CN107294527A - 同步旋转坐标系锁相环及其测试方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步旋转坐标系锁相环及其测试方法、装置，所述锁相环包括：坐标变换模块，用于根据锁相跟踪环路反馈的相角，将接收的电网电压信号转换到dq坐标系下，并根据预设q轴电压参考值，求取q轴电压误差；模糊自适应控制模块，用于以q轴电压误差和/或反映q轴电压误差特性的参数为输入量，利用模糊控制算法，得到锁相跟踪环路的控制器的控制参数调整量，并将其输出至所述控制器；锁相跟踪环路，用于以q轴电压误差为输入，在所述控制器的控制下，对电网相位进行跟踪，并将跟踪得到的相角反馈至坐标变换模块。本发明提出的锁相环为结合了模糊自适应控制的锁相环，其通过模糊自适应控制锁相环的控制器，实现了快速准确的电网相位跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源分布式发电系统并网中的锁相技术领域，尤其涉及一种同步旋转坐标系锁相环及其测试方法、装置。
背景技术
基于太阳能、风能等可再生能源的分布式发电与微电网技术已经受到全世界的高度重视，电网同步锁相是并网运行需要解决的关键问题之一。
同步锁相策略按控制方法分为两大类：开环控制(open-loop methods)和闭环控制(closed-loop methods)。典型的开环控制策略包括电网电压的过零点检测技术(zero crossing detection,ZCD)、电网电压滤波理论(filtering methods)等，其原理简单，实现方便，但采用开环控制锁相的系统对频率波动、电压畸变、三相电压不平衡等现象较为敏感，控制响应缓慢，常应用在电网电压波形良好的场合，不适用于环境恶劣的工业现场。锁相环(phase-locked loop,PLL)技术是典型的闭环控制同步策略，主要应用在单相场合；基于同步坐标系的锁相环(synchronous rotating frame-PLL,SRF-PLL)技术广泛应用在三相场合，但其动态响应速度与带宽设计息息相关；为解决电网畸变和频率波动带来的带宽设计问题，提出了基于谐振因子的二阶通用积分器锁相环(second-order generalized integrator-PLL,SOGI-PLL)和正弦跟踪理论(sinusoidal tracking algorithm,STA)，也称为加强型锁相环(enhanced PLL,EPLL)技术，获得了广泛关注；在三相电压不平衡的场合，针对传统PLL输出中包含的二阶谐波，提出一系列控制方法能够准确提取正序分量，包括解耦双同步旋转坐标系锁相环(decoupled double synchronously rotating reference frame PLL,DDSRF-PLL)、基于通用积分器的正 序滤波器(positive sequence filter,PSF)、双二阶通用积分器(double second-order generalized integrator,DSOGI)以及混合坐标系锁相环(fixed-reference-frame PLL,FRF-PLL)等。除此之外，还有一些频率检测方面的理论方法，如傅里叶变换理论(Fourier transform methods)、空间矢量离散傅里叶变换理论(Space-vector discrete Fourier transform methods)等，这些方法需要大的存储容量和计算资源，并不适用于实时控制应用场合。
发明内容
本发明提供一种同步旋转坐标系锁相环及其测试方法、装置，用以解决现有技术中同步旋转坐标系锁相环的响应速度需要依赖于带宽设计、以及不适用于电网相位、频率波动等应用场景的问题。
依据本发明的一个方面，提供一种同步旋转坐标系锁相环，包括：坐标变换模块、模糊自适应控制模块和锁相跟踪环路；
所述坐标变换模块，用于根据所述锁相跟踪环路反馈的相角，将接收的电网电压信号转换到dq坐标系下，并根据预设q轴电压参考值，求取q轴电压误差；
所述模糊自适应控制模块，用于以所述q轴电压误差和/或反映q轴电压误差特性的参数为输入量，利用模糊控制算法，得到所述锁相跟踪环路的控制器的控制参数调整量，并将其输出至所述控制器；
所述锁相跟踪环路，用于以所述q轴电压误差为输入，在控制参数随所述模糊自适应控制模块的输出而实时调整的所述控制器的控制下，对电网相位进行跟踪，并将跟踪得到的相角反馈至所述坐标变换模块。
