一種具有頻率前饋補償的三相電壓相位鎖定方法與流程
2023-05-20 23:52:01 4
本發明涉及電力供電技術領域，尤其涉及一種具有頻率前饋補償的三相電壓相位鎖定方法。
背景技術：
在鋼鐵、冶金等工業電力系統中，由於負荷的快速變動而需要對系統進行動態無功補償，此時需要檢測三相電壓相位以進行同步的相控調整。在風光發電系統中，新能源產生的直流電壓經過逆變後需要與大電網同步以實現並聯上網，只有獲得準確的三相電壓相位才能保證併網成功。常規的鎖相環技術採用過零檢測方法判斷信號的相位，對於電壓諧波較大的情況容易產生誤判和調整時間過長等問題。因此，本發明提出一種具有頻率前饋補償的三相電壓相位鎖定技術。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於針對現有技術中的缺陷，提供一種具有頻率前饋補償的三相電壓相位鎖定方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種具有頻率前饋補償的三相電壓相位鎖定方法，包括以下步驟：
1)初始化，設三相電壓A相相位為θ＝0；
2)信號採集，採樣三相電壓信號ua(k)、ub(k)、uc(k)，令採樣頻率為fs，其中k為採樣序號；
3)坐標轉換，針對採樣獲得的數據ua(k)、ub(k)、uc(k)，利用轉換公式將三相電壓從三相旋轉坐標系轉換到二相旋轉坐標系中，其中uα(k)、uβ(k)分別為二相旋轉坐標系中α軸電壓分量和β軸電壓分量；
4)針對uα(k)、uβ(k)，利用公式計算二相靜止坐標系中q軸電壓分量uq(k)；
5)設頻率檢測環節濾波器傳遞函數為其中r表示極點半徑，0≤r≤1，a為濾波器係數，z為移位因子；令輸入信號uα(k)經過濾波器H(z)後的輸出為eu(k)，為了檢測得到準確的三相電壓頻率以使得濾波器H(z)輸出為0，則濾波器參數a的迭代公式為a(k+1)＝a(k)-λeu(k)(ua(k-1)-reu(k-1))，其中λ為迭代步長，λ＞0；此時三相電壓系統角頻率w0(k)＝cos-1(-a(k)/2)(rad/sec，弧度/秒)，角頻率w0(k)即為系統的前饋控制量；
6)令輸出濾波器離散表示式為其中a0、b0、b1為濾波器係數，則q軸分量uq(k)經過輸出濾波器後為uqf(k)；
7)令系統誤差e(k)＝0-uqf(k)，PI控制器的離散表達式為其中kp、ki為控制器參數，相位角經過PI控制器調整後為Δw(k)＝kpe(k)+(Δw(k-1)-kpe(k-1))+kie(k)，其中Δw(k)為PI控制器k時刻輸出，Δw(k-1)為PI控制器k-1時刻輸出；
8)前饋控制器與PI控制器綜合頻率調整量為則此時A相電壓相位為θ(k)＝θ(k-1)+Ts(Δw(k)+w0(k))，其中Ts為採樣周期；
如果相位θ(k)＞2π，則調整後最終的相位θ(k)＝θ(k)-2π；如果θ(k)＜-2π，則調整後最終的相位θ(k)＝θ(k)+2π；
9)根據A相電壓相位得到B、C相電壓相位分別為
10)重複執行步驟2)至步驟9)，以獲得下一個時刻的三相電壓相位。
按上述方案，所述步驟3)中轉換公式為
按上述方案，所述步驟5)中r＝0.92，步長λ＝10-9。
按上述方案，所述步驟7)中PI控制器參數為kp＝-0.1674，ki＝-0.2039。
本發明產生的有益效果是：本發明利用頻率前饋與反饋技術相結合進行三相相位跟蹤控制，該前饋環節的加入能夠大大增加相位跟蹤閉環系統的響應速度，較傳統的三相鎖相環技術具有更佳的動態性能，非常適合於系統幹擾較大的工業應用場合。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1為本發明的原理圖；
圖2為本發明實施例中三相電壓實測採樣曲線圖；
圖3為本發明實施例中兩相旋轉坐標系中α軸電壓分量和β軸電壓分量；
圖4為本發明實施例中兩相靜止坐標系中q軸分量uq(k)曲線圖；
