一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法技术

本发明专利技术涉及单相光伏逆变器数字锁相环控制技术领域，公开了一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法，经过制作表长为L的离散正弦表；通过模数转换芯片，采集单相电网电压信号，并转换成数字量ug(k)；设输入电压信号为u(k)，由差分方程计算出d(k),q(k)；uα(k)和uβ(k)为ug经过SOGI方法得到αβ坐标系下的正交信号uα和uβ，ud(k)为经过Park变换得到的dp坐标系下的d轴分量，计算ud(k)等步骤，得出电网电压同频同相的相位信息。本发明专利技术在基于同步旋转坐标系的数字锁相环中，对单相电网电压生成正交坐标系的环节进行了改进，兼顾了单相锁相环的检测精度与速度，同时能适应单相电网电压畸变的情况。

A Digital Phase-Locked Loop Control Method for Single-Phase Photovoltaic Inverter

The invention relates to the technical field of digital phase-locked loop control for single-phase photovoltaic inverters, and discloses a digital phase-locked loop control method for single-phase photovoltaic inverters. After making a discrete sinusoidal table with a table length of L, the single-phase grid voltage signal is collected through an analog-to-digital conversion chip and converted into a digital quantity UG (k); the input voltage signal is set as u (k), and D (k), Q (k) and u (beta) are calculated from the difference equation. (k) the orthogonal signals u_ alpha and u_ beta in alpha_ beta coordinate system are obtained for UG by SOGI method. u d_ (k) is the d-axis component in DP coordinate system obtained by Park transformation. u d_ (k) and other steps are calculated to obtain the phase information of grid voltage in the same frequency and phase. In the digital phase-locked loop based on synchronous rotating coordinate system, the link of generating orthogonal coordinate system of single-phase grid voltage is improved, taking into account the detection accuracy and speed of single-phase phase phase-locked loop, and can adapt to the situation of single-phase grid voltage distortion.

