一种自动增益调节的三相信号锁相环控制方法和系统与流程

1.本发明涉及电力信号采集领域，特别涉及一种自动增益调节的三相信号锁相环控制方法和系统。


背景技术：

2.光伏逆变器并网发电必须跟踪电网电压的相位、幅值和频率，锁相环技术可以很好的解决这一问题。大规模光伏并网发电系统一般建在偏远地区或输电线路远端，必须要适应复杂的电网环境，比如电压跌落、相位突变、频率变化、谐波污染等。此外，在低电压穿越时，也要求锁相环能够快速跟踪电网信息。锁相环的性能不仅会直接影响并网电流的质量，也会影响区域电网系统的安全。
3.锁相环(pll)是一种相位同步方法，在电力系统中广泛用于三相电信号相位锁定和空间矢量分解及逆变器、换流器控制。目前一种常用的三相锁相环是基于单同步参考坐标系的锁相环(srf-pll)技术，其基本原理是：将电网的三相输入信号通过clark变换转换到αβ坐标系，然后经过park变换从αβ坐标系转换到dq坐标系，在同步旋转坐标系中得到三相交流信号空间矢量us的q轴直流分量，当pll锁住空间矢量us的相位wt时则其q轴分量为0。因此，只要控制锁相环的输出θ使u
sq
跟踪指令值就能使相角输出θ与us相位wt同步。pid控制器对跟踪直流量有很好的性能，使用pid控制器能使锁相环输出快速收敛，实现电网三相电信号的相位同步。
4.上述的锁相环(srf-pll)技术再应用中存在一些缺点：
5.1、需针对使用场景的额定运行工况整定一套pid参数，当使用场景变化时必须重新整定控制器参数，否则锁相环性能将大打折扣。
6.2、当电网环境突变，比如发生电压跌落时其相位跟踪性能将会变差，甚至不能实现相位实时同步。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提出一种自动增益调节的三相信号锁相环控制方法和系统，本发明技术方案具体如下：
8.一种自动增益调节的三相信号锁相环控制方法：
9.步骤(1)采集电网三相电压信号vabc，其瞬时值分别为u
sa
、u
sb
、u
sc
，对其进行有abc静止坐标系到以wt速度旋转的dq坐标系变换；
10.步骤(2)在步骤(1)变换后，提取空间矢量us在dq坐标系中q轴上的分量u
sq
，并将其作为输入信号给到pid控制器；
11.步骤(3)自动增益调节器通过输入的电网三相电压信号通过计算分别获得abc三相的幅值，通过对abc三相电压幅值取平均值获得空间矢量估计值us；将以上得到的us取倒数后作为增益系数对pid控制器的参数进行动态调节；
12.步骤(4)pid控制器输出经过低通滤波器数据处理后就可以得到当前电网三相电
压信号的输出频率f；
13.步骤(5)pid控制器输出经过一个积分器进行相位同步计算后便得到当前电网三相电压信号的同步相位wt；
14.步骤(6)使用一组三相电压信号对锁相环pid参数进行预调节设置，经过测试；
15.步骤(7)将积分器输出的同步相位应用到步骤(1)中进行坐标变换计算，形成锁相环的闭环控制。
16.进一步地，步骤(1)中，其变换关系式为：
[0017][0018]
进一步地，步骤(3)中，其计算方法为：其中，频率使用锁相环输出频率f，则有t＝1/f，经过有效值换算可以有效滤除高次谐波、电压畸变等因素对空间矢量估计带来的影响。
[0019]
进一步地，步骤(6)中，步骤(6)中，这组参数设置为：kp＝200，ki＝3600，kd＝1。本组数值经过仿真测试具有较好的调节效果。
[0020]
本发明还涉及的自动增益调节的三相信号锁相环控制系统，包括采集器，采集电网三相电压信号vabc；处理器按上述方法进行处理。
[0021]
本发明还涉及的电子设备，包括存储器、处理器以及在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0022]
本发明通过坐标变换和计算得到电压空间矢量us，以此为参考来同时自适应调节pi控制器的比例增益kp和积分增益ki。本发明设计的锁相环能快速跟踪电网频率和相位，而且在电网电压发生突变时也具有良好的稳定性能，在使用场景变换、电网电压跌落、谐波干扰等情况下能稳定运行，快速、准确追踪电网频率和相位。
[0023]
本发明通过引入自动增益调节环节，对锁相环pid控制器参数进行动态调节，以适应电网三相信号输入的变化，从而实现了锁相环的自动控制。自动增益调节环节通过采集电网三相输入信号，经过数学计算后得到三相交流信号空间矢量us，并基于此动态调整控制器参数，在切换使用场景后无需重复整定控制器参数；且在电网运行中发生如电压跌落等故障进行低电压穿越时，锁相环依然能够稳定运行，对并网逆变器进行控制。
[0024]
本发明适用于使用场景变换、电网电压跌落、谐波干扰等情况下的电网频率追踪和相位锁定。
附图说明
[0025]
图1是本发明实施例的方法的流程图；
[0026]
图2是本发明实施例的方法的具体控制过程的流程图；
[0027]
图3是本发明实施例在仿真软件中的实现流程图；
[0028]
图4是在电网三相电压运行于100v，50hz工况下，使用本发明实施例方法的测试结果；
[0029]
