一种基于双解耦结构的锁相环的制作方法

发明涉及涉及锁相环领域，尤其是涉及一种基于双解耦结构的锁相环，具体来说是一种双解耦的结构抑制干扰信号，可应用于非理想电网条件下完成电网电压锁相的场合。

背景技术：

现阶段，锁相环作为成熟的同步技术，在各种功率变换器中得到了广泛地应用，比如补偿电压暂降的动态电压补偿器技术；提高电网功率因数的静止无功发生器技术；抑制电网谐波的有源滤波器技术；分布式并网逆变器的虚拟同步发电机技术等。

在功率逆变器控制中广泛应用的锁相环可分为两类：基于过零点检测周期调节锁相环、基于dq旋转坐标变换的瞬时锁相环。基于过零点检测周期调节锁相环,硬件简单,利用检测半个周期里电压信号两次过零点的时间差值来计算出周期，易于实现，但在实际中常会因谐波干扰、电压波动造成多个过零点致使锁相失败。基于dq旋转坐标变换的两相锁相环广泛应用的方法有：单同步坐标系锁相环、基于解耦双同步坐标系锁相环。单同步坐标系锁相环可以在理想电网条件下，精准快速地完成锁相过程，但在电压不对称时会有二倍频干扰，同时含有谐波时也会造成锁相失败；基于解耦双同步坐标系锁相环通过低通滤波器滤除二倍频信号消除三相不平衡时二倍频对锁相的干扰，但滤波器的引入给系统带来了延迟，同时当谐波侵入电网电压时,其锁相输出信号会出现较大波动；基于二阶广义积分改进型解耦双同步坐标系锁相环，利用二阶广义积分器良好的滤波器能力，抑制电网多次谐波，减少谐波对锁相输出信号的扰动，但是后级的解耦环节和解耦双同步锁相环一致，依旧存在延迟问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种适用于各种非理想电网条件下的双解耦结构的锁相环，其具有快速锁相、稳定输出的特点。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于双解耦结构的锁相环，其特征在于：包括clarke变换器、改进型二阶广义积分器器、park变换器、解耦网络1、解耦网络2、比较器、比例积分微分调节器(pid)、积分环节、比例环节；所述的park变换器包括park1变换器和park2变换器。

所述clarke变换器的输入端电网电压vs(abc)信号连接；所述clarke变换器的输出端与所述改进型二阶广义积分器的第一输入端连接；所述改进型二阶广义积分器的第一输出端与所述park1变换器的第一输入端连接，第二输出端与所述解耦网络1的第一输入端连接；所述park1变换器的输出端与所述解耦网络2的第一输入端连接；所述解耦网络1的输出端与所述park2变换器的输入端连接；所述park2变换器的输出端与所述解耦网络2的第二输入端连接；所述解耦网络2的输出端与所述比较器的输入端连接；

所述比较器的输出端与所述所述比例积分微分调节器(pid)的输入端连接；所述比例积分微分调节器(pid)的第一输出端与所述改进型二阶广义积分器第二输入端连接，第二输出端与所述积分环节的输入端连接；所述积分环节的输出端与所述解耦网络1第三输入端、解耦网络2第三输入端连接；

本发明的有益效果是：采用改进型二阶广义积分器可以滤除电网电压信号中谐波信号，消除谐波对锁相的影响；采用双解耦结构可以去除低通滤波器实现滤除2倍频信号干扰，避免了锁相的延时，加快了锁相的速度。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是所述一种基于双解耦结构的锁相环结构示意图；

图2是所述改进型二阶广义积分器的结构示意图；

图3是所述解耦网络1结构示意图；

图4是所述解耦网络2结构示意图；

图5是所述基于双解耦的锁相环控制框图；

图6是所述电网电压(三相不对称)各锁相环输出频率仿真波形图；

图7是所述电网电压(三相不对称)各锁相环输出相角仿真波形图；

图8是所述电网电压(含有谐波)各锁相环输出频率仿真波形图；

图9是所述电网电压(含有谐波)各锁相环输出相角仿真波形图；

图10是所述电网电压(含有直流量)各锁相环输出频率仿真波形图；

图11是所述电网电压(含有直流量)各锁相环输出相角仿真波形图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的一种基于双解耦结构的锁相环做详细的说明。

如图1所示的一种基于双解耦结构的锁相环，其特征在于：包括clarke变换器、改进型二阶广义积分器器、park变换器、解耦网络1、解耦网络2、比较器、比例积分微分调节器(pid)、积分环节、比例环节；

所述clarke变换器的输入端电网电压vs(abc)信号连接；所述clarke变换器的输出端与所述改进型二阶广义积分器的第一输入端连接；所述改进型二阶广义积分器的第一输出端与所述park1变换器的第一输入端连接，第二输出端与所述解耦网络1的第一输入端连接；所述park1变换器的输出端与所述解耦网络2的第一输入端连接；所述解耦网络1的输出端与所述park2变换器的输入端连接；所述park2变换器的输出端与所述解耦网络2的第二输入端连接；所述解耦网络2的输出端与所述比较器的输入端连接；

所述比较器的输出端与所述所述比例积分微分调节器(pid)的输入端连接；所述比例积分微分调节器(pid)的第一输出端与所述改进型二阶广义积分器第二输入端连接，第二输出端与所述积分环节的输入端连接；所述积分环节的输出端与所述解耦网络1第三输入端、解耦网络2第三输入端连接；

