一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节；Clarke变换部分的输出为Park变换部分的输入，Park变换部分输出的q轴分量V

【技术实现步骤摘要】
一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路


[0001]本专利技术涉及一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，属于分布式能源变流器的


技术介绍

[0002]近年来，随着并网变流器的不断接入，配电网电压的情况变得极其复杂，然而并网变流器主要依靠锁相环准确获取电网电压幅值和相位信息，实现稳定的运行特性，因此当出现故障或谐波大波动时，有可能导致锁相出现错误。
[0003]基于双同步参考坐标系的锁相环、基于解耦多同步参考坐标系(decouple double synchronous reference frame PLL，DDSRF
‑
PLL)等方法都获得了一定效果，克服了传统单坐标系锁相环的缺点，解决了谐波工况下的锁相问题，但结构太复杂，且这类锁相环的动态性能与锁相环的PI参数或低通滤波器参数有一定的关系。然而，传统一自由度PI控制存在一定局限性，只能较好地满足跟踪和抗扰动特性中的任何一种特性。比如按跟随特性进行控制器参数整定得到优化值，由于系统的维一控制自由度已确定不能再调整，使得系统抗扰性能无法进一步优化；同理，按抗扰特性进行参数整定，将导致系统跟随性能无法进一步优化。因此，上述PI参数或低通滤波器只能实现跟随和抗扰动性能的折中，在复杂环境下，对于传统的跟踪优先前提下，对大扰动抑制的参数整定较困难。事实上，随着并网装置的增多以及主动配电网的不断发展，复杂情况下的变流器锁相并网也是近年来锁相环技术需要解决的新方向。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，可以有效克服低次谐波和直流分量对锁相环的影响，也可以精确跟踪电网频率的斜坡变化。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节；
[0007]所述Clarke变换部分用于将三相配电网采样电压V
a
,V
b
,V
c
转化成两相静止坐标系电压V
α
,V
β
；Clarke变换部分的输出为Park变换部分的输入，Park变换部分输出的q轴分量V
q
经标么化转换部分转换为移动平均值滤波器的输入；
[0008]所述双自由度PID补偿器分为PID1补偿器和PID2补偿器，PID1补偿器用于对配电网电压实际相位θ的跟踪锁相，而PID2补偿器则用于对系统电压幅值和频率变化的抗扰动；
[0009]移动平均值滤波器的输出接至前向通道PID1补偿器，前向通道PID1补偿器的输出与反馈通道PID2补偿器的输出之和，再与初始角频率的和接入VCO环节，VCO环节的输出为锁相相位，该锁相相位反馈至Park变换部分和反馈通道PID2补偿器的输入；锁相环用于跟踪配电网的频率和相位，并输出角频率和相位。
[0010]所述PID1补偿器的传递函数PID1(s)为：
[0011][0012]其中，S是变量，K
p
为比例系数，K
i
为积分系数，K
d
为微分系数；T
f
为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数。
[0013]所述PID2补偿器的传递函数PID2(s)为：
[0014][0015]其系数定义如PID1(s)，S是变量，K
p
为比例系数，K
i
为积分系数，K
d
为微分系数；T
f
为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数。
[0016]所述移动平均值滤波器用于滤除配电网电压中的谐波分量和直流分量，降低谐波对锁相环相位的畸变程度；所述移动平均值滤波器的传递函数MAF(s)为：
[0017][0018]其中，S是变量，ω
c
为带宽，ω0为工频角频率，T
ω
为工频周期20ms，e是自然数。
[0019]所述锁相环包含Park变换、标么化转换和双自由度PID补偿器；
[0020]所述Park变换用于将两相静止坐标电压转化为与配电网电压频率相同的同步坐标信号，通过保持同步坐标系q轴分量的值为0，就能跟踪配电网的频率和相位；
[0021]所述标么化转换将Park变换q轴分量滤波输出值除以d轴分量滤波输出值，克服电压深度跌落时，锁相环由于PID增益不够的失稳问题。
[0022]所述Park变换计算如下：
[0023][0024]其中，V
d
和V
q
分别为配电网电压在两相同步坐标系中的d,q分量，为估计的角频率；V
α
,V
β
为两相静止坐标系电压；
[0025]所述为通过对所述PID补偿器输出和初始角频率之和获得的系统角频率进行积分得到。
[0026]本专利技术所达到的有益效果：
[0027]1、本专利技术可以克服低次谐波和直流分量对锁相环的影响，提高锁相精度；
[0028]2、本专利技术锁相环采用二自由度PID补偿，实现跟踪和抗干扰性能分别镇定，提高锁相环稳定性；
[0029]3、本专利技术提供了PID补偿，通过增加微分环节加快软件锁相环的进程；
[0030]4、本专利技术锁相环技术不增加并网逆变器控制器的硬件成本，仅增加少量MCU的计算负担。
附图说明
[0031]以下将结合附图对本专利技术作进一步说明：
[0032]图1为本专利技术的锁相环原理图；
[0033]图2为本专利技术的MAF滤波器的波特图；
[0034]图3为基于MATLAB的二自由度PID设计方法；
[0035]图4为本专利技术的锁相仿真效果图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图1～4对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0037]如图1所示，本专利技术提出一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节。
[0038]该电路的工作过程，包括：
[0039]1)Clarke变换部分将三相配电网电压V
a
,V
b
,V
c
转化成两相静止坐标系电压V
α
,V
β
，具体计算公式如下：
[0040][0041]2)Park变换部分将步骤(1)中的静止坐标电压转化为与配电网电压频率相同的同步坐标信号，计算公式如下：
[0042][0043]其中，V
d
和V
q<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，包括Clarke变换部分、Park变换部分、移动平均值滤波器、标么化转换部分、双自由度PID补偿器和VCO环节；所述Clarke变换部分用于将三相配电网采样电压V
a
,V
b
,V
c
转化成两相静止坐标系电压V
α
,V
β
；Clarke变换部分的输出为Park变换部分的输入，Park变换部分输出的q轴分量V
q
经标么化转换部分转换为移动平均值滤波器的输入；所述双自由度PID补偿器分为PID1补偿器和PID2补偿器，PID1补偿器用于对配电网电压实际相位θ的跟踪锁相，而PID2补偿器则用于对系统电压幅值和频率变化的抗扰动；移动平均值滤波器的输出接至前向通道PID1补偿器，前向通道PID1补偿器的输出与反馈通道PID2补偿器的输出之和，再与初始角频率的和接入VCO环节，VCO环节的输出为锁相相位，该锁相相位反馈至Park变换部分和反馈通道PID2补偿器的输入；锁相环用于跟踪配电网的频率和相位，并输出角频率和相位。2.根据权利要求1所述的一种基于双自由度PID补偿的锁相环电路，其特征在于，所述PID1补偿器的传递函数PID1(s)为：其中，S是变量，K
p
为比例系数，K
i
为积分系数，K
d
为微分系数；T
f
为滤波系数，一般为微分系数的1/10；b为比例占比系数，c为微分占比系数；所述PID2补偿器的传递函数PID2(s)为：其系数定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宪萍，王晓东，杨林涛，杜娟，王霁莹，张文晋，李思岑，陈沼宇，倪喜军，
申请(专利权)人：国网山西省电力公司长治供电公司，
类型：发明
国别省市：