基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法及系统，包括：计及T/4 delay对原始输入信号的作用，将T/4 delay的传递函数计入对α坐标轴和β坐标轴的电压影响，重新构成锁相环的输入信号；在频域内对T/4 delay锁相环小信号的控制环节进行谐波线性化，利用线性化的结果得到T/4 delay锁相环运行状态下电网电压扰动引起的输出余弦信号响应，进而计算出T/4 delay锁相环的精确传递函数模型。本发明专利技术对于延时移相正交信号发生器的精确建模方法有利于对于逆变器阻抗的精确建模，最终有利于提高系统稳定性分析的精确性。

【技术实现步骤摘要】
基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法及系统
本专利技术涉及交流输配电领域，具体地，涉及一种基于延时移相正交信号发生器的单相锁相环建模方法及系统。
技术介绍
随着煤、石油等传统化石能源的日益枯竭，以及所催生的众多环境问题，基于可再生能源(如风能、太阳能、潮汐能等)的新能源发电技术是人类应对环境污染和能源危机的重要手段之一，近年来的关注度越来越高。例如，我国在“三北”地区建设了诸多千万千瓦级风电/光伏基地，并且利用特高压直流送出是我国当前新能源开发利用的新形式。可再生能源发电基地直流并网系统包含并网逆变器、静止无功补偿、高压直流输电、同步发电机等多样化装备，其中的并网逆变器作为电网与可再生能源发电单元的接口，起着将可再生能源发出的电能转变为交流电能向电网输送的作用。以光伏发电系统为代表的单相并网逆变器系统如图1所示，其中upcc是并网点电压。对于单相并网逆变器系统，为了控制并网逆变器向电网馈送的功率，通常利用PLL(锁相环)来检测电网电压的相位，并利用其生成并网电流基准。同时，通过并网电流闭环来保证并网电流能够很好地跟踪参考电流。T/4delayPLL(延时移相正交信号发生器的单相锁相环)由于结构简单、相位检测精度良好，因此应用场景较为广泛。由于可再生能源发电基地的电力电子装备容量远大于同步发电机容量，导致系统惯量低、短路比小，这使得系统多次发生振荡问题。针对新能源场站的振荡问题，主要方法是对并网逆变器系统进行阻抗建模后再利用奈奎斯特稳定性判据分析，其中的主流建模方法是谐波线性化方法，主要思路是通过注入小信号扰动，测得端口响应，进而建立整个系统阻抗模型。由于锁相环对于整个逆变器的阻抗模型低频段(<200Hz)频率特性起决定性作用，因此，锁相环的传递模型的精确与否对于整个并网逆变器系统的阻抗模型乃至稳定性分析的准确性起着决定性作用。利用谐波线性化方法对单相并网逆变器系统建立阻抗模型的过程中，若注入PCC(公共耦合点)的小信号电压扰动为upcos(ωpt+θp)，其中为up为扰动电压幅值，ωp为扰动电压角频率，θp为扰动电压初始相位，则现有的方法在分析T/4delayPLL的传递函数时均将正交发生器的β轴输出直接等效为理想的正交信号，最终推导出T/4delayPLL等效传递函数。这种β轴输出扰动的直接简化忽视了T/4delay针对的是基波周期而非扰动信号周期，其简化等效模型已与实际运行场景不符，这种β轴输出简化忽视了T/4delay对于具体小信号扰动的作用，其等效模型已偏离实际工况。综上，现有的T/4delayPLL模型虽然能体现锁相环的部分特性，但是其推导过程忽略了实际正交信号的非理想性，因而在模型精确度方面与实际工况差距较大。为了更加贴近实际的并网系统，需要考虑T/4delayPLL的延时正交环节对于具体扰动信号的滤波特性，才能提高T/4delayPLL等效模型的精确度，便于对新能源并网稳定性进行分析。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，包括：所述锁相环处于稳定工作状态时，在频域内对所述锁相环的小信号的各个控制环节进行谐波线性化；根据线性化结果得到所述锁相环运行状态下电网电压扰动引起的输出余弦信号响应；根据得到的输出余弦信号响应计算得到所述锁相环的传递函数模型。优选地，在输入所述锁相环的基波电压包含正序谐波扰动时，并网点电压uPCC为：uPCC＝U1cos(2πf1t)+Upcos(2πfpt+θup)其中U1和Up分别为基波电压、扰动电压幅值，f1为基波频率，fp为扰动频率，θup为扰动电压初始相位，Hα(s)和Hβ(s)为正交信号发生器的传递函数，Hα(s)和Hβ(s)分别：其中T为基波周期，UPCC经过延时正交信号发生器的作用后得到uα、uβ，uα、uβ的频率域表达式为：其中，[f]为频域记号，锁相环输出相角为θPLL，计及谐波电压分量对应的摄动相角Δθ时，θPLL表示为：θPLL＝θ0+Δθθ0为电网电压相位。优选地，锁相环输出相角θPLL的坐标变换矩阵Tαβ/dq(θPLL)为：将uα、uβ与坐标变换矩阵T(θ0)相乘，得到旋转坐标d轴和q轴的电压频域表达式Ud[f]和Uq[f]分别为：j为虚数符号，w1为电网电压角频率；设从输入扰动电压到锁相环输出的对应摄动相角Δθ的传递函数为：Gp1(s)为摄动相角Δθ在频率fp-f1处的传递函数，Gp2(s)为摄动相角Δθ在频率fp+f1处的传递函数；将ud、uq与坐标变换矩阵T(Δθ)相乘，忽略高阶无穷小非线性分量的影响，对摄动相角Δθ近似得u’q(t)≈-Δθ(t)ud(t)+uq(t)Δθ(t)为摄动相角Δθ的时间函数，ud(t)为d轴电压的时间函数，uq(t)为q轴电压的时间函数。优选地，Δθ[f]＝HPLL(s)U'q[f]其中HPLL(s)为锁相环开环传递函数，HPLL(s)＝(kpp+kpi/s)/skpp为锁相环比例控制系数，kpi为锁相环积分控制系数；谐波电压扰动到锁相环输出的对应摄动相角Δθ的两个传递函数Gp1(s)和Gp2(s)分别为：其中，得锁相环输出为：优选地，锁相环的传递函数为：根据本专利技术提供的一种基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模系统，包括：所述锁相环处于稳定工作状态时，在频域内对所述锁相环的小信号的各个控制环节进行谐波线性化；根据线性化结果得到所述锁相环运行状态下电网电压扰动引起的输出余弦信号响应；根据得到的输出余弦信号响应计算得到所述锁相环的传递函数模型。优选地，在输入所述锁相环的基波电压包含正序谐波扰动时，并网点电压uPCC为：uPCC＝U1cos(2πf1t)+Upcos(2πfpt+θup)其中U1和Up分别为基波电压、扰动电压幅值，f1为基波频率，fp为扰动频率，θup为扰动电压初始相位，Hα(s)和Hβ(s)为正交信号发生器的传递函数，Hα(s)和Hβ(s)分别：其中T为基波周期，UPCC经过延时正交信号发生器的作用后得到uα、uβ，uα、uβ的频率域表达式为：其中，[f]为频域记号，锁相环输出相角为θPLL，计及谐波电压分量对应的摄动相角Δθ时，θPLL表示为：θPLLθ0+Δθθ0为电网电压相位。优选地，锁相环输出相角θPLL的坐标变换矩阵Tαβ/dq(θPLL)为：将uα、uβ与坐标变换矩阵T(θ0)相乘，得到旋转坐标d轴和q轴的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，其特征在于，包括：/n所述锁相环处于稳定工作状态时，在频域内对所述锁相环的小信号的各个控制环节进行谐波线性化；/n根据线性化结果得到所述锁相环运行状态下电网电压扰动引起的输出余弦信号响应；/n根据得到的输出余弦信号响应计算得到所述锁相环的传递函数模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，其特征在于，包括：
所述锁相环处于稳定工作状态时，在频域内对所述锁相环的小信号的各个控制环节进行谐波线性化；
根据线性化结果得到所述锁相环运行状态下电网电压扰动引起的输出余弦信号响应；
根据得到的输出余弦信号响应计算得到所述锁相环的传递函数模型。