图5是在电网三相电压运行于200v，50hz时，使用本发明实施例方法的测试结果；
[0030]
图6是使用本发明实施例的方法模拟电网三相电压在0.3s时刻发生跌落，跌落深度90％的测试结果；
[0031]
图7是使用本发明实施例的方法模拟电网电压在0.3s时刻发生谐波干扰，在0.3s时刻引入0.3pu的三次、五次谐波的测试结果；
[0032]
图8是实现本发明实施例的方法的系统框图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0034]
本发明实施例通过引入自动增益调节环节，对锁相环pid控制器参数进行动态调节，以适应电网三相信号输入的变化，从而实现了锁相环的自动控制，如图1所示。
[0035]
自动增益调节环节通过采集电网三相输入信号，经过数学计算后得到三相交流信号空间矢量us，并基于此动态调整控制器参数，在切换使用场景后无需重复整定控制器参数；且在电网运行中发生如电压跌落等故障进行低电压穿越时，锁相环依然能够稳定运行，对并网逆变器进行控制。
[0036]
本发明实施例的自动增益调节的三相信号锁相环控制方法，包括如下步骤：
[0037]
步骤(1)采集电网三相电压信号vabc，其瞬时值分别为u
sa
、u
sb
、u
sc
，对其进行有abc静止坐标系到以wt速度旋转的dq坐标系变换，其变换关系式为
[0038][0039]
步骤(2)在步骤(1)变换后，提取空间矢量us在dq坐标系中q轴上的分量u
sq
，并将其作为输入信号给到pid控制器。
[0040]
步骤(3)自动增益调节器通过输入的电网三相电压信号通过计算分别获得abc三相的幅值，其计算方法为：其中频率使用锁相环输出频率f，则有t＝1/f，经过有效值换算可以有效滤除高次谐波、电压畸变等因素对空间矢量估计带来的影响。通过对abc三相电压幅值取平均值获得空间矢量估计值us。将以上得到的us取倒数后作为增益系数对pid控制器的参数进行动态调节。
[0041]
步骤(4)pid控制器输出经过低通滤波器数据处理后就可以得到当前电网三相电压信号的输出频率f。
[0042]
步骤(5)pid控制器输出经过一个积分器进行相位同步计算后便得到当前电网三相电压信号的同步相位wt。
[0043]
步骤(6)使用一组三相电压信号对锁相环pid参数进行预调节设置，经过测试，这组参数可设置为：kp＝200，ki＝3600，kd＝1。
[0044]
步骤(7)将积分器输出的同步相位应用到步骤1中进行坐标变换计算，这样就形成了锁相环的闭环控制。
[0045]
经过测试，以上方法设计的锁相环能快速跟踪电网频率和相位，而且在电网电压发生突变时也具有良好的稳定性能。
[0046]
本实施例还涉及一种计算机系统，包括存储器、处理器以及在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0047]
可选的，本技术实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如上述所示实施例的方法。
[0048]
可选的，本技术实施例还提供一种运行指令的芯片，所述芯片用于执行上述所示实施例的方法。
[0049]
本技术实施例还提供一种程序产品，所述程序产品包括计算机程序，所述计算机程序存储在存储介质中，至少一个处理器可以从所述存储介质读取所述计算机程序，所述至少一个处理器执行所述计算机程序时可实现上述实施例的方法。
[0050]
需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。
[0051]
作为一种具体实施方式，如图8所示，本实施例的处理器1、存储器3与通信接口2通过通信总线4连接。
[0052]
使用本发明所设计的锁相环进行仿真试验验证。
[0053]
测试1：在电网三相电压运行于100v，50hz工况下，本发明实施例方法所设计的锁相环能稳定追踪电网频率，快速实现相位同步，测试如图4所示。
[0054]
测试2：变换锁相环的使用场景，在电网三相电压运行于200v，50hz时，由于本发明实施例方法所提出的自动增益调节功能，此时无需对锁相环pid参数进行重新整定，可以直接投入使用，测试结果如图5所示。
[0055]
测试3：模拟电网三相电压在0.3s时刻发生跌落，跌落深度90％，测试结果如图6所示。
[0056]
试验结果表明，在电网电压发生大幅度跌落并网设备低压穿越时，本发明实施例方法所设计锁相环依然能稳定追踪电网电压相位，频率输出在0.05s内完成调节，并在0.1s后稳定。
[0057]
测试4：模拟电网电压在0.3s时刻发生谐波干扰，在0.3s时刻引入0.3pu的三次、五次谐波，测试结果如图7所示。
[0058]
试验结果表明，在电网电压发生谐波干扰时，本发明实施例方法所设计锁相环对电网电压相位同步功能不受影响，输出频率峰值50.02hz，在电网频差允许范围内。
[0059]
仿真试验验证，本发明实施例方法所设计的锁相环在使用场景变换、电网电压跌落、谐波干扰等情况下能稳定运行，快速、准确追踪电网频率和相位。

