一种自适应并网变流器单相软锁相环

技术领域：

本发明属于电气工程领域，涉及一种自适应并网变流器单相软锁 相环，尤其是一种基于自适滑动窗滤波器的电网电压软件锁相环。

背景技术：

并网变流器（PWM整流器、光伏、风电、APF、SVG等）正常 工作需要获得准确电网相位信息，在低电压穿越等需要快速精确得到 电网正负序的场合显得尤为重要。目前的锁相环有：电压过零点锁相， 主要是通过检测电网电压过零点来获取电网相位信息，这种方法一般 采用硬件电路实现，在电压畸变大的时候存在多次过零，会导致锁相 失败；环路滤波器采用PI控制锁相环，这种方法是把模拟硬件锁相 环方法应用在软件中，有锁相速度和消除二次纹波的矛盾，无法很好 解决，这种锁相环的结构如图1所示；基于同步坐标系锁相环，主 要是通过基波电压构造一个三相电压，然后通过坐标变换变换到同步 坐标系下，将d轴或者q轴电压控制为零，来实现电网相位的锁定， 典型结构如图2所示，这种方法比较大谐波时候会有比较大的锁相 误差；双DQ坐标系锁相环，这种方法也是构造三相电压，然后通过 两次坐标变换来效率电网负序电压对同步坐标系锁相环的影响，是一 种改进的同步坐标系锁相环，但此种方法计算比较复杂，而且对频率 的变化适应性差，对相位的动态跟踪性能差；基于数字陷波器的软锁 相环，这种方法本质上也是消除电网负序电压对同步坐标系锁相环的 影响，同样，此种方法相对比较复杂，占用较多的计算资源，而且对 谐波的消除效果较差。

并且由于单相锁相环的特殊结构，锁相环的输出鉴相器的会有比 较大的二次波动，进而导致锁相环锁定的相位会产生二次波动，同样 若电网电压中存在比较大的谐波，也会使得锁相环产生基波整数倍的 波动。如果采用传统锁相方法，环路滤波器用PI调节器，若选取大 的调节系数，锁相速度会快，但锁相输出波动大，结果不准确；若选 取小的调节系数，虽然波动会减小，但是锁相速度会大大降低，难以 满足低电压穿越等要求。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自适应并 网变流器单相软锁相环，改进了锁相环的环路滤波器，达到了在稳态 时候完全二次纹波对电网电压锁相结果的影响，同时也保证了锁相的 快速性，可以在保证锁相环动态性能的情况下，消除二次纹波以及谐 波电压的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种自适应并网变流器单相软锁相环，包括鉴相器、低通滤波器、 一个自适应滑动平均滤波器和PID调节器组成的环路滤波器、积分模 块：所述鉴相器为乘法鉴相器，其输入信号为电网电压和锁相环输出 角度的三角函数，其输出信号送入到滑动平均滤波器；滑动平均滤波 器的输入信号为鉴相器的输出和低通滤波器的输出，输出信号送入到 PID调节器；PID调节器的输入信号为滑动平均滤波器的输出信号， 输出信号送入低通滤波器和积分模块；低通滤波器的输入信号为PID 调节器的输出，其输出信号为锁相环得到的电网电压频率，送入到滑 动平均滤波器；积分模块的输入信号为PID调节器的输出，其输出信 号为锁相环得到的电网电压相位，送入到鉴相器的输入端进行锁相闭 环。

所述环路滤波器由自适应滑动平均滤波器和PID调节器组成。

所述自适应滑动平均滤波器和环路滤波器根据锁相环的输出频率 进行自适应的调节。

发明的有益效果

本发明的自适应并网变流器单相软锁相环改进了锁相环的环路 滤波器，达到了在稳态时候完全二次纹波对电网电压锁相结果的影 响，同时也保证了锁相的快速性，可以在保证锁相环动态性能的情况 下，消除二次纹波以及谐波电压的影响。

