CN108418579A - 一种输出正弦波锁相移相装置及正弦锁相移相算法 - Google Patents

一种输出正弦波锁相移相装置及正弦锁相移相算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种输出正弦波锁相移相装置及正弦锁相移相算法，装置由鉴相器、调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器组成，鉴相器依次与调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器相连，高阶带通滤波器输出端又与鉴相器相连。算法为预先构造正弦信号发生器，设计压频比，预构PI调节器参数及前置移相参数，根据频率需求预先构造滤波器参数，并周期性检测参考频率与输出频率相位差，通过PI调节器和滤波器同时作用实现具有高保真度正弦锁相功能，同时算法中加入移相环节能自由调整锁相输出波形相位。本发明输出幅相特性根据需要调整，在参考信号发生变化或故障再恢复时能快速完成锁相功能，不会出现失锁状态，锁相稳定，抗扰能力强。

Description

一种输出正弦波锁相移相装置及正弦锁相移相算法
技术领域
本发明涉及一种输出正弦波锁相移相装置及正弦锁相移相算法，可应用于风力发电变流、有源滤波、有源逆变等领域。
背景技术
许多诸如风力发电并网变频器、有源逆变器等设备要正常工作，通常需要外部电网输入的频率及相位信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的，并且随着风电并网标准要求的提高，风电机组需要能在一定范围内实现低电压穿越、高电压穿越等功能，因此能快速跟踪控制并提高锁相稳态输出性能可有效提高变流器系统工作稳定性。
锁相环控制是一种反馈控制算法，简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，在电力变流应用中当锁相环输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。
发明内容
本发明目的提供一种输出正弦波锁相移相装置及正弦锁相移相算法，本发明可指导电路完成正弦波锁相移相功能。本发明加入移相环节，输出波形，同时，本发明中关键的两个滤波器较大影响输出波形的特性及控制速度，同时将移相环节前置，可自由调整锁相位置。因此，本发明的可有效指导锁相移相电路设计及锁相移相的实现，输出幅相特性可根据需要调整，锁相稳定，抗干扰能力强，有助于改善并网变流器、有源滤波在部分电网故障时的控制特性，并有助于为风力发电系统低电压、高电压穿越提供技术保障。
本发明提供的技术方案是：
一种输出正弦波锁相移相装置，由鉴相器、调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器组成，其特征在于：鉴相器依次与调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器相连，高阶带通滤波器输出端又与鉴相器相连。
所述的调节器由移相器和PI调节器组成，PI调节器分别与鉴相器、移相器和低通滤波器相连。
所述的信号发生器为正弦信号发生器，由输入信号控制其输出相位，频率可根据目标需要进行给定。
在常规锁相环算法基础上引入移相前置控制、低通滤波器、正弦信号发生器、高阶带通滤波器，通过监测输入及反馈的相位及频率信号，经过鉴相器、调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器级联结构，从而实现具有高保真度的正弦锁相功能。所述的算法为单一信号输入，对于三相系统可分别采用该算法实现独立控制。
利用所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于按以下步骤进行：
a、预先构造正弦信号发生器，根据锁相目标频率设定压频比，并固定于电路中或存储于寄存器中；
b、预置PI调节器参数，并将移相器前置，其中PI调节器和移相调节器函数根据目标输出频率以及相位误差范围给出，属于非线性函数，不同频段具有不同参数整定值；PI调节器和移相器调节综合传递函数如下：
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kθ为移相系数，θ0为相位设定，s为拉普拉斯算子；
c、根据正弦信号发生器、目标频率及PI调节器，设计正弦信号发生器前端低通滤波器及后端的高阶带通滤波器；该算法关键在于PI参数设计及滤波设计。
d、周期性检测给定始终信号与输出信号的相位差，根据相位差值进行PI调节和滤波运算，则输出信号相位频率自动与输入一致，在不影响频率的情况下可通过调整移相参数对相位进行调整。
其中，表达式(1)中所述PI参数设计采用如下函数构造：
Kp＝a1*f2 (2)
Kp为比例系数，Ki为积分系数，a1、a2、b2、c2为PI参数整定系数，取正实常数，f为目标频率，Δe为相位差，按目标频率取最大相位差绝对值。
所述步骤a中还包括：当检测到低通滤波器滤波后给定正弦信号发生器的输入高于或低于门线数据，则自动限制到装置默认门限值，如果相差在上电状态时出现偏差，低通滤波器滤波后端输出信号超过默认门限，但在经过相差周期性检测和反馈后，低通滤波器后端输出信号将在5-10个周期内收敛至目标频率值。
所述步骤d中还包括：装置在锁定状态下，如果给定信号发生相位漂移，则装置检测出现相位差，装置继续检测给定信号相位差，直至给定信号相位差值归零，进入锁相保持状态。