依据本发明的另一个方面，还提供一种同步旋转坐标系锁相环的测试方法，包括：
对用于测试的电网电压信号施加扰动，并将其输出到基础锁相环；所述基 础锁相环为模糊自适应模块功能关闭下的所述锁相环；
根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，确定基础锁相环的性能指标；
检测基础锁相环的性能指标是否满足设定的设计要求，当满足时，将施加扰动的电网电压信号输出到模糊自适应锁相环；所述模糊自适应锁相环为模糊自适应模块功能开启下的所述锁相环；
根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量以及锁相跟踪环路中控制器的控制参数，确定模糊自适应锁相环的性能指标；
将基础锁相环和模糊自适应锁相环的性能指标进行比较，当模糊自适应锁相环的性能指标优于基础锁相环的性能指标时，判定为测试通过，否则判定为未通过。
依据本发明的第三个方面，还提供一种同步旋转坐标系锁相环的测试装置，包括：
扰动模块，用于对用于测试的电网电压信号施加扰动，并将其输出到基础锁相环；所述基础锁相环为模糊自适应模块功能关闭下的所述锁相环；
数据上传模块，用于获取施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，并将其上传至数据分析模块；
数据分析模块，用于根据所述数据上传模块上传的数据，确定基础锁相环的性能指标；
测试决策模块，用于检测基础锁相环的性能指标是否满足设定的设计要求，当满足时，触发所述扰动模块将施加扰动的电网电压信号输出到模糊自适应锁相环；所述模糊自适应锁相环为模糊自适应模块功能开启下的所述锁相环；
所述数据上传模块，还用于获取施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块 的输入量以及锁相跟踪环路中控制器的控制参数，并将其上传至数据分析模块；
所述数据分析模块，还用于根据所述数据上传模块上传的数据，确定模糊自适应锁相环的性能指标；
所述测试决策模块，还用于将基础锁相环和模糊自适应锁相环的性能指标进行比较，当模糊自适应锁相环的性能指标优于基础锁相环的性能指标时，判定为测试通过，否则判定为未通过。
本发明有益效果如下：
本发明提出的同步旋转坐标系锁相环为结合了模糊自适应控制的锁相环，其通过模糊自适应控制锁相环的控制器，实现了快速准确的电网相位跟踪。
本发明所述的锁相环与已有的同类型锁相环相比，既提高了响应速度，又降低了超调量、消除了稳态误差，使其可以适用于电网相位和频率波动的非线性过程。
本发明所述锁相环的控制过程无需大量数学运算，占用内存少，可以满足实时控制的需求。
同时，本发明还提了基于模糊控制的锁相环的测试方法，实现了对锁相环可观可控的测试。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明提供的基于模糊自适应控制的同步旋转坐标系锁相环的结构框图；
图2为带有同步旋转坐标系锁相环的分布式能源并网发电系统框图；
图3为基于模糊自适应控制的三相同步旋转坐标系锁相环的结构图；
图4为本发明中涉及的隶属函数图；
图5为传统锁相环与本发明锁相环控制效果对比曲线图；
图6为本发明提供的一种锁相环的测试方法的流程图；
图7为本发明提供的一种锁相环的测试装置的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种基于模糊自适应控制的同步旋转坐标系锁相环，如图1所示，具体包括：坐标变换模块110、模糊自适应控制模块120和锁相跟踪环路130；
坐标变换模块110，用于根据锁相跟踪环路130反馈的相角，将接收的电网电压信号转换到dq坐标系下，并根据预设q轴电压参考值，求取q轴电压误差；
模糊自适应控制模块120，用于以所述q轴电压误差和/或反映q轴电压误差特性的参数为输入量，利用模糊控制算法，得到锁相跟踪环路130的控制器的控制参数调整量，并将其输出至所述控制器；
锁相跟踪环路130，用于以所述q轴电压误差为输入，在控制参数随模糊自适应控制模块120的输出而实时调整的所述控制器的控制下，对电网相位进行跟踪，并将跟踪得到的相角反馈至所述坐标变换模块。
