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鎖相環(huán)和相角生成器的制作方法

文檔序號(hào):7519973閱讀:250來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:鎖相環(huán)和相角生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型主要地涉及電網(wǎng)絡(luò)并且更具體地涉及同步向電網(wǎng)絡(luò)中的輸入信號(hào)的方法。
背景技術(shù)
可以在網(wǎng)絡(luò)中連接或者組織電設(shè)備以實(shí)現(xiàn)向設(shè)備發(fā)送電力或者在設(shè)備之間通信。 這樣的互連設(shè)備網(wǎng)絡(luò)可以稱為網(wǎng)格。例如,電網(wǎng)格可以是用于從一個(gè)或者多個(gè)發(fā)電機(jī)向連接設(shè)備(電業(yè)公司的客戶)送電的互連網(wǎng)絡(luò)。電力網(wǎng)格可以按照同步頻率、幅度和/或相角發(fā)送AC電力以高效地連接大量發(fā)電機(jī)和設(shè)備。網(wǎng)格或者網(wǎng)格部分的同步操作可以實(shí)現(xiàn)分擔(dān)發(fā)電以及分擔(dān)負(fù)載以獲得更低運(yùn)應(yīng)成本。盡管發(fā)送同步AC電力可以有利于高效輸電和/或配電,但是諸多因素可能擾動(dòng)網(wǎng)格同步。例如,主要擾動(dòng)可以包括電壓失衡、角頻率變化和電壓諧波失真。具體而言,電壓失衡可能在電力網(wǎng)格中普遍存在,因?yàn)榫W(wǎng)格的單相負(fù)載可能并未均勻地分布于供應(yīng)電力的相之間并且可能被持續(xù)地連接和斷開。另外,典型電力系統(tǒng)的配置可能固有地不對(duì)稱。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)推薦在發(fā)電機(jī)無(wú)負(fù)載工作時(shí)失衡不多于3%。然而,在兩個(gè)并行電壓之間的任何幅度、頻率和/或相角差異可能在網(wǎng)格內(nèi)引起異常電流循環(huán)。在一些電力網(wǎng)格中,甚至少量電壓失衡也可能造成大量電流失衡。失衡電流可能使網(wǎng)格設(shè)備 (比如AC-DC轉(zhuǎn)換器、周波變換器、有源濾波器、電感電動(dòng)機(jī)和工作用以轉(zhuǎn)換電力和/或通過(guò)網(wǎng)格向連接的電設(shè)備傳送電力的其它儲(chǔ)能系統(tǒng))受壓。失衡電流也可能使網(wǎng)格鏈路電感器和電容器受壓,并且在網(wǎng)格的一個(gè)終端設(shè)備中的失衡電流可能引起經(jīng)過(guò)網(wǎng)格的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 減少電壓和/或失衡影響的方法可以改進(jìn)網(wǎng)格的性能和同步操作。
實(shí)用新型內(nèi)容—個(gè)實(shí)施例涉及一種用于與電網(wǎng)格同步的方法。該方法包括接收網(wǎng)格的相電壓并且使用一個(gè)或者多個(gè)跟蹤濾波器來(lái)確定相電壓的擾動(dòng)頻率。該方法還包括去除擾動(dòng)頻率以產(chǎn)生干凈相電壓并且對(duì)干凈相電壓進(jìn)行鎖相環(huán)操作以確定網(wǎng)格的相電壓的相角。另一實(shí)施例涉及一種包括電路和跟蹤濾波器的鎖相環(huán)。該電路被配置成從電網(wǎng)格接收一個(gè)或者多個(gè)輸入電壓矢量并且確定電網(wǎng)格電壓的相角和頻率。該跟蹤濾波器可以確定電網(wǎng)格電壓的擾動(dòng)頻率,該擾動(dòng)可能在網(wǎng)格中引起電壓失衡。在一個(gè)實(shí)施例中,跟蹤濾波器也可以去除擾動(dòng)頻率。電路然后可以使用擾動(dòng)頻率被去除的網(wǎng)格電壓來(lái)確定網(wǎng)格電壓的相角。在另一實(shí)施方式中,呈現(xiàn)一種相角生成器。該相角生成器可以包括配置成接收電網(wǎng)格電壓并且確定電壓的相角和/或頻率的鎖相環(huán)。相角生成器也可以包括配置成估計(jì)電網(wǎng)格電壓的擾動(dòng)頻率的跟蹤濾波器并且可以去除擾動(dòng)頻率。鎖相環(huán)可以輸出用于與電網(wǎng)格同步的電網(wǎng)格電壓的相角。

