CN102983858B

CN102983858B - 一种锁相环及其进行锁相的方法

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Publication number: CN102983858B
Application number: CN2012104952300A
Authority: CN
Inventors: 刘晓红; 陈恒留
Original assignee: SHENZHEN JINGFUYUAN TECH Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Jingfuyuan Tech Co ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: CN102983858A

Abstract

本发明提供一种锁相环进行锁相的方法，包括以下步骤：获取电网电压波形信号和预设电压波形信号；根据电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号；根据预设电压波形信号，得到第二组正弦波信号；其中，每组正弦波信号分别包括两个正弦信号，两个正弦信号的相位差分别为预设的角度；根据所述第一组正弦波信号与第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差；根据所述相位偏差，调整锁相环输出信号的相位。本发明所述技术方案，在快速进行锁相的同时，有效避免了电网频率变化的影响，抗干扰能力有效增强。

Description

一种锁相环及其进行锁相的方法

技术领域

本发明属于锁相环领域，尤其涉及一种锁相环及其进行锁相的方法。

背景技术

在光伏并网系统中，准确并快速地检测到电网电压的频率、相位和幅值是必不可少的环节。目前的光伏并网系统中，是通过锁相环来跟踪监测电网电压的频率、相位和幅值。

在现有技术中，锁相环是通过检测电网电压的过零点，从而实现锁相，但该方法抗干扰能力差。而基于二阶通用积分器的单相锁相环较传统的数字锁相环具有不受电网频率变化影响、抗干扰能力强的优点，但该算法在离散化实现时会引入二次谐波，从而导致锁相准确度降低。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中锁相准确度降低且抗干扰能力差的技术问题，提供一种锁相环及其进行锁相的方法，能快速地实现锁相且抗干扰能力强。

本发明提供一种锁相环进行锁相的方法，

所述方法包括以下步骤：

获取电网电压波形信号和预设电压波形信号；

根据电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号；根据预设电压波形信号，得到第二组正弦波信号；其中，每组正弦波信号分别包括两个正弦信号，两个正弦信号的相位差分别为预设的角度；

根据所述第一组正弦波信号与第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差；

根据所述相位偏差，调整锁相环输出信号的相位。

优选地，所述第一组正弦波信号包括SinBata和CosBata信号，所述根据电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号的步骤，具体包括以下步骤：

根据电网电压的波形信号，得到SinBata信号；

根据SinBata信号，计算得到与SinBata信号相位差为预设角度的CosBata信号。

优选地，所述预设角度为90°。

优选地，所述根据SinBata信号，计算得到与SinBata信号相位差为预设角度的CosBata信号的步骤，具体为：

\frac{U_{0}}{U_{i}} = \frac{1 - \frac{1}{2 πf} S}{1 + \frac{1}{2 πf} S} = \frac{- S + 2 πf}{S + 2 πf}

其中U_i为SinBata信号，U_o为CosBata信号，S为拉斯变换变量，f为电网频率。

优选地，所述第二组正弦波信号包括SinAlfa信号和CosAlfa信号，所述根据所述第一组正弦波信号与第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差的步骤，具体为：

相位差Δθ＝SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata。

本发明还提供一种利用上述锁相方法进行锁相的锁相环，包括传感器、全通滤波器、鉴相器以及PI控制器；

所述传感器，用于检测电网电压波形信号；

所述全通滤波器，用于根据传感器检测到的电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号；

所述鉴相器，用于根据全通滤波器的第一组正弦波信号与根据预设电压波形信号得到的第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差，其中，每组正弦波信号分别包括两个正弦信号，两个正弦信号的相位差分别为预设的角度；

所述PI控制器，用于根据所述鉴相器得到的相位偏差，调整输出信号的相位。

优选地，所述预设角度为90°。

优选地，所述全通滤波器包括运算放大器A1、电阻R₁、电阻R₂以及电阻R₃，所述运算放大器A1的正极U+与电阻R₁的一端电连接，所述电阻R₁的另一端分别与全通滤波器的输入端U_i和电阻R₂的一端电连接，所述电阻R₂的另一端与所述运算放大器A1的负极U-和电阻R₃的一端电连接，所述运算放大器A1的输出端分别与全通滤波器的输出端U_o和电阻R₃的另一端电连接。

