本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)軟啟動(dòng)及同步切換領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)鎖相環(huán)方法。

背景技術(shù)：

大量的永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在工頻狀態(tài)，但是同步電動(dòng)機(jī)不能直接啟動(dòng)，需要借助變頻器變頻啟動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到工頻時(shí)仍然由變頻器供電會(huì)造成對(duì)資源和能量的浪費(fèi)，所以此時(shí)由電網(wǎng)代替變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電顯得十分必要。與異步電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)供電和變頻器供電之間進(jìn)行切換更加困難。鎖相環(huán)成為其中關(guān)鍵技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地鎖定電網(wǎng)電壓的相位是保證切換成功的前提，甚至要求在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落或發(fā)生接地故障的情況下，鎖相環(huán)仍然能夠正常工作，保證電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)安全軟停車。

鎖相環(huán)的主要目的是為了實(shí)時(shí)獲取電壓的相角和頻率，精確度、快速性和對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力成為鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo)。目前常用的幾種鎖相環(huán)方法有：過零鎖相、單同步坐標(biāo)系軟件鎖相、基于對(duì)稱分量法的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相和基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相。過零鑒相的開環(huán)鎖相方法是通過檢測(cè)電壓的過零點(diǎn)并結(jié)合線性插值法來獲取電壓的頻率和相位，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是交流電壓每個(gè)周期只有兩個(gè)過零點(diǎn)，所以其響應(yīng)速度慢，精度差，干擾嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致輸出振蕩。單同步坐標(biāo)系軟件鎖相是一種簡(jiǎn)單高效的鎖相方法，通過電壓矢量的坐標(biāo)變換和PI調(diào)節(jié)器，使電網(wǎng)無(wú)功分量達(dá)到給定值零，實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤。在三相電壓平衡的理想條件下，單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)可以較為準(zhǔn)確地獲取電壓的相位和頻率，但電壓畸變比較嚴(yán)重或三相電壓不再平衡時(shí)，該方法的輸出結(jié)果會(huì)有較大偏差。而基于對(duì)稱分量法的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)，利用全通濾波器來獲取三相電壓的正序分量，從而實(shí)現(xiàn)鎖相，具有在電網(wǎng)電壓不平衡的仍能正常工作的優(yōu)點(diǎn)，但全通濾波器參數(shù)不能輕易調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳。基于雙同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)，其主要思想是坐標(biāo)變換和解耦，最終得到電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位，但低通濾波器的引入使鎖相環(huán)的響應(yīng)速度受到影響。

LES濾波器又稱最小方差濾波器，MS Sachdev于1979年提出并應(yīng)用于數(shù)字化的阻抗繼保中，LES濾波器可以將直流分量、基波分量以及各次諧波分量快速地提取出來。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提高鎖相環(huán)和相關(guān)檢測(cè)算法的快速性和準(zhǔn)確性，將LES濾波器與雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)相結(jié)合，提出一種改進(jìn)的軟件鎖相方法，相比較于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定精度上有了一步優(yōu)化，并在由三電平背靠背變頻器和永磁同步電機(jī)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上應(yīng)用，保證了永磁同步電機(jī)軟啟動(dòng)及并網(wǎng)的成功。

一種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)鎖相環(huán)方法，包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：采用LES濾波器進(jìn)行濾波

設(shè)三相電網(wǎng)電壓信號(hào)僅含有基波和3次諧波，三相電網(wǎng)電壓信號(hào)(v_a,v_b,v_c)經(jīng)過LES濾波器進(jìn)行濾波，得到其基波電壓

步驟二：正負(fù)序分量坐標(biāo)變換

在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)基波電壓矢量進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)過的角度為θ，的運(yùn)動(dòng)速度為ω，轉(zhuǎn)過的角度為的運(yùn)動(dòng)速度為-ω，轉(zhuǎn)過的角度為利用坐標(biāo)變換原理，將先后投影到α-β靜止坐標(biāo)系和dq⁺¹及dq^-1兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，分別得到基波電壓的正序分量和負(fù)序分量