可见，本发明在同步旋转坐标系锁相环中引入了模糊自适应控制模块，该 模糊自适应控制模块与锁相跟踪环路中的控制器相配合，构成模糊控制器，在模糊控制器的智能控制方式下，改善了相角跟踪速度和准确度，使同步旋转坐标系锁相环适用于电网相位和频率波动等非线性过程，同时还提高了锁相环的响应速度、降低了超调量、消除了稳态误差。
基于上述结构框架及实施原理，下面给出在上述结构下的几个具体及优选实施方式，用以细化和优化本发明所述锁相环的功能，以使本发明方案的实施更方便，准确。具体涉及如下内容：
本发明实施例中，所述控制器可以但不限于为比例积分PI控制器。当所述控制器为PI控制器时，其控制参数包括：比例系数和/或积分系数。
在本发明的一个具体实施例中，反映q轴电压误差特性的参数包括但不限于为：q轴误差变化率和/或q轴误差积分量。
进一步地，当反映q轴电压误差特性的参数包括q轴误差变化率时，本发明实施例所述锁相环，还包括：微分器；
所述微分器，用于从坐标变化模块110获取q轴电压误差，对其进行微分处理，得到q轴误差变化率，并将所述q轴误差变化率作为模糊自适应控制模块120的一个输入量发送至模糊自适应控制模块120。
进一步地，当反映q轴电压误差特性的参数包括q轴误差积分量时，本发明实施例所述锁相环，还包括：积分器；
所述积分器，用于从坐标变化模块110获取q轴电压误差，对其进行积分处理，得到q轴误差积分量，并将所述q轴误差积分量作为模糊自适应控制模块120的一个输入量发送至模糊自适应控制模块120。
在本发明的一个具体实施例中，模糊自适应控制模块120具体包括：
模糊化接口单元，用于在各输入量和各控制量的论域上定义各量的语言变量、设定各语言变量的基本论域、定义各语言变量的语言值、确定量化因子和比例因子、定义各语言值的隶属函数、以及确定模糊规则；
模糊推理单元，用于通过所述量化因子，将实际的输入量进行量化处理， 根据定义的隶属函数，将量化处理的各输入量转化为模糊输入，以及根据模糊输入和确定的模糊规则，进行模糊推理，得到模糊值；
解模糊接口单元，用于利用设定的解模糊算法，对模糊推理单元得到的模糊值进行解模糊处理，得到精确输出量，并利用所述比例因子将所述精确输出量转换为控制参数的调整量。
在本发明的又一个具体实施例中，坐标变换模块110具体包括：
一级坐标变换单元，用于将电网电压信号转换到αβ坐标系下；
二级坐标变换单元，用于根据所述锁相跟踪环路反馈的相角，将一级坐标变换单元得到的αβ坐标系下的电压转换到dq坐标系下，并根据预设q轴电压参考值，求取q轴电压误差。
其中，一级坐标变换单元，具体用于当所述电网电压信号为三相电压信号时，通过Clark变换，得到αβ坐标系下的电压向量；当所述电网电压信号为单相电压信号时，令采集到的单相电压信号v等于β向的电压向量，并将采集到的v延迟90度得到α向的电压向量。
二级坐标变换单元优选地通过Park变换，实现αβ坐标系到dq坐标系的转换。
下面给出本发明的一个具体应用场景，在该应用场景下给出本发明的一种具体实施方式，用以更清楚的阐述本发明的实施过程。需要指出的是，本具体实施例中披露的技术细节，用于解释本发明并不用于唯一限定本发明。
如图2所示，为带有锁相环的分布式能源并网发电系统。图中，1为能量源，是系统的能源产出单元，具体为太阳能光伏组件、风机、海洋能、生物质能等多种新能源形式中的一种，抑或是柴油发电机组。能量源1通过输出线缆2、3和电力变换设备4相连。
电力变换设备4的类型与能量源1的能源形式有关，其功能是实现能量变换，输出满足并网条件的交流电。如果能量源1的输出形式为直流电，4的可选 形式包括直流-交流变换和直流-直流-交流变换，备选的直流-直流-交流形式也可在直流-直流环节加入储能系统；如果能量源1的输出形式为交流电，输出线缆可如图中所示的2、3单相连接，也可以三相连接，电力变换设备4的形式为交流-直流-交流变换。电力变换设备4通过线缆7和可选的变压器12连接，线缆可如图中所示的7三相连接，也可以单相连接。可选的变压器12通过线缆13和电网14连接，线缆可如图中所示的13三相连接，也可以单相连接。
电压传感器9放置在电力变换设备4和可选的变压器12之间，实现对电网电压的采集。10代表电压采集信号传输路径，电压传感器9将电压采集信号送至同步旋转坐标系锁相环11分析。同步旋转坐标系锁相环11将锁相得到的相角送至电力变换设备主控模块6，使电力变换设备4有效跟随电网相位，将电能上网。其中8代表相角信号，5是由主控模块6发出的电力变换设备系统控制信号。