本實(shí)用新型的這些和其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)在參照附圖閱讀下文詳細(xì)描述時(shí)將變得更好理解,在這些附圖中,相似標(biāo)號(hào)通篇地代表附圖中的相似部分,其中圖1是圖示了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的典型工業(yè)電力網(wǎng)格的框圖;圖2是代表鎖相環(huán)如何可以估計(jì)電網(wǎng)格電壓的相角的框圖;圖3是代表配置成在電壓輸入失衡時(shí)輸出同步電壓的鎖相環(huán)的框圖;圖4A和圖4B是描繪了具有三相的電網(wǎng)格電流中的電流失衡的曲線圖;圖5是描繪了在電網(wǎng)格電壓失衡時(shí)的參考頻率、從無(wú)擾動(dòng)跟蹤的鎖相環(huán)輸出的頻率估計(jì)和從有擾動(dòng)跟蹤的鎖相環(huán)輸出的頻率估計(jì)的曲線圖;并且圖6是描繪了在電網(wǎng)格電壓失衡時(shí)的參考頻率和從有擾動(dòng)跟蹤和去除擾動(dòng)跟蹤的鎖相環(huán)輸出的頻率估計(jì)。
具體實(shí)施方式
網(wǎng)格可以是指可以互連以實(shí)現(xiàn)在負(fù)載之間通信和/或向負(fù)載發(fā)送電力的負(fù)載(電動(dòng)機(jī)和設(shè)備等)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)格的一個(gè)例子是電力網(wǎng)格,該電力網(wǎng)格可以是發(fā)電機(jī)、配電器和客戶網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)或者多個(gè)電廠可以生成可以轉(zhuǎn)換并且向電業(yè)公司的客戶配送的電力。在更小規(guī)模上,工業(yè)網(wǎng)格可以是如下網(wǎng)格的另一例子,其中發(fā)電機(jī)可以生成將向經(jīng)由網(wǎng)格來(lái)供電的各種電動(dòng)機(jī)或者其它設(shè)備配送的電力。電網(wǎng)格(例如電力網(wǎng)格或者工業(yè)網(wǎng)格)可以包括并行操作的交流(AC)功率源??梢栽陬l率、幅度和/相角上同步各種源生成和配送的電力。AC電力的同步可以獲得高效輸電和/或配電。然而,比如電壓失衡、角頻率變化和/或電壓諧波失真這樣的擾動(dòng)可能破壞 AC輸電的同步。具體而言,電壓失衡可能在電力網(wǎng)格中普遍存在,因?yàn)榫W(wǎng)格的單相負(fù)載可能并未均勻地分布于供應(yīng)電力的相之間并且可以被持續(xù)地連接和斷開。另外,典型電力系統(tǒng)的配置可能固有地不對(duì)稱。可以在圖1中圖示電網(wǎng)格10的一個(gè)例子,其中發(fā)電機(jī)12可以通過(guò)網(wǎng)格10向不同設(shè)備的電動(dòng)機(jī)18遞送電力。通常,電網(wǎng)格10可以用三相AC功率源操作。因此,網(wǎng)格10可以包括三相變壓器14,該變壓器14可以控制典型電力遞送網(wǎng)格中使用的三個(gè)相電壓的值。 另外,由于各設(shè)備可以按不同速度操作,所以網(wǎng)格10也可以包括配置成對(duì)用于各設(shè)備的電動(dòng)機(jī)18的操作速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的可調(diào)速度驅(qū)動(dòng)(ASD) 16。典型電網(wǎng)格可能并不對(duì)稱,因?yàn)樨?fù)載(例如連接到電動(dòng)機(jī)18的設(shè)備)可能并未均勻地分布于相之間。任何設(shè)備18的連接或者斷開也可能影響發(fā)電機(jī)12和三相變壓器14 配送的三相信號(hào)。另外,在一個(gè)電動(dòng)機(jī)18上的電壓失衡可能影響耦接到失衡電動(dòng)機(jī)18的其它電動(dòng)機(jī)18的同步。例如在共同耦接點(diǎn)20,在耦接到ASDl的電動(dòng)機(jī)18上的電壓失衡也可能在耦接到ASD2或者ASD3的電動(dòng)機(jī)18造成電壓失衡,因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)18之間無(wú)阻抗從而防止電壓失衡通過(guò)網(wǎng)格10的共同耦接電動(dòng)機(jī)18傳播。