一種快速三相電壓鎖相環方法及其動態響應性能分析方法技術

本發明專利技術公開了一種快速三相電壓鎖相環方法及其動態響應性能分析方法，屬于電力電子控制技術領域。分析方法包括：建立鎖相環的簡化模型，根據簡化模型得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電壓鎖相環的開環傳遞函數，根據開環傳遞函數、采樣頻率和基波角頻率得到PI調節器參數Kp變化的根軌跡；在同一坐標系繪制兩根軌跡，并通過閉環主導極點的方法將高階系統等效簡化成為典型二階系統，得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電壓鎖相環對應的典型二階系統的收斂時間t1和t2。該分析方法從快速三相電壓鎖相環結構的簡化數學模型入手，對其時域和頻域數學模型分別進行了詳細討論，同時基于相關仿真平臺和硬件實驗平臺對理論分析進行了論證。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電力電子控制領域，特別涉及一種快速三相電壓鎖相環方法及其動態響應性能分析方法。
技術介紹
近年來，隨著環境污染的加劇，化石能源問題的緊缺，可再生能源的開發和利用受到越來越多的國家的關注。分布式發電系統由于具有初期假設投資低、發電方式靈活等特點而成為一種巨大發展市場的新能源綜合利用方式。三相PWM并網變流器作為分布式發電系統與電網公共接入點之間的能量接口單元，是分布式發電系統中極其重要的組成部分。三相PWM并網變流器以其電壓利用率高，功率因數可調等優點得到了廣泛應用。這對實時檢測電壓幅值、相角、頻率的鎖相環電路的準確性、快速性和魯棒性提出了更高的要求。在三相鎖相環電路中，應用最廣泛的是單同步旋轉坐標系鎖相環(SSRF-PLL).傳統的單同步旋轉坐標系鎖相環實現簡單，在電網電壓平衡，沒有畸變的情況下，鎖相精確、動態響應迅速。而當電網電壓不平衡，存在諧波時，這種方法難以獲得令人滿意的鎖相性能。為了改善電壓不平衡和進網電壓存在諧波時的系統鎖相性能，需要對鎖相環結構進行一定改進，傳統方法有：1)、基于對稱分量的鎖相環方法是對三相不平衡電壓的正序分量進行提取，從而有效抑制負序分量對系統的影響，但是這種方法加入了全通濾波器，頻率適應性不足。2)、基于雙同步坐標系解耦的鎖相環方法是對進網電壓的正序分量和負序分量進行解耦，分別在兩個旋轉坐標系下控制，從而改善鎖相性能；但是這種方法實現復雜，參數設計困難。如申請號為201510113101.4的專利公開了一種三相電壓不對稱情況下數字鎖相方法，包括如下步驟：第一步，將a、b、c三相電壓采樣值ua[n]、ub[n]、uc[n]通過Clark變換得到電壓值Vα[n]、Vβ[n]；第二步，將電壓值Vα[n]、Vβ[n]通過Park變換得到電壓Vd[n]、Vq[n]；第三步，將Park變換得到的電壓Vq[n]經過數字低通濾波器送入數字PI環節；第四步，將數字PI環節的輸出與基準頻率相加后進行數字積分；第五步，將數字積分得到的a相電壓相位θ送入Park變換進行閉環調節，計算電網電壓相位。如申請號為201310573330.5的專利一種用于動態電壓無功補償的鎖相環方法，包括下列步驟：采樣步驟：通過采樣電路，采集三相電源線上的三相電壓信號ua、ub、uc；第一坐標變換步驟：通過第一運算器對三相電源線上的三相電壓信號ua、ub、uc進行C32變換，得到uα和uβ；第二坐標變換步驟：對uα和uβ再次進行C變換，得到up和uq；PI調節步驟：通過PI調節將uq調節至0,輸出誤差信號角頻率ω；擾動角頻率輸入步驟：將誤差信號角頻率ω與一個擾動角頻率ω1相加，得到鎖相環的輸出角頻率ω*；積分步驟：輸入鎖相環的輸出角頻率ω*，對鎖相環的輸出角頻率ω*進行積分計算，得到并輸出鎖相環輸出相位θ*。
技術實現思路
為了解決上述問題，本專利技術實施例提供了一種快速三相電壓鎖相環方法及其動態響應性能分析方法，該快速三相電壓鎖相環方法具有更快的響應速度和更高的準確性；同時，本專利技術還提供了該快速三相電壓鎖相環方法的動態響應性能分析方法，該分析方法從多個方面對前述方法進行論證。所述技術方案如下：一方面，本專利技術實施例提供了一種快速三相電壓鎖相環方法，包括以下步驟：(1)將a、b、c三相電壓采樣值Ua、Ub和Uc通過Clark變換得到電壓Uα、Uβ。(2)將電壓Uα、Uβ通過Park變換得到電壓Ud、Uq。(3)將Park變換得到的電壓Ud經過一階慣性濾波器濾除高次諧波，獲取Uq與濾波后Ud的比值Uq/Ud，再將Uq/Ud送入PI調節器，經PI調節器的調節使得Uq/Ud趨近于0。(4)PI調節器的輸出與電網電壓的額定值相疊加得到鎖相環的輸出角頻率，用以實現閉環控制。其中，三相電壓采樣值Ua、Ub和Uc可以表示為：其中，Um為電網電壓的三相平衡電壓幅值，ω0為基波角頻率，a相電壓初始相角為0。其中，在步驟(1)中的Clark變換采用如下式：其中，θ為電網電壓矢量的起始角度。