如图3所示，是基于模糊自适应控制的三相同步旋转坐标系锁相环，对应图2中11。
三相电压信号10经过Clarke变换单元16，Clarke变换单元16将电压向量从笛卡尔坐标系转换至αβ坐标系，得到αβ坐标系下的电压表达17。其中，Clarke变换单元16在进行坐标变换时，Clarke变换式中包括待获取量相电压幅值和a相相角；
αβ坐标系下的电压表达17结合相角反馈量23经过Park变换单元18，Park变换单元18将电压向量从αβ坐标系转换至dq坐标系，得到dp坐标系下的电压表达，包括d轴分量19和q轴分量，然后，根据得到的q轴分量和预设的q轴电压参考值，求取q轴电压误差20。
q轴电压误差20经过两条控制路径参与回路控制，其一是传统的控制器24，本发明实施例为说明方便选用比例积分(PI)控制器，但不仅限于PI控制器，强调模糊控制器输出是锁相环控制器控制常数的增量，属增量式控制；其二是针对控制器24的模糊自适应控制模块30。模糊自适应控制模块30有两路输入 20和22，有两路输出26和27。具体的，21是微分器，对输入20进行微分处理，输出22，22为反映q轴电压误差的变化率，26和27分别表示PI控制器的比例系数调整量和积分系数调整量。采用该方案的其他系统，可以将PI控制器替换为其他控制器，模糊自适应控制模块30的输入可以替换为一阶的误差输入(即q轴电压误差)或三阶的误差、误差积分量、误差变化率输入或其他可以反映误差特性的输入量和输入量组合，模糊自适应控制模块30的输出应当跟随控制器24的类型进行调整。控制器24对输入的q轴电压误差20进行处理，得到输出量25(角速度调节量)，输出量25和给定的角速度28的和为角速度估计值29，角速度估计值29经过积分器31的处理(即 为角速度估计值)，输出即为设定跟踪相的相角。
另外，通过本发明所述的旋转坐标系锁相环，还可以获取电网电压的幅值(通过d轴分量19得到)、周期/频率(通过角速度估计值29得到)等信息。
具体的，本发明实施例中，模糊自适应控制模块30以20和22为输入量进行模糊控制，输出两路控制量26和27(分别为比例系数调整量和积分系数调整量)具体实施过程如下：
步骤1：初始化。
定义误差e、误差变化率ec和控制量Δkp(比例系数调整量)、Δki(积分系数调整量)的模糊语言变量为E、EC和ΔKp、ΔKi，并设定e、ec和Δkp、Δki的基本论域，e∈[-xe,xe]；ec∈[-xec,xec]；Δkp∈[-yp,yp]；Δki∈[-yi,yi]，以及定义各语言变量的语言值。
举例，定义模糊子集E、EC、ΔKp和ΔKi的语言值为{NB，NS，ZE，PS，PB}(NB、NS、ZE、PS、PB分别表示负大、负小、零、正小、正大等模糊概念)，如果取论域均为[-4,4](仅为说明用，决定隶属度函数图的表述)，可以确定量化因子Ke、Kec和比例因子Kup、Kui，
步骤2：确定模糊规则。
反映系统运动的特征量很多，优选的，选用误差E和误差变化EC来分析系统运动特性。
比例环节反映系统的偏差，偏差一旦产生，控制器立刻产生动作，以减小偏差；积分环节用于消除静态误差，提高系统的无差度。优选的，如表1，ΔKp模糊控制规则表和表2，ΔKi模糊控制规则表：
表1
表2
步骤3：创建隶属度函数。优选的，选用三角形函数作为模糊集合的隶属度函数，与其他形状的隶属度函数相比，数学表达和运算简单，占用内存空间小，控制效果无大的差别。如图4所示，为输入E和EC，输出ΔKp和ΔKi的隶属度函数。
步骤4：模糊化。通过量化因子，将实际的输入量进行量化处理，根据创建的隶属函数，将量化处理的各输入量转化为模糊输入，以及根据模糊输入和确定的模糊规则，进行模糊推理，得到模糊值；
步骤5：解模糊。利用设定的解模糊算法，对模糊推理得到的模糊值进行解模糊处理，得到精确输出量，并利用预设的比例因子将所述精确输出量转换为控制参数的调整量。其中，解模糊算法优选的采用重心法。
如图5所示，为锁相环的控制效果对比曲线。横轴为时间，纵轴为实时相角与目标相角的比，表征控制误差。当比值为1时，说明实现了无静差跟踪，完成电网锁相。图中虚线为传统PI控制器的跟踪效果，PI控制器的比例系数和积分系数为预设值，控制过程中为常数；实线代表本发明提出的模糊自适应控制锁相环的跟踪效果，PI控制器的比例系数和积分系数在控制过程中不是常数，与模糊控制器的输出有关。通过比较可知，本发明所述锁相环的性能明显优于传统的锁相环性能。
