[发明专利]一种适用于电网电压严重畸变的锁相环

说明书

本申请公开一种适用于电网电压严重畸变的锁相环。它由基波锁相环节和谐波补偿环节共同构成。其中基波锁相环节与传统锁相环的结构相同，谐波补偿环节由dq变换模块、低通滤波器和相位校正环节构成。谐波补偿环节可以抵消电网电压谐波分量在dq变换时产生的高频分量，使锁相环工作在线性区，从而使锁相环可以快速而准确地检测电网电压基波分量的相位。

技术领域

本发明涉及锁相环以及相关方法，并具体地涉及电网电压严重畸变情况下快速而准确检测电网电压基波分量相位和频率的锁相环。

背景技术

随着能源需求的增加及传统能源的逐渐枯竭，风力发电、光伏发电、生物质能发电等新能源发电方式正在得到越来越广泛的应用。新能源发电并网的前提是新能源发电设备与电网的同步。锁相环常被用来检测电网电压的实时相位信息。富含谐波的电力电子设备的大量投入使电网电压畸变严重，尤其电网遭遇扰动时，电网电压不仅畸变严重而且快速变化，从而在传统锁相环的鉴相器输出中引入高频分量，使锁相环输出误差增大甚至不能正常工作。

传统三相锁相环利用坐标变换技术，控制dq旋转坐标系去追踪电网电压空间矢量。当dq旋转坐标系与电网电压矢量保持同步时，dq旋转坐标系的空间相位等于电网电压的时间相位，dq旋转坐标系的空间旋转角速度等于电网电压的角频率。当电网电压含高次谐波时,可以通过降低锁相环的带宽来减小高次谐波对输出相位的影响。然而当谐波含量较大时，仅仅通过减小带宽已经不能满足快速准确获取电网电压相位及频率信息的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种锁相环的设计方法，使在电网电压发生畸变，即电网电压含有单次或多次谐波时，设计的锁相环能快速而准确地检测电网电压基波分量的相位和频率。

为了解决上述技术问题，本发明提供的锁相环包括基波锁相环节和谐波补偿环节。谐波补偿环节由dq变换模块、低通滤波器和相位校正环节构成。

当电网电压含有h次谐波分量时，通过以下方法来检测电网电压基波分量的相位：含有h次谐波分量的电网电压对应的空间矢量可以看做是基波分量空间矢量和h次谐波分量空间矢量的矢量和。基波分量空间矢量在空间以电网角速度逆时针旋转，h次谐波分量空间矢量在空间以h倍电网角速度逆时针旋转。当用电网相位将电网电压从三相静止坐标系变换到dq旋转坐标系后，d轴和q轴分量为基波分量对应的直流量和h次谐波分量对应的h-1倍频交流量的叠加，而用h倍的电网相位对电网电压进行dq变换后得到的是基波分量对应的h-1倍频交流量和h次谐波分量对应的直流量的叠加。

为了使dq旋转坐标系跟踪电网电压基波分量对应的空间矢量，根据传统锁相环的原理可知，必须使锁相环工作在线性区，即要设法消除掉电网电压谐波分量在鉴相器输出信号中引入的高频分量。为此可用锁相环输出相位的h倍对电网电压进行dq变换后得到的h次谐波分量对应的直流量和锁相环输出相位组成补偿量去抵消前述高频分量。

用低通滤波器可以分离出信号中的直流量，但是低通滤波器输出信号相位滞后于输入信号的相位，为此需要对低通滤波器的输出信号进行相位校正。

当电网电压中含有多次谐波时，可以重复使用上述方法，针对每次谐波设计相应的补偿环节。相应地，低通滤波器的截止频率和相位校正环节的参数也要针对性的设计。

当电网电压中不含谐波时，用电网电压相位对电网电压进行dq变换后得到的只有直流量，用h倍电网电压相位对电网电压进行dq变换后得到的直流量为零，因此补偿环节的输出为零，所以本发明所述锁相环也能够准确检测不含谐波的电网电压的相位和频率。

附图说明

下面将参照附图借助于优选实施方式更加详细地描述本发明，其中：

图1示出了含有h次谐波的电网电压的空间矢量图；

图2示出了适用于电网电压含有单次谐波时的锁相环的结构图；