所述鉴相器采用两种方式：其一，通过输入信号与反馈信号频相差Δθ，乘以鉴相增益移相系数Kθ；其二，通过过零点电压采样得到Δu，乘以鉴相增益电压系数Ku，再引入较大惯性环节进行控制。
所述高阶带通滤波器能将频率控制在需要的频率，对于工频电路控制在25Hz-75Hz，能有效滤除移相及锁频过程中产生的高频谐波，使锁相控制更加平滑稳定。
本发明方案的优点是：具有较强的抗干扰性，可实现高精度的正弦锁相信号，具有任意移相功能，有助于改善并网变流器、有源滤波在部分电网故障时的控制特性，并有助于为风力发电系统低电压、高电压穿越提供技术保障。
附图说明
图1为本发明结构实现框图。
图2为本发明控制传递函数框图。
图3为本发明的各环节曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种输出正弦波锁相移相装置，由鉴相器、调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器组成，其特征在于：鉴相器依次与调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器相连，高阶带通滤波器输出端又与鉴相器相连。所述的调节器由移相器和PI调节器组成，PI调节器分别与鉴相器、移相器和低通滤波器相连。所述的信号发生器为正弦信号发生器。引入相位反馈，并将移相器前置且引入PI调节器中，有效利用低通滤波器和高阶带通滤波器，从而实现具有高保真度、可自由调整相位、具有高抗扰性的正弦输出波形。在调节器后端设置低通滤波器，低通滤波器可起到增加阻尼的作用，增加一个极点，提升静态性能。在设计时可考虑低通滤波与高通滤波串联使用，通过增加三阶低通滤波和一阶高通滤波滤除相应谐波，让输出波形和频率更加完美。
本发明用于正弦信号锁相和移相，信号发生器输出为正弦信号发生器，频率根据输入控制量线性变化，通过系统闭环控制，将稳定于目标频率。
图2为本发明中算法的实现方法传递函数图。本发明方法的核心思想是利用传统的锁相环将移相电路前置引入PI环节，并在正弦信号发生器前后环节环节进行滤波处理，以达到高保真、高抗扰性能的正弦锁相波形输出，可有效指导对应电路的实现。
利用所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于按以下步骤进行：
a、预先构造正弦信号发生器，根据锁相目标频率设定压频比，并固定于电路中或存储于寄存器中；
b、预置PI调节器参数，并将移相器前置，其中PI调节器和移相调节器函数根据目标输出频率以及相位误差范围给出，属于非线性函数，不同频段具有不同参数整定值；PI调节器和移相器调节综合传递函数如下：
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kθ为移相系数，θ0为相位设定，s为拉普拉斯算子；
其中，表达式(1)中所述PI参数设计采用如下函数构造：
Kp＝a1*f2 (2)
a1、a2、b2、c2为PI参数整定系数，取正实常数，f为目标频率，Δe为相位差，按目标频率取最大相位差绝对值。表达式(2)和表达式(3)中，a1＝0.000065、a2＝2、b2＝10、c2＝0.1，对于于50Hz工频锁相PI调节器参数设置，计算为Kp＝0.16,Ki＝0.1，移相器参数Kθ和θ0则可根据正弦信号发生器协同设定；
c、根据正弦信号发生器、目标频率及PI调节器，设计正弦信号发生器前端低通滤波器及后端的高阶带通滤波器；该算法关键在于PI参数设计及滤波设计；在本算法中调节器后端设置低通滤波器，增加静态性能，其传递函数可表示为：s为拉普拉斯算子；
所述高阶带通滤波器，可将频率控制在需要的频率，对于工频电路推荐控制在25Hz-75Hz，可有效滤在移相及锁频过程中产生的高频谐波，使锁相控制更加平滑稳定，输出波形更加保真，在实施过程中可采用通过增加三阶低通滤波和一阶高通滤波滤除相应谐波，其传递函数可表示如下：
s为拉普拉斯算子。
以上高阶带通滤波器滤波为控制带通频率为所需频率，则参数a0＝1.0481×108，a1＝4.4457×105,a2＝942.979，ag0＝156.986。
d、周期性检测给定始终信号与输出信号的相位差，根据相位差值进行PI调节和滤波运算，则输出信号相位频率自动与输入一致，在不影响频率的情况下可通过调整移相参数对相位进行调整。装置在锁定状态下，如果给定信号发生相位漂移，则装置检测出现相位差，装置继续检测给定信号相位差，直至给定信号相位差值归零，进入锁相保持状态。所述鉴相器采用两种方式：其一，通过输入信号与反馈信号频相差Δθ，乘以鉴相增益移相系数Kθ；其二，通过过零点电压采样得到Δu，乘以鉴相增益电压系数Ku，再引入较大惯性环节进行控制。
如图3所示，为该锁相环在风力发电并网系统中的电压波形控制输出，图中给出了50Hz原始信号如①指示波形线，低通滤波器后端输出波形如②指示波形线，正弦信号发生器后端波形如③指示波形线，高阶带通滤波后的最终输出波形如④指示波形线，图3所呈现的为锁相前后40ms的波形，可以看出锁相效果非常理想，并且在电网波形出现低电压、高电压、掉电等故障时持续1秒以上的稳态输出波形，可有效提高系统故障穿越能力。
以上根据特例性实施例对本发明进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，或对其中部分技术特征进行同等替换，而这些修改或替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的的精神和范围。

