一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)及鎖相方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)，包括鑒相器、PI調(diào)節(jié)器及變換單元，該自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)還包括采樣單元、倍頻器及積分變換單元，其中，所述采樣單元，用于以所述倍頻器生成的采樣頻率對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣；所述積分變換單元，用于根據(jù)所述鎖相輸出頻率生成鎖相輸出相位；所述倍頻器，用于根據(jù)所述鎖相輸出頻率生成采樣頻率，且該采樣頻率為所述鎖相輸出頻率的N倍，所述N為正整數(shù)。本發(fā)明還提供了一種對(duì)應(yīng)的鎖相方法。本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)可以克服基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)存在鎖相誤差較大的問(wèn)題，能自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤電網(wǎng)相位，提高鎖相精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)及鎖相方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鎖相【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說(shuō)，涉及一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)及鎖相方法， 應(yīng)用于并網(wǎng)變流器。

【背景技術(shù)】
[0002] 鎖相環(huán)的基本功能是跟蹤、鎖定交流信號(hào)的相位，且在必要時(shí)提供有關(guān)信號(hào)的頻 率、幅值信息。在并網(wǎng)變流器的控制中，需要?jiǎng)討B(tài)獲取電網(wǎng)電壓的相位信息，因此，鎖相環(huán)的 性能直接影響變流器的并網(wǎng)控制性能。
[0003]目前在工程中為有效提高鎖相環(huán)的鎖相準(zhǔn)確度和快速響應(yīng)，一般采用數(shù)字閉環(huán)鎖 相技術(shù)，其方案主要有：基于過(guò)零檢測(cè)的鎖相環(huán)，基于乘法鑒相的鎖相環(huán)，基于快速傅里葉 變換（DFT)的鎖相環(huán)，以及基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)等。不同鎖相技術(shù)的結(jié)構(gòu)基本 相似，主要差異在于相差的獲取。其中，基于過(guò)零檢測(cè)的鎖相環(huán)的相差獲取通常需要一個(gè)基 波周期，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，且在電網(wǎng)電壓畸變情況下鎖相誤差較大，因此在實(shí)際三相系統(tǒng)中應(yīng) 用較少?；诔朔ㄨb相的鎖相環(huán)將輸入信號(hào)與估計(jì)信號(hào)相乘，之后濾除其中的二倍頻分量， 得出相位差值信號(hào)，經(jīng)過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)使差值為〇,從而實(shí)現(xiàn)鎖相，但是該方法中鎖相帶寬要受 濾波器限制，不能快速響應(yīng)?；贒FT的鎖相技術(shù)存在的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題。上述方法在 單相系統(tǒng)中應(yīng)用較多，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)難以滿(mǎn)足三相系統(tǒng)的要求。
[0004] 在三相系統(tǒng)中廣泛使用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)，利用估計(jì)得到的相角對(duì) 電網(wǎng)電壓進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（也稱(chēng)dq變換），得到用于表征相差的電壓無(wú)功分量（Uq)， 通過(guò)控制器調(diào)節(jié)，使得該分量為〇,從而達(dá)到鎖相的目的，且動(dòng)態(tài)性能較好。
[0005]要實(shí)現(xiàn)基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)，需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行數(shù)字采樣。傳統(tǒng)做 法是采用固定的采樣頻率，且往往是電網(wǎng)額定頻率（50Hz)的整數(shù)倍。對(duì)于電網(wǎng)頻率基本不 變的情況，這種方法可準(zhǔn)確測(cè)算出表征相差的無(wú)功分量（uq)。但是在電網(wǎng)頻率變化范圍較 大的情況，若保持采樣頻率不變，則每個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，使得采樣同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計(jì)算得到的無(wú)功分量（uq)會(huì)存在較大誤差，同時(shí)也無(wú)法準(zhǔn)確找到電網(wǎng)相位 零點(diǎn)。因此，這種鎖相方法在電網(wǎng)頻率變化范圍較大的情況下難以快速跟蹤電網(wǎng)相位，降低 了鎖相精度。針對(duì)這個(gè)缺陷，可以通過(guò)提高采樣頻率來(lái)減小影響。