CN102761281A - 逆变器的锁相控制系统及其锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逆变器的锁相控制系统，包括：调频单元，用于对目标信号和输出信号的频率差进行调节，以得到第一调节量；锁相单元，用于对目标信号和输出信号的基波相位差进行调节，以得到第二调节量；相位计算单元，用于将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；输出单元，用于根据调整后的输出信号相位角得到输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并反馈给锁相单元。本发明还提供相应的锁相方法。本发明所提供的锁相控制系统及其锁相方法可使得即使在电网畸变以及采样干扰工况的情况下也可实现可靠锁相，并且锁相的应用范围也得到扩大。

Description

逆变器的锁相控制系统及其锁相方法

技术领域

本发明涉及逆变器技术领域，尤其涉及一种逆变器的锁相控制系统及其锁相方法。

背景技术

逆变电源大部分场合都需要与电网、其它逆变电源(例如，有源滤波器、功率因数校正、并网逆变器和不间断电源等)连接进行能量交换或者并联供电。在逆变电源系统中为了控制功率因数、输入与输出之间的无功缓冲、或者抑制电网与逆变器之间、逆变器与逆变器之间的环流，往往需要采用锁相系统使得逆变电源的输出电压或者电流具有相位、频率跟踪能力。因此，锁相技术是逆变器系统的一项关键技术。

传统的锁相方法主要有两种：基于过零点检测的周期锁相方法(例如，可参见李玲等人发表于《电源技术》2010年第8期上的《光伏并网系统中的数字锁相环》)和基于乘法器和低通滤波器的类似模拟锁相环(例如，可参见邹昱发表于《空军雷达学院学报》2010年第4期上的《基于DSP的光伏并网电源输出电流锁相研究》)。基于过零点检测的周期锁相方法对于由于电网畸变或采样干扰工况等原因而导致的过零点有干扰或波形畸变的非正弦波目标信号不能准确地反应其相位信息，因此对于以上情况不能实现可靠锁相。采用乘法器和低通滤波器的锁相环，由于低通滤波器的延迟作用限制了控制环路的带宽，同时鉴相环节的增益受被检测信号的幅值影响，该方法的应用受到限制。由于以上这些问题，传统的锁相方法仅适用于电网畸变小、干扰小的环境中，或者应用于对锁相精度要求不是很严格的系统中，所以应用范围受到很大的限制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种逆变器的锁相控制系统及其锁相方法，以实现逆变器在电网畸变以及采样干扰工况下的可靠锁相和扩大锁相应用范围。

为了实现以上目的，本发明提供的锁相控制系统包括：调频单元，其用于计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量；锁相单元，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；相位计算单元，其用于将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；输出单元，其用于根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时将得到的基波正弦量和基波余弦量反馈给锁相单元，以供锁相单元作为计算所述输出信号的基波相位角的参考数据。

优选地，所述调频单元包括：目标信号频率计算器，其用于计算所述目标信号的频率；输出信号频率计算器，其用于计算所述输出信号的频率；减法器，其用于将由目标信号频率计算器计算的频率与由输出信号频率计算器计算的频率进行比较，以得到这两个频率之间的频率差；调频控制器，其用于对由减法器计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量。

优选地，所述锁相单元包括：离散傅里叶变换鉴相器，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差；锁相控制器，其用于对由离散傅里叶变换鉴相器计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量。

优选地，所述锁相控制系统还包括：目标信号处理单元，其用于在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为1的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值，锁相单元将由目标信号处理单元计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。

优选地，所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内是指目标信号的幅值在额定电网电压的-15％-+10％之间。

相应地，本发明提供一种逆变器的锁相方法，包括：计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量；基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时根据得到的基波正弦量和基波余弦量计算所述输出信号的基波相位角；循环执行以上步骤，直到逆变器停止工作。

优选地，所述方法还包括：在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为1的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值，在所述基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差的步骤中，将计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。

