一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，属于大功率三电平背靠背PWM变流器领域。本发明专利技术中提供的自适应锁相环方法是指根据电网当前的状况，能够判断并选择一种效率较高的锁相环方法。在电网平衡状态下，选择使用过零锁相环方法，此方法主要基于电压全周期转换电路，通过捕捉电网电压过零点，减少程序量。当电网发生突变而变得不对称时，过零锁相环方法失效，此时选用基于双二阶广义积分器的锁相环方法可以保证实时准确地获取电网的相角和频率。本发明专利技术采用自适应锁相环方法可以大大提高了控制系统的工作效率和准确率，在保证其快速性的同时，使控制系统运行更加稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法
本专利技术属于大功率三电平背靠背PWM变流器领域，具体涉及一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法。
技术介绍
随着电力电子变流技术的不断发展，电力电子变流器越来越多地在冶金、机车牵引、柔性输电、能量储存设备、谐波和无功补偿装置、开关电源、电动汽车、家用电器等领域得到重要应用。目前大功率高压变流器遇到的问题主要包括难以实现制动能量回馈电网、电网侧电流谐波大、电网侧功率因数低、变流器换流过程复杂、直流母线电压受供电交流电压限制而不能为负载提供更高的工作电压等。实现四象限运行是现有的大部分变流器所面临的一个难题，采用二极管和晶闸管整流的变流器只可以进行单向的功率流动，负载回馈的能量只能通过直流母线侧的斩波电路以电阻热能的形式释放，尤其在需要频繁加减速的场合中就必须要考虑能量回馈的问题，否则大量的制动电能转化为无用的热能，既造成了能源浪费，又给系统运行带来了不稳定的因素。网侧功率因数低也是目前变流器所面临的一大问题，采用二极管或者晶闸管整流的变流器会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，最高功率因数只可能为0.8左右。大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担，不仅增加了输电线路的损耗，而且严重地影响了供电质量。大功率IGCT三电平背靠背PWM电压型变流器以其具有四象限工作、网侧电流近似正弦和功率因数可控等特性受到各国学者的广泛关注。在三电平PWM变流器的控制系统中，设计锁相环的主要目的是为了获取电网的相角和频率，并能使输出结果及时跟踪上实际真值，从而方便控制策略和控制算法的实行。三相电网完全对称是实验室条件(或者称之为理想状态)，大部分时候电网都是平衡的，然而，在实际工程应用中，电网也难免会出现一些非理想情况，比如三相电网电压不平衡，电网的相角突然发生变化、某一相电压跌落、发生短路故障、频率突变等等，此时仍然要求PWM变流器能够适应这些状况安全稳定工作。为了实现这一目标，锁相环输出精确的电网角度是系统正常工作的重要前提，锁相环的性能直接影响到PWM变流器的控制性能，因此就需要具备性能更优的锁相环技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，为了达到计算的快速性和准确性，锁相环模块可以快速识别电网是否处于平衡状态并选择一种最为有效的锁相环方法，从而实时精准地跟踪电网相位，为整个变流器控制系统提供必要的信息，实现系统稳定运行。本专利技术中提供的自适应锁相环方法，是指根据电网当前的状况，能够判断并选择一种效率较高的锁相环方法。在电网平衡状态下，选择使用过零锁相环方法，此方法主要基于电压全周期转换电路，通过捕捉电网电压过零点，减少程序量。当电网发生突变而变得不对称时，过零锁相环方法失效，此时选用基于双二阶广义积分器的锁相环方法可以保证实时准确地获取电网的相角和频率。所述的过零锁相环方法，电源电压的正弦信号经过电压全周期转换电路，正弦信号转换成方波信号，当电压处于正半周期时输出高电平，负半周期时输出低电平，输出波形输入到数字处理器CPU中；CPU在正向过零点kπ处采集过零信号，同时形成上升沿脉冲并启动计数器开始计数直到接收下一个上升沿脉冲到来，CPU在接收到下一个脉冲信号后清空计数器并重新开始计数，从而将正弦电压相位转化成锁相三角波输出，也就是电网电压的相位信息。所述的基于双二阶广义积分器的锁相环方法：先对三相电网电压矢量Vabc进行Clark变换得到两相静止坐标系中的两个分量vα和vβ；通过改进的SOGI-QSG从两相静止坐标系下的电网电压中分别提取正序分量和然后进行静止坐标系到同步坐标系的转变(αβ-dq)，即Park变换，得到正序分量和再将输入PI调节器，当频率锁定时，为一直流量，PI调节器具有直流无静差调节特性，因此通过对的PI调节，可使趋于0，从而达到锁相的目的，PI调节器的输出与电网基准频率ωff相加，记为频率ω0。将频率ω0反馈给改进的SOGI-QSG作为谐振频率；将频率ω0经过普通积分器得到的角度θ+′作为Park变换所需的旋转角度，如此形成的锁相环方法最终可实现电网信号的闭环无静差跟踪。本专利技术相比于现有技术，其主要优点在于：传统的锁相环模块只能运用单一的方法，无法针对具体问题进行切换，造成运用局限或者是资源浪费。采用自适应锁相环方法可以有效规避这一不足，大大提高了控制系统的工作效率和准确率，在保证其快速性的同时，使控制系统运行更加稳定可靠。