一種新型鎖相方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力電子控制領(lǐng)域，特別設(shè)及一種新型鎖相方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著環(huán)境污染的加劇，化石能源問題的緊缺，可再生能源的開發(fā)和利用受 到越來越多的國(guó)家的關(guān)注。分布式發(fā)電系統(tǒng)由于具有初期假設(shè)投資低、發(fā)電方式靈活等特 點(diǎn)而成為一種巨大發(fā)展市場(chǎng)的新能源綜合利用方式。=相PWM并網(wǎng)變流器作為分布式發(fā)電 系統(tǒng)與電網(wǎng)公共接入點(diǎn)之間的能量接口單元，是分布式發(fā)電系統(tǒng)中極其重要的組成部分。
[0003]S相PWM并網(wǎng)交流器W其電壓利用率高，功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。 運(yùn)對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓幅值、相角、頻率的鎖相環(huán)電路的準(zhǔn)確性、快速性和魯棒性提出了更高的 要求。在S相鎖相環(huán)電路中，應(yīng)用最廣泛的是單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)（SSRF-PLL)，傳統(tǒng) 的單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在電網(wǎng)電壓平衡，沒有崎變的情況下，鎖相精確、動(dòng) 態(tài)響應(yīng)迅速。當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡，存在諧波時(shí)，運(yùn)種方法難W獲得令人滿意的鎖相性能。為 了改善電壓不平衡和進(jìn)網(wǎng)電壓存在諧波時(shí)的系統(tǒng)鎖相性能，需要對(duì)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定改 進(jìn)，傳統(tǒng)方法有：1)、基于對(duì)稱分量的鎖相環(huán)方法是對(duì)=相不平衡電壓的正序分量進(jìn)行提 取，從而有效抑制負(fù)序分量對(duì)系統(tǒng)的影響，但是運(yùn)種方法加入了全通濾波器，頻率適應(yīng)性不 足；2)、基于雙同步坐標(biāo)系解禪的鎖相環(huán)方法是對(duì)進(jìn)網(wǎng)電壓的正序分量和負(fù)序分量進(jìn)行解 禪，分別在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下控制，從而改善鎖相性能；但是運(yùn)種方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，參數(shù)設(shè)計(jì) 困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種新型鎖相方法，能夠快速、準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓的信息，提 高鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 陽(yáng)〇化]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種新型鎖相方法，包括：將=相電網(wǎng)電壓進(jìn) 行Clark變換，通過Clark變換將=相電網(wǎng)電壓由=相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系， 再WD軸定向，鎖相環(huán)輸出相角為旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行Park變換，將兩相靜止坐標(biāo)系變換到同步 旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，得到=相電網(wǎng)電壓的d軸有功分量和q軸無功分量；其特征在于：
[0006] 對(duì)有功分量進(jìn)行濾波；
[0007] Park變換后的無功分量和經(jīng)過濾波后的有功分量之比作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng) 過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使得輸入量為0,從而迅速鎖住電網(wǎng)電壓的相位。
[0008] 優(yōu)選的，所述對(duì)有功分量進(jìn)行濾波其具體為：對(duì)有功分量進(jìn)行一階慣性低通濾波 濾除高次諧波。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用Park變換后的無功分量和經(jīng)過濾波后得到的 有功分量之比作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使得輸入量為0,從而迅速 的鎖住電網(wǎng)電壓的相化收斂速度比傳統(tǒng)鎖相方法快，縮短了收斂時(shí)間，實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)快速鎖 定，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤電網(wǎng)電壓的信息，提高鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
【附圖說明】
[0010] 圖1為傳統(tǒng)鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)控制框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明新型鎖相方法鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)控制框圖；
[0012] 圖3為鎖相環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型框圖；
[0013] 圖4為傳統(tǒng)鎖相環(huán)頻域簡(jiǎn)化模型框圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明鎖相環(huán)頻域數(shù)學(xué)模型框圖；
[0015] 圖6為傳統(tǒng)鎖相環(huán)和本發(fā)明鎖相環(huán)奈奎斯特圖；
[0016] 圖7為傳統(tǒng)鎖相環(huán)和本發(fā)明鎖相環(huán)PI控制器輸入仿真對(duì)比圖；
