专利名称：锁相环和相角生成器的制作方法
技术领域：
本实用新型主要地涉及电网络并且更具体地涉及同步向电网络中的输入信号的方法。
背景技术：
可以在网络中连接或者组织电设备以实现向设备发送电力或者在设备之间通信。 这样的互连设备网络可以称为网格。例如，电网格可以是用于从一个或者多个发电机向连接设备(电业公司的客户)送电的互连网络。电力网格可以按照同步频率、幅度和/或相角发送AC电力以高效地连接大量发电机和设备。网格或者网格部分的同步操作可以实现分担发电以及分担负载以获得更低运应成本。尽管发送同步AC电力可以有利于高效输电和/或配电，但是诸多因素可能扰动网格同步。例如，主要扰动可以包括电压失衡、角频率变化和电压谐波失真。具体而言，电压失衡可能在电力网格中普遍存在，因为网格的单相负载可能并未均勻地分布于供应电力的相之间并且可能被持续地连接和断开。另外，典型电力系统的配置可能固有地不对称。美国国家标准协会(ANSI)推荐在发电机无负载工作时失衡不多于3%。然而，在两个并行电压之间的任何幅度、频率和/或相角差异可能在网格内引起异常电流循环。在一些电力网格中，甚至少量电压失衡也可能造成大量电流失衡。失衡电流可能使网格设备 (比如AC-DC转换器、周波变换器、有源滤波器、电感电动机和工作用以转换电力和/或通过网格向连接的电设备传送电力的其它储能系统)受压。失衡电流也可能使网格链路电感器和电容器受压，并且在网格的一个终端设备中的失衡电流可能引起经过网格的转矩脉动。 减少电压和/或失衡影响的方法可以改进网格的性能和同步操作。
实用新型内容—个实施例涉及一种用于与电网格同步的方法。该方法包括接收网格的相电压并且使用一个或者多个跟踪滤波器来确定相电压的扰动频率。该方法还包括去除扰动频率以产生干净相电压并且对干净相电压进行锁相环操作以确定网格的相电压的相角。另一实施例涉及一种包括电路和跟踪滤波器的锁相环。该电路被配置成从电网格接收一个或者多个输入电压矢量并且确定电网格电压的相角和频率。该跟踪滤波器可以确定电网格电压的扰动频率，该扰动可能在网格中引起电压失衡。在一个实施例中，跟踪滤波器也可以去除扰动频率。电路然后可以使用扰动频率被去除的网格电压来确定网格电压的相角。在另一实施方式中，呈现一种相角生成器。该相角生成器可以包括配置成接收电网格电压并且确定电压的相角和/或频率的锁相环。相角生成器也可以包括配置成估计电网格电压的扰动频率的跟踪滤波器并且可以去除扰动频率。锁相环可以输出用于与电网格同步的电网格电压的相角。
本实用新型的这些和其它特征、方面及优点在参照附图阅读下文详细描述时将变得更好理解，在这些附图中，相似标号通篇地代表附图中的相似部分，其中图1是图示了根据本实用新型一个实施例的典型工业电力网格的框图；图2是代表锁相环如何可以估计电网格电压的相角的框图；图3是代表配置成在电压输入失衡时输出同步电压的锁相环的框图；图4A和图4B是描绘了具有三相的电网格电流中的电流失衡的曲线图；图5是描绘了在电网格电压失衡时的参考频率、从无扰动跟踪的锁相环输出的频率估计和从有扰动跟踪的锁相环输出的频率估计的曲线图；并且图6是描绘了在电网格电压失衡时的参考频率和从有扰动跟踪和去除扰动跟踪的锁相环输出的频率估计。
具体实施方式
