本发明专利技术涉及一种弱电网下基于一阶复矢量滤波器的锁相环补偿控制电路，属于电子电路领域。在锁相环与公共耦合点电压前馈通道前串联该新型一阶复矢量滤波器，利用并网系统的等效阻抗模型进行稳定性分析。理论分析表明，该方法减小了电网阻抗以及锁相环带宽等扰动量对逆变器等效输出阻抗的影响，在电网阻抗宽范围变化时仍可使控制系统具有足够的稳定裕度，提高并网逆变器的鲁棒性。最后，通过仿真结果验证了该方法的有效性。证了该方法的有效性。证了该方法的有效性。
【技术实现步骤摘要】
一种弱电网下基于一阶复矢量滤波器的锁相环补偿控制电路
[0001]本专利技术属于电子电路领域，涉及一种弱电网下基于一阶复矢量滤波器的锁相环补偿控制电路。
技术介绍
[0002]一般来说，电网中大量非线性负载的引入导致公共耦合点PCC电压存在背景谐波，其作为并网控制系统的扰动量将造成逆变器并网电流包含同频次的谐波分量，严重影响入网电能质量。为降低电网电压背景谐波对并网电流产生畸变的影响，通过PCC电压比例前馈对背景谐波进行抑制的方法得到广泛应用。然而，并网控制系统在弱电网下会与传统PCC电压比例前馈的正反馈通道通过电网阻抗发生耦合现象，等效为在环路增益中引入一个附加相位滞后环节，使系统在数十到数千赫兹内的相位裕度大幅下降。
[0003]此外，为了实现逆变器运行在单位功率因数并网工况，可利用锁相环PLL检测PCC电压相位信息，产生与之同相位的并网电流参考信号。其中，基于同步旋转坐标系的锁相环SRF
‑
PLL结构，因其实现简单而被广泛使用。然而，PLL与电网阻抗之间存在很强的耦合现象，PLL产生的负相移将对逆变器输出阻抗相频特性产生较大影响，且影响频段范围在两倍PLL带宽内，与电网电压前馈影响频段范围有所交叉，进一步降低并网逆变器控制系统的稳定性。
[0004]目前，针对PLL造成的并网控制系统稳定性下降问题，已有诸多学者从不同角度给出相应的分析和方法，主要包括两类：
[0005]1)PLL前置相位补偿环节，其往往是具有相位滞后的低特性。例如：前置复数滤波器、前置二阶低通滤波器、前置自适应谐振积分滤波器等。然而，前置相位补偿环节无法同时保证逆变器的单位功率因数并网和优良的电网电压背景谐波抑制效果。
[0006]2)自适应调整PLL环路滤波器。例如：有文献推导了锁相环输出相角的频域表达式，提出了一种自适应PLL控制策略，从而增强PLL系统鲁棒性，但是该方法需实时计算PCC电压的d轴分量；还有文献通过建立考虑电网阻抗的锁相环小信号模型和锁相环输出相角补偿校正，来提高系统稳定性，但是该方法设计较为复杂。
[0007]综上所述，弱电网下同时考虑锁相环与电网电压前馈对并网逆变器稳定性的影响仍未得到充分解决。
技术实现思路
[0008]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种弱电网下基于一阶复矢量滤波器的锁相环补偿控制电路。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种弱电网下基于一阶复矢量滤波器的锁相环补偿控制电路，该电路为在锁相环与公共耦合点电压前馈通道前串联新型一阶复矢量滤波器；
[0011]构造改进控制环节传递函数为：
[0012]G
T
(s)＝G
p
(s)
·
G
q
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0013]其中，G
p
(s)为一阶复矢量滤波器，G
q
(s)起到补偿滤波器引入而带来相位差的作用；
[0014]为使系统在基频处幅值与相位无偏差，设计该一阶复矢量滤波器的传递函数为：
[0015][0016]其中
[0017][0018]由式(8)看出，G
p
(s)为复矢量表达式，给控制策略实现带来一定困难；j代表幅值不变，相位正向旋转90
°
；在аβ静止坐标系中，中间变量m
а
和m
β
为正交变量，利用m
а
＝jm
β
这一关系来实现复数j；
[0019]把一阶复矢量滤波器环节放置于аβ静止坐标系下，考虑到а轴与β轴的对称和正交特点，可以对其输入和输出进行复矢量处理，并假设该环节输出为u
а
和u
β
，则它看成一个单输入单输出的复矢量滤波器；则有
[0020][0021]由式(8)和式(10)得
[0022][0023]式中
[0024][0025]由G
p
(s)的表达式看出，其在50Hz处幅值为0dB；为得到最优相位补偿，需要对参数a、b进行设计，并且考虑到实际电网中电网频率会出现波动，为保证该一阶复矢量滤波器的有效性，根据带宽频率