如討論的那樣,兩個(gè)耦接電壓的這樣的失衡(即幅度、頻率和/或相角差異)可能引起大量電流失衡,該失衡可能損壞兩個(gè)系統(tǒng)。典型地,鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)可以用來(lái)通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)控制網(wǎng)格的相同步以使PLL輸出 δ,與兩個(gè)測(cè)量輸入A sin δ與A cos δ的相位δ之差為零。圖2可以圖示使用PLL 22 的同步技術(shù)的一個(gè)示例。盡管網(wǎng)格通常供應(yīng)三相電壓,但是這三相可以描繪為針對(duì)圖2的例子等效的兩相。三相電壓可以平衡為相互異相120°。兩相電壓輸入可以是在穩(wěn)態(tài)中并且按照網(wǎng)格電壓的頻率旋轉(zhuǎn)的異相90°的正弦波形。與相電壓10等效的矢量的瞬間角位置δ可以調(diào)節(jié)成如下反饋環(huán),該反饋環(huán)將d 軸電壓(Vd 30)或者經(jīng)由加法器觀的輸入之和理想地調(diào)節(jié)成參考信號(hào)頻率的值(例如在這一情況下為零)。取而代之,在一些實(shí)施例中,如果考慮按照單位的值,則反饋環(huán)可以將q 軸電壓調(diào)節(jié)成參考值一。以d軸調(diào)節(jié)為例,電壓矢量Vd 30的檢測(cè)到的d分量也可以稱為誤差信號(hào)??梢韵蜓a(bǔ)償器32發(fā)送Vd 30,該補(bǔ)償器確定網(wǎng)格電壓的頻率估計(jì)ω\。頻率估計(jì) ω’ ε然后可以由積分器34積分以確定網(wǎng)格電壓的相角估計(jì)δ’。相角δ’可以由另一變換36用來(lái)輸出正弦和余弦38,該正弦和余弦可以被反饋并且與原輸入A sin δ和A cos δ (描繪為在增益68的歸一化之后具有幅度1)相乘以在相減時(shí)生成新誤差信號(hào)Vd 30。理想地,當(dāng)不存在諧波失真或者電壓失衡時(shí),高帶寬PLL可以檢測(cè)電壓矢量的相角和幅度以維持網(wǎng)格同步。當(dāng)存在諧波失真(例如電壓因高階諧波而失真)時(shí),可以減少 PLL的帶寬以抑制和消除諧波對(duì)輸出的影響。然而,帶寬減少可能并未消除失衡網(wǎng)格電壓。 因此,如先前討論的那樣,電壓失衡可能引起異常電流條件,這些條件可能損壞連接到電力網(wǎng)格的功率源和/或設(shè)備??梢栽趫D3的框圖40中描繪本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例,該實(shí)施例使用配置成確定網(wǎng)格電壓的相角、補(bǔ)償相失衡并且與網(wǎng)格同步的鎖相環(huán)。鎖相環(huán)可能具有可能相位和/或幅度失衡的失衡輸入。例如,鎖相環(huán)40可能具有如具有不同電壓幅度A和B的電壓矢量A sin δ和B cos δ描繪的失衡輸入。如將討論的那樣,增益68對(duì)用于A sin δ和B cos δ的系數(shù)的歸一化可以實(shí)現(xiàn)量值為1。兩個(gè)輸入A sin δ和B cos δ可以由乘法器M 和觀變換以獲得Vd 30或者對(duì)網(wǎng)格10的電壓矢量中的失衡的估計(jì)。可以配置用于失衡電壓輸入的鎖相環(huán)40可以向一個(gè)或者多個(gè)跟蹤濾波器44和46 發(fā)送Vd 30。當(dāng)網(wǎng)格10均衡時(shí),Vd 30可以是直流(DC)。當(dāng)網(wǎng)格10失衡時(shí),Vd 30可以是具有復(fù)頻譜的非DC信號(hào),該信號(hào)具有網(wǎng)格10的主導(dǎo)二階諧波。跟蹤濾波器44可以被配置成確定Vd 30中的擾動(dòng)50,該擾動(dòng)可以代表誤差信號(hào)Vd 30的兩倍基頻或者輸入信號(hào)A sin δ和Bcos δ中的電壓失衡。確定擾動(dòng)50可以基于從補(bǔ)償器32向跟蹤濾波器44和46的輸入,該補(bǔ)償器輸出網(wǎng)格電壓的頻率估計(jì)《’e。跟蹤濾波器44的輸出可以是對(duì)Vd 30的兩倍基頻的估計(jì)。在一個(gè)實(shí)施例中,跟蹤濾波器44可以包括基于頻率估計(jì)ω\(來(lái)自補(bǔ)償器32的輸入)的電流和時(shí)間延遲樣本以及基于以下關(guān)系來(lái)跟蹤正弦參考(這里為Vd 30) 頻率的硬件、軟件或者二者的組合、、KT) =K 尤—1)7⑴ X2(KT) _ _x2{K-\)T_ L J其中K代表電流樣本,T代表采樣時(shí)間,X1 (KT)代表對(duì)誤差信號(hào)Vd 30的頻率的當(dāng)前估計(jì),而X1 (K-I)代表對(duì)誤差信號(hào)Vd 30的頻率的先前估計(jì)??梢酝ㄟ^(guò)將從補(bǔ)償器32輸入的同步頻率估計(jì)ω e的時(shí)間延遲樣本相加來(lái)獲得關(guān)系u (KT)+U (K-I) T。矩陣A可以是矩陣,而矩陣B可以是2x1矩陣,二者定義如下
