基于改進(jìn)型串聯(lián)信號(hào)延遲對(duì)消算法的并網(wǎng)同步鎖相方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于改進(jìn)型串聯(lián)信號(hào)延遲對(duì)消算法的并網(wǎng)同步鎖相方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 受能源危機(jī)和環(huán)境污染的影響，可再生能源越來越受到人們的重視，在電力系統(tǒng) 中的比重也日益增加。由于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、間歇性，以及負(fù)荷變 化的不確定性，在弱電網(wǎng)或電網(wǎng)故障時(shí)，常常存在電壓跌落、諧波畸變和電網(wǎng)頻率、相位以 及幅值的突變。為保證并網(wǎng)型逆變器的可靠安全運(yùn)行，其控制系統(tǒng)必須能夠快速檢測(cè)電網(wǎng) 參數(shù)變化，并給出準(zhǔn)確的信息，以確保系統(tǒng)依照電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求工作。鎖相環(huán)可以快速跟蹤電 網(wǎng)基波電壓正序的相位、頻率等信息，為網(wǎng)側(cè)變換器提供參考依據(jù)。因此，鎖相環(huán)的性能在 可再生能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)控制中起到至關(guān)重要的作用。
[0003]目前最常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法(SRF-PLL)，該方法通過控制同步旋轉(zhuǎn)變換得 到的uq為零獲得相角和頻率，在理想電網(wǎng)下可以獲得良好的鎖相結(jié)果，但在電網(wǎng)電壓出現(xiàn) 畸變時(shí)，為了消除基波負(fù)序和諧波干擾需要降低控制環(huán)路的帶寬，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能。為了提高鎖相環(huán)在畸變電網(wǎng)下的同步性能，許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，提出了多種鎖相 環(huán)方案。文獻(xiàn)增強(qiáng)型鎖相環(huán)(EPLL)，利用三個(gè)帶通濾波器獲得三相電壓基波信號(hào)及其正交 信號(hào)，從而可以提取出三相電壓的正序分量，消除負(fù)序分量的影響，但是由于采用兩級(jí)閉環(huán) 結(jié)構(gòu)，使得三相系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳。現(xiàn)有的文獻(xiàn)中根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法存在的問題提 出解耦雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法(DDSRF-PLL)，通過坐標(biāo)變換將正負(fù)序分量進(jìn)行分離，消除不平衡電 網(wǎng)中負(fù)序分量對(duì)鎖相的影響，仍需降低鎖相環(huán)帶寬以抑制低次諧波分量引起的相位脈動(dòng)， 無法提升鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)一種改進(jìn)的滑動(dòng)平均濾波器法，利用滑動(dòng)平均濾波器消 除同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系uq分量中的諧波和負(fù)序分量干擾后，引入頻率和相角檢測(cè)環(huán)節(jié)，在電網(wǎng) 諧波不平衡、相角跳變、頻率波動(dòng)時(shí)獲得了快速和精確的鎖相結(jié)果，但頻率反饋、線性插值 處理和濾波器離散化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，運(yùn)算量大?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)中利用串聯(lián)延遲對(duì)消算子消 除基波負(fù)序分量和諧波分量在uq中引起的脈動(dòng)，其中單個(gè)對(duì)消算子可以一次濾除多個(gè)頻率 的諧波，響應(yīng)速度快，適用范圍廣，但在頻率未知或變化下，獲得的相角和幅值無法滿足需 求。為保證在輸入信號(hào)出現(xiàn)頻率波動(dòng)時(shí)的鎖相效果，需要設(shè)計(jì)頻率反饋通道。