为了更好说明该锁相环，下面对其进行详细分析。该锁相环主要涉及改进型二阶广义积分器环节、解耦网络1环节、解耦网络2环节、比例积分微分(pid)环节。下面对这四个环节做详细分析。

所述改进型二阶广义积分器的结构如图2所示。图中，v是电网电压的信号输入，v＇、qv＇＇两者相互正交，其中qv＇＇滞后v＇相位90°，则传统的sogi传递函数为：

式中：ω为sogi的谐振频率，其值与v的频率ωs一致；k为阻尼系数。由上式的传递函数得，hd(s)可作为带通滤波ω器处理，hq(s)作为一个低通滤波器，但在非理想电网条件下，往往也会混入直流电压分量，根据hd(s)具有抑制直流量的特性，hd(s)可以滤除将输入信号v中所有直流量，但hq(s)是一个低通滤波器，输出信号qv＇＇极易受直流分量的影响，进而影响锁相的精度，为此，通过上面改进结构，将输入信号v与输出信号v＇负反馈的偏差kδ经低通滤波器滤波得到的输出信号ε(只含有直流分量且与v中含量相同)与qv＇＇求差值，则最终输出电压信号qv＇完全与v＇正交、幅值相同，且不会受直流分量影响。

所述解耦网络1结构如图3所示，三相电网电压通过clarke转化后，输出αβ静止坐标系下的正交分量v(αβ)为：

vα和vβ经过sogi进行90°的相移，得到vα＇、qvα＇、vβ＇、qvβ＇为：

但αβ静止坐标系下的正交分量vα＇和vβ＇存在正负序的耦合，因此需要构建解耦网络1进行正负序的解耦。接着可将vα^-、vβ^-进行park变化，转换到dq坐标下，得到vd^-和vq^-为：

所述解耦网络2结构如图4所示，将vα＇、vβ＇进行park变化，转换到dq坐标下，得到vd和vq为：

由上式(6)可以看出正序电压分量vdq⁺中混入了二倍频负序交流分量，因此需要构建解耦网络2进行正负序的解耦。则经过解耦网络得，

所述基于双解耦的锁相环控制框图如图5,若正、负序分量完成解耦且相位完成锁定，则有：

当稳态相位基本无偏差时，有

则基于双解耦的锁相环的小信号模型，如图5所示。则基于双解耦的锁相环系统开环传递函数为：

式中：1/τ为低通滤波器(lpf)的截止频率；kp、ki分别为pi调节器的比例、积分参数。

由系统的开环传递函数(10)可以看出基于双解耦的锁相环一个ⅱ型系统，该系统可以无误差地跟踪斜坡信号。最后通过推导计算以及仿真调试取值kp＝0.328、ki＝4.849。

为了验证所述双解耦结构锁相环的优越性，本实施例对所提出的双解耦锁相环在电网电压三相不平衡、电网电压混入谐波、电网电压混入直流量三种情况进行了仿真分析，相关仿真波形如图6～图11所示。选取电网电压正常运行条件为：电网电压为311v、50hz。

(1)电网电压三相不平衡：

电网系统在0.0～0.3s正常运行，0.3～0.5s，电网a相电压幅值跌落至0.65pu,根据仿真图6～7可以得到，当电网电压三相电压不平衡时，三种锁相方法均可以实现锁相；锁频输出三种锁相方法均需2.5个周期可达到稳态(±2％)，其中解耦双同步锁相环超调量为：σ1％＝(|50.4－50|)/50＝0.8％；优化型解耦双同步锁相环超调量为:σ2％＝(50.25－50)/50＝0.5％；基于双解耦的锁相环超调量为:σ3％＝(50.15－50)/50＝0.3％。

(2)电网电压混入谐波：

电网系统在0.0～0.3s正常运行，0.3～0.5s，电网a相电压混入5次正序谐波(0.1pu)，b相电压注入7次负序谐波(0.1pu)。根据仿真图8～9可以得到，当电网电压混入谐波时，三种锁相方法均可以实现锁相；锁频输出三种锁相方法均需2个周期可达到稳态(±2％)，其中解耦双同步锁相环超调量为：σ1％＝(|51.2－50|)/50＝2.4％，且存在±0.3hz的波动；优化型解耦双同步锁相环超调量为:σ2％＝(|49.3－50|)/50＝1.4％，且存在±0.1hz的波动；基于双解耦的锁相环超调量为:σ3％＝(|49.5－50|)/50＝1％，基本无波动。

(3)电网电压混入直流量：

电网系统在0.0～0.3s正常运行，0.3～0.5s，电网a相电压混入+20v的直流量，b相电压混入+20v的直流量。根据仿真图10～11可以得到，当电网电压混入直流量时，三种锁相方法均可以实现锁相；锁频输出三种锁相方法均需1个周期可达到稳态(±2％)，其中解耦双同步锁相环超调量为：σ1％＝(|50.5－50|)/50＝1％，且存在±0.5hz的波动；优化型解耦双同步锁相环超调量为:σ2％＝(|50.2－50|)/50＝0.4％，基本无波动；基于双解耦的锁相环超调量为:σ3％＝(|50.1－50|)/50＝0.2％，基本无波动。

通过仿真对比每个锁相环的性能，最终得出结论：

(1)暂态时，三种锁相环全响应时间基本一致，但基于双解耦的锁相环超调量最小。

(2)稳态时，三种锁相环均可实现锁相，但是在电网电压混入谐波和直流量时，解耦双同步锁相环锁频输出信号存在较大波动，优化型解耦双同步锁相环次之，基于双解耦的锁相环基本无波动。

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，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，这些均属于本发明的保护之内。