CN102832931A

CN102832931A - 基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法、装置及锁相环

Info

Publication number: CN102832931A
Application number: CN2012103463839A
Authority: CN
Inventors: 罗宇浩
Original assignee: Altenergy Power System Inc
Current assignee: Altenergy Power System Inc
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明提供了一种基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法、装置及锁相环，所述方法包括：对电网电压信号进行采样，得到电网电压采样信号；将不完整周期的电网电压采样信号与参考标准余弦信号相乘并积分，计算得到第一运算结果；将所述不完整周期的电网电压采样信号与参考标准正弦信号相乘并积分，计算得到第二运算结果；对所述第一运算结果除以第二运算结果所得的商进行反正切运算，得到电网电压信号的相位。本发明能够在谐波、噪声、偏置等干扰下精确、快速、稳定地跟踪电网电压信号的相位。

Description

基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法、装置及锁相环

技术领域

本发明涉及一种基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法、装置及锁相环。

背景技术

在电力电子的众多应用领域中，与交流电网互联的电力电子变流装置在国民经济中扮演着重要的角色，为了精确、稳定地运行，其控制系统都要求快速、准确地获取电网电压的相位和频率信息。

目前常用的单相逆变器上的电网电压检测方法主要是通过检测电压幅值过零点及其时间间隔来得到当前电网的相位和频率，该方法思路简单、易于实现，但抗电压直流分量、谐波、噪声的性能较差，较难实现精确、稳定的逆变器的过欠频保护。

另外，其效果依赖于过零点附近信号的质量，对带死区波形的并网电流的检测则完全失效，因此不能应用于要求具备无功补偿功能的并网应用场合，而无功补偿是逆变器技术发展的趋势和重要要求之一。

在三相并网逆变器中常使用clack+park变换来锁相，该方法至少需要两相电压信号。对单相并网逆变器而言，如何根据已知单相输入构造另一相电压信号就成为各种基于clack+park变换的单相锁相环的关键所在，目前的方法都是以复杂的运算或者较大的计算延迟为代价，不利于在计算资源受限的逆变器主控芯片上编程实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法、装置及锁相环，能够在谐波、噪声、偏置等干扰下精确、快速、稳定地跟踪电网电压信号的相位。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法，包括：

对电网电压信号进行采样，得到电网电压采样信号；

将不完整周期的电网电压采样信号与参考标准余弦信号相乘并积分，计算得到第一运算结果，所述参考标准余弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0；

将所述不完整周期的电网电压采样信号与参考标准正弦信号相乘并积分，计算得到第二运算结果，所述参考标准正弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0；

对所述第一运算结果除以第二运算结果所得的商进行反正切运算，得到电网电压信号的相位。

可选地，所述不完整周期的电网电压采样信号记为

所述参考标准余弦信号记为x_cos(t)＝cosωt，采用如下公式进行相乘积分：

其中，T为采样周期，a为第一运算结果，变形后：

其离散形式为：

其中N为采样周期T内的采样点数；

所述参考标准正弦信号记为x_sin(t)＝sinωt，采用如下公式进行相乘积分：

其中，b为第二运算结果，变形后的离散形式为：

所述电网电压信号的相位

可选地，在开始对所述电网电压信号采样之后，所述鉴相方法还包括：对所述电网电压采样信号进行过零检测，在检测到所述电网电压采样信号过零之后将所述完整周期的电网电压采样信号分别与参考标准余弦信号和标准参考正弦信号相乘并积分。

可选地，所述过零检测的判断标准为：开始对所述电网电压信号采样之后，所述电网电压采样信号的序列为两负一正。

本发明还提供了一种基于不完整周期电网电压信号的鉴相装置，包括：

采样模块，对电网电压信号进行采样，得到电网电压采样信号；

第一运算模块，将不完整周期的电网电压采样信号与参考标准余弦信号相乘并积分，计算得到第一运算结果，所述参考标准余弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0；

第二运算模块，将所述不完整周期的电网电压采样信号与参考标准正弦信号相乘并积分，计算得到第二运算结果，所述参考标准正弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0；

