CN103558436B - 基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法 - Google Patents

Abstract

基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，涉及基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法。它为了解决在单相电网存在直流偏移和谐波时的幅值，相角和频率的准确检测问题。该方法为：采集电网电压信号，并输入给延时移相模块，延时移相模块同时接收上一个周期获得的电网电压的频率值，延时移相模块输出电网电压的延时信号，采集的电网电压信号与所述电网电压的延时信号相减，得到的结果除以2后，获得无直流偏移的电网电压信号；将无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值。本发明适用于电能变换领域。

Description

基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法

技术领域

本发明涉及一种单相电网电压幅值、频率和相角的检测方法，特别涉及一种基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法。

背景技术

随着新能源发电在民用领域应用的快速发展，单相并网逆变技术日益受到重视。在单相并网逆变器中，通常利用锁相环技术获得电网电压的幅值，频率和相位，以便对并网电流进行实时控制。因此锁相环算法的精度和动态响应性能直接决定了并网电流的控制性能。在实际系统中，电网并非为理想正弦波形，而是存在大量的谐波，另外，电网电压传感器的非线性，模拟器件的温漂等因素还会导致锁相环的输入信号存在直流偏移。上述原因造成锁相环输出的频率和相角中产生周期性波动，进而影响并网电流的波形控制质量。现有的单相锁相环技术中，一种是通过构造电网电压信号的虚拟正交波形，通过旋转坐标变换将交流信号转换为直流信号进行控制。另外一种是对交流电网电压信号直接进行锁相，例如传输延时锁相环技术，基于卡尔曼滤波器的锁相环技术，基于全通滤波器的锁相环技术，增强型锁相环技术等。上述锁相环技术中，有一些是基于理想电网电压波形获得的，在所输入的信号存在谐波和直流偏移时无法获得准确的相角和频率等信息。有一些方案只单独考虑了输入信号存在谐波或者直流偏移的情况，在输入信号同时存在谐波和直流偏移的情况下仍然无法获得准确的电网电压的相角、频率和幅值等信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的锁相环检测电压的方法中在输入的信号同时存在谐波和直流偏移的情况下无法获得准确的电网电压的相角、频率和幅值信息的问题，本发明提供一种基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法。

本发明的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，

它包括如下步骤：

步骤一：采集电网电压信号，并输入给延时移相模块，所述延时移相模块同时接收上一个周期获得的电网电压的频率值，所述延时移相模块输出电网电压的延时信号，采集的电网电压信号与所述电网电压的延时信号相减，得到的结果除以2后，获得无直流偏移的电网电压信号；

步骤二：将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值。

所述步骤二中将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值的方法为：

步骤A1：将上一个周期获得的电网电压的幅值与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘得到信号d，将步骤一获得的无直流偏移的电网电压信号减去所述信号d，获得电网电压信号的锁相误差e；

步骤B1：将步骤A1获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘，相乘后得到的信号经过第一积分器后获得本周期的电网电压的幅值；

步骤C1：将步骤A1获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角正弦值相乘，相乘后的结果输入给比例积分控制器，比例积分控制器输出本周期的电网电压的频率增量△ω，将所述本周期的电网电压的频率增量△ω与设定的频率值ω0相加后获得本周期电网电压的频率值，将所述本周期电网电压的频率值经过第二积分器后获得本周期的电网电压的相角值。

所述步骤二中将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值的方法为：

步骤A2：将上一个周期获得的电网电压的幅值与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘得到信号d，将步骤一获得的无直流偏移的电网电压信号减去所述信号d，获得电网电压信号的锁相误差e；

步骤B2：将步骤A2获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘，相乘后得到的信号经过第一积分器后获得本周期的电网电压的幅值；

步骤C2：将步骤A2获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角正弦值相乘，相乘后的结果输入给滑动平均滤波器，滑动平均滤波器的输出值输入给比例积分控制器，比例积分控制器输出本周期的电网电压的频率增量△ω，将所述本周期的电网电压的频率增量△ω与设定的频率值ω0相加后获得本周期电网电压的频率值，将所述本周期电网电压的频率值经过第二积分器后获得本周期的电网电压的相角值。

本发明的优点在于，在锁相环的输入侧加入延时移相环节，能够消除直流偏移和奇次谐波，从而避免了直流偏移对锁相环性能的影响；在锁相环算法中加入滑动平均滤波器，能够滤除偶次谐波，从而保证在电网电压信号存在直流偏移和谐波的条件下仍然能够获得准确的电网电压的幅值、频率和相角信息。

