CN202034965U - 锁相环和相角生成器 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有用于同步电网格的跟踪滤波器的锁相环。提供用于同步具有失衡电压的电网格的方法和***。可以在配置成即使在电压失衡时仍然可以维持网格的同步操作的锁相环中同步电压矢量。例如，锁相环可以耦接到设计成估计电压误差信号扰动的一个或者多个跟踪滤波器。可以在锁相环确定对网格频率的估计之前从误差信号去除估计的扰动。因此，可以减轻电压失衡的不利影响，比如异常电流表现。

Description

锁相环和相角生成器

技术领域

本实用新型主要地涉及电网络并且更具体地涉及同步向电网络中的输入信号的方法。 

背景技术

可以在网络中连接或者组织电设备以实现向设备发送电力或者在设备之间通信。这样的互连设备网络可以称为网格。例如，电网格可以是用于从一个或者多个发电机向连接设备(电业公司的客户)送电的互连网络。电力网格可以按照同步频率、幅度和/或相角发送AC电力以高效地连接大量发电机和设备。网格或者网格部分的同步操作可以实现分担发电以及分担负载以获得更低运应成本。 

尽管发送同步AC电力可以有利于高效输电和/或配电，但是诸多因素可能扰动网格同步。例如，主要扰动可以包括电压失衡、角频率变化和电压谐波失真。具体而言，电压失衡可能在电力网格中普遍存在，因为网格的单相负载可能并未均匀地分布于供应电力的相之间并且可能被持续地连接和断开。另外，典型电力***的配置可能固有地不对称。 

美国国家标准协会(ANSI)推荐在发电机无负载工作时失衡不多于3％。然而，在两个并行电压之间的任何幅度、频率和/或相角差异可能在网格内引起异常电流循环。在一些电力网格中，甚至少量电压失衡也可能造成大量电流失衡。失衡电流可能使网格设备(比如AC-DC转换器、周波变换器、有源滤波器、电感电动机和工作用以转换电力和/或通过网格向连接的电设备传送电力的其它储能***)受压。失衡电流也可能使网格链路电感器和电容器受压，并且在网格的一个终端设备中的失衡电流可能引起经过网格的转矩脉动。减少电压和/或失衡影响的方法可以改进网格的性能和同步操作。 

实用新型内容

一个实施例涉及一种用于与电网格同步的方法。该方法包括接收网格的相电压并且使用一个或者多个跟踪滤波器来确定相电压的扰动频率。该方法还包括去除扰动频率以产生干净相电压并且对干净相电压进行锁相环操作以确定网格的相电压的相角。 

另一实施例涉及一种包括电路和跟踪滤波器的锁相环。该电路被配置成从电网格接收一个或者多个输入电压矢量并且确定电网格电压的相角和频率。该跟踪滤波器可以确定电网格电压的扰动频率，该扰动可能在网格中引起电压失衡。在一个实施例中，跟踪滤波器也可以去除扰动频率。电路然后可以使用扰动频率被去除的网格电压来确定网格电压的相角。 

在另一实施方式中，呈现一种相角生成器。该相角生成器可以包括配置成接收电网格电压并且确定电压的相角和/或频率的锁相环。相角生成器也可以包括配置成估计电网格电压的扰动频率的跟踪滤波器并且可以去除扰动频率。锁相环可以输出用于与电网格同步的电网格电压的相角。 

