技术领域本发明属于电力系统中电网同步技术领域，涉及基于混合坐标轴下延时滤波器的锁相环技术。具体涉及一种基于两相静止坐标系上的延时信号消除器以及同步旋转坐标系上的滑动平均滤波器的改进三相锁相环技术。
背景技术：
由于新能源的大力发展，特别是在有源功率滤波器、风力发电、光伏发电等场合，电网电压的不平衡和畸变是难免的，而并网变流器的正常工作需要准确的获得电网电压的相位和频率信息，特别对于风力发电和光伏发电的低电压穿越运行，准确、快速的获得相位信息变得尤为重要。使用傅里叶和快速傅里叶变化来分析电网电压的频谱、提取电网电压相位式最基本的方法之一，但是这种方法假设电网电压具有完全的周期性和重复性，在电网相位，频率，幅值突变时，将产生频率和相位信息提取误差。基于零点穿越的方法是最简单的提取电压频率和相位方法之一，然而当电网电压畸变时，电压可能短时间内多次穿过零点，导致相位提取产生较大误差。目前最常用的相位提取方法是使用锁相环算法，传统锁相环首先将三相电压变换到同步旋转坐标下，通过比例积分控制器使d轴或q轴信号为零，实现电压锁相。在理想电网情况下，传统锁相环能够精确、快速的提取相位和频率信息，而在电网电压不平衡和畸变情况下，由于PI控制器不能对交流量进行无静差调节，传统锁相环往往不能准确的提取电压相位和频率。通过在锁相环d轴或q轴上插入低通滤波器可一定程度抑制相位提取波动，但同时将导致系统穿越频率降低，响应变慢。因此，有必要研究一种适应复杂电网电压环境的锁相环算法，能够实现快速、无静差的相位和频率信息提取，可广泛应用于并网变流器，风力发电与光伏发电低电压穿越运行等场合。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服目前电网同步技术不能在复杂电网环境中实现快速、准确提取频率和相位信息的问题，提出一种基于延时滤波技术的改进锁相环算法，并且实现基波与谐波的序分量的提取。本发明的具体技术方案为：一种用于各种电网条件下的锁相环技术以及基波与谐波序分量提取算法，具体包括如下步骤：S1，以三相电网电压为基准，实现电网电压的频率，相位的精确测量。S2，利用S1获得的基波频率与相位，求取电网电压基波与各次谐波的幅值。S3，提取电网正负序谐波电压的相位，结合S2中获得的正负序谐波幅值，实现电网电压各次谐波分量的提取。进一步的，步骤S1中提取电网电压基波分量的频率和相位的具体过程为：本发明基于传统的三相锁相环技术，在dq轴上插入滑动平均滤波器(MovingAverageFilter，MAF)来提高锁相环对谐波抑制；然后将传统比例积分(Proportional-Integral，PI)控制器改进为比例(Proportional，P)控制器来提高系统的响应速度，由此造成的对阶跃响应的跟踪误差可以通过设计误差补偿器进行补偿；最后考虑到测得的电网电压中可能存在直流偏置，通过在αβ轴上插入延时信号消除器(DelaySignalCancellation，DSC)来消除其对系统影响。假设三相电网电压由各基波和谐波分量组成，表达式如下：式中，Va,dc、Vb,dc和Vc,dc分别为a相，b相和c相的直流偏置；和分为n次谐波的正负序电压幅值；和分别为h次谐波的正负序电压的相位角且和分为h次谐波的正负序电压的初始相位角；n为最高次电压谐波次数，鉴于非线性负荷的一般特性，三相电网中的特征谐波主要为5，7，11，13等6k±1次，即h＝|6k±1|，k＝0,1,2…。对三相电网电压进行Clark变换，得到v′α与v′β，表达式如下：式中Vα,dc=(Va,dc-0.5Vb,dc-0.5Vc,dc)Vβ,dc=32(Vb,dc-Vc,dc)---(3)]]>通过在αβ轴上插入的延时信号消除器αβDSC2，消除如式(3)所示的直流分量，其传递函数为GαβDSC2(s)=12(1-e-T2s)---(4)]]>式中，T为电网电压周期。滤除直流分量vα,dc和vβ,dc后，得到vα与vβ：将vα与vβ经过Park变换，得到vd与vq，其表达式如下：式中θ为锁相环的反馈相位角。设输入电压频率为ωi＝ωff+Δωi，其中ωff等于理想电网频率，为50Hz；Δωi为频率偏移值；根据工程控制理论，在传递函数为kp/s的系统中，当输入斜坡响应且斜率为Δωi时，设输出稳态误差为θe；θe′表示频率跳变时，αβ轴上的延时信号消除器产生的相移。则：θe=Δωikp---(7)]]>而在锁相环锁定的状态下，Δωi的均值等于Δωo的均值，故输出误差又可表示为θe=Δωokp---(8)]]>当频率跳变时，延时信号消除器也将对信号产生相移，根据式(4)可以得到αβDSC2相频表达式∠αβDSC2(jω)=∠(π2-ωT4)---(9)]]>将ωi＝ωff+Δωi代入式(9)中，可以得到频率跳变后的相移ΔαβDSC2(ωi)=-T4ωi=-T4ωo=θe′---(10)]]>根据式(8)和式(10)所示的系统跟踪误差，通过前馈补偿的方法，可以实现系统的无静差相位跟踪。