基于瞬时无功功率理论的闭环锁相方法及锁相器

摘要

本发明主要涉及一种基于瞬时无功功率理论的闭环锁相方法及锁相器，首先将三相电网电压转换到αβ坐标系下，再转换到pq坐标系下；然后进行电压采样，并在采样前或采样后用平均滤波器进行滤波，滤波过程中通过改变平均滤波器的累加点数N来改变平均滤波器的响应时间；最后进行闭环调节。本发明提出了在瞬时无功理论的软件锁相技术加入前置或后置数字滤波器的新方法，使其更适用于复杂供电环境下的应用，不仅能有效抑制交流分量，而且响应速度快、抗干扰能力强。通过仿真及实验证明了理论分析的正确及新方法的有效性。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种锁相方法及软锁相环，该软锁相环是一种基于瞬时无 功理论的改进型软锁相环。

背景技术

由于电力电子设备的大量应用，电网的电能质量问题变得日益突出。电网 的供电环境越发复杂，主要包括频率波动、电压升高/跌落、电压暂升/暂降、 电压缺口、谐波等问题。对于并网型变流器，准确快速的锁相环节是必要的， 直接关系到系统的性能指标。电能质量问题越来越引起人们的关注，随着电力 电子设备的大量应用，供电环境变得越发复杂。复杂供电环境下，准确快速的 完成电网电压的锁相具有很大实用价值。

发明内容

本发明目的是提供一种基于瞬时无功功率理论的闭环锁相方法及锁相器， 其更适用于复杂供电环境下的应用。

本发明的技术解决方案是：

一种基于瞬时无功功率理论的闭环锁相方法，其特殊之处在于：包括以下 步骤：

1】将三相电网电压转换到αβ坐标系下，再转换到pq坐标系下；

2】进行电压采样，并在采样前或采样后用平均滤波器进行滤波，滤波过程 中通过改变平均滤波器的累加点数N来改变平均滤波器的响应时间；

3】闭环调节。

上述平均滤波器的单位阶跃响应对应的采样函数为：

$f^{*}\left(t\right)=\frac{1}{N}\left(\begin{array}{c}\delta \left(t\right)+2·\delta (t-T)+3·\delta (t-2T)...\\ +N·\delta (t+T-\mathrm{NT})+N·\delta (t-\mathrm{NT})\\ +N·\delta (t-T-\mathrm{NT})...\end{array}\right).$

一种基于瞬时无功功率理论的锁相器，包括依次构成闭环连接的αβ坐标转 换模块、pq坐标转换模块、电压采样模块、闭环调节模块；其特殊之处在于： 还包括设置在电压采样模块之前或之后的滤波模块；所述滤波模块采用平均滤 波器。

上述平均滤波器的单位阶跃响应对应的采样函数为：

$f^{*}\left(t\right)=\frac{1}{N}\left(\begin{array}{c}\delta \left(t\right)+2·\delta (t-T)+3·\delta (t-2T)...\\ +N·\delta (t+T-\mathrm{NT})+N·\delta (t-\mathrm{NT})\\ +N·\delta (t-T-\mathrm{NT})...\end{array}\right).$

本发明优点：

1、本发明对采用瞬时无功理论的软件锁相技术进行了深入的理论分析，提 出了加入前置或后置数字滤波器的新方法，使其更适用于复杂供电环境下的应 用，通过仿真及实验证明了理论分析的正确及新方法的有效性。

2、本发明软锁相环不仅可以在复杂供电环境(频率波动、电压升高/跌落、 电压暂升/暂降、电压缺口、谐波)下实现准确快速的锁相输出，而且当电网发 生不对称故障时，准确、快速地检测电网电压正序分量的幅值与相位，不仅能 有效抑制交流分量，而且响应速度快、抗干扰能力强。

3、低通滤波器采用平均滤波器，可有效减小计算量，全部运算时间小于2us， 适用于微处理器系统。

4、电网不对称故障期间的快速锁相能力，为新能源发电系统中低电压穿越 技术提供了保障。

附图说明

图1是现有闭环锁相方法；

图2是现有锁相器的简化模型；

图3是本发明增加滤波环节的软锁相系统结构图；

图4是在现有锁相器中增加滤波环节前后开环对数频率特性示意图；

图5是电压升高时锁相输出；

图6是电压降低时锁相输出；

图7是频率变化时锁相输出。

具体实施方式

本发明原理：

基于瞬时无功功率理论的闭环锁相方法如图1所示。同样假设三相电网电 压

[u_a，u_b，u_c]＝A[sinθ，sin(θ-120°)，sin(θ+120°)]，

转换到αβ、pq坐标系下

[u_α，u_β]＝A[sinθ，-cosθ]、

[u_p，u_q]＝A[sin(θ-θ^*)，-cos(θ-θ^*)]。

通过闭环调节使u_q＝0，从而使得

θ^*＝θ。

不考虑基波负序和谐波，当软锁相达到稳态时有

θ^*≈θ，

此时

sin(θ^*-θ)≈θ^*-θ，

其中θ^*表示锁相输出的相位，而θ则表示实际电压正序分量相位，由此可得 稳态时软锁相系统的简化模型，如图2所示，其中

系统对较低频率的谐波抑制效果不好，而电网电压低次谐波含量较高，导 致u_q中的低次谐波含量较高，从而使锁相输出中含有较大的谐波。因此本文提 出了在p/q变换后加入一个滤波环节G_f(S)和电压采样后加入一个滤波环节Q_f(S) 的改进型基波相位检测方法，以提高锁相输出的精度，如图3所示。

G_f(S)采用平均滤波器，又称为均值滤波器和滑动窗式滤波器，是FIR滤波 器，具有非递归结构，即当前输出只和输入有关，系统的传递函数只有零点， 故系统总是稳定的。

平均滤波器的单位阶跃响应对应的采样函数为

$f^{*}\left(t\right)=\frac{1}{N}\left(\begin{array}{c}\delta \left(t\right)+2·\delta (t-T)+3·\delta (t-2T)...\\ +N·\delta (t+T-\mathrm{NT})+N·\delta (t-\mathrm{NT})\\ +N·\delta (t-T-\mathrm{NT})...\end{array}\right)---\left(1\right)$

根据式(1)，对于单位阶跃信号，平均滤波器的响应时间为N个采样周期， N为累加的点数。无论N为何值，滤波器输出都是无超调的。改变累加点数N， 可以任意改变平均滤波器的响应时间，由于N与响应时间有明确的对应关系， 控制N就可以保证响应的快速性。

图4给出了软锁相系统在增加滤波环节前后的开环传递函数对比。由此可 以看出增加滤波环节后，系统对100Hz以上的交流分量抑制效果增强，从而降 低了较高次谐波对锁相输出的影响。

仿真及实验验证：

输入电压含有20％的5次谐波和20％的60次谐波。图5给出了电压突然升 高时的锁相输出，图6给出了电压突然降低时的锁相输出，图7给出了频率变 化时锁相输出。可以看出，在复杂电网环境下，新方法可以快速准确的完成锁 相输出。