[发明专利]具备乘法结构和特殊三角函数的单相2倍频电网锁相方法

说明书

本发明提供一种具备乘法结构和特殊三角函数的单相2倍频电网锁相方法，首次构造相乘环节用于单相锁相，首次构造特殊三角函数运算系统获取2倍频分量，方法包括以下步骤：步骤1，提取得到单相电网电压V_s；步骤2，构造包含特殊三角函数运算系统的相乘环节；步骤3，将提取的电压信号和相乘环节相融合，得到2倍频信号：步骤4，将获得的2倍频信号经park变换运算，变换到dq坐标系下；步骤5，q轴的输出经过PI调节器，得到二倍电网频率，再经积分之后，得到二倍电网相角。本发明还提供了实现此方法的设备。本发明在理想电网与非理想电网中均适用，拓宽了锁相环的应用范围。

技术领域

本发明涉及电网电力领域，尤其是一种具备乘法结构和特殊三角函数的单相2倍频电网锁相方法。

背景技术

跟踪、锁定交流信号的相位，且在必要时还可提供有关信号的频率和幅值信息是锁相环的主要功能。近年来，可再生能源并网变换技术成为电力电子技术领域的研究热点。并网变换器在太阳能光伏、风力发电等可再生能源分布式能源系统中具有广阔发展前景。并网变换器运行时需要与电网电压同步，控制波形畸变以满足电网质量要求。此时需采用锁相环对电网电压进行锁相来动态获取电网电压的相位信息，锁相环的性能直接影响到并网变换器对波形的控制性能。锁相环技术作为并网变换技术的核心之一，其性能直接影响到并网变换器的并网控制性能。此外，有源滤波器的谐波检测环节对锁相环技术有所需要；进行电力网络的相位跟踪并网时，也需要锁相环技术来对电网电压进行同步跟踪。锁相环性能的优劣有着决定性影响。鉴于锁相环的重要性，越来越多的学者对其进行了研究，提出了诸多锁相环的控制与设计方案，从而使锁相环的性能也不断地得到改善和提升。

目前已经有了从三相系统中获取2倍频的技术，比如文献《电网电压不平衡时基于二阶广义积分器SOGI的2倍频电网同步锁相方法》和文献《基于正弦幅值积分器的新型2倍频锁相技术》。这两篇文献通过对三相电网电压不平衡情况时dq旋转坐标系下产生2倍频波动的原因进行了理论分析，利用矩阵变换提取的2倍频分量，分别基于SOGI环节和SAI环节提出了适用于三相电网不平衡情况的2倍频锁相方法。

但是在单相系统中不存在类似于三相系统产生2倍频的条件，因此无法使用现有的技术获取2倍频。本专利不申请保护任何已公开的2倍频锁相方法，只申请保护本专利所提方法。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种方法通过在单相电网中利用构造的包含特殊三角函数运算系统的相乘环节使单相系统中出现2倍频特征，设计了一种通用于理想与非理想状态下的具备乘法结构和特殊三角函数的单相2倍频电网锁相方法，具体包括以下步骤：

步骤1，对单相电网电压进行提取得到交流电压V_s；

步骤2，构造一个包含特殊三角函数运算系统的相乘环节；

将提取的电网电压V_s的相位信号sin(ωt)乘以dq坐标系的旋转角度θ的正弦值和余弦值(sinθ/cosθ)，通过控制q轴输出V_q为零，使dq坐标系的旋转角度θ与电网电压矢量的相位角ωt一致，从而达到追踪电网电压相位的目的，稳态时，d轴分量V_d等于电网电压相电压幅值V，反馈回路输出的相位角即为二倍的电网电压相位角；与已有的利用正交信号发生器产生正交信号的单相电网锁相方法不同，本专利是基于三角函数平方倍角运算与电网电压相结合实现的2倍频单相电网锁相方法，本专利首次提出此种思路进行单相锁相，现有技术不存在利用此思路进行单相锁相的方法，所述相乘环节包括乘法器和特殊三角函数运算系统，所述相乘环节用于替代正交信号发生器，构造生成相正交的2倍频分量，本专利首次提出此种结构替代正交信号发生器，用于构造正交的2倍频分量，现有技术不存在此种结构；

步骤3，将提取的电压信号和相乘环节结构相融合，使用以下公式得到2倍频信号：

cos 2θ＝1-2 sin²θ (3)