附图说明

图1为具体实施方式三所述的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法的原理示意图。

图2为本发明所述的滑动平均滤波器的频域伯德图。

图3为用MATLAB软件对本发明的方法进行仿真后的电网电压的幅值的曲线示意图。

图4为用MATLAB软件对本发明的方法进行仿真后的电网电压的相角和电网电压的基波分量的曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，它包括如下步骤：

步骤一：采集电网电压信号，并输入给延时移相模块，所述延时移相模块同时接收上一个周期获得的电网电压的频率值，所述延时移相模块输出电网电压的延时信号，采集的电网电压信号与所述电网电压的延时信号相减，得到的结果除以2后，获得无直流偏移的电网电压信号；

步骤二：将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值。

本发明的原理框图如图1所示。在现有文献中的增强型锁相环(EPLL)的基础上，在输入侧增加延时移相模块，并与电网电压输入信号进行相应的计算后，以消除电网电压输入信号的直流偏移分量和偶次谐波分量，具体原理分析如下。假设电网电压信号为

式中U_f，ω，分别是电网电压基波分量的幅值，频率和相位，n是电网电压的谐波次数，U_n，分别是电网电压谐波分量的幅值和相位，U_dc是电网电压的直流偏移分量。

在延时移相模块中，设定延时时间为电网电压基波分量周期的一半，即延时时间为

$Ts=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

然后将电网电压信号延时Ts时间后再输出，则延时后的信号为

用式(1)减去式(3)，其结果除以2得

式中m为大于1的整数。

上式说明，通过上述计算，所获得的新的输入信号中只包含电网电压的基波分量及其奇次谐波值，直流分量和偶次谐波值均被消除了，由此获得了不包含直流分量和偶次谐波的电网电压信号。

由于延时移相模块中的延时时间直接决定了上述计算的准确性，而延时时间又和电网电压的频率直接相关，因此将计算获得的电网电压的频率值输入到延时移相模块中，延时时间根据式(2)在线调整。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法的进一步限定，所述步骤二中将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值的方法为：

步骤A1：将上一个周期获得的电网电压的幅值与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘得到信号d，将步骤一获得的无直流偏移的电网电压信号减去所述信号d，获得电网电压信号的锁相误差e；

步骤B1：将步骤A1获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘，相乘后得到的信号经过第一积分器后获得本周期的电网电压的幅值；

步骤C1：将步骤A1获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角正弦值相乘，相乘后的结果输入给比例积分控制器，比例积分控制器输出本周期的电网电压的频率增量△ω，将所述本周期的电网电压的频率增量△ω与设定的频率值ω0相加后获得本周期电网电压的频率值，将所述本周期电网电压的频率值经过第二积分器后获得本周期的电网电压的相角值。

根据图1可知，本发明的电网电压幅值、频率和相角的计算的原理为，用上一个计算周期获得的电网电压基波分量的幅值与其相角的余弦值相乘，获得电网电压的基波分量的计算值，再用不包含直流分量和偶次谐波的电网电压信号减去电网电压的基波分量的计算值，其差值与电网电压相角的余弦值相乘后再进行积分获得电网电压的幅值。其原理为，如果电网电压的基波分量的计算值没有跟随上实际电网电压，二者的差值将不为零，二者的差值与电网电压相角的余弦值相乘后将包括两部分，一部分是直流分量，另一部分是交流分量，将该信号进行积分后，交流分量将为零，只保留直流分量，直到二者的差值为零时，积分器的输出值保持不变，此值即为电网电压基波分量的幅值。同时，二者的差值还与电网电压相角的正弦值相乘，输入给比例积分控制器获得电网电压频率的增量值，该增量值与事先设定的频率值相加，获得实际的电网电压频率，再将该频率进行积分，获得电网电压的相角。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法的进一步限定，所述步骤二中将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值的方法为：

步骤A2：将上一个周期获得的电网电压的幅值与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘得到信号d，将步骤一获得的无直流偏移的电网电压信号减去所述信号d，获得电网电压信号的锁相误差e；

步骤B2：将步骤A2获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘，相乘后得到的信号经过第一积分器后获得本周期的电网电压的幅值；

步骤C2：将步骤A2获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角正弦值相乘，相乘后的结果输入给滑动平均滤波器，滑动平均滤波器的输出值输入给比例积分控制器，比例积分控制器输出本周期的电网电压的频率增量△ω，将所述本周期的电网电压的频率增量△ω与设定的频率值ω0相加后获得本周期电网电压的频率值，将所述本周期电网电压的频率值经过第二积分器后获得本周期的电网电压的相角值。

