基于三相电压空间矢量的开环锁相方法
发布时间：2020-12-31 04:25
准确快速地获取电网基波正序电压的相位信息,是实现并网变流器精确控制的前提。然而当电网出现异常时,传统的闭环锁相方法动态响应时间较长,难以满足快速响应的控制需求。为此提出一种基于三相电压空间矢量的开环锁相方法,该方法首先通过过零检测得到电网的频率;然后利用离散傅里叶级数滤除电网电压中的谐波与噪声,并得到与基波电压相互正交的电压信号;在此基础上采用对称分量法提取电压正序分量;最后根据电压空间矢量计算基波正序电压的实时相位。同时为了应对电网电压突变时过零检测出现的异常频率,提出一种改进的过零检测算法,可有效应对电网电压异常时的频率检测。所提出的锁相方法无需参数设计且结构简单、响应速度快,在异常电网环境下具有较强的鲁棒性,仿真和实验结果验证了该方法的有效性和可行性。
【文章来源】：电工技术学报. 2020年16期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
三相电压与空间矢量的关系Fig.1Relationbetweenthree-phasevoltageand
3464电工技术学报2020年8月确，但当电网电压出现扰动时，检测算法将无法有效识别异常的频率跳变。综合考虑本文选取errf0.5。电压信号在进行过零检测之前需要先经过一个低通滤波器，可以粗略滤除电压中的谐波和高频噪声，有效地防止谐波和噪声引起的多个过零点的问题，而设置低通滤波器仅会给电压信号带来一点延时，不影响频率检测的精度。以上过零检测算法能够应对大部分电网电压突变情况下的异常频率。图3为本文所提出的开环锁相方法的总体框图。采样的电网电压先经过一个低通滤波器，滤除谐波分量，再利用图2所示的过零检测算法得到电网频率，然后将检测到的频率输入到离散傅里叶级数中，用以提取电网电压中的基波分量abcu和与其相互正交的电压信号abcv。在此基础上通过对称分量法分离出电压中的正序分量，最后再利用式（1）的方法计算电压的实时相位。由于离散傅里叶级数提取基波需要半个周期的延时，在电网频率固定的条件下，该方法可以在半个周期内准确获取电网相位，考虑到频率的波动，在最极端的情况下该方法也能在1.5个周期内准确锁相。而且整个锁相过程只需要进行简单的数学运算，无需参数设计，因此适用于任何环境下的电网，具有较强的鲁棒性。图3开环锁相总体框图Fig.3Diagramofproposedopen-loopphase-locked3仿真验证为了验证本文方法的有效性，将所提出的锁相方法与目前性能较好的闭环锁相方法，如基于级联延时信号消除法的锁相环[14]（CascadedDelayedSignalCancellationPLL,CDSC-PLL）和开环锁相方法，如增强型开环锁相[17]（EnhancedversionoftheTrueOpen-LoopSynchronization,ETOLS）进行对比
Hz。为了检验锁相环的动态效果，设计了六种运行工况见表1，用以模拟电网正常运行、谐波畸变、不对称、频率突变、相位突变和综合故障的情况。表1不同运行工况下的电网电压参数Tab.1Voltageparametersunderdifferentconditions工况运行情况正序分量负序分量谐波含量频率/幅值(pu)相位幅值(pu)相位5次7次Hz1正常运行100000502谐波畸变10000.10.1503不对称100.2000504频率突变10000050.55相位突变1/20000506综合故障1/20.2/20.10.150.5图4为电网从工况1切换到工况2的仿真结果，即电网电压突加谐波下的电网电压波形和三种锁相环输出相位与基准相位的误差波形。当电网电压出现畸变时，三种锁相环的相位误差都出现了不同程度的波动，其中本文所提出的开环锁相方法在半个周期内，相位误差即可恢复到零，ETOLS的响应时间约19ms，而CDSC-PLL响应时间超过了两个周期。由于ETOLS中存在微分环节，对谐波较为敏感，因此动态过程中相位误差的波动较大。虽然本文所提的开环锁相方法相位误差幅值要比闭环锁相方法大，但误差在1.5°以内，且恢复较快，对电力电子装置的控制影响不大。同时5次谐波和7次谐波的叠加，导致电网电压波形存在多个过零点，从仿真的波形看，采用图2的过零检测算法得到的频率未出现异常的突变，说明该算法可以有效应对电网电压畸变时的频率检测。图4谐波畸变时的锁相结果Fig.4Phase-lockedresultsofharmonicdistortion
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于复变陷波器的并网锁相环直流偏移消除方法[J]. 回楠木,王大志,李云路. 电工技术学报. 2018(24)
[2]针对电网不平衡与谐波的锁相环改进设计[J]. 郭磊,王丹,刁亮,姜岳,冯海江. 电工技术学报. 2018(06)
[3]配电网电力电子化的发展和超高次谐波新问题[J]. 肖湘宁,廖坤玉,唐松浩,范文杰. 电工技术学报. 2018(04)
[4]并网逆变器数字锁相环的数学物理本质分析[J]. 曾正,邵伟华,刘清阳,马青,冉立. 电工技术学报. 2018(04)
