專利名稱：基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環及其實現方法
技術領域：
本發明專利屬于并網電力電子變流技術應用領域，涉及與電網互連的電力電子變 流裝置中的同步技術，尤其是與電網互連的單相電力電子變流裝置中的同步技術。
背景技術：
在電力電子技術的眾多應用領域當中，與交流電網互連的電力電子變流裝置，例 如PWM整流器、有源電力濾波器、靜止無功發生器等，以及新能源發電中的各式電力電子變 流裝置在國民經濟中扮演中重要的角色。在以上各種電力電子變流裝置的應用當中，為了 達到正確、精準的控制目標，其控制系統都要求快速、準確的獲得電網電壓的相位、頻率信 息。因此，獲取電網電壓頻率、相位信息的同步技術在與電網互連的電力電子變流技術中扮 演著至關重要的角色。早期，由于種種原因，與電網互連的電力電子變流技術多被用于三相 電網。隨著電力電子技術的進一步發展，尤其是家用新能源發電技術以及分布式電力系 統補償等概念的提出，與電網互連的單相電力電子變流裝置(一下簡稱單相并網變流器) 得到了更多的應用。用于單相并網變流器的同步技術，主要分為兩大類過零比較和鎖相 環。過零比較通過電網電壓過零觸發上升沿(或者下降沿)觸發電路輸出反轉，以獲 得電網電壓的相位。這種方法簡單、宜于實現。然而電網電壓每半個周期出現一次過零點， 因此在兩次過零點之間的半個周期內發生的相位或頻率變化無法通過過零比較檢測；此 夕卜，若電網電壓在過零時刻發生抖動，出現多次過零，將引起過零比較輸出錯誤。鎖相環的系統框圖如圖1所示，傳統的單相鎖相環使用乘法器作為鑒相器，如圖2 所示。當鎖相環鎖定進入穩態之后，鑒相器輸出非零，為輸入信號的二倍交流量，如式(1)。 為了達到鎖相結果的高精確度，傳統的單相鎖相環中需要設計環路濾波器的截止頻率盡可 能低；然而，更低截止頻率將使得鎖相環的動態性能大幅降低。因此，為了保證鎖相環輸出 的精確性和快速性，需要設計高階環路濾波器，這使得鎖相環的設計變得相當的復雜。Ve(0 = KdUlmU2m sin(fiV + O1) cos—/ + θο)
Γ π1⑴=-Κ υ ηΡ2η[^η(ωι -ωο + θι-θ^ + ^ + ωο + O1 + θο)]在三相并網變流器中所使用的基于旋轉變換的三相鎖相環使用clark+park變換 作為鑒相器，可以達到鑒相器穩態輸出為零。因此多種模仿三項鎖相環的單相鎖相環方法 被提出。然而，三相鎖相環有三路輸入，對于三相平衡系統，也至少需要兩相。因此，各種使 用基于旋轉變換的單相鎖相環都將注意力放在了如何根據已知單相輸入構造另外一相。然 而，所提出的方法或需要復雜的數學計算，例如基于反park變換；或產生延時，例如延時濾 波。
發明內容
基于現有各種方法所存在的問題——鑒相輸出存在靜態誤差和需要構造正交輸 入，本文提出一種基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環。一種基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環，包括鑒相器、PI控制器和壓控振蕩器 (VC0)，所述鑒相器是雙park變換鑒相器，該雙park變換鑒相器包括第一 park、第二 park、 第一低通濾波器LPF1和第二低通濾波LPF2，第一 park和第二 park的d軸同時與第一加法 器Ml輸入連接，第一 park和第二 park的q軸同時與第二加法器M2輸入連接；第一低通濾 波器LPF1輸入端與第一加法器Ml輸出連接，輸出端與第二 park的輸入連接；第二低通濾 波LPF2輸入端與第二加法器M2輸出連接，輸出端與第二 park的輸入連接；PI控制器的輸 入端連接在第二低通濾波LPF2輸入端；PI控制器的輸出端與壓控振蕩器(VC0)連接。所述的第一 park和第二 park是同一種Park變換模塊，Park變換模塊是按照如 下數學公式進行變換，<formula>formula see original document page 4</formula>其中Xa，x0分別為靜止坐標系d，3軸上的分量；xd，xq分別為旋轉坐標系d，q 軸上的分量；0為d軸與a軸的夾角。所述的單相鎖相環實現方法，按照如下步驟步驟(1)，根據輸入信號的頻率范圍，噪聲范圍和捕捉能力的要求，選擇單相鎖相 環的工作帶寬《n和阻尼系數(；根據以下公式得到環路濾波器(LF)的參數kp，ki:<formula>formula see original document page 4</formula>其中U為輸入信號的幅值；步驟(2)，低通濾波器可采用最基本的一階低通濾波器，表達式如下其中《。為低通濾波器的截止頻率，選擇《。小于輸入信號頻率的2倍即可。所提出的鎖相環不僅可以在電網相位變化時準確跟蹤電網相位，而且可以在電網 頻率波動時迅速、準確跟蹤電網相位。所提出的單相鎖相環使用了被廣泛使用的非線性 park變換，結構簡單，實用，適于數字實現，符合技術的發展方向。