根据图1可知，本发明的电网电压幅值、频率和相角的计算的原理为，用上一个计算周期获得的电网电压基波分量的幅值与其相角的余弦值相乘，获得电网电压的基波分量的计算值，再用不包含直流分量和偶次谐波的电网电压信号减去电网电压的基波分量的计算值，其差值与电网电压相角的余弦值相乘后再进行积分获得电网电压的幅值。其原理为，如果电网电压的基波分量的计算值没有跟随上实际电网电压，二者的差值将不为零，二者的差值与电网电压相角的余弦值相乘后将包括两部分，一部分是直流分量，另一部分是交流分量，将该信号进行积分后，交流分量将为零，只保留直流分量，直到二者的差值为零时，积分器的输出值保持不变，此值即为电网电压基波分量的幅值。同时，二者的差值还与电网电压相角的正弦值相乘，经过滑动平均滤波器后，输入给比例积分控制器获得电网电压频率的增量值，该增量值与事先设定的频率值相加，获得实际的电网电压频率，再将该频率进行积分，获得电网电压的相角。

其中，滑动平均滤波器的作用是滤除电网电压的奇次谐波，消除对频率检测环节的影响。滑动平均滤波器的原理是，以电网电压的周期为时间宽度，保存从当前时刻起之前的电网电压周期对应的时间宽度里面的输入信号的采样值，在每个计算时刻到来时，对上述所有的采样值求取平均值，然后将各个采样值依次左移替换，实现数据的更新，具体的实现过程现在已是很成熟的现有技术。但是用在锁相环算法中并不是本领域技术人员常用的技术手段，滑动平均滤波器的频域伯德图如图2所示，由此图2可知，在频率为电网电压频率及其倍数处，滑动平均滤波器的增益为负值，说明上述频率对应的信号将被很大程度地衰减，从而实现滤波功能。

用MATLAB软件对本发明进行了仿真验证，其结果如图3和图4所示，图3中电网电压在0.25秒的幅值发生变化，并加入了一定的谐波和直流偏移，在这种情况下，图4中通过本发明所获得的相角输出平稳，没有明显的波动，所获得的电网电压的基波分量具有较好的正弦性，从而说明本发明能够准确的获得电网电压的幅值、频率和相角值。

Claims (3)

1.基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，其特征在于，

它包括如下步骤：

步骤一：采集电网电压信号，并输入给延时移相模块，所述延时移相模块同时接收上一个周期获得的电网电压的频率值，所述延时移相模块输出电网电压的延时信号，采集的电网电压信号与所述电网电压的延时信号相减，得到的结果除以2后，获得无直流偏移的电网电压信号；

步骤二：将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值。

2.根据权利要求1所述的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，其特征在于，

所述步骤二中将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值的方法为：

步骤A1：将上一个周期获得的电网电压的幅值与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘得到信号d，将步骤一获得的无直流偏移的电网电压信号减去所述信号d，获得电网电压信号的锁相误差e；

步骤B1：将步骤A1获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘，相乘后得到的信号经过第一积分器后获得本周期的电网电压的幅值；

步骤C1：将步骤A1获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角正弦值相乘，相乘后的结果输入给比例积分控制器，比例积分控制器输出本周期的电网电压的频率增量△ω，将所述本周期的电网电压的频率增量△ω与设定的频率值ω₀相加后获得本周期电网电压的频率值，将所述本周期电网电压的频率值经过第二积分器后获得本周期的电网电压的相角值。

3.根据权利要求1所述的基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，其特征在于，

所述步骤二中将步骤一获得无直流偏移的电网电压信号作为增强型锁相环的输入信号，获得本周期的电网电压的幅值、本周期电网电压的频率值和本周期的电网电压的相角值的方法为：

步骤A2：将上一个周期获得的电网电压的幅值与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘得到信号d，将步骤一获得的无直流偏移的电网电压信号减去所述信号d，获得电网电压信号的锁相误差e；

步骤B2：将步骤A2获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角余弦值相乘，相乘后得到的信号经过第一积分器后获得本周期的电网电压的幅值；

步骤C2：将步骤A2获得的电网电压信号的锁相误差e与上一个周期获得的电网电压的相角正弦值相乘，相乘后的结果输入给滑动平均滤波器，滑动平均滤波器的输出值输入给比例积分控制器，比例积分控制器输出本周期的电网电压的频率增量△ω，将所述本周期的电网电压的频率增量△ω与设定的频率值ω₀相加后获得本周期电网电压的频率值，将所述本周期电网电压的频率值经过第二积分器后获得本周期的电网电压的相角值。