基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法技术

本发明专利技术公开了基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法，包括：对三相电网电压采样，然后通过Park坐标变换得到两相dq旋转坐标系下电压分量vq与vd；将获得的vd求微分后除以角频率参数，然后再与vq相加得到将获得的vq求微分后除以角频率参数，然后再与vd相加得到将获得的通过滑动滤波器后得到基波正序电压幅值将获得的通过滑动滤波器后再通过PI调节器，PI调节器的输出加上预设角频率后得到锁相环测得的电网电压角频率预设角频率通常为工频；将得到的进行积分，得到锁相环测得的电网电压相位将得到的反馈回输入端完成闭环控制。本申请将随输入信号频率变化的比例算法引入MAF-PLL，消除PLL中最低频波动分量，从而缩小MAF的窗口宽度，提升MAF-PLL的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法
本专利技术涉及基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法。
技术介绍
随着电力电子及新能源技术的发展，分布式发电并网、灵活交流输电、有源电力滤波器、柔性直流输电等技术得到了迅速发展。在这些技术中换流器往往连接到电网的公共节点(PointofCommonCoupling，PCC)上。基于这个原因PCC处的电网基波正序电压信息(比如相位和频率)必须被实时快速准确地获取。锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)是获取上述信息的主要方法，大量文献中提出了不同的锁相环设计方法，其中使用最为广泛的是单同步坐标系锁相环(SRF-PLL)。SRF-PLL可以应用在单相中也可以应用在三相中。该锁相环将三相输入电压经过Park变换到dq两相旋转坐标系下，通过PI控制器调节q轴或d轴(根据实际变换)分量为零来捕获电压的相位和频率，该方法结构简单，参数调试方便，在理想电网电压下可以有很高的带宽，因此可以快速准确锁相，在谐波污染情况下可以通过降低带宽来获得相对满意的效果，但是在三相电网电压不平衡情况下即使降低环路带宽一般也难以获得电网电压的准确信息。为了消除电网电压不平衡对锁相环的影响，大量文章提出了不同的改进方法，比如有的文献提出一种双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-PLL),该方法将αβ坐标系下的DSOGI结构引入锁相环来获取基波正序电压。还有文献提出一种自适应陷波器锁相环(ANF-PLL)，其原理类似于DSOGI-PLL，该方法使用自适应陷波器来获取基波正序电压。有的文献提出一种增强型锁相环(EPLL)，EPLL可以同时获取输入信号的相角和幅值，并且可以非常容易地重构目标信号，该方法滤波能力强但是动态响应速度慢。有的文献提出双同步坐标系锁相环(DDSRF-PLL)，该方法使用双同步坐标变换和解耦网络来获取基波正序和负序电压。有的文献提出一种基于复数滤波器的锁相环(MCCF-PLL)，与传统滤波器不同，复数滤波器能够区分相同频率下的正负序信号。有的文献提出一种延时消去法锁相环(DSC-PLL),该方法将输入信号延时四分之一周期然后与原信号相加以获取基波正序电压。上述改进方法基本消除了电压不对称对锁相环的影响，但是由于上述改进方法在频域中大部分表现为传统低通滤波特性，或者只能对单个频点进行陷波，因此在严重谐波污染电网环境下只能通过降低系统带宽来提高锁相环的谐波抑制能力，这严重影响了锁相环的动态特性，在某些动态响应速度要求高的场合，比如低电压穿越等，这些方法难以满足要求。虽然一些文章中提出了基于上述方法的多通道模式，比如MRF-PLL,MSOGI-FLL,和GDSC-PLL等算法，但是这些算法的复杂程度呈倍数增加，而且在谐波成分未知情况下滤波效果难以保证，并且不易在数字控制器中实现。即使在谐波污染较弱的环境中，由于电压不对称的影响，采用上述方法的锁相环为了保证系统稳定性，其截止频率也必须大大低于二倍基波频率，因此动态响应速度同样难以保证。近期文章中提出了多种关于滑动滤波器(MovingAverageFilter,MAF)的锁相环，其中有的文献将MAF引入传统SRF-PLL，提出了MA-PLL，该方法大大提升了传统SRF-PLL的滤波能力但是降低了动态响应速度。有的文献将MAF引入MRF-PLL取代原先的低通滤波器，同样提升了MRF-PLL的滤波效果。有的文献将频率自适应的MAF引入传统SRF-PLL，提出了MAF-PLL，该方法与MA-PLL的不同就在于将锁相环获得的频率实时反馈给MAF，从而可以动态调节MAF的窗口宽度，在系统频率变化时同样可以达到很好的滤波效果。上述基于MAF的锁相环可以完全消除电压不平衡、谐波污染甚至直流偏置对传统锁相环的影响，准确获取电压基波正序分量的相位和频率，由于其数字实现简单，计算量低，使其成为最具吸引力的锁相环之一。但是引入MAF后的锁相环由于MAF窗口宽度的限制，系统带宽大大降低，因此严重影响了锁相环的动态性能。
