本发明专利技术公开了一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环，属于电网电压相位信号检测和电网负载谐波电流提取相关技术领域。本发明专利技术针对传统的基于同步旋转坐标系的三相数字锁相环在电网电压不平衡和畸变时，无法准确检测三相电压基波正序分量的相位值，导致相关谐波电流提取算法精度下降，从而使谐波补偿装置的补偿效果变差的问题，对传统的三相数字锁相环进行改进，引入重复控制器，将重复控制器与比例积分控制器并联形成新的控制器，使重复控制器的优异的稳态性能跟比例积分控制器出色的动态性能相结合，从而使本发明专利技术具有动态响应快、检测精度高等优点。本发明专利技术主要用于电网电压不平衡和畸变时电压相位检测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电网电压相位信号检测和电网负载谐波电流提取相关
，特别是指一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环。
技术介绍
锁相环技术广泛应用于电力电子和电力系统等领域。常见的锁相环包括单相锁相环和三相锁相环，单相锁相环一般用在单相系统和三相电压平衡系统中，当三相电压不平衡和畸变时，单相锁相环无法获取三相电压基波正序分量的相位值。三相锁相环能够综合三相电压信息，利用坐标变换等技术手段，获得相位差信号。传统的基于同步旋转坐标系的三相数字锁相环在三相电压平衡、无畸变时能够很好的获得相位信息，但当三相电压不平衡、畸变时，其获得的相位角与三相电压的基波正序分量的相位角存在一定的差异。对此，国内外学者进行了大量研究，提出多种解决方法，包括基于双同步旋转坐标系解耦的锁相环、基于滑窗均值滤波器的锁相环、基于广义信号延迟消除的锁相环和基于同步旋转坐标系的级联信号延迟消除锁相环等。基于双同步旋转坐标系解耦的锁相环利用双同步旋转坐标系的电压特性，通过在传统的三相锁相环中增加解耦网络，分离电压正序分量和负序分量，从而能够在电网电压不平衡和畸变时检测电压基波正序分量的相位值，该方法的解耦网络复杂，计算量较大，实际应用中占用资源多。基于滑窗均值滤波器的锁相环通过在传统的三相锁相环中增加滑窗均值滤波器，滤除信号中的高频分量，实现电压基波正序分量的锁相。基于广义信号延迟消除的锁相环利用非自适应广义信号延迟消除控制器作为传统三相旋转坐标系的前置滤波器，并通过相位误差补偿器和幅值误差补偿器来矫正非额定电网频率时非自适应广义信号延迟消除控制器造成的相位偏移和幅值衰减。这两种方法都由于引入了滤波器来滤除不期望的信号，必然会导致锁相的响应时间变长。基于同步旋转坐标系的级联信号延迟消除锁相环利用一阶低通滤波器来近似基于同步旋转坐标系的级联信号延迟消除控制器的动态过程，并采用了对称优化的方法，因此具有广泛的适应性。但是由于采用了非理想的采样频率，该方法可能造成锁相结果存在离散误差。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术提供了一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环，该适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环由三相电网电压的克拉克变换、基于两相同步旋转坐标系的帕克变换、比例积分控制器、重复控制器、积分环节1/s和锁相结果θ的正余弦计算单元组成，三相电网电压连接在克拉克变换的输入端，克拉克变换的输出端与帕克变换的输入端相连，帕克变换输出端的Uq分别与比例积分控制器的输入端以及重复控制器的输入端相连，比例积分控制器的输出端、重复控制器的输出端以及固有频率ωf相加后连接在积分环节1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果θ，同时积分环节1/s的输出端与正余弦计算单元相连，正余弦计算单元的输出与帕克变换的输入端相连。其中，三相电网电压经过克拉克变换后得到两相静止坐标系下的电压Uα和Uβ，帕克变换利用锁相结果的正余弦值将两相静止坐标系下的电压变换到两相同步旋转坐标系下得到电压Ud和Uq，利用比例积分控制器和重复控制器同时对电压分量Uq进行控制，将两者的计算结果相加并与固有频率ωf相加，得到相位误差信号的控制变化量，通过积分环节1/s对其积分，得到三相电压的相位锁定结果θ。其中，用于相位信号控制的比例积分控制器和重复控制器是并联关系，形成复合控制器，当出现电压突变、相位突变等动态情形时，比例积分控制器发挥主要作用，保证锁相环的动态性能，在稳态过程中，重复控制器发挥主要作用，确保锁相环的稳态性能，能够同时发挥比例积分控制器的优异的动态性能和重复控制器出色的稳态性能，使该锁相环兼具动态响应快和检测精度高的优点。其中，比例积分控制器和重复控制器并联形成的复合控制器控制三相电网电压在同步旋转坐标系下的电压分量Uq＝0，在锁相环输出的相位角与实际电网电压向量的相位角接近时，利用克拉克变换和帕克变换得到的三相电网电压在同步旋转坐标系下的电压分量Uq与相位误差信号在经过近似处理后是正比例关系，相互之间仅差一个系数，通过控制使三相电网电压在同步旋转坐标系下的电压分量Uq保持为零，实现电网电压相位锁定。