CN103078633A - 一种单相锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相锁相环，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述鉴相器包括Clark变换、正序变换和Park变换三部分，电压输入信号和两个零信号送入Clark变换，Clark变换的输出信号与锁相环的输出角频率一起送入正序变换的输入端，正序变换的输出信号与锁相环的输出相位一起送入Park变换，Park变换的输出信号即为鉴相器的输出信号；所述鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连，环路滤波器的输出信号加上初始值之后送入压控振荡器的输入端。此种锁相环算法简单、成本低、锁相精度高，不仅能够在电网相位变化时准确跟踪电网相位和幅值，而且可以在电网频率波动时迅速、准确跟踪电网相位。

Description

一种单相锁相环

技术领域

本发明属于电力电子变流技术应用领域，特别涉及与电网互联的单相电力电子变流装置中的同步锁相技术。

背景技术

在应对全球资源锐减的举措中，太阳能、风能等再生新能源发电并网系统得到了极大重视。电网电压相位信息的准确获取对各种并网变流器的稳态、动态性能以及安全运行具有重要影响。

对于单相并网系统的同步技术，主要有过零比较锁相技术、基于乘法器的锁相技术和基于三相锁相控制技术的单相锁相技术。

过零比较锁相技术通过检测电压过零点来获得周期和相位信息，此法虽然简单但是锁相效果差、抗谐波干扰能力有限且无法检测电压的幅值。

基于乘法器的锁相技术使用乘法器作为鉴相器，为了达到锁相结果的高精确度需要设计高阶环路滤波器，使得锁相环的设计变得复杂。

基于三相锁相控制技术的单相锁相技术通过已知单相构造另外一相或两相，再使用成熟的三相锁相环技术得到单相系统的相位。如何通过已知单相构造另外一相是该锁相技术的核心。在单相系统中，在同一时刻只能采样到一个电压值，由它构成的二元方程是无法解出幅值和相位的。因此，单相锁相环需要一段时间去获取足够多的信息才能解出幅值和相位。目前所提出的构造方法中或需要复杂的数学计算，例如基于反park变换；或放大噪声，例如微分法；或产生额外成本，例如硬件构造法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种算法简单、成本低、锁相精度高的单相锁相环，其不仅能够在电网相位变化时准确跟踪电网相位和幅值，而且可以在电网频率波动时迅速、准确跟踪电网相位。

为了达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种单相锁相环，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述鉴相器包括Clark变换、正序变换和Park变换三部分，电压输入信号和两个零信号送入Clark变换，Clark变换的输出信号与锁相环的输出角频率一起送入正序变换的输入端，正序变换的输出信号与锁相环的输出相位一起送入Park变换，Park变换的输出信号即为鉴相器的输出信号；所述鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连，环路滤波器的输出信号加上初始值之后送入压控振荡器的输入端。

上述Clark变换执行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

其中，u_a、u_b、u_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c相，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相。

上述正序变换执行三相不平衡系统中提取出正序对称分量的变换，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}\\ -z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相，分别为两相静止坐标系下的正序α、β分量，f_s为锁相环的运算频率、ω为锁相环的输出角频率、z^-[N]表示延时整数N个运算周期。

上述Park变换执行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的数学变换，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相，u_d、u_q分别为两相旋转坐标系下的d、q相。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：提供一种算法简单、成本低、锁相精度高的单相锁相技术,不仅能够在电网相位变化时准确跟踪电网相位和幅值，而且可以在电网频率波动时迅速、准确跟踪电网相位。

附图说明

图1是本发明单相锁相环的基本原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种单相锁相环，包括鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO），鉴相器的输出端连接环路滤波器的输入端，所述环路滤波器的输出信号加上初始值ω₀之后再与压控振荡器的输入端连接；其中，鉴相器（PD）由Clark变换、正序变换和Park变换构成，电压输入信号和两根零信号送入Clark变换，Clark变换的输出与锁相环的输出角频率ω一起送入正序变换，所述正序变换的输出与锁相环的输出相位θ一起送入Park变换，Park变换的输出即为鉴相器的输出。本发明的锁相环可以在电网相位变化时准确跟踪电网相位和幅值，而且可以在电网频率波动时迅速、准确跟踪电网相位。