文獻(xiàn)多重二階 積分法(MS0GI)，利用鎖頻環(huán)對(duì)基波的頻率實(shí)時(shí)跟蹤，通過多回路并聯(lián)反饋解耦濾除三相電 壓中的諧波成分，再采用對(duì)稱分量分析法提取基波正序分量鎖相，該方法基于靜止坐標(biāo)系， 省略了控制環(huán)路，但其正交發(fā)生器的設(shè)計(jì)需要在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能間做出折衷。文獻(xiàn)一種靜 止坐標(biāo)系鎖相環(huán)(FRF-PLL)，根據(jù)待測(cè)頻率的三相不平衡電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建自適應(yīng)正交 發(fā)生器和基于Lyapunov方法設(shè)計(jì)的鎖頻環(huán)，對(duì)正負(fù)序分量解耦并鎖相，基于模型的設(shè)計(jì)使 其在不平衡電網(wǎng)下獲得了良好的鎖相效果，但在電網(wǎng)電壓波形畸變情況下，需要利用并聯(lián) 結(jié)構(gòu)改善鎖相性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了基于改進(jìn)型串聯(lián)信號(hào)延遲對(duì)消算法的 并網(wǎng)同步鎖相方法，結(jié)合串聯(lián)延遲對(duì)消法的基本鎖相原理，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型三相電網(wǎng)同 步方法，包含鎖頻環(huán)為延遲對(duì)消算子提供反饋，消除電網(wǎng)頻率波動(dòng)、高頻諧波對(duì)鎖相帶來的 誤差。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0006]基于改進(jìn)型串聯(lián)信號(hào)延遲對(duì)消算法的并網(wǎng)同步鎖相方法，包括以下步驟：
[0007]步驟一:采集三相畸變電網(wǎng)相電壓va，Vb，V。，利用三相/兩相靜止坐標(biāo)變換C3S/2S，得 至Ι」αβ靜止正交坐標(biāo)系下電壓信號(hào)Vc^Ve;
[0008]步驟二:得到基于Va或ve電壓信號(hào)的自適應(yīng)正交信號(hào)發(fā)生器，構(gòu)建Va鎖頻環(huán)FLL，提 取該信號(hào)的基波分量；
[0009]步驟三:將鎖頻環(huán)輸出的頻率信號(hào)f作為延遲對(duì)消算子電網(wǎng)頻率反饋量，使電網(wǎng)周 期T=l/f實(shí)時(shí)參與延遲分量V(t-T/n)的計(jì)算，通過對(duì)電網(wǎng)基波正序分量的跟蹤提取，實(shí)現(xiàn) 對(duì)電網(wǎng)基波正序信號(hào)的準(zhǔn)確鎖相，其中，T為電網(wǎng)周期，f為電網(wǎng)頻率、η為自然數(shù)。
[0010]所述步驟一的靜止正交坐標(biāo)系下Va，Vf!電壓的獲得：
[0012] 所述步驟二的基于相電壓信號(hào)的鎖頻環(huán)構(gòu)建與電網(wǎng)基波頻率的計(jì)算：
[0013]由于電壓信號(hào)ν(να或者ve)及其虛擬正交信號(hào)u可以表示為一系列諧波之和，即：
[0015]其中，h表示諧波分量階次，Vh為h次諧波分量的幅值，_為1!次諧波分量的初始相 角，ω為實(shí)際電網(wǎng)的角頻率。
[0016] 對(duì)于k次諧波分量，由系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程(5)可得vk、uk的導(dǎo)數(shù)1?和七，于是有：
[0018]令Ω作為需要估計(jì)的頻率參數(shù)，且定義
[0020] 其中S7為設(shè)定的初始電網(wǎng)頻率；
[0021] 于是有
[0023]所述步驟二，類比于三相系統(tǒng)的處理方法，構(gòu)建基本分量（S卩k=l時(shí)）系統(tǒng)的自適 應(yīng)正交發(fā)生器和鎖頻環(huán)：
[0025]其中""'表示相關(guān)變量的估計(jì)值，而ε為實(shí)際值與估計(jì)值的差值;參數(shù)λ是一個(gè)正的 待定系統(tǒng)阻尼參數(shù)，符號(hào)上面加點(diǎn)表示變量的導(dǎo)數(shù)。
[0026]假設(shè)頻率估計(jì)環(huán)節(jié)FLL的穩(wěn)態(tài)輸出為電網(wǎng)頻率，由正交發(fā)生器的控制框圖可知其 傳遞函數(shù)如公式(9)，在系統(tǒng)阻尼參數(shù)λ的作用下，控制環(huán)路表現(xiàn)為帶通特性，可有效抑制V1 中的高頻分量干擾：