进一步地，对锁相环进行测试，以验证锁相环的综合性能，是应用锁相环进行跟踪控制的必要环节。目前，传统的基于经典控制理论的锁相环，通过利用开环系统模型和闭环系统模型就能直观分析控制器性能，辅助以示波器可视化的控制器响应波形即可完成锁相环的测试过程。然而，这种测试方式却不适用于本发明提出的所述锁相环，所以本发明实施例还提供一种本发明所述锁相环的测试方法，如图6所示，包括如下步骤：
步骤S601，对用于测试的电网电压信号施加扰动，并将其输出到基础锁相环；所述基础锁相环为模糊自适应模块功能关闭下的所述锁相环；
步骤S602，根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，确定基础锁相环的性能指标；
步骤S603，检测基础锁相环的性能指标是否满足设定的设计要求，当满足时，将施加扰动的电网电压信号输出到模糊自适应锁相环；所述模糊自适应锁相环为模糊自适应模块功能开启下的所述锁相环；
步骤S604，根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、以及模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量和输出量，确定模糊自适应锁相环的性能指标；
步骤S605，将基础锁相环和模糊自适应锁相环的性能指标进行比较，当模糊自适应锁相环的性能指标优于基础锁相环的性能指标时，判定为测试通过，否则判定为未通过。
在本发明的一个具体实施例中，确定基础锁相环的性能指标，具体包括：根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算基础锁相环的性能指标；
在本发明的一个具体实施例中，确定模糊自适应锁相环的性能指标，具体包括：根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、以及模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量和输出量，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算模糊自适应锁相环的性能指标。
在本发明的一个优选实施例中，当检测出基础锁相环的性能指标不满足设定的设计要求时，还包括：绘制基础锁相环系统的开环传递函数伯德图，作为重新设计基础锁相环中锁相跟踪环路的参考数据；
和/或，当判定为测试未通过时，绘制模糊自适应锁相环系统的开环传递函数伯德图，以及绘制横轴为时间，纵轴为模糊自适应控制模块的输入量以及控制器的控制参数的第一监控图，作为重新设计模糊自适应锁相环中模糊自适应 控制模块的参考数据。
其中，性能指标包括如下参数中的一个或多个：超调量、调节时间和稳态误差。
可见，本发明提出了一种适用于本发明提出的所述锁相环的测试方法，不仅可以对本发明提出的锁相环进行测试，还可以为重新设计锁相环提供参考依据。
进一步地，本发明实施例还提供一种锁相环的测试装置，如图7所示，包括：
扰动模块710，用于对用于测试的电网电压信号施加扰动，并将其输出到基础锁相环；所述基础锁相环为模糊自适应模块功能关闭下的所述锁相环；
数据上传模块720，用于获取施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，并将其上传至数据分析模块；
数据分析模块730，用于根据数据上传模块720上传的数据，确定基础锁相环的性能指标；
测试决策模块740，用于检测基础锁相环的性能指标是否满足设定的设计要求，当满足时，触发扰动模块710将施加扰动的电网电压信号输出到模糊自适应锁相环；所述模糊自适应锁相环为模糊自适应模块功能开启下的所述锁相环；
数据上传模块720，还用于获取施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、以及模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量和输出量，并将其上传至数据分析模块730；
数据分析模块730，还用于根据数据上传模块720上传的数据，确定模糊自适应锁相环的性能指标；
测试决策模块740，还用于将基础锁相环和模糊自适应锁相环的性能指标进行比较，当模糊自适应锁相环的性能指标优于基础锁相环的性能指标时，判定为测试通过，否则判定为未通过。
