一种三相增强型锁相环的制作方法

本发明涉及电力控制领域，尤其涉及一种三相增强型锁相环。

背景技术：

随着全球工业化的发展，能源危机和环境污染的日益严峻，作为清洁能源的风能和太阳能受到人们的广泛关注。由于风力发电和太阳能发电等新能源发电并入电网运行，通过逆变器向电网提输送电能，因而必须准确地获取电网电压的相角、频率和幅值等信息。

通常通过锁相环跟踪电网电压的基波正序分量来得到电网电压的相角、频率信息。同步参考坐标系锁相环(synchronousreferenceframepll,srf-pll)和三相增强型锁相环(three-phaseenhancedpll,3p-epll)是目前两种较为常用的锁相技术。相比较于同步参考坐标系锁相环，三相增强型锁相环中包含幅值检测环节和频率检测环节，因此可同时获取电网电压的幅值和相角信息。当三相电网处于理想状态时，以上两种锁相环都能够准确跟踪电网电压的频率和相位等信息。但当三相电网电压发生畸变时，直流分量和谐波的存在会在控制环路中产生频率的脉动，造成锁相的误差。

技术实现要素：

本发明提供了一种三相增强型锁相环，解决了锁相环动态响应速度慢和易受高次谐波干扰的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种三相增强型锁相环，锁相环主体和与所述锁相环主体中包含的类1型调节器。输入电网电压信号经过延时常数为tfh/2的延时信号消除滤波器后将会滤除其中的直流分量。其中，所述tfh/2中tfh为电网电压周期。之后分别与其检测值做差，其差值分别与所检测相角的正弦及余弦函数相乘后相加并作为幅值检测环节的输入信号及频率检测环节的输入信号。幅值检测环节检测误差通过含级联延时信号消除滤波器和积分/比例积分调节器的幅值检测环节获得幅值检测值。频率检测环节检测误差通过含级联延时信号消除滤波器和所述类1型调节器的频率检测环获得相角检测值。幅值检测值与相角检测值的正弦函数相乘获得。

进一步地，所述锁相环主体为基于延时信号消除滤波器的三相增强型锁相环，所述基于延时信号消除滤波器的三相增强型锁相环，包含频率检测环节及幅值检测环节，可同时跟踪电网电压的频率和幅值信息。

进一步地，所述锁相环主体中包含的类1型调节器qt-1；

进一步地，所述类1型调节器qt-1具体包括：带通滤波器、增益模块、压控振荡器。其中，所述带通滤波器的输入端输入滤除直流分量后的检测误差信号，所述带通滤波器输出端与增益模块的输入端连接，所述增益模块输出端与压控振荡器的输入端连接。

进一步地，所述的一种锁相环，还包括：级联延时信号消除滤波器cdsc。

进一步地，所述级联延时信号消除滤波器的输入端输入频率检测环节检测误差，所述级联延时信号消除滤波器的输出端与所述类1型调节器qt-1相连。

所述延时信号消除滤波器通过将被滤波信号与其延时半周期的信号相加来滤除相应的周期信号，再对结果除以2，以保持其他信号的幅值不发生变化。理论上，需要无穷多个延时信号消除滤波器才能滤除电网中可能存在所有的谐波，但考虑到系统的控制带宽以及实际电网高次谐波幅值非常小，本发明中采用4个延时信号消除滤波器级联的结构的滤波性能已经能够满足实际中系统的需要。所述级联延时信号消除滤波器cdsc具体包括：延迟常数分别为tfh/4，tfh/8，tfh/16，tfh/32的延时信号消除滤波器dsc4、dsc8、dsc16、dsc32。其中，所述tfh为电网电压周期。将这些延时信号消除滤波器串联以滤除频率检测环节和幅值检测环节中存在的2、4、8、16次谐波。

从以上技术方案可以看出，本发明有以下优点：

本发明提供的一种三相增强型锁相环，以类1型调节器qt-1，使得锁相环的动态响应速度快且滤波效果好。能够在电网中存在直流分量和谐波时快速而准确地跟踪电压的幅值和频率信息，提高了动态响应速度和滤波能力。

附图说明

图1为一种三相增强型锁相环模型图；

图2为一种三相增强型锁相环中频率环小信号模型图；

图3为电网电压受直流偏移干扰时波形图；

图4为电网电压含直流偏移干扰时的频率跟踪波形图；

图5为电网电压受谐波干扰时波形图；

图6为电网电压受谐波干扰时的频率跟踪波形图。

具体实施方式

为使得本发明的特征和优点能够更加的明显和易懂，下面结合附图和实例对本发明进一步详细描述。以下实施例用来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如附图1所示，本发明提供一种三相增强型锁相环，包括：锁相环主体和与所述锁相环主体中包含的类1型调节器。输入电网电压信号经过所述延时常数为tfh/2的延时信号消除滤波器dsc2后将会滤除其中的直流分量，其中，所述tfh为电网电压周期。之后分别与其检测值yabc做差，其差值yabc与所检测相角的正弦/余弦函数相乘后加和并作为幅值及频率检测环节的输入信号，分别为ea及eω。ea通过含所述级联延时信号消除滤波器cdsc和积分/比例积分调节器的幅值检测环获得幅值检测值。eω通过含所述级联延时信号消除滤波器和所述类1型调节器的频率检测环获得相角检测值。幅值检测值与相角检测值的正弦函数相乘获得yabc。

