一种基于三相储能逆变器闭环系统的频率自适应锁相方法与流程

1.本发明涉及相位自动控制领域，具体是一种基于三相储能逆变器闭环系统的频率自适应锁相方法。


背景技术：

2.在含有风电、太阳能及储能设备的局部微电网中，这些发电设备并网发电时，由于使用电力电子设备开关及控制精度等原因，也会不可避免的给电网注入谐波电流，如果微电网中发电功率过大时，这些注入电网的谐波电流也会增加微电网电压的畸变率。由于储能、太阳能等三相并网逆变器需要进行对市电电压的正序基波分量进行锁相，使得并网电流相位和电压正序基波分量保持一致，正常情况下使得向电网注入全部是有功功率，但市电电压畸变后按照传统过零点采样或传统三相闭环采样等方法会使得锁相不精确，动态性能差。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于三相储能逆变器闭环系统的频率自适应锁相方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种基于三相储能逆变器闭环系统的频率自适应锁相方法，在锁相环节中加入一个特定的四阶滤波器基于上一市电周期锁相得出的锁相角频率来更新四阶滤波器的中的ω0，这样当前市电周期内闭环采样得到的正弦和余弦函数分别各自通过该四阶滤波器，查看其信号是否衰减，就是查看α是否等于β，为了方便计算就是查看β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2与参考值零相比的结果，大于零(ω
p
<ω0)，小于零(ω
p
>ω0)或等于零(ω
p
＝ω0)。根据β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2的正负偏差采用积分控制器对锁相控制器输出的ω
d
进行补偿；
6.β为正弦表输出正弦和余弦信号输入四阶滤波器后得到的正弦和余弦的幅值，σ为经过四阶滤波器后与输入前相比得到的滞后相位；
7.假设上一周期正弦表索引值index完整循环一个周期需要的时间为t0，则四阶滤波器中的ω0为当被锁相的市电频率恒定时ω0＝ω
p
。k
i
为频率自适应控制器的积分调节系数。
8.如果[β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2]>0，表示锁相角频率ω
p
比ω0偏小，正弦表索引指针index需要变大，变相增大ω
p
；反之[β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2]<0时，则说明正弦表索引指针index需要变小，变相减少ω
p
。如果[β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2]＝0时则说明锁相角频率ω
p
等于ω0；为此引入另外一个积分环节进行反馈矫正补偿，得到估算角频率ω
p
可以表示为：
[0009][0010]
一般来说市电频率的变化属于惯性环节，也由于二阶滤波器中的ω0需要一个完整市电周期即锁相指针index完成一次循环后才能更新，所以一般设定频率自适应控制器一个市电周期调节一次，也就是说式子一个市电周期计算一次。
[0011]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0012]
针对追踪角频率ω
p
与市电正序基波角频率ω存在偏差，则低通滤波器的设计存在难点的问题，本发明在锁相环节中加入一个特定的四阶滤波器，该四阶滤波器满足对市电频率信号的追踪要求，本发明基于上一市电周期锁相得出的锁相角频率来更新四阶滤波器的中的ω0，这样当前市电周期内闭环采样得到的正弦和余弦函数分别各自通过该四阶滤波器，查看其信号是否衰减，根据正负偏差采用积分控制器对锁相控制器输出的ω
d
进行补偿。
附图说明
[0013]
图1为一种基于三相储能逆变器闭环系统的频率自适应锁相方法的框图。
[0014]
图2为传统三相闭环锁相框图。
[0015]
图3为四阶滤波器的伯德图。
[0016]
图4为四阶滤波器另一相位裕度下的伯德图。
具体实施方式
[0017]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018]
三相储能逆变器在并网工作时，如果市电频率发生了改变，则dq变换中的旋转坐标矩阵中的角频率也应该同步发生变化。
[0019]
