本發(fā)明涉及電氣技術領域，特別涉及一種三相電網電壓的頻率鎖定方法及裝置。

背景技術：

三相電網系統(tǒng)，電壓頻率作為電能質量的重要參量，需要被穩(wěn)定的控制在一定的指標范圍內。由于電力系統(tǒng)有功功率的動態(tài)平衡，發(fā)電機的振蕩，負荷的投切，以及大量分布式電源接入公用電網，使得實際電網頻率會發(fā)生偏離。高精度，快速、實時對頻率信息進行檢測，尤其是當三相電網電壓各種故障狀況下，例如不平衡、頻率突變、甚至諧波情況下，無靜差的頻率跟蹤是頻率控制的前提，也是一個技術難題；因此，如何在此類狀況下夠準確獲取三相電網電壓的頻率信息，是本領域技術人員需要解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種三相電網電壓的頻率鎖定方法及裝置，尤其在三相電網不平衡、幅度變化、任意諧波畸變、頻率偏離、角度突變等故障狀況下能夠準確快速得到頻率信號。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種三相電網電壓的頻率鎖定方法，包括：

將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，進行離散化處理得到離散數(shù)據；

對所述離散數(shù)據進行Clark變換，得到變換數(shù)據；

對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，并對所述基波正序分量進行幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據；

利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到頻率信息；

對所述頻率信息進行數(shù)字低通濾波得到三相電網電壓的頻率信號。

可選的，將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，進行離散化處理得到離散數(shù)據，包括：

將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，將所述三相電網交流電壓模擬信號進行調理后利用模數(shù)轉換器進行離散化處理，并以固定周期T_s采樣得到離散數(shù)據v_abc(kT_s)。

可選的，對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，包括：

對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量。

可選的，對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，并對所述基波正序分量進行幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據，包括：

對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量，對所述基波正序分量進行至少一次幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據。

可選的，利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到頻率信息，包括：

利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到基波實時頻率的平方，并進行開方運算得到頻率信息。

本發(fā)明還提供一種三相電網電壓的頻率鎖定裝置，包括：

離散化模塊，用于將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，進行離散化處理得到離散數(shù)據；

Clark變換模塊，用于對所述離散數(shù)據進行Clark變換，得到變換數(shù)據；

DSC運算及歸一化模塊，用于對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，并對所述基波正序分量進行幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據；

鎖頻模塊，用于利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到頻率信息；

低通濾波模塊，用于對所述頻率信息進行數(shù)字低通濾波得到三相電網電壓的頻率信號。

可選的，所述離散化模塊具體為將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，將所述三相電網交流電壓模擬信號進行調理后利用模數(shù)轉換器進行離散化處理，并以固定周期T_s采樣得到離散數(shù)據u_abc(kT_s)的模塊。

可選的，所述DSC運算及歸一化模塊包括：

DSC運算單元，用于對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量。

可選的，所述DSC運算及歸一化模塊包括：

DSC運算單元，用于對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量；

歸一化單元，用于對所述基波正序分量進行至少一次幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據。

可選的，所述鎖頻模塊包括：

鎖頻單元，用于利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到基波實時頻率的平方；

開方單元，用于對所述基波實時頻率的平方進行開方運算得到頻率信息。

本發(fā)明所提供的三相電網電壓的頻率鎖定方法，通過開環(huán)運算的方式，采用多級數(shù)字濾波技術(DSC)，在兩相靜止坐標系下，分離出基波正序分量，然后利用幅度歸一化運算及鎖頻算法，運算出頻率信息，最后經一階低通濾波器消除高頻擾動，得到頻率信號；

可見，該方法尤其在三相電網不平衡、幅度變化、任意諧波畸變、頻率偏離、角度突變等故障狀況下能夠準確快速得到頻率信息；具有適應性強、精度高、速度快等優(yōu)點，適合嵌入式微控制器實時實現(xiàn)；本發(fā)明還提供三相電網電壓的頻率鎖定裝置，具有上述有益效果，在此不再贅述。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例所提供的三相電網電壓的頻率鎖定方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例所提供的單級CDSC頻率響應的示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例所提供的兩級CDSC頻率響應的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例所提供的三級CDSC頻率響應的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例所提供的5級DSC運算的示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例所提供的DSC_n運算的原理示意框圖；