附图说明

本实用新型的这些和其它特征、方面及优点在参照附图阅读下文详细描述时将变得更好理解，在这些附图中，相似标号通篇地代表附图中的相似部分，其中： 

图1是图示了根据本实用新型一个实施例的典型工业电力网格的框图； 

图2是代表锁相环如何可以估计电网格电压的相角的框图； 

图3是代表配置成在电压输入失衡时输出同步电压的锁相环的框图； 

图4A和图4B是描绘了具有三相的电网格电流中的电流失衡的曲线图； 

图5是描绘了在电网格电压失衡时的参考频率、从无扰动跟踪的锁相环输出的频率估计和从有扰动跟踪的锁相环输出的频率估计的曲线图；并且 

图6是描绘了在电网格电压失衡时的参考频率和从有扰动跟踪和去除扰动跟踪的锁相环输出的频率估计。 

具体实施方式

网格可以是指可以互连以实现在负载之间通信和/或向负载发送电力的负载(电动机和设备等)网络。网格的一个例子是电力网格，该电力网格可以是发电机、配电器和客户网络。一个或者多个电厂可以生成可以转换并且向电业公司的客户配送的电力。在更小规模上，工业网格可以是如下网格的另一例子，其中发电机可以生成将向经由网格来供电的各种电动机或者其它设备配送的电力。 

电网格(例如电力网格或者工业网格)可以包括并行操作的交流(AC)功率源。可以在频率、幅度和/相角上同步各种源生成和配送的电力。AC电力的同步可以获得高效输电和/或配电。然而，比如电压失衡、角频率变化和/或电压谐波失真这样的扰动可能破坏AC输电的同步。具体而言，电压失衡可能在电力网格中普遍存在，因为网格的单相负载可能并未均匀地分布于供应电力的相之间并且可以被持续地连接和断开。另外，典型电力***的配置可能固有地不对称。 

可以在图1中图示电网格10的一个例子，其中发电机12可以通过网格10向不同设备的电动机18递送电力。通常，电网格10可以用三相AC功率源操作。因此，网格10可以包括三相变压器14，该变压器14可以控制典型电力递送网格中使用的三个相电压的值。另外，由于各设备可以按不同速度操作，所以网格10也可以包括配置成对用于各设备的电动机18的操作速度进行调节的可调速度驱动(ASD)16。 

典型电网格可能并不对称，因为负载(例如连接到电动机18的设备)可能并未均匀地分布于相之间。任何设备18的连接或者断开也可能影响发电机12和三相变压器14配送的三相信号。另外，在一个电动机18上的电压失衡可能影响耦接到失衡电动机18的其它电动机18的同步。例如在共同耦接点20，在耦接到ASD1的电动机18上的电压失衡也可能在耦接到ASD2或者ASD3的电动机18造成电压失衡，因为在电动机18之间无阻抗从而防止电压失衡通过网格10的共同耦接电动机18传播。如讨论的那样，两个耦接电压的这样的失衡(即幅度、频率和/或相角差异)可能引起大量电流失衡，该失衡可能损坏两个***。 

典型地，锁相环(PLL)技术可以用来通过调节来控制网格的相同步以使PLL输出δ’与两个测量输入A sin δ与A cos δ的相位δ之差为零。图2可以图示使用PLL 22的同步技术的一个示例。尽管网格通常供应三相电压，但是这三相可以描绘为针对图2的例子等效的两相。三相电压可 以平衡为相互异相120°。两相电压输入可以是在稳态中并且按照网格电压的频率旋转的异相90°的正弦波形。 

与相电压10等效的矢量的瞬间角位置δ可以调节成如下反馈环，该反馈环将d轴电压(V_d 30)或者经由加法器28的输入之和理想地调节成参考信号频率的值(例如在这一情况下为零)。取而代之，在一些实施例中，如果考虑按照单位的值，则反馈环可以将q轴电压调节成参考值一。以d轴调节为例，电压矢量V_d 30的检测到的d分量也可以称为误差信号。可以向补偿器32发送V_d 30，该补偿器确定网格电压的频率估计ω’_e。频率估计ω’_e然后可以由积分器34积分以确定网格电压的相角估计δ’。相角δ’可以由另一变换36用来输出正弦和余弦38，该正弦和余弦可以被反馈并且与原输入A sin δ和A cos δ(描绘为在增益68的归一化之后具有幅度1)相乘以在相减时生成新误差信号V_d 30。 