本发明所提供的锁相控制系统及其锁相方法包括调频和锁相两个作用过程：调频控制器根据目标信号和输出信号的频率差来控制输出信号的相位角的第一调节量(作为相位角增量的粗调控制)；锁相控制器通过离散傅里叶变换得到的相位差来控制输出信号的相位角的第二调节量(作为相位角增量的精调控制)，调频和锁相共同作用实现锁相。这种锁相方式可使得即使在电网畸变以及采样干扰工况的情况下也可实现可靠锁相，并且锁相的应用范围也得到扩大。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的锁相控制系统的工作原理图；

图2是本发明的第一实施例的示例性锁相控制系统的工作原理图；

图3是本发明的第二实施例的锁相控制系统的工作原理图。

具体实施方式

以下，将参照附图和实施例对本发明进行描述。

本发明的技术构思如下：在逆变器中，锁相目标是电网，锁相控制系统要锁定的目标为电网电压，该电压信号是一个周期信号，任何周期信号都可以展开为基波的傅里叶级数，而锁相的最真实目标就是要锁定目标信号的基波相位，因此可以通过傅里叶级数展开的方式来提取目标信号的基波相位信息。因此，在本发明所提供的锁相控制系统及其锁相方法中，采用离散傅里叶变换(DFT)的方式提取基波信号的相位信息，然后计算出目标信号与输出信号之间的基波相位差，用于控制输出信号的基波相位。

(第一实施例)

图1是本发明的第一实施例的锁相控制系统的工作原理图。如图1所示，该锁相控制系统包括调频单元、锁相单元、相位计算单元和输出单元。其中，调频单元用于计算逆变器的目标信号S₁和输出信号S₀的频率差，并对计算的频率差进行比例积分(PI)或比例积分微分(PID)调节，以得到第一调节量θ_{step_f}(作为相位角增量的粗调控制)。锁相单元用于基于离散傅里叶变换计算逆变器的目标信号S₁和输出信号S₀的基波相位差，并对计算的基波相位差进行PI或PID调节，以得到第二调节量θ_{step_p}(作为相位角增量的精调控制)。相位计算单元用于将第一调节量θ_{step_f}和第二调节量θ_{step_p}相加，以得到总的相位调节量θ_step，并将总的相位调节量θ_step累加到逆变器的输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角θ。输出单元用于根据调整后的输出信号相位角θ得到输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号S₀输出，同时将得到的基波正弦量和基波余弦量反馈给锁相单元，以供锁相单元作为计算输出信号S₀的基波相位角的参考数据。

以下，将结合图2所示的优选实施例对本发明的第一实施例进行详细描述。

如图2所示，所述调频单元包括目标信号频率计算器1、输出信号频率计算器4、加法器2和调频控制器3。其中，目标信号频率计算器1用于计算逆变器的目标信号S₁的频率f₁。输出信号频率计算器4用于计算逆变器的输出信号S₀的频率f₀。减法器2用于将由目标信号频率计算器1计算的频率f₁与由输出信号频率计算器4计算的频率f₀进行比较，以得到这两个频率之间的频率差Δf。调频控制器3用于对由减法器2计算的频率差Δf进行PI或PID调节，以得到第一调节量θ_{step_f}。这里，按照经典的PI或PID的控制算法，根据频率差Δf值的大小来确定比例系数、积分时间和微分时间。

所述锁相单元包括离散傅里叶变换鉴相器5和锁相控制器6。其中，离散傅里叶变换鉴相器5用于基于离散傅里叶变换计算逆变器的目标信号和输出信号的基波相位差Δθ₁。锁相控制器6用于对由离散傅里叶变换鉴相器5计算的基波相位差Δθ₁进行PI或PID调节，以得到第二调节量θ_{step_p}。这里，同上，按照经典的PI或PID的控制算法，根据频率差Δf值的大小来确定比例系数、积分时间和微分时间。

以下，将对图2所示锁相控制系统的处理过程进行描述。

首先，进行调频控制。具体来讲，目标信号频率计算器1计算逆变器的目标信号S₁的频率f₁，输出信号频率计算器4计算逆变器的输出信号S₀的频率f₀，减法器2计算频率f₁与频率f₀之间的频率差Δf，调频控制器3对频率差Δf进行PI或PID调节，以得到第一调节量。

