基于二阶广义积分器的移相锁相环方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法及系统。

背景技术

随着风电资源开发的逐年递增，风电系统正在成为新时期下电力建设的重点之一。而风电的波动性、间歇性等特性会给电力系统的稳定运行带来很多不良影响。因此，在电力系统呈现出“双高”(高比例可再生能源和高比例电力电子设备)趋势的现在，关于电力电子设备并入电网的弱网稳定性研究已经是亟需解决的关键问题。

其中，锁相环的存在会给并网换流器引入负阻抗特性，从而带来系统的弱网稳定性问题。由于系统在弱网情况下的稳定性主要就是由于锁相环的存在引起的，因此对锁相环及其控制策略的改造也是解决弱网稳定性的重要方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法及系统，有效提升系统的弱网稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法，包括：

获取电网的并网点电压和并网点电流；

将所述并网点电压和所述并网点电流分别通过Clark变换由三相静止坐标系转换到两相静止ɑβ坐标系下，得到ɑβ两相电压分量和ɑβ两相电流分量；

将所述ɑβ两相电压分量和所述ɑβ两相电流分量通过预设的二阶广义积分器进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量和电流正序分量；

根据所述电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器，通过所述电压观测器进行观测得到电网正序电压；

根据所述电网正序电压进行锁相环锁相。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

一种基于二阶广义积分器的移相锁相环系统，包括：

测量模块，用于获取电网的并网点电压和并网点电流；

第一坐标变换模块，用于将所述并网点电压和所述并网点电流分别通过Clark变换由三相静止坐标系转换到两相静止ɑβ坐标系下，得到ɑβ两相电压分量和ɑβ两相电流分量；

分量提取模块，用于将所述ɑβ电压分量和所述ɑβ电流分量通过预设的二阶广义积分器进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量和电流正序分量；

电压观测模块，用于根据所述电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器，通过所述电压观测器进行观测得到电网正序电压；

锁相模块，用于根据所述电网正序电压进行锁相环锁相。

本发明的有益效果在于：在电网故障时，电网的并网点电压发生跌落，此时系统中会出现正负序分量，而由于换流器两侧连接交流系统，因此系统的电气量会出现与两种频率有关的谐波分量，锁相环无法按照正常工作的情况进行锁相处理，导致系统频率波动，加剧系统的失稳状态。对此，本申请通过获取并网点电压和并网点电流，将其转换到两相静止ɑβ坐标系下，从而得到ɑβ电压分量和ɑβ电流分量，再通过二阶广义积分器从故障时的ɑβ电压分量和ɑβ电流分量直接提取到对应的正序分量，此时的正序分量可作为电压观测器的输入信号对电网电压进行估测，从而得到对应的电网正序电压。最后通过对电网正序电压进行锁相环锁相，从而保证系统在故障情况下的频率稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法的数据处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种电压观测器的拓扑结构图；

图4为相关技术的一种传统二阶广义积分器的拓扑结构图；

图5为本发明实施例提供的电源与换流器输出电压的矢量图；

图6为本发明二阶广义积分器与传统二阶广义积分器的传递函数波特图；

图7为本发明实施例提供的分频海上风电系统示意图；

图8为本发明实施例提供的一种分频测并网点三相电压波形图；

图9为本发明实施例提供的一种锁相环的输入信号电压ɑβ分量波形图；

图10为本发明实施例提供的一种锁相环输出频率波形图；

图11为本发明实施例提供的一种锁相环锁相角度波形图；

图12为本发明实施例提供的一种并网点电压dq轴分量波形图；

图13为本发明实施例提供的一种并网点三相电压波形图；

图14为本发明实施例提供的另一种锁相环的输入信号电压ɑβ分量波形图；

图15为本发明实施例提供的另一种锁相环输出频率与输出相角的波形图；

图16为本发明实施例提供的另一种并网点电压dq轴分量与分频侧传输功率波形图；

图17为本发明实施例提供的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环系统的结构示意图；

标号说明：

200、一种基于二阶广义积分器的移相锁相环系统；201、测量模块；202、第一坐标变换模块；203、分量提取模块；204、电压观测模块；205、第二坐标变换模块；206、第二坐标变换模块；2051、初始锁相模块；2052、角度补偿模块。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明实施例提供的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法，包括：

