一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环

摘要

本发明公开了一种基于混合滤波单元的锁相环，属于电网电压相位信号检测提取相关技术领域。本发明针对传统的三相并网锁相环在电网电压发生畸变和混入直流偏移电压的情况下，无法快速准确地实现相位锁定的问题，对传统的的基于同步旋转坐标系的三相并网锁相环进行改进，引入混合滤波单元，利用其可同时滤除电网电压直流偏移电压和各次谐波电压的特点，从而使本发明具有滤波性能好、抗干扰能力强、动态响应快等优点。本发明主要用于电网电压发生畸变和直流偏移电压混入时电压相位检测。

说明书

技术领域

本发明涉及电网电压相位检测和谐波抑制技术领域，特别涉及一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环。

背景技术

随着新能源技术的发展，越来越多的风力发电和太阳能发电等新能源发电设备并入电网运行，向电网提供电能，获取电网电压的频率、相位和幅值等电网同步信号是完成并网运行的前提与基础。

理想电网锁相环技术能够实时对电网同步信号进行有效的检测，得到了广泛的应用。然而，由于不可控整流、无功补偿等大量电力电子负载接入电网，导致电网出现电压不平衡或谐波畸变，同时，并网发电机被要求具有一定的故障穿越能力，在电网不平衡与谐波条件下保持与电网的同步连接。这都对电网电压同步信号的获取提出了更高的要求，因此电网不平衡与谐波条件下的锁相环技术具有一定的理论价值与实际意义。

为了提高锁相环的滤波性能和动态响应速度，很多先进的基于同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)的滤波方法被先后提出，这些方法大都是通过改进SRF-PLL的滤波环节达到提升性能的目的。有国外学者提出的DSC滤波方法通常采用级联多个不同时间延迟DSC算子的方式完成特定的滤波效果，但由于级联模块数量的问题，所以系统计算量和实现复杂度较大。还有的学者采用了非自适应DSC模块级联的形式以及额外加入相位、幅度补偿器的形式提出增强型级联DSC(EGDSC-PLL)。这种方法的计算量虽然有所减少，但是当电网发生畸变且频率发生较大变化时，该方法的滤波能力变差，会出现较大的估计误差。有的学者提出一种双二阶广义积分器锁相环(DSOGI-PLL)，该方法将αβ坐标系下的DSOGI结构引入锁相环来获取基波正序电压，但DSOGI在频域中等效为低通滤波滤波，无法具有很好的谐波抑制能力。

此外，在锁相环输入中存在直流偏移会导致锁相环估计的相位、频率和幅值中含有基波频率振荡误差，因此消除电网电压中的直流偏移也是锁相环亟需解决的主要问题。有的文献提出采用混合SOGI和TOGI的新结构用以消除电网中的直流偏移和基波负序分量，但当电网发生畸变时，这种方法的抗干扰能力较弱。有的文献提出文dq坐标系延迟信号消除运算器(dqDSC)和陷波滤波器(NF)等方法用于消除PLL输入中的直流偏移，但是这些方法具有动态响应慢、谐波敏感等缺点。

发明内容

本发明目的是为了解决上述技术的不足，提供一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环。

为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案是：

本发明提出了一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环，该基于混合滤波单元的并网同步锁相环由三相电网电压的坐标变换单元、混合滤波单元、反正切运算单元、比例积分控制器、重复控制器、积分环节1/s组成。

三相电网电压v

所述混合滤波单元，由具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)和dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC

所述的具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)，是由传统αβ坐标系下双三阶广义积分器(αβDMTOGI)的传递函数经过αβ-dq坐标系变换并对其传递函数中的陷波频率

式中k

所述混合滤波单元的s域传递函数为

所述混合滤波单元可以在畸变及混入直流偏移电压的电网条件下消除直流偏移及-5，+7，-11，+13…等阶次的各主要谐波电压，从而实现基波电压信息的准确获取。

本发明提出的一种基于混合滤波单元的锁相环，对传统的DTOGI锁相环进行改进为可滤除直流偏移电压的dcDTOGI，引入dqCDSC

本发明主要适用于电网电压畸变并混入直流偏移电压时的相位检测，通过本发明可在三相电压混入直流偏移电压并发生严重畸变时，准确检测三相电压基波正序分量的相位值，提高锁相的锁相精度，从而优化谐波抑制滤波器的滤波效果。

附图说明

图1为本发明所提供的基于同步参考坐标系锁相环的标准结构图；

图2为本发明所提供的三阶广义积分器(TOGI)结构图；

图3为本发明所提供的双三阶广义积分器(DTOGI)结构图；

图4为本发明所提供的具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)传递函数波特图；

图5为本发明所提供的dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC

图6为本发明所提供的基于混合滤波单元的三相并网锁相环结构图；

图7为本发明所提供的混合滤波单元传递函数波特图；

图8为本发明所提供的电网电压发生30°相位跳变时的相位估计图；

图9为本发明所提供的电网电压发生+5Hz频率跳变时的相位估计图；

图10为本发明所提供的电网电压发生直流偏移电压混入时的相位估计图；

图11为本发明所提供的电网电压发生畸变时的相位估计图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

针对三相并网锁相环在电网电压含有谐波和直流偏移的情况下滤波环节滤波能力不足且对直流偏移影响敏感的问题，本发明提供一种基于混合滤波单元的三相并网锁相环。

本发明的实现原理：

一种基于混合滤波单元的并网同步锁相环，其特征在于：该基于混合滤波单元的并网同步锁相环由三相电网电压的坐标变换单元、混合滤波单元、反正切运算单元、比例积分控制器、积分环节1/s组成。三相电网电压v