当电网电压没有发生频率跳变时，即ωi＝ωff，式(8)和式(10)为零，θ即为输入电网电压的相位角；当电网电压发生频率跳变时，设vα与vβ的相位角为θ0′，v′α与v′β的相位角为θo，即电网电压的相位角。当锁相环达到稳态时，即为正序基波的相位角，为正序基波的初始相位，式(6)改写为因此，dq轴上除了直流分量以外，还有整数倍基波频率的交流分量。在dq轴上插入滑动平均滤波器，滤除偶次倍基波频率的交流分量，其传递函数为GMAF(s)=x‾(s)x(s)=1-e-TωsTωs≈2Tωs+2---(12)]]>式中Tω为滑动平均滤波器的窗口长度，在本发明中，Tω设为0.01。实现了在电网电压畸变与谐波情况下的无静差基波频率与相位跟踪。进一步的，步骤S2中利用获得的基波频率与相位，求取电网电压基波与各次谐波幅值，具体过程为：不妨以求取第N次谐波的幅值为例(设N＝±|6m±1|，m为任意确定整数)，第N次谐波频率为基波频率的N倍，不妨令以θN为Park变换角度，对式(5)进行坐标变换，当N＝|6m±1|>0时对式(14)中交流项进行化简，即当N＝-|6m±1|<0时，式(14)改写为对式(17)中交流项进行化简，即由式(15)、式(16)和式(18)、式(19)可以看出无论求正序电压分量幅值，还是求负序电压分量幅值，dq轴上的交流项频率均为基波频率的偶数倍且最少为2倍。因此，通过在dq轴上插入传递函数如式(12)所示的滑动平均滤波器，式(14)和式(17)可以分别改写为由式(20)和式(21)可得，N次正、负谐波的幅值分别为VN+=(vdN+)2+(vqN+)2---(22)]]>VN-=(vdN-)2+(vqN-)2---(23)]]>当N＝1时，式(22)所示即为电网电压基波幅值。进一步的，步骤S3中利用S1中提取的基波频率与相位的方法，提取电网正负序谐波电压的相位，具体过程为：下面以提取N次谐波相位为例(当N大于零时，±取+；当N小于零时，±取-。)：采用与基波相位提取相同的锁相环结构，当基波频率发生跳变时ωi＝ωff+Δωi，谐波频率变为ωiN±=Nωi=Nωff+NΔωi=ωffN±+ΔωiN±---(24)]]>系统对N次谐波的跟踪误差为θeN±=ΔωiN±kpN±---(25)]]>式中为N次谐波相位提取系统的比例控制器系数。非频率适应的延时信号消除器对N次谐波产生的相移表示为ΔαβDSC2(ωiN±)=-T4ΔωiN±=θeN′±---(26)]]>因此，对于N次正序谐波相位提取锁相环系统当锁相环锁定的状态下，即将式(25)和式(26)所示误差项补偿到输出相位可以得到正序谐波相位根据步骤S1中提取的基波相位，S2中提取的谐波相位与频率以及S3中提取的基波与谐波幅值，可以得到畸变与含谐波的电网电压中的各项分量。附图说明图1电网电压基波与谐波相位和幅值提取原理框图。图2延时信号消除器和滑动平均滤波器伯德图。图3电网电压单相跌落时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。图4电网电压相位跳变时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。图5电网电压频率跳变时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。图6电网电压存在谐波时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。图7电网电压存在直流偏置时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。图8电网电压基波与谐波正负序幅值提取动态效果图。图9电网电压基波与谐波正负序分量提取动态效果图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。图1为电网电压基波与谐波相位和幅值提取原理框图。首先将三相电压通过Clark变换，使用延时信号消除器滤掉直流分量，再进行Park变换，使用滑动平均滤波器滤除由基波负序分量和谐波分量产生的至少2倍基波频率的交流量，因此，dq轴上输出信号中只存在正序基波分量，然后通过锁相控制环与相位误差补偿，可以得到电网电压的精确相位与频率。通过测得的基波相位，使用公式(13)～公式(23)，可以得到基波与谐波的正负序分量幅值，结合如图1所示的N次正、负序谐波相位提取框图与公式(24)～公式(27)，可以得到N次正负序谐波的相位和频率信息。图2为延时信号消除器和滑动平均滤波器伯德图。可以看出延时信号消除器可以滤除αβ轴上的直流分量以及偶次倍基波频率的谐波，滑动平均滤波器可以滤除dq轴上的偶次倍基波频率的谐波。保证锁相环能够精确的提取正序基波信号的相位和频率。