圖7為本發(fā)明實施例所提供的幅度歸一化運算的原理示意框圖；

圖8為本發(fā)明實施例所提供的CDSC運算及幅度歸一化運算多級串聯(lián)模式的示意圖；

圖9為本發(fā)明實施例所提供的單級CDSC運算及幅度歸一化運算串聯(lián)模式的示意圖；

圖10為本發(fā)明實施例所提供的利用鎖頻算法計算得到頻率信息的示意圖；

圖11為本發(fā)明實施例所提供的三相電網電壓的頻率鎖定方法過程的示意圖；

圖12為本發(fā)明實施例所提供的幅值跳變情況下的測試效果示意圖；

圖13為本發(fā)明實施例所提供的直流偏置情況下的測試效果示意圖；

圖14為本發(fā)明實施例所提供的不平衡情況下的測試效果示意圖；

圖15為本發(fā)明實施例所提供的頻率偏離情況下的測試效果示意圖；

圖16為本發(fā)明實施例所提供的諧波畸變情況下的測試效果示意圖；

圖17為本發(fā)明實施例所提供的相角突變情況下的測試效果示意圖；

圖18為本發(fā)明實施例所提供的兩種故障情況下的過渡過程效果示意圖；

圖19為本發(fā)明實施例所提供的三相電網電壓的頻率鎖定裝置的結構框圖。

具體實施方式

本發(fā)明的核心是提供一種三相電網電壓的頻率鎖定方法及裝置，尤其在三相電網不平衡、幅度變化、任意諧波畸變、頻率偏離、角度突變等故障狀況下能夠準確快速得到頻率信號。

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參考圖1，圖1為本發(fā)明實施例所提供的三相電網電壓的頻率鎖定方法的流程圖；該方法可以包括：

S100、將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，進行離散化處理得到離散數(shù)據；

具體的，該步驟為將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，將所述三相電網交流電壓模擬信號進行調理后利用模數(shù)轉換器進行離散化處理，并以固定周期T_s采樣得到離散數(shù)據u_abc(kT_s)。

S110、對所述離散數(shù)據進行Clark變換，得到變換數(shù)據；

具體的，離散數(shù)據u_abc(kT_s)進行Clark變換，得到u_α(kT_s)、u_β(kT_s)；

Clark變換過稱為將三相模擬信號u_a(kT_s)，u_b(kT_s)，u_c(kT_s)轉換為兩相靜止坐標系下的u_α[(kT_s]，u_β[(kT_s]。

S120、對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，并對所述基波正序分量進行幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據；

具體的，這里預定級數(shù)延時信號消去DSC(Delayed Signal Cancellation)運算中預定級數(shù)的選取可以由用戶自己確定，在確定時可以考慮諧波畸變的程度。再結合計算速度和精度的考慮下，為了使得鎖頻算法穩(wěn)定進行即鎖頻模塊可以穩(wěn)定工作，預定級數(shù)數(shù)值可以設置稍大一點即可以實現(xiàn)重復多次執(zhí)行DSC運算即CDSC，因為多級CDSC對高次諧波的衰減能力更強，如圖2、3、4對比也可以清楚地看到多級CDSC對高次諧波的衰減能力更強，但在暫態(tài)過程中會引入更多的延時，且消耗更多的運算資源。因此用戶在選擇時需要考慮自己的實際需求及硬件計算資源。優(yōu)選的，對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)CDSC運算得到基波正序分量可以包括：

對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量。

其中，請參考圖5，對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算具體過程為：

對u_α(kT_s)、u_β(kT_s)分別進行靜止5級DSC運算，DSC₂，DSC₄，DSC₈，DSC₁₆，DSC₃₂，得到基波正序分量u_α⁺(kT_s)、u_β⁺(kT_s)；

其中，

其中，T為工頻額定周期，50Hz電網系統(tǒng)，T＝0.02s。其中，單個DSC_n運算的原理示意框圖如圖6所示。其中，n為2,4,8,18,32。

其中，幅度歸一化運算具體為：

利用公式對經過DSC_n運算的輸出結果進行幅度歸一化運算。幅度歸一化運算的原理示意框圖如圖7所示。

其中，若三相電壓諧波畸變比較嚴重，為了提高鎖頻的精度，CDSC(即5級DSC運算)及幅度歸一化(即幅度歸一化運算)可以進行多級串聯(lián)配置，二級、三級甚至更多(例如5級)，這里并不對多級串聯(lián)配置的級數(shù)進行限定即不一定為5級，由用戶根據實際情況進行設定；如圖8為多級串聯(lián)模式的示意圖。但是需要明確，在完成預定級數(shù)的CDSC運算后必須至少連接一次幅度歸一化，為了得到更好的歸一化效果可以連接多次如圖9所示，但是本實施例并不對幅度歸一化的次數(shù)進行限定。即優(yōu)選的，對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，并對所述基波正序分量進行幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據可以包括：

對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量，對所述基波正序分量進行至少一次幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據。

S130、利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到頻率信息；

具體的，首先利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到基波實時頻率的平方，并進行開方運算得到頻率信息。