传统的三相并网同步参考坐标系锁相环SRF-PLL由于其实现简单，鲁棒性强和相位跟踪精度高而广泛用于并网应用中。当电网电压处于理想状态时，SRF-PLL具有令人满意的相位，频率跟踪精度和瞬态响应性能。然而，当电网电压出现不平衡、畸变及混入直流偏移时，稳态振荡将出现在电网电压相位和频率估计中，需要对其环路滤波环节进行改进，通过引入混合滤波单元，采取dcDTOGI与dqCDSC4,24器串联的方法，同时发挥两种滤波器的优点，达到电网电压不平衡和畸变时正确检测电网电压相位的目的，具体实现步骤如下：

I同步参考坐标系锁相环的基本结构及锁相原理

同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)是三相电网电压同步锁相技术中最常用的方法，图1为传统的标准SRF-PLL结构图，它是本发明采用的基本结构，也是三相并网应用中所有改进版SRF-PLL的基本结构。

假设三相电压v

对三相电压采用的克拉克变换和帕克变换的表达式分别为：

将公式(2)和(3)应用到公式(1)中，可以得到公式(4)

当锁相环输出的相位角

II基于混合滤波单元的同步参考坐标系锁相环

(1)具有直流偏移消除功能的双三阶广义积分器(dcDTOGI)实现

三阶广义积分器的分母阶数比分子高两阶，因此其谐波的抑制能力和响应速度都要优于二阶广义积分器，但由于其不具有滤除直流偏移电压的功能所以需要对其三阶广义积分器(TOGI)进行改进。传统TOGI结构如图2所示，其为单输入双输出结构。双输出分别是输入信号v经滤波后产生的输出信号的直轴分量和交轴分量。

传统TOGI单元的传递函数如下：

其中q为π/2相移因子，

TOGI滤波器通常应用于αβ坐标系下，为了准确提取电网电压的基波正序分量，通常采用2个TOGI并通过并行交错结构滤除基波负序分量。

双TOGI(DTOGI)结构如图3所示，首先，通过采用Clark变换将三相电压v

采用复变滤波器的方法，可以将在αβ坐标系下的DTOGI滤波环节(αβDTOGI)写成复变传递函数的形式

本发明提出的具有直流偏移功能的DTOGI(dcDTOGI)是将陷波频率

陷波频率

由图4可以看出，dcDTOGI(s)在dq坐标系下能够完全消除-50Hz处所对应的锁相环输入端直流偏移分量，且基波正序分量(0Hz成分)的幅值为0db，不发生变化。dcDTOGI(s)在基波处(dq坐标系下0Hz)频率特性没有发生频率偏移，并且放大倍数为1，说明提出的dcDTOGI可滤除直流偏移电压的同时完整提取基波正序电压。

(2)dq坐标下延迟系数分别为4和24的级联型信号延迟消除滤波器(dqCDSC

信号延迟消除方法(DSC)作为一种在电网电压不平衡和畸变下最为常用的滤波技术，可以在dq坐标系下使用。

dqDSC的传递函数为公式(10),其中，T是电网电压基波周期。n是延迟系数。

多数情况下，单个dqDSC算子无法消除所有谐波分量。因此，根据电网谐波类型和应用环境的不同，通过级联多个不同n值的dqDSC算子可以消除任何指定次谐波。公式(11)为级联dqDSC算子(dqCDSC)在s域的表达式，其中m是dqDSC算子的数量。

由公式(10)和(11)可以得出本发明提出的dqCDSC

整理后可得

图5为dqCDSC

(3)混合滤波单元实现

本发明将dcCNF与dqCDSC

采用dcDTOGI滤除dq坐标系下的-50Hz所对应的的直流偏移分量，采用dqCDSC

由dcDTOGI与dqCDSC

所提出的混合滤波单元的频率响应曲线，如图7所示。可以发现，混合滤波单元H(s)能够完全滤除的电网电压中基波负序分量、直流偏移分量及其他次谐波扰动成分。dq坐标系下的电网电压基波正序分量(在dq坐标系下为0Hz成分)没有发生频率偏移，并且放大倍数为1。说明其可完整提取基波正序电压。

至此，完成基于混合滤波单元的三相并网锁相环的设计。

为了验证本发明所提出的锁相环的性能，采用MATLAB/Simul ink软件分别进行了相位跳变、频率跳变、直流偏移电压混入和电压畸变等四种电压故障下的相位估计仿真对比实验。实验对比对象为基于双三阶广义积分器的锁相环(DTOGI-PLL)和基于dq坐标下延时系数为2的信号延迟消除滤波器锁相环(dqDSC

图8是电网电压发生相位30°相位跳变时的相位估计图，相位跳变的时间发生在0.06s，从图8中可以看出，本发明所提出的锁相环需要大约1个电网周期来恢复电网的准确相位估计，从而使相位估计误差减少到零，其动态调整时间远小于DTOGI-PLL和dqDSC

图9是电网电压发生+5Hz频率跳变时的相位估计图，相位跳变的时间发生在0.06s，从图9中可以看出，本章提出的锁相环在25ms内实现了电网相位准确捕获，而DTOGI-PLL和dqDSC

图10是电网电压发生直流偏移电压混入时的相位估计图，混入直流偏移电压的时间发生在0.06s，其中A相电压混入了0.2p.u.的直流偏移量，B相电压混入了0.1p.u.的直流偏移量，C相电压混入了-0.2p.u.的直流偏移量，从图10中可以看出，由于本发明提出的锁相环和dqDSC

图11是电网电压发生畸变时的相位估计图，注入的谐波电压为

通过图8-图11的对比，可以看出本发明提出的基于混合滤波单元的锁相环在瞬态响应速度和滤波能力方面都表现出优异的性能，可在电网电压发生严重畸变并混入直流偏移电压的情况下，快速准确地实现锁相功能，完全适用于各类污染电网工况下的并网同步应用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。