为了验证所提出的锁相环算法在各种电网环境下提取基波信号频率与相位的精确性和快速性。图3～图7分别为电网电压单相跌落、相位跳变、频率跳变以及电网电压存在谐波和直流偏置情况下基波频率、相位和幅值提取的动态效果图。图3～图7中(a)、(b)、(c)和(d)分别表示三相输入电网电压波形、测得的频率波形、dq轴输出正序电压以及相位误差；波形1表示传统锁相环，波形2表示本发明所提出的改进锁相环。基于上述图3～图7运行条件的介绍后，下面分别对图3～图7的动态效果进行详细的说明。图3给出了电网电压单相跌落时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。可以看出传统的三相锁相环在电网电压单相跌落时，不能准确的检测出基波频率，幅值以及相位。单相电压跌落产生的负序分量在正序同步旋转坐标轴中体现为2倍电网频率的交流分量，PI控制器无法对其实现无静差调节。而在改进锁相环中，dq轴上的滑动平均滤波器可以完全滤除2倍基波频率的交流分量，在电压频率，正负序分量以及相位的检测中实现无静差调节。而由于将PI控制器改进为P控制器，响应速度也有所增加，大约在2个电网周期以内。图4给出了电网电压相位跳变时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。可以看出传统锁相环和改进锁相环都能快速准确的检测出电网电压的基波频率，幅值以及相位，这是因为相位跳变不会产生负序电压分量，因此传统锁相环也能够表现出较好的性能，改进锁相环同样表现出色，响应速度甚至比传统锁相环还要快。图5给出了电网电压频率跳变时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。由于频率的跳变不会产生负序电压分量，传统锁相环与改进锁相环的检测结果对比类似于相位跳变时的对比情况。相对于传统锁相环，改进的锁相环响应速度更快，调整时间在2个电网周期以内。图6给出了电网电压存在谐波时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。由于传统锁相环不能对谐波进行有效的抑制，在检测的电压频率，幅值以及相位中都出现了高频交流分量；而在滑动平均滤波器的作用下，改进锁相环可以无静差的检测出电压频率、幅值以及相位，但是由于滑动平均滤波器与延时信号消除器都需要延时处理，在电网电压谐波出现和消失以后，需要接近2个电网周期的时间才能达到稳态。但从性能来看，相对传统锁相环，改进锁相环已经有很明显的优势。图7给出了电网电压存在直流偏置时，基波频率、相位和幅值提取动态效果图。电网电压的直流偏置在dq轴上表现为基波频率的交流信号，因此传统锁相环检测的基波频率，幅值以及相位中都出现了基波频率的波动；对于改进锁相环，应用在αβ轴上延时信号消除器可以完全滤除直流偏置以及可能存在的偶次谐波，因此，在电压频率，正负序分量以及相位的检测中能够实现无静差的跟踪，同样类似于谐波的情况，在电网电压包含直流偏置或去除时，改进锁相环需要接近2个电网周期的时间达到稳态。为了验证本发明所提出谐波幅值提取的有效性，0.2s时，向输入电网电压中注入0.1pu5次正序谐波与负序谐波，0.05pu7次正序谐波与负序谐波；0.3s时，将谐波幅值提高两倍；0.4s时电网电压恢复正常；同时在0.2s～0.4s之间，电网电压发生单相电压跌落。图8给出了电网电压基波与谐波正负序幅值提取动态效果图，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别表示三相输入电网电压波形、基波正负序幅值、5次谐波正负序幅值以及7次谐波正负序幅值。不难发现，当t＝0.2s，注入谐波和发生单相跌落时，系统在大约20ms后即可达到稳态，实现精确的基波和谐波幅值提取；当t＝0.3s，注入谐波幅值加倍时，系统响应时间约为20ms，且基波正负序幅值的提取基本不受影响；当t＝0.4s，电网电压恢复正常时，系统经过约25ms达到稳态。图9给出了电网电压基波与谐波正负序分量提取动态效果图，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)和(g)分别表示三相电网电压、三相基波正序电压、三相基波负序电压、5次谐波正序电压、5次谐波负序电压、7次谐波正序电压和7次谐波负序电压。不可看出，本发明所提出方法能够准确迅速的提取出基波与各次谐波的正负序分量，动态响应时间在20ms左右。上述各种电网环境下基波相位和频率提取的动态波形以及正负序基波和谐波的提取仿真波形表明，本发明提出的改进锁相环能够适应各种复杂电网环境，并且能够精确地提取电网电压中的基波和各次谐波分量，可以广泛应用于并网逆变器的控制，有源功率滤波器等。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。