專利名稱：基于解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種電力工程技術領域的電壓控制方法，具體地說，是一 種用于動態(tài)電壓恢復器的基于多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法。
背景技術：
針對電壓控制的問題，目前國內(nèi)外常用的方法有峰值電壓法、FFT法、小
波變換法、狀態(tài)空間矩陣法、基于瞬時無功功率理論的A變換方法，其中峰值 電壓法至少有半個周波的時延，且容易受噪聲的干擾，同時還不能檢測出相角的
跳變；FFT法只適合于電壓對稱的情況；小波變換法計算量較大，要求信號的采 樣率也比較高，目前只能在電能質(zhì)量的監(jiān)測裝置中應用；狀態(tài)空間矩陣法需要知 道電壓信號的準確表達式，而實際信號含有多種諧波，當電壓信號表達式中不能 準確反映實際信號的諧波分量時，算法有很大的誤差；^/變換方法適用于任意 非正弦、非對稱三相電路，因此被廣泛采用。
經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Pedro Rodriguez在"解耦雙坐標系統(tǒng)鎖相 環(huán)在逆變器控制中的應用"(IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL.
22， NO. 2, MARCH 2007)提出基于交叉解耦模塊的解耦雙坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)，該 方法將系統(tǒng)三相電壓分別進行正序和負序坐標變換，實現(xiàn)了正序和負序分量的解 耦控制，這種方法雖然消除了傳統(tǒng)鎖相環(huán)的檢測誤差，但僅在系統(tǒng)電壓三相對稱 或者三相不平衡且無零序分量的情況下適用；當系統(tǒng)電壓諧波含量比較大或者發(fā) 生單相故障且含有零序分量時，得到的鎖相環(huán)角度誤差比較大，不能準確得到基 波正序分量的幅值和相位，從而無法得到準確的參考補償電壓，無法實現(xiàn)動態(tài)電 壓恢復器的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提出一種基于解耦多坐標系統(tǒng) 鎖相環(huán)的電壓控制方法，使其具有很大的適用范圍和很好的補償效果。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用測量三相系統(tǒng)電壓，建立解耦多坐標系統(tǒng)的鎖相環(huán)模型，獲得鎖相環(huán)輸出角度和系統(tǒng)電壓的基波正序分 量，再構造出補償電壓的參考值，提出整個系統(tǒng)的控制策略，得到P麗的驅動信號。
本發(fā)明包括如下步驟
第一步，測量系統(tǒng)三相電壓和動態(tài)電壓恢復器逆變器輸出側三相電容電壓 和三相電容電流；
第二步，以測得的系統(tǒng)三相電壓為基準，建立解耦多坐標系統(tǒng)的鎖相環(huán)模 型，得到鎖相環(huán)角度和系統(tǒng)側電壓在靜止坐標系dq下的基波正序分量，用于與 系統(tǒng)電壓在dq坐標系下的給定參考值比較得到動態(tài)電壓恢復器的補償電壓參考 值；
第三步，利用第二步獲得的系統(tǒng)側電壓在靜止坐標系dq下的基波正序分量 與系統(tǒng)電壓在dq坐標系下的給定參考值作差，即得到動態(tài)電壓恢復器在dq坐標 下的補償電壓參考值，然后利用第二步得到的鎖相環(huán)角度，將dq坐標系下的補 償電壓參考值轉換到abc坐標系下，即得到abc坐標系下的補償電壓參考值；
第四步，利用第三步得到的補償電壓參考值與逆變器輸出側三相電容電壓 比較，對其誤差進行比例積分控制，形成電壓外環(huán)；電壓外環(huán)的輸出值與逆變器 輸出側三相電容電流，對其誤差進行比例積分控制，形成電流內(nèi)環(huán)，將電流內(nèi)環(huán) 的輸出值作為驅動和控制逆變器開關開通和關斷的PWM脈沖信號，使得逆變器能 夠補償上系統(tǒng)電壓與給定電壓的差值信號部分。
所述第二歩，具體為設&。、 &6、 e是系統(tǒng)三相電壓，三相電壓經(jīng)過""
變換后得到 (-)，不失一般性，設系統(tǒng)電壓由多種頻率的分量組成，如公式(l) 所示
/
,=0
sin—,W+
(1)