在本发明的一个具体实施例中，数据分析模块730，具体用于根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算基础锁相环的性能指标；以及根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、以及模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量和输出量，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算模糊自适应锁相环的性能指标。
在本发明的一个优选实施例中，数据分析模块730，还用于当基础锁相环的性能指标不满足设定的设计要求时，绘制基础锁相环系统的开环传递函数伯德图，作为重新设计基础锁相环中锁相跟踪环路的参考数据；和/或，当所述测试决策模块判定为测试未通过时，绘制模糊自适应锁相环系统的开环传递函数伯德图，以及绘制横轴为时间，纵轴为模糊自适应控制模块的输入量以及控制器的控制参数的第一监控图，作为重新设计模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的参考数据。
下面给出本发明的一个具体实施例，用以更清楚的阐述本发明所提出的测试方法和测试装置的实施过程，具体包括：
步骤1，由扰动模块对电网电压信号施加扰动，扰动包括相位扰动、频率扰动、幅值扰动中的一种或多种；
步骤2，基础锁相环测试。所述基础锁相环包括电压信号Clarke变换单元、Park变换单元、PI锁相跟踪环路。
数据上传模块上传施加扰动后的电网电压相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号到数据分析模块；
数据分析模块绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图计算性能指标。其中，响应曲线图横轴为时间、纵轴为数据量，所述数据量包括电压相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号；所述性能指标包括超调量、调节时间、稳态误差。所述超调量、调节时间、稳态误差分别为第一超调量、第一调节时间、第一稳 态误差。
测试决策模块就性能指标进行决策。当第一超调量不大于第一设定值、第一调节时间不大于第二设定值、第一稳态误差不大于第三设定值同时满足，决策基础锁相环满足设计要求，执行步骤3；否则，待重新调整所述PI锁相跟踪环路后，再次执行步骤2，直至基础锁相环性能指标满足设计要求；优选地，当基础锁相环的性能指标不满足设定的设计要求时，还包括：绘制基础锁相环系统的开环传递函数伯德图，作为重新设计基础锁相环中锁相跟踪环路(确切的为环路中的控制器)的参考数据；
步骤3，模糊自适应锁相环测试。所述模糊自适应锁相环包括电压信号Clarke变换单元、Park变换单元、PI锁相跟踪环路、模糊自适应控制模块。
数据上传模块上传电网电压相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、q轴电压误差信号、q轴电压误差变化量信号、模糊自适应PI控制参数到数据分析模块。所述模糊自适应PI控制参数包括比例系数和积分系数其中k是系数符号，p是比例环节符号，i是积分环节符号，n是第n时刻。
数据分析模块绘制响应曲线图，并根据响应曲线图计算性能指标，响应曲线图横轴为时间、纵轴为数据量，所述数据量包括电压相位信号和模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号。所述性能指标包括超调量、调节时间、稳态误差。所述超调量、调节时间、稳态误差分别为第二超调量、第二调节时间、第二稳态误差；
测试决策模块就性能指标进行决策。当第二超调量小于第一超调量、第二调节时间小于第一调节时间、第二稳态误差小于第一稳态误差同时满足，决策模糊自适应锁相环满足优化要求；否则，执行步骤4，直至模糊自适应锁相环性能指标满足优化要求；