其中，该数字锁相环利用数字信号处理器和单片机等控制器实现，或用现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件等可编程逻辑器件实现。有益效果：通过在传统的基于同步旋转坐标系的三相数字锁相环的基础上引入重复控制器，形成基于重复控制的三相数字锁相环，能够在电网电压不平衡和畸变的情形下准确检测电压相位角，相位检测误差极小，可以忽略不计，将重复控制器与比例积分控制器相并联组成复合控制器，应用到三相锁相环中，用于控制电网电压在同步旋转坐标系下的q轴分量Uq，能够融合重复控制器和比例积分控制器的优点，当电网电压稳定时，重复控制能够保证锁相环的稳态性能，当电网电压波动时，比例积分控制器能够保证锁相环的动态性能，从而使锁相环具有稳态误差小、动态响应速率快的优点，确保电网电压相位角的及时、准确检测。附图说明图1是基本三相锁相环原理图。图2是同步旋转坐标系下的电网电压矢量图。图3是基于重复控制的三相数字锁相环原理图。图4是重复控制器结构框图。图5是电网电压不平衡且畸变时的锁相结果。图6是电网电压相位突变时的锁相结果。具体实施方式为使本专利技术解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部内容。针对传统的基于同步旋转坐标系的三相数字锁相环在电网电压不平衡和畸变时，无法准确检测三相电压基波正序分量的相位值，为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环。本专利技术的原理：一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环，该三相数字锁相环由三相电网电压的克拉克变换、基于两相同步旋转坐标系的帕克变换、比例积分控制器、重复控制器、积分环节1/s和锁相结果θ的正余弦计算单元组成，三相电网电压连接在克拉克变换的输入端，克拉克变换的输出端与帕克变换的输入端相连，帕克变换输出端的Uq与比例积分控制器的输入端以及重复控制器的输入端都相连，比例积分控制器的输出端、重复控制器的输出端以及固有频率ωf相加后连接在积分环节1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果θ，同时积分环节的输出端跟正余本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环，其特征在于：该适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环由三相电网电压的克拉克变换、基于两相同步旋转坐标系的帕克变换、比例积分控制器、重复控制器、积分环节1/s和锁相结果θ的正余弦计算单元组成，三相电网电压连接在克拉克变换的输入端，克拉克变换的输出端与帕克变换的输入端相连，帕克变换输出端的Uq分别与比例积分控制器的输入端以及重复控制器的输入端相连，比例积分控制器的输出端、重复控制器的输出端以及固有频率ωf相加后连接在积分环节1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果θ，同时积分环节1/s的输出端与正余弦计算单元相连，正余弦计算单元的输出与帕克变换的输入端相连。
【技术特征摘要】
1.一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环，其特征在于：该适用于电网电压
不平衡和畸变状态的锁相环由三相电网电压的克拉克变换、基于两相同步旋转坐标系的帕
克变换、比例积分控制器、重复控制器、积分环节1/s和锁相结果θ的正余弦计算单元组成，
三相电网电压连接在克拉克变换的输入端，克拉克变换的输出端与帕克变换的输入端相
连，帕克变换输出端的Uq分别与比例积分控制器的输入端以及重复控制器的输入端相连，
比例积分控制器的输出端、重复控制器的输出端以及固有频率ωf相加后连接在积分环节
1/s的输入端，积分环节1/s的输出端输出锁相结果θ，同时积分环节1/s的输出端与正余弦
计算单元相连，正余弦计算单元的输出与帕克变换的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电网电压不平衡和畸变状态的锁相环，其特征在
于：三相电网电压经过克拉克变换后得到两相静止坐标系下的电压Uα和Uβ，帕克变换利用锁
相结果的正余弦值将两相静止坐标系下的电压变换到两相同步旋转坐标系下得到电压Ud和Uq，利用比例积分控制器和重复控制器同时对电压分量Uq进行控制，将两者的计算结果相
【专利技术属性】
技术研发人员：张玉龙，王志强，王进君，李国锋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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