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CN114050605A - 一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统及方法 - Google Patents

一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统及方法 Download PDF

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CN114050605A CN202111369202.XA CN202111369202A CN114050605A CN 114050605 A CN114050605 A CN 114050605A CN 202111369202 A CN202111369202 A CN 202111369202A CN 114050605 A CN114050605 A CN 114050605A
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Abstract

本发明提供了一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统及方法，获取电网相位，结合额定的载波频率，计算得到调制系数；根据调制系统和额定的电网基波频率，计算载波频率的瞬时基准值；根据电网相位和调制系数，计算三角波的参考相位；将载波相位与三角波的参考相位进行比较，计算得到频率调节量，根据频率调节量与载波频率的瞬时基准值，计算得到载波频率的瞬时值；根据载波频率的瞬时值，生成相应频率的载波信号；本发明利用本地锁相环输出的电网相位即可实现变频脉宽调制的同步，因无需添加硬件，适用于现有并网逆变器。

Description

一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统及方法
技术领域
本发明属于脉宽调制技术领域，具体涉及一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着可再生能源发电技术的不断发展，可再生能源的装机容量不断增加。并网逆变器是将光伏电池板、风力发电机接入电网的关键设备。以集中式光伏电站、风电场为代表的大型可再生能源发电系统中需要装备数量众多的并网逆变器。由于电力电子器件的存在，并网逆变器的输出电流中含有大量的高次谐波，且由于并网逆变器中的载波相位差随时间变化，导致高次谐波随机叠加，危害电网安全。近年来提出的脉宽调制同步技术可固定多台并网逆变器中载波相位差，可实现输出谐波的相互抵消，进而可改善多并网逆变器运行带来的电能质量问题。然而，现有脉宽调制同步技术仅能用与脉宽调制频率固定的场景。专利授权号为“ZL 201811033134.8”的专利“基于锁相环的无通讯全局调制信号同步控制方法及系统”提出了基于锁相环的无通讯全局同步脉冲宽度调制技术，该技术利用锁相环输出的电网相位实时计算载波相位，由于并网逆变器采集的电网相位相同，因此可实现载波相位的一致，进而实现载波间的同步运行。然而，该技术仅能适用于脉宽调制频率固定的场景，无法用于变频了脉宽调制。
近年来，随着数字控制技术的逐渐普及，变频脉冲宽度调制技术得到广泛应用。由于开关频率不固定，变频脉冲宽度调制技术可扩散输出谐波频谱的分布范围，降低单个频率谐波的幅值，进而可以降低并网逆变器的电磁干扰，提高其并网友好性。然而，现有变频脉冲宽度调制技术仍主要针对单台并网逆变器，如何实现多台并网逆变器间变频脉冲宽度调制的同步仍属空白。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统及方法，本发明利用本地锁相环输出的电网相位即可实现变频脉宽调制的同步，因无需添加硬件，适用于现有并网逆变器。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，包括以下步骤：
获取电网相位，结合额定的载波频率，计算得到调制系数；
根据调制系统和额定的电网基波频率，计算载波频率的瞬时基准值；
根据电网相位和调制系数，计算三角波的参考相位；
将载波相位与三角波的参考相位进行比较，计算得到频率调节量，根据频率调节量与载波频率的瞬时基准值，计算得到载波频率的瞬时值；
根据载波频率的瞬时值，生成相应频率的载波信号。
作为可选择的实施方式，获取电网相位的方法为根据变频脉宽调制的变频规律获得载波幅值包络线随时间的变化函数，将所述变化函数转换为电网相位函数。
作为可选择的实施方式，获取电网相位的方法为由锁相环获取得到。
作为可选择的实施方式，调制系数为额定的载波频率与电网相位函数的比值。
作为可选择的实施方式，载波频率的瞬时基准值为调制系数和额定的电网基波频率的乘积。
作为可选择的实施方式，三角波的参考相位为调制系数与电网相位函数的乘积，再加上载波相位偏移量的值。
作为可选择的实施方式，载波频率的瞬时值为频率调节量与载波频率的瞬时基准值之和。
一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统，包括控制器、调制系数生成单元、载波相位参考值生成单元和载波相位闭环跟踪单元，其中：
所述调制系数生成单元，用于接收电网相位，并根据电网相位，结合额定的载波频率，计算得到调制系数和载波频率的瞬时基准值；
所述载波相位参考值生成单元，用于根据电网相位以及计算得到的调制系数，计算三角波的参考相位；
所述载波相位闭环跟踪单元，用于将载波相位与三角波的参考相位进行比较，计算得到频率调节量，根据频率调节量与载波频率的瞬时基准值，计算得到载波频率的瞬时值；
所述控制器，用于根据载波频率的瞬时值确定控制指令，生成相应频率的载波信号。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述方法的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明无需通讯线路，仅利用本地锁相环输出的电网相位即可实现变频脉宽调制的同步，因无需添加硬件，适用于现有并网逆变器中。
(2)本发明涉及算法简单，通过几个关键公式便可时间变频脉宽调制的同步，没有复杂计算过程，可轻松集成到现有控制器中，便于推广应用。
(3)本发明可适用于多种变频脉宽调制中，不受具体变频规则的限制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统示意框图；
图2为本发明所涵盖的两种变频脉宽调制载波示意图；
图3为本发明中的载波相位闭环跟踪单元示意框图；