理想地，当不存在谐波失真或者电压失衡时，高带宽PLL可以检测电压矢量的相角和幅度以维持网格同步。当存在谐波失真(例如电压因高阶谐波而失真)时，可以减少PLL的带宽以抑制和消除谐波对输出的影响。然而，带宽减少可能并未消除失衡网格电压。因此，如先前讨论的那样，电压失衡可能引起异常电流条件，这些条件可能损坏连接到电力网格的功率源和/或设备。 

可以在图3的框图40中描绘本实用新型的一个实施例，该实施例使用配置成确定网格电压的相角、补偿相失衡并且与网格同步的锁相环。锁相环可能具有可能相位和/或幅度失衡的失衡输入。例如，锁相环40可能具有如具有不同电压幅度A和B的电压矢量A sin δ和B cos δ描绘的失衡输入。如将讨论的那样，增益68对用于A sin δ和B cos δ的系数的归一化可以实现量值为1。两个输入A sin δ和B cos δ可以由乘法器24和28变换以获得V_d 30或者对网格10的电压矢量中的失衡的估计。 

可以配置用于失衡电压输入的锁相环40可以向一个或者多个跟踪滤波器44和46发送V_d 30。当网格10均衡时，V_d 30可以是直流(DC)。当网格10失衡时，V_d 30可以是具有复频谱的非DC信号，该信号具有网格10的主导二阶谐波。跟踪滤波器44可以被配置成确定V_d 30中的扰动50，该扰动可以代表误差信号V_d 30的两倍基频或者输入信号A sin δ和Bcos δ中的电压失衡。确定扰动50可以基于从补偿器32向跟踪滤波器44和46的输入，该补偿器输出网格电压的频率估计ω’_e。跟踪滤波器44的输出可以是对V_d 30的两倍基频的估计。在一个实施例中，跟踪滤波器44 可以包括基于频率估计ω’_e(来自补偿器32的输入)的电流和时间延迟样本以及基于以下关系来跟踪正弦参考(这里为V_d 30)频率的硬件、软件或者二者的组合： 

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(\mathrm{KT}\right)\\ x_2\left(\mathrm{KT}\right)\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{x}_1(K-1)T\\ x_2(K-1)T\end{array}\right]+B[u\left(\mathrm{KT}\right)+u(K-1)T]$ 等式(1) 

其中K代表电流样本，T代表采样时间，x₁(KT)代表对误差信号V_d 30的频率的当前估计，而x₁(K-1)代表对误差信号V_d 30的频率的先前估计。可以通过将从补偿器32输入的同步频率估计ω_e的时间延迟样本相加来获得关系u(KT)+u(K-1)T。矩阵A可以是2x2矩阵，而矩阵B可以是2x1矩阵，二者定义如下： 

$A=\frac{1}{1+\frac{T}{2}a+{\left(\frac{T}{2}{\mathrm{\ω}}_0\left(\mathrm{KT}\right)\right)}^2}\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{T}{2}{\mathrm{\ω}}_0\left(\mathrm{KT}\right)\\ \frac{T}{2}{\mathrm{\ω}}_0\left(\mathrm{KT}\right)& 1+\frac{T}{2}a\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1-\frac{T}{2}a& -\frac{T}{2}{\mathrm{\ω}}_0(K-1)T\\ \frac{T}{2}{\mathrm{\ω}}_0(K-1)T& 1\end{array}\right]$

                等式(3) 

$B=\frac{1}{1+\frac{2}{\mathrm{aT}}+\frac{T}{2a}{\left({\mathrm{\ω}}_0\left(\mathrm{KT}\right)\right)}^2}\left[\begin{array}{c}1\\ \frac{T}{2}{\mathrm{\ω}}_0\left(\mathrm{KT}\right)\end{array}\right]$ 等式(4) 