上述雙同步坐標(biāo)系包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，正序dq⁺¹坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，運(yùn)動(dòng)的速度為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度為負(fù)序dq^-1坐標(biāo)系是以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角度設(shè)為

步驟三：進(jìn)行解耦

對(duì)正負(fù)序分量進(jìn)行解耦處理，同時(shí)采用一階低通濾波器LPF計(jì)算直流量的值，形成解耦網(wǎng)絡(luò)；

通過雙同步坐標(biāo)系各自獨(dú)立的閉環(huán)調(diào)節(jié)，配置調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得經(jīng)過運(yùn)算處理后輸出的正序分量的交軸分量為0，達(dá)到鎖相成功。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:

傳統(tǒng)的基于雙同步坐標(biāo)系解耦鎖相環(huán)采用一階低通濾波器對(duì)電壓的d軸和q軸分量進(jìn)行濾波，這樣使鎖相環(huán)的輸出精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能之間形成了矛盾。加之LES濾波器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此結(jié)合LES濾波器的雙同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)可以消減鎖相環(huán)的精度和響應(yīng)速度之間的矛盾，既能保證鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)頻率和相位的準(zhǔn)確性同時(shí)保證其快速性，使控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

附圖說明

圖1為永磁同步電機(jī)變頻軟起動(dòng)及并網(wǎng)系統(tǒng)框圖。

圖2雙同步坐標(biāo)系及電壓矢量分解圖。

圖3為改進(jìn)的永磁同步電機(jī)鎖相環(huán)原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明是一種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)鎖相環(huán)方法，應(yīng)用范疇如圖1所示，一路為電網(wǎng)通過開關(guān)KM1連接變頻器，變頻器通過開關(guān)KM3連接電機(jī)，另一路為電網(wǎng)通過開關(guān)KM2直接連接電機(jī)。接通開關(guān)KM1和開關(guān)KM3，電網(wǎng)首先通過變頻器啟動(dòng)永磁同步電機(jī)(PM)。當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，切斷KM1，閉合KM2，永磁同步電機(jī)直接與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)上切并網(wǎng)。永磁同步電機(jī)上切到電網(wǎng)時(shí)需要達(dá)標(biāo)的3個(gè)條件分別是幅值、頻率和轉(zhuǎn)角。其中，只有當(dāng)碼盤檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角和電網(wǎng)的相角相差在允許的誤差范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)有效并網(wǎng)，而此處的電網(wǎng)相角需要由鎖相環(huán)提供?？紤]到電網(wǎng)受到干擾而變得不平衡的情況，研究出一種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)鎖相環(huán)方法，原理框圖如圖3所示，包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：采用LES濾波器進(jìn)行濾波

設(shè)三相電網(wǎng)電壓信號(hào)僅含有基波和3次諧波，三相電網(wǎng)電壓信號(hào)(v_a,v_b,v_c)經(jīng)過LES濾波器進(jìn)行濾波，得到其基波電壓

步驟二：正負(fù)序分量坐標(biāo)變換

當(dāng)電網(wǎng)電壓平衡時(shí)，電網(wǎng)電壓只存在正序分量。因此對(duì)應(yīng)不平衡系統(tǒng)，在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)基波電壓矢量進(jìn)行分解(轉(zhuǎn)過的角度為θ，認(rèn)為)，的運(yùn)動(dòng)速度為ω，轉(zhuǎn)過的角度為的運(yùn)動(dòng)速度為-ω，轉(zhuǎn)過的角度為利用坐標(biāo)變換原理，將先后投影到α-β靜止坐標(biāo)系和dq⁺¹及dq^-1兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，分別得到基波電壓的正序分量和負(fù)序分量

