CN102142825B - 同步信号获取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了同步信号获取系统及方法。所述系统包括相线变换模块、3/2变换模块、带通滤波器、线相变换模块及信号产生模块。所述方法包括：将三相相电压变换成三相线电压、、

；将所述三相线电压、

、

变成两相静止坐标系中线电压、

；滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位；将两相静止坐标系中的线电压

、

变成两相静止坐标系中的相电压

，

；及基于两相静止坐标系中的相电压，

得到同步信号

、

。本发明提供的同步信号获取系统和方法，由于采用线相变换和相线变换可在电网不平衡或存在扰动时，实现高性能同步信号的提取。另外，带通滤波器的输出与输入无相移，滤波性能好。

Description

同步信号获取系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动领域，特别涉及一种同步信号获取系统及方法。

背景技术

在电力电子与电力传动装置(如PWM整流器、逆变器，交流电动机)控制器设计中，为简化控制器设计及实现，通常在两相同步旋转dq坐标系设计各种控制器，则需将三相坐标系中的量通过旋转变换矩阵变换到两相同步旋转dq坐标系中，或将两相同步旋转dq坐标系中的量通过旋转变换逆矩阵变换到三相坐标系中。在旋转变换矩阵中需要与电源的同步信号sinωt、cosωt及ω(ω为电源角频率)，因此，同步信号的获取的是否准确对控制器的设计有很大影响，亦影响电力电子与电力传动装置的性能。

大多数电力电子与电力传动装置的控制器是在两相同步旋转dq坐标系进行设计的，利用锁相环PLL(Phase Lock Loop，PLL)获取同步信号。传统的PLL有基于过零检测、静止坐标系及同步旋转坐标系三类；过零检测类PLL是最简单的一种，但在频率变化或电压凹陷时性能变差；静止坐标系类PLL在不平衡电压条件下不能进行精确相位跟踪；同步旋转坐标系类PLL在不正常的电网条件下性能较好，但在不平衡电网条件下性能变差。锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成，滤波器采用低通滤波器LPF(Low PassFilter，LPF)、陷波滤波器来获取电网的幅角信息；但采用上述滤波器会带来很大的滞后，产生一定的稳态误差；且滤波器算法复杂，影响了检测系统的动态响应速度。当电网不平衡或含有谐波、电网频率在50Hz附近波动时，传统的PLL很难保证相位的同步和精度。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可获取高精度同步信号的同步信号获取系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种同步信号获取系统包括：相线变换模块，将三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu；3/2变换模块，将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；带通滤波器，滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位；线相变换模块，将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α、u_β；及信号产生模块，基于两相静止坐标系中的相电压u_α、u_β得到同步信号sinωt、cosωt。

根据本发明的另一个方面，还提供一种同步信号获取方法包括：

将三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu；

将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；

滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位；

将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β；及

基于两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β得到同步信号sinωt、cosωt。

本发明提供的同步信号获取系统和方法，由于采用线相变换和相线变换可在电网不平衡或存在扰动时，实现高性能同步信号的提取。另外，带通滤波器的输出与输入无相移，滤波性能好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的同步信号获取系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的同步信号获取方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的电网不平衡时三相电压的波形示意图；

图4是本发明实施例提供的在电网不平衡时获取的同步信号的波形示意图；

图5是本发明实施例提供的加入扰动(t点)时三相电压的波形示意图；

图6是本发明实施例提供的加入扰动(t点)时获取的同步信号的波形示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供的本发明实施例提供的同步信号获取系统包括相线变换模块101、3/2变换模块102、带通滤波器103、线相变换模块104、信号产生模块105及频率自适应控制器106。

其中，相线变换模块101将相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu，若能测得三相相电压，由下式算得线电压

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{uv}}\\ u_{\mathrm{vw}}\\ u_{\mathrm{wu}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\\ -1& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_u\\ u_v\\ u_w\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，u_u、u_v、u_w为三相相电压。在实际工程中，实际上可直接利用u_uv、u_vw，u_wu可由u_uv、u_vw算得，即u_wu＝-(u_uv+u_vw)。

3/2变换模块102是将三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中电压u_lα、u_lβ。u_lα、u_lβ为

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{l\α}}\\ u_{\mathrm{l\β}}\\ u_{l0}\end{array}\right)=M_{\mathrm{uvw}/\mathrm{\α\β}}\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{uv}}\\ u_{\mathrm{vw}}\\ u_{\mathrm{wu}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，M_uvw/αβ是三相线电压变成两相静止αβ坐标系中电压的等量变换矩阵，其表达式为

u_l0为零序电压，由于u_uv+u_vw+u_wu＝0，则u_l0＝0。

带通滤波器103的作用是滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位。例如二阶带通滤波器，其传递函数为：

$A\left(s\right)=\frac{A_0\frac{s}{{\mathrm{Q\ω}}_0}}{1+\frac{s}{{\mathrm{Q\ω}}_0}+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}---\left(3\right)$