‑
3dB的定义，有：
[0026]|G
p
[j(ω0±
2πf
c
)|＝10
‑
3/20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0027]式中，f
c
为电网频率波动范围；
[0028]由式(13)得到参数a、b所满足的关系式
[0029]a2+b2≈(2πf
c
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0030]为使加入改进控制策略后并网逆变器系统不含右半平面的零点或者极点，a和b须大于0；
[0031]把s＝jω0代入式(8)得
[0032][0033]推导出一阶复矢量滤波器G
p
(s)在基波频率处的相位以及相位取值区间为
[0034][0035]令s＝j(ω0±
2πf
c
)，根据式(8)得G
p
(s)的幅频特性为
[0036][0037]由式(16)和式(17)知，参数a、b变化会使一阶复矢量滤波器在f0处的相位随之发生改变，变化范围在0
°
到90
°
之间；此外，a、b变化并不会使滤波器的幅值曲线有所变化，其幅值仅和f
c
有关；该滤波器引入后会在基频处产生额外的相位差，为使系统能够实现单位功率因数并网，后续还要添加额外的相位补偿环节G
q
(s)；综合考虑，为使后续相位补偿环节设计简单，且保证并网逆变器具有充足的相位裕度，设定参数a＝b。
[0038]可选的，所述并网逆变器引入所述一阶复矢量滤波器后，其在基频处存在相位偏差；为使PLL输出相位与PCC电压相位一致，在该滤波器后加入一阶全通滤波器环节；全通滤波器只会从转折频率处改变相位，并不会改变原有的幅值曲线；
[0039][0040]上式为一阶全通滤波器的传递函数，其中：c为G
q
(s)的转折频率；
[0041]令s＝jω0，代入式(18)中得：
[0042][0043]推导出全通滤波器G
q
(s)在基频处的相位表达式为
[0044][0045]为弥补控制改进环节所引入的相位差，应使全通滤波器和一阶复矢量滤波器在基频处的相位之和为0
°
，即ψ1+ψ2＝0
°
；则有：
[0046][0047]由式(21)得，全通滤波器的转折频率为
[0048][0049]对于P本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种弱电网下基于一阶复矢量滤波器的锁相环补偿控制电路，其特征在于：该电路为在锁相环与公共耦合点电压前馈通道前串联新型一阶复矢量滤波器；构造改进控制环节传递函数为：G
T
(s)＝G
p
(s)
·
G
q
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，G
p
(s)为一阶复矢量滤波器，G
q
(s)起到补偿滤波器引入而带来相位差的作用；为使系统在基频处幅值与相位无偏差，设计该一阶复矢量滤波器的传递函数为：其中由式(8)看出，G
p
(s)为复矢量表达式，给控制策略实现带来一定困难；j代表幅值不变，相位正向旋转90
°
；在аβ静止坐标系中，中间变量m
а
和m
β
为正交变量，利用m
а
＝jm
β
这一关系来实现复数j；把一阶复矢量滤波器环节放置于аβ静止坐标系下，考虑到а轴与β轴的对称和正交特点，可以对其输入和输出进行复矢量处理，并假设该环节输出为u
а
和u
β
，则它看成一个单输入单输出的复矢量滤波器；则有由式(8)和式(10)得式中由G
p
(s)的表达式看出，其在50Hz处幅值为0dB；为得到最优相位补偿，需要对参数a、b进行设计，并且考虑到实际电网中电网频率会出现波动，为保证该一阶复矢量滤波器的有效性，根据带宽频率
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3dB的定义，有：|G
p
[j(ω0±
2πf
c
)|＝10
‑
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(13)式中，f
c
为电网频率波动范围；由式(13)得到参数a、b所满足的关系式a2+b2≈(2πf
【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，胡梦圆，杨杰，赵月圆，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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