CN104917518A - 一种svg单相锁相环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SVG单相锁相环方法，通过分析单相电网锁相原理，提出一种基于DTF算法、利用对相位的闭环控制来动态调节相位角，从而实现对单相电网的固定采样点数的锁相；基于DFT算法的固定采样点数的单相数字锁相闭环，即使在同步信号中含有谐波、多个过零点、不平衡等多种情况时仍然能够正常工作，具有较高的精度和快速性，解决了单相电网中电力电子设备对于电网电压同步信号频率和相位的跟踪问题。

Description

一种SVG单相锁相环方法

技术领域

本发明涉及一种SVG单相锁相环方法，即使在同步信号中含有谐波、多个过零点、不平衡等多种情况时仍然能够正常运行，具有较高的精度和快速性。

背景技术

在电力电子、自动控制逐步发展的基础上，电力电子设备，其性能一定程度上依赖于其锁相环对于单相电网电压同步信号频率和相位的跟踪能力。常规的离散傅里叶变换(DFT)用于计算电网的幅值和相位时，如果DFT采样窗口的周期与电网周期不一致，则计算结果会有相位差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种SVG单相锁相环方法，针对单相电网的同步信号中含有谐波、多个过零点、不平衡等多种情况，通过采用固定采样点数、DFT运算、闭环控制等方法，克服锁相相位存在误差、无法锁定等问题，解决单相电网中电力电子设备对于电网电压同步信号频率和相位的跟踪问题，具有较高的精度和快速性；同时也解决了工程中便于数字化处理的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种SVG单相锁相环方法，通过分析单相电网锁相原理，提出一种基于DTF算法、利用对相位的闭环控制来动态调节相位角，从而实现对单相电网的固定采样点数的锁相；具体包括如下步骤：

步骤一：设单相输入信号为u(t)，对输入信号u(t)进行如下的基波傅里叶变换：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1x}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\×sin\left(\mathrm{\ω}t\right)dt\\ u_{1y}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\×cos\left(\mathrm{\ω}t\right)dt\\ \mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{u_{1y}}{u_{1x}}\right)\end{array}\right.$

其中：T为工频周期，ω为角频率；u_1x+u_1y×j为输入信号u(t)的基波向量，基波向量与参考正弦向量的夹角为θ；

步骤二：以u_1y作为锁相环闭环调节的误差信号，得到模拟域闭环控制环路；

步骤三：单相锁相环：根据输入信号u(t)、参考频率f₀、反馈信号sinθ和cosθ，经过基波傅里叶变换运算得到u_1y，对u_1y取反得到误差信号△θ＝-u_1y，将△θ作为零散控制器D(s)的输入信号并得到控制输出T_x，经过运算得到相位角对θ进行三角函数计算得到反馈信号sinθ和cosθ，最终形成一个完整的闭环。

该方法中闭环控制的零散控制器D(s)输入级涉及的滤波器设计过程如下：

(1)为了解决离散化采样，造成正序、负序的100Hz波动，在滤波器的输出端设计一个50Hz的滤波，滤除因数字化而引起的波动；

(2)设计二阶低通滤波器为ω_n＝100π，S为复频域中复变量；经过幅频特性分析，在50Hz处幅值为1(无衰减)，相位之后90°，超过50Hz后幅值迅速衰减，可以同时起到滤波与相移的作用。

有益效果：本发明提供的SVG单相锁相环方法，能够克服DFT采样窗口的周期与电网周期不一致导致计算结果存在相位差的问题，同时可以解决过零鉴相器在同步信号因含有谐波造成多个过零点而导致锁相失败的问题，还能够实现锁相环周期调节，具有较高的精度和快速性，解决了单相电网中电力电子设备对于电网电压同步信号频率和相位的跟踪问题。

附图说明

图1为本发明的基于零散傅里叶变换的锁相闭环框图；

图2为本发明的二阶低通滤波器幅频特性；

图3为本发明的基于傅里叶变换的锁相环仿真模型；

图4为本发明的基波时的外同步信号与内同步信号相位；

图5为本发明的谐波时的外同步信号与内同步信号相位。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种SVG单相锁相环方法，通过分析单相电网锁相原理，提出一种基于DTF算法、利用对相位的闭环控制来动态调节相位角，从而实现对单相电网的固定采样点数的锁相；具体包括如下步骤：