其中附,為整數(shù)(i=0, 1，2…，h)，例如w, =1表示基波正序電壓分量，m, =-1
表示基波負序電壓分量，w, = +5表示5次諧波正序電壓分量，w, = -5表示5次
諧波負序電壓分量，依此類推。P，、 f'表示對應電壓分量的幅值和初始相角。 經(jīng)過^ 坐標變換后<formula>formula see original document page 6</formula>其中轉換矩陣
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中 中的一個，e為鎖相環(huán)的輸出角度c
由公式(2)可以看出，三相電壓經(jīng)7^，變換后，^v次電壓分量變?yōu)橹绷?分量，其余變成 ％-附,.(m, =—0，/^，...，/^}， OT,-Wjv)次交流分量。為了準確獲得 附^V次分量在^ 坐標系下的直流分量，需消除其余;^-^次交流分量的影響。
設次分量在dq坐標系下的幅值為<formula>formula see original document page 6</formula>則
需要進行交叉解耦控制消除相互之間的影響，才能準確獲得各次信號的幅值和相
位，則公式(2)可改寫為<formula>formula see original document page 6</formula>各次分量按照文獻"解耦雙坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)在逆變器控制中的應用"中的
交叉解耦模塊解耦得到和，通過低通濾波環(huán)節(jié)LPF得到直流分量^:和
^7，其中LPF的傳遞函數(shù)為:<formula>formula see original document page 6</formula>公式(5)中，為截止頻率，取20Hz。
考慮到電力系統(tǒng)的實際情況，系統(tǒng)電壓除含有基波正序分量外，還含有基 波負序分量、五次諧波負序分量、七次諧波正序分量，其它高次諧波分量可以忽
略不計。因此，僅需考慮w, =+1,-1,-5,+7，將c^變換后的電壓 (w)分別進行 ^+'、 ^-i、乙f 、 ^w變換，然后通過交叉解耦控制模塊消除各次坐標系下的其
余交流分量的影響，通過低通濾波環(huán)節(jié)，即可準確地獲得系統(tǒng)電壓基波正序、負序、5次諧波和7次諧波在dq坐標系下的幅值F^ 、 + 、 、 、— 、 P^_5 、
&、 ^7、 ^7。
J^+經(jīng)PI調(diào)節(jié)后可視為誤差信號W^， ^v,與基波角頻率 ^2x;rx5O^^A相加后經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到鎖相環(huán)的輸出角度0，然后將P反饋
到各個交叉解耦模塊中，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)的鎖相環(huán)結構。
所述第三步，具體為通過上述鎖相環(huán)結構得到系統(tǒng)電壓在^+坐標系下的
基波正序分量^T、 ^T和鎖相環(huán)角度0，在^坐標系下，動態(tài)電壓恢復器補 償電壓的d軸分量Avrf為與^軸系統(tǒng)參考電壓vs 之差，即
A^=^-v&/—; g軸分量A 為^7與g軸系統(tǒng)參考電壓o之差，即
Av《=^7。然后再利用第二步得到的鎖相環(huán)角度0，將補償電壓的dq分量A 和
A 經(jīng)過兩到"6c坐標反變換得到Av。、 A 、Ave，考慮到單相故障或兩相故 障等不對稱故障情況下零序電壓的存在，則應消除零序電壓對負載側的影響，零 序電壓《Q為《。=l/3x(v&+VM+v&)，從而Wc坐標系下DVR補償電壓的參考
值《"、《6、《c分別為《a=Ava+《。，=△ +《。，《c=Avc+《0°
所述的第四步，具體為將三相補償電壓參考值《。、《6、 V^分別與動態(tài) 電壓恢復器的逆變器輸出側電容電壓v。、 ve6、 &￡比較，對差值進行比例積分
控制，其控制輸出值作為逆變器輸出側電容電流的參考，與電容電流b、 /e6、
b的偏差經(jīng)過比例積分控制，其輸出即為逆變器的PWM控制信號。電壓、電流
雙環(huán)控制既提高了電壓補償?shù)木?，同時也提高了響應速度。
由于電網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生單相故障或三相對稱、不對稱故障，同時伴隨著電壓 畸變，因此，動態(tài)電壓恢復器需要在各種電壓條件下都能保證負載側電壓保持不