[5]基于离散傅里叶级数的非同步采样下谐波功率测量算法[J]. 肖勇,赵伟,黄松岭. 电工技术学报. 2018(07)
[6]不对称电网同步相位的快速开环捕获方法研究[J]. 熊连松,卓放,刘小康,祝明华,陈颖. 中国电机工程学报. 2015(22)
本文编号：2948960
【文章来源】：电工技术学报. 2020年16期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
三相电压与空间矢量的关系Fig.1Relationbetweenthree-phasevoltageand
3464电工技术学报2020年8月确，但当电网电压出现扰动时，检测算法将无法有效识别异常的频率跳变。综合考虑本文选取errf0.5。电压信号在进行过零检测之前需要先经过一个低通滤波器，可以粗略滤除电压中的谐波和高频噪声，有效地防止谐波和噪声引起的多个过零点的问题，而设置低通滤波器仅会给电压信号带来一点延时，不影响频率检测的精度。以上过零检测算法能够应对大部分电网电压突变情况下的异常频率。图3为本文所提出的开环锁相方法的总体框图。采样的电网电压先经过一个低通滤波器，滤除谐波分量，再利用图2所示的过零检测算法得到电网频率，然后将检测到的频率输入到离散傅里叶级数中，用以提取电网电压中的基波分量abcu和与其相互正交的电压信号abcv。在此基础上通过对称分量法分离出电压中的正序分量，最后再利用式（1）的方法计算电压的实时相位。由于离散傅里叶级数提取基波需要半个周期的延时，在电网频率固定的条件下，该方法可以在半个周期内准确获取电网相位，考虑到频率的波动，在最极端的情况下该方法也能在1.5个周期内准确锁相。而且整个锁相过程只需要进行简单的数学运算，无需参数设计，因此适用于任何环境下的电网，具有较强的鲁棒性。图3开环锁相总体框图Fig.3Diagramofproposedopen-loopphase-locked3仿真验证为了验证本文方法的有效性，将所提出的锁相方法与目前性能较好的闭环锁相方法，如基于级联延时信号消除法的锁相环[14]（CascadedDelayedSignalCancellationPLL,CDSC-PLL）和开环锁相方法，如增强型开环锁相[17]（EnhancedversionoftheTrueOpen-LoopSynchronization,ETOLS）进行对比
Hz。为了检验锁相环的动态效果，设计了六种运行工况见表1，用以模拟电网正常运行、谐波畸变、不对称、频率突变、相位突变和综合故障的情况。表1不同运行工况下的电网电压参数Tab.1Voltageparametersunderdifferentconditions工况运行情况正序分量负序分量谐波含量频率/幅值(pu)相位幅值(pu)相位5次7次Hz1正常运行100000502谐波畸变10000.10.1503不对称100.2000504频率突变10000050.55相位突变1/20000506综合故障1/20.2/20.10.150.5图4为电网从工况1切换到工况2的仿真结果，即电网电压突加谐波下的电网电压波形和三种锁相环输出相位与基准相位的误差波形。当电网电压出现畸变时，三种锁相环的相位误差都出现了不同程度的波动，其中本文所提出的开环锁相方法在半个周期内，相位误差即可恢复到零，ETOLS的响应时间约19ms，而CDSC-PLL响应时间超过了两个周期。由于ETOLS中存在微分环节，对谐波较为敏感，因此动态过程中相位误差的波动较大。虽然本文所提的开环锁相方法相位误差幅值要比闭环锁相方法大，但误差在1.5°以内，且恢复较快，对电力电子装置的控制影响不大。同时5次谐波和7次谐波的叠加，导致电网电压波形存在多个过零点，从仿真的波形看，采用图2的过零检测算法得到的频率未出现异常的突变，说明该算法可以有效应对电网电压畸变时的频率检测。图4谐波畸变时的锁相结果Fig.4Phase-lockedresultsofharmonicdistortion
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于复变陷波器的并网锁相环直流偏移消除方法[J]. 回楠木,王大志,李云路. 电工技术学报. 2018(24)
[2]针对电网不平衡与谐波的锁相环改进设计[J]. 郭磊,王丹,刁亮,姜岳,冯海江. 电工技术学报. 2018(06)
[3]配电网电力电子化的发展和超高次谐波新问题[J]. 肖湘宁,廖坤玉,唐松浩,范文杰. 电工技术学报. 2018(04)
[4]并网逆变器数字锁相环的数学物理本质分析[J]. 曾正,邵伟华,刘清阳,马青,冉立. 电工技术学报. 2018(04)
[5]基于离散傅里叶级数的非同步采样下谐波功率测量算法[J]. 肖勇,赵伟,黄松岭. 电工技术学报. 2018(07)
[6]不对称电网同步相位的快速开环捕获方法研究[J]. 熊连松,卓放,刘小康,祝明华,陈颖. 中国电机工程学报. 2015(22)
本文编号：2948960
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