一种模块化三相同步锁相环的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化三相同步锁相环的设计方法，包括以下步骤：步骤一：为满足电网电压非理想情况下的锁相准确度，优化设计合理的环路滤波PI参数；步骤二：在MATLAB平台上的Simulink工具中分别进行电压不平衡和畸变条件下的比对仿真验证；步骤三：设计不同的截止频率，通过MATLAB仿真结果中不同输出精度和响应速度，并与电网频率前馈控制所需要的截止频率相配合，在合适的截止频率附近设计PI参数；步骤四：根据优化后的PI参数对三相同步锁相环进行模块化设计。通过上述方式，本发明专利技术所述的模块化三相同步锁相环的设计方法，只需优化锁相环的PI控制参数，在有效保证稳态精度要求高的同时，不影响到锁相环动态响应的速度。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化三相同步锁相环的设计方法
本专利技术涉及新能源与现有电力并网
，特别是涉及一种模块化三相同步锁相环的设计方法，三相同步锁相环用来获得电网电压的相位角，并以此来控制变换器，使其与电网电压保持同步。
技术介绍
随着经济不断发展，社会对电力需求的持续增长，太阳能、风能等可再生能源发电技术的不断进步，可再生能源发电系统必须与现有电力网并网，才能最大限度地发挥其作用。基于可再生能源转化为电能的特点，可再生能源发电系统一般通过电力变换器并入电网。电力电子技术的电力变换器都有一个共同的特点，它们直接通过变压器、电抗器等设备与电网并联或串联，并依赖电源电压与电网保持同步运行。要实现并网变换器与电网的同步运行，首先必须检测电网电压的频率和相位，并以此来控制变换器，使其与电网电压保持同步，一般用锁相环来获得电网电压相位角。锁相环的基本功能是用来锁定单相电压的相位或者三相电网电压正序分量的相位，但部分情况下还需提供频率和幅值信息，锁相系统涉及的输出信息都参与了电力变换器的控制过程，因而它的性能好坏与否在电力变换器系统中起到举足轻重的作用。为了保证并网变换器与电网保持同步，必须研究使用高性能锁相电路跟踪检测技术，即在电网三相电压发生不平衡、畸变或电压突降条件下，锁相电路都必须能够快速、准确地锁定正序基波电压相位。三相同步锁相环体系是建立在一套确定的坐标参考系下的，目前的研究仅从结构组成去分析锁相环，对锁相环的目标和机理的分析不清晰，优化结构后的锁相环算法烦琐，芯片资源占用大，并且复杂系统传函难于设计参数，不利于系统的稳定，实际应用不便。因此根据目前的研究现状，设计出一种可以不改变锁相环内部结构的锁相环优化方法，就变得极为重要。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种模块化三相同步锁相环的设计方法，使得传统的三相同步锁相环能够满足电网电压非理想情况下的锁相准确度。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种模块化三相同步锁相环的设计方法，包括以下步骤：步骤一：为满足电网电压非理想情况下的锁相准确度，通过分析三相同步锁相环的抗干扰特性，优化设计合理的环路滤波PI参数；步骤二：在MATLAB平台上的Simulink工具中分别进行电压不平衡和畸变条件下的比对仿真验证，观察仿真结果锁相环输出的精确度和波动，选出电网频率前馈控制所需要的合适的截止频率；步骤三：设计不同的截止频率，通过MATLAB仿真结果中不同输出精度和响应速度，并与电网频率前馈控制所需要的截止频率相配合，在合适的截止频率附近设计PI参数以满足实际系统的动、静态性能需求；步骤四：根据优化后的PI参数对三相同步锁相环进行模块化设计，将标幺处理后的电压信号和设计后的PI参数输入锁相环中，对锁相环进行参数封装，使锁相环成为一个独立的软件系统。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤一中，根据分析三相同步锁相环对零序分量的免疫能力以及三相同步锁相环对不平衡电压和谐波的抗性，得出结论只要优化设计合理的环路滤波PI参数，传统的三相同步锁相环就可以满足电网电压非理想情况下的锁相准确度。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤二中，设计电网频率前馈控制所需要的截止频率时考虑两种不同情况，分别对电网三相电压不平衡情况和电网畸变情况作出仿真，根据锁相环输出的精确度和波动选出合适的截止频率。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤三中，取不平衡度为30％目标电压下，用频率的波动来表征锁相误差，用输出角度的线性度来表征锁相效果，截止频率取100Hz、50Hz、10Hz和5Hz这四组不同值，分别进行Matlab仿真，对比频率误差、锁相输出效果和动态跟踪速度，结合步骤二中选出的电网频率前馈控制的截止频率，选出合适的PI参数。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤四中，将采样数据进行标幺后再送入锁相环三相同步锁相环，此时环路滤波器的PI参数只会在模块中进行变化，再通过后续模块化的封装就可以完成统一的设计。目标电压幅值发生变化后，锁相环性能并不会受到影响。