一种新型电网锁相环自适应补偿方法及补偿系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种新型电网锁相环自适应补偿方法及补偿系统。

背景技术

电力系统中各种电压的变电所及输配电线路组成的整体，称为电力网，它包含变电、输电、配电三个单元，电力网的任务是输送与分配电能，改变电压。随着全球经济的发展，电能作为一种广泛使用的能源，其应用已深入到工业生产、社会和人民生活的方方面面。

目前，现有技术在面对电网不平衡同时叠加高次谐波和频率快速变动的情况时不能快速准确的跟踪电网，其锁相精度和速度均有待提高，并且在电网频率快速波动和跌落时锁相适应性较差。

因此，研究一种能够克服现有技术存在的上述缺陷的技术就显得尤为重要，是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。

以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。

发明内容

本发明提供一种新型电网锁相环自适应补偿方法及补偿系统，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种新型电网锁相环自适应补偿方法，所述方法包括：

获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc；

通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd；

将两相同步旋转坐标下的Vq和Vd进行滤波处理；

将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到角度θ

将角度θ

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿方法中，所述获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc的步骤包括：

通过DSP的ADC采样获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc。

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿方法中，所述通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd的步骤包括：

通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ；

将两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd。

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿方法中，所述将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到角度θ

将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到ωcon；

将ωgrid减去ωcon获取新的采样周期Δω，并经过积分得到角度θ

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿方法中，在所述将角度θ

获取补偿角度θ_cmp。

第二方面，本发明实施例提供一种新型电网锁相环自适应补偿系统，所述系统包括：

第一获取模块，用于获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc；

坐标变换模块，用于通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd；

滤波处理模块，用于将两相同步旋转坐标下的Vq和Vd进行滤波处理；

模糊运算模块，用于将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到角度θ

角度补偿模块，用于将角度θ

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿系统中，所述第一获取模块具体用于：

通过DSP的ADC采样获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc。

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿系统中，所述坐标变换模块具体用于：

通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ；

将两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd。

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿系统中，所述模糊运算模块具体用于：

将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到ωcon；

将ωgrid减去ωcon获取新的采样周期Δω，并经过积分得到角度θ

进一步地，所述新型电网锁相环自适应补偿系统中，所述系统还包括：

第二获取模块，用于在所述将角度θ

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的一种新型电网锁相环自适应补偿方法及补偿系统，能够在电网不平衡同时叠加高次谐波和频率快速变动的情况下快速、准确地锁相，不仅适应性强，而且锁相效果好，适于大范围推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种新型电网锁相环自适应补偿方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一中坐标变换的矢量图；

图3是本发明实施例一提供的一种新型电网锁相环自适应补偿方法的控制结构原图框图；

图4是本发明实施例一中输入参数E的隶属函数图；

图5是本发明实施例一中输入参数EC的隶属函数图；

图6是本发明实施例二提供的一种新型电网锁相环自适应补偿系统的功能模块示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

有鉴于现有技术存在的缺陷，本发明人基于从事该领域多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种切实可行的电网锁相环自适应补偿技术，使其更具有实用性。在经过不断的研究、设计并反复试作及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

请参阅图1～3，其中，图1是本发明实施例公开的一种新型电网锁相环自适应补偿方法的流程示意图，该方法适用于需要在电网不平衡同时叠加高次谐波和频率快速变动的情况下能快速准确的锁相的场景，该方法由新型电网锁相环自适应补偿系统来执行，该系统可以由软件和/或硬件实现，集成于电力系统的内部。如图1所示，该新型电网锁相环自适应补偿方法可以包括以下步骤：

S101、获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc。

在本实施例中，所述步骤S101是通过DSP的ADC采样进行的，即通过DSP的ADC采样获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc。鉴于该方式在现有技术中已较为普遍，是本领域技术人员的公知常识，且不是本方案设计的重点，在此不做深入的阐述。

S102、通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd。

在本实施例中，所述步骤S102进一步包括：

通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ；

将两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd。

需要说明的是，本步骤是基于同步旋转坐标变换跟踪原理，达到锁相的目的。如图2所示，首先通过坐标变换，把三相静止对称坐标系下的Va、Vb和Vc转换为两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ，再变换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd。

具体的，计算旁路三相电压的Vα、Vβ，然后通过Vα、Vβ计算sinθ1、cosθ1，再跟逆变器正、余弦表的sinθ2cosθ2进行运算：

Vq＝sin(θ1-θ2)＝sinθ1*cosθ2-cosθ1*sinθ2；

当此值为0时说明d轴和U重合，相位差为0，锁相ok。

S103、将两相同步旋转坐标下的Vq和Vd进行滤波处理。

需要说明的是，此步骤是为剔除电网基波上叠加的不同频率段的纹波。

S104、将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到角度θ

在本实施例中，所述步骤S104进一步包括：

将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到ωcon；

将ωgrid减去ωcon获取新的采样周期Δω，并经过积分得到角度θ

需要说明的是，此步骤是通过模糊PID控制器(包括模糊控制器与PID调节器)进行的，模糊控制器的设计步骤：根据负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt的变化自行调整比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，以达到调节作用的实时最优。模糊PID控制器的设计包括模糊化过程、数据库(含数据库和规则库)、推理决策和精确化计算几部分的设计问题。