技术特征：
1.一种自动增益调节的三相信号锁相环控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)采集电网三相电压信号vabc，其瞬时值分别为u
sa
、u
sb
、u
sc
，对其进行有abc静止坐标系到以wt速度旋转的dq坐标系变换；步骤(2)在步骤(1)变换后，提取空间矢量us在dq坐标系中q轴上的分量u
sq
，并将其作为输入信号给到pid控制器；步骤(3)自动增益调节器通过输入的电网三相电压信号通过计算分别获得abc三相的幅值，通过对abc三相电压幅值取平均值获得空间矢量估计值us；将以上得到的us取倒数后作为增益系数对pid控制器的参数进行动态调节；步骤(4)pid控制器输出经过低通滤波器数据处理后就可以得到当前电网三相电压信号的输出频率f；步骤(5)pid控制器输出经过一个积分器进行相位同步计算后便得到当前电网三相电压信号的同步相位wt；步骤(6)使用一组三相电压信号对锁相环pid参数进行预调节设置，经过测试；步骤(7)将积分器输出的同步相位应用到步骤(1)中进行坐标变换计算，形成锁相环的闭环控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，其变换关系式为3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，其计算方法为：其中，频率使用锁相环输出频率f，则有t＝1/f。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中，步骤(6)中，这组参数设置为：kp＝200，ki＝3600，kd＝1。5.一种自动增益调节的三相信号锁相环控制系统，其特征在于：包括采集器，采集电网三相电压信号vabc；处理器按权利要求1至4中任一所述方法进行处理。6.一种电子设备，包括存储器、处理器以及在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至4中任一所述方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种自动增益调节的三相信号锁相环控制方法和系统，该方法通过引入自动增益调节环节，对锁相环PID控制器参数进行动态调节，以适应电网三相信号输入的变化，从而实现了锁相环的自动控制。自动增益调节环节通过采集电网三相输入信号，经过计算后得到三相交流信号空间矢量Us，并基于此动态调整控制器参数，在切换使用场景后无需重复整定控制器参数；且在电网运行中发生如电压跌落等故障进行低电压穿越时，锁相环依然能够稳定运行，对并网逆变器进行控制。网逆变器进行控制。网逆变器进行控制。


技术研发人员：郭映维 刘友宽 鲁聪 文天舒 曹新征 白鹏 吴桂鸿
受保护的技术使用者：云南电力试验研究院（集团）有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/18