CN105510653A - 一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统，其技术特点是：包括自适应带通滤波器和正交信号发生器，所述自适应带通滤波器和正交信号发生器相连接，该正交信号发生器包括相互连接的乘法器、积分器和放大器；所述自适应带通滤波器的自适应系统的闭环传递函数为：其中，s＝jω，k＝μ/Ts；所述正交信号发生器的闭环传递函数为:本发明在正交信号发生器系统在产生所需的正交信号的同时能够消除直流偏置分量对锁相环性能的影响且该结构便于离散化实现。

Description

一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统

技术领域

本发明涉及基于同步参考坐标系锁相环方法的电网电压相位信息提取技术领域，特别是一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统。

背景技术

单相并网逆变器的电网同步依赖于电网电压相位信息的精确检测，相位信息的准确性对单相并网系统的电能质量，稳定性和可靠性具有重要影响。同步参考坐标系锁相环方法被广泛应用于电网电压相位信息的提取。一般同步参考坐标系锁相环(synchronousreferenceframe-PLL)的结构包含相角检测器、环路滤波器及电压控制振荡器三个基本模块。在实际应用中，往往需要PLL能够适应诸如电网谐波，频率波动，电压跌落以及相位突变等，目前提出各种不同的解决方案，例如：反派克变换法，双派克变换法，二阶广义积分器法，增强型锁相环法，希尔伯特变换法等。各种同步参考坐标系锁相环方法的环路滤波器与电压控制振荡器都是基本相同的，主要不同之处在于相角检测器，即根据已知的单相输入信号由正交信号发生器(orthogonalsystemgenerator，OSG)产生所需的正交信号这一环节。电网电压的测量采样需要通过电压传感器，低通滤波器，A/D转换器三个环节，电压传感器的非线性，模拟元器件的温度漂移以及A/D转换器的非线性会将直流偏置分量引入到电网电压输入信号中，静止/旋转坐标变换后，q轴中会产生相应的基频交流分量，影响PLL的稳态精度，若通过降低宽带来予以消除，则会影响PLL的动态性能。但目前对电网电压输入信号中直流偏置分量对相位观测的影响研究较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、易于离散化实现且具有良好的稳态与动态性能的基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统，包括自适应带通滤波器和正交信号发生器，所述自适应带通滤波器和正交信号发生器相连接，该正交信号发生器包括相互连接的乘法器、积分器和放大器；

所述自适应带通滤波器的自适应系统的闭环传递函数为：

$G_{BP}\left(s\right)=\frac{u\left(s\right)}{u_g\left(s\right)}=\frac{ks}{s^2+ks+{\widehat{\mathrm{\ω}}}^2},$ 其中，s＝jω，k＝μ/Ts；

所述正交信号发生器的闭环传递函数为:

上述表达式中，u(s)为电网电压输入信号中的基波分量，u_g(s)为电网电压输入信号,qu(s)为正交于电网电压输入信号中的基波分量u(s)的输出信号，s表示复频率，ω表示角频率，K为增益，μ为迭代步长，Ts为离散系统的采样周期，为电网电压频率的估测值。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明以单相光伏并网系统为研究对象，在自适应滤波结构的输出端加入新的算法，构成一种新型的OSG系统，结合自适应均方算法构成一种新型PLL结构，通过分析传递函数的波特图，验证说明本发明提出的OSG结构可以产生不受直流偏置分量影响的正交信号，同时又由于PLL频率的闭环反馈作用，当电网电压输入信号的频率波动时，具有频率自适应性，能够克服电网频率漂移带来的影响。

2、本发明由基本的乘法器、积分器以及放大器构成，易于离散化的实现，并且能够快速准确地获得电网电压的频率和相位信息，具有良好的稳态和动态性能。

附图说明

图1是本发明的正交信号发生器OSG的结构示意图；

图2是本发明的同步参考坐标系锁相环结构图；

图3是本发明的自适应LMS算法原理图；

图4是本发明的自适应LMS算法连续等效系统示意图；

图5是本发明的闭环传递函数GBP(S)的伯德图；

图6是本发明的闭环传递函数G(S)的伯德图；

图7是本发明的实验结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

本发明在电网电压采样环节，将直流偏置分量引入到电网电压输入信号中，并针对当直流偏置分量引入到电网电压输入信号时会影响PLL动态性能的问题，提出一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统，该正交信号发生器系统在产生所需的正交信号的同时能够消除直流偏置分量对锁相环性能的影响且该结构便于离散化实现。

所述一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统，如图1所示，包括自适应带通滤波器(ABPF)和正交信号发生器，所述自适应带通滤波器和正交信号发生器相连接，该正交信号发生器包括相互连接的乘法器、积分器和放大器；

所述自适应带通滤波器的自适应系统的闭环传递函数为：

$G_{BP}\left(s\right)=\frac{u\left(s\right)}{u_g\left(s\right)}=\frac{ks}{s^2+ks+{\widehat{\mathrm{\ω}}}^2},$ 其中，s＝jω，k＝μ/Ts；

所述正交信号发生器的闭环传递函数为:

上述表达式中，u(s)为电网电压输入信号中的基波分量，u_g(s)为电网电压输入信号,qu(s)为正交于电网电压输入信号中的基波分量u(s)的输出信号，s表示复频率，-s为s的相反数，ω表示角频率，K为增益，μ为迭代步长，Ts为离散系统的采样周期，为电网电压频率的估测值。

一般同步参考坐标系锁相环(SRF-PLL)如图2所示，u_g为电网电压输入信号，u、qu为通过正交信号发生器OSG输出的一组正交信号，u_q为同步参考坐标系中q轴的电压信号，ω₀为前馈频率，一般取值为2π*50rad/s，与分别为电网电压频率与相位的估测值。

