專利名稱：一種基于濾波器的軟鎖相環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種基于兼具陷波和低通濾波功能的濾 波器的新型軟鎖相環(huán)。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具開發(fā)規(guī)模和商業(yè)化 發(fā)展前景的發(fā)電形式，電網(wǎng)同步信息的準(zhǔn)確獲取是對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制的關(guān)鍵，風(fēng)電 機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制策略是基于電網(wǎng)基波正序電壓進(jìn)行定向的，在電網(wǎng)正常運(yùn)行 時(shí)，軟鎖相環(huán)可以應(yīng)用于電網(wǎng)基波正序電壓相位的觀察，具有相位跟蹤平滑、快速、靈活性 較好等特點(diǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，目前很多標(biāo)準(zhǔn)都要求風(fēng) 電機(jī)組能夠在一定程度的電網(wǎng)故障(如電壓不平衡)下仍能夠正常工作，因此在電網(wǎng)故障 情況下需要準(zhǔn)確、快速地檢測電網(wǎng)電壓的幅值及相位來使控制達(dá)到良好的效果。鎖相環(huán)一般是由鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和振蕩器組成。鎖相環(huán)是一個(gè)使輸出信號 (由振蕩器產(chǎn)生的)與參考信號或者輸入信號在頻率和相位上同步的電路，在同步(通常稱 為鎖定)狀態(tài)，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為零，或者保持常數(shù)。如果出現(xiàn)相 位誤差，一種控制機(jī)理作用到振蕩器上，使得相位誤差再次減小到最小。在這樣的控制系統(tǒng) 中，實(shí)際輸出信號的相位鎖定到參考信號的相位。若將鎖相環(huán)的功能不再用一些專用的硬 件實(shí)現(xiàn)，而是用軟件，用計(jì)算機(jī)程序來完成，即為軟鎖相環(huán)技術(shù)。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行過程 中，軟鎖相環(huán)(SPLL)可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)基波正序電壓相位準(zhǔn)確觀測的功能。然而，電網(wǎng)電壓含有正序分量、負(fù)序分量和諧波分量，軟鎖相環(huán)既要求較快的響應(yīng) 速度，又要求足夠的抗干擾能力，其中，調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是滿足鎖相的快速性要求，而濾 波環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是濾除q軸倍頻紋波和高次諧波分量。但是這兩者是矛盾的，針對以上 問題，已有相當(dāng)多的文獻(xiàn)提出了各種解決方法。對于濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，有提出采用T/4延時(shí) 的方法來分離電網(wǎng)電壓正序與負(fù)序分量，但所用的T/4是定值，一旦電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，該方 法將無法準(zhǔn)確分離電網(wǎng)正序和負(fù)序分量；對于調(diào)節(jié)器是設(shè)計(jì)，有提出用PI調(diào)節(jié)器，采用變 PI參數(shù)的鎖相環(huán)控制方法，該類型方法有一個(gè)缺陷在電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大時(shí)，鎖相環(huán)存在 振蕩問題。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，由于電網(wǎng)正、負(fù)序電壓合成矢量的旋轉(zhuǎn)速度在一個(gè)工 頻周期內(nèi)波動(dòng)了兩次，因此采用軟鎖相環(huán)得到的相位存在IOOHz波動(dòng)。目前，工程上普遍采 用減小軟鎖相環(huán)閉環(huán)帶寬的方法來抑制相位IOOHz波動(dòng)，但是會降低SPLL響應(yīng)速度，容易 導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重不對稱故障期間過流或過壓。因此，現(xiàn)階段軟鎖相環(huán)無法 實(shí)現(xiàn)相位跟蹤平滑、快速、抑制波動(dòng)、抗干擾能力強(qiáng)、靈活性較好的功能。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種基于濾波器的軟鎖相環(huán)，該軟鎖相環(huán)是一種基于陷 波器和低通濾波器的改進(jìn)型軟鎖相環(huán)，這種軟鎖相可以解決當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，準(zhǔn) 確、快速地檢測電網(wǎng)電壓正序分量的幅值與相位，不僅能有效抑制相位IOOHz擾動(dòng)，而且響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng)。本實(shí)用新型是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的—種基于濾波器的軟鎖相環(huán)，其由鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和壓控振蕩器組成，鑒 相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和振蕩器為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述鑒相器的輸入信號為三相電壓，所述鑒相 器的輸出端接到濾波器的輸入端，所述濾波器的輸出端接到調(diào)節(jié)器的輸入端，所述調(diào)節(jié)器 的輸出端接到振蕩器的輸入端，振蕩器的輸出信號為鎖相環(huán)的輸出信號。其中，所述鑒相器，采用乘法鑒相器，其輸出信號與其輸入信號的相位誤差成 比例，若相位誤差為θ e，鑒相器的輸出信號為Uq，且相位誤差較小，則其比例關(guān)系為 u, K θ e，其中K為鑒相器增益，單位為弧度每伏(rad/V)。其中，所述調(diào)節(jié)器采用PI比例-積分調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器可以使系統(tǒng)增加一個(gè)位于 原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)增加一個(gè)開環(huán)零點(diǎn)，增加的極點(diǎn)可提高系統(tǒng)的無差度，減小或消除穩(wěn) 態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，增加的零點(diǎn)可增加系統(tǒng)的阻尼程度，克服控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定 性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響，超前校正裝置具有相位超前的作用，可以改善鎖相環(huán)的響 應(yīng)時(shí)間。