式中，A₀为带通滤波器的增益，Q为品质因数，ω₀为带通滤波器的中心角频率。

带通滤波器103的相频特性为：

式中，ω为电网角频率。

由式(4)可知，在ω₀＝ω时，

说明带通滤波器103的输出信号与输入信号无相移，这不同于目前采用的LPF在ω₀＝ω时存在相移。另外，由式(4)还可以看出，当ω₀与ω偏差较小时，

接近0。因此，只要ω₀实时跟踪电网角频率ω，就能保证带通滤波器103的输出信号与输入信号同相位。

线相变换模块104是将两相静止坐标系中的线电压u_lβ，u_lα变成两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β，并由下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{l\α}}+\frac{1}{2\sqrt{3}}{u}_{\mathrm{l\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}=-\frac{1}{2\sqrt{3}}{u}_{\mathrm{l\α}}+\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{l\β}}\end{array}\right.---\left(5\right)$ 而得

u_α，u_β。

信号产生模块105用于根据两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β得到同步信号sinωt、cosωt。同步信号sinωt、cosωt可由下式获得：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ωt}=\frac{u_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ \cos \mathrm{\ωt}=\frac{u_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

频率自适应控制器106输出电网角频率和保证带通滤波器103性能不变所需的品质因数Q。对于采用式(3)二阶带通滤波器，增益A₀＝1，ω₀的初值314rad/s(电网正常角频率)，品质因数的初值Q＝5。当电网角频率ω不等于ω₀时，即ω偏离了中心频率ω₀，带通滤波器性能就会受到影响。由式(3)和(4)可知，当A₀一定时，带通滤波器性能就由ω₀和Q的影响，因此，需实时调节带通滤波器的ω₀和Q。

当电网角频率ω不等于ω₀时，由于ω在带通滤波器的频带内，则信号产生环节输出的信号中的ω非常接近电网频率。频率自适应控制器根据sinωt信号可计算sinωt的周期T，从而得到ω＝2π/T，电网频率f＝1/T，用该ω更新带通滤波器的中心频率ω₀。

计算频率偏差Δf＝50-f，利用

(Q₀为初值)(7)，计算新的Q，对带通滤波器的品质因数，进行更新，于是带通滤波器就运行在新的中心频率和品质因数，性能没有受到影响，保证了高质量同步信号的输出。

带通滤波器的中心角频率初值为324rad/s，品质因数的初值为5；中心角频率、品质因数随着电网频率的变化，由频率自适应控制器106实时更新。

由图1所示的同步信号获取系统可知，若ω偏离ω₀，通过频率自适应控制器调节ω₀趋近ω，最终使ω₀＝ω。由于带通滤波器的作用，即使电网电压有相位扰动，也不会影响同步信号。对此，对新的同步信号获取方案中的带通滤波器性能在电源电压不平衡及有干扰时进行了仿真，以验证可行性。带通滤波器的类型选为二阶巴特沃斯滤波器，带宽10Hz，ω₀＝314rad/s，品质因数初值Q₀＝5。仿真结果如图3-图6所示，其中，图3是电网不平衡时三相电压的波形，图4是对图3所示的三相电压进行同步信号获取的波形示意图，由图4可知，在不平衡电压时，同步信号具有良好的动静性能；在图5中t时刻u相电压突加扰动，本发明提供的系统获取的同步信号没有受到扰动影响(如图6所示)。由仿真结果可知，利用带通滤波器获取同步信号是可行的。这表明在实际实验中利用带通滤波器和自适应控制器可获取高精度同步信号。

本发明实施例还提供一种同步信号获取方法包括以下步骤：

步骤S1、将三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu；

步骤S2、将三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；

步骤S3、滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位；

步骤S4、将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β；及

步骤S5、基于两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β得到同步信号sinωt、cosωt。

上述方法还包括向所述带通滤波器输出电网角频率和保证带通滤波器性能不变所需的品质因数Q的步骤。

该同步信号获取方法可由图1所示系统来实现，因为已经结合图1所示的系统进行详细说明，此处不再赘述。

本发明实施例提供的同步信号系统及方法具有以下优点：

1、线相变换和相线变换：由于电网不平衡或存在扰动时，u_u+u_v+u_w≠0，u_uv+u_vw+u_wu＝0，采用线相变换和相线变换可在电网不平衡或存在扰动时，实现高性能同步信号的提取。

2、变参数带通滤波器：利用带通滤波器可滤去三相线电压中的扰动，并根据电网频率的变化实时调节中心频率和品质因数，保证带通滤波器的性能不变，输出与电网同频率的高质量线电压。与LPF相比，带通滤波器的输出与输入无相移，滤波性能好。

3、频率自适应控制器：所提的频率自适应控制器没有采用各种文献资料介绍的复杂非线性控制律，只对电网频率进行计算和保证带通滤波器性能的品质因数的计算，并实时更新带通滤波器的中心频率和品质因数。与其他方法相比，具有简单、速度快的优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种同步信号获取系统，其特征在于，包括：

相线变换模块，将三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu；所述三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu是：

