一种锁相环及锁相方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电网控制领域，特别涉及一种锁相环及锁相方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子器件的快速发展，它们在电力系统中发挥着越来越重要的作用。在 电能传输，电能变换和电能质量的提高中，应用了多种类型的电力电子设备，比如:柔性交 流输电系统(FACTS )，不间断电源(UPS )，有源电力滤波器(APF)等。控制这些并网电力变换 器最重要的一个方面是和电网电压适当的同步，即需要使用锁相环(PLL)。
[0003] 正常电网电压条件下，并网逆变器的同步可以通过使用同步旋转坐标系或静止坐 标系下的传统PLL算法来实现。如果电网电压发生故障，正序和负序电压之间就会出现耦合 效应，此时同步问题不容忽视。现有一些PLL能够在电网电压故障条件下达到精确同步，但 也仅能在电网电压不平衡的时候保持良好的动态性能，而在严重的电压谐波和电压频率变 化的情况下，同步效果到不到要求。
[0004] 同步旋转坐标系PLL是最为流行和广泛使用的技术，被用于提取三相系统中电网 电压的相位，频率和幅值。从实际输入-输出关系的传递函数来看，传统的同步旋转坐标系 PLL就等同于一个一阶自适应复数带通滤波器。现有的许多PLL的结构都是以同步旋转坐标 系PLL为基础的，包括双二阶广义积分器PLL，多复系数滤波器PLL和滑动平均滤波器PLL，它 们之间既有相关性又存在差别。用双二阶广义积分器构造的新型正序电压检测系统，能够 在电网电压不平衡的情况下呈现出快速、准确和频率自适应的响应。多复系数滤波器锁相 环的特征在于可以准确快速的从被污染的电网电压中提取正序和负序分量，而且也可以精 确的估计谐波分量。滑动平均滤波器锁相环能够在不平衡条件下快速准确的运行，但是其 性能会受到电网电压严重污染和频率偏差情况的限制。配有前置滤波器级的同步旋转坐标 系PLL的控制参数的设计已经存在系统、简单并且有效的方法，而且适用于不同序列分离技 术和同步旋转坐标系PLL的协同工作。然而，这些PLL仅能在一种或几种电网电压故障条件 下达到精确同步，无法同时满足所有性能需求。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种锁相环及锁相方法，其目的在于，克服现有技术中双二阶广义 PLL中存在的在电网电压同时存在频率波动、不平衡和谐波的情况下，无法实现锁相的问 题。
[0006] -种锁相环，采用双二阶广义积分器锁相模块，所述的双二阶广义积分器锁相模 块包括Clark坐标系变换模块、QSG模块、PNSC模块和SRF-PLL模块；
[0007] 其中，QSG模块为正交信号发生器，PNSC模块为正负序计算器，SRF-PLL模块为同步 旋转坐标系PLL模块；
[0008] 还包括与双二阶广义积分器锁相模块相连的HE模块和AFRC模块；
[0009]所述HE模块为谐波消除模块，所述AFRC模块为参考角频率计算模块；
[0010] 所述HE模块的输出端与所述SRF-PLL中的PI模块的输出端相连。
[0011] 同时引入HE模块和AFRC模块，利用AFRC模块实时计算参考角频率，保证了在电网 电压同时存在频率波动、不平衡和谐波的情况下，实现电网电压相位跟踪;并且，由于AFRC 模块对内部的计数器进行采样数优化计算，从而参考角频率的计算更加精确，使得频率自 适应快速而且平滑。
[0012] (I)Clark坐标系变换模块
[0013] 所述Clark坐标系变换模块用于通过Clark坐标变换矩阵Tabc- a{!将三相静止坐标系 下的三相电网电压Va、Vb和V。变换为两相静止坐标系电压Va和Vfi，变换公式为：
[0014] 其中，
[0015] (2)QSG 模块
[0016] 所述QSG模块包括2个D(S)和2个Q(S)，D(s)和Q(S)均为二阶广义积分器;D(S)和Q (s)的传递函数分别为：
[0017 ] QSG模块的输入量为~和Vfi，输出量为Vax、Vay、Vfix和V fiy;
[0018] 其中，第一个D( s)和第一个Q( s)的输入量均为να，第一个D (s)和第一个Q( s)的输 出量分别为Vax和Vay ;
[0019] 其中，第二个D( s)和第二个Q( s)的输入量均为Vfi，第二个D (s)和第二个Q( s)的输 出量分别为Vfo和VPy ;
[0020] ω ^SRF-PLL模块测得的电网电压角频率输出值，k为阻尼因子，s为复自变量，s = jco，ω代表实时测得的电网电压角频率，是D(S)和Q(S)自变量；
[0021] (3)PNSC 模块