本实用新型的锁相环40也可以包括用于跟踪任何其它可以在V_d 30中并且引起电压失衡的频率分量的另一跟踪滤波器46。例如，跟踪滤波器46可以如nXω_e所示为可调，其中n可以设置成估计谐波扰动或者信号V_d 30的交流(AC)分量的值。例如，PLL可以包括设置成二阶谐波扰动的跟踪滤波器、设置成三阶谐波的跟踪滤波器等。跟踪滤波器44和46的输出可以包括对误差信号V_d 30和/或引起电压失衡的任何其它扰动(例如三阶谐波、五阶谐波、直流分量等)的频率估计并且可以在加法器48中相加以生成扰动50。由于实施例可以具有一个或者多个跟踪滤波器(例如跟踪滤波器40和/或46)，所以第二跟踪滤波器46和加法器48由虚线代表。 

可以在加法器-减法器52中将信号V_d 30减去跟踪的扰动50，从而可以向补偿器32发送“干净”电压信号54。因此，干净信号54可以是跟踪的扰动50已经被去除(例如在加法器-减法器52减去)的信号V_d 30。补 偿器32可以包括如下放大器和积分器***，该***可以基于对网格电压的频率估计ω’_e来确定相角δ’。例如，积分器34可以输出相角δ’，该相角可以是对网格10的相角δ的估计。另外，如讨论的那样，补偿器32也可以向跟踪滤波器44和46输出频率估计ω’_e，从而跟踪滤波器可以应用一个或者多个算法以基于对网格相电压的当前和时间延迟频率估计ω’_e来估计扰动50。补偿器32输出的估计相角δ’可以在它被输出回到PLL 40中的乘法器24和26之前由36变换。 

频率估计ω’_e和/或相角δ’也可以被输出回到网格10。频率估计ω’_e可以先由脉宽调制器56调制，而调制的信号58(该信号可以是用于网格10的控制信号)可以由可以连接到网格10的转换器60用来控制网格10中的能量流动。如图所示，转换器可以连接到网格10的发电机12(如图1中那样)。变换的测量电压(归一化的V_q和V_d)62可以由滤波器64过滤，该滤波器可以例如包括用于滤除可以包括更高频率分量的任何其余噪声分量的低通模拟滤波器64。经过滤波的信号66(该信号现在可以与网格10的工作频率同步)还可以由增益68归一化以完成锁相环40。 

因此，本实用新型的PLL 40可以被配置成即使在电压失衡时仍然维持与网格同步。减轻电压失衡的影响可以使网格能够同步操作并且也可以保护由网格10供电的设备免受电流失衡的不利影响。本实用新型实施例的跟踪和/或去除扰动的配置并不限于图3的PLL 40中所示配置。例如，补偿器32可以向PLL 40外部的设备输出估计的相角δ’，或者估计的相角δ’还可以在它被返回到网格10之前被进一步处理和/或滤波。另外，积分器可以与补偿器32分离或者耦接到补偿器32。 

在图4A-图6中图示了与在向PLL 40中的电压输入失衡时对PLL 40的一个实施例的效果的一个例子仿真对应的数据。在图4A中，曲线图70代表失衡输入电流。如理解的那样，失衡电流可以与用于这一仿真的失衡电压类似地表现。曲线图70示出了电流矢量i_u、i_v和i_w在时域中的三相。图4B的曲线图图示了电流矢量i_u、i_v和i_w在频域中的三相的量值74。将失衡输入电流的频率响应表示为电流矢量i_u、i_v和i_w在50Hz处的电流幅度中的尖峰76。 