优选地，所述电阻R₂与所述电阻R₃的阻值相等。

优选地，所述第一组正弦波信号包括SinBata和CosBata信号，所述预设的第二组正弦波信号包括SinAlfa信号和CosAlfa信号，所述鉴相器计算相位偏差的公式为：相位差Δθ＝SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata。

以上所述技术方案，通过利用电网电压信号和预设电压信号分别得到一组正弦波信号，对两组正弦波信号进行计算最终得到电网电压信号与预设电压信号的相位偏差，利用相位偏差可以调整锁相环输出信号的相位，使得输出信号能够有效跟踪输入信号的频率和相位，在快速进行锁相的同时，有效避免了电网频率变化的影响，抗干扰能力有效增强。

附图说明

图1是本发明一种实施例的锁相环进行锁相的方法流程图；

图2是本发明一种实施例的锁相环的结构框图；

图3是本发明一种实施例的全通滤波器的电路图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1示出了本发明一种实施例，本实施中的技术方案通过把预设电压信号和采集的电网电压信号的相位、频率进行比较，产生对应于两个信号相位偏差Δθ，利用相位偏差产生控制信号去调整预设电压信号的相位，从而减小或消除相位偏差，最终使预设电压信号能够跟踪电网的频率和相位，进行闭环锁相控制，本发明提供的一种锁相环进行锁相的具体方法，包括以下步骤：

获取电网电压波形信号和预设电压波形信号；

根据电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号，根据预设电压波形信号，得到第二组正弦波形信号；其中，每组正弦波形信号分别包括两个正弦信号，两个正弦信号的相位差分别为预设的角度；

根据所述相位偏差，调整锁相环输出信号的相位。

本实施例中，所述预设电压波形信号由系统内部预设产生，通过对预设的电压波形信号进行处理可以得到一组正弦波信号，例如：预设一频率50Hz，任意角度初始相位为30*pi/180的电压波形信号，通过PI控制器+工频50Hz所求之和再与2*pi/s进行求积，运算结果为相位角，所求得相位角之后再加上初始相位30*pi/180，然后进行正弦运算，的得到一组正弦波信号。

本实施例中，假设根据预设电压波形信号所求得的一组正弦波信号包括两个正弦信号，分别为：SinAlfa、CosAlfa；其中两个正弦信号的相位差为预设角度，本实施例中，优选地，预设角度为90°，即正弦信号CosAlfa比正弦信号SinAlfa滞后90°。

另外一组正弦波信号根据获取的电网电压波形信号得到，这里假设该组正弦波信号包括SinBata和CosBata信号，根据电网电压波形信号，得到该组正弦波信号的步骤具体包括以下步骤：

根据电网电压的波形信号，得到SinBata信号；

根据SinBata信号，计算得到与SinBata信号相位差为预设角度的CosBata信号。这里的预设角度优选优选为90°。

该部分的计算过程，可通过一个全通滤波器的模拟电路实现，如图3所示，

所述全通滤波器包括运算放大器Al、电阻R₁、电阻R₂以及电阻R₃，所述运算放大器A1的正极U+与电阻R₁的一端电连接，所述电阻R₁的另一端分别与全通滤波器的输入端U_i和电阻R₂的一端电连接，所述电阻R₂的另一端与所述运算放大器A1的负极U-和电阻R₃的一端电连接，所述运算放大器A1的输出端分别与全通滤波器的输出端U_o和电阻R₃的另一端电连接。为了能够使的最终得到的SinBata信号与CosBata信号的相位差为预设角度90°，这里优选地，所述电阻R₂与电阻R₃的阻值相等。