图4为应用本发明前后载波相位关系示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统，并网逆变器中的控制器利用锁相环提供的电网相位信息生成与电网相位信息相关的调制系数R(t)；利用R(t)与电网相位相乘获得实时的载波相位参考值；最后基于额定实时载波频率fc,rated(t)构建前馈环路，通过闭环调节实时载波频率实现实际载波相位对载波相位参考值的实时跟踪。对于并联运行的多台并网逆变器而言，由于电网相位信息一致，因此生成的调制系数R(t)一致，最终导致载波相位参考值一致，当实际载波相位完全跟踪载波相位参考值时，就能实现变频脉宽调制的同步运行。
如图1所示，系统主要包括调制系数R(t)生成单元、载波相位参考值生成单元、载波相位闭环跟踪单元。所述调制系数R(t)生成单元的输入为电网相位θg(t)，输出为调制系数R(t)和载波频率的瞬时基准值fc,base(t)，θg(t)的具体值可由锁相环(Phase LockedLoop，PLL)得到，PLL的具体结构为业内公知常识。所述载波相位参考值生成单元的输入为R(t)和θg(t)，输出为载波相位的参考值θPWM,ref(t)。载波相位闭环跟踪单元的输入为θPWM,ref(t)和载波实际相位θPWM(t)，输出为载波频率fc(t)。
实施例二：
一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，主要包括如下步骤：
(1-1)根据变频脉宽调制的变频规律获得载波幅值包络线随时间的变化函数Amp(t)，其中Amp(t)的周期为基波周期的一半，且Amp(t)的前半周期与后半周期呈现偶对称。Amp(t)可以是分段线性函数，也可以是三角函数。两种常见Amp(t)波形如图2所示，公式为：
Figure BDA0003361776320000071
Amp(t)＝1+ηsin(6πfgt) 0≤t≤TA (2)
其中σ为三角波包络线的斜率，η为正弦包络线的幅值，TA为Amp(t)的周期，fg为电网基波频率。实际应用中，也可根据调制需求选择其他不同的Amp(t)。
(1-2)利用如下公式将Amp(t)转化为电网相位θg(t)的函数：
Figure BDA0003361776320000072
Amp[θg(t)]＝1+ηsin(3θg(t)) 0≤θg(t)≤π (4)
其中，fg,rated为额定的电网基波频率。
(1-3)利用如下公式计算获得调制系数R(t)：
Figure BDA0003361776320000073
其中，fc,rated为额定的载波频率。
(1-4)利用如下公式计算获得载波频率的瞬时基准值:
fc,base(t)＝R(t)fg,rated (6)
(2-1)根据R(t)和θg(t)计算三角波的参考相位：
Figure BDA0003361776320000081
其中，φPWM为载波相位偏移量，其具体取值可根据控制目标求取，例如，当控制目标为保证载波相位完全相同时，可将φPWM设置为0。
(3-1)实际载波相位θPWM(t)与θPWM,ref(t)比较，并经过P I调节器得到频率调节量△f(t)。△f(t)与载波频率的瞬时基准值fc,base(t)相加获得载波频率的瞬时值fc(t)。载波相位闭环跟踪单元的框图如图3所示。之后，控制器中的载波生成单元可根据fc(t)生成相应频率的载波信号，多个控制器中生成的载波信号相位差不会随时间变化，如图4所示。
实施例三：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述实施例二的方法的步骤。
实施例四：
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述实施例二的方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：包括以下步骤：
获取电网相位，结合额定的载波频率，计算得到调制系数；
根据调制系统和额定的电网基波频率，计算载波频率的瞬时基准值；
根据电网相位和调制系数，计算三角波的参考相位；
将载波相位与三角波的参考相位进行比较，计算得到频率调节量，根据频率调节量与载波频率的瞬时基准值，计算得到载波频率的瞬时值；
根据载波频率的瞬时值，生成相应频率的载波信号。
2.如权利要求1所述的一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：获取电网相位的方法为根据变频脉宽调制的变频规律获得载波幅值包络线随时间的变化函数，将所述变化函数转换为电网相位函数。
3.如权利要求1所述的一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：获取电网相位的方法为由锁相环获取得到。
4.如权利要求1所述的一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：调制系数为额定的载波频率与电网相位函数的比值。
5.如权利要求1所述的一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：载波频率的瞬时基准值为调制系数和额定的电网基波频率的乘积。
6.如权利要求1所述的一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：三角波的参考相位为调制系数与电网相位函数的乘积，再加上载波相位偏移量的值。
7.如权利要求1所述的一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步方法，其特征是：载波频率的瞬时值为频率调节量与载波频率的瞬时基准值之和。
8.一种基于本地电网相位的变频脉宽调制同步系统，其特征是：包括控制器、调制系数生成单元、载波相位参考值生成单元和载波相位闭环跟踪单元，其中：
所述调制系数生成单元，用于接收电网相位，并根据电网相位，结合额定的载波频率，计算得到调制系数和载波频率的瞬时基准值；
所述载波相位参考值生成单元，用于根据电网相位以及计算得到的调制系数，计算三角波的参考相位；
所述载波相位闭环跟踪单元，用于将载波相位与三角波的参考相位进行比较，计算得到频率调节量，根据频率调节量与载波频率的瞬时基准值，计算得到载波频率的瞬时值；
所述控制器，用于根据载波频率的瞬时值确定控制指令，生成相应频率的载波信号。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项方法的步骤。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项方法的步骤。
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