基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子及新能源技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電并網(wǎng)、靈活交流輸電、有源電力濾 波器、柔性直流輸電等技術(shù)得到了迅速發(fā)展。在該些技術(shù)中換流器往往連接到電網(wǎng)的公共 節(jié)點(diǎn)（PointofCommonCoupling,PCC)上?；谠搨€(gè)原因PCC處的電網(wǎng)基波正序電壓信 息（比如相位和頻率）必須被實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確地獲取。
[0003] 鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop,化L)是獲取上述信息的主要方法，大量文獻(xiàn)中提 出了不同的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)方法，其中使用最為廣泛的是單同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)（SRF-P化）。 SRF-P化可W應(yīng)用在單相中也可W應(yīng)用在S相中。該鎖相環(huán)將S相輸入電壓經(jīng)過(guò)Park變換 到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)q軸或d軸（根據(jù)實(shí)際變換）分量為零來(lái)捕 獲電壓的相位和頻率，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)試方便，在理想電網(wǎng)電壓下可W有很高的帶 寬，因此可W快速準(zhǔn)確鎖相，在諧波污染情況下可W通過(guò)降低帶寬來(lái)獲得相對(duì)滿意的效果， 但是在=相電網(wǎng)電壓不平衡情況下即使降低環(huán)路帶寬一般也難W獲得電網(wǎng)電壓的準(zhǔn)確信 息。為了消除電網(wǎng)電壓不平衡對(duì)鎖相環(huán)的影響，大量文章提出了不同的改進(jìn)方法，比如有的 文獻(xiàn)提出一種雙二階廣義積分器鎖相環(huán)值S0GI-P化)，該方法將aP坐標(biāo)系下的DS0GI結(jié) 構(gòu)引入鎖相環(huán)來(lái)獲取基波正序電壓。還有文獻(xiàn)提出一種自適應(yīng)陷波器鎖相環(huán)（ANF-P化)，其 原理類似于DS0GI-P化，該方法使用自適應(yīng)陷波器來(lái)獲取基波正序電壓。有的文獻(xiàn)提出一種 增強(qiáng)型鎖相環(huán)巧化L)，EP化可W同時(shí)獲取輸入信號(hào)的相角和幅值，并且可W非常容易地重 構(gòu)目標(biāo)信號(hào)，該方法濾波能力強(qiáng)但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢。有的文獻(xiàn)提出雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán) 值DSRF-P化)，該方法使用雙同步坐標(biāo)變換和解禪網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取基波正序和負(fù)序電壓。有的文 獻(xiàn)提出一種基于復(fù)數(shù)濾波器的鎖相環(huán)（MCCF-P化)，與傳統(tǒng)濾波器不同，復(fù)數(shù)濾波器能夠區(qū) 分相同頻率下的正負(fù)序信號(hào)。有的文獻(xiàn)提出一種延時(shí)消去法鎖相環(huán)值SC-P化)，該方法將 輸入信號(hào)延時(shí)四分之一周期然后與原信號(hào)相加W獲取基波正序電壓。
[0004] 上述改進(jìn)方法基本消除了電壓不對(duì)稱對(duì)鎖相環(huán)的影響，但是由于上述改進(jìn)方法在 頻域中大部分表現(xiàn)為傳統(tǒng)低通濾波特性，或者只能對(duì)單個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行陷波，因此在嚴(yán)重諧波 污染電網(wǎng)環(huán)境下只能通過(guò)降低系統(tǒng)帶寬來(lái)提高鎖相環(huán)的諧波抑制能力，該嚴(yán)重影響了鎖相 環(huán)的動(dòng)態(tài)特性，在某些動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求高的場(chǎng)合，比如低電壓穿越等，該些方法難W滿足 要求。雖然一些文章中提出了基于上述方法的多通道模式，比如MRF-P化，MSOGI-Hi^，和 GDSC-P化等算法，但是該些算法的復(fù)雜程度呈倍數(shù)增加，而且在諧波成分未知情況下濾波 效果難W保證，并且不易在數(shù)字控制器中實(shí)現(xiàn)。即使在諧波污染較弱的環(huán)境中，由于電壓不 對(duì)稱的影響，采用上述方法的鎖相環(huán)為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，其截止頻率也必須大大低于二 倍基波頻率，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度同樣難W保證。