2.根据权利要求1所述的基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，其特征在于，在输入所述锁相环的基波电压包含正序谐波扰动时，并网点电压uPCC为：
uPCC＝U1cos(2πf1t)+Upcos(2πfpt+θup)
其中U1和Up分别为基波电压、扰动电压幅值，f1为基波频率，fp为扰动频率，
θup为扰动电压初始相位，Hα(s)和Hβ(s)为正交信号发生器的传递函数，Hα(s)和Hβ(s)分别：






其中T为基波周期，UPCC经过延时正交信号发生器的作用后得到uα、uβ，uα、uβ的频率域表达式为：






其中，[f]为频域记号，锁相环输出相角为θPLL，计及谐波电压分量对应的摄动相角Δθ时，θPLL表示为：
θPLL＝θ0+Δθ
θ0为电网电压相位。


3.根据权利要求2所述的基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，其特征在于，锁相环输出相角θPLL的坐标变换矩阵Tαβ/dq(θPLL)为：



将uα、uβ与坐标变换矩阵T(θ0)相乘，得到旋转坐标d轴和q轴的电压频域表达式Ud[f]和Uq[f]分别为：






j为虚数符号，w1为电网电压角频率；
设从输入扰动电压到锁相环输出的对应摄动相角Δθ的传递函数为：



Gp1(s)为摄动相角Δθ在频率fp-f1处的传递函数，Gp2(s)为摄动相角Δθ在频率fp+f1处的传递函数；
将ud、uq与坐标变换矩阵T(Δθ)相乘，忽略高阶无穷小非线性分量的影响，对摄动相角Δθ近似得
u′q(t)≈-Δθ(t)ud(t)+uq(t)
Δθ(t)为摄动相角Δθ的时间函数，ud(t)为d轴电压的时间函数，uq(t)为q轴电压的时间函数。


4.根据权利要求3所述的基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，其特征在于，
Δθ[f]＝HPLL(s)U′q[f]
其中HPLL(s)为锁相环开环传递函数，
HPLL(s)＝(kpp+kpi/s)/s
kpp为锁相环比例控制系数，kpi为锁相环积分控制系数；
谐波电压扰动到锁相环输出的对应摄动相角Δθ的两个传递函数Gp1(s)和Gp2(s)分别为：






其中，



得锁相环输出为：





5.根据权利要求4所述的基于延时移相正交信号发生器的锁相环建模方法，其特征在于，锁相环的传递函数为：





6.一种基于延时移相正交信号发生器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，李铮钊，侯川川，徐莉婷，方陈，王皓靖，
申请(专利权)人：上海交通大学，国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：上海;31