圖1為鎖相環的系統框圖；圖2為采用乘法器作為鑒相器的單相鎖相環的系統框圖；圖3為基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環的系統框圖；圖4為對稱相量合成示意圖；圖5為基于雙旋轉變換的單相數字鎖相環的系統框圖；圖6為基于雙park變換鑒相器的系統框 圖7為基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環的實現框圖。
具體實施例方式一種基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環，主要由雙park變換鑒相器，PI控制 器，壓控振蕩器(VC0)組成，如圖3所示。如果將單相信號與兩個恒為零的信號組成三相信 號，通過對稱相量分解合成的原理，可將其分解為幅值相等的三相對稱正序相量、負序相量 和零序相量的疊加。本發明專利利用這個特性，引入兩個旋轉方向相反的的park變換。將 單相輸入信號作為第一 park變換的一相輸入，另一相恒置為零。第一 park變換輸出中的 直流分量再經與第一 park旋轉變換方向相反的第二 park變換即可得到第一 park變換輸 出中的交流分量，將其與第一 park變換結果相減，即可無濾波延時的得到第一 park變換輸 出中的直流分量，通過PI控制器控制壓控振蕩器(VC0)使得第一 park變換輸出q軸分量 的直流分量為零，即可達到鎖相的目的。若使單相電壓作為三相電壓其中一相，三相電壓另外兩相恒為零。則通過三相對 稱相量分解合成的原理，此三相電壓可被表示為三相對稱正序分量、三相對稱負序分量和 三相零序分量的疊加，此三組相量具有幅值相等，相位相等的特點。如圖4所示。 三相對稱正序分量和三相對稱負序分量經過clark變換后為，
<formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 5</formula> 將clark變換的結果進行以三相對稱正序分量頻率旋轉的park變換——如式(3) 所示，則正序分量變為直流量，負序分量變為2倍正序分量頻率的交流量，結果如式(4)所 示；同理，將clark變換的結果進行以三相對稱負序分量頻率旋轉的park變換，則負序分 量變為直流量，正序分量變為2倍正序分量頻率的交流量，結果如式(5)所示。從式(4)和
(5)可以看出，將式⑷中的直流量乘以矩陣<formula>formula see original document page 5</formula>
即可得到式(5)的交
流量；同理，將式(5)中的交流量乘以矩陣<formula>formula see original document page 5</formula>
即可得到公式(4)中的
交流量。利用此關系，即可通過旋轉方向相反的兩組相互耦合的旋轉變換作為鑒相器，獲得 所需構造一相的單相鎖相環，結構圖如圖5所示。
<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
圖5中低通濾波器LPF負責濾除二倍旋轉頻率交流量，保證僅直流量與矩陣相乘。這里一階LPF即可滿足要求精確性；PI控制器取代傳統單相鎖相環中的環路濾波器，P工控制器的帶寬可以設計的較寬從而保證鎖相輸出的快速性。
圖5所示方法過于復雜，基于圖5所示的方法，將單相輸入信號與恒為0的信號，如式(6)所示，進行park變換，由于正序相量與負序相量幅值相等(令其等于U)，可以得到，經過park變換所得結果如式(7)所示。
<formula>formula see original document page 6</formula> (6)<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
如果park變換與正序相量旋轉方向相同，即夕二ZZrf，則式(7)變成，
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
如果park變換與正序相量旋轉方向相同，即夕二一ZZrf，則式(7)變成，
<formula>formula see original document page 7</formula> 觀察式⑶和(9)可以發現，其間存在耦合，可以利用耦合關系通過圖5所示的方 法消除其輸出中的交流分量，無需使用高階濾波消除，因此減少了由于濾波所帶來的延時 時間。解耦后的結果為，