如果一个单相信号与两个恒为零的信号组成三相信号，通过对称分量分解合成的原理，可将其分解为幅值相等的三相对称正序相量、负序分量和零序分量的叠加，且此三组相量具有幅值相等、相位相等的特点。本发明正是利用这个特性，引入一个正序相量提取的正序变换，将单相输入信号作为Clark变换的一相输入，另外两相恒置为零。正序变换根据锁相环输出角频率ω从Clark变换输出的α/β分量中提取出正序α/β分量。正序变换得到的α/β分量再经过Park变换可得到正序分量的d/q分量。通过环路滤波器控制压控振荡器，使得Park变输出q轴分量的直流分量为零，即可达到锁相的目的。

Clark变换是一种三相静止坐标系到两相静止坐标系的数学变换，变换公式如下： $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$ 其中：u_a、u_b、u_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c相，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相。

正序变换是一种从三相不平衡系统中提取出正序对称分量的变换算法，变换公式如下： $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}\\ -z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中：u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相，

分别为两相静止坐标系下的正序α、β分量，f_s为锁相环的运算频率，ω为锁相环的输出角频率、z^-[N]表示延时整数N个运算周期。

Park变换是一种两相静止坐标系到两相旋转坐标系的数学变换，变换公式如下： $\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中：u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相，u_d、u_q分别为两相旋转坐标系下的d、q相。

单相电压作为三相电压其中一相，三相电压另外两相恒为零，经过Clark变换后，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=T_{\mathrm{clark}}\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

将Clark变换的结果根据锁相环输出角频率ω和运算频率f_s进行正序变换，

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}\\ -z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

将正序变换得到的正序分量进行Park变换，

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=T_{\mathrm{park}}\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]---\left(3\right)$

将Park变换的输出u_q作为环路滤波器的输入，环路滤波器的输出控制压控振荡器，压控振荡器的输出即为锁相环的相位输出，压控振荡器的输入即为锁相环的频率输出。将压控振荡器的输出作为锁相环的相位输出反馈回Park变换的相位输入即构成闭环负反馈系统，通过控制Park变换输出u_q等于零即可达到锁相目的。锁相实现时，Park变换输出u_d为正序分量的幅值，即为输入电压信号幅值的1/3，将u_d乘以3倍即可得到输入信号的幅值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种单相锁相环，其特征在于：包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述鉴相器包括Clark变换、正序变换和Park变换三部分，电压输入信号和两个零信号送入Clark变换，Clark变换的输出信号与锁相环的输出角频率一起送入正序变换的输入端，正序变换的输出信号与锁相环的输出相位一起送入Park变换，Park变换的输出信号即为鉴相器的输出信号；所述鉴相器的输出端与环路滤波器的输入端相连，环路滤波器的输出信号加上初始值之后送入压控振荡器的输入端。

2.如权利要求1所述的一种单相锁相环，其特征在于：所述Clark变换执行三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$

其中，u_a、u_b、u_c分别为三相静止坐标系下的a、b、c相，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相。

3.如权利要求1所述的一种单相锁相环，其特征在于：所述正序变换执行三相不平衡系统中提取出正序对称分量的变换，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{+}\\ u_{\mathrm{\β}}^{+}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cc}1& z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}\\ -z^{-[\mathrm{\π}{f}_s/2\mathrm{\ω}]}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相，

分别为两相静止坐标系下的正序α、β分量，f_s为锁相环的运算频率、ω为锁相环的输出角频率、z^-[N]表示延时整数N个运算周期。

4.如权利要求1所述的一种单相锁相环，其特征在于：所述Park变换执行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的数学变换，变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，u_α、u_β分别为两相静止坐标系下的α、β相，u_d、u_q分别为两相旋转坐标系下的d、q相。

Images