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基于改进型串联信号延迟对消算法的并网同步锁相方法技术

技术编号:13107141 阅读:84 留言:0更新日期:2016-03-31 12:57
本发明专利技术公开了基于改进型串联信号延迟对消算法的并网同步锁相方法,根据单相畸变电网电压的数学模型,利用静止坐标系锁相环方法,提取一相电压的基波分量信号,并构建正交信号;根据一相电压的基波分量信号和正交信号构建李亚普诺夫函数,由于李亚普诺夫函数的导数小于零,即系统全局稳定和收敛,得到自适应正交发生器和锁频环;利用自适应正交信号发生器和锁频环的频率输出量,反馈给延迟对消算子,如此电网基波周期T参与延迟算子vαβ(t-T/n)的实时计算,确保串级延迟对消法在频率波动时仍对电网基波正序分量进行跟踪提取,从而实现对电网基波正序信号的准确锁相。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
受能源危机和环境污染的影响,可再生能源越来越受到人们的重视,在电力系统 中的比重也日益增加。由于风力发电、光伏发电等具有很强的随机性、间歇性,以及负荷变 化的不确定性,在弱电网或电网故障时,常常存在电压跌落、谐波畸变和电网频率、相位以 及幅值的突变。为保证并网型逆变器的可靠安全运行,其控制系统必须能够快速检测电网 参数变化,并给出准确的信息,以确保系统依照电网标准要求工作。锁相环可以快速跟踪电 网基波电压正序的相位、频率等信息,为网侧变换器提供参考依据。因此,锁相环的性能在 可再生能源发电并网系统控制中起到至关重要的作用。目前最常用的是同步旋转坐标系法(SRF-PLL),该方法通过控制同步旋转变换得 到的uq为零获得相角和频率,在理想电网下可以获得良好的锁相结果,但在电网电压出现 畸变时,为了消除基波负序和谐波干扰需要降低控制环路的带宽,严重影响系统的动态性 能。为了提高锁相环在畸变电网下的同步性能,许多学者进行了深入研究,提出了多种锁相 环方案。文献增强型锁相环(EPLL),利用三个带通滤波器获得三相电压基波信号及其正交 信号,从而可以提取出三相电压的正序分量,消除负序分量的影响,但是由于采用两级闭环 结构,使得三相系统的动态性能不佳。现有的文献中根据同步旋转坐标系法存在的问题提 出解耦双旋转坐标系法(DDSRF-PLL),通过坐标变换将正负序分量进行分离,消除不平衡电 网中负序分量对锁相的影响,仍需降低锁相环带宽以抑制低次谐波分量引起的相位脉动, 无法提升锁相环的动态性能。文献一种改进的滑动平均滤波器法,利用滑动平均滤波器消 除同步旋转坐标系uq分量中的谐波和负序分量干扰后,引入频率和相角检测环节,在电网 谐波不平衡、相角跳变、频率波动时获得了快速和精确的锁相结果,但频率反馈、线性插值 处理和滤波器离散化设计和实现复杂,运算量大。现有的文献中利用串联延迟对消算子消 除基波负序分量和谐波分量在uq中引起的脉动,其中单个对消算子可以一次滤除多个频率 的谐波,响应速度快,适用范围广,但在频率未知或变化下,获得的相角和幅值无法满足需 求。为保证在输入信号出现频率波动时的锁相效果,需要设计频率反馈通道。文献多重二阶 积分法(MS0GI),利用锁频环对基波的频率实时跟踪,通过多回路并联反馈解耦滤除三相电 压中的谐波成分,再采用对称分量分析法提取基波正序分量锁相,该方法基于静止坐标系, 省略了控制环路,但其正交发生器的设计需要在稳态和动态性能间做出折衷。文献一种静 止坐标系锁相环(FRF-PLL),根据待测频率的三相不平衡电网的数学模型,构建自适应正交 发生器和基于Lyapunov方法设计的锁频环,对正负序分量解耦并锁相,基于模型的设计使 其在不平衡电网下获得了良好的锁相效果,但在电网电压波形畸变情况下,需要利用并联 结构改善锁相性能。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足,本专利技术公开了基于改进型串联信号延迟对消算法的 并网同步锁相方法,结合串联延迟对消法的基本锁相原理,设计了一种改进型三相电网同 步方法,包含锁频环为延迟对消算子提供反馈,消除电网频率波动、高频谐波对锁相带来的 误差。为实现上述目的,本专利技术的具体方案如下:,包括以下步骤:步骤一:采集三相畸变电网相电压va,Vb,V。