[0022]所述QSG模块输出的两对正交信号传递给PNSC模块，经过PNSC模块后得到所需要 的基波正序分量1Cl和vS ·，
[0023] 所述PNSC模块的特征方程如下：
[0024]
[0025] 其中，Hri和'1^.为基波负序分量；
[0026] (4)SRF-PLL 模块
[0027] 所述SRF-PLL模块用于跟踪电网电压。
[0028]所述HE模块采用Q轴6次比例谐振控制器，其传递函数为：
[0029]
[0030] 其中，KPR、KIR分别是Q轴6次比例谐振控制器的比例和积分系数。
[0031] 用于消除角频率ω p和相位Θ/的谐波。
[0032] Kpr= UKir = 256；
[0033]所述AFRC模块用于计算参考角频率ωτ，计算过程如下：
[0034]步骤Α:利用定时器中断DSP，观测a相电压~幅值是否过零点，是否满足条件：
[0035]
[0036] 若满足，则令计数值Ntempl = I，Ntemp4=Ntemp2，进入步骤D;否则，进入步骤B;
[0037]步骤B:判断a相电压第k-Ι个采样点和第k个采样点是否满足条件：
[0038] ua(k-l)>0,ua(k)>0
[0039] 若满足，则令Ntempl = Ntempl+l，等待下一次中断；否则，进入步骤C ;
[0040] 步骤C:判断a相电压第k-ι个采样点和第k个采样点是否满足条件：
[0041] ua(k-l)> = 0,Ua(k)< = 0
[0042] 若满足，则4 进入步骤D，否则，令Ntemp2 = Ntemp2+l，等待下 一次中断；
[0043] 步骤D :计算DSP控制周期内的采样数Ntemp (k) : Ntemp (k) = Ntemp3+Ntemp4 ;
[0044] 判断是否满足230 =〈Ntemp(k)〈 = 290，若满足，则进入步骤E，进行计数器优化，否 贝ij，退出当前中断，且发出警报，整个锁相环停止工作；因为超出这个值就不属于正常电网 电压的范围；
[0045] 步骤E :判断fs + Ntanp(k)的余数是否为零，若是，则令优化后的采样数为Ncmr (k)= NtempGO，进入步骤I;否则，进入步骤F。
[0046] 步骤F:判断NtemP(k)> = NtemP(k-l)是否成立，若成立，则进入步骤A的条件判断，直 到队611^(1〇>=队611^(1^-1)不成立时，令队6：￡?(1〇=队611^(1〇+0.5，继续执行6，否则令队6：￡ ?(1〇 = 队_(1〇+0.5，继续执行6;
[0047] 步骤 G:判断 Ntemp(k)与 Nref(k)的大小关系，若 Ntemp(k)〈Nref(k)，贝ijNcur(k) =Ntemp(k) +0.5，进入步骤I;否则，进入步骤H;
[0048] 步骤H:若Ntemp(k) >Nref (k)，则Ncur(k) = Ntemp (k)-0 · 5，继续执行步骤I;否则，令Ncur (k) =Ntemp(k)，进入步骤I ;
[0049] 步骤I:计算参考角频率~：ωΓ = 23??νΝ_(1〇，?·3为采样频率，k表示通过定时器 进行采样的第k个采样点；
[0050] 步骤J:返回中断，等待下一次中断，进入步骤A;
[0051 ] 其中，Ntempl、NtemP2、NtemP3及Ntem P4均为a相电压的采样计数中间变量，Ntemp ( k )、Nref (k)及N?r(k)分别为对a相电压的第k次采样点对应的临时采样次数、参考采样次数及优化 后的采样数。
[0052]对QSG模块、SRF-PLL模块和HE模块进行离散化，形成数字锁相环。
[0053]所述离散化是指采用突斯汀预变形方法进行离散化，且有8 = 其中， z为辅助复变量，ω 〇是谐振角频率，取值为2 X 5031= IOOjt。
[0054] 所述SRF-PLL模块中阻尼因子k取值为及。
[0055] -种锁相方法，采用上述的锁相环，利用Clark坐标变换模块将三相静止坐标系下 的电网电压v ab。变换为两相静止坐标系电压Va和Vf!，所述两相静止坐标系电压Va和Vfi通过 QSG模块和PNSC模块，提取出电网电压的FFPS和FFNS分量;接着利用SRF-PLL模炔基于电网 电压的FFPS和FFNS分量计算电网电压的相位和频率;最后采用HE模块消除电网电压相位和 频率的谐波；
[0056]其中，SRF-PLL模块使用的参考角频率利用AFRC模块计算获得。
[0057]对QSG模块、SRF-PLL模块和HE模块进行离散化处理，获得数字锁相环，进行数字锁 相。
[0058] 有益效果
[0059] 本发明提出一种锁相环及锁相方法，该锁相环包含了 Clark变换模块，正交信号发 生器(QSG)模块，正负序计算器(PNSC)模块，同步旋转坐标系PLL模块，谐波消除(HE)模块和