[发明专利]一种基于混合坐标系下延时滤波器的改进锁相环算法

摘要

本发明公开了一种基于混合坐标系下延时滤波器的改进锁相环算法，包括步骤S1、建立改进锁相环控制模型，实现基波相位和频率信息的提取；S2、求取基波与各次谐波电压幅值；S3、设计各次谐波频率与相位的提取算法，实现电网故障下各项电压分量的提取。该锁相算法的有益效果在于快速、准确的各项电压分量提取，实现功率变流器，光伏与风力发电系统的友好并网运行。

主权项

1.一种基于混合坐标系下延时滤波器的改进锁相环算法，其特征在于，包括如下步骤：S1、基于传统的三相锁相环技术，在αβ轴上插入延时信号消除器(Delay Signal Cancellation，DSC)来消除直流偏置对系统影响，实现频率跳变情况下无静差相位跟踪；在dq轴上插入滑动平均滤波器(Moving Average Filter，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通过设计误差补偿器进行补偿；设计该改进锁相环系统的具体过程为：设三相电网电压va、vb和vc为：式中，V_a,dc、V_b,dc、V_c,dc分别为a相，b相，c相的直流偏置；和分别为h次谐波的正负序电压幅值；分别为h次谐波的正负序电压的相位角且分别为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…；将三相电网电压进行Clark变换，得到v′α、v′β，表达式如下：式中将信号v′α、v′β通过延时信号滤波器，直流分量vα,dc、vβ,dc被滤除，得到vα、vβ：将vα与vβ经过Park变换，得到vd、vq，其表达式如下：式中θ为锁相环的反馈相位角；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(5)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；通过在dq轴上插入的滑动平均滤波器滤除交流分量，实现在电网电压畸变与谐波情况下的无静差基波频率或相位跟踪；当电网频率发生跳变时，延时信号消除器将产生相移，设为θe′；锁相系统产生跟踪误差，设为θe；令输入电压频率为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，系统稳态跟踪误差为：其中，kp为系统的比例增益；延时信号消除器产生的相移θe′可以表示为式中，T为电网电压基波周期,ωo为电网电压基波角频率；根据式(7)和式(8)所示的系统跟踪误差或相移误差，通过前馈补偿的方法，可以实现系统的无静差相位跟踪；S2.根据S1获得的基波频率与相位，求取各次谐波的频率和相位，再利用求得的基波和谐波的频率和相位进行Park变换，并将变换后的q轴分量送入MAF以提取电网电压基波谐波幅值，其具体过程为：第N次谐波频率为基波频率的N倍，令：以θN为Park变换角度，对式(5)进行坐标变换，当N＝|6m±1|>0，m为所有整数时对式(10)中交流项进行化简，即当N＝‑|6m±1|<0时，式(10)改写为对式(13)中交流项进行化简，即由式(11)、式(12)和式(14)、式(15)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轴上插入滑动平均滤波器，式(10)和式(13)可以分别改写为由式(16)和式(17)可得，N次正、负谐波的幅值分别为当N＝1时，式(18)所示即为电网电压基波幅值；S3.根据S1中提取基波频率与相位的方法，求取谐波的频率与相位，进而提取电网电压中的各项分量，其具体过程为：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：其中，为谐波频率，为跳变时的偏差频率；系统对N次谐波的跟踪误差为式中为N次谐波相位提取系统的比例控制器系数；延时信号消除器对N次谐波产生的相移表示为：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(22)和式(23)所示误差项补偿到输出相位可以得到正序谐波相位式中，为谐波系统的相位补偿系数，为基波系统的相位补偿系数，为锁相环得输出相移；根据提取的基波频率、相位与幅值和谐波频率、相位与幅值，可以得到畸变与含谐波的电网电压中的各项分量。