相位计算模块，对所述第一运算结果除以第二运算结果所得的商进行反正切运算，得到电网电压信号的相位。

可选地，所述不完整周期的电网电压采样信号记为

所述参考标准余弦信号记为x_cos(t)＝cosωt，所述第一运算模块的采用如下公式计算所述第一运算结果：

其中，T为采样周期，a为第一运算结果，变形后：

其离散形式为：

其中N为采样周期T内的采样点数；

所述参考标准正弦信号记为x_sin(t)＝sinωt，所述采用如下公式计算所述第二运算结果：

其中，b为第二运算结果，变形后的离散形式为：

所述相位计算模块采用如下公式计算所述电网电压信号的相位：

可选地，所述鉴相装置还包括：

过零检测模块，在开始对所述电网电压信号采样之后，对所述电网电压采样信号进行过零检测，在检测到所述电网电压采样信号过零之后控制所述第一运算模块和第二运算模块开始计算。

本发明还提供了一种锁相环，包括以上任一项所述的鉴相装置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的鉴相方法及装置中，将采样所得的电网电压采样信号分别与参考标准余弦信号和参考标准正弦信号相乘并积分，之后再进行反正切计算得到电网电压信号的相位信息。由于噪声与有效信号的相关性通常很小，因而相关分析法对于采样和处理信号中的直流偏移、谐波污染以及噪声等干扰具有很强的抑制能力。

附图说明

图1是本发明实施例的基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的基于不完整周期电网电压信号的鉴相装置的流程示意图；

图3是本发明实施例的基于不完整周期电网电压信号的鉴相方法的详细流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，本实施例的鉴相方法包括：

步骤S11，对电网电压信号进行采样，得到电网电压采样信号；

步骤S12，将不完整周期的电网电压采样信号与参考标准余弦信号相乘并积分，计算得到第一运算结果，所述参考标准余弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0；

步骤S13，将所述不完整周期的电网电压采样信号与参考标准正弦信号相乘并积分，计算得到第二运算结果，所述参考标准正弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0；

步骤S14，对所述第一运算结果除以第二运算结果所得的商进行反正切运算，得到电网电压信号的相位。

对于两个同频率正弦信号的互相关函数，其零时刻函数值与两信号的相位差的正、余弦成正比。由于噪声与有效信号相关性通常很小，因而相关分析法对于采样和处理信号中的直流偏移、谐波污染以及噪声等干扰具有很强的抑制能力，但其抑制干扰的能力取决于采样次数和电压幅值最大值精度等因素，本实施例对传统相关分析进行了改进，大幅度提升了一般相关分析的精度和稳定性。通常离散信号x(t)和y(t)的互相关函数定义为

实施例中，采样所得的不完整周期的电网电压采样信号记为

参考标准余弦信号记为x_cos(t)＝cosωt，相乘并积分：

其中T为采样周期；

第一运算结果

其离散形式为：

其中N为一个采样周期T内的采样点数。

同理，参考标准正弦信号记为x_sin(t)＝sinωt，与电网电压采样信号相乘积分并变换后得到第二运算结果

因此，电网电压采样信号的相位

即电网电压信号的相位

作为一个优选的实施例，在步骤S11开始对电网电压信号采样之后，步骤S12之前，还可以对电网电压采样信号进行过零检测，在检测到所述电网电压采样信号过零之后再执行步骤S12、S13以及S14，例如在检测到过零之后延迟一个采样周期再开始相乘积分运算。

作为一个非限制性的例子，过零检测的方法例如可以是对电网电压信号采样之后，如果采样所得的电网电压采样信号出现两负一正的序列，则判定电网电压信号过零。当然，本领域技术人员应当理解，此处也可以采用其他适当的过零检测方法。

图2示出了本实施例的鉴相装置的结构框图，包括：采样模块21、第一运算模块22、第二运算模块23以及相位计算模块24。

其中，采样模块21电网电压信号进行采样，得到电网电压采样信号。采样模块21可以使用例如模数转换器(ADC)来实现。

第一运算模块22将不完整周期的电网电压采样信号与参考标准余弦信号相乘并积分，计算得到第一运算结果，所述参考标准余弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0。

第二运算模块23将所述不完整周期的电网电压采样信号与参考标准正弦信号相乘并积分，计算得到第二运算结果，所述参考标准正弦信号的幅度为单位幅度，频率与所述电网电压采样信号的频率相同，相位为0。