變。本發(fā)明采用解耦的多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)，將a&坐標系下的系統(tǒng)三相電壓分別 進行^+'、 ^-'、 ^-5、 ^w變換，得到各次分量在兩軸坐標系下的分量，經(jīng)分 析不難看出，要提取各次分量在對應的兩坐標系下的直流分量，需采用交叉解 耦結構，消除各次分量之間的相互影響，同時引入一階低通濾波器，提高系統(tǒng)的檢測精度和響應速度，較傳統(tǒng)的軟件鎖相環(huán)適用范圍更為廣泛。
本發(fā)明的有益效果通過解耦多坐標系統(tǒng)的鎖相環(huán)，能準確獲得系統(tǒng)電壓 基波正序分量的幅值和相角，同時考慮零序電壓分量的影響，克服了以往^變 換方法只適合于系統(tǒng)三相電壓對稱故障、無零序分量的不對稱故障情形的缺點。 即使在系統(tǒng)發(fā)生含有零序分量的不對稱故障和電壓畸變的情況下，也能準確地獲 得補償電壓的參考值，保證動態(tài)電壓恢復器能快速地補償電壓，保證負載側電壓 維持不變，且不會發(fā)生負載側電壓畸變的情況。


圖1現(xiàn)有動態(tài)電壓恢復器的結構示意圖。
圖2現(xiàn)有解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的交叉解耦子模塊。
圖3解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)結構圖及補償電壓參考值形成原理圖4實施例中在兩種系統(tǒng)電壓下的鎖相環(huán)響應波形其中(i)系統(tǒng)電壓30%不平衡；(ii)系統(tǒng)電壓20%不平衡同時含有10% 的5次諧波和7次諧波。(a)系統(tǒng)電壓波形；(b)鎖相環(huán)輸出角頻率；(C)鎖相 環(huán)輸出角度；(d)基波正序、負序分量和各次諧波分量。
圖5實施例中在系統(tǒng)電壓發(fā)生A相接地故障，B、 C兩相的電壓2(m幅值跌 落的波形其中(a)系統(tǒng)電壓波形；(b)負載電壓波形；(C)動態(tài)電壓恢復器的補償電 壓波形。
圖6實施例中在系統(tǒng)電壓三相20%基波不平衡、10%的5次諧波和10%的7 次諧波注入情況下的波形其中(a)系統(tǒng)電壓波形；(b)負載電壓波形；(C)動態(tài)電壓恢復器的補償電
壓波形。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方
案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保 護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，動態(tài)電壓恢復器串聯(lián)在380V系統(tǒng)與負載之間，由三相整流全橋、三個單相的逆變器和變壓器組成，整流部分為逆變部分提供補償電壓時所需 要的能量，保證直流側電壓維持不變，逆變器部分由三個單相全橋組成，便于分 相控制，逆變器的輸出通過低通濾波器和耦合變壓器接入負載。&。&為系統(tǒng)電 壓，f/^為整流器直流側電容電壓，l!為整流橋接入電網(wǎng)的電抗器，i^為逆變器 輸出側的電抗器，C^為逆變器輸出側的電容器，C為接在變壓器原邊兩端的電 容器，v。&、 ^。^分別為電容器C,的電壓、電流，負載為7 Z負載或者可控硅 整流負載。
使用如圖3所示的解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的結構框圖，框圖中轉換矩陣
L,、 ^-'、 ^-,、 7<如公式(3)所示，其中《%分別取+ 1， 一1， 一5， +7， 分別表示基波正序、基波負序、5次諧波負序和7次諧波正序分量，4個解耦子
模塊如圖2所示，低通濾波器的傳遞函數(shù)如公式(5)所示，搭建該閉環(huán)控制的
鎖相環(huán)結構，可以準確得到鎖相環(huán)的輸出角度0和系統(tǒng)電壓在兩+坐標系下的基
波正序分量^T 、 & ，按照前面所述的方法得到補償電壓參考值v^ 、 I; 、 4e ，
最終根據(jù)雙環(huán)控制策略得到逆變器的P簡控制信號。通過整個閉環(huán)控制，可以使
得逆變器輸出側的電容電壓v^、 Vra、 v&能夠快速準確地跟隨補償電壓參考值
《。、《6、《e，這樣負載側電壓基本維持不變。具體步驟如下