權(quán)利要求1.一種鎖相環(huán)(PLL),包括:電路,配置成接收電網(wǎng)格的電壓、確定所述電網(wǎng)格電壓的相角并且輸出具有所確定的所述電網(wǎng)格電壓的相角的電壓;以及跟蹤濾波器,配置成確定所述電網(wǎng)格電壓的擾動(dòng)頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLL,其中所述PLL被配置成接收所述電網(wǎng)格的一個(gè)或者多個(gè)失衡電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLL,其中所述電路包括配置成接收所述電網(wǎng)格電壓和所確定的所述電網(wǎng)格電壓的相角的變換電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLL,其中所述電路包括配置成基于所述電網(wǎng)格電壓的頻率來(lái)確定所述電網(wǎng)格電壓的相角的積分器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLL,包括多于一個(gè)跟蹤濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的PLL,其中所述多于一個(gè)跟蹤濾波器中的各跟蹤濾波器被配置成確定諧波擾動(dòng)、直流分量或者對(duì)所述電網(wǎng)格電壓的電壓失衡起作用的任何其它擾動(dòng)中的一個(gè)或者多個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PLL,包括配置成從所述電網(wǎng)格電壓去除所述擾動(dòng)頻率的電路。
8.一種相角生成器,包括鎖相環(huán)(PLL),配置成接收電網(wǎng)格電壓、生成所述電網(wǎng)格電壓的相角并且基于所述電網(wǎng)格電壓來(lái)輸出所述電網(wǎng)格電壓的所述相角;以及跟蹤濾波器,配置成估計(jì)所述電網(wǎng)格電壓的擾動(dòng)頻率以及去除所述擾動(dòng)頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相角生成器,其中所述PLL被配置成接收一個(gè)或者多個(gè)失衡電網(wǎng)格電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相角生成器,其中所述跟蹤濾波器被配置成基于接收的所述電網(wǎng)格電壓來(lái)估計(jì)諧波失真或者直流分量或者由所述PLL生成的誤差信號(hào)的頻率中的一個(gè)或者多個(gè)所引起的一個(gè)或者多個(gè)擾動(dòng)頻率。
專利摘要公開了一種具有用于同步電網(wǎng)格的跟蹤濾波器的鎖相環(huán)。提供用于同步具有失衡電壓的電網(wǎng)格的方法和系統(tǒng)。可以在配置成即使在電壓失衡時(shí)仍然可以維持網(wǎng)格的同步操作的鎖相環(huán)中同步電壓矢量。例如,鎖相環(huán)可以耦接到設(shè)計(jì)成估計(jì)電壓誤差信號(hào)擾動(dòng)的一個(gè)或者多個(gè)跟蹤濾波器??梢栽阪i相環(huán)確定對(duì)網(wǎng)格頻率的估計(jì)之前從誤差信號(hào)去除估計(jì)的擾動(dòng)。因此,可以減輕電壓失衡的不利影響,比如異常電流表現(xiàn)。
文檔編號(hào)H03L7/085GK202034965SQ20102064573
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者卡洛斯·丹尼爾·羅德里格斯-瓦爾德斯, 拉塞爾·J·克爾克曼 申請(qǐng)人:洛克威爾自動(dòng)控制技術(shù)股份有限公司
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