但這種方法無(wú)法從本質(zhì) 上解決問(wèn)題，同時(shí)，在很多應(yīng)用場(chǎng)合采樣頻率往往受限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有鎖相環(huán)技術(shù)在電網(wǎng)頻率變化范圍較大的 情況下無(wú)法準(zhǔn)確找到電網(wǎng)相位零點(diǎn)，提供一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)及鎖相方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是提供了一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)，包括鑒相器、 PI調(diào)節(jié)器及變換單元，其特征在于，該自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)還包括采樣單元、倍頻器及積分 變換單元，其中，所述采樣單元，用于以所述倍頻器生成的采樣頻率對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行采 樣；所述鑒相器，用于將所述采樣單元采樣的電壓進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，獲得用于表征相 差的電壓無(wú)功分量Uq ;所述PI調(diào)節(jié)器，用于進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，使所述電壓無(wú)功分量uq趨近于 零；所述變換單元，用于根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的輸出生成鎖相輸出頻率；所述積分變換單元，用于 根據(jù)所述鎖相輸出頻率生成鎖相輸出相位；所述倍頻器，用于根據(jù)所述鎖相輸出頻率生成 采樣頻率，且該采樣頻率為所述鎖相輸出頻率的N倍，所述N為正整數(shù)。
[0008] 在本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)中，所述鑒相器采用CLARKE變換和PARK變換實(shí)現(xiàn) 坐標(biāo)變換，且該鑒相器以所述積分變換單元輸出的鎖相輸出相位為基準(zhǔn)，提取用于表征相 差的電壓無(wú)功分量uq作為所述鑒相器的輸出，且在第1^個(gè)采樣時(shí)刻，所述鎖相輸出相位為 讓*(2 31/吣，其中讓=0，1，?，^1。
[0009] 在本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)中，所述鎖相輸出頻率為所述PI調(diào)節(jié)器的輸出與 實(shí)際電網(wǎng)額定角頻率進(jìn)行相加得到的頻率。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種鎖相方法，該方法應(yīng)用于并網(wǎng)變流器中，其特征在于，包括以 下步驟：
[0011] (a)以設(shè)定的采樣頻率對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，得到采樣后的電網(wǎng)電壓；
[0012] (b)以鎖相輸出相位為基準(zhǔn)，將采樣后的電網(wǎng)電壓進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，獲得用 于表征相差的電壓無(wú)功分量Uq;
[0013] (c)通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，使電壓無(wú)功分量uq趨近于零，并根據(jù)所述PI調(diào) 節(jié)器的輸出生成鎖相輸出頻率；
[0014] (d)將所述鎖相輸出頻率經(jīng)過(guò)積分變換得到鎖相輸出相位，并根據(jù)所述鎖相輸出 頻率生成所述設(shè)定的采樣頻率，其中，該設(shè)定的采樣頻率為所述鎖相輸出頻率的N倍，N為 正整數(shù)。
[0015] 在本發(fā)明的鎖相方法中，所述步驟（b)中，所述同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換包括CLARKE變 換和PARK變換，且在第k個(gè)采樣時(shí)刻，所述鎖相環(huán)輸出相位為k* (2Ji/N)，其中k= 0,1，…， N-1。
[0016] 在本發(fā)明的鎖相方法中，所述鎖相輸出頻率為所述PI調(diào)節(jié)器的輸出與實(shí)際電網(wǎng) 額定角頻率進(jìn)行相加得到的頻率。
[0017] 在電網(wǎng)頻率變化范圍較大的情況下，本發(fā)明的自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)可以克服基于同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)存在鎖相誤差較大的問(wèn)題。并且通過(guò)根據(jù)鎖相輸出頻率動(dòng)態(tài)修正 采樣頻率，從而自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，實(shí)現(xiàn)快速跟蹤電網(wǎng)相位，提高鎖相精度。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是三相系統(tǒng)的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的矢量圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3是一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)的采樣時(shí)刻。