【技术实现步骤摘要】
一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法
本专利技术涉及单相光伏逆变器数字锁相环控制
，更具体地说，特别涉及一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法。
技术介绍
新能源分布式发电技术，已经成为当今科技发展的热点。光伏发电作为最清洁的新能源发电方式，受到越来越多的关注，其由补充能源向替代能源过渡，并最终占据能源主导地位已成必然趋势。在光伏发电的应用领域，分布式光伏屋顶系统，规模小、投资少、清洁环保、发电方式灵活，具有巨大的竞争优势。一般情况下，居民用户的电力由单相电网提供。因此，单相光伏并网逆变器的控制技术成为新能源发电领域的研究重点之一。在对单相光伏逆变器进行并网控制时，需要获得单相电网电压的频率与相位。目前，大多数单相光伏并网逆变器的锁相环技术采用硬件过零点检测的方式，该方式无法应用于电网谐波污染严重的场合，且必须等到电网电压过零点时刻才能对相位进行重新调校，存在滞后和延迟。在三相系统中，可以采取基于同步坐标旋转变换的数字锁相环，具有稳态误差小、动态性能好，且具有抗干扰能力强等优点。但是，单相系统由于仅有一相电压，不能像三相系统一样进行同步坐标系转换。因此，单相系统不能直接应用基于同步旋转坐标系的数字锁相环技术，使得单相光伏并网逆变器的并网控制受到一定程度的制约。在单相系统中，要实现基于同步旋转坐标系的锁相环控制，使单相交流电压转变成直流量，进行Park坐标变换，必须首先得到与单相电网电压正交的虚拟正交电压，即进行αβ坐标变换，即Clark坐标变换。如图1所示，电压矢量首先要转变成直流量，需要先进行Clark坐标变换，得到αβ坐标系中的Xα与Xβ，再进行Park坐标变换，得到dq坐标系中的直流分量Xd与Xq。现有技术方案中，令单相电网电压矢量为αβ坐标系中的Xα分量，与之正交的Xβ通过，将Xα分量延迟四分之一个周期得到，即延迟90°，如图2所示。具体步骤为：(1)首先，采取过零点检测的方法，测量出被测正弦信号X的周期T，并计算出周期T所对应时间片的计数值Cnt；(2)接着，在DSP中，依次把当前的被测量信号的采样值存入一队列中；(3)然后，计数值达到Cnt/4时，将当次采样值作为Xβ输出，将Cnt/4之前的队列中首个采样值作为Xα输出；(4)按照以上顺序，依次输出Xα与Xβ，即可实现Clark变换。该现有技术方案的缺点如下：(1)现有的技术方案，存在延时，即被测量值X，需要经过四分之一个工频周期才能输出Xα与Xβ。(2)在数字化实现过程中，需要采用定时器以及数字队列，占用DSP中的定时器资源以及内存资源；(3)如果采样的正弦量X出现畸变，或者存在直流分量，则按照现有方法得到的Xα与Xβ将不是严格的正交关系，因此，该方法不适应于电网电压出现畸变的场合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法，在基于同步旋转坐标系的数字锁相环中，对单相电网电压生成正交坐标系的环节进行了改进，兼顾了单相锁相环的检测精度与速度，同时能适应单相电网电压畸变的情况。本专利技术基于二阶广义积分(SecondaryOrderGeneralizedIntegrator,SOGI)，将电网电压正弦矢量信号ug，生成正交信号uα与uβ。其中SOGI的数学表达式为:图3为式(1)与式(2)的波特图，从波特图可以看出，对于电网工频的矢量，SOGI对其幅值都没有衰减作用。而D(s)可对电网电压矢量进行滤波，仅在工频50Hz时的电压矢量分量才能无衰减通过，其它频率的分量都将受到衰减，并且，D(s)对电网电压矢量无相移作用。而Q(s)对处于工频的电网电压矢量会产生90°滞后的相移，而在幅值上对其无衰减。因此，在数字控制系统中，可以采用离散化的SOGI来实现虚拟正交分量的生成，并具有一定的滤波作用。对于式(1)与式(2)进行基于后向欧拉离散化后，得到离散域的表达式：其中，Ts为离散系统采样周期。令输入为u(k)将式(3)与式(4)转换成差分方程得：本专利技术所采用的单相数字锁相环控制模型如图4所示，图中ωff为前馈角频率。单相电网电压信号ug经过SOGI方法得到αβ坐标系下的正交信号uα和uβ。再经过Park变换得到dq坐标系下的d轴分量ud，与其参考指令ud*比较得到误差e。将误差e通过控制器进行调节，控制器输出的积分就是电网电压的相位若设Um为电网电压的幅值，令为锁相环的测量值，则图4中的Park变换由下式完成：其中：为实际电网的电角度，而为起始初相角，则ω为电网基频角频率。为了实现锁相控制，可以令直轴分量参考指令ud*＝0，与实际实时电网电压的直轴分量ud相减所得误差e通过控制器进行调节后使得ud等于0，即调节后，控制器输出与前馈角频率之和经积分环节后就可得到的锁相环的输出值闭环控制可使趋近于电网电压的实际相角θ。其中，图4中的控制器可采用PI调节器进行调节。本专利技术采用的技术方案如下：一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法，包括以下步骤：步骤1，首先制作表长为L的离散正弦表；步骤2，通过模数转换芯片，采集单相电网电压信号，并转换成数字量ug(k)；步骤3，设输入电压信号为u(k)，令u(k)＝ug(k)，由差分方程计算出其中Ts为离散系统采样周期；步骤4，令u(k)＝ug(k)，由差分方程计算出其中Ts为离散系统采样周期；步骤5，uα(k)和uβ(k)为ug经过SOGI方法得到αβ坐标系下的正交信号uα和uβ，ud(k)为经过Park变换得到的dp坐标系下的d轴分量。令uα(k)＝d(k)；uβ(k)＝q(k)；得到其中为实际电网的电角度，而为起始初相角，ω为电网基频角频率Um为电网电压的幅值，为PLL的测量值。计算ud(k)，其中，正弦为根据索引值S_index在正弦表中查询所得，余弦为根据根据索引值C_index在正弦表中查询所得，而正弦索引值与余弦索引值存在如下关系：C_index＝S_index+L/4；步骤6，d轴分量给定值为ud*＝0，与ug经park变换得到的d轴分量ud相减所得误差为e(k)＝0-ud(k)；步骤7，e(k)经PI调节器调节，得到PI调节器的输出值为p(k),加上前馈值ωff,并经过积分累加得到θ(k)；步骤8，将θ(k)赋予S_index，并做限幅处理，即θ(k)>L时，θ(k)＝0；步骤9，根据S_index与C_index查表计算得到的正弦值与余弦值，就是与电网电压同频同相的相位信息。特别地，在50Hz工频电网时，课设前馈值ωff＝100π。利用标准220V电网电压进行测试，采用本专利技术，可以迅速(10ms之内)与准确地监测出电网电压的相位，相位误差不超过1°。利用可编程电源，在单相电网电压中添加注入5％的3次谐波，3％的5次谐波和2％的7次谐波，本数字锁相环仍能迅速与准确地检测出电网电压的相位。图6表明，无论电网有无谐波注入，本锁相环的锁相精度都能达到0.4％内，锁相时间均小于1/10周期。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术采用广义二阶积分，对电网电压进行滤波，电网电压在工频频率点附近取得无增益的通过，而对非频率点的电压分量进行滤除，可保证构建正交坐标系的准确性，且几乎无延时；2.本专利技术采用广义二阶积分，在生成虚拟正交分量时，利用其相移特性，可以将工频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法，包括以下步骤：步骤1，首先制作表长为L的离散正弦表；步骤2，通过模数转换芯片，采集单相电网电压信号，并转换成数字量ug(k)；步骤3，设输入电压信号为u(k)，令u(k)＝ug(k)，由差分方程计算出

【技术特征摘要】
1.一种单相光伏逆变器数字锁相环控制方法，包括以下步骤：步骤1，首先制作表长为L的离散正弦表；步骤2，通过模数转换芯片，采集单相电网电压信号，并转换成数字量ug(k)；步骤3，设输入电压信号为u(k)，令u(k)＝ug(k)，由差分方程计算出其中Ts为离散系统采样周期；步骤4，令u(k)＝ug(k)，由差分方程计算出其中Ts为离散系统采样周期；步骤5，uα(k)和uβ(k)为ug经过SOGI方法得到αβ坐标系下的正交信号uα和uβ，ud(k)为经过Park变换得到的dp坐标系下的d轴分量；令uα(k)＝d(k)；uβ(k)＝q(k)；得到其中为实际电网的电角度，而为起始初相角，ω为电网基频角频率Um为电网电压的幅值，为PLL的测量值；计算ud(k)，其中，正弦为根据索引值S_in...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，郭海亚，伍建松，贺德强，宋绍剑，姜蓉，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45