步骤一：设单相输入信号为u(t)，对输入信号u(t)进行如下的基波傅里叶变换：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1x}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\×sin\left(\mathrm{\ω}t\right)dt\\ u_{1y}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\×cos\left(\mathrm{\ω}t\right)dt\\ \mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{u_{1y}}{u_{1x}}\right)\end{array}\right.$

其中：T为工频周期，ω为角频率；u_1x+u_1y×j为输入信号u(t)的基波向量，基波向量与参考正弦向量的夹角为θ；

步骤二：以u_1y作为锁相环闭环调节的误差信号，得到模拟域闭环控制环路；

步骤三：单相锁相环：根据输入信号u(t)、参考频率f₀、反馈信号sinθ和cosθ，经过基波傅里叶变换运算得到u_1y，对u_1y取反得到误差信号△θ＝-u_1y，将△θ作为零散控制器D(s)的输入信号并得到控制输出T_x，经过运算得到相位角对θ进行三角函数计算得到反馈信号sinθ和cosθ，最终形成一个完整的闭环。

如图2所示，为本方法中闭环控制的零散控制器D(s)输入级涉及的滤波器的幅频特性，该滤波器的设计过程如下：

(1)为了解决离散化采样，造成正序、负序的100Hz波动，在滤波器的输出端设计一个50Hz的滤波，滤除因数字化而引起的波动；

(2)设计二阶低通滤波器为ω_n＝100π，S为复频域中复变量；经过幅频特性分析，在50Hz处幅值为1(无衰减)，相位之后90°，超过50Hz后幅值迅速衰减，可以同时起到滤波与相移的作用。

图2为所设计滤波器的波特图(Bode Diagram，又称幅频响应和相频响应曲线图)，可看出***的频率响应，横轴为频率(Frequency，Hz)以对数尺度(log scale)表示，幅频(Magnitude，DB)、相频(Phase，Deg)特性分别对应纵轴的上、下栏，幅频图表示频率响应增益的分贝值对频率的变化，相频图则是频率响应的相位对频率的变化。具体特性为：在50Hz处幅值为1(无衰减)，相位之后90°，超过50Hz后幅值迅速衰减，可以同时起到滤波与相移的作用。

图3为基于傅里叶变换的锁相环仿真模型，按照图1控制闭环搭建，包括模拟信号、控制环节、输出信号等，主要是为了验证其可行性、性能。

图4为仿真波形图-基波时的外同步信号与内同步信号相位，横轴为时间t，纵轴中：实线为外同步信号-也是输入信号、虚线为内同步信号；两者实时跟踪、相位差保持零。

图5为仿真波形图-谐波时的外同步信号与内同步信号相位，横轴为时间t，纵轴中：实线为外同步信号-也是输入信号、点断线为内同步信号、虚线为参考基波信号；虽有多个过零点、谐波，两者同样实时跟踪、相位差保持零。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种SVG单相锁相环方法，其特征在于：通过分析单相电网锁相原理，提出一种基于DTF算法、利用对相位的闭环控制来动态调节相位角，从而实现对单相电网的固定采样点数的锁相；具体包括如下步骤：

步骤一：设单相输入信号为u(t)，对输入信号u(t)进行如下的基波傅里叶变换：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1x}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\×sin\left(\mathrm{\ω}t\right)dt\\ u_{1y}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}u\left(t\right)\×cos\left(\mathrm{\ω}t\right)dt\\ \mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{u_{1y}}{u_{1x}}\right)\end{array}\right.$

其中：T为工频周期，ω为角频率；u_1x+u_1y×j为输入信号u(t)的基波向量，基波向量与参考正弦向量的夹角为θ；

步骤二：以u_1y作为锁相环闭环调节的误差信号，得到模拟域闭环控制环路；

步骤三：单相锁相环：根据输入信号u(t)、参考频率f₀、反馈信号sinθ和cosθ，经过基波傅里叶变换运算得到u_1y，对u_1y取反得到误差信号△θ＝-u_1y，将△θ作为零散控制器D(s)的输入信号并得到控制输出T_x，经过运算得到相位角对θ进行三角函数计算得到反馈信号sinθ和cosθ，最终形成一个完整的闭环。

2.根据权利要求1所述的SVG单相锁相环方法，其特征在于：该方法中闭环控制的零散控制器D(s)输入级涉及的滤波器设计过程如下：

(1)在滤波器的输出端设计一个50Hz的滤波；

(2)设计二阶低通滤波器为ω_n＝100π，S为复频域中复变量。