CN112152609B - 锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置 - Google Patents

锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置，包括比较器、环路滤波器、压控振荡器、幅值***和参数自适应控制器；比较器根据电网电压信号与幅值***反馈的输出信号，得到误差信号；参数自适应控制器根据反映相位变化的参数，生成环路滤波器的当前周期的增益参数，环路滤波器在当前周期的增益参数得到电网电压的频率增量，压控振荡器得到电网电压的相位，幅值***对输出信号进行调节，使得输出信号与电网电压信号的锁相，实现了环路滤波器的增益参数随电网电压相位变化而变化，从而在相位跳变时能够抑制频率瞬间扰动，提高了锁相环对异常电网环境的适应性，并保证锁相环快速准确地获取电网电压信息的良好动态性能。

Description

锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置
技术领域
本发明属于电能变化技术领域，具体涉及一种锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置。
背景技术
快速准确地获取电网电压的相位、频率、幅值等电网电压信息是恶劣电网环境条件下电力电子装置安全稳定运行的前提，也是实现高性能变流器控制的基本要求，高性能的锁相环技术起着至关重要作用。
铁路等设施的供电***的负荷具有功率大、随机波动性、非线性等特征，以及弓网离线等工况，会出现电网电压的相位突变、电压幅值跌落和谐波污染等网压异常现象。在增强型锁相环中，环路滤波器的增益系数是直接控制相位频率环的带宽，快速的反应需要宽带宽，即取值要大，但这将使频率和相位耦合程度更高；在出现网压异常现象时，锁相环会因为频率扰动使锁相速度和精度降低。
因此，如何提高锁相环对异常电网环境的适应性，并保证锁相环快速准确地获取电网电压信息的良好动态性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置，以提高锁相环对异常电网环境的适应性，并保证锁相环快速准确地获取电网电压信息的良好动态性能。
针对上述问题，本发明提供了一种锁相环，包括比较器、环路滤波器、压控振荡器、幅值***和参数自适应控制器；
所述比较器的输入端与所述幅值***的输出端相连；
所述比较器的输出端分别与所述环路滤波器的输入端和所述幅值***的输入端相连；
所述环路滤波器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连；
所述压控振荡器的输出端分别与所述环路滤波器的输入端和所述幅值***的输入端相连；
所述参数自适应控制器与所述环路滤波器的控制端相连；
所述比较器用于对输入的电网电压信号与所述幅值***反馈到锁相环输入端的输出信号进行鉴相，得到包含相位误差的锁相环的输入与输出的误差信号；
所述参数自适应控制器用于根据获取的反映相位变化的参数，生成所述环路滤波器的当前周期的增益参数；
所述环路滤波器用于在所述当前周期的增益参数下，对所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第一电网电压相角信号进行积分，得到当前周期的电网电压频率变量；
所述压控振荡器用于根据所述电网电压频率变量和预设频率值，得到当前周期的第一电网电压相角信号和当前周期的第二电网电压相角信号；
所述幅值***用于根据所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第二电网电压相角信号，对所述输出信号进行调节，以使所述输出信号与所述电网电压信号同步。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述反映相位变化的参数包括所述误差信号或所述环路滤波器反馈的上一周期的电网电压频率变量。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述反映相位变化的参数包括所述误差信号和所述环路滤波器反馈的上一周期的电网电压频率变量，所述参数自适应控制器具体用于：