圖5為本發明實施例中頻率檢測濾波器獲得的系統頻率曲線圖；
圖6為本發明實施例中系統的頻率跟蹤曲線圖；
圖7為本發明實施例中A相電壓相位跟蹤效果圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
一種具有頻率前饋補償的三相電壓相位鎖定方法，包括以下步驟：
1)初始化，設三相電壓A相相位為θ＝0；
2)信號採集，採樣三相電壓信號ua(k)、ub(k)、uc(k)，令採樣頻率為fs，其中k為採樣序號；
3)坐標轉換，針對採樣獲得的數據ua(k)、ub(k)、uc(k)，利用轉換公式將三相電壓從三相旋轉坐標系轉換到二相旋轉坐標系中，其中uα(k)、uβ(k)分別為二相旋轉坐標系中α軸電壓分量和β軸電壓分量；
4)針對uα(k)、uβ(k)，利用公式計算二相靜止坐標系中q軸電壓分量uq(k)；
5)設頻率檢測環節濾波器傳遞函數為其中r表示極點半徑，0≤r≤1，a為濾波器係數，z為移位因子；令輸入信號uα(k)經過濾波器H(z)後的輸出為eu(k)，為了檢測得到準確的三相電壓頻率以使得濾波器H(z)輸出為0，則濾波器參數a的迭代公式為a(k+1)＝a(k)-λeu(k)(ua(k-1)-reu(k-1))，其中λ為迭代步長，λ＞0；此時三相電壓系統角頻率w0(k)＝cos-1(-a(k)/2)(rad/sec，弧度/秒)，角頻率w0(k)即為系統的前饋控制量；
6)令輸出濾波器離散表示式為其中a0、b0、b1為濾波器係數，則q軸分量uq(k)經過輸出濾波器後為uqf(k)；
7)令系統誤差e(k)＝0-uqf(k)，PI控制器的離散表達式為其中kp、ki為控制器參數，相位角經過PI控制器調整後為Δw(k)＝kpe(k)+(Δw(k-1)-kpe(k-1))+kie(k)，其中Δw(k)為PI控制器k時刻輸出，Δw(k-1)為PI控制器k-1時刻輸出；
8)前饋控制器與PI控制器綜合頻率調整量為則此時A相電壓相位為θ(k)＝θ(k-1)+Ts(Δw(k)+w0(k))，其中Ts為採樣周期；
如果相位θ(k)＞2π，則調整後最終的相位θ(k)＝θ(k)-2π；如果θ(k)＜-2π，則調整後最終的相位θ(k)＝θ(k)+2π；
9)根據A相電壓相位得到B、C相電壓相位分別為
10)重複執行步驟2)至步驟9)，以獲得下一個時刻的三相電壓相位。
具體實施例：
某鋼廠380V三相線路上存在較大諧波幹擾，擬採用本發明提出的三相電壓相位跟蹤技術獲得三相實時相位。設採樣頻率fs＝10000Hz，採樣周期Ts＝0.0001s，通過實際測量獲得ua(k)、ub(k)、uc(k)三相電壓曲線如附圖2所示，通過計算分析可知現場電壓畸變率THD＝10％，電壓不平衡度為4％。
根據步驟(3)將三相電壓從三相旋轉坐標系變換到兩相旋轉坐標系中，此時α軸電壓分量和β軸電壓分量如圖3所示，從圖3中可以發現uα(k)、uβ(k)均受到較大的諧波幹擾。
根據步驟(4)可得兩相靜止坐標系中q軸分量uq(k)曲線如圖4所示，同樣uq(k)也受到比較嚴重的二次諧波幹擾；
根據步驟(5)，選擇r＝0.92，步長λ＝10-9，則本發明提出的鎖相方法通過頻率檢測濾波器得到的系統頻率曲線如附圖5所示。
針對附圖4中q軸分量uq(k)受到的諧波幹擾，按照步驟(6)選擇濾波器參數為a0＝-0.939062505817492，b0＝0.030468747091254，b1＝0.030468747091254。
選擇PI控制器參數為kp＝-0.1674，ki＝-0.2039，經過閉環反饋控制和前饋控制調節後，系統的頻率估計曲線如圖6所示。
在前饋和反饋控制的共同作用下，鎖相系統獲得的A相電壓跟蹤效果如圖7所示，從圖中可以發現系統經過3個周期共0.06秒即可以獲得準確的相位跟蹤。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。