图5的曲线图78可以描绘应用典型PLL并且应用本技术以同步具有失衡电压的网格的效果。曲线图78描绘了参考角频率ω_ref 84(代表网格电压的角频率)和对PLLω_e的输出角频率估计86随时间80变化的角速度(弧度/秒)82。输出角频率估计ω_e 86可以在已经在这一数据中设置成 31416弧度/秒(50Hz)的参考角频率ω_ref 84周围波动。如曲线图78中所见，输出估计ω_e86可以在曲线图的标为“禁用”的近似从0至2.6秒的部分中明显波动。一旦启用使用跟踪滤波器的PLL，输出估计ω_e 86可以如曲线图的标为“启用”的近似从2.6至4.5秒的部分中所示更少波动。其余波动可以归因于在跟踪滤波器的带宽以外的其它谐波。因此，尽管典型PLL的输出估计ω_e 86可能在电压输入失衡时并不适合于与网格同步，但是使用本技术，频率估计ω_e 86可以明显更接近参考角频率ω_ref 84。 

本技术或者用PLL 40实现跟踪滤波器的一个实施例可以输出与网格电压的频率(参考角频率ω_ref)同步的角频率估计ω_e。图6的曲线图88显示了典型PLL的参考角频率ω_ref 84和输出ω_e前92以及适合于在电压失衡时同步的PLL 40的输出ω_e后94。随频率(Hz)72显示了ω_ref 84、ω_e前92和ω_e后94的角频率(弧度/秒)90。如曲线图88中所见，典型PLL的输出(在应用本技术之前)可能在二阶谐波扰动的基频50Hz的两倍处造成波动(在100Hz的尖峰)。然而，在ω_e后94看见PLL 40在应用本跟踪技术之后的输出，该输出示出了在100Hz处无明显波动，因为如图3中的PLL 40的一个实施例中所见通过跟踪和去除扰动频率已经去除二阶谐波扰动频率。 

如讨论的那样，PLL 40可以包括跟踪滤波器(例如跟踪滤波器44和跟踪滤波器46)的任何组合或者配置。尽管图4-图6中的曲线图70、78和88中所示数据描绘了去除二阶谐波扰动，但是PLL 40可以包括跟踪其它扰动的附加跟踪滤波器。其它跟踪的扰动可以在PLL 40中都被去除以在同步网格之时补偿电压。另外，尽管曲线图78、80和88按照角频率90显示了本技术，但是应当注意确定角频率ω_e和/或相角δ’可以使PLL 40能够在存在电压失衡时同步网格。 

尽管这里已经图示和描述本实用新型的仅仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此将理解所附权利要求旨在于包括如落在本实用新型的真实精神实质内的所有这样的修改和改变。 

通过上面对本实用新型的实施例的描述可知，本实用新型涵盖的技术方案包括但不限于如下的内容： 

附记1.一种用于同步电网格的方法，包括： 

接收所述电网格的相电压； 

经由一个或者多个跟踪滤波器确定所述相电压的扰动频率； 

在锁相环(PLL)内去除所述扰动频率以产生干净频率；以及 

对所述干净频率进行PLL操作以确定所述频率的相角。 

附记2.根据附记1所述的方法，包括向所述电网格输出所述频率，其中所述相角与所述电网格的相电压的相角同步。 

附记3.根据附记1所述的方法，其中所述相电压包括多相交流源。 

附记4.根据附记1所述的方法，其中所述相电压包括三相交流源。 

附记5.根据附记1所述的方法，其中所述一个或者多个跟踪滤波器包括配置成去除谐波扰动的跟踪滤波器、配置成去除在所述相电压的两倍基频处的扰动的跟踪滤波器和配置成去除所述相电压的直流(DC)分量的跟踪滤波器中的一个或者多个。 

