本发明涉及一种电力信号采集技术，特别涉及一种基于非线性pi和解耦双同步坐标系锁相环的锁相方法。
背景技术：
锁相环是新能源接入电网过程中极其重要的技术之一。光伏发电作为新能源发电的一种重要方式，对缓解能源危机和降低环境污染发挥着重要作用。光伏逆变器并网发电必须跟踪电网电压的相位、幅值和频率，即锁相环技术。然而，大规模光伏并网发电系统一般建在偏远地区，这就要求必须适应非理想电网环境，比如电压跌落、相位突变、频率变化、存在负序电压、谐波污染等。此外，在低电压穿越时，也要求锁相环能够快速跟踪电网信息。锁相环的性能不仅会直接影响并网电流的质量，也会影响区域电网系统的安全。
单同步坐标系锁相环(ssrf-pll)，采用单一同步坐标系锁相控制结构，适用于电网电压平衡时的相位、频率和幅值的检测，在电网电压不平衡时，锁相效果不佳。基于双二阶广义积分器的锁相环(dsogi-pll)主要是通过构建基于内膜原理的自适应滤波器实现相角偏移和消除谐波，但当电网含有多次谐波时，滤波效果不理想，提取的同步信号出现波动。为了消除谐波，基于多二阶广义积分器锁相环增加了双层控制，但算法复杂。解耦双同步坐标系锁相环(ddsrf-pll)是在ssrf-pll基础上加以改进，先进行正负序电压分离，再根据正负序电压之间的耦合关系解耦。这种算法可以在电网电压不平衡时得到电网电压信息，但解耦后的q轴电流还是经过传统比例积分(pi)控制达到零的目的。pi控制是简单的比例积分线性组合，快速性由比例参数决定，稳定性由积分常数决定，使得快速性和鲁棒性存在矛盾，会影响锁相环跟踪的快速性和稳定性。采用了正负序级联延时信号消除法，能够实现对三相电压电流基波正负序分量在同步旋转坐标下的快速提取，但要针对不同的谐波设计不同的算法。
技术实现要素：
本发明是针对现在锁相环技术存在的问题，提出了一种基于非线性pi和解耦双同步坐标系锁相环的锁相方法，基于解耦双同步坐标系锁相环，加入非线性函数来改变pi控制器的参数，使得跟踪效果提高，同时对由于负序电压引起的二次谐波引入特定频率点陷波器消除谐波，使得在解耦消谐的基础上提高消谐性能。用来实现对电网不同状态下相位和频率的检测，该方法能够在电网不同状态下相实现相位和频率的检测。
本发明的技术方案为：一种基于非线性pi和解耦双同步坐标系锁相环的锁相方法，首先将三相静止坐标系下的网侧电压检测信号va、vb、vc变换成两相静止坐标系下的电压vα、vβ，再根据估计的电网角度
正序直流分量vdqn、负序直流分量vdqm以及估计的电网角度
所述非线性pi控制器中比例增益参数kp的非线性函数为：kp(e(t))＝ap+bp(1-sech(cpe(t)))，式中，ap、bp、cp为正实常数；当误差e趋向于无穷时，kp取最大值ap+bp；当e为0时，kp取最小值ap；bp为kp的变化区间，调整cp的大小调整kp变化的速率；
所述非线性pi控制器中积分增益参数ki的非线性函数为：ki(e(t))＝aisech(cie(t))，式中ki的取值范围为(0，ai)，当e为0时，ki取得最大值，ci的取值决定了ki的变化快慢程度，误差e即vq*n。
本发明的有益效果在于：本发明基于非线性pi和解耦双同步坐标系锁相环的锁相方法，解耦双同步坐标系可以消除电网电压不平衡时负序分量引入的二次谐波，同时引入特定频率点陷波器对二次谐波进一步消谐；采用非线性控制方式，与传统pi控制相比，具备更好的快速性和稳定性。非线性控制采取非线性函数实现，主要是基于反馈误差的大小；本发明提出的基于非线性pi和解耦双同步坐标系锁相环的研究方法，拥有控制精度高，跟踪效果好等优点，适合于太阳能发电、风力等新能源并网系统，并且可推广到其它单相或者三相并网逆变器的控制方法当中。
附图说明
图1为本发明正序旋转坐标系解耦单元图；
图2为本发明正负序分量解耦网络图；
图3为本发明特定频率陷波器伯德图；
图4为一般系统的阶跃响应图；
图5a为本发明kp随误差变化曲线图；
图5b为本发明ki随误差变化曲线图；
图6为本发明电压跌落时仿真波形图；
图7为本发明相位突变时仿真波形图；
图8为本发明频率突变时仿真波形图；
图9为本发明含负序电压时仿真波形图；
