一种改进的永磁同步电机锁相环方法与流程

本发明属于永磁同步电机软启动及同步切换领域，具体涉及一种改进的永磁同步电机锁相环方法。

背景技术：

大量的永磁同步电动机运行在工频状态，但是同步电动机不能直接启动，需要借助变频器变频启动，当电动机运行到工频时仍然由变频器供电会造成对资源和能量的浪费，所以此时由电网代替变频器对电动机供电显得十分必要。与异步电动机和电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机在电网供电和变频器供电之间进行切换更加困难。锁相环成为其中关键技术，能够快速准确地锁定电网电压的相位是保证切换成功的前提，甚至要求在电网发生电压跌落或发生接地故障的情况下，锁相环仍然能够正常工作，保证电动机实现安全软停车。

锁相环的主要目的是为了实时获取电压的相角和频率，精确度、快速性和对不同环境的适应能力成为锁相环的主要性能指标。目前常用的几种锁相环方法有：过零锁相、单同步坐标系软件锁相、基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相和基于双同步坐标系的解耦软件锁相。过零鉴相的开环锁相方法是通过检测电压的过零点并结合线性插值法来获取电压的频率和相位，这种方法结构简单，但是交流电压每个周期只有两个过零点，所以其响应速度慢，精度差，干扰严重时甚至会导致输出振荡。单同步坐标系软件锁相是一种简单高效的锁相方法，通过电压矢量的坐标变换和PI调节器，使电网无功分量达到给定值零，实现电压跟踪。在三相电压平衡的理想条件下，单同步坐标系软件锁相环可以较为准确地获取电压的相位和频率，但电压畸变比较严重或三相电压不再平衡时，该方法的输出结果会有较大偏差。而基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相环，利用全通滤波器来获取三相电压的正序分量，从而实现锁相，具有在电网电压不平衡的仍能正常工作的优点，但全通滤波器参数不能轻易调整，系统的动态性能不佳。基于双同步坐标系的软件锁相环，其主要思想是坐标变换和解耦，最终得到电网电压的幅值、频率和相位，但低通滤波器的引入使锁相环的响应速度受到影响。

LES滤波器又称最小方差滤波器，MS Sachdev于1979年提出并应用于数字化的阻抗继保中，LES滤波器可以将直流分量、基波分量以及各次谐波分量快速地提取出来。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提高锁相环和相关检测算法的快速性和准确性，将LES滤波器与双同步坐标系锁相环相结合，提出一种改进的软件锁相方法，相比较于传统的锁相环在动态响应和稳定精度上有了一步优化，并在由三电平背靠背变频器和永磁同步电机组成的实验平台上应用，保证了永磁同步电机软启动及并网的成功。

一种改进的永磁同步电机锁相环方法，包括以下几个步骤：

步骤一：采用LES滤波器进行滤波

设三相电网电压信号仅含有基波和3次谐波，三相电网电压信号(v_a,v_b,v_c)经过LES滤波器进行滤波，得到其基波电压

步骤二：正负序分量坐标变换

在双同步旋转坐标系下对基波电压矢量进行分解，转过的角度为θ，的运动速度为ω，转过的角度为的运动速度为-ω，转过的角度为利用坐标变换原理，将先后投影到α-β静止坐标系和dq⁺¹及dq^-1两个旋转坐标系上，分别得到基波电压的正序分量和负序分量

上述双同步坐标系包括两个旋转坐标系，正序dq⁺¹坐标系的运动方向为逆时针，运动的速度为对应转过的角度为负序dq^-1坐标系是以角速度顺时针旋转，角度设为

步骤三：进行解耦

对正负序分量进行解耦处理，同时采用一阶低通滤波器LPF计算直流量的值，形成解耦网络；

通过双同步坐标系各自独立的闭环调节，配置调节器参数，使得经过运算处理后输出的正序分量的交轴分量为0，达到锁相成功。

本发明的优点在于:

传统的基于双同步坐标系解耦锁相环采用一阶低通滤波器对电压的d轴和q轴分量进行滤波，这样使锁相环的输出精度和动态响应性能之间形成了矛盾。加之LES滤波器具有响应速度快、抗干扰能力强等优点，因此结合LES滤波器的双同步坐标系软件锁相环可以消减锁相环的精度和响应速度之间的矛盾，既能保证锁相环跟踪电网频率和相位的准确性同时保证其快速性，使控制系统运行更加稳定可靠。