步骤4，数据分析模块绘制第一监控图，横轴为时间，纵轴控制器相关数据量，包括所述q轴电压误差信号、q轴电压误差变化量信号、模糊自适应PI控 制参数；数据分析模块绘制第二监控图，所述第二监控图为开环传递函数伯德图；第一监控图和第二监控图的作用是辅助模糊自适应控制模块的重新设计。待重新设计后执行步骤3。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种同步旋转坐标系锁相环，其特征在于，包括：坐标变换模块、模糊自适应控制模块和锁相跟踪环路；
所述坐标变换模块，用于根据所述锁相跟踪环路反馈的相角，将接收的电网电压信号转换到dq坐标系下，并根据预设q轴电压参考值，求取q轴电压误差；
所述模糊自适应控制模块，用于以所述q轴电压误差和/或反映q轴电压误差特性的参数为输入量，利用模糊控制算法，得到所述锁相跟踪环路的控制器的控制参数调整量，并将其输出至所述控制器；
所述锁相跟踪环路，用于以所述q轴电压误差为输入，在控制参数随所述模糊自适应控制模块的输出而实时调整的所述控制器的控制下，对电网相位进行跟踪，并将跟踪得到的相角反馈至所述坐标变换模块。
2.如权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述反映q轴电压误差特性的参数包括：q轴误差变化率和/或q轴误差积分量。
3.如权利要求2所述的锁相环，其特征在于，还包括：微分器和/或积分器；
所述微分器，用于从所述坐标变化模块获取q轴电压误差，对其进行微分处理，得到q轴误差变化率，并将所述q轴误差变化率作为所述模糊自适应控制模块的一个输入量发送至所述模糊自适应控制模块；
所述积分器，用于从所述坐标变化模块获取q轴电压误差，对其进行积分处理，得到q轴误差积分量，并将所述q轴误差积分量作为所述模糊自适应控制模块的一个输入量发送至所述模糊自适应控制模块。
4.如权利要求1或2或3所述的锁相环，其特征在于，所述模糊自适应控制模块具体包括：
模糊化接口单元，用于在各输入量和各控制量的论域上定义各量的语言变量、设定各语言变量的基本论域、定义各语言变量的语言值、确定量化因子和比例因子、定义各语言值的隶属函数、以及确定模糊规则；
模糊推理单元，用于通过所述量化因子，将实际的输入量进行量化处理，根据定义的隶属函数，将量化处理的各输入量转化为模糊输入，以及根据模糊输入和确定的模糊规则，进行模糊推理，得到模糊值；
解模糊接口单元，用于利用设定的解模糊算法，对模糊推理单元得到的模糊值进行解模糊处理，得到精确输出量，并利用所述比例因子将所述精确输出量转换为控制参数的调整量。
5.如权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述坐标变换模块具体包括：
一级坐标变换单元，用于将电网电压信号转换到αβ坐标系下；
二级坐标变换单元，用于根据所述锁相跟踪环路反馈的相角，将一级坐标变换单元得到的αβ坐标系下的电压转换到dq坐标系下，并根据预设q轴电压参考值，求取q轴电压误差。
6.如权利要求5所述的锁相环，其特征在于，所述一级坐标变换单元，具体用于当所述电网电压信号为三相电压信号时，通过Clark变换，得到αβ坐标系下的电压向量；当所述电网电压信号为单相电压信号时，令采集到的单相电压信号v等于β向的电压向量，并将采集到的v延迟90度得到α向的电压向量。
7.如权利要求1、2、3、5、6任意一项所述的锁相环，其特征在于，所述控制器为比例积分PI控制器；所述控制参数包括：比例系数和/或积分系数。
8.一种权利要求1至7任意一项所述锁相环的测试方法，其特征在于，包括：
对用于测试的电网电压信号施加扰动，并将其输出到基础锁相环；所述基础锁相环为模糊自适应模块功能关闭下的所述锁相环；
根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，确定基础锁相环的性能指标；
检测基础锁相环的性能指标是否满足设定的设计要求，当满足时，将施加扰动的电网电压信号输出到模糊自适应锁相环；所述模糊自适应锁相环为模糊自适应模块功能开启下的所述锁相环；
根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量以及锁相跟踪环路中控制器的控制参数，确定模糊自适应锁相环的性能指标；
将基础锁相环和模糊自适应锁相环的性能指标进行比较，当模糊自适应锁相环的性能指标优于基础锁相环的性能指标时，判定为测试通过，否则判定为未通过。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述确定基础锁相环的性能指标，包括：根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算基础锁相环的性能指标；
