一種鎖相環及鎖相方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電網控制領域，特別涉及一種鎖相環及鎖相方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電力電子器件的快速發展，它們在電力系統中發揮著越來越重要的作用。在 電能傳輸，電能變換和電能質量的提高中，應用了多種類型的電力電子設備，比如:柔性交 流輸電系統(FACTS )，不間斷電源(UPS )，有源電力濾波器(APF)等。控制這些并網電力變換 器最重要的一個方面是和電網電壓適當的同步，即需要使用鎖相環(PLL)。
[0003] 正常電網電壓條件下，并網逆變器的同步可以通過使用同步旋轉坐標系或靜止坐 標系下的傳統PLL算法來實現。如果電網電壓發生故障，正序和負序電壓之間就會出現耦合 效應，此時同步問題不容忽視。現有一些PLL能夠在電網電壓故障條件下達到精確同步，但 也僅能在電網電壓不平衡的時候保持良好的動態性能，而在嚴重的電壓諧波和電壓頻率變 化的情況下，同步效果到不到要求。
[0004] 同步旋轉坐標系PLL是最為流行和廣泛使用的技術，被用于提取三相系統中電網 電壓的相位，頻率和幅值。從實際輸入-輸出關系的傳遞函數來看，傳統的同步旋轉坐標系 PLL就等同于一個一階自適應復數帶通濾波器。現有的許多PLL的結構都是以同步旋轉坐標 系PLL為基礎的，包括雙二階廣義積分器PLL，多復系數濾波器PLL和滑動平均濾波器PLL，它 們之間既有相關性又存在差別。用雙二階廣義積分器構造的新型正序電壓檢測系統，能夠 在電網電壓不平衡的情況下呈現出快速、準確和頻率自適應的響應。多復系數濾波器鎖相 環的特征在于可以準確快速的從被污染的電網電壓中提取正序和負序分量，而且也可以精 確的估計諧波分量。滑動平均濾波器鎖相環能夠在不平衡條件下快速準確的運行，但是其 性能會受到電網電壓嚴重污染和頻率偏差情況的限制。配有前置濾波器級的同步旋轉坐標 系PLL的控制參數的設計已經存在系統、簡單并且有效的方法，而且適用于不同序列分離技 術和同步旋轉坐標系PLL的協同工作。然而，這些PLL僅能在一種或幾種電網電壓故障條件 下達到精確同步，無法同時滿足所有性能需求。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種鎖相環及鎖相方法，其目的在于，克服現有技術中雙二階廣義 PLL中存在的在電網電壓同時存在頻率波動、不平衡和諧波的情況下，無法實現鎖相的問 題。
[0006] -種鎖相環，采用雙二階廣義積分器鎖相模塊，所述的雙二階廣義積分器鎖相模 塊包括Clark坐標系變換模塊、QSG模塊、PNSC模塊和SRF-PLL模塊；
[0007] 其中，QSG模塊為正交信號發生器，PNSC模塊為正負序計算器，SRF-PLL模塊為同步 旋轉坐標系PLL模塊；
[0008] 還包括與雙二階廣義積分器鎖相模塊相連的HE模塊和AFRC模塊；
[0009]所述HE模塊為諧波消除模塊，所述AFRC模塊為參考角頻率計算模塊；
[0010] 所述HE模塊的輸出端與所述SRF-PLL中的PI模塊的輸出端相連。
[0011] 同時引入HE模塊和AFRC模塊，利用AFRC模塊實時計算參考角頻率，保證了在電網 電壓同時存在頻率波動、不平衡和諧波的情況下，實現電網電壓相位跟蹤;并且，由于AFRC 模塊對內部的計數器進行采樣數優化計算，從而參考角頻率的計算更加精確，使得頻率自 適應快速而且平滑。
[0012] (I)Clark坐標系變換模塊
[0013] 所述Clark坐標系變換模塊用于通過Clark坐標變換矩陣Tabc- a{!將三相靜止坐標系 下的三相電網電壓Va、Vb和V。變換為兩相靜止坐標系電壓Va和Vfi，變換公式為：
[0014] 其中，
[0015] (2)QSG 模塊
[0016] 所述QSG模塊包括2個D(S)和2個Q(S)，D(s)和Q(S)均為二階廣義積分器;D(S)和Q (s)的傳遞函數分別為：
[0017 ] QSG模塊的輸入量為~和Vfi，輸出量為Vax、Vay、Vfix和V fiy;
[0018] 其中，第一個D( s)和第一個Q( s)的輸入量均為να，第一個D (s)和第一個Q( s)的輸 出量分別為Vax和Vay ;
[0019] 其中，第二個D( s)和第二個Q( s)的輸入量均為Vfi，第二個D (s)和第二個Q( s)的輸 出量分別為Vfo和VPy ;
[0020] ω ^SRF-PLL模塊測得的電網電壓角頻率輸出值，k為阻尼因子，s為復自變量，s = jco，ω代表實時測得的電網電壓角頻率，是D(S)和Q(S)自變量；
[0021] (3)PNSC 模塊