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滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法，并将其命名为DMAF-PLL。该方法能快速消除低频谐波从而提高滑动滤波器的窗口宽度。因为该方法的实现是将一种随输入信号频率变化的比例算法引入MAF-PLL，因此不会引入相位滞后恶化系统稳定性。DMAF-PLL提高了MAF-PLL的开环带宽，大大提升了其动态特性。该方法易于实现，计算量小。仿真和实验均验证了本申请提出方法的有效性和正确性。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法，包括以下步骤：步骤一：对三相电网电压采样，然后通过Park坐标变换得到两相dq旋转坐标系下电压分量vq与vd；步骤二：将步骤一中获得的vd求微分后除以角频率参数，然后再与vq相加得到将步骤一中获得的vq求微分后除以角频率参数，然后再与vd相加得到步骤三：将步骤二获得的通过滑动滤波器后得到锁相环测得的基波正序电压幅值V1+；步骤四：将步骤二获得的通过滑动滤波器后再通过PI调节器，PI调节器的输出加上预设角频率后得到锁相环测得的电网电压角频率预设角频率通常为工频；步骤五：将步骤四得到的进行积分，得到锁相环测得的电网电压相位步骤六：将步骤五得到的反馈回输入端完成闭环控制。所述步骤二中，当忽略直流偏置时，DIFq的作用是对输入信号求导然后再除以2ωn，DIFd的作用是对输入信号求导然后再除以-2ωn，因此其传递函数为：DIFd(s)＝-s/(2ωn)DIFq(s)＝s/(2ωn)其中，ωn是基波角频率，s是拉普拉斯算子。定义解耦传递函数PF(s)为或其中vq与vd分别为dq坐标系下的电压信号，因为vq与vd之间相差90°，因此vd/vq＝j，解耦传递函数PF(s)可以改写为：PF(s)＝1+j×(-jω)/(2ωn)＝1+ω/(2ωn)其中，ω是输入信号的角频率，ωn是基波角频率；可以看出PF(s)实际上是一个比例环节，其值随着输入信号的频率而改变；当输入信号的频率为-2ωn时，PF(s)的值为0，因此它能够消除负序二次谐波。此时通过解耦传递函数的信号可以表示为其中，ωn是基波角频率，v'd是电压分量vd的一次导数，v'q是电压分量vq的一次导数，h代表h次谐波，为其对应初始相角。从该信号可以看出，改进算法已将最低次谐波消除。当考虑直流偏置时，DIFq的作用是对输入信号求导然后再除以-ωn，DIFd的作用是对输入信号求导然后再除以ωn，因此其传递函数为：DIFd(s)＝s/ωnDIFq(s)＝-s/ωn此时PF(s)可以表示为PF(s)＝1-ω/ωn当考虑直流偏置时，在输入信号频率为ωn时，解耦传递函数的值是0，因此解耦传递函数可以快速消除直流偏置造成的影响，此时通过解耦传递函数后的信号可以表示为其中，ωn是基波角频率，v'd是电压分量vd的一次导数，v'q是电压分量vq的一次导数。从该信号可以看出，改进算法已将最低次谐波消除。DMAF-PLL即改进的滑动滤波器的锁相环的开环传递函数为：其中，是锁相环输出的基波正序电压相位，θe为相位误差，D(s)为扰动信号的传递函数，V1+为基波正序电压幅值，PF(s)为提出的比例算法的传递函数，MAF(s本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：对三相电网电压采样，然后通过Park坐标变换得到两相dq旋转坐标系下电压分量vq与vd；步骤二：将步骤一中获得的vd求微分后除以角频率参数，然后再与vq相加得到将步骤一中获得的vq求微分后除以角频率参数，然后再与vd相加得到步骤三：将步骤二获得的通过滑动滤波器后得到基波正序电压幅值V1+；步骤四：将步骤二获得的通过滑动滤波器后再通过PI调节器，PI调节器的输出加上预设角频率后得到锁相环测得的电网电压角频率预设角频率通常为工频；步骤五：将步骤四得到的进行积分，得到锁相环测得的电网电压相位步骤六：将步骤五得到的反馈回输入端完成闭环控制。

【技术特征摘要】
1.基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：对三相电网电压采样，然后通过Park坐标变换得到两相dq旋转坐标系下电压分量vq与vd；步骤二：将步骤一中获得的vd求微分后除以角频率参数，然后再与vq相加得到将步骤一中获得的vq求微分后除以角频率参数，然后再与vd相加得到步骤三：将步骤二获得的通过滑动滤波器后得到锁相环测得的基波正序电压幅值步骤四：将步骤二获得的通过滑动滤波器后再通过PI调节器，PI调节器的输出加上预设角频率后得到锁相环测得的电网电压角频率预设角频率为工频；步骤五：将步骤四得到的进行积分，得到锁相环测得的电网电压相位步骤六：将步骤五得到的反馈回输入端完成闭环控制；所述步骤二中，当忽略直流偏置时，DIFq的作用是对输入信号求导然后再除以2ωn，DIFd的作用是对输入信号求导然后再除以-2ωn，因此其传递函数为：DIFd(s)＝-s/(2ωn)DIFq(s)＝s/(2ωn)其中，ωn是基波角频率，s是拉普拉斯算子；当考虑直流偏置时，DIFq的作用是对输入信号求导然后再除以-ωn，DIFd的作用是对输入信号求导然后再除以ωn，因此其传递函数为：DIFd(s)＝s/ωnDIFq(s)＝-s/ωn其中，ωn是基波角频率，s是拉普拉斯算子，DIFq的作用是对输入信号求导然后再除以-ωn，DIFd的作用是对输入信号求导然后再除以ωn。2.如权利要求1所述的基于滑动滤波器的锁相环动态性能改进方法，其特征是，解耦传递函数PF(s)为：PF(s)＝1+j×(-jω)/(2ωn)＝1+ω/(2ωn)其中，ω是输入信号的角频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁军，王金玉，贠志皓，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37