1、 測量系統(tǒng)三相電壓和動態(tài)電壓恢復器逆變器輸出側三相電容電壓電流；
2、 以測得的系統(tǒng)三相電壓為基準，建立如圖2所示的解耦雙坐標系統(tǒng)的鎖
相環(huán)模型，得到鎖相環(huán)角度^和系統(tǒng)側的正序電壓^:、 ^:;
3、 根據(jù)測得信號^7、 &、 ^和參考值 《=380，計算動態(tài)電壓恢 復器補償電壓的參考值《。、《6、 ^4。
4、 禾'J用得到的補償電壓參考值與逆變器輸出側三相電容電壓比較，對其誤 差進行比例積分控制，形成電壓外環(huán)；電壓外環(huán)的輸出值與逆變器輸出側三相電 容電流，對其誤差進行比例積分控制，形成電流內(nèi)環(huán)，將電流內(nèi)環(huán)的輸出值作為 驅動和控制逆變器開關開通和關斷的PB1脈沖信號，使得逆變器能夠補償上系統(tǒng) 電壓與給定電壓的差值信號部分。
如圖4所示，左右分別為兩種系統(tǒng)電壓情況下的鎖相環(huán)響應波形圖，其中圖4中(i)系統(tǒng)電壓30%不平衡；(ii)系統(tǒng)電壓20%不平衡同時含有10%的5 次諧波和7次諧波。(a)系統(tǒng)電壓波形；(b)鎖相環(huán)輸出角頻率；(C)鎖相環(huán)輸 出角度；(d)基波正序、負序分量和各次諧波分量。從上到下依次為系統(tǒng)三相電 壓v&te，檢測得到的角頻率^，鎖相環(huán)角度^，檢測得到的dq坐標系下的基波 正序分量&、 &，基波負序分量、&， 5次諧波負序分量^T、 &， 7次諧波正序分量^7、 ^7。從圖中可以看出，該解耦多坐標的鎖相環(huán)結構 在系統(tǒng)電壓不平衡或者含有諧波的情況下都能準確地獲得角度e，提供準確的系 統(tǒng)同步信號，同時又能準確地獲得系統(tǒng)基波正序分量和基波負序分量以及各次諧 波分量，響應時間為10ms，并可以根據(jù)實際系統(tǒng)中各次電壓含量的情況對交叉 解耦模塊進行適當?shù)恼{(diào)整和改變，較一般的鎖相環(huán)響應速度快，靈活性強，適用 范圍更廣。
圖5和圖6分別為系統(tǒng)電壓發(fā)生A相接地故障，B、 C兩相的電壓20%幅值 跌落，系統(tǒng)電壓三相20%基波不平衡、10%的5次諧波和10%的7次諧波注入情況 下的動態(tài)電壓恢復器的補償效果圖。從圖5和圖6可以看出，當系統(tǒng)電壓發(fā)生三 相不對稱故障或三相不平衡同時含有諧波時，都能準確地檢測出需要補償?shù)碾妷?信號，經(jīng)過動態(tài)電壓恢復器補償之后，負載側電壓保持不變，解耦多坐標系統(tǒng)能 快速跟蹤上系統(tǒng)電壓變化后的基波正序角度即鎖相環(huán)的輸出角度，快速形成動態(tài) 電壓恢復器的補償電壓參考值，保證電壓能夠準確快速地補償，整個動態(tài)過程中 負載電壓無相位跳變，無幅值跌落，并且動態(tài)響應速度很快。從圖5和圖6的波 形圖可以看出，將解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)運用于動態(tài)電壓恢復器中，能快速準確 地達到電壓補償?shù)男Ч瑫r這種解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)也可以廣泛推廣到其它 電力電子裝置的鎖相環(huán)節(jié)，如有源電力濾波器、整流器、靜止無功補償器等等。
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權利要求
1、一種基于解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法，其特征在于，包括如下步驟第一步，測量系統(tǒng)三相電壓和動態(tài)電壓恢復器逆變器輸出側三相電容電壓和三相電容電流；第二步，以測得的系統(tǒng)三相電壓為基準，建立解耦多坐標系統(tǒng)的鎖相環(huán)模型，得到鎖相環(huán)角度和系統(tǒng)側電壓在靜止坐標系dq下的基波正序分量，用于與系統(tǒng)電壓在dq坐標系下的給定參考值比較得到動態(tài)電壓恢復器的補償電壓參考值；第三步，利用第二步獲得的系統(tǒng)側電壓在靜止坐標系dq下的基波正序分量與系統(tǒng)電壓在dq坐標系下的給定參考值作差，得到動態(tài)電壓恢復器在dq坐標下的補償電壓參考值，然后利用第二步得到的鎖相環(huán)角度，將dq坐標系下的補償電壓參考值轉換到abc坐標系下，得到abc坐標系下的補償電壓參考值；第四步，利用第三步得到的補償電壓參考值與逆變器輸出側三相電容電壓比較，對其誤差進行比例積分控制，形成電壓外環(huán)；電壓外環(huán)的輸出值與逆變器輸出側三相電容電流，對其誤差進行比例積分控制，形成電流內(nèi)環(huán)，將電流內(nèi)環(huán)的輸出值作為驅動和控制逆變器開關開通和關斷的PWM脈沖信號，使得逆變器能夠補償上系統(tǒng)電壓與給定電壓的差值信號部分。