附图说明

图1为永磁同步电机变频软起动及并网系统框图。

图2双同步坐标系及电压矢量分解图。

图3为改进的永磁同步电机锁相环原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种改进的永磁同步电机锁相环方法，应用范畴如图1所示，一路为电网通过开关KM1连接变频器，变频器通过开关KM3连接电机，另一路为电网通过开关KM2直接连接电机。接通开关KM1和开关KM3，电网首先通过变频器启动永磁同步电机(PM)。当满足一定的条件时，切断KM1，闭合KM2，永磁同步电机直接与电网相连，实现上切并网。永磁同步电机上切到电网时需要达标的3个条件分别是幅值、频率和转角。其中，只有当码盘检测到的转子转角和电网的相角相差在允许的误差范围内，才能实现有效并网，而此处的电网相角需要由锁相环提供。考虑到电网受到干扰而变得不平衡的情况，研究出一种改进的永磁同步电机锁相环方法，原理框图如图3所示，包括以下几个步骤：

步骤一：采用LES滤波器进行滤波

设三相电网电压信号仅含有基波和3次谐波，三相电网电压信号(v_a,v_b,v_c)经过LES滤波器进行滤波，得到其基波电压

步骤二：正负序分量坐标变换

当电网电压平衡时，电网电压只存在正序分量。因此对应不平衡系统，在双同步旋转坐标系下对基波电压矢量进行分解(转过的角度为θ，认为)，的运动速度为ω，转过的角度为的运动速度为-ω，转过的角度为利用坐标变换原理，将先后投影到α-β静止坐标系和dq⁺¹及dq^-1两个旋转坐标系上，分别得到基波电压的正序分量和负序分量

上述双同步坐标系包括两个旋转坐标系，示意图如图2所示，其中：正序dq⁺¹坐标系的运动方向为逆时针，运动的速度为对应转过的角度为而负序dq^-1坐标系则是以角速度顺时针旋转，其角度设为

步骤三：进行解耦

对上述基波电压的正负序分量的表达式进一步展开，以为例，如果能够做到完全锁相，即有可得可以看出，包含一个2次谐波振荡交流变量，其幅值与dq^-1坐标系中的直流量的大小有关，而针对反之亦然，正负序两个电压矢量存在耦合。因此，为了抑制dq⁺¹和dq^-1坐标系中振荡带来的影响，对上述正负序分量进行解耦处理；为了各个解耦单元的正确运行，需要引入一阶低通滤波器(LPF)来计算直流量的值，形成解耦网络。

借鉴单同步坐标系的锁相控制结构，通过双同步坐标系各自独立的闭环调节，并适当地配置调节器参数，使得经过运算处理后输出的正序分量的q轴分量(即图3中的)为0，(d轴为直轴，q轴即为交轴)，即可达到的目的，锁相成功。

本发明这种锁相环方法无论是在电网三相对称或者是电网不平衡的状态下，均能实时地跟踪电网电压，准确高效地提取出电压的幅值和相位，从而为控制器提供有效信息，使永磁同步电机顺利安全地并入电网。

本发明的主要技术方案如下：

永磁同步电动机并网系统实验平台由三电平背靠背变频器、永磁同步电机和基于DSP28335和FPGA的控制系统组成。最开始电动机由变频器供电，使电动机由静止启动并逐渐加速，当电动机运行到工频附近时，控制系统利用锁相环检测出的电网相角相比较，判断运行状况是否符合并网条件，若可以并网，控制系统向交流接触器开关发出指令使电动机直接由电网供电代替变频器供电，这种改进的永磁同步电机锁相环确保了永磁同步电机在任何情况下都能快速准确地成功并网。

所述的所有环节是通过以TI公司TMS320F28335 DSP和ALTER公司的EP2C8Q20818N FPGA作为主要控制芯片的控制板实现。

所述的LES滤波器算法需要适当简化，电网电压可以表示为仅含有基波和3次谐波，通过一系列的计算推倒，可以得到一个系数矩阵和电压变量矩阵的关系式，控制器可迅速计算求解该方程，便可得出各次分量的幅值和初始相角。由此，电压中的基波分量的幅值和相位被提取出来。

所述的锁相环方法是结合LES滤波器对传统双同步坐标系解耦软件锁相环进行改进。其基本原理是把三相电网电压信号首先经过LES滤波器，提取出其中基波分量，再经过坐标变换，分别得到基波电压的正序和负序分量，然后进行解耦锁相。