获取电网的并网点电压和并网点电流；

将所述并网点电压和所述并网点电流分别通过Clark变换由三相静止坐标系转换到两相静止ɑβ坐标系下，得到ɑβ两相电压分量和ɑβ两相电流分量；

将所述ɑβ两相电压分量和所述ɑβ两相电流分量通过预设的二阶广义积分器进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量和电流正序分量；

根据所述电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器，通过所述电压观测器进行观测得到电网正序电压；

根据所述电网正序电压进行锁相环锁相。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在电网故障时，电网的并网点电压发生跌落，此时系统中会出现正负序分量，而由于换流器两侧连接交流系统，因此系统的电气量会出现与两种频率有关的谐波分量，锁相环无法按照正常工作的情况进行锁相处理，导致系统频率波动，加剧系统的失稳状态。对此，本申请通过获取并网点电压和并网点电流，将其转换到两相静止ɑβ坐标系下，从而得到ɑβ电压分量和ɑβ电流分量，再通过二阶广义积分器从故障时的ɑβ电压分量和ɑβ电流分量直接提取到对应的正序分量，实现对系统电压正序分量的快速提取，此时的正序分量可作为电压观测器的输入信号对电网电压进行估测，从而得到对应的电网正序电压。最后通过对电网正序电压进行锁相环锁相，从而保证系统在故障情况下的频率稳定性。

进一步地，所述根据所述电网正序电压进行锁相环锁相之前还包括：

将所述电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下，得到转换后的电网正序电压。

由上述描述可知，通过建立一个与系统频率同步的旋转坐标系，从而将电网正序电压转换为该旋转坐标系上的参数，使得电网正序电压在该坐标系中可描述为常数形式，实现信号的解耦，便于后续进行锁相环的锁相处理。

进一步地，所述根据所述电网正序电压进行锁相环锁相包括：

基于预设的移相锁相环对所述电网电压进行定位锁相，得到测量角度和电压基波正序信号角频率；

获取所述电网的目标参数，根据所述目标参数和所述电压基波正序信号角频率计算补偿角度；

根据所述测量角度和所述补偿角度得到电压基波正序信号相位角；

所述将所述电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下包括：

根据所述电压基波正序信号相位角将所述将所述电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下完成闭环锁相。

由上述描述可知，由于移相锁相环是对电压观测器观测到的电网电压进行定位锁相的，得到的并不是并网点电压的锁相角度，但是控制系统是根据并网点电压进行处理运算的，因此，移相锁相环与控制系统之间就会存在一个角度差，故通过在锁相环输出测量角度后，计算对应的补偿角度，消除角度差，来保证电网并网点处以单位功率因数来输电。

进一步地，所述目标参数包括电网的交流电动势、交流输出功率以及弱网侧电阻估计值和电感估计值；

所述所述电网的目标参数，根据所述目标参数和所述电压基波正序信号角频率计算补偿角度具体为：

其中，

由上述描述可知，通过电网弱网侧电阻估计值和电感估计值，以及相应的交流电动势和交流输出功率计算电压观测器观测到的电网电压与并网点电压之间的锁相角度差，从而消除移相锁相环产生的角度差，实现精确锁相，保证系统在故障情况下的稳定性。

进一步地，所述将所述ɑβ两相电压分量和所述ɑβ两相电流分量通过预设的二阶广义积分器进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量和电流正序分量包括：

将所述ɑβ两相电压分量和所述ɑβ两相电流分量分别通过预设的二阶广义积分器生成对应的电压正交分量和电流正交分量；

根据所述电压正交分量和电流正交分量进行正序分量提取，得到对于的电压正序分量和电流正序分量。

由上述描述可知，通过二阶广义积分器获取对于的电压正交分量和电流正交分量后进行正序分量提取，以降低系统频率波动对正序分量的影响，保证系统的稳定性。

进一步地，所述预设的二阶广义积分器的传递函数具体为：

其中，T

由上述描述可知，预设的二阶广义积分器的传递函数能够有效拓宽其带通，大大减少了其滤波效果与系统输入频率之间的相关性，在电网故障情况下，降低系统输入频率波动对滤波效果的影响，使得锁相环锁相准确，加强系统的稳定性。