(1)输入输出参数的确定：用于PID参数控制的模糊控制器采用二输入三输出的模糊控制器，输入输出参数是E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd。

(2)模糊论域的确定：模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的论域中进行讨论和计算的，因而首先要将输入变量变换到相应的模糊论域，并将输入数据转换成合适的语言值，也就是要对输入量进行模糊化。将系统误差(E)和误差变化率(EC)变化范围定义为模糊集上的论域[-6，6]，ΔKp的论域[-1.2，1.2]，ΔKi的论域[-0.6，0.6]，ΔKd的论域[-3，3]。

(3)各变量模糊子集和隶属度函数的确定：语言变量的模糊子集一般为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，常用的隶属函数是三角形、梯形和钟等。选用三角形作为E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd的隶属函数。对应E、EC隶属度函数图如图4、5所示，图中是模糊子集和模糊论域的对应关系，ΔKp、ΔKi、ΔKd的隶属度函数只是论域不同。

(4)控制规则的确定：根据PID控制器参数整定原则和控制经验，建立Kp、Ki、Kd模糊控制规则。对于常规PID控制，比例系数用于调节系统的响应速度，提高系统的调节精度；积分系数用于消除系统稳态误差；微分系数用于改善系统的动态特性。根据Kp，Ki，Kd和e，ec的关系得出其整定基本原则如下：

当|e|较大时，为加快响应速度，应选取较大的Kp值，适当的Kd；为防止积分饱和，避免出现较大超调，应选取较小的Ki。

当|e|适中大小时，为减小系统超调，应取较小的Ki值，Kp、Kd适中。

当|e|较小时，为提高系统稳定精度，需选取较大Kp和Ki值；为避免设定值附近出现振荡并加强抗干扰性能，应取较小Kd值。

当|ec|较大时，为保证系统响应速度和稳定精度，防止过大超调，应选较小和适中的Kp值，尽可能选较小的Ki值。

当|ec|适中大小时，为加快系统响应速度和有较好的稳态性能，应增大Kp和Ki的值，取较小Kd值。

当|ec|较小时，为保证系统具有较快的响应速度，应取较大Kp、Ki值和适当Kd值。

根据上述规则，结合实际测试工况，建立如下模糊控制规则表；

(1)△Kp的模糊规则表

表1-1 △Kp的模糊规则表

(2)△Ki的模糊规则表

表1-2 △Ki的模糊规则表

(3)△Kd的模糊规则表

表1-3 △Kd模糊规则表

根据模糊规则表，查出参数调整量代入下式，同时利用面积重心法把下式模糊量转换成精确量，计算当前PID控制器的参数值：

Kp＝Kp+{e

Ki＝Ki+{e

Kd＝Kd+{e

式中：Kp0、Ki0、Kd0为PID参数的初始值，ΔKp、ΔKi、ΔKd为参数的调整量。

S105、将角度θ

在本实施例中，在所述步骤S105之前，所述方法还包括：

获取补偿角度θ_cmp。

需要说明的是，补偿角度θ_cmp获取，根据模糊控制规则控制输出得到的锁相结果，测算出控制规则和补偿角度的对应表，然后根据模糊控制规则实时查询补偿角度，进行实时在线补偿。

本发明实施例提供的一种新型电网锁相环自适应补偿方法，能够在电网不平衡同时叠加高次谐波和频率快速变动的情况下快速、准确地锁相，不仅适应性强，而且锁相效果好，适于大范围推广应用。

实施例二

请参阅附图6，为本发明实施例二提供的一种新型电网锁相环自适应补偿系统的功能模块示意图，该系统适用于执行本发明实施例提供的新型电网锁相环自适应补偿方法。该系统具体包含如下模块：

第一获取模块201，用于获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc；

坐标变换模块202，用于通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd；

滤波处理模块203，用于将两相同步旋转坐标下的Vq和Vd进行滤波处理；

模糊运算模块204，用于将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到角度θ

角度补偿模块205，用于将角度θ

优选的，所述第一获取模块201具体用于：

通过DSP的ADC采样获取电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc。

优选的，所述坐标变换模块202具体用于：

通过坐标变换，将电网三相电压的瞬时值Va、Vb和Vc转换为两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ；

将两相垂直静止坐标下的Vα和Vβ转换为两相同步旋转坐标下的Vq和Vd。

优选的，所述模糊运算模块204具体用于：

将Vq的负序偏差值ΔVq和偏差值变化率ΔVq/Δt通过模糊PID运算，得到ωcon；

将ωgrid减去ωcon获取新的采样周期Δω，并经过积分得到角度θ

优选的，所述系统还包括：

第二获取模块，用于在所述将角度θ

本发明实施例提供的一种新型电网锁相环自适应补偿系统，能够在电网不平衡同时叠加高次谐波和频率快速变动的情况下快速、准确地锁相，不仅适应性强，而且锁相效果好，适于大范围推广应用。

上述系统可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。

提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。

在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。

当元件或者层称为是“在……上”、“与……接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在……上”、“与……直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”和“直接在……之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施例的教导。

空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在……的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在……的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。