[发明专利]一种基于同步坐标系的比例积分锁频环及其建模方法

说明书

本发明公开了一种基于同步坐标系的比例积分锁频环及其建模方法，包括提出了一种同步坐标系下的比例积分锁频环，即PI‑SRF‑FLL，建立其非线性误差动态系统，定义李雅普诺夫函数，并证明其稳定性；通过辅助变量法建立了系统的小信号传递函数，从而给出了相角变换、频率变化以及幅值变化对系统dq轴电压以及频率观测相角观测的影响，并给出了准确的FLL参数设计准则。本发明公开的方法能够提供更为精确的模型来指导锁频环系统的参数设计，提高锁频环性能。

技术领域

本发明涉及分布式电源并网逆变器控制技术，具体涉及一种基于同步坐标系的比例积分锁频环及其建模方法。

背景技术

分布式电源通过并网变换器接入大电网时，并网变流器控制需要电网同步系统准确地估计电网基波正序电压的幅值相位信息。目前，应用最为广泛的电网同步系统主要为锁相环(phase-locked loop,PLL)以及锁频环技术(frequency-locked loop,FLL)。

PLL一般利用同步坐标变换作为相角检测(phase detector,PD)单元，获取电网相角与估计相角之间的误差作为反馈，从而实现电网相角同步，因此主流的PLL技术多为基于同步坐标系的锁相环技术(synchronous reference frame PLL,SRF-PLL)。与PLL不同，FLL则检测电网频率与估计频率之间的误差作为反馈，实现电网频率的同步，电网相角一般通过直接计算得到，频率误差的获取通常在静止坐标系下实现，因此FLL大都实施于静止坐标系下。近年来，锁相环技术得到不断的改进与发展，使得锁相环的性能得到了不断的提升，而锁频环技术却发展相对缓慢，锁频环技术发展缓慢的原因在于其实施的坐标系。PLL技术多基于同步坐标系实施，而同步坐标系中，交流量转换为直流量，因此，可方便地建立小信号模型，因而可较为容易地设计PLL环路滤波器(in-loop filter)，从而改善PLL滤波性能。而FLL一般实施于静止坐标系(与频率误差检测相关)，静止坐标系下各物理量均为交流信号，难以建立小信号模型，使滤波器的设计变得较为困难，阻碍了锁频环的发展。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种基于同步坐标系的比例积分锁频环。

本发明的另一个目的是提供一种所述基于同步坐标系的比例积分锁频环的建模方法，旨在提出更为精确的模型来指导锁频环系统的参数设计，提高锁频环性能。

技术方案：本发明的基于同步坐标系的比例积分锁频环，包括同步坐标系下的前置低通滤波器以及基于比例积分的频率观测环路，其中，输入电网电压u_αβ经过dq变换(该dq变换的相角来自于锁频环)后得到dq坐标系下的电压u_dq，u_dq经过低通滤波器后得到dq轴电压的观测值观测值与观测误差e_dq经过计算后获得信号x_aI，该信号经过比例积分控制器后，得到频率观测值频率观测值经过积分运算后与可调初始相角运算后获得FLL生成的相角反馈作用于输入电网电压u_αβ的dq变换。

一种基于同步坐标系的比例积分锁频环的建模方法，包括以下步骤：

(1)给出一种基于同步坐标系的比例积分锁频环，即PI-SRF-FLL，建立其非线性误差动态系统，定义李雅普诺夫函数，并证明其稳定性；

(2)通过辅助变量法，建立PI-SRF-FLL非线性误差动态系统的小信号传递函数，从而给出相角变换、频率变化以及幅值变化对该系统dq轴电压以及频率观测相角观测的影响，并给出了准确的FLL参数设计准则。

进一步的，步骤(1)中基于同步坐标系的比例积分锁频环的非线性误差动态系统的建立方法为：

基于同步坐标系的比例积分锁频环同步坐标系下的前置低通滤波器以及基于比例积分的频率观测环路，前置低通滤波器由下列微分方程表示：