进一步地，所述根据所述电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器包括：

根据所述电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器的状态方程为：

其中，

由上述描述可知，通过电压观测器能够实时根据提取出电压正序分量和电流正序分量观测到电网无穷大处的电压和电流，将观测到的电网正序电压作为锁相环的输入信号，以此保证锁相环输入信号的稳定，减弱由于锁相环忽略的相角误差扰动而带来的系统失稳效应。

进一步地，所述根据所述电压基波正序信号相位角将所述电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下具体为：

其中，

由上述描述可知，锁相环的原理在于通过不断调整电压基波正序信号相位角进而实现dq旋转坐标系下的q轴电网正序电压为0，以此来作为锁相环调整依据。

请参照图17，本发明另一实施例提供了一种基于二阶广义积分器的移相锁相环系统，包括：

测量模块，用于获取电网的并网点电压和并网点电流；

第一坐标变换模块，用于将所述并网点电压和所述并网点电流分别通过Clark变换由三相静止坐标系转换到两相静止ɑβ坐标系下，得到ɑβ两相电压分量和ɑβ两相电流分量；

分量提取模块，用于将所述ɑβ两相电压分量和所述ɑβ两相电流分量通过预设的二阶广义积分器进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量和电流正序分量；

电压观测模块，用于根据所述电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器，通过所述电压观测器进行观测得到电网正序电压；

锁相模块，用于根据所述电网正序电压进行锁相环锁相。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在电网故障时，电网的并网点电压发生跌落，此时系统中会出现正负序分量，而由于换流器两侧连接交流系统，因此系统的电气量会出现与两种频率有关的谐波分量，锁相环无法按照正常工作的情况进行锁相处理，导致系统频率波动，加剧系统的失稳状态。对此，本申请通过获取并网点电压和并网点电流，将其转换到两相静止ɑβ坐标系下，从而得到ɑβ电压分量和ɑβ电流分量，再通过二阶广义积分器从故障时的ɑβ电压分量和ɑβ电流分量直接提取到对应的正序分量，实现对系统电压正序分量的快速提取，此时的正序分量可作为电压观测器的输入信号对电网电压进行估测，从而得到对应的电网正序电压。最后通过对电网正序电压进行锁相环锁相，从而保证系统在故障情况下的频率稳定性。

进一步地，还包括：

第二坐标变换模块，用于将所述电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下，得到转换后的电网正序电压。

由上述描述可知，通过建立一个与系统频率同步的旋转坐标系，从而将电网正序电压转换为该旋转坐标系上的参数，使得电网正序电压在该坐标系中可描述为常数形式，实现信号的解耦，便于后续进行锁相环的锁相处理。

本发明实施例提供了一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法及系统，可应用于风力发电系统的控制系统，有效提升系统的弱网稳定性，以下通过具体实施例来说明：

请参照图1至图16，本发明的实施例一为：

一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法，包括步骤：

S110、获取电网的并网点电压U

需要说明的是，并网点电压即PCC点(公共连接点)电压。所述并网点电压为三相电压，即并网点电压U

需要说明的是，锁相环是一个典型的反馈控制结构，其原理是通过检测实际相角与测量相角之间的误差，再利用PI(即PID比例积分控制)控制器不断实现相角跟踪；锁相环结构目前已被广泛应用于工业控制和电气控制等领域。

S120、将并网点电压U

需要说明的是，三相静止坐标系即(a,b,c)坐标系，其中，三相静止坐标系中不同相的电气量分别表示为u

在一些实施例中，假设并网点电压U

其中，U

将上述并网点电压通过Clark变换由三相静止坐标系转换到两相静止ɑβ坐标系后，得到的ɑβ两相电压分量u

其中，u

同理可得ɑβ两相电流分量i

S130、将ɑβ两相电压分量u

具体地，所述步骤S130包括：

S1301、将ɑβ两相电压分量u

S1302、根据所述电压正交分量和电流正交分量(v'与qv')进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量(