同时，进行锁相控制。具体来讲，离散傅里叶变换鉴相器5基于离散傅里叶变换计算逆变器的目标信号S₁和输出信号S₀的基波相位差Δθ₁。锁相控制器6用于对由离散傅里叶变换鉴相器5计算的基波相位差Δθ₁进行PI或PID调节，以得到第二调节量θ_{step_p}。

逆变器的目标信号S₁的基波相位角的计算方法如下：

设逆变器的目标信号S₁的时域表达式为f(t)，则根据傅里叶级数可展开为：

f(t)＝a₀+a₁sin(ωt)+b₁cos(ωt)+a₂sin(2ωt)+b₂cos(2ωt)+......

$a_0=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\mathrm{dt}$

$a_1=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$b_1=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$a_2=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\sin \left(2\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$b_2=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

...............................(1)

设f(t)在离散域内表示为序列f(nT)，T为采样周期，N为一个周期的采样点数：

f(nT)＝A₀+A₁sin(ωnT)+B₁cos(ωnT)+A₂sin(2ωnT)+B₂cos(2ωnT)+.....................

$A_0=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{nT}\right)$

$A_1=\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{nT}\right)*\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)$

$B_1=\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{nT}\right)*\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)$

$A_2=\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{nT}\right)*\sin \left(2n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)$

$B_2=\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{nT}\right)*\cos \left(2n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)$

........................................                                 (2)

目标信号S₁的基波相位角θ₁为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{B_1}{A_1}\right)---\left(3\right)$

逆变器的输出信号S₀的基波相位角的计算方法如下：

如图2所示，输出单元9将输出信号S₀的基波正弦量

和基波余弦量

反馈给锁相单元中的离散傅里叶变换鉴相器5，离散傅里叶变换鉴相器5将反馈的基波正弦量和基波余弦量

代入公式(2)中，可得到输出信号S0的基波的正弦量幅值A₁和余弦量幅值B₁，然后代入公式(3)计算出输出信号S₀的基波相位角θ₁。

在计算出目标信号S₁的基波相位角和输出信号S₀的基波相位角之后，将这二者相减，即可得到目标信号S₁和输出信号S₀的基波相位差Δθ₁。

在调频和锁相控制之后，相位计算单元8将第一调节量θ_{step_f}和第二调节量θ_{step_p}相加，以得到总的相位调节量θ_step，并将总的相位调节量θ_step累加到输出信号S₀的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角θ。

输出单元9根据调整后的输出信号相位角θ得到输出信号S₀的基波正弦量

和基波余弦量

并将得到的基波正弦量作为输出信号S₀输出，同时将得到的基波正弦量

和基波余弦量

反馈给锁相单元中的离散傅里叶变换鉴相器5，以供离散傅里叶变换鉴相器5作为计算输出信号S₀的基波相位角的参考数据。

循环执行以上步骤，直到逆变器停止工作。

如上所述，本发明中采用离散傅里叶变换的方法，提取目标信号与输出信号的基波信号，然后计算出目标信号与输出信号之间的基波相位差，用于控制输出信号的基波相位。这种锁相方法不会因为电网电压畸变或外界干扰信号大的影响而使锁相失败，锁相方法中不需要采用低通滤波器，所以也不会出现延迟现象，不会影响到信号的带宽，所以该方法对电网及环境的要求条件低，可实现系统的可靠锁相。因此，这种锁相方法可很好地应用于电网畸变较大、干扰较大的环境中，或者应用于对锁相精度要求较高的系统中，与现有技术相比，应用范围扩大。

(第二实施例)

本实施例考虑在锁相目标信号S₁的幅值变化范围不大(具体来讲，在预定范围内)的情况下，可以将目标信号S₁乘以系数(即，目标信号S₁的幅值的倒数)，以变化为幅值为1的波形的信号，从而使得当θ₁趋近于零时，目标信号S₁经过变化后的信号的基波余弦量的幅值B₁与目标信号S₁的基波相位角θ₁为正比例单调关系，且近似等于基波相位角θ₁(即，B₁≈θ₁)。在这种情况下，可将目标信号S₁经过变化后的信号的基波余弦量的幅值B₁作为目标信号S₁的基波相位角θ₁。

