适用于各种三相并网型电力电子装置。

附图说明

图1(a)为已有的非理想电网下的基于谐振控制器的锁相技术的原理图；

图1(b)为已有的非理想电网下的基于低通滤波器的锁相技术的原理图；

图2为本发明提出的锁相技术原理图；

图3a(1)-(4)为已有的非理想电网下基于谐振控制器的锁相技术的仿真波形图。

图3b(1)-(4)为已有的非理想电网下基于低通滤波器的锁相技术的仿真波形图。

图4(1)-(4)为本发明提出的锁相技术的仿真波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明“一种适用于畸变电网的锁相技术”进行详细说明。

如图2所示，一种适用于畸变电网的锁相技术，包括如下步骤：

1、利用电压霍尔传感器，采集电网三相电压；

2、通过Park变换模块1确定三相电压在同步速旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，Park变换的公式如下：

其中：U_a、U_b和U_c分别为电网A相、B相和C相电压；U_d和U_q分别为三相电网电压在同步速旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量，θ为Park变换的参考相位。

3、利用比例-积分控制器模块2，根据电压的q轴分量通过下式检测电网基波电压的频率ω₁：

其中：U_q为电网电压在同步速旋转d-q坐标系中的q轴分量，ω₁为检测得到的电网基波电压的频率，K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

利用积分器模块3，根据检测得到的基波电压的频率ω₁，通过下式

检测电网基波电压的相位θ₁；

4、利用重复控制器模块4，根据电压的q轴分量通过下式计算谐波电压的补偿相位θ_h:

其中：θ_h为谐波电压补偿相位，k_r为给定的重复控制系数，k_f为提高重复控制稳定性的给定系数，s为拉普拉斯算子，T＝0.02秒。

根据下式，将检测得到的基波电压相位θ₁与计算得到的谐波电压补偿相位θ_h相加，得到Park变换的参考θ:

θ＝θ₁+θ_h

其中：θ为步骤2中的Park变换的参考相位。

以下我们分别采用已有锁相技术和所提出锁相技术进行仿真，分别如图3、图4所示。图3a-(1)、3b-(1)及4-(1)中，电网电压不平衡畸变；图3a-(2)、3b-(2)及4-(2)中，电网电压5次谐波畸变；图3a-(3)、3b-(3)及4-(3)中，电网电压17次谐波畸变；图3a-(4)、3b-(4)及4-(4)中，电网电压21次谐波畸变，且在0.05秒时刻，电网基波电压相位跳变60°。图3为已有的非理想电网下的锁相技术仿真波形：图3a采用基于谐振控制器的锁相技术；图3b采用基于低通滤波器的锁相技术。图4为本发明提出的锁相技术仿真波形。

如图3a所示，采用基于谐振频率为300Hz的谐振控制器的锁相技术，可在电网电压5次谐波畸变的情况下(即图3a-(2))，较为精准地检测出电网基波电压的频率和相位，检测出的频率信号稳定在1.0p.u；而当电网电压发生不平衡畸变，如图3a-(1)所示，或者电网电压17次、21次谐波畸变时，即如图3a-(3)和3a-(4)所示，检测的电网基波电压频率和相位存在误差，检测出的频率信号在1.0(p.u)上下波动。这种方法只能针对特定次谐波畸变电网，无法适应谐波复杂多变的实际电网。若采用基于低通滤波器的锁相技术，如图3b所示，在电网电压畸变的情况下，可减小检测出的电网基波电压的频率和相位的误差；电网电压谐波畸变次数越高，误差越小；如图3b-(1)所示，电网电压发生不平衡畸变，检测的频率在1.0(p.u)上下波动较大，误差较大；如图3b-(2)所示，电网电压5次谐波畸变时，检测的频率存在波动，但幅度有所减少；随着电网电压谐波畸变次数的增大，检测出的频率误差逐渐减少，如图3b-(3)所示，在电网电压17次谐波畸变下，所检测的频率信号基本稳定在1.0(p.u)，误差基本为零。这种方法可以在一定程度上适用于较高次谐波畸变的电网，然而不能适用于不平衡及低次谐波畸变电网。同时，从图3a-(4)及3b-(4)中可见，两种方法的动态响应较慢，在相位跳变60°时，稳定时间分别超过0.2秒和0.04秒。采用本发明所提的基于重复控制器的锁相技术，如图4所示，无论在电网电压不平衡、5次谐波、17次谐波或是21次谐波畸变的情况下，均能精准检测出电网基波电压的频率和相位，检测的频率信号稳定在1.0(p.u)；同时，如图4-(4)所示，当电网基波电压相位跳变60°时，仅需0.02秒达到稳态，具有较快的动态响应能力。可见，该锁相技术适用于不平衡及任意次谐波畸变的实际电网，具有一般性和普适性，同时也具有较好的动态响应能力。

Claims (4)

1.一种适用于畸变电网的锁相技术，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

(1)采集电网三相电压；

(2)通过Park变换确定三相电压在同步速旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量；

(3)将电压的q轴分量通过一个比例-积分控制器，检测得到电网基波电压的频率；将检测得到的频率通过积分器进行积分，检测得到电网A相基波电压的相位；

(4)将电压的q轴分量通过一个重复控制器，重复控制器输出为谐波电压的补偿相位；

(5)将(3)中检测的基波电压相位与(4)中的谐波电压补偿相位相加，作为步骤(2)中的Park变换的参考θ。

2.根据权利要求1所述的锁相技术，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下算式进行PI调节，检测电网基波电压的频率ω₁；

${\mathrm{\ω}}_1=(K_p+\frac{K_i}{s})U_q$

其中：U_q为电网电压在同步速旋转d-q坐标系中的q轴分量，ω₁为检测得到的电网基波电压的频率，K_p和K_i分别为给定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；

根据以下算式进行积分，检测电网基波电压的相位θ₁；

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{s}{\mathrm{\ω}}_1.$

3.根据权利要求1所述的锁相技术，其特征在于：所述的步骤(4)中，根据以下算式进行重复控制器调节，得到谐波电压补偿相位θ_h：

${\mathrm{\θ}}_h=\frac{k_r{e}^{-sT}}{1-k_f{e}^{-sT}}\·U_q$

其中：θ_h为谐波电压补偿相位，k_r为给定的重复控制系数，k_f为提高重复控制稳定性的给定系数，s为拉普拉斯算子，T＝0.02秒。

4.根据权利要求1所述的锁相技术，其特征在于：所述的步骤(5)中，根据下式计算步骤(2)中的Park变换的参考相位：

θ＝θ₁+θ_h

其中：θ为步骤(2)中的Park变换的参考相位；

步骤(2)中的Park变换为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& cos(\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& cos(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -sin\mathrm{\θ}& -sin(\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -sin(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right].\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]$

其中：U_a、U_b和U_c分别为电网A相、B相和C相电压；U_d和U_q分别为三相电网电压在同步速旋转d-q坐标系中的d轴分量和q轴分量。