其中，预设的二阶广义积分器的传递函数具体为：

其中，T

在一些实施例中，在系统出现故障时，并网点电压发生跌落的情况下，系统中会出现正负序分量。因此在三相电气量(电压和电流)不对称运行的情况下，可以通过对称分量法对系统电气量进行分析，从而将三相不平衡的电气量(电压和电流)分解成对称的正序分量、负序分量和零序分量，其中，正序分量的基波频率以及相机与原始电气量的一致。所以，可通过将不对称运行的并网点电压U

其中，并网点电压U

在通过对并网点电压U

其中，两相静止ɑβ坐标系下的分量与正序分量之间的转换关系具体为：

其中，

由此可知，在系统故障时可通过故障电气量U

此外，当故障电气量U

从而得到传统SOGI的传递函数为：

根据传递函数(8)，可得传统SOGI对应的品质因数为：

根据传递函数(3)，可得本申请SOGI对应的品质因数为：

如图6所示，由品质因数Q

S140、根据电压正序分量(

具体地，步骤S140包括：

根据电压正序分量

其中，

需要说明的是，对于传统锁相环，实际相角与测量相角之间存在一个转换矩阵T

其中，X和x表示电压或电流等电气量，上标c表示控制系统的测量值，下标s表示实际系统的电气值，上标～表示小信号分量。

在一些实施例中，以模块化多电平矩阵式换流器(M

u＝u

其中参数如图7所示，L

公式(12)在两相同步dq旋转坐标系下的数学模型具体为：

其中，ω

电压观测器根据公式(13)中的第一式进行构建，并以电压观测器的输出信号作为传统锁相环的输入，由此得到移相锁相环如图1所示，其对应电压观测器的状态方程如上述公式(10)。

S150、将电网正序电压

在步骤S163得到电压基波正序信号相位角后，步骤S150包括：

S151、根据电压基波正序信号相位角

S151具体为：

其中，

其中，将两相静止ɑβ坐标系下的电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系的变换矩阵具体为：

其中，θ表示电压基波正序信号相位角

在一些实施例中，

S160、根据电网正序电压进行锁相环锁相。

在一些实施例中，根据公式(16)可知，当电网正序电压

当

其中，k

根据自动控制理论的劳斯判断值，当k

具体地，步骤S160包括：

S161、基于预设的移相锁相环对电网电压进行定位锁相，得到测量角度θ

需要说明的是，由于移相锁相环是对电压观测器观测到的无穷大电网电压进行定位锁相的，得到的测量角度并不是并网点电压的锁相角度。而移相锁相环中的PI控制器是根据并网点电压来进行建模设计的，因此，此时的测量角度会存在一个角度差。因此，在移相锁相环的输出处需要计算补偿角度，来保证并网点处以单位功率因数来输电。

S162、获取电网的目标参数，根据目标参数和电压基波正序信号角频率计算补偿角度。其中，目标参数包括电网的交流电动势、交流输出功率以及弱网侧电阻估计值和电感估计值；

步骤S162具体为：

其中，

在一些实施例中，电源与换流器输出电压的矢量图如图5所示，得到对应的关系式为：

其中，E为交流系统电压；U为并网点处电压；I为交流系统输入电流；X为交流系统侧等效电抗；P为输入功率；根据图5及公式(19)可得到补偿角度。

S163、根据测量角度θ

在一些实施例中，电压基波正序信号相位角

在本实施例，如图7所示，将本申请的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法应用于分频海上风电系统中以验证其有效性。假设，在t

具体地，分别在电网不对称故障和电网对称故障的情况下，验证在系统故障情况下本申请方法维持其系统稳定运行的有效性：

(1)图8至图12是针对强网情况下分频输电系统的并网点发生不对称故障进行仿真。其中，如图8所示，仿真时间为10s，设置并网点的三相电压在第5s时发生最严重的跌落情况，跌落至原始的80％，持续时间为2s，第5s时分频侧单相电压跌落。图9至图12中的(a)为传统PLL控制下的系统运行波形，图9至图12中的(b)为本申请PSPLL控制下的系统运行波形，两组的波形运行条件一致，互为对比。