这里指出，对于并网逆变器来说，锁相目标是电网，锁相目标信号S₁即为电网电压，电网电压的幅值在额定电网电压的-15％-+10％之间波动认为是变化范围不大，这种情况可采用第二实施例的方法，如果电网电压超出此范围，则认为电网电压的波动范围较大，这种情况可采用第一实施例的方法。

本实施例的理论推导过程如下：

设目标信号S₁经如上所述变化后的信号的基波的时域表达式为sin(ωt+θ₁)，则通过公式(1)或者三角函数变换可求得：

f(t)＝sin(ωt+θ₁)＝cos(θ₁)sin(ωt)+sin(θ₁)cos(ωt)            (4)

根据公式(2)将上述时域表达式进行离散傅里叶变换，其对应的离散域表达式为：

f(nT)＝A₁sin(ωnT)+B₁cos(ωnT)＝cos(θ₁)sin(ωnT)+sin(θ₁)cos(ωnT)   (5)

根据公式(5)可知：

A₁＝cos(θ₁)                       (6)

B₁＝sin(θ₁)                       (7)

从公式(7)可知，当θ₁→0时，B₁≈θ₁。

通过这种方式，节省了公式(3)中求B₁/A₁和反正切运算(除法和三角函数运算很费资源)，从而减小了求取目标信号S₁的基波相位角θ₁的计算量。

为了实现以上方法，如图3所示，本实施例在第一实施例的基础上增加了一个目标信号处理单元10，其用于在目标信号S₁的幅值变化范围不大(具体来讲，在预定范围内)的情况下，将目标信号S₁乘以系数，以变化为幅值为1的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值B₁(参见公式(2))。此时，锁相单元中的离散傅里叶变换鉴相器5将由目标信号处理单元10计算的目标信号S₁经过变化后的信号的基波余弦量的幅值B₁作为目标信号S₁的基波相位角θ₁。

以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明并不限于以上所公开的具体实施例，任何基于本说明书所公开的技术方案的变型都应包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种逆变器的锁相控制系统，包括：

调频单元，其用于计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量；

锁相单元，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；

相位计算单元，其用于将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；

输出单元，其用于根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时将得到的基波正弦量和基波余弦量反馈给锁相单元，以供锁相单元作为计算所述输出信号的基波相位角的参考数据。

2.根据权利要求1所述的锁相控制系统，其特征在于，所述调频单元包括：

目标信号频率计算器，其用于计算所述目标信号的频率；

输出信号频率计算器，其用于计算所述输出信号的频率；

减法器，其用于将由目标信号频率计算器计算的频率与由输出信号频率计算器计算的频率进行比较，以得到这两个频率之间的频率差；

调频控制器，其用于对由减法器计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量。

3.根据权利要求1所述的锁相控制系统，其特征在于，所述锁相单元包括：

离散傅里叶变换鉴相器，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差；

锁相控制器，其用于对由离散傅里叶变换鉴相器计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量。

4.根据权利要求1所述的锁相控制系统，其特征在于，还包括：

目标信号处理单元，其用于在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为1的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值，

锁相单元将由目标信号处理单元计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。

5.根据权利要求1所述的锁相控制系统，其特征在于，所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内是指目标信号的幅值在额定电网电压的-15％-+10％之间。

6.一种逆变器的锁相方法，包括：

计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量；

基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；

将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；

根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时根据得到的基波正弦量和基波余弦量计算所述输出信号的基波相位角；

循环执行以上步骤，直到逆变器停止工作。

7.根据权利要求6所述的锁相方法，其特征在于，还包括：

在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为1的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值，

在所述基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差的步骤中，将计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。

8.根据权利要求7所述的锁相方法，其特征在于，所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内是指目标信号的幅值在额定电网电压的-15％-+10％之间。

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