将三相相电压通过 $\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{uv}}\\ u_{\mathrm{vw}}\\ u_{\mathrm{wu}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\\ -1& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_u\\ u_v\\ u_w\end{array}\right)$ 变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu，其中，u_u、u_v、u_w为三相相电压；

3/2变换模块，将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；所述将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ是：

将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu通过 $\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{l\α}}\\ u_{\mathrm{l\β}}\\ u_{l0}\end{array}\right)=M_{\mathrm{uvw}/\mathrm{\α\β}}\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{uv}}\\ u_{\mathrm{vw}}\\ u_{\mathrm{wu}}\end{array}\right)$ 变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；其中，所述M_uvw/αβ是三相线电压变成两相静止αβ坐标系中电压的等量变换矩阵；所述 $M_{\mathrm{uvw}/\mathrm{\α\β}}=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right);$ 所述u_l0为零序电压；

带通滤波器，滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位；

线相变换模块，将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α、u_β；所述将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β是通过 $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{l\α}}+\frac{1}{2\sqrt{3}}{u}_{\mathrm{l\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}=-\frac{1}{2\sqrt{3}}{u}_{\mathrm{l\α}}+\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{l\β}}\end{array}\right.$ 而获得的；

信号产生模块，基于两相静止坐标系中的相电压u_α、u_β得到同步信号sinωt、cosωt；所述基于两相静止坐标系中的相电压u_α、u_β，得到同步信号sinωt、cosωt是通过 $\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ωt}=\frac{u_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ \cos \mathrm{\ωt}=\frac{u_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.$ 而获得的；及

频率自适应控制器，向所述带通滤波器输出电网角频率ω和保证带通滤波器性能不变所需的品质因数Q；所述向所述带通滤波器输出电网角频率ω和保证带通滤波器性能不变所需的品质因数Q包括：

当电网角频率ω不等于所述带通滤波器的中心角频率ω₀时，根据sinωt信号，计算sinωt的周期T，从而得到ω=2π/T、电网频率f=1/T；用计算得到的ω更新所述带通滤波器的中心频率ω₀；

计算频率偏差△f=50-f，利用

计算带通滤波器新的品质因数Q，并进行品质因数Q的更新。

2.根据权利要求1所述的同步信号获取系统，其特征在于，所述保证输出信号与输入信号同相位是通过让所述带通滤波器的中心角频率ω₀实时跟踪电网角频率ω而实现的。

3.基于权利要求1所述同步信号获取系统的同步信号获取方法，其特征在于，包括：

通过所述相线变换模块将三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu；所述三相相电压变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu是：

将三相相电压通过 $\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{uv}}\\ u_{\mathrm{vw}}\\ u_{\mathrm{wu}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\\ -1& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{u}_u\\ u_v\\ u_w\end{array}\right)$ 变换成三相线电压u_uv、u_vw、u_wu，其中，u_u、u_v、u_w为三相相电压；

通过所述3/2变换模块将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；所述将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ是：

将所述三相线电压u_uv、u_vw、u_wu通过 $\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{l\α}}\\ u_{\mathrm{l\β}}\\ u_{l0}\end{array}\right)=M_{\mathrm{uvw}/\mathrm{\α\β}}\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{uv}}\\ u_{\mathrm{vw}}\\ u_{\mathrm{wu}}\end{array}\right)$ 变成两相静止αβ坐标系中线电压u_lα、u_lβ；其中，所述M_uvw/αβ是三相线电压变成两相静止αβ坐标系中电压的等量变换矩阵；所述 $M_{\mathrm{uvw}/\mathrm{\α\β}}=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right);$ 所述u_l0为零序电压；

通过所述带通滤波器滤去电网的扰动信号，获取与电网同频率的正弦波，并保证输出信号与输入信号同相位；并通过所述频率自适应控制器向所述带通滤波器输出电网角频率ω和保证带通滤波器性能不变所需的品质因数Q；所述向所述带通滤波器输出电网角频率ω和保证带通滤波器性能不变所需的品质因数Q包括：

当电网角频率ω不等于所述带通滤波器的中心角频率ω₀时，根据sinωt信号，计算sinωt的周期T，从而得到ω=2π/T、电网频率f=1/T；用计算得到的ω更新所述带通滤波器的中心频率ω₀；

计算频率偏差△f=50-f，利用

计算带通滤波器新的品质因数Q，并进行品质因数Q的更新；

通过所述线相变换模块将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β；所述将两相静止坐标系中的线电压u_lα、u_lβ变成两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β是通过 $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{l\α}}+\frac{1}{2\sqrt{3}}{u}_{\mathrm{l\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}=-\frac{1}{2\sqrt{3}}{u}_{\mathrm{l\α}}+\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{l\β}}\end{array}\right.$ 而获得的；

通过所述信号产生模块基于两相静止坐标系中的相电压u_α，u_β得到同步信号sinωt、cosωt；所述基于两相静止坐标系中的相电压u_α、u_β，得到同步信号sinωt、cosωt是通过 $\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\ωt}=\frac{u_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ \cos \mathrm{\ωt}=\frac{u_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.$ 而获得的。

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