所述确定模糊自适应锁相环的性能指标，包括：根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量以及锁相跟踪环路中控制器的控制参数，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算模糊自适应锁相环的性能指标。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
当检测出基础锁相环的性能指标不满足设定的设计要求时，绘制基础锁相环系统的开环传递函数伯德图，作为重新设计基础锁相环中锁相跟踪环路的参考数据；
和/或，当判定为测试未通过时，绘制模糊自适应锁相环系统的开环传递函数伯德图，以及绘制横轴为时间，纵轴为模糊自适应控制模块的输入量以及控制器的控制参数的第一监控图，作为重新设计模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的参考数据。
11.如权利要求8至10任意一项所述的方法，其特征在于，所述性能指标包括如下参数中的一个或多个：超调量、调节时间和稳态误差。
12.一种权利要求1至7任意一项所述锁相环的测试装置，其特征在于，包括：
扰动模块，用于对用于测试的电网电压信号施加扰动，并将其输出到基础锁相环；所述基础锁相环为模糊自适应模块功能关闭下的所述锁相环；
数据上传模块，用于获取施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，并将其上传至数据分析模块；
数据分析模块，用于根据所述数据上传模块上传的数据，确定基础锁相环的性能指标；
测试决策模块，用于检测基础锁相环的性能指标是否满足设定的设计要求，当满足时，触发所述扰动模块将施加扰动的电网电压信号输出到模糊自适应锁相环；所述模糊自适应锁相环为模糊自适应模块功能开启下的所述锁相环；
所述数据上传模块，还用于获取施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量以及锁相跟踪环路中控制器的控制参数，并将其上传至数据分析模块；
所述数据分析模块，还用于根据所述数据上传模块上传的数据，确定模糊自适应锁相环的性能指标；
所述测试决策模块，还用于将基础锁相环和模糊自适应锁相环的性能指标进行比较，当模糊自适应锁相环的性能指标优于基础锁相环的性能指标时，判定为测试通过，否则判定为未通过。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述数据分析模块，具体用于根据施加扰动后的电网电压的相位信号和基础锁相环输出的跟踪相位信号，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算基础锁相环的性能指标；以及根据施加扰动后的电网电压的相位信号、模糊自适应锁相环输出的跟踪相位信号、模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的输入量以及锁相跟踪环路中控制器的控制参数，绘制响应曲线图，并根据该响应曲线图，计算模糊自适应锁相环的性能指标。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，
所述数据分析模块，还用于当基础锁相环的性能指标不满足设定的设计要求时，绘制基础锁相环系统的开环传递函数伯德图，作为重新设计基础锁相环中锁相跟踪环路的参考数据；和/或，当所述测试决策模块判定为测试未通过时，绘制模糊自适应锁相环系统的开环传递函数伯德图，以及绘制横轴为时间，纵轴为模糊自适应控制模块的输入量以及控制器的控制参数的第一监控图，作为重新设计模糊自适应锁相环中模糊自适应控制模块的参考数据。
15.如权利要求12至14任意一项所述的装置，其特征在于，所述性能指标包括如下参数中的一个或多个：超调量、调节时间和稳态误差。
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| GR01 | Patent grant | ||
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