附记6.根据附记1所述的方法，其中所述扰动频率包括所述相电压的谐波扰动、电压失衡和直流分量中的一个或者多个。 

附记7.根据附记1所述的方法，其中进行所述PLL操作包括接收对所述电网格的相电压的相角的反馈。 

附记8.根据附记7所述的方法，其中进行所述PLL操作还包括： 

对所述反馈和所述电网格的相电压进行变换以生成变换的值；以及 

基于所述变换的值来导出所述电网格的估计相电压频率。 

附记9.根据附记8所述的方法，其中进行所述PLL操作还包括： 

基于所述变换的值来导出所述电网格的估计相电压频率的估计相角；以及 

锁定于所述估计相角。 

附记10.一种锁相环(PLL)，包括： 

电路，配置成接收电网格的电压、确定所述电网格电压的相角并且输出具有所确定的所述电网格电压的相角的电压；以及 

跟踪滤波器，配置成确定所述电网格电压的扰动频率。 

附记11.根据附记10所述的PLL，其中所述PLL被配置成接收所述电网格的一个或者多个失衡电压。 

附记12.根据附记10所述的PLL，其中所述电路包括配置成接收所述电网格电压和所确定的所述电网格电压的相角的变换电路。 

附记13.根据附记10所述的PLL，其中所述电路包括配置成基于所述电网格电压的频率来确定所述电网格电压的相角的积分器。 

附记14.根据附记10所述的PLL，包括多于一个的跟踪滤波器。 

附记15.根据附记14所述的PLL，其中所述多于一个的跟踪滤波器中的各跟踪滤波器被配置成确定谐波扰动、直流分量或者对所述电网格电压的电压失衡起作用的任何其它扰动中的一个或者多个。 

附记16.根据附记10所述的PLL，包括配置成从所述电网格电压去除所述扰动频率的电路。 

附记17.根据附记10所述的PLL，其中所述电网格为三相电网格，并且其中所述电网格电压包括三相。 

附记18.一种相角生成器，包括： 

锁相环(PLL)，配置成接收电网格电压、生成所述电网格电压的相角并且基于所述电网格电压来输出所述电网格电压的所述相角；以及 

跟踪滤波器，配置成估计所述电网格电压的扰动频率以及去除所述扰动频率。 

附记19.根据附记18所述的相角生成器，其中所述PLL被配置成接收一个或者多个失衡电网格电压。 

附记20.根据附记18所述的相角生成器，其中所述跟踪滤波器被配置成基于接收的所述电网格电压来估计谐波失真或者直流分量或者由所述PLL生成的误差信号的频率中的一个或者多个所引起的一个或者多个扰动频率。 

附记21.根据附记18所述的相角生成器，其中所述PLL被配置成向所述电网格输出同步电压。 

Claims (10)

1.一种锁相环(PLL)，包括：

电路，配置成接收电网格的电压、确定所述电网格电压的相角并且输出具有所确定的所述电网格电压的相角的电压；以及

跟踪滤波器，配置成确定所述电网格电压的扰动频率。

2.根据权利要求1所述的PLL，其中所述PLL被配置成接收所述电网格的一个或者多个失衡电压。

3.根据权利要求1所述的PLL，其中所述电路包括配置成接收所述电网格电压和所确定的所述电网格电压的相角的变换电路。

4.根据权利要求1所述的PLL，其中所述电路包括配置成基于所述电网格电压的频率来确定所述电网格电压的相角的积分器。

5.根据权利要求1所述的PLL，包括多于一个跟踪滤波器。

6.根据权利要求5所述的PLL，其中所述多于一个跟踪滤波器中的各跟踪滤波器被配置成确定谐波扰动、直流分量或者对所述电网格电压的电压失衡起作用的任何其它扰动中的一个或者多个。

7.根据权利要求1所述的PLL，包括配置成从所述电网格电压去除所述扰动频率的电路。

8.一种相角生成器，包括：

锁相环(PLL)，配置成接收电网格电压、生成所述电网格电压的相角并且基于所述电网格电压来输出所述电网格电压的所述相角；以及

跟踪滤波器，配置成估计所述电网格电压的扰动频率以及去除所述扰动频率。

9.根据权利要求8所述的相角生成器，其中所述PLL被配置成接收一个或者多个失衡电网格电压。

10.根据权利要求8所述的相角生成器，其中所述跟踪滤波器被配置成基于接收的所述电网格电压来估计谐波失真或者直流分量或者由所述PLL生成的误差信号的频率中的一个或者多个所引起的一个或者多个扰动频率。

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