Claims (9)

1.一种输出正弦波锁相移相装置，由鉴相器、调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器组成，其特征在于：鉴相器依次与调节器、低通滤波器、信号发生器、高阶带通滤波器相连，高阶带通滤波器输出端又与鉴相器相连。
2.根据权利要求1所述的输出正弦波锁相移相装置，其特征在于：所述的调节器由移相器和PI调节器组成，PI调节器分别与鉴相器、移相器和低通滤波器相连。
3.根据权利要求2所述的输出正弦波锁相移相装置，其特征在于：所述的信号发生器为正弦信号发生器。
4.利用权利要求3所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于按以下步骤进行：
a、预先构造正弦信号发生器，根据锁相目标频率设定压频比，并固定于电路中或存储于寄存器中；
b、预置PI调节器参数，并将移相器前置，其中PI调节器和移相调节器函数根据目标输出频率以及相位误差范围给出，属于非线性函数，不同频段具有不同参数整定值；PI调节器和移相器调节综合传递函数如下：
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kθ为移相系数，θ0为相位设定，s为拉普拉斯算子；
c、根据正弦信号发生器、目标频率及PI调节器，设计正弦信号发生器前端低通滤波器及后端的高阶带通滤波器；
d、周期性检测给定始终信号与输出信号的相位差，根据相位差值进行PI调节和滤波运算，则输出信号相位频率自动与输入一致。
5.根据权利要求4所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于：其中，表达式(1)中所述PI参数设计采用如下函数构造：
Kp＝a1*f2 (2)
Kp为比例系数，Ki为积分系数，a1、a2、b2、c2为PI参数整定系数，取正实常数，f为目标频率，Δe为相位差，按目标频率取最大相位差绝对值。
6.根据权利要求4所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于：所述步骤a中还包括：当检测到低通滤波器滤波后给定正弦信号发生器的输入高于或低于门线数据，则自动限制到装置默认门限值，如果相差在上电状态时出现偏差，低通滤波器滤波后端输出信号超过默认门限，但在经过相差周期性检测和反馈后，低通滤波器后端输出信号将在5-10个周期内收敛至目标频率值。
7.根据权利要求4所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于：所述步骤d中还包括：装置在锁定状态下，如果给定信号发生相位漂移，则装置检测出现相位差，装置继续检测给定信号相位差，直至给定信号相位差值归零，进入锁相保持状态。
8.根据权利要求4所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于：所述鉴相器采用两种方式：其一，通过输入信号与反馈信号频相差Δθ，乘以鉴相增益移相系数Kθ；其二，通过过零点电压采样得到Δu，乘以鉴相增益电压系数Ku，再引入较大惯性环节进行控制。
9.根据权利要求4所述的输出正弦波锁相移相装置的正弦锁相移相算法，其特征在于：所述高阶带通滤波器能将频率控制在需要的频率，对于工频电路控制在25Hz-75Hz，能有效滤除移相及锁频过程中产生的高频谐波，使锁相控制更加平滑稳定。
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