附图说明图1为三电平背靠背PWM变流器系统结构图；图2为本专利技术中自适应锁相环方法流程示意图；图3为过零锁相环在MATLAB中的仿真模型；图4为过零锁相环方法的原理图；图5为一种改进的基于二阶广义积分器的正交信号发生器(简称SOGI-QSG)；图6为改进的基于双二阶广义积分器的锁相环(简称DSOGI-PLL)控制结构框图。具体实施方式本专利技术提供的锁相环方法主要包括电网运行状况判断和适应各情况的匹配改进型算法。下面结合附图，对本专利技术提供的一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法进行说明。图1为三电平背靠背PWM变流器系统结构图。采用DSP作为主控芯片，接收来自AD采样板采集到的三相进线电压usABC、进线电流(ia,ib,ic)以及直流侧电压信号(udc1,udc2)并作相应处理，锁相环算法、整流器双闭环控制策略以及三电平SVPWM算法均在DSP中完成，最终输出6路脉冲。FPGA芯片的功能主要是脉冲分配、最小脉宽和死区的处理，确保每一个功率开关管有效导通与关断。为了加强人机交互性能，将所有的控制信号整合到触摸屏上并实现参数的实时显示与调整。图2为本专利技术提供的应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的自适应锁相环方法流程示意图，所述的自适应锁相环方法，首先AD采样板采集三相电网电压usABC，利用DSP程序判断电网状态是否平衡，电网平衡状态下选择过零锁相环方法，直接读取AD采样板输出的电网相角，该方法程序量较少，可以有效快速跟踪电网。当电网发生波动而变得不再平衡时，过零锁相环无法满足应用需求，控制系统自动切换选用基于双二阶广义积分器的锁相环方法，该方法在电网突变的情况下依然能够确保跟踪电网信息的准确性和快速性，使控制系统稳定可靠运行。图3为在Matlab仿真软件中建立的过零锁相环模块的仿真模型，图3中的延时模块模拟电压全周期转换电路，边沿触发模块、计数模块和脉冲信号发生器构成电压过零处理器(CPU)，边沿触发模块是用于CPU捕捉上升沿信号，脉冲信号发生器是CPU的系统晶振(即为计数模块的时钟，示波器B用于监视脉冲信号是否正确)，在脉冲信号发生器的计数时钟周期下，CPU从捕捉到一个上升沿信号开始计数累加，直到下一个上升沿信号到来清零重新计数，从而形成锁相三角波。三角波信号放大K倍后和正弦信号、电压全周期转换电路输出一起在示波器A上显示，便于观察对比。这种锁相环结构是一种最为简单有效的开环锁相技术，在电网平衡状态下能够快速准确地锁定电网电压的相位。图4为过零锁相环方法的原理图，主要作用是捕捉电源电压(A相)正弦波形的每一个过零点，然后将相邻两个过零点的时间间隔取倒数便得到相应的频率，从而达到跟踪相位的目的。正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，其特征在于：所述的系统自适应锁相环方法，根据电网当前的状况，在电网平衡状态下，选择使用过零锁相环方法；当电网发生突变而变得不对称时，过零锁相环方法失效，此时选用基于双二阶广义积分器的锁相环方法。

【技术特征摘要】
1.一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，其特征在于：所述的系统自适应锁相环方法，根据电网当前的状况，在电网平衡状态下，选择使用过零锁相环方法；当电网发生突变而变得不对称时，过零锁相环方法失效，此时选用基于双二阶广义积分器的锁相环方法。2.根据权利要求1所述的一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，其特征在于：所述的过零锁相环方法，电源电压的正弦信号经过电压全周期转换电路，正弦信号转换成方波信号，当电压处于正半周期时输出高电平，负半周期时输出低电平，输出波形输入到数字处理器CPU中；数字处理器CPU在正向过零点kπ处采集过零信号，同时形成上升沿脉冲并启动计数器开始计数直到接收下一个上升沿脉冲到来，数字处理器CPU在接收到下一个脉冲信号后清空计数器并重新开始计数，从而将正弦电压相位转化成锁相三角波输出，也就是电网电压的相位信息。3.根据权利要求1所述的一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，其特征在于：所述的基于双二阶广义积分器的锁相环方法：先对三相电网电压矢量Vabc进行Clark变换得到两相静止坐标系中的两个分量vα和vβ；通过改进的SOGI-QSG进一步从两相静止坐标系下的电网电压中分别提取正序分量和然后进行静止坐标系到同步坐标系的转变(αβ-dq)，即Park变换，得到正序分量和再将输入PI调节器，当频率锁定时，为一直流量，PI调节器具有直流无静差调节特性，因此通过对的PI调节，使趋于0，从而达到锁相的目的，PI调节器的输出与电网基准频率ωff相加，记为频率ω0；将频率ω0反馈给改进的SOGI-QSG作为谐振频率；将频率ω0经过普通积分器得到的角度θ+′作为Park变换所需的旋转角度，如此形成的锁相环方法最终可实现对电网信号的闭环无静差跟踪。4.根据权利要求3所述的一种应用于大功率三电平背靠背PWM变流器的系统自适应锁相环方法，其特征在于：所述的改进的SOGI-QSG，该正交信号发生器的输入输出在s域中的传递函数D(s)、Q(s)分别表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋珺，王成胜，段巍，李凡，兰志明，杨琼涛，唐磊，赵悦，苑莉，王盼，
申请(专利权)人：北京金自天正智能控制股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11