电容C两端的电压即为U₊，电容器的阻抗可表示为R_C＝1/(jωc)，所以U₊为：

U_{+} = \frac{1 / jωC}{R_{1} + 1 / jωC} U_{i} = \frac{1}{1 + jωC R_{1}} U_{i}

由运算放大器A1的特点可知U₊＝U_{_}，所以有下式成立：

U_{-} = U_{+} = \frac{1}{1 + jωC R_{1}} U_{i}

由图2可知，经过电阻R₂、R₃的电流相等，经过电阻R₂的电流等于电阻R₂两端的电压除以电阻R₂的阻值，所以电流I₂＝(U_i-U_)/R₂；经过电阻R₃的电流等于R₃两端的电压除以电阻R₃的阻值，所以电流I₃＝(U_-U₀)/R₃。又因为电流I₂＝I₃，所以有下式成立：

\frac{U_{i} - \frac{1}{1 + jωC R_{1}} U_{i}}{R_{2}} = \frac{\frac{1}{1 + jωC R_{1}} U_{i} - U_{o}}{R_{3}}

其中，因为电阻R₂与所述电阻R₃的阻值相等。

所以上式可变换为：

U_{o} = \frac{2}{1 + jωC R_{1}} U_{i} - U_{i} = \frac{1 - jω {CR}_{1}}{1 + jω {CR}_{1}} U_{i}

可求得输出U_o与输入U_i的比值为：

\frac{U_{o}}{U_{i}} = \frac{1 - jωC R_{1}}{1 + jω {CR}_{1}} = \frac{1 - R_{1} CS}{1 + R_{1} CS}

因此有：

\tan^{- 1} \frac{&angle; U_{o}}{&angle; U_{i}} = {- \tan}^{- 1} ω {CR}_{1} - \tan^{- 1} ωC R_{1} = - 2 \tan^{- 1} ω {CR}_{1}

令

则有ωCR₁＝1，因此有

{CR}_{1} = \frac{1}{ω} = \frac{1}{2 πf};

因为

所以最终可得到下式：

\frac{U_{0}}{U_{i}} = \frac{1 - \frac{1}{2 πf} S}{1 + \frac{1}{2 πf} S} = \frac{- S + 2 πf}{S + 2 πf}

正弦波根据以上所述的计算方法，若U_i为SinBata信号，U_o为CosBata信号，由此可推导出SinBata经过全通滤波器输出后的CosBata信号，相移滞后90°，而SinBata信号可根据获取的电网电压信号得到，例如，根据得到的电网电压信号假设频率为50Hz，工频误差设为-2，工频+误差之和与2*pi/s求积之后再加上初始相位pi，经过正弦运算后可得到SinBata，最终再根据上述公式：

\frac{U_{0}}{U_{i}} = \frac{1 - \frac{1}{2 πf} S}{1 + \frac{1}{2 πf} S} = \frac{- S + 2 πf}{S + 2 πf}

得到CosBata信号。

本实施例中，所述的全通滤波器可基于DSP由C语言编写而成。从而得到CosBata滞后SinBata 90°的正弦波形。

这里假设电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差为Δθ，令

SinΔθ＝Sin(Alfa-Bata)＝SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata

根据以上实施例所得到的第一组正弦波信号SinBata、CosBata和第二组正弦波信号SinAlfa信号和CosAlfa，及上述的公式SinΔθ＝Sin(Alfa-Bata)＝SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata，得到SinΔθ，对于该结果，由于当Δθ很小时，SinΔθ接近于Δθ，因此上述公式可变换为：Δθ＝SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata。

因此根据得到相位偏差Δθ产生控制信号去调整输出信号的相位，可使得输出信号能够跟踪输入信号的频率和相位。

如图2所示，本发明还提供一种利用上述锁相方法进行锁相的锁相环，包括传感器、全通滤波器、鉴相器以及PI控制器；

所述传感器，用于检测电网电压波形信号；

根据图2所示，所述传感器用于监测电网电压波形信号，并将检测到的电网电压波形信号传送给所述全通滤波器，所述全通滤波器可根据以上实施例中所述的计算方法利用电网电压波形信号计算得到第一组正弦波信号，该组正弦波信号包括两个正弦信号：SinBata信号及CosBata信号，两个正弦波信号之间的相位差为预设角度，所述预设角度优选为90°，即CosBata信号比SinBata信号相位滞后90°。全通滤波器将经过计算得到的第一组正弦波信号输送到鉴相器中。