将所述相位信号误差、所述电网电压频率变量和预设的标准增益系数分别代入预设的计算式中进行计算，得到所述当前周期的增益参数。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述计算式为：
其中，K′为所述当前周期的增益参数，K为所述标准增益系数，Δω为所述上一周期的电网电压频率变量，e(t)为所述误差信号，λ1为所述上一周期的电网电压频率变量的权重值，λ2为所述误差信号的权重值。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述λ1与所述λ2的和为1，且所述λ1小于所述λ2。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述参数自适应控制器还用于：
若所述当前周期为首个检测周期，将所述标准增益系数作为所述当前周期的增益参数。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述压控振荡器具体用于：
将所述电网电压频率变量和所述预设频率值相加后，得到电网电压频率值；
对所述电网电压频率值进行积分，得到电网电压相角值；
将所述电网电压相角值的余弦函数作为所述第一电网电压相角信号，以及，将所述电网电压相角的正弦函数作为所述第二电网电压相角信号。
进一步地，上述所述的锁相环中，所述幅值***具体用于：
将所述相位信号误差与所述第二电网电压相角信号相乘，得到第一乘积；
对所述第一乘积进行积分处理，得到当前周期内的电压电网幅值；
将所述电压电网幅值与所述第二电网电压相角信号相乘的第二乘积作为当前周期内的输出信号。
本发明还提供一种基于上述所述锁相环控制电网电压信息同步的方法，包括：
利用所述比较器对输入的电网电压信号与所述幅值***反馈到锁相环输入端的输出信号进行比较，得到误差信号；
利用所述参数自适应控制器根据获取的反映相位变化的参数，生成所述环路滤波器的当前周期的增益参数；
利用所述环路滤波器在所述当前周期的增益参数下，对所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第一电网电压相角信号进行积分，得到当前周期的电网电压频率变量；
利用所述压控振荡器根据所述电网电压频率变量和预设频率值，得到当前周期的第一电网电压相角信号和当前周期的第二电网电压相角信号；
利用所述幅值***根据所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第二电网电压相角信号，对所述输出信号进行调节，以使所述输出信号与所述电网电压信号同步。
本发明还提供一种电力电子装置，设置有如上所述的锁相环。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明的锁相环、控制电网电压信息同步的方法和电力电子装置，通过设置参数自适应控制器，并利用参数自适应控制器根据获取的反映相位变化的参数，生成环路滤波器的当前周期的增益参数，实现了环路滤波器的增益参数随电网电压相位变化而变化，从而在相位跳变时能够抑制频率瞬间扰动，保证锁相环能够快速准确的获取电网电压信息。采用本发明的技术方案，能够提高锁相环对异常电网环境的适应性，并保证锁相环快速准确地获取电网电压信息的良好动态性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术的锁相环实施例的结构示意图；
图2为本发明的锁相环实施例的结构示意图；
图3为相位突变时频率瞬时变化的示意图；
图4为网压畸变锁相示意图；
图5为网压幅值的跟踪状态示意图；
图6为本发明的控制电网电压信息同步的方法实施例的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种锁相环。
图1为现有技术的锁相环实施例的结构示意图，如图1所示，现有技术中的锁相环包括比较器10、环路滤波器11、压控振荡器12和幅值***13。在图1中，第一增益系数K2和第二增益系数K3是控制相位频率环，其中，第一增益系数K2是直接控制相位频率环的带宽；快速的反应需要宽带宽，即第一增益系数K2取值要大，但这将使频率和相位耦合程度更高。这样，在出现供电异常现象时，锁相环会因为频率扰动使锁相速度和精度降低。因此，本发明提供了以下技术方案。