其中，利用對所述歸一化數(shù)據進行計算得到基波實時頻率的平方ω²(kT_s)，并利用進行開方運算得到頻率信息ω(kT_s)。整個S130的原理示意框圖如圖10所示。

S140、對所述頻率信息進行數(shù)字低通濾波得到三相電網電壓的頻率信號。

具體的，利用ω(kT_s)＝k·ω(kT_s)+(1-k)·ω{(k-1)T_s}對所述頻率信息進行數(shù)字低通濾波得到三相電網電壓的頻率信號，并將其作為最終結果輸出。

針對每一個采樣周期T_s，均可以利用上述步驟得到三相電網電壓的頻率信號，具體過程的示意圖可以參考圖11，其中，DSC運算的級數(shù)以及DSC運算和幅度歸一化運算的連接形式，以及完成預定級數(shù)DSC運算后連接的幅度歸一化運算的次數(shù)都可以由用戶根據實際情況進行確認，并可以隨時進行修改。

進一步由于該實施例僅需要簡單數(shù)學運算，通過開環(huán)計算方式直接得到頻率信號，不存在傳統(tǒng)SRF-PLL方案中的鎖頻閉環(huán)穩(wěn)定性問題,暫態(tài)過渡過程時間固定，因此非常適用于微處理器嵌入式平臺，對硬件資源需求較低，節(jié)省成本。即上述實施例的過程為：對三相電網電壓信號在兩相靜止坐標系下進行濾波，通過多級延時消去CDSC濾除高次諧波，分離出基波分量，然后再進行幅值歸一化，繼而利用頻率計算模塊得到實時頻率。若電網電壓畸變嚴重，可配置多組CDSC濾波+幅度歸一化環(huán)節(jié)，再輸入頻率計算模塊，經低通濾波輸出頻率信號。

為了證實該實施例的性能，下面通過測試效果圖說明上述實施例的實際效果：

主要的設計參數(shù)：工頻50Hz，T＝0.02s，采樣頻率10kHz，T_s＝0.0001s，低通濾波參數(shù)k＝0.0125，5級DSC的參數(shù)如表1及表2所示，測試效果示意圖如圖12-圖18所示。

表1DSC的參數(shù)：

表2各級DSC的系數(shù)取值

基于上述技術方案，本發(fā)明實施例提供的三相電網電壓的頻率鎖定方法，尤其在三相電網不平衡、幅度變化、任意諧波畸變、頻率偏離、角度突變等故障狀況下能夠準確快速得到頻率信息；具有適應性強、精度高、速度快等優(yōu)點，適合嵌入式微控制器實時實現(xiàn)。

下面對本發(fā)明實施例提供的三相電網電壓的頻率鎖定裝置進行介紹，下文描述的三相電網電壓的頻率鎖定裝置與上文描述的三相電網電壓的頻率鎖定方法可相互對應參照。

請參考圖19，圖19為本發(fā)明實施例所提供的三相電網電壓的頻率鎖定裝置的結構框圖；該裝置可以包括：

離散化模塊100，用于將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，進行離散化處理得到離散數(shù)據；

Clark變換模塊200，用于對所述離散數(shù)據進行Clark變換，得到變換數(shù)據；

DSC運算及歸一化模塊300，用于對所述變換數(shù)據進行預定級數(shù)DSC運算得到基波正序分量，并對所述基波正序分量進行幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據；

鎖頻模塊400，用于利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到頻率信息；

低通濾波模塊500，用于對所述頻率信息進行數(shù)字低通濾波得到三相電網電壓的頻率信號。

基于上述實施例，所述離散化模塊100具體為將獲取的PCC點處三相電網交流電壓模擬信號，將所述三相電網交流電壓模擬信號進行調理后利用模數(shù)轉換器進行離散化處理，并以固定周期T_s采樣得到離散數(shù)據v_abc(kT_s)的模塊。

基于上述任意實施例，所述DSC運算及歸一化模塊300包括：

DSC運算單元，用于對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量。

基于上述實任意施例，所述DSC運算及歸一化模塊300包括：

DSC運算單元，用于對所述變換數(shù)據進行5級DSC運算得到基波正序分量；

歸一化單元，用于對所述基波正序分量進行至少一次幅度歸一化運算得到歸一化數(shù)據。

基于上述任意實施例，所述鎖頻模塊400包括：

鎖頻單元，用于利用鎖頻算法對所述歸一化數(shù)據進行計算得到基波實時頻率的平方；

開方單元，用于對所述基波實時頻率的平方進行開方運算得到頻率信息。

說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

專業(yè)人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業(yè)技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應認為超出本發(fā)明的范圍。

結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。

以上對本發(fā)明所提供的三相電網電壓的頻率鎖定方法及裝置進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內。