[0022]所述QSG模塊輸出的兩對正交信號傳遞給PNSC模塊，經過PNSC模塊后得到所需要 的基波正序分量1Cl和vS ·，
[0023] 所述PNSC模塊的特征方程如下：
[0024]
[0025] 其中，Hri和'1^.為基波負序分量；
[0026] (4)SRF-PLL 模塊
[0027] 所述SRF-PLL模塊用于跟蹤電網電壓。
[0028]所述HE模塊采用Q軸6次比例諧振控制器，其傳遞函數為：
[0029]
[0030] 其中，KPR、KIR分別是Q軸6次比例諧振控制器的比例和積分系數。
[0031] 用于消除角頻率ω p和相位Θ/的諧波。
[0032] Kpr= UKir = 256；
[0033]所述AFRC模塊用于計算參考角頻率ωτ，計算過程如下：
[0034]步驟Α:利用定時器中斷DSP，觀測a相電壓~幅值是否過零點，是否滿足條件：
[0035]
[0036] 若滿足，則令計數值Ntempl = I，Ntemp4=Ntemp2，進入步驟D;否則，進入步驟B;
[0037]步驟B:判斷a相電壓第k-Ι個采樣點和第k個采樣點是否滿足條件：
[0038] ua(k-l)>0,ua(k)>0
[0039] 若滿足，則令Ntempl = Ntempl+l，等待下一次中斷；否則，進入步驟C ;
[0040] 步驟C:判斷a相電壓第k-ι個采樣點和第k個采樣點是否滿足條件：
[0041] ua(k-l)> = 0,Ua(k)< = 0
[0042] 若滿足，則4 進入步驟D，否則，令Ntemp2 = Ntemp2+l，等待下 一次中斷；
[0043] 步驟D :計算DSP控制周期內的采樣數Ntemp (k) : Ntemp (k) = Ntemp3+Ntemp4 ;
[0044] 判斷是否滿足230 =〈Ntemp(k)〈 = 290，若滿足，則進入步驟E，進行計數器優化，否 貝ij，退出當前中斷，且發出警報，整個鎖相環停止工作；因為超出這個值就不屬于正常電網 電壓的范圍；
[0045] 步驟E :判斷fs + Ntanp(k)的余數是否為零，若是，則令優化后的采樣數為Ncmr (k)= NtempGO，進入步驟I;否則，進入步驟F。
[0046] 步驟F:判斷NtemP(k)> = NtemP(k-l)是否成立，若成立，則進入步驟A的條件判斷，直 到隊611^(1〇>=隊611^(1^-1)不成立時，令隊6：￡?(1〇=隊611^(1〇+0.5，繼續執行6，否則令隊6：￡ ?(1〇 = 隊_(1〇+0.5，繼續執行6;
[0047] 步驟 G:判斷 Ntemp(k)與 Nref(k)的大小關系，若 Ntemp(k)〈Nref(k)，貝ijNcur(k) =Ntemp(k) +0.5，進入步驟I;否則，進入步驟H;
[0048] 步驟H:若Ntemp(k) >Nref (k)，則Ncur(k) = Ntemp (k)-0 · 5，繼續執行步驟I;否則，令Ncur (k) =Ntemp(k)，進入步驟I ;
[0049] 步驟I:計算參考角頻率~：ωΓ = 23??νΝ_(1〇，?·3為采樣頻率，k表示通過定時器 進行采樣的第k個采樣點；
[0050] 步驟J:返回中斷，等待下一次中斷，進入步驟A;
[0051 ] 其中，Ntempl、NtemP2、NtemP3及Ntem P4均為a相電壓的采樣計數中間變量，Ntemp ( k )、Nref (k)及N?r(k)分別為對a相電壓的第k次采樣點對應的臨時采樣次數、參考采樣次數及優化 后的采樣數。
[0052]對QSG模塊、SRF-PLL模塊和HE模塊進行離散化，形成數字鎖相環。
[0053]所述離散化是指采用突斯汀預變形方法進行離散化，且有8 = 其中， z為輔助復變量，ω 〇是諧振角頻率，取值為2 X 5031= IOOjt。
[0054] 所述SRF-PLL模塊中阻尼因子k取值為及。
[0055] -種鎖相方法，采用上述的鎖相環，利用Clark坐標變換模塊將三相靜止坐標系下 的電網電壓v ab。變換為兩相靜止坐標系電壓Va和Vf!，所述兩相靜止坐標系電壓Va和Vfi通過 QSG模塊和PNSC模塊，提取出電網電壓的FFPS和FFNS分量;接著利用SRF-PLL模炔基于電網 電壓的FFPS和FFNS分量計算電網電壓的相位和頻率;最后采用HE模塊消除電網電壓相位和 頻率的諧波；
[0056]其中，SRF-PLL模塊使用的參考角頻率利用AFRC模塊計算獲得。
[0057]對QSG模塊、SRF-PLL模塊和HE模塊進行離散化處理，獲得數字鎖相環，進行數字鎖 相。
[0058] 有益效果
[0059] 本發明提出一種鎖相環及鎖相方法，該鎖相環包含了 Clark變換模塊，正交信號發 生器(QSG)模塊，正負序計算器(PNSC)模塊，同步旋轉坐標系PLL模塊，諧波消除(HE)模塊和