同时，鉴相器中存储有根据预设电压波形信号得到的第二组正弦波信号：SinAlfa信号和CosAlfa信号。根据第一组正弦波信号及第二组正弦波信号，鉴相器最终可得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差Δθ，具体计算公式为：

Δθ＝SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata。

PI控制器，最终根据鉴相器得到的相位偏差Δθ，调整输出信号的相位，由此可见，这个结果构成一个负反馈，鉴相器检测预设信号，即输入信号与反馈信号之间的相位偏差，利用相位偏差产生控制信号去调整输出信号的相位，从而减小或消除相位偏差，最终使输出信号能够跟踪输入信号的频率和相位。

由此可见，本发明的实施例利用反馈控制原理实现频率和相位的同步，采用全通滤波器的方法对采集的电压信号进行移相预设角度，并且本发明的技术方案中所述的锁相环控制方法不受电压幅值、相位突变以及工频突变的影响，抗干扰能力有效增强，同时本发明提出的算法可通过软件编程实现，锁相速度快，可以精确控制目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锁相环进行锁相的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

获取电网电压波形信号和预设电压波形信号；

根据电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号；根据预设电压波形信号，得到第二组正弦波信号；其中，每组正弦波信号分别包括两个正弦信号，两个正弦信号的相位差分别为预设的角度；所述预设的角度为90°；根据所述第一组正弦波信号与第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差；

根据所述相位偏差，调整锁相环输出信号的相位；

所述第一组正弦波信号包括SinBata和CosBata信号，所述根据电网电压波形信号，得到第一组正弦波信号的步骤，具体包括以下步骤：

根据电网电压波形信号，得到SinBata信号；

根据SinBata信号，计算得到与SinBata信号相位差为预设角度的CosBata信号；

所述根据SinBata信号，计算得到与SinBata信号相位差为预设角度的CosBata信号的步骤，具体为：

\frac{U_{0}}{U_{i}} = \frac{1 - \frac{1}{2 πf} S}{1 + \frac{1}{2 πf} S} = \frac{- S + 2 πf}{S + 2 πf}

其中U_i为SinBata信号，U_O为CosBata信号，S为拉普拉斯变换变量，f为电网频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二组正弦波信号包括SinAlfa信号和CosAlfa信号，所述根据所述第一组正弦波信号与第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差的步骤，具体为：

相位差△θ=SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata。

3.一种锁相环，其特征在于：包括传感器、全通滤波器、鉴相器以及PI控制器；

所述传感器，用于检测电网电压波形信号；

所述鉴相器，用于根据全通滤波器的第一组正弦波信号与根据预设电压波形信号得到的第二组正弦波信号，得到电网电压波形信号与预设电压波形信号的相位偏差，其中，每组正弦波信号分别包括两个正弦信号，两个正弦信号的相位差分别为预设的角度；所述预设的角度为90°;

所述PI控制器，用于根据所述鉴相器得到的相位偏差，调整输出信号的相位;

所述全通滤波器包括运算放大器A1、电阻R₁、电阻R₂以及电阻R₃，所述运算放大器A1的正极U+与电阻R₁的一端电连接，所述电阻R₁的另一端分别与全通滤波器的输入端U_i和电阻R₂的一端电连接，所述电阻R₂的另一端与所述运算放大器A1的负极U-和电阻R₃的一端电连接，所述运算放大器A1的输出端分别与全通滤波器的输出端U_o和电阻R₃的另一端电连接;所述电阻R₂与所述电阻R₃的阻值相等;所述第一组正弦波信号包括SinBata和CosBata信号，根据电网电压波形信号，得到SinBata信号；根据SinBata信号，通过下式，计算得到与SinBata信号相位差为90°的CosBata信号：

\frac{U_{0}}{U_{i}} = \frac{1 - \frac{1}{2 πf} S}{1 + \frac{1}{2 πf} S} = \frac{- S + 2 πf}{S + 2 πf}

4.如权利要求3所述的锁相环，其特征在于：所述第二组正弦波信号包括SinAlfa信号和CosAlfa信号，所述鉴相器计算相位偏差的公式为：相位差△θ=SinAlfa*CosBata-CosAlfa*SinBata。