图2为本发明的锁相环实施例的结构示意图，如图2所示，本实施例的锁相环包括比较器10、环路滤波器11、压控振荡器12、幅值***13和参数自适应控制器14。其中，比较器10的输入端与幅值***13的输出端相连；比较器10的输出端分别与环路滤波器11的输入端和幅值***13的输入端相连；环路滤波器11的输出端与压控振荡器12的输入端相连；压控振荡器12的输出端分别与环路滤波器11的输入端和幅值***13的输入端相连；参数自适应控制器14与环路滤波器11的控制端相连。
在一个具体实现过程中，通过锁相环的闭环，比较器10能够获取幅值***13反馈到锁相环输入端的输出信号vo，并对供电***输入的电网电压信号vi与幅值***13反馈到锁相环输入端的输出信号vo进行比较，得到包含相位误差的锁相环的输入与输出的误差信号e(t)，并将误差信号e(t)分别发送给环路滤波器11和幅值***13。
参数自适应控制器14用于根据获取的反映相位变化的参数，生成环路滤波器11的当前周期的增益参数K′。具体地，本实施例中，比较器10的输出端和环路滤波器11的输出端均与参数自适应控制器14相连。对应地，反映相位变化的参数包括误差信号e(t)和/或环路滤波器11反馈的上一周期的电网电压频率变量Δω。本实施例中，以反映相位变化的参数包括误差信号e(t)和上一周期的电网电压频率变量Δω为例对本发明的技术方案进行描述。参数自适应控制器14具体用于：将误差信号的e(t)、上一周期的电网电压频率变量Δω和预设的标准增益系数K分别代入预设的计算式中进行计算，得到当前周期的增益参数K′。该计算式优选为：
其中，K′为当前周期的增益参数，K为标准增益系数，Δω为上一周期的电网电压频率变量，e(t)为包含相位误差的锁相环的输入与输出的误差信号，λ1为上一周期的电网电压频率变量的权重值，λ2为误差信号的权重值。在实际应用中，相位跳变时，误差信号e(t)的反映直接，而上一周期的电网电压频率变量Δω是环路滤波器11的输出，反映相位变化需要PI调节需要一个过程，因此误差信号e(t)比上一周期的电网电压频率变量Δω对相位更加敏感，所以本实施例中，优选为λ1小于所述λ2。本实施例中，为了能够精准的获取当前周期的增益参数，优选为λ1与λ2的和为1。
在实际应用中，若反映相位变化的参数包括误差信号e(t)或环路滤波器11反馈的上一周期的电网电压频率变量Δω，可以将上述计算式中不包含的数据设置为0即可。
需要说明的是，本实施例中，参数自适应控制器14还用于若检测到当前周期为首个检测周期，将标准增益系数作为当前周期的增益参数。
本实施例中，参数自适应控制器14在生成环路滤波器11的当前周期的增益参数后，环路滤波器11便可以在当前周期的增益参数下，对误差信号e(t)和压控振荡器12反馈的上一周期的第一电网电压相角信号进行积分，得到当前周期的电网电压频率变量Δω，并将得到的当前周期的电网电压频率变量Δω发送给压控振荡器12。具体地，可以将误差信号e(t)与第一电网电压相角信号相乘后，再进行积分，即可得到当前周期的电网电压频率变量Δω。
压控振荡器12用于根据当前周期的电网电压频率变量Δω和预设频率值ω0，得到当前周期的第一电网电压相角信号和当前周期的第二电网电压相角信号。具体地，压控振荡器12对当前周期的电网电压频率变量Δω和预设频率值ω0进行求和，得到当前周期的电网电压相角值θ0，并将当前周期的电网电压相角值θ0与余弦函数相乘，得到当前周期的第一电网电压相角信号，发送给环路滤波器11；将当前周期的电网电压相角值θ0与正弦函数相乘，得到当前周期的第二电网电压相角信号，发送给幅值***13。
幅值***13用于根据误差信号e(t)和压控振荡器12反馈的周期的第二电网电压相角信号，对输出信号进行调节，以使输出信号与电网电压信号同步。具体地，将相位信号误差e(t)与第二电网电压相角信号相乘，得到第一乘积；对第一乘积进行积分处理，得到当前周期内的电压电网幅值V0；将电压电网幅值V0与第二电网电压相角信号相乘的第二乘积作为当前周期内的输出信号。图中，K1为复制追踪器的比例积分系数。
本实施例的锁相环，通过设置参数自适应控制器14，并利用参数自适应控制器14根据获取的反映相位变化的参数，生成环路滤波器11的当前周期的增益参数，实现了环路滤波器11的增益参数随电网电压相位变化而变化，从而在相位跳变时能够抑制频率瞬间扰动，保证锁相环能够快速准确的获取电网电压信息。采用本发明的技术方案，能够提高锁相环对异常电网环境的适应性，并保证锁相环快速准确地获取电网电压信息的良好动态性能。