[0021] 圖4是本發(fā)明鎖相方法實(shí)施例的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0023] 如圖1所示，為三相系統(tǒng)的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的矢量圖。對(duì)三相系統(tǒng)進(jìn)行 靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的同步坐定來(lái)實(shí)現(xiàn)三相鎖相環(huán)的控制， 實(shí)際電壓矢量為U，與d軸同相，Upll為鎖相環(huán)輸出的電壓矢量，0是實(shí)際電壓矢量的矢量 角度，e是鎖相環(huán)輸出的電壓矢量角度，顯然，當(dāng)upll與u完全重合，S卩0 = 0時(shí)，鎖相環(huán) 準(zhǔn)確鎖相。
[0024] 如圖2所示，為本發(fā)明自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該自適應(yīng)數(shù)字鎖 相環(huán)應(yīng)用于并網(wǎng)變流器中，包括采樣單元1、鑒相器2、調(diào)節(jié)器3、變換單元4、倍頻器5和積 分變換單元6,上述采樣單元1、鑒相器2、調(diào)節(jié)器3、變換單元4、倍頻器5和積分變換單元6 可由硬件、軟件或其結(jié)合構(gòu)成。
[0025] 采樣單元1的輸入信號(hào)為三相電網(wǎng)電壓，采樣單元1對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣；鑒 相器2的輸入信號(hào)包括采樣單元1的輸出，鑒相器2采用坐標(biāo)變換，用于實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的鑒相 功能，包括CLARKE變換和PARK變換，鑒相器2的輸入信號(hào)還包括鎖相輸出相位冷。
[0026] 可以理解，采樣單元1輸出的采樣后的三相電網(wǎng)電壓分別進(jìn)行CLARKE變換和PARK 變換，得到dq坐標(biāo)系下的電壓，表達(dá)如下式：

【權(quán)利要求】
1. 一種自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)，包括鑒相器、PI調(diào)節(jié)器及變換單元，其特征在于，該自適應(yīng) 數(shù)字鎖相環(huán)還包括采樣單元、倍頻器及積分變換單元，其中，所述采樣單元，用于以所述倍 頻器生成的采樣頻率對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣；所述鑒相器，用于將所述采樣單元采樣的 電壓進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，獲得用于表征相差的電壓無(wú)功分量所述PI調(diào)節(jié)器，用于 進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，使所述電壓無(wú)功分量趨近于零；所述變換單元，用于根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的輸 出生成鎖相輸出頻率；所述積分變換單元，用于根據(jù)所述鎖相輸出頻率生成鎖相輸出相位； 所述倍頻器，用于根據(jù)所述鎖相輸出頻率生成采樣頻率，且該采樣頻率為所述鎖相輸出頻 率的N倍，所述N為正整數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)，其特征在于，所述鑒相器采用CLARKE變 換和PARK變換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，且該鑒相器以所述積分變換單元輸出的鎖相輸出相位為基 準(zhǔn)，提取用于表征相差的電壓無(wú)功分量作為所述鑒相器的輸出，且在第k個(gè)采樣時(shí)刻，所 述鎖相輸出相位為k*(2 Jr /N)，其中k = 0,1，…，N-1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)數(shù)字鎖相環(huán)，其特征在于，所述鎖相輸出頻率為所述 PI調(diào)節(jié)器的輸出與實(shí)際電網(wǎng)額定角頻率進(jìn)行相加得到的頻率。
4. 一種鎖相方法，該方法應(yīng)用于并網(wǎng)變流器中，其特征在于，包括以下步驟： (a) 以設(shè)定的采樣頻率對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，得到采樣后的電網(wǎng)電壓； (b) 以鎖相輸出相位為基準(zhǔn)，將采樣后的電網(wǎng)電壓進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，獲得用于表 征相差的電壓無(wú)功分量uq; (c) 通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，使電壓無(wú)功分量uq趨近于零，并根據(jù)所述PI調(diào)節(jié)器 的輸出生成鎖相輸出頻率； (d) 將所述鎖相輸出頻率經(jīng)過(guò)積分變換得到鎖相輸出相位，并根據(jù)所述鎖相輸出頻率 生成所述設(shè)定的采樣頻率，其中，該設(shè)定的采樣頻率為所述鎖相輸出頻率的N倍，N為正整 數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎖相方法，其特征在于，所述步驟（b)中，所述同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 變換包括CLARKE變換和PARK變換，且在第k個(gè)采樣時(shí)刻，所述鎖相環(huán)輸出相位為k* (2 Ji / 吣，其中讓=0，1，?，^1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎖相方法，其特征在于，所述鎖相輸出頻率為所述PI調(diào)節(jié)器 的輸出與實(shí)際電網(wǎng)額定角頻率進(jìn)行相加得到的頻率。
【文檔編號(hào)】H03L7/08GK104410407SQ201410603300
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】范聲芳, 馬路遙, 劉永欽, 張?jiān)? 翁翔羿 申請(qǐng)人:蘇州匯川技術(shù)有限公司