从图9至图11可得，系统在不对称故障期间，传统PLL无法实现准确锁相，输出的频率及相角信号均会存在波动，系统也出现了振荡。而在本申请PSPLL控制下，通过提取故障电压的正序分量作为移相锁相环的输入信号，有效克服了故障情况下移相锁相环输入信号的波动，使得移相锁相环锁相准确，其输出的测量频率及测量相角也保持稳定。从图12可得，传统PLL控制下的系统在不对称故障时系统电压会出现振荡，导致系统频率波动。通过图9至图12的运行波形的对比，可验证本申请的锁相方法在系统不对称故障情况下能够有效地提取出系统电气量的正序分量，从而保证系统的频率稳定性。即本申请一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法能够用于解决系统不对称故障情况下无法稳定运行的问题。

(2)图13至图16是针对强网情况下分频输电系统的并网点发生对称故障进行仿真。其中，设置并网点的三相电压第5s时发生对称跌落，跌落至原始的20％，持续时间625ms。在系统中采用本申请的PSPLL锁相方法，观察PCC点出现三相电压跌落时系统的运行情况，通过比对相关数据判断其运行情况是否满足低电压故障穿越要求。从图14可以看出，在三相电压跌落时，本申请通过正序分量提取能够快速准确地提取出波动电压的正序分量作为锁相环的输入信号，从而保证了锁相环工作的稳定性；如图15所示，系统频率在故障期间能够快速的恢复至正常值，不会引起系统振荡。从图16可以看出，在故障期间，并网点电压快速响应，也发生了跌落，但基本保持稳定，同时系统在故障期间也能够实现较为稳定的功率传输，保证系统功能。

请参照图17，本发明的实施例二为：

一种基于二阶广义积分器的移相锁相环系统200，包括：

测量模块201，用于获取电网的并网点电压和并网点电流。

第一坐标变换模块202，用于将并网点电压和并网点电流分别通过Clark变换由三相静止坐标系转换到两相静止ɑβ坐标系下，得到ɑβ两相电压分量和ɑβ两相电流分量。

分量提取模块203，用于将ɑβ两相电压分量和ɑβ两相电流分量通过预设的二阶广义积分器进行正序分量提取，得到对应的电压正序分量和电流正序分量。

电压观测模块204，用于根据电压正序分量和电流正序分量构建电压观测器，通过电压观测器进行观测得到电网正序电压；

锁相模块205，用于根据电网正序电压进行锁相环锁相。

具体的，锁相模块205包括：

初始锁相模块2051，用于基于预设的移相锁相环对电网电压进行定位锁相，得到测量角度和电压基波正序信号角频率。

角度补偿模块2052，用于获取电网的目标参数，根据目标参数和电压基波正序信号角频率计算补偿角度；以及根据测量角度和补偿角度得到电压基波正序信号相位角。

第二坐标变换模块206，用于将电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下，得到转换后的电网正序电压。

具体的，第二坐标变换模块206，用于根据电压基波正序信号相位角将电网正序电压转换至两相同步dq旋转坐标系下完成闭环锁相。

本实施例的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环系统200可实现实施例一中一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法中的各个步骤。

综上所述，本发明提供的一种基于二阶广义积分器的移相锁相环方法及系统，在电网故障时，通过获取并网点电压和并网点电流，将其转换到两相静止ɑβ坐标系下，从而得到ɑβ电压分量和ɑβ电流分量，再通过二阶广义积分器从故障时的ɑβ电压分量和ɑβ电流分量直接提取到对应的正序分量，实现对系统电压正序分量的快速提取，此时的正序分量可作为电压观测器的输入信号对电网电压进行估测，克服了故障情况下锁相环输入信号的波动，从而得到对应的电网正序电压进行锁相环锁相，使得锁相环锁相准确，其输出的测量频率及相角也保持稳定。且对于电网系统的对称故障和不对称故障均能够实现有效控制，保证系统运行的稳定性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。