[0005] 近期文章中提出了多種關(guān)于滑動(dòng)濾波器（MovingAverageFilter,MAF)的鎖相 環(huán)，其中有的文獻(xiàn)將MAF引入傳統(tǒng)SRF-P化，提出了M-P化，該方法大大提升了傳統(tǒng)SRF-P化 的濾波能力但是降低了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。有的文獻(xiàn)將MAF引入MRF-P化取代原先的低通濾波 器，同樣提升了MRF-P化的濾波效果。有的文獻(xiàn)將頻率自適應(yīng)的MAF引入傳統(tǒng)SRF-P化，提 出了MAF-P化，該方法與M-P化的不同就在于將鎖相環(huán)獲得的頻率實(shí)時(shí)反饋給MAF，從而可 W動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)MAF的窗口寬度，在系統(tǒng)頻率變化時(shí)同樣可W達(dá)到很好的濾波效果。
[0006] 上述基于MAF的鎖相環(huán)可W完全消除電壓不平衡、諧波污染甚至直流偏置對(duì)傳統(tǒng) 鎖相環(huán)的影響，準(zhǔn)確獲取電壓基波正序分量的相位和頻率，由于其數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量 低，使其成為最具吸引力的鎖相環(huán)之一。但是引入MAF后的鎖相環(huán)由于MAF窗口寬度的限 審IJ，系統(tǒng)帶寬大大降低，因此嚴(yán)重影響了鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開(kāi)了基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改 進(jìn)方法，并將其命名為DMAF-P化。該方法能快速消除低頻諧波從而提高滑動(dòng)濾波器的窗口 寬度。因?yàn)樵摲椒ǖ膶?shí)現(xiàn)是將一種隨輸入信號(hào)頻率變化的比例算法引入MAF-P化，因此不會(huì) 引入相位滯后惡化系統(tǒng)穩(wěn)定性。DMAF-P化提高了MAF-P化的開(kāi)環(huán)帶寬，大大提升了其動(dòng)態(tài) 特性。該方法易于實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了本申請(qǐng)?zhí)岢龇椒ǖ挠行院驼_ 性。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0009] 基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，包括W下步驟：
[0010] 步驟一：對(duì)=相電網(wǎng)電壓采樣，然后通過(guò)Park坐標(biāo)變換得到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 電壓分量V。與Vd;
[0011] 步驟二：將步驟一中獲得的Vd求微分后除^角頻率參數(shù)，然后再與V。相加得到 將步驟一中獲得的V。求微分后除W角頻率參數(shù)，然后再與Vd相加得到兩；
[0012] 步驟將步驟二獲得的馬通過(guò)滑動(dòng)濾波器后得到基波正序電壓幅值Vi+;
[0013] 步驟四：將步驟二獲得的^^^通過(guò)滑動(dòng)濾波器后再通過(guò)口1調(diào)節(jié)器，口1調(diào)節(jié)器的輸出 加上預(yù)設(shè)角頻率后得到鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)電壓角頻率;預(yù)設(shè)角頻率通常為工頻；
[0014] 步驟五：將步驟四得到的?進(jìn)行積分，得到鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)電壓相位4+ . ，
[0015] 步驟六；將步驟五得到的皆反饋回輸入端完成閉環(huán)控制。
[0016] 所述步驟二中，當(dāng)忽略直流偏置時(shí)，DIFq的作用是對(duì)輸入信號(hào)求導(dǎo)然后再除W 2?。，DIFd的作用是對(duì)輸入信號(hào)求導(dǎo)然后再除W-20。，因此其傳遞函數(shù)為：
[0017] DIFd(s) =-s/(2?n)
[0018] DIFq(s) =s/(2?n)
[0019] 其中，《。是基波角頻率，s是拉普拉斯算子。
[0020] 定義解禪傳遞函數(shù)PF(S)為
[0021]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一：對(duì)三相電網(wǎng)電壓采樣，然后通過(guò)Park坐標(biāo)變換得到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓 分量Vq與vd; 步驟二：將步驟一中獲得的Vd求微分后除以角頻率參數(shù)，然后再與V5相加得到％ 將 步驟一中獲得的vq求微分后除以角頻率參數(shù)，然后再與Vd相加得到& ; 步驟三：將步驟二獲得的I通過(guò)滑動(dòng)濾波器后得到基波正序電壓幅值L+; 步驟四：將步驟二獲得的％通過(guò)滑動(dòng)濾波器后再通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出加上 預(yù)設(shè)角頻率后得到鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)電壓角頻率預(yù)設(shè)角頻率通常為工頻； 步驟五：將步驟四得到的S進(jìn)行積分，得到鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)電壓相位61. ， 步驟六：將步驟五得到的$+反饋回輸入端完成閉環(huán)控制。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是，所述 步驟二中，當(dāng)忽略直流偏置時(shí)，DIFq的作用是對(duì)輸入信號(hào)求導(dǎo)然后再除以2 ?n，DIFd的作 用是對(duì)輸入信號(hào)求導(dǎo)然后再除以-2 ?n，因此其傳遞函數(shù)為： DIFd(s) =_s/(2?n) DIFq(s) = s/(2?n) 其中，《"是基波角頻率，s是拉普拉斯算子。