采用本发明后：稳态时候锁相环的频率精度满足《GBT 19862-2005 电能质量监测设备通用要求》对电网频率的偏差小于0.01Hz，同时快 速性能满足《GBT 19939-2005光伏系统并网技术要求》能在0.2s内 检测到频率变化超过标准的要求。

附图说明：

图1为传统的单相软锁相环结构图；

图2为传统的基于同步坐标系的单相锁相环结构示意图；

图3为本发明的的锁相环结构图；

图4为采用本发明的的电网电压波形图；

图5为本发明锁相环和传统锁相环频率响应对比图；其中图5-1 是本发明锁相环频率响应图，其中图5-2是传统DQ单相锁相环频率 响应图；

图6为采样频率为10kHz，窗长度为50Hz的滑动平均滤波幅频 特性图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种自适应并网变流器单相软锁相环，包括鉴相器、低通滤波器、 一个自适应滑动平均滤波器和PID调节器组成的环路滤波器、积分模 块：所述鉴相器为乘法鉴相器，其输入信号为电网电压和锁相环输出 角度的三角函数，其输出信号送入到滑动平均滤波器；滑动平均滤波 器的输入信号为鉴相器的输出和低通滤波器的输出，输出信号送入到 PID调节器；PID调节器的输入信号为滑动平均滤波器的输出信号， 输出信号送入低通滤波器和积分模块；低通滤波器的输入信号为PID 调节器的输出，其输出信号为锁相环得到的电网电压频率，送入到滑 动平均滤波器；积分模块的输入信号为PID调节器的输出，其输出信 号为锁相环得到的电网电压相位，送入到鉴相器的输入端进行锁相闭 环。

所述环路滤波器是PID调节器。

所述自适应滑动平均滤波器和环路滤波器根据锁相环的输出进行 自适应的调节。

采用本发明对传统单相锁相环进行仿真验证，假设电网电压中含 有5%的5次谐波（相位超前基波3rad）和5%的7次谐波（相位超 前基波7rad），在时间t=2s时候，电网频率由50Hz变化到51Hz，电 压波形如图4所示。

采用本发明锁相环和传统同步坐标系下单相锁相环的对比如下 图5所示：从图5可以看出，采用本发明锁相环很大程度上消除了 谐波电压对锁相环的影响锁，锁相环的输出频率没有波动，同时本发 明也保证了锁相环的快速性。

具体实现方式如下：

一、采样对采样得到的单相电网电压进行标幺，并将标幺结果 送入乘法鉴相器；

二、将鉴相器的输出信号进行滑动平均滤波，滤波器的窗长度 根据锁相环出来的频率进行调整（在初始的时候，需要给一个恰当的 初值）,计算初始的滤波窗长为：

$N_o=\frac{f_c}{f_g}---\left(1\right)$

在程序的运行中，采用式进行窗长度计算，并可以进一步采用 算法对不能整除的情况就行修正。例如若电压的采样频率f₀＝10kHz， 电网频率估计为f_g＝50Hz时候，用计算得到窗长为N₀＝200,此时滤波 器的频率响应如图6所示：

可以看到电网频率的波动都被极大的抑制了。

三、由于采用了滑动平均滤波，使得锁相环的低频特性受到了 一定的影响，将调节器设计为PID调节器，其中微分环节起到提高系 统响应速度的作用。例如在10kHz的采样频率，电压标幺化到单位1 的下，可以将调节器的比例系数设置为28，积分系数0.05,微分系数 设置为1600，这样锁相环可以在半个工频周期内锁定相角。

调节器输出的频率需要经过低通滤波后，作为锁相环的频率输 出；同时经过低通滤波器后的输出f_g进一步作为步骤二中自适应锁相 环的输入，动态改变滑动平均滤波器的窗长度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何 形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以 限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范 围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为 等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据 本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修 饰，仍属于本发明技术方案的范围内。