其中，在步驟(2)中的Park變換采用如下式：其中，為鎖相環輸出相角，采用D軸定向，鎖相環輸出為旋轉角進行Park變換。另一方面，本專利技術實施例還提供了前述快速三相電壓鎖相環方法的動態響應性能分析方法，該分析方法包括以下步驟：(1)建立三相電壓鎖相環的簡化模型。(2)根據步驟(1)的簡化模型得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電壓鎖相環的開環傳遞函數。(3)根據采樣頻率、基波角頻率和步驟(2)得到的開環傳遞函數得到PI調節器參數Kp變化的根軌跡。(4)在同一坐標系繪制步驟(3)得到的兩根軌跡，并通過閉環主導極點的方法將高階系統等效簡化成為典型二階系統，得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電壓鎖相環對應的典型二階系統的阻尼系數ξ。(5)根據步驟(4)得到的兩阻尼系數ξ分別得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電壓鎖相環對應的典型二階系統的收斂時間t1和t2，比較t1和t2的大小，判斷快速三相電壓鎖相環的收斂時間是否小于傳統三相電壓鎖相環的收斂時間。其中，傳統三相電壓鎖相環方法，包括以下步驟：A、將a、b、c三相電壓采樣值Ua、Ub和Uc通過Clark變換得到電壓Uα、Uβ。B、將電壓Uα、Uβ通過Park變換得到電壓Ud、Uq。C、將Uq輸入PI調節器，經PI調節器的調節使Uq趨近于0。D、PI調節器的輸出與電網電壓的額定值相疊加得到鎖相環的輸出角頻率，用以實現閉環控制。其中，參見圖5，步驟(1)包括：建立三相電壓鎖相環的簡化數學模型。其中，傳統三相電壓鎖相環的F1(θ)＝sinΔθ，高速三相電壓鎖相環的F2(θ)＝tanΔθ。參見圖6，根據三相電壓鎖相環的簡化數學模型得到傳統三相電壓鎖相環的頻域簡化模型。參見圖7，在Δθ很小的情況下(Δθ∈(-5°,5°))，將Δθ等效替代為tanΔθ，并根據三相電壓鎖相環的簡化數學模型得到高速三相電壓鎖相環的頻域簡化模型。其中，θ為電網電壓矢量的起始角度，Δθ為電網電壓的相角與鎖相環輸出角度差，Ts為時間常數，為鎖相環輸出相角，Kp為PI調節器參數，ω是電網電壓的額定值。其中，步驟(2)中：根據簡化模型得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電壓鎖相環的開環傳遞函數，傳統三相電壓鎖相環的開環傳遞函數為：高速三相電壓鎖相環的開環傳遞函數為：其中，步驟(4)包括：在同一坐標系繪制兩根軌跡的奈奎斯特圖(兩根軌跡和單位圓繪制在同一坐標系中)，得到傳統三相電壓鎖相環和高速三相電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種快速三相電壓鎖相環方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將a、b、c三相電壓采樣值Ua、Ub和Uc通過Clark變換得到電壓Uα、Uβ；(2)將電壓Uα、Uβ通過Park變換得到電壓Ud、Uq；(3)將Park變換得到的電壓Ud經過一階慣性濾波器濾除高次諧波，獲取Uq與濾波后Ud的比值Uq/Ud，再將Uq/Ud送入PI調節器，經PI調節器的調節使得Uq/Ud趨近于0；(4)PI調節器的輸出與電網電壓的額定值相疊加得到鎖相環的輸出角頻率，用以實現閉環控制。

【技術特征摘要】
1.一種快速三相電壓鎖相環方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)將a、b、c三相電壓采樣值Ua、Ub和Uc通過Clark變換得到電壓Uα、Uβ；
(2)將電壓Uα、Uβ通過Park變換得到電壓Ud、Uq；
(3)將Park變換得到的電壓Ud經過一階慣性濾波器濾除高次諧波，獲取Uq與濾波后Ud的
比值Uq/Ud，再將Uq/Ud送入PI調節器，經PI調節器的調節使得Uq/Ud趨近于0；
(4)PI調節器的輸出與電網電壓的額定值相疊加得到鎖相環的輸出角頻率，用以實現
閉環控制。
2.根據權利要求1所述的快速三相電壓鎖相環方法，其特征在于，所述三相電壓采樣值
Ua、Ub和Uc可以表示為：
U a = U m c o s ( ω 0 t ) U b = U m c o s ( ω 0 t - 2 π 3 ) U c = U m cos ( ω 0 t + 2 π 3 ) , ]]>其中，Um為電網電壓的三相平衡電壓幅值，ω0為基波角頻率，a相電壓初始相角為0；
在步驟(1)中的Clark變換采用如下式：
U α U β = 2 3 1 - 1 / 2 - 1 / 2 0 3 / 2 - 3 / 2 U a U b U c = U m ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：尹泉，王慶義，劉洋，羅慧，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42