网格可以是指可以互连以实现在负载之间通信和/或向负载发送电力的负载(电动机和设备等)网络。网格的一个例子是电力网格，该电力网格可以是发电机、配电器和客户网络。一个或者多个电厂可以生成可以转换并且向电业公司的客户配送的电力。在更小规模上，工业网格可以是如下网格的另一例子，其中发电机可以生成将向经由网格来供电的各种电动机或者其它设备配送的电力。电网格(例如电力网格或者工业网格)可以包括并行操作的交流(AC)功率源。可以在频率、幅度和/相角上同步各种源生成和配送的电力。AC电力的同步可以获得高效输电和/或配电。然而，比如电压失衡、角频率变化和/或电压谐波失真这样的扰动可能破坏 AC输电的同步。具体而言，电压失衡可能在电力网格中普遍存在，因为网格的单相负载可能并未均勻地分布于供应电力的相之间并且可以被持续地连接和断开。另外，典型电力系统的配置可能固有地不对称。可以在图1中图示电网格10的一个例子，其中发电机12可以通过网格10向不同设备的电动机18递送电力。通常，电网格10可以用三相AC功率源操作。因此，网格10可以包括三相变压器14，该变压器14可以控制典型电力递送网格中使用的三个相电压的值。 另外，由于各设备可以按不同速度操作，所以网格10也可以包括配置成对用于各设备的电动机18的操作速度进行调节的可调速度驱动(ASD) 16。典型电网格可能并不对称，因为负载(例如连接到电动机18的设备)可能并未均勻地分布于相之间。任何设备18的连接或者断开也可能影响发电机12和三相变压器14 配送的三相信号。另外，在一个电动机18上的电压失衡可能影响耦接到失衡电动机18的其它电动机18的同步。例如在共同耦接点20，在耦接到ASDl的电动机18上的电压失衡也可能在耦接到ASD2或者ASD3的电动机18造成电压失衡，因为在电动机18之间无阻抗从而防止电压失衡通过网格10的共同耦接电动机18传播。如讨论的那样，两个耦接电压的这样的失衡(即幅度、频率和/或相角差异)可能引起大量电流失衡，该失衡可能损坏两个系统。典型地，锁相环(PLL)技术可以用来通过调节来控制网格的相同步以使PLL输出 δ，与两个测量输入A sin δ与A cos δ的相位δ之差为零。图2可以图示使用PLL 22 的同步技术的一个示例。尽管网格通常供应三相电压，但是这三相可以描绘为针对图2的例子等效的两相。三相电压可以平衡为相互异相120°。两相电压输入可以是在稳态中并且按照网格电压的频率旋转的异相90°的正弦波形。与相电压10等效的矢量的瞬间角位置δ可以调节成如下反馈环，该反馈环将d 轴电压(Vd 30)或者经由加法器观的输入之和理想地调节成参考信号频率的值(例如在这一情况下为零)。取而代之，在一些实施例中，如果考虑按照单位的值，则反馈环可以将q 轴电压调节成参考值一。以d轴调节为例，电压矢量Vd 30的检测到的d分量也可以称为误差信号。可以向补偿器32发送Vd 30，该补偿器确定网格电压的频率估计ω\。频率估计 ω’ ε然后可以由积分器34积分以确定网格电压的相角估计δ’。相角δ’可以由另一变换36用来输出正弦和余弦38，该正弦和余弦可以被反馈并且与原输入A sin δ和A cos δ (描绘为在增益68的归一化之后具有幅度1)相乘以在相减时生成新误差信号Vd 30。理想地，当不存在谐波失真或者电压失衡时，高带宽PLL可以检测电压矢量的相角和幅度以维持网格同步。当存在谐波失真(例如电压因高阶谐波而失真)时，可以减少 PLL的带宽以抑制和消除谐波对输出的影响。然而，带宽减少可能并未消除失衡网格电压。 因此，如先前讨论的那样，电压失衡可能引起异常电流条件，这些条件可能损坏连接到电力网格的功率源和/或设备。可以在图3的框图40中描绘本实用新型的一个实施例，该实施例使用配置成确定网格电压的相角、补偿相失衡并且与网格同步的锁相环。锁相环可能具有可能相位和/或幅度失衡的失衡输入。例如，锁相环40可能具有如具有不同电压幅度A和B的电压矢量A sin δ和B cos δ描绘的失衡输入。如将讨论的那样，增益68对用于A sin δ和B cos δ的系数的归一化可以实现量值为1。两个输入A sin δ和B cos δ可以由乘法器M 和观变换以获得Vd 30或者对网格10的电压矢量中的失衡的估计。