,利用三相/两相静止坐标变换C3S/2S,得 至Ι」αβ静止正交坐标系下电压信号Vc^Ve;步骤二:得到基于Va或ve电压信号的自适应正交信号发生器,构建Va锁频环FLL,提 取该信号的基波分量;步骤三:将锁频环输出的频率信号f作为延迟对消算子电网频率反馈量,使电网周 期T=l/f实时参与延迟分量V(t-T/n)的计算,通过对电网基波正序分量的跟踪提取,实现 对电网基波正序信号的准确锁相,其中,T为电网周期,f为电网频率、η为自然数。所述步骤一的静止正交坐标系下Va,Vf!电压的获得: 所述步骤二的基于相电压信号的锁频环构建与电网基波频率的计算:由于电压信号ν(να或者ve)及其虚拟正交信号u可以表示为一系列谐波之和,即:其中,h表示谐波分量阶次,Vh为h次谐波分量的幅值,_为1!次谐波分量的初始相 角,ω为实际电网的角频率。 对于k次谐波分量,由系统的动态方程(5)可得vk、uk的导数1?和七,于是有:令Ω作为需要估计的频率参数,且定义 其中S7为设定的初始电网频率; 于是有所述步骤二,类比于三相系统的处理方法,构建基本分量(S卩k=l时)系统的自适 应正交发生器和锁频环:其中""'表示相关变量的估计值,而ε为实际值与估计值的差值;参数λ是一个正的 待定系统阻尼参数,符号上面加点表示变量的导数。假设频率估计环节FLL的稳态输出为电网频率,由正交发生器的控制框图可知其 传递函数如公式(9),在系统阻尼参数λ的作用下,控制环路表现为带通特性,可有效抑制V1 中的高频分量干扰:根据李亚普诺夫方法设计锁频环,此时假定电网频率为未知常数,根据锁频环定义:结合自适应正交信号发生器的表达式,可得:从而,可构建二次能量函数如下:根据李亚普诺夫稳定性理论,任何线性或非线性系统全局渐近稳定的前提是能量 函数V(x)满足以下特性: 1)V(0)=0; 2)当X不等于0时,V(x)大于零; 3)当X不等于0时,V(x)导数小于零; 4)当X的范数趋于无穷,V(x)导数趋于无穷。存在0= ,使得模型式(8)负半定成立:李亚普诺夫稳定性理论以及文献所示稳定性和收敛性判断方法,本申请设计的系 统稳定性和收敛性证明过程不含有线性化过程,同时式(13)是径向无界的,因此可以保证 本申请设计的锁频环的全局稳定和收敛。电网的基波频率和原始信号中基波虚拟正交信号为:输入信号基波的幅值和相位:该锁频环设计中含有未知参数,通过试凑法不易获得一个优化的结果,本申请给 出了 一个简洁的参数设计方法。在系统阻尼参数λ>〇时,正交发生器传递函数的自然谐振频率为ω,及其系统阻尼 为ξ=λ/2ω,正交信号发生器所需的稳定时间是系统参数选取的主要因素,控制带宽越大, 系统达到稳定的速度越快,考虑到2%的误差标准,调节时间确定为Τ5 = 5/ξω,使用下式计 算得到系统阻尼参数λ;根据控制框图4,系统的状态方程如下式表示:通过对锁频环和正交发生器环节进行理论分析,可得锁频环的反馈线性化传递函 数如下,其中Γ=γν2/2λ,其中V为输入信号基波分量的幅值,根据锁相环的稳定时间Ts(fll)= 5/T,根据下式可选取参数γ;本专利技术的有益效果:本申请给出了延迟对消算子消除谐波的原理及其性能影响因素,在其基础上研究 了一种改进型电网同步策略。基于李亚普诺夫方法设计的单相锁频环结构提供频率反馈, 结合线性插值算法,保证延迟对消算子运算的正确性,消除频率波动和高频干扰对锁相带 来的影响,尤其在电网谐波含量高、三相不对称、频率波动、甚至发生故障跌落等恶劣电网 工况下,锁相效果确保光伏并网逆变器功能实现。经过实验验证,改进型三相电网同步方法 在电网不平衡及谐波畸变时具有良好的运行效果,证明其设计思路和方法的正确性和可行 性,同时也表明单相锁相环适用于频率波动的畸变信号检测。【附图说明】 图1延迟对消算子的幅频曲线;...

【技术保护点】
基于改进型串联信号延迟对消算法的并网同步锁相方法,其特征是,包括以下步骤:步骤一:采集三相畸变电网相电压Va,Vb,Vc,利用三相/两相静止坐标变换C3S/2S,得到αβ静止正交坐标系下电压信号Vα,Vβ;步骤二:得到基于Vα或Vβ电压信号的自适应正交信号发生器,构建Vα锁频环FLL,提取该信号的基波分量;步骤三:将锁频环输出的频率信号f作为延迟对消算子电网频率反馈量,使电网周期T=1/f实时参与延迟分量v(t‑T/n)的计算,通过对电网基波正序分量的跟踪提取,实现对电网基波正序信号的准确锁相,其中,T为电网周期,f为电网频率、n为自然数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:杜春水张承慧王生飞
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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