上述雙同步坐標(biāo)系包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，示意圖如圖2所示，其中：正序dq⁺¹坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，運(yùn)動(dòng)的速度為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度為而負(fù)序dq^-1坐標(biāo)系則是以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其角度設(shè)為

步驟三：進(jìn)行解耦

對(duì)上述基波電壓的正負(fù)序分量的表達(dá)式進(jìn)一步展開，以為例，如果能夠做到完全鎖相，即有可得可以看出，包含一個(gè)2次諧波振蕩交流變量，其幅值與dq^-1坐標(biāo)系中的直流量的大小有關(guān)，而針對(duì)反之亦然，正負(fù)序兩個(gè)電壓矢量存在耦合。因此，為了抑制dq⁺¹和dq^-1坐標(biāo)系中振蕩帶來的影響，對(duì)上述正負(fù)序分量進(jìn)行解耦處理；為了各個(gè)解耦單元的正確運(yùn)行，需要引入一階低通濾波器(LPF)來計(jì)算直流量的值，形成解耦網(wǎng)絡(luò)。

借鑒單同步坐標(biāo)系的鎖相控制結(jié)構(gòu)，通過雙同步坐標(biāo)系各自獨(dú)立的閉環(huán)調(diào)節(jié)，并適當(dāng)?shù)嘏渲谜{(diào)節(jié)器參數(shù)，使得經(jīng)過運(yùn)算處理后輸出的正序分量的q軸分量(即圖3中的)為0，(d軸為直軸，q軸即為交軸)，即可達(dá)到的目的，鎖相成功。

本發(fā)明這種鎖相環(huán)方法無(wú)論是在電網(wǎng)三相對(duì)稱或者是電網(wǎng)不平衡的狀態(tài)下，均能實(shí)時(shí)地跟蹤電網(wǎng)電壓，準(zhǔn)確高效地提取出電壓的幅值和相位，從而為控制器提供有效信息，使永磁同步電機(jī)順利安全地并入電網(wǎng)。

本發(fā)明的主要技術(shù)方案如下：

永磁同步電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三電平背靠背變頻器、永磁同步電機(jī)和基于DSP28335和FPGA的控制系統(tǒng)組成。最開始電動(dòng)機(jī)由變頻器供電，使電動(dòng)機(jī)由靜止啟動(dòng)并逐漸加速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到工頻附近時(shí)，控制系統(tǒng)利用鎖相環(huán)檢測(cè)出的電網(wǎng)相角相比較，判斷運(yùn)行狀況是否符合并網(wǎng)條件，若可以并網(wǎng)，控制系統(tǒng)向交流接觸器開關(guān)發(fā)出指令使電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電代替變頻器供電，這種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)鎖相環(huán)確保了永磁同步電機(jī)在任何情況下都能快速準(zhǔn)確地成功并網(wǎng)。

所述的所有環(huán)節(jié)是通過以TI公司TMS320F28335 DSP和ALTER公司的EP2C8Q20818N FPGA作為主要控制芯片的控制板實(shí)現(xiàn)。

所述的LES濾波器算法需要適當(dāng)簡(jiǎn)化，電網(wǎng)電壓可以表示為僅含有基波和3次諧波，通過一系列的計(jì)算推倒，可以得到一個(gè)系數(shù)矩陣和電壓變量矩陣的關(guān)系式，控制器可迅速計(jì)算求解該方程，便可得出各次分量的幅值和初始相角。由此，電壓中的基波分量的幅值和相位被提取出來。

所述的鎖相環(huán)方法是結(jié)合LES濾波器對(duì)傳統(tǒng)雙同步坐標(biāo)系解耦軟件鎖相環(huán)進(jìn)行改進(jìn)。其基本原理是把三相電網(wǎng)電壓信號(hào)首先經(jīng)過LES濾波器，提取出其中基波分量，再經(jīng)過坐標(biāo)變換，分別得到基波電壓的正序和負(fù)序分量，然后進(jìn)行解耦鎖相。