可以配置用于失衡电压输入的锁相环40可以向一个或者多个跟踪滤波器44和46 发送Vd 30。当网格10均衡时，Vd 30可以是直流(DC)。当网格10失衡时，Vd 30可以是具有复频谱的非DC信号，该信号具有网格10的主导二阶谐波。跟踪滤波器44可以被配置成确定Vd 30中的扰动50，该扰动可以代表误差信号Vd 30的两倍基频或者输入信号A sin δ和Bcos δ中的电压失衡。确定扰动50可以基于从补偿器32向跟踪滤波器44和46的输入，该补偿器输出网格电压的频率估计《’e。跟踪滤波器44的输出可以是对Vd 30的两倍基频的估计。在一个实施例中，跟踪滤波器44可以包括基于频率估计ω\(来自补偿器32的输入)的电流和时间延迟样本以及基于以下关系来跟踪正弦参考(这里为Vd 30) 频率的硬件、软件或者二者的组合、、KT) =K 尤—1)7⑴ X2(KT) _ _x2{K-\)T_ L J其中K代表电流样本，T代表采样时间，X1 (KT)代表对误差信号Vd 30的频率的当前估计，而X1 (K-I)代表对误差信号Vd 30的频率的先前估计。可以通过将从补偿器32输入的同步频率估计ω e的时间延迟样本相加来获得关系u (KT)+U (K-I) T。矩阵A可以是矩阵，而矩阵B可以是2x1矩阵，二者定义如下
权利要求1.一种锁相环(PLL)，包括:电路，配置成接收电网格的电压、确定所述电网格电压的相角并且输出具有所确定的所述电网格电压的相角的电压；以及跟踪滤波器，配置成确定所述电网格电压的扰动频率。
2.根据权利要求1所述的PLL，其中所述PLL被配置成接收所述电网格的一个或者多个失衡电压。
3.根据权利要求1所述的PLL，其中所述电路包括配置成接收所述电网格电压和所确定的所述电网格电压的相角的变换电路。
4.根据权利要求1所述的PLL，其中所述电路包括配置成基于所述电网格电压的频率来确定所述电网格电压的相角的积分器。
5.根据权利要求1所述的PLL，包括多于一个跟踪滤波器。
6.根据权利要求5所述的PLL，其中所述多于一个跟踪滤波器中的各跟踪滤波器被配置成确定谐波扰动、直流分量或者对所述电网格电压的电压失衡起作用的任何其它扰动中的一个或者多个。
7.根据权利要求1所述的PLL，包括配置成从所述电网格电压去除所述扰动频率的电路。
8.一种相角生成器，包括锁相环(PLL)，配置成接收电网格电压、生成所述电网格电压的相角并且基于所述电网格电压来输出所述电网格电压的所述相角；以及跟踪滤波器，配置成估计所述电网格电压的扰动频率以及去除所述扰动频率。
9.根据权利要求8所述的相角生成器，其中所述PLL被配置成接收一个或者多个失衡电网格电压。
10.根据权利要求8所述的相角生成器，其中所述跟踪滤波器被配置成基于接收的所述电网格电压来估计谐波失真或者直流分量或者由所述PLL生成的误差信号的频率中的一个或者多个所引起的一个或者多个扰动频率。
专利摘要公开了一种具有用于同步电网格的跟踪滤波器的锁相环。提供用于同步具有失衡电压的电网格的方法和系统。可以在配置成即使在电压失衡时仍然可以维持网格的同步操作的锁相环中同步电压矢量。例如，锁相环可以耦接到设计成估计电压误差信号扰动的一个或者多个跟踪滤波器。可以在锁相环确定对网格频率的估计之前从误差信号去除估计的扰动。因此，可以减轻电压失衡的不利影响，比如异常电流表现。
文档编号H03L7/085GK202034965SQ20102064573
公开日2011年11月9日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者卡洛斯·丹尼尔·罗德里格斯-瓦尔德斯, 拉塞尔·J·克尔克曼 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司