本发明的技术方案在Matlab中进行了实现与验证，具体可以参考下述相关记载：
图3为相位突变时频率瞬时变化的示意图，如图3所示，在理想网压情况下相位发生突变(图中箭头300所指位置)；在图中可看出现有技术中增强型锁相环(图中箭头100)此时需要一定时间达到稳定，而本发明的参数自适应增强型的锁相环(图中箭头200)的响应速度更快并且频率波动更小。
图4为网压畸变锁相示意图，如图4所示，实际牵引供电网真实网压信息，条件较为恶劣：伴随相位、频率的突变、严重谐波、电压跌落等一系列恶劣工况，这些恶劣条件一般都伴随相位波动。由图4可知，该仿真引入实际网压(图中箭头400)，网压谐波较高；在发生严重畸变时，本发明的参数自适应增强型的锁相环(图中箭头200)比传统增强型锁相环(图中箭头100)更快跟踪网压信号的基波成份，捕获频率与相位，因此，本发明的参数自适应增强型的锁相环更强的抗干扰能力。
图5为网压幅值的跟踪状态示意图，如图5所示，本发明的参数自适应增强型的锁相环(图中箭头200)可提供网压的幅值或者有效值。常用有效值计算方法有滤波方法提取(图中箭头500)，但该方法会造成一定延时，无法及时反映网压(图中箭头400)实时值；而本发明的参数自适应增强型的锁相环捕获的网压有效值可实时反映网压真实情况，具有良好的动态性能。
图6为本发明的控制电网电压信息同步的方法实施例的流程图，本实施例的控制电网电压信息同步的方法适用于上述实施例的锁相环。如图6所示，本实施例的控制电网电压信息同步的方法具体可以包括如下步骤：
600、利用比较器对输入的电网电压信号与幅值***反馈到锁相环输入端的输出信号进行比较，得到包含相位误差的锁相环的输入与输出的误差信号误差信号；
601、利用参数自适应控制器根据获取的反映相位变化的参数，生成环路滤波器的当前周期的增益参数；
在一个具体实现过程中，反映相位变化的参数包括误差信号和/或环路滤波器反馈的上一周期的电网电压频率变量。
本实施例以反映相位变化的参数包括误差信号和环路滤波器反馈的上一周期的电网电压频率变量为例对本发明的技术方案进行描述。
具体地，可以将信号误差、电网电压频率变量和预设的标准增益系数分别代入预设的计算式中进行计算，得到当前周期的增益参数。
该计算式为：
其中，K′为当前周期的增益参数，K为标准增益系数，Δω为上一周期的电网电压频率变量，e(t)为误差信号，λ1为上一周期的电网电压频率变量的权重值，λ2为误差信号的权重值。
优选的，λ1与λ2的和为1，且λ1小于λ2。
602、利用环路滤波器在当前周期的增益参数下，对误差信号和压控振荡器反馈的上一周期的第一电网电压相角信号进行积分，得到当前周期的电网电压频率变量；
603、利用压控振荡器根据电网电压频率变量和预设频率值，得到当前周期的第一电网电压相角信号和当前周期的第二电网电压相角信号；
具体地，将电网电压频率变量和预设频率值相加后，得到电网电压频率值；
对电网电压频率值进行积分，得到电网电压相角值；
将电网电压相角值的余弦函数作为第一电网电压相角信号，以及，将电网电压相角的正弦函数作为第二电网电压相角信号。
604、利用幅值***根据误差信号和压控振荡器反馈的上一周期的第二电网电压相角信号，对输出信号进行调节，以使输出信号与电网电压信号同步。
具体地，将相位信号误差与第二电网电压相角信号相乘，得到第一乘积；对第一乘积进行积分处理，得到当前周期内的电压电网幅值；将电压电网幅值与第二电网电压相角信号相乘的第二乘积作为当前周期内的输出信号。
本实施例的控制电网电压信息同步的方法，利用参数自适应控制器根据获取的内反映相位变化的参数，生成环路滤波器的当前周期的增益参数，实现了环路滤波器的增益参数随电网电压相位变化而变化，从而在相位跳变时能够抑制频率瞬间扰动，保证锁相环能够快速准确的获取电网电压信息。采用本发明的技术方案，能够提高锁相环对异常电网环境的适应性，并保证锁相环快速准确地获取电网电压信息的良好动态性能。
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种电力电子装置，该电力电子装置设置有上述实施例的锁相环。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种锁相环，其特征在于，包括比较器、环路滤波器、压控振荡器、幅值***和参数自适应控制器；
