[发明专利]高比例新能源接入电网的无频率耦合锁相方法

权利要求书

1.一种高比例新能源接入电网的无频率耦合锁相方法，所述高比例新能源为三相系统，其特征在于，该方法使用电压复向量进行锁相，具体包括以下步骤：

步骤1，坐标变换与复向量合成

对三相系统的三相电压信号进行采样，并将采样得到的三相电压信号u_a,u_b,u_c经过Clarke变换，得到两相静止坐标系下的电压信号u_α,u_β，其坐标变换式为：

其中，U_m为三相电网电压幅值，θ为电网电压相位角；

定义电网电压角频率为ω；

将电压信号u_α,u_β合成为复向量形式，并记为电压复向量u_αβ；将三相电网电压幅值U_m表示为自然指数形式其中θ_d为幅值角，将电网电压相位角θ记为相位角θ_q；其电压复向量u_αβ合成式为：

其中，j表示向量虚部；

步骤2，双线性变换

定义上一拍的电压复向量估计信号为上一拍的幅值角估计信号为上一拍的相位角估计信号为上一拍的电网电压幅值估计值为上一拍的电网电压相角估计值为θ^*，则双线性变换的输入Z的表达式为：

其中，θ_derr为幅值角估计误差，θ_qerr为相位角估计误差，θ_err为电网电压相角估计误差，θ_err＝θ_derr+jθ_qerr；

定义双线性变换的输出量为x，结合欧拉公式，所述双线性变换计算方程为：

当相角估计误差θ_err小于0.01时，有近似如下：x＝jtan(-jθ_err/2)≈θ_err/2；

步骤3，锁相环节

锁相环节包括两种方案，方案1采用PI调节器实现锁相，方案2使用两级P调节器实现锁相；

步骤3.1，采用PI调节器实现锁相

将步骤2得到的双线性变换的输出x作为锁相环节中PI调节器的输入，PI调节器的输出为电网电压角频率的估计值ω^*，该电网电压频率的估计值ω^*为矢量，有其中，为幅值角频率估计值，为相位角频率估计值；

所述PI调节器的传递函数为：

其中，k_p为PI调节器的比例系数，k_i为PI调节器的积分系数，s为拉普拉斯算子；

将电网电压角频率的估计值ω^*作为积分器的输入信号，积分器的输出信号为电网电压相角估计值θ^**：

该电网电压相角估计值θ^**用于下一拍计算，形成闭环；

步骤3.2，利用两级P调节器实现锁相

包括两级双线性变换、两级P调节器；

步骤3.2.1，将步骤2中的双线性变换定义为第一次双线性变换，根据步骤2得到的第一次双线性变换的输出量x作为锁相环节中第一级P调节器的输入，第一级P调节器的输出为电网电压角频率的带偏差估计值ω′，该电网电压角频率的带偏差估计值ω′为矢量，ω′＝ω′_d+jω′_q，其中，ω′_d为幅值角频率的带偏差估计值，ω′_q记为相位角频率的带偏差估计值；

所述第一级P调节器的传递函数为：

G_P1(s)＝k_p1

其中，k_p1为第一级P调节器的比例系数；

将电网电压角频率的带偏差估计值ω′作为积分器的输入，积分器的输出为电网电压相角带偏差估计值θ′：

该电网电压相角带偏差估计值θ′代替步骤2中电网电压相角估计值θ^*用于下一拍计算，形成闭环；

步骤3.2.2，定义第二次双线性变换的输入Z′，其中为上一拍的电网电压相角偏差估计值，则第二次双线性变换的输出x′表示为：

将第二次双线性变换的输出x′作为锁相环节中第二级P调节器的输入，第二级P调节器的输出为电网电压角频率偏差的估计值ω″，该电网电压频率偏差的估计值ω″为矢量，ω″＝ω″_d+jω″_q，其中，ω″_d为幅值角频率偏差的估计值，ω″_q为相位角频率偏差的估计值；

所述第二级P调节器的传递函数为：

G_P2(s)＝k_p2

其中，k_p2为第二级P调节器的比例系数；

将电网电压角频率偏差的估计值ω″作为积分器的输入，积分器的输出为电网电压相角偏差估计值

该电网电压相角偏差估计值用于下一拍计算，形成闭环；

步骤3.2.3，将步骤3.2.4得到的电网电压相角偏差估计值作为补偿，与步骤3.2.1得到的电网电压相角带偏差估计值θ′相加，得到电网电压相角估计值θ^**：

步骤4，虚实部分解与指数还原

步骤3得到的电网电压相角估计值θ^**为矢量，对其进行虚实部分解可得到幅值角估计信号和相位角估计信号对幅值角估计信号进行自然指数还原后可得到电网电压幅值估计值所述计算过程如下：

至此，无频率耦合的对称锁相环构造完毕。