<formula>formula see original document page 7</formula>所得到的基于雙park變換的鑒相器如圖6所示。Park變換的三個輸入為a、旦、 0，輸出為d、q。第一 park變換中，輸入a為單相輸入信號，輸入0恒置為0，輸入0為 鎖相環相位輸出。第一 park變換的輸出d與第二 park變換的輸出d相減作為LPF1的輸 入，第二 park變換的輸出q與第二 park變換的輸出q相減作為LPF2的輸入。第二 park 變換中，輸入a為LPF1的輸出，輸入0為LPF2的輸出的相反數，輸入0為鎖相環相位輸 出的-2倍。LPF2的輸出即為鑒相器的輸出。將\作為PI控制器的輸入，PI控制器的輸出控制壓控振蕩器(VC0)，壓控振蕩器 (VC0)的輸出即為鎖相環的相位輸出，壓控振蕩器(VC0)的輸入即為鎖相環的頻率輸出。將 壓控振蕩器(VC0)的輸出即為鎖相環的相位輸出反饋回基于雙park變換鑒相器的相位反 饋輸入即構成閉環負反饋系統，通過控制％等于零即可達到鎖相的目的。鎖相實現時，從 式(10)中可以發現義即為輸入信號幅值的1/2，將義經過低通濾波，乘以2倍即可得到輸 入信號的幅值。所得到的鎖相環結構圖如圖7所示。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施方式
僅限于此，對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所 提交的權利要求書確定專利保護范圍。
權利要求
一種基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環，包括鑒相器、PI控制器和壓控振蕩器(VCO)，其特征在于所述鑒相器是雙park變換鑒相器，該雙park變換鑒相器包括第一park、第二park、第一低通濾波器LPF1和第二低通濾波LPF2，第一park和第二park的d軸同時與第一加法器M1輸入連接，第一park和第二park的q軸同時與第二加法器M2輸入連接；第一低通濾波器LPF1輸入端與第一加法器M1輸出連接，輸出端與第二park的輸入連接；第二低通濾波LPF2輸入端與第二加法器M2輸出連接，輸出端與第二park的輸入連接；PI控制器的輸入端連接在第二低通濾波LPF2輸入端；PI控制器的輸出端與壓控振蕩器(VCO)連接。
2.如權利要求1所述一種基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環，其特征在于所述的 第一 park和第二 park是同一種Park變換模塊，Park變換模塊是按照如下數學公式進行 變換，<formula>formula see original document page 2</formula>其中Xa，X0分別為靜止坐標系α，β軸上的分量；Xd，Xq分別為旋轉坐標系d，q軸上 的分量；θ為d軸與α軸的夾角。
3.根據權利要求1所述的單相鎖相環實現方法，其特征在于，按照如下步驟步驟(1)， 根據輸入信號的頻率范圍，噪聲范圍和捕捉能力的要求，選擇單相鎖相環的工作帶寬《 和 阻尼系數ζ ；根據以下公式得到環路濾波器(LF)的參數Ivki <formula>formula see original document page 2</formula>其中U為輸入信號的幅值；步驟(2)，低通濾波器可采用最基本的一階低通濾波器，表達式如下<formula>formula see original document page 2</formula>其中ω。為低通濾波器的截止頻率，選擇ω。小于輸入信號頻率的2倍即可。
全文摘要
本發明公開了一種基于雙park變換鑒相器的單相鎖相環及其方法，該雙park變換鑒相器包括第一park、第二park、第一低通濾波器LPF1和第二低通濾波LPF2，第一park和第二park的d軸同時與第一加法器M1輸入連接，第一park和第二park的q軸同時與第二加法器M2輸入連接；第一低通濾波器LPF1輸入端與第一加法器M1輸出連接，輸出端與第二park的輸入連接；第二低通濾波LPF2輸入端與第二加法器M2輸出連接，輸出端與第二park的輸入連接；PI控制器的輸入端連接在第二低通濾波LPF2輸入端；PI控制器的輸出端與壓控振蕩器(VCO)連接。本發明的鎖相環不僅可以在電網相位變化時準確跟蹤電網相位，而且可以在電網頻率波動時迅速、準確跟蹤電網相位。
文檔編號H03L7/08GK101820281SQ20101014778
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者方雄, 李明, 王兆安, 王躍 申請人:西安交通大學