三相市电正序基波分量通过两个变换矩阵就从三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系：
[0020]
[0021]
v
a
、v
b
、v
c
为市电三相电压，v
m
表示三相电压的幅值，ω
ρ
为锁相角频率，ω是市电正序基波角频率。
[0022]
简化为：
[0023][0024]
如果正序基波相位的锁相给定参考值角频率ω
ρ
与实际角频率ω相差不大时，根据正弦函数特性可以认为下式成立：
[0025]
sin(ωt
‑
ω
p
t)≈ωt
‑
ω
p
t
[0026]
这样传统三相闭环方法如果引入查正弦表锁相后就可以通过pi控制器得到正序基波的相位，该锁相方法如图2所示：α为正弦表当中正弦表的幅值，k为比例系数。k一般定义为：
[0027][0028]
其中n为正弦表中表示0～360
°
正弦函数的个数。t
s
是闭环锁相的计算周期值。
[0029]
图2中低通滤波器对v
m
sin(ωt
‑
ω
p
t)函数进行滤波，如果追踪角频率ω
p
与市电正序基波角频率ω存在偏差，则低通滤波器的设计存在难点，滤波器带宽窄，虽然滤波效果好，但市电频率变化时锁相瞬态精度不高；滤波器带宽宽了，虽然瞬态性能变高但稳态锁相精度又会变差。
[0030]
为了祢补低通滤波器的设计难点，本方案在锁相环节中加入一个特定的四阶滤波器该四阶滤波器的伯德图如图3和图4所示。从图4可以看出从信号如果从34hz为起点频率开始上升时，信号幅度会被该滤波器逐步衰减，在ω0处信号会一比一通过，但信号角频率只要大于ω0幅度都会被衰减。在图中由于ω0＝314，所以在50hz(ω0＝100π)处幅值为1无衰减，相位滞后180
°
；当信号频率在34
°
和50
°
之间时，信号通过该四阶滤波器后幅值会被放大，且频率越高信号被放大的幅度越小；当信号频率超过50
°
时被该四阶滤波器滤波后其信号幅值会迅速衰减，因此同时起到了滤波与相移的作用。一般来说市电的频率肯定是大于34
°
的，且从34
°
开始随着频率增大，滤波信号呈现单调衰减，综上可以看出该四阶滤波器满足对市电频率信号的追踪要求。
[0031]
本发明基于上一市电周期锁相得出的锁相角频率来更新四阶滤波器的中的ω0，这样当前市电周期内闭环采样得到的正弦和余弦函数分别各自通过该四阶滤波器，查看其信号是否衰减，就是查看α是否等于β，为了方便计算就是查看β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2与参考值零相比的结果，大于零(ω
p
<ω0)，小于零(ω
p
>ω0)或等于零(ω
p
＝ω0)。根据β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2的正负偏差采用积分控制器对锁相控制器输出的ω
d
进行补偿；
[0032]
请参阅图1，一种基于三相储能逆变器闭环系统的频率自适应锁相方法，
[0033]
β为正弦表输出正弦和余弦信号输入四阶滤波器后得到的正弦和余弦的幅值，σ为经过四阶滤波器后与输入前相比得到的滞后相位；
[0034]
假设上一周期正弦表索引值index完整循环一个周期需要的时间为t0，则四阶滤
波器中的ω0为当被锁相的市电频率恒定时ω0＝ω
p
。k
i
为频率自适应控制器的积分调节系数。
[0035]
如果[β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2]>0，表示锁相角频率ω
p
比ω0偏小，正弦表索引指针index需要变大，变相增大ω
p
；反之[β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2]<0时，则说明正弦表索引指针index需要变小，变相减少ω
p
。如果[β2sin2(ω
p
t
‑
σ) β2cos2(ω
p
t
‑
σ)
‑
α2]＝0时则说明锁相角频率ω
p
等于ω0；为此引入另外一个积分环节进行反馈矫正补偿，
[0036]
得到估算角频率ω
p
可以表示为：
[0037][0038]
一般来说市电频率的变化属于惯性环节，也由于二阶滤波器中的ω0需要一个完整市电周期即锁相指针index完成一次循环后才能更新，所以一般设定频率自适应控制器一个市电周期调节一次，也就是说式子一个市电周期计算一次。
[0039]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。