所述比较器的输入端与所述幅值***的输出端相连；
所述比较器的输出端分别与所述环路滤波器的输入端和所述幅值***的输入端相连；
所述环路滤波器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连；
所述压控振荡器的输出端分别与所述环路滤波器的输入端和所述幅值***的输入端相连；
所述参数自适应控制器与所述环路滤波器的控制端相连；
所述比较器用于对输入的电网电压信号与所述幅值***反馈到锁相环输入端的输出信号进行鉴相，得到包含相位误差的锁相环的输入与输出的误差信号；
所述参数自适应控制器用于根据获取的反映相位变化的参数，生成所述环路滤波器的当前周期的增益参数；
所述环路滤波器用于在所述当前周期的增益参数下，对所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第一电网电压相角信号进行积分，得到当前周期的电网电压频率变量；
所述压控振荡器用于根据所述电网电压频率变量和预设频率值，得到当前周期的第一电网电压相角信号和当前周期的第二电网电压相角信号；
所述幅值***用于根据所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第二电网电压相角信号，对所述输出信号进行调节，以使所述输出信号与所述电网电压信号同步；
所述反映相位变化的参数包括所述误差信号和所述环路滤波器反馈的上一周期的电网电压频率变量，所述参数自适应控制器具体用于：
将所述误差信号、所述电网电压频率变量和预设的标准增益系数分别代入预设的计算式中进行计算，得到所述当前周期的增益参数；
所述计算式为：
其中，K′为所述当前周期的增益参数，K为所述标准增益系数，Δω为所述上一周期的电网电压频率变量，e(t)为所述误差信号，λ1为所述上一周期的电网电压频率变量的权重值，λ2为所述误差信号的权重值。
2.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述λ1与所述λ2的和为1，且所述λ1小于所述λ2。
3.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述参数自适应控制器还用于：
若所述当前周期为首个检测周期，将所述标准增益系数作为所述当前周期的增益参数。
4.根据权利要求1-3任一项所述的锁相环，其特征在于，所述压控振荡器具体用于：
将所述电网电压频率变量和所述预设频率值相加后，得到电网电压频率值；
对所述电网电压频率值进行积分，得到电网电压相角值；
将所述电网电压相角值的余弦函数作为所述第一电网电压相角信号，以及，将所述电网电压相角的正弦函数作为所述第二电网电压相角信号。
5.根据权利要求1-3任一项所述的锁相环，其特征在于，所述幅值***具体用于：
将所述误差信号与所述第二电网电压相角信号相乘，得到第一乘积；
对所述第一乘积进行积分处理，得到当前周期内的电压电网幅值；
将所述电压电网幅值与所述第二电网电压相角信号相乘的第二乘积作为当前周期内的输出信号。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述锁相环控制电网电压信息同步的方法，其特征在于，包括：
利用所述比较器对输入的电网电压信号与所述幅值***反馈到锁相环输入端的输出信号进行比较，得到包含相位误差的锁相环的输入与输出的误差信号；
利用所述参数自适应控制器根据获取的反映相位变化的参数，生成所述环路滤波器的当前周期的增益参数；
利用所述环路滤波器在所述当前周期的增益参数下，对所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第一电网电压相角信号进行积分，得到当前周期的电网电压频率变量；
利用所述压控振荡器根据所述电网电压频率变量和预设频率值，得到当前周期的第一电网电压相角信号和当前周期的第二电网电压相角信号；
利用所述幅值***根据所述误差信号和所述压控振荡器反馈的上一周期的第二电网电压相角信号，对所述输出信号进行调节，以使所述输出信号与所述电网电压信号同步。
7.一种电力电子装置，其特征在于，设置有如权利要求1-5任一所述的锁相环。
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