图10为本发明含谐波电压时仿真波形图。
具体实施方式
基于非线性pi和解耦双同步坐标系锁相环的锁相方法，首先将三相静止坐标系下的网侧电压检测信号va、vb、vc变换成两相静止坐标系下的电压vα、vβ，再根据估计的电网角度
正负序电压矢量可以如下表示：
式中：vdn、vqn分别为旋转坐标系d轴和q轴正序电压；vdm、vqm分别为旋转坐标系d轴和q轴负序电压；ω为电网基波角频率，为角频率估计；
正负序矩阵关系为：
图1根据上式进行解耦。
图2中正序解耦量vd*n、vq*n分别通过低通滤波器lpf滤除高次谐波，再分别通过二阶陷波器sfnf滤除二次谐波，得到的量
图3为二阶陷波器的伯德图，可以看出在二次谐波处，幅值能很好衰减，101hz处能衰减40.1db。
为了滤除高次谐波，引入简单的低通滤波器(lpf)，其传递函数为：
图4一般系统的阶跃响应，根据反馈误差与响应时间的关系设计比例和积分增益参数。
非线性函数的设计思想是根据反馈误差实现的。(1)比例增益参数kp：在响应时间0＜t＜t1段，为保证系统有较快的响应速度，比例增益参数在初始是应较大，同时为了减小超调量，希望误差e逐渐减小时，比例增益也随之减小；在t1＜t＜t2段，为了增大反向控制作用，减小超调，希望kp逐渐增大；在t2＜t＜t3段，为了使系统尽快回到稳定点，并不产生大的惯性，希望kp逐渐减小；在t3＜t＜t4段，望kp逐渐增大，作用与t1＜t＜t2段相同。按上述变化规律，kp随误差e变化的大致形状如图5a所示，可以构造如下非线性函数：kp(e(t))＝ap+bp(1-sech(cpe(t)))。式中，ap、bp、cp为正实常数。当误差e趋向于无穷时，kp取最大值ap+bp；当e为0时，kp取最小值ap；bp为kp的变化区间，调整cp的大小可以调整kp变化的速率。(2)积分增益参数ki：当误差信号较大时，希望积分增益不要太大，以防止响应产生振荡，有利于减小超调量；而当误差较小时，希望积分增益增大，以消除系统的稳态误差。
根据积分增益的变化特性，ki的变化形状如图5b所示，其非线性函数可表示为：ki(e(t))＝aisech(cie(t))，式中ki的取值范围为(0，ai)，当e为0时，ki取得最大值。ci的取值决定了ki的变化快慢程度。合理设计非线性函数可以得到比常规pi控制器更优的参数，以达到电网电压不平衡时能更快更稳地追踪电网电压相位、频率和幅值信息。
为说明本发明的正确性和可行性，对所提锁相环控制方式进行仿真验证。仿真参数为：电网频率为50hz，传统pi控制参数kp＝25，ki＝500，低通滤波器参数ωf＝250rad/s，ai＝132，ωn＝628rad/s，ap＝26，bp＝8，cp＝0.8，ci＝1。
电网电压a相在0.05秒时跌落50％，其他两相电压保持不变。如图6所示电压跌落时仿真波形图，在幅值突变时，传统pi锁相环的频率峰值达到50.07hz，恢复到稳定需要时间12ms，非线性pi锁相环为50.01hz和5ms。
电网电压三相在0.05秒时跌落20°，如图7所示相位突变时仿真波形图，传统pi锁相环的频率跌落49.8hz，恢复到稳定需要时间12ms，非线性pi锁相环为50.02hz和5ms。
电网三相电压频率在0.05秒时上升为54hz，如图8所示频率突变时仿真波形图，在频率突变时，传统pi锁相环的频率峰值达到54.5hz，存在超调0.5hz，恢复到稳定需要时间250ms，非线性pi锁相环为54.1hz和200ms，且没有超调。
电网三相电压在0.05秒时引入0.2pu的负序电压，且基波电压幅值跌落50％，如图9所示含负序电压时仿真波形图，传统pi锁相环的频率峰值达到50.12hz，恢复到稳定需要时间15ms，非线性pi锁相环为50.025hz和10ms。
电网三相电压在0.05秒时引入0.2pu的五次和七次谐波，且基波幅值跌落50％，如图10所示含谐波电压时仿真波形图，传统pi锁相环的频率峰值达到50.033hz，非线性pi锁相环为50.025hz，两者都存在微小波动，但都在电网频差允许范围内。
表1显示的是性能对比，相比传统pi控制，非线性控制均得到更好的动稳态性能。
表1