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤四中，根据步骤三中确定的环路滤波PI控制参数，确定锁相环系统的所有参数，并基于模块化设计方案编写三相同步锁相环的代码，对其进行代码的模块化封装，此时锁相环已成为一个完全独立的软件系统，其参数并不需要随着硬件系统差异和外界输入的不同而发生改变。本专利技术的有益效果是：本专利技术指出的一种模块化三相同步锁相环的设计方法，只需优化锁相环的PI控制参数，无需改变锁相环的结构(如添加滤波器环节，改变环路滤波器类型等)，所以避免了原本算法繁琐、芯片资源占用过多的问题，在有效保证稳态精度要求高的同时，不影响到锁相环动态响应的速度，传统结构在三相同步锁相环的dq轴电压分量处增加低通滤波器，虽然可以抑制输入的高次谐波和提高测量精度，但会导致跟踪的延迟时间增加，动态响应速度变慢，发生相位偏移等问题，而本专利技术的技术方案中，避免了增加低通滤波器的缺点，参数优化方法可以达到数字滤波器的精确锁相性能，而在实现上更简单，三相同步锁相环的模块化设计方案，非常适合实际工程应用，统一参数的代码编写，使其可以应用到几乎所有的电网锁相的场合。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本专利技术一种模块化三相同步锁相环的设计方法中三相同步锁相环原理框图；图2是参考的坐标变化系图；图3是锁相环的基本结构示意图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1～图3，本专利技术实施例包括：一种模块化三相同步锁相环的设计方法，包括以下步骤：步骤一：为满足电网电压非理想情况下的锁相准确度，通过分析三相同步锁相环的抗干扰特性，优化设计合理的环路滤波PI参数；三相同步锁相环的抗干扰性能分析如下：在多数电力系统和电力电子应用场合，锁相环主要用来锁电网电压的相角，图2所示是电力电子控制中应用较广的一种坐标参考系；假设，一个三相对称系统的电压方程为其中，Va、Vb、Vc是锁相环量测点A、B、C三相电压瞬时值，V是电压幅值，ω为角速度，为电压的初始相位；经过从abc三相坐标系到dq0坐标系的Park变换可得式中，θ是dq0坐标系的旋转角度(θ＝ω't，ω'是dq0坐标系的旋转角速度)；(1)分析三相同步锁相环对零序分量的免疫能力：当电网电压含有零序分量时，式中，Va0、Vb0、Vc0是电网电压中的零序分量，Vd0、Vq0分别是由零序分量引起的d、q分量；计算可得Vd0＝0，Vq0＝0。得出结论：即无论用Vd还是Vq做鉴相，d、q变换本身就有消除零序分量的特点，因而三相同步锁相环的性能不受目标电压的零序分量的影响；(2)分析三相同步锁相环对不平衡电压和谐波的抗性：三相电压不平衡主要由负序基波分量引起，而负序基波分量在正序dq0旋转坐标系上表现为两次波动；电压畸变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化三相同步锁相环的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：为满足电网电压非理想情况下的锁相准确度，通过分析三相同步锁相环的抗干扰特性，优化设计合理的环路滤波PI参数；步骤二：在MATLAB平台上的Simulink工具中分别进行电压不平衡和畸变条件下的比对仿真验证，观察仿真结果锁相环输出的精确度和波动，选出电网频率前馈控制所需要的合适的截止频率；步骤三：设计不同的截止频率，通过MATLAB仿真结果中不同输出精度和响应速度，并与电网频率前馈控制所需要的截止频率相配合，在合适的截止频率附近设计PI参数以满足实际系统的动、静态性能需求；步骤四：根据优化后的PI参数对三相同步锁相环进行模块化设计，将标幺处理后的电压信号和设计后的PI参数输入锁相环中，对锁相环进行参数封装，使锁相环成为一个独立的软件系统。

【技术特征摘要】
1.一种模块化三相同步锁相环的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：为满足电网电压非理想情况下的锁相准确度，通过分析三相同步锁相环的抗干扰特性，优化设计合理的环路滤波PI参数；步骤二：在MATLAB平台上的Simulink工具中分别进行电压不平衡和畸变条件下的比对仿真验证，观察仿真结果锁相环输出的精确度和波动，选出电网频率前馈控制所需要的合适的截止频率；步骤三：设计不同的截止频率，通过MATLAB仿真结果中不同输出精度和响应速度，并与电网频率前馈控制所需要的截止频率相配合，在合适的截止频率附近设计PI参数以满足实际系统的动、静态性能需求；步骤四：根据优化后的PI参数对三相同步锁相环进行模块化设计，将标幺处理后的电压信号和设计后的PI参数输入锁相环中，对锁相环进行参数封装，使锁相环成为一个独立的软件系统。2.根据权利要求1所述的模块化三相同步锁相环的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，根据分析三相同步锁相环对零序分量的免疫能力以及三相同步锁相环对不平衡电压和谐波的抗性，得出结论只要优化设计合理的环路滤波PI参数，传统的三相同步锁相环就可以满足电网电压非理想情况下的锁相准确度。3.根据权利要求1所述的模块化三相同步锁相环的设计方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贝，
申请(专利权)人：江苏江荣智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32