2、 如權利要求1所述的基于解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法，其特 征是，所述的第二步，具體為系統(tǒng)三相電壓經(jīng)過*m、坐標變換后得到sin(( -/ ^)(y/) cos(( 一w,)6;/)其中瓜為整數(shù)(i《，l，2…，h)對應各次電壓分量頻率與基波頻率的倍數(shù)， 戰(zhàn)次分量在dq坐標系下的幅值為5> C cos(r) ， C sin(f)，經(jīng)過交叉解耦模塊和低通濾波環(huán)節(jié)獲得各次電壓分量的幅值和相角；對由"坐標變換后的輸出量《+進行比例積分調(diào)節(jié)，其輸出的誤差信號 , 與基波角頻率^v-2x;rx50radA相加后經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到鎖相環(huán)的輸出角度^<formula>formula see original document page 2</formula>然后將^又反饋到各個交叉解耦模塊中，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)的鎖相環(huán)結構。
3、 如權利l要求所述的基于解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法，其特征 是，所述的第三步，具體為-設動態(tài)電壓恢復器補償電壓的參考值《。、^fc、 v;，通過解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)模塊得到系統(tǒng)電壓在^+坐標系下的基波正序分量^: 、 ^:和鎖相環(huán)角 度^,在々坐標系下，動態(tài)電壓恢復器補償電壓的j軸分量A 為^:與d軸系統(tǒng)參考電壓^ 之差，即Av^^7- c, g軸分量A 為^7與q軸系統(tǒng) 參考電壓0之差，即/^=^7;然后再經(jīng)過兩到"6c反變換得到Av。、 Ave，考慮到零序電壓的存在即《。為《。=l/3x(v& + v^+V&)，從而a6c坐標系下DVR補償電壓的參考值VL、《6、《c分別為V^-Av"+vJ;。， l4=Av6+《0， vL=avc+《0。
4、 如權利1要求所述的基于解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法，其特 征是，所述的第四步中，將三相補償電壓參考值《。、《6、 T^分別與動態(tài)電壓 恢復器的逆變器輸出側電容電壓&。、 veZ)、 v^比較，其PI輸出值作為逆變器 輸出側電容電流的參考，與電容電流k。、 ^、 ^偏差的PI輸出為逆變器的PWM 控制信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工業(yè)控制技術領域的基于解耦多坐標系統(tǒng)鎖相環(huán)的電壓控制方法。步驟為測量系統(tǒng)電壓和動態(tài)電壓恢復器逆變器輸出側電容電壓、電流；建立解耦多坐標系統(tǒng)的鎖相環(huán)模型；根據(jù)測得信號計算動態(tài)電壓恢復器補償電壓的參考值；建立動態(tài)電壓恢復器控制策略，實現(xiàn)電壓、電流雙環(huán)控制，得到驅動和控制全控開關開通和關斷的PWM脈沖。本發(fā)明使動態(tài)電壓恢復器在系統(tǒng)電壓發(fā)生三相不平衡、畸變、跌落、短時單相故障等情況下，能夠快速、準確地注入補償電壓，保證負載側電壓維持不變。
文檔編號H03L7/08GK101604172SQ200910049889
公開日2009年12月16日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權日2009年4月23日
發(fā)明者周荔丹, 鋼 姚, 琳 徐, 潘俊民, 陳 陳 申請人:上海交通大學