[0028]根據(jù)李亞普諾夫方法設(shè)計(jì)鎖頻環(huán)，此時(shí)假定電網(wǎng)頻率為未知常數(shù)，根據(jù)鎖頻環(huán)定義：
[0030]結(jié)合自適應(yīng)正交信號(hào)發(fā)生器的表達(dá)式，可得：
[0032]從而，可構(gòu)建二次能量函數(shù)如下：
[0034]根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性理論，任何線性或非線性系統(tǒng)全局漸近穩(wěn)定的前提是能量 函數(shù)V(x)滿足以下特性：
[0035] 1)V(0)=0；
[0036] 2)當(dāng)X不等于0時(shí)，V(x)大于零；
[0037] 3)當(dāng)X不等于0時(shí)，V(x)導(dǎo)數(shù)小于零；
[0038] 4)當(dāng)X的范數(shù)趨于無窮，V(x)導(dǎo)數(shù)趨于無窮。
[0039]存在0= ，使得模型式(8)負(fù)半定成立：
[0041]李亞普諾夫穩(wěn)定性理論以及文獻(xiàn)所示穩(wěn)定性和收斂性判斷方法，本申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的系 統(tǒng)穩(wěn)定性和收斂性證明過程不含有線性化過程，同時(shí)式（13)是徑向無界的，因此可以保證 本申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的鎖頻環(huán)的全局穩(wěn)定和收斂。
[0042]電網(wǎng)的基波頻率和原始信號(hào)中基波虛擬正交信號(hào)為：
[0044]輸入信號(hào)基波的幅值和相位：
[0046]該鎖頻環(huán)設(shè)計(jì)中含有未知參數(shù)，通過試湊法不易獲得一個(gè)優(yōu)化的結(jié)果，本申請(qǐng)給 出了 一個(gè)簡潔的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
[0047]在系統(tǒng)阻尼參數(shù)λ>〇時(shí)，正交發(fā)生器傳遞函數(shù)的自然諧振頻率為ω，及其系統(tǒng)阻尼 為ξ=λ/2ω，正交信號(hào)發(fā)生器所需的穩(wěn)定時(shí)間是系統(tǒng)參數(shù)選取的主要因素，控制帶寬越大， 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的速度越快，考慮到2%的誤差標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)時(shí)間確定為Τ5 = 5/ξω，使用下式計(jì) 算得到系統(tǒng)阻尼參數(shù)λ;
[0049]根據(jù)控制框圖4,系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下式表示：
[0053]通過對(duì)鎖頻環(huán)和正交發(fā)生器環(huán)節(jié)進(jìn)行理論分析，可得鎖頻環(huán)的反饋線性化傳遞函 數(shù)如下，
[0055]其中Γ=γν2/2λ，其中V為輸入信號(hào)基波分量的幅值，根據(jù)鎖相環(huán)的穩(wěn)定時(shí)間Ts(fll)= 5/T，根據(jù)下式可選取參數(shù)γ;
[0057]本發(fā)明的有益效果：
[0058]本申請(qǐng)給出了延遲對(duì)消算子消除諧波的原理及其性能影響因素，在其基礎(chǔ)上研究 了一種改進(jìn)型電網(wǎng)同步策略?；诶顏喥罩Z夫方法設(shè)計(jì)的單相鎖頻環(huán)結(jié)構(gòu)提供頻率反饋， 結(jié)合線性插值算法，保證延遲對(duì)消算子運(yùn)算的正確性，消除頻率波動(dòng)和高頻干擾對(duì)鎖相帶 來的影響，尤其在電網(wǎng)諧波含量高、三相不對(duì)稱、頻率波動(dòng)、甚至發(fā)生故障跌落等惡劣電網(wǎng) 工況下，鎖相效果確保光伏并網(wǎng)逆變器功能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)型三相電網(wǎng)同步方法 在電網(wǎng)不平衡及諧波畸變時(shí)具有良好的運(yùn)行效果，證明其設(shè)計(jì)思路和方法的正確性和可行 性，同時(shí)也表明單相鎖相環(huán)適用于頻率波動(dòng)的畸變信號(hào)檢測(cè)。
【附圖說明】
[0059] 圖1延遲對(duì)消算子的幅頻曲線；