所述濾波器為低通濾波器和帶阻濾波器級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以采用巴特沃斯2階帶阻濾波 器和2階低通濾波器級聯(lián)的4階濾波器為佳。低通濾波器可以濾除頻率高于其截止頻率的 高次諧波，帶阻濾波器可以濾除特定次數(shù)諧波，低通濾波器和帶阻濾波器級聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波 器可以濾除高頻和倍頻分量。所述壓控振蕩器可以輸出脈沖，其頻率與輸入量相關(guān)。本實(shí)用新型技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型的新型軟鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電網(wǎng)發(fā) 生不對稱故障時(shí)，準(zhǔn)確、快速地檢測電網(wǎng)電壓正序分量的幅值與相位，不僅能有效抑制相位 IOOHz擾動(dòng)，而且響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng)，有助于改善網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)不 對稱故障期間的動(dòng)態(tài)控制性能，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)提供了保障。以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是該新型軟鎖相環(huán)矢量示意圖。圖2是該新型軟鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)框圖。圖3是該新型軟鎖相環(huán)小信號模型示意圖。圖4是該新型軟鎖相環(huán)中濾波器的頻率特性圖。圖5是該新型軟鎖相環(huán)加入濾波環(huán)節(jié)的波特圖和階躍響應(yīng)曲線。圖6是該新型軟鎖相環(huán)未加入濾波環(huán)節(jié)的波特圖和階躍響應(yīng)曲線。圖7是該新型軟鎖相環(huán)在風(fēng)里發(fā)電系統(tǒng)中階躍響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的軟鎖相環(huán)做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本實(shí)用新型所述的軟鎖相環(huán)，其工作過程是基于abc-dq坐標(biāo)系變換，如圖1所示， 即基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)以電網(wǎng)電壓基波角頻率ω在逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且d軸與a軸的夾角為θ，設(shè)電網(wǎng)電壓矢量為叾，則電網(wǎng)電壓在dq軸的分量為 ud、iV由圖可以看出U,反映了 d軸與電網(wǎng)電壓&的相位關(guān)系。11(1>0時(shí)，(1軸滯后于[，應(yīng)增大同步信號頻率；uq<0時(shí)，d軸超前“應(yīng)減小同步信號頻率；Utl = O時(shí)，d軸與卩同相。 因此，可通過控制使u, = 0來實(shí)現(xiàn)鎖相。圖1中所示，abc為三相坐標(biāo)系，dq為同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系，ud、Uq為電壓矢量在dq坐標(biāo)系下的dq分量。 基于以上工作原理，SPLL具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，即該軟鎖相環(huán)是由鑒相器、濾 波器、調(diào)節(jié)器和振蕩器構(gòu)成。鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和振蕩器為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即鑒相器的輸入 信號為三相電壓，其輸出端接到濾波器的輸入端，濾波器的輸出端接到調(diào)節(jié)器的輸入端，調(diào) 節(jié)器的輸出端接到振蕩器的輸入端，振蕩器的輸出信號為鎖相環(huán)的輸出信號。對dq坐標(biāo)中 倍頻分量的濾除，可以采用低通濾波器也可以采用陷波器。但是低通濾波器頻帶窄，在濾除 倍頻分量的同時(shí)，會影響鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能，不能實(shí)現(xiàn)快速性的功能；而陷波器只將陷波角頻 率設(shè)計(jì)為2ω，這樣陷波器可以濾除倍頻分量，但不能濾除2次諧波以外的高次諧波。因此， 綜合考慮動(dòng)態(tài)效果和檢測精度，本實(shí)用新型提出一種兼具陷波和低通濾波功能的濾波器， 即巴特沃斯2階帶阻濾波器和2階低通濾波器級聯(lián)的4階濾波器。其中，巴特沃斯2階帶 阻濾波器的截止頻率為f?！?2階低通濾波器的截止頻率為f。2，該濾波器在S域傳函數(shù)可表 示為
權(quán)利要求1.一種基于濾波器的軟鎖相環(huán)，其特征在于由鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和壓控振蕩器 組成，鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和振蕩器為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述鑒相器的輸入信號為三相電壓，所 述鑒相器的輸出端接到濾波器的輸入端，所述濾波器的輸出端接到調(diào)節(jié)器的輸入端，所述 調(diào)節(jié)器的輸出端接到振蕩器的輸入端，振蕩器的輸出信號為鎖相環(huán)的輸出信號。
2.如權(quán)利要求1所述的軟鎖相環(huán)，其特征是所述鑒相器采用乘法鑒相器。
3.如權(quán)利要求2所述的軟鎖相環(huán)，其特征是所述調(diào)節(jié)器采用PI比例-積分調(diào)節(jié)器。
專利摘要本實(shí)用新型主要是提供一種基于濾波器的軟鎖相環(huán)，其由鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和壓控振蕩器組成，鑒相器、濾波器、調(diào)節(jié)器和振蕩器為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述鑒相器的輸入信號為三相電壓，所述鑒相器的輸出端接到濾波器的輸入端，所述濾波器的輸出端接到調(diào)節(jié)器的輸入端，所述調(diào)節(jié)器的輸出端接到振蕩器的輸入端，振蕩器的輸出信號為鎖相環(huán)的輸出信號。該新型軟鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，準(zhǔn)確、快速地檢測電網(wǎng)電壓正序分量的幅值與相位，不僅能有效抑制相位100Hz擾動(dòng)，而且響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng)，有助于改善網(wǎng)側(cè)變流器在電網(wǎng)不對稱故障期間的動(dòng)態(tài)控制性能，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)提供了保障。
文檔編號H03L7/08GK201830237SQ20102024276
公開日2011年5月11日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者周飛, 董琳瑯, 蔣曉春, 趙國亮, 鄧占鋒 申請人:中國電力科學(xué)研究院