本发明采用基于自适应干扰对消原理的自适应LMS算法，该自适应LMS算法的原理如图3所示，当反馈误差信号e(n)含有与参考输入信号X₁(n)、X₂(n)相同的成分时，系统通过LMS算法快速调整参考输入信号X₁(n)与X₂(n)的权值W₁(n)与W₂(n)，直至反馈误差信号e(n)稳定。令：W(n)＝[W₁(n),W₂(n)]T，X(n)＝[X₁(n),X₂(n)]T；则自适应LMS算法可用如下公式表示：

u(n)＝W^T(n)X(n)(1)

e(n)＝u_g(n)-u(n)(2)

W(n+1)＝W(n)+μe(n)X(n)(3)

上述表达式中，e(n)为反馈误差信号，u_g(n)为电网电压输入信号采样值，u(n)为输出信号，W(n)为权值矢量，W^T(n)为权值矢量W(n)的转置，X(n)为参考输入信号矢量，X₁(n)与X₂(n)分别代表以PLL获得的相角为参考的标准余弦信号和正弦信号的采样值，W₁(n)与W₂(n)为通过自适应LMS算法所得的参考输入信号X₁(n)与X₂(n)的权值，μ为迭代步长。

由于上述自适应LMS算法中的累加器即公式(3)可以等效理解为前向离散积分器，所以如图3所示的自适应LMS算法的离散系统可以等效为如图4所示的自适应LMS算法连续等效系统。

若将电网电压输入信号u_g作为系统输入，反馈误差信号e作为系统输出，可得自适应系统的闭环传递函数为：

$G_N\left(s\right)=\frac{e\left(s\right)}{u_g\left(s\right)}=\frac{s^2+{\widehat{\mathrm{\ω}}}^2}{s^2+ks+{\widehat{\mathrm{\ω}}}^2}---\left(4\right)$

进而可得以u_g作为系统输入，u作为系统输出时，自适应系统的闭环传递函数为：

$G_{BP}\left(s\right)=\frac{u\left(s\right)}{u_g\left(s\right)}=\frac{ks}{s^2+ks+{\widehat{\mathrm{\ω}}}^2}---\left(5\right)$

其中，s＝jω，k＝μ/Ts；

上述表达式中，u(s)为电网电压输入信号中的基波分量，u_g(s)为电网电压输入信号,e(s)为复频域反馈误差信号，s表示复频率，ω表示角频率，K为增益，μ为迭代步长，Ts为离散系统的采样周期，为电网电压频率的估测值。

自适应带通滤波器的自适应系统的闭环传递函数G_BP(s)的伯德图如图5所示，通过分析式(5)与图5可得，自适应LMS算法可以等效理解为一个自适应带通滤波器(ABPF)；输出u与输入u_g在频率处具有相同的幅值和相位；当或时，|G_BP(jω)|≈0；当ω＝0时，|G_BP(jω)|＝0，即自适应LMS算法可完全滤除电网电压输入信号u_g中的直流分量。

所述基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统(OSG)包括：自适应带通滤波器和与其输出端连接的正交信号发生器；所述正交信号发生器，如图5所示，由基本的乘法器、积分器以及放大器构成，便于离散化实现。所述正交发生器的闭环传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{qu\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{-s+\widehat{\mathrm{\ω}}}{s+\widehat{\mathrm{\ω}}}---\left(6\right)$

其中，s＝jω；

上述表达式中，u(s)为电网电压输入信号中的基波分量，qu(s)为正交于电网电压输入信号中的基波分量u(s)的输出信号,s表示复频率，ω表示角频率，-s为s的相反数，为电网电压频率的估测值。

正交信号发生器的闭环传递函数G(s)的伯德图如图6所示，通过观察图6可知，在频率处，输出信号qu的幅值与输入信号u的幅值相同；输出信号qu的相位比输入信号u的相位滞后90°。

综上所述，图1所示的基于自适应LMS算法的基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统(OSG)可以产生不受直流偏置分量影响的正交信号u与qu。由于PLL频率的闭环反馈作用，当电网电压输入信号的频率波动时，可以进行在线调整，具有频率自适应性，克服了电网频率漂移带来的影响。

本发明的验证试验的试验结果如图7所示，当电网电压输入信号中含有直流偏置分量时，t＝0s时，输入电压是幅值为1(标幺值)、频率为50Hz的正弦交流信号，t＝0.2s时，加入电压值为0.2(标幺值)的直流偏置分量。由图7可以看出，若采用基于自适应LMS算法的OSG产生正交信号，则PLL所获得的频率和相位信息在稳态时不受电网电压输入信号中直流偏置分量的影响。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于自适应最小均方算法的正交信号发生器系统，其特征在于：包括自适应带通滤波器和正交信号发生器，所述自适应带通滤波器和正交信号发生器相连接，该正交信号发生器包括相互连接的乘法器、积分器和放大器；

所述自适应带通滤波器的自适应系统的闭环传递函数为：

$G_{BP}\left(s\right)=\frac{u\left(s\right)}{u_g\left(s\right)}=\frac{ks}{s^2+ks+{\widehat{\mathrm{\ω}}}^2},$ 其中，s＝jω，k＝μ/Ts；

所述正交信号发生器的闭环传递函数为:

上述表达式中，u(s)为电网电压输入信号中的基波分量，u_g(s)为电网电压输入信号,qu(s)为正交于电网电压输入信号中的基波分量u(s)的输出信号,s表示复频率，ω表示角频率；K为增益，μ为迭代步长，Ts为离散系统的采样周期，为电网电压频率的估测值。