当三相电网处于理想情况时，电网电压uabc(t)中只含有基波正序分量。其时域表达式为

式中，um、ω、φ分别为电网电压uabc(t)的幅值、角频率、初始相角。由图1得，锁相环的输出为

其中，分别为um、ω和φ经过锁相环后的检测值。

根据图1可得幅值检测环节和频率检测环节的检测误差分别为

由式(3)(4)可知，当锁相环实现锁相功能时ea≈0，eω≈0，此时

可见，当三相电网处于理想状态时，通过锁相环主体可实现对幅值和频率的检测。

当三相电网电压uabc(t)中含有直流分量、谐波等干扰时可将其表示为

ui1(t)＝uif(t)+uih(t)+udci(t)i＝a,b,c(5)

其中uif、uih、udci分别表示输入三相电网信号ui1中包含的基波分量、直流分量、谐波干扰。

经过延时常数为tfh/2的延时信号消除滤波器dsc2后的输入信号中的直流成分将会被滤除，其输出为

由式(6)可知，输入信号经过延时信号消除滤波器dsc2后，只有基频分量和奇次谐波存在于输出信号中。

经幅值检测环节和频率检测环节后，输出信号中的(2h+1)和(-2h-1)将会变为(2h)和(-2h-2)次谐波，因此只有偶次谐波干扰出现在幅值检测环节和频率检测环节的检测误差ea和eω中。

理论上，需要无穷多个延时信号消除滤波器才能滤除电网中可能存在所有的谐波，但考虑到系统的控制带宽以及实际电网高次谐波幅值非常小，本发明中采用4个延时信号消除滤波器级联的结构，其结构如图3所示。

所述级联延时信号消除滤波器具体包括：延迟常数分别为tfh/4，tfh/8，tfh/16，tfh,/32的延时信号消除滤波器(dsc4、dsc8、dsc16、dsc32)，其中，所述tfh为电网电压周期。将这些延时信号消除滤波器串联以滤除频率环和幅值环中存在的2、4、8、16次谐波。

级联延时信号消除滤波器cdsc的数学表达式为

cdsc4,8,16,32[ei(t)]＝dsc4[ei(t)]×dsc8[ei(t)]×dsc16[ei(t)]×dsc32[ei(t)](7)

其中

i＝ω,v

经过级联延时信号消除滤波器后的输出信号uds32o为

由式(8)可知级联延时信号消除滤波器cdsc输出信号uds32o中只含有±32次谐波干扰，其幅值为

由式(10)可得，幅值检测环节和频率检测环节可以滤除的谐波最低为-31次和33次。

滤波性能已经能够满足实际中系统的需要。

以下通过具体实施例进一步阐述本发明：

在本发明的本实施例中，为比较两种锁相环的性能，在matlab/simulink环境下搭建本发明中锁相环(cdsc-qt1-3pepll)与基于级联延时信号消除滤波器的三相增强型锁相环(cdsc-3pepll)的仿真模型进行对比分析仿真。将仿真中电网电压设置为1∠0°v(50hz)。

在仿真1的情况下，图4示出了在0.15s时受直流偏移干扰，导致电网电压包含直流分量(dc)+0.5v的情况下，本发明cdsc-qt1-3pepll与cdsc-3pepll的性能对比情况。

通过对比图4中两个波形，在超调量方面，在0.15s电网电压受直流偏移干扰时，cdsc-3pepll存在有0.425v的超调量而cdsc-qt1-3pepll的超调量为0.2v，可知cdsc-qt1-3pepll的超调量远小于cdsc-3pepll。

在稳定时间方面，在0.15s电网电压受直流偏移干扰时，cdsc-3pepll在0.0525s时达到稳定跟踪的状态而cdsc-qt1-3pepl在0.04s时就可以达到稳定，可知cdsc-qt1-3pepll的稳定时间小于cdsc-3pepll。

在稳态误差方面，在0.15s电网电压受直流偏移干扰时，cdsc-3pepll在锁相环处于稳定状态时存在有0.01hz误差，并不能准确地跟踪电压频率。而cdsc-qt1-3pepll在稳定时能够准确的跟踪电网电压频率。

在仿真2的情况下，图6示出了电网故障，导致电网电压包含负序5次谐波，幅值相角分别为0.1v、∠0°，正序35次谐波，幅值相角分别为0.4v、∠0°的情况下，两种锁相环的性能对比情况。

在超调量方面，电网电压受谐波干扰时，cdsc-3pepll存在有0.19v的超调量而cdsc-qt1-3pepll的超调量为0.08v，可知cdsc-qt1-3pepll的超调量远小于cdsc-3pepll。

在稳定时间方面，电网电压受谐波干扰时，cdsc-3pepll在0.12s时达到稳定跟踪的状态而cdsc-qt1-3pepl在0.04s时就可以达到稳定，可知cdsc-qt1-3pepll的稳定时间小于cdsc-3pepll。

在稳态误差方面，电网电压受谐波干扰时，cdsc-3pepll在锁相环处于稳定状态时存在有0.01hz误差,并且易受电网中存在的谐波干扰导致在之后的跟踪中存在周期性的0.04hz频率跟踪误差，因而并不能准确地跟踪电压频率。而cdsc-qt1-3pepll能够在稳定时准确的跟踪电网电压频率。

本发明提出了一种三相增强型锁相环。采用类1型调节器，减少了控制环路中积分环节，从而提高了系统的动态响应速度，并且使得系统具有良好的稳定裕度和滤波能力。

能够在电网中存在直流分量和谐波时准确地跟踪电压的幅值和频率信息，可用于各类污染电网工况下的电网信号同步。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含本发明的保护范围之内。