3.如權(quán)利要求2所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是，解耦 傳遞函數(shù)PF(s)為： PF(s) = 1+jX (-j?)/(2?n) =i+?/(2?n) 其中，《是輸入信號(hào)的角頻率，《"是基波角頻率，PF(s)實(shí)際上是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，其值 隨著輸入信號(hào)的頻率而改變；當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為-2?n時(shí)，PF(s)的值為0,因此它能夠消 除負(fù)序二次諧波。
4.如權(quán)利要求3所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是， 通過(guò)解耦傳遞函數(shù)的信號(hào)可以表示為：
其中，v'd是電壓分量vd的一次導(dǎo)數(shù)，v'q是電壓分量vq的一次導(dǎo)數(shù)，h代表h次諧波， 外為其對(duì)應(yīng)初始相角，從該信號(hào)可以看出，改進(jìn)算法已將最低次諧波消除。
5.如權(quán)利要求1所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是，當(dāng)考 慮直流偏置時(shí)，DIFq的作用是對(duì)輸入信號(hào)求導(dǎo)然后再除以-?n，DIFd的作用是對(duì)輸入信號(hào) 求導(dǎo)然后再除以，因此其傳遞函數(shù)為： DIFd(s) =s/?n DIFq(s) = -s/?n 其中，《"是基波角頻率，s是拉普拉斯算子，DIFq(s)是對(duì)q軸信號(hào)求微分，DIFd(s)是 對(duì)d軸信號(hào)求微分。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是，PF(s) 可以表示為 PF(s) = 1-co/c〇n 當(dāng)考慮直流偏置時(shí)，《是輸入信號(hào)的角頻率，在輸入信號(hào)頻率為《"時(shí)，解耦傳遞函數(shù) 的值是0。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是，通過(guò) 解耦傳遞函數(shù)后的信號(hào)可以表示為
其中，v'd是電壓分量vd的一次導(dǎo)數(shù)，v'q是電壓分量vq的一次導(dǎo)數(shù)，h代表h次諧波， %為其對(duì)應(yīng)初始相角。從該信號(hào)可以看出，改進(jìn)算法已將最低次諧波消除。
8. 如權(quán)利要求1所述的基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，其特征是， 改進(jìn)的滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為
其中，是鎖相環(huán)輸出的基波正序電壓相位，為相位誤差，D(s)為擾動(dòng)信號(hào)的傳遞 函數(shù)，L+為基波正序電壓幅值，PF(s)為比例算法的傳遞函數(shù)，MAF(s)為滑動(dòng)濾波器的傳遞 函數(shù)，PI(s)為PI控制器傳遞函數(shù)，s為拉普拉斯算子。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于滑動(dòng)濾波器的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)方法，包括：對(duì)三相電網(wǎng)電壓采樣，然后通過(guò)Park坐標(biāo)變換得到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓分量vq與vd；將獲得的vd求微分后除以角頻率參數(shù)，然后再與vq相加得到將獲得的vq求微分后除以角頻率參數(shù)，然后再與vd相加得到將獲得的通過(guò)滑動(dòng)濾波器后得到基波正序電壓幅值將獲得的通過(guò)滑動(dòng)濾波器后再通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出加上預(yù)設(shè)角頻率后得到鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)電壓角頻率預(yù)設(shè)角頻率通常為工頻；將得到的進(jìn)行積分，得到鎖相環(huán)測(cè)得的電網(wǎng)電壓相位將得到的反饋回輸入端完成閉環(huán)控制。本申請(qǐng)將隨輸入信號(hào)頻率變化的比例算法引入MAF-PLL，消除PLL中最低頻波動(dòng)分量，從而縮小MAF的窗口寬度，提升MAF-PLL的動(dòng)態(tài)性能。
【IPC分類】H03L7-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104811188
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510227128
【發(fā)明人】梁軍, 王金玉, 贠志皓
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月6日