[0017] 圖8為傳統(tǒng)鎖相環(huán)和本發(fā)明鎖相環(huán)跟蹤誤差仿真對(duì)比圖；
[0018] 圖9為傳統(tǒng)鎖相環(huán)和本發(fā)明鎖相環(huán)PI控制器輸入實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖；
[0019] 圖10為傳統(tǒng)鎖相環(huán)和本發(fā)明鎖相環(huán)跟蹤誤差實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0021] W基于=相PWM變流器的數(shù)字鎖相環(huán)為例闡述本發(fā)明方法的原理。
[0022] 圖1為傳統(tǒng)鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)控制框圖，傳統(tǒng)的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，假設(shè)電網(wǎng)電壓 為=相平衡電壓幅值為Um,基波角頻率為《。，A相電壓初始相角為0,則=相電網(wǎng)電壓U。、 Ub、U?？蒞表示為下式：
[0024] 設(shè)電網(wǎng)電壓矢量的起始實(shí)際角度為0，通過Clarke變換將S相電網(wǎng)電壓由S相 靜止油C坐標(biāo)系變換到兩相靜止a0坐標(biāo)系，再WD軸定向，鎖相環(huán)輸出相角#為旋轉(zhuǎn)角 度作Park變換，將兩相靜止坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，可W得到下式：
[0027] 為將上面兩式進(jìn)一步化簡(jiǎn)，設(shè)鎖相環(huán)輸出的估計(jì)頻率為《1，電網(wǎng)電壓矢量實(shí)際相 角與鎖相環(huán)輸出的相角差為&煤?,:，;用A0表示電網(wǎng)電壓的相角與鎖相環(huán)輸出角度差，化 簡(jiǎn)可W得到電網(wǎng)電壓的dq分量表達(dá)式為：
[0028]
[0029]當(dāng)Wi= CO。，A從=0,即鎖相環(huán)的輸出角頻率等于電網(wǎng)電壓的角頻率，鎖相環(huán) 的輸出角度等于電網(wǎng)電壓的角度時(shí)，鎖相環(huán)輸出電壓矢量IW和電網(wǎng)電壓矢量U完全重合， 顯然通過Q軸分量閉環(huán)控制，使得無功分量為零即可W實(shí)現(xiàn)頻率和相位的完全鎖定。
[0030] S相平衡電源電壓Ua、Ub和Ue經(jīng)過Clarke和Park變換后得到Ud和U。，其中Park 變換的角度為鎖相環(huán)輸出的角度，將Uq輸入到PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)頻率鎖定時(shí)，Uq必定為一直流 量，由于PI調(diào)節(jié)器具有直流無靜差特性，因此通過對(duì)Uq的PI調(diào)節(jié)，可W使Uq趨近于0,從 而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓角度的鎖定，而將PI調(diào)節(jié)器的輸出和實(shí)際電網(wǎng)額定頻率疊加可W獲得鎖 相環(huán)的輸出頻率，基于單同步坐標(biāo)系傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如附圖1所示，考慮到電 壓采樣的延遲效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)圖中加入了一個(gè)采樣周期L為時(shí)間常數(shù)的慣性延遲環(huán)節(jié)。
[0031] 本發(fā)明一種新型鎖相方法是利用Park變換后的無功分量和經(jīng)過濾波后得到的有 功分量之比作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使得輸入量為0,從而迅速的 鎖住電網(wǎng)電壓的相位。
[0032] 本發(fā)明將S相平衡電源電壓Ua、Ub和U e經(jīng)過Clarke和Park變換后得到U d和U。， 然后將Ud經(jīng)過一階慣性低通濾波器濾除高次諧波，再將Uq/Ud作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使得UqAJd趨近于0,然后將PI調(diào)節(jié)器的輸出和實(shí)際電網(wǎng)電壓的額定頻率相 加可W得到鎖相環(huán)的輸出角頻率，圖2為本發(fā)明新型鎖相方法鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)控制框圖，基于 單同步坐標(biāo)系的新型軟件鎖相環(huán)如圖2所示。
[0033] 下面分別從時(shí)域和頻域?qū)Ρ景l(fā)明新型鎖相方法和傳統(tǒng)鎖相方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能 進(jìn)行比較，W進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果。
[0034] 1)、時(shí)域模型分析
[0035] 基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)路實(shí)際上是一個(gè)相位誤差的閉環(huán)控制系統(tǒng)，將輸 入角度信號(hào)和鎖相環(huán)輸出角度信號(hào)之間的相位差，經(jīng)過調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)相位 差的誤差電壓，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，相位差是一個(gè)不隨時(shí)間變化的定值，誤差電壓也為一個(gè)定 值，基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)的相位反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如附圖3所示。
[0036]圖3為鎖相環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型框圖，傳統(tǒng)鎖相方法中，用Park變換的Q軸輸 出作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，Uq=UmSinA0，圖中Fi( 0 )=SinA0 ;在本發(fā)明新型鎖相方法 中，由于采用Park變換的Q軸和D軸的濾波之比作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，UqAJd=tanA0， 故圖中F2(0)