相位计算模块24对第一运算结果除以第二运算结果所得的商进行反正切运算，得到电网电压信号的相位。

关于该鉴相装置的工作原理的更多详细信息，请参见前述实施例中的鉴相方法的相关描述。

本实施例还提供了一种锁相环，包括图2所示的鉴相装置，此外还可以包括压控振荡器、环路滤波器等各种适当的部件。

在一实例中，可以采用现场可编程门阵列(FPGA)和外置模数转换器(ADC)的方案来实现上述鉴相装置，其具体工作流程如图3所示。

在311处，进行系统和寄存器的初始化。例如程序开始运行后初始化相应变量的初始值以及ADC的运行参数。

在312处，对电网电压信号采样，存储当前和前两次的电压值，分别记为Vpres、Vlast1、Vlast2。

在313处，通过Vpres、Vlast1、Vlast2的正负号，判断当前是否是程序开始运行之后的第一次电压过零点(例如前两个为负，最后一个为负，则判定为过零)，如果是的话前进至步骤314，否则跳转至步骤316处。

在314处，延迟一个周期后开始进行相关分析的乘累加运算。

在315处，对相关的变量进行计算，State＝0，NumPLL++，Tap_0＝Tap。

步骤314和315中，为了使得参考标准余弦信号、参考标准正弦信号在开始鉴相时和电压采样值序列同步，因而在开始采样之后第一次判定过零成立后，延迟一个标准电网周期开始State0阶段的第一次乘法累加计算，对应乘法累加计数值Tap＝0。

具体地，在低频ADC上实现变采样率采样的方法：通常外置ADC的设备时钟频率远低于主控制器的系统时钟频率，因而本实例中采用在最接近按系统时钟记数的采样间隔时间计数器记数周期结束的那个系统时钟的ADC设备时钟周期拉低CS引脚来控制ADC电压采样的开始时刻；通过控制ADC与采样间隔时间记数器并行运行，一个电网周期内各采样点的采样开始时刻与理想状态最多相差一个ADC时钟周期，最不利影响可以等价成ADC采样一个ADC设备时钟周期，造成的鉴相误差很小。换言之，采样间隔时间记数器以系统时钟为基准进行计数，当计数达到预设的时间时，触发ADC的采样。

在316处，电网电压信号前半个周期的电压采样值与参考标准正、余弦表进行乘累加运算。换言之，将采样所得的电压采样值与预存的参考标准正、余弦表中相应的值进行乘法累加。为了节省存储器资源，参考标准正、余弦表可以通过偏移查表的下表来共享同一个表格。

在317处，将乘累加结果转换成浮点格式MultCos_F和MultSin_F，作为下一步求反正切计算的输入。

在半个电网周期的ADC采样、乘法累加计算之后，是statel阶段。

在318处，进行反正切计算。State＝1：atan_cs＝MultCos_F/MultSin_F，arctan_cs＝atan(atan_cs)。

此外，还可以依据计算结果来调整下个周期的初始相位和频率。在319处，根据上一步骤所求的相位差来调整每周期采样点数Sam_V、电压采样频率pha和并网输出电流的频率。

在320处，判断是否是第一个鉴相周期。具体而言，判断变量Sig_1phase是否等于1，Sig_1phase初始化为1，表示当前是否是第一个鉴相周期，之后其值被修改为0。如果是第一个鉴相周期，则跳转至321，否则跳转至322。

在321处，det＝Sam_V，Sig_1phase＝0，即第一个鉴相周期不做相位调整。

在322处，det＝Sam_V-dett，其中dett为上一步所求的相位对应的采样点数。

进一步而言，为了保证各种原因引起鉴相失稳时整个程序的健壮性和鉴相精度，在每10个周期可以同时进行基于幅值比较法的过零检测，判断其中若干个过零点对应的Tap值的平均值Tap_0是否为0，如果不为0则将过零时刻指示输出的Tap调整Tap_0个采样点。这样的处理虽然还是利用了幅度过零检测，但该检测与主体计算没有相关依赖关系，不会影响相关分析法鉴相的精度，也不会因为幅值过零检测的误判影响稳定性，在鉴相响应时间、精度和稳定性、可靠性上得到很好的互补。

在323处，判断NumPLL是否等于10。如果是的话，则前进至324，NumPLL＝1，修正输出过零点的Tap。

在运行高精度除法运算和反三角函数计算的同时，还并行运行采样时间间隔计数器。在325处，判断Tap是否等于det，如果不是则跳转至327，Tap++；如果是，则跳转至326，相应的寄存器复位，并跳转到下一个鉴相周期的state0状态，即跳转至316处。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。