CN109617550B - 基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，该方法包括：在二阶广义积分器的输入端输入电网电压信号，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量；将所述广义二阶积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号；对所述锁相电压信号进行过零检测，当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号。通过上述方法，可以防止电网电压信号中的噪声干扰，精确获取电网电压信号的相位角信息，为电力电子设备的控制提供良好的补偿和优化效果。

Description

基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法。

背景技术

在交流输配电的电力系统中，无论是仪器仪表还是电力电子设备，大部分都需要和电力系统电压相位进行同步才能进行精确的计算和控制，达到补偿和优化的效果。无论是逆变器并网电流控制，还是整流器功率因数校正控制，都需要准确获取电网电压的相位。

传统的相位监测方法通过硬件电路获取电网电压的过零点位置，通过捕获该过零点得到当前电网相位角。但是，当电网电压信号噪声严重时，极易出现捕获信号干扰，导致捕获失效，无法得到精确的相位角信息，从而无法获得标准的正弦信号。

发明内容

本发明实施例提供一种基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，可以精确获取电网电压信号的相位角信息。

一种基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，包括：

在二阶广义积分器的输入端输入电网电压信号，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量；

将所述广义二阶积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号；

对所述锁相电压信号进行过零检测，当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号。

可选的，在其中一个实施例中，所述对所述锁相电压信号进行过零检测，包括：

当检测到所述锁相电压信号出现过零时，判断所述锁相电压信号是否满足前次正弦小于等于零且当次正弦大于等于零；

若是，则锁定过零时刻出现的过零点，控制计数器清零，并且根据预设时间间隔累加计数器。

可选的，在其中一个实施例中，所述对所述锁相电压信号进行过零检测，还包括：

当未检测到所述锁相电压信号出现过零时，判断计数器的计数时长是否超过预设时长；

若是，则清除对所述过零点的锁定。

可选的，在其中一个实施例中，所述判断计数器的计数时长是否超过预设时长，包括：

判断计数器的计数时长是否超过电网电压信号的的四分之三周期。

可选的，在其中一个实施例中，所述当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号，包括：

当确定所述锁相电压信号的过零点后，通过查询正弦表或者正弦函数库获取与所述相位角对应的正弦信号。

可选的，在其中一个实施例中，所述二阶广义积分器包括自适应滤波器，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量，包括：

根据所述自适应滤波器对所述电网电压信号进行滤波，得到α分量与β分量；

根据所述α分量、β分量构建静止的平面直角坐标系，其中所述α分量构建为α轴、所述β分量构建为β轴。

可选的，在其中一个实施例中，将所述广义二阶积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，包括：

将所述二阶广义积分器产生的正交分量通过Park变换转换至d轴、q轴旋转坐标系中。

可选的，在其中一个实施例中，所述将所述二阶广义积分器产生的正交分量通过Park变换转换至d轴、q轴旋转坐标系中，包括：

根据公式

d＝cos(wt)*α+sin(wt)*β

q＝cos(wt)*β-sin(wt)*α

得到所述d轴、q轴旋转坐标系中的d分量与q分量；其中，w为电网电压角频率，t为电网电压输入的时间，α为静止坐标系下的α分量，β为静止坐标系下的β分量。

可选的，在其中一个实施例中，所述根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号，包括：

根据所述旋转坐标系中的q分量进行PID控制，通过迭代闭环运算，得到输出相位与输入相位引起的电压差为零的相位角。

可选的，在其中一个实施例中，所述方法还包括：

将所述q分量与零相乘后输入到PID控制器，通过所述PID控制器调节输出信号的相位角；

根据所述输出信号的相位角跟踪所述电网电压信号的相位角，当所述输出信号的相位角滞后于所述电网电压信号的相位角时，所述PID控制器增大输出信号的角频率；当所述输出信号的相位角超前于所述电网电压信号的相位角时，所述PID控制器减小输出信号的角频率。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

上述基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，在二阶广义积分器的输入端输入电网电压信号，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量，将所述广义二阶积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号，对所述锁相电压信号进行过零检测，当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号。通过上述方法，可以防止电网电压信号中的噪声干扰，精确获取电网电压信号的相位角信息，为电力电子设备的控制提供良好的补偿和优化效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法的流程示意图；

图2为一个实施例中广义二阶积分器的结构示意图；

图3为另一个实施例中基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法的流程示意图；

图4为另一个实施例中基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。

本申请实施例提供一种基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，用于获取电网电压信号的相位角信息，实现精确的锁相。如图1所示，该方法包括以下步骤102～步骤106：

步骤102：在二阶广义积分器的输入端输入电网电压信号，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量。

其中，二阶广义积分器指的是在α、β坐标系下通过构造基于二阶广义积分器的90°移相系统来实现正负序分离，从而达到正负序分别锁相的器件。该二阶广义积分器根据构建基于内膜原理的自适应滤波器来实现产生正交分量的过程。

在一个实施例中，如图2所示，为一个实施例中二阶广义积分器的结构示意图，其中，Vg为电网电压信号，w为电网电压信号的角频率，s为时域，k为影响系统带宽的常数，α、β为二阶广义积分器产生的正交分量，α为与Vg同步的向量、β为相对于Vg滞后90°的向量。根据图2可知二阶广义积分器的传递函数为：

由图2可知，二阶广义积分器具有良好的带通滤波特性，k的取值将直接影响滤波效果，k取值越小，滤波效果越好，并且，本实施例采用α分量替代Vg作为系统控制信号，可以得到更好的系统响应。

进一步的，所述二阶广义积分器根据所述自适应滤波器对所述电网电压信号进行滤波，得到α分量与β分量，根据所述α分量、β分量构建静止的平面直角坐标系，其中所述α分量构建为α轴、所述β分量构建为β轴。

步骤104：将所述广义二阶积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号。

将所述静止坐标系转换为旋转坐标系，能够对电网电压信号的分析起到简化作用，具体的，将所述二阶广义积分器产生的正交分量通过Park变换转换至d轴、q轴旋转坐标系中。Park变换就是通过一定的角度旋转变换，把旋转中的向量变为静止直角坐标系里面的量，即将空间静止坐标系代替旋转坐标系。

在一个实施例中，所述将所述二阶广义积分器产生的正交分量通过Park变换转换至d轴、q轴旋转坐标系中，包括：

根据公式

d＝cos(wt)*α+sin(wt)*β

q＝cos(wt)*β-sin(wt)*α

得到所述d轴、q轴旋转坐标系中的d分量与q分量；其中，w为电网电压角频率，t为电网电压输入的时间，α为静止坐标系下的α分量，β为静止坐标系下的β分量。

进一步的，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角。锁相环是一个可以自动跟踪输入电网电压信号相位的控制系统，锁相环的原理是把二阶广义积分器产生的正交分量送入d轴、q轴旋转坐标系，进行Park变换，根据Park变换的结果，控制q轴分量为零以完成锁相。具体的，park变换指的是将电网电压信号的正交分量在α、β轴上的投影，等效到d轴、q轴上。

在一个实施例中，单相锁相环的控制过程还包括：根据所述旋转坐标系中的q分量进行PID控制，通过迭代闭环运算，得到输出相位与输入相位引起的电压差为零的相位角。

具体的，将所述q分量与零相乘后输入到PID控制器，通过所述PID控制器调节输出信号的相位角。根据所述输出信号的相位角跟踪所述电网电压信号的相位角，当所述输出信号的相位角滞后于所述电网电压信号的相位角时，所述PID控制器增大输出信号的角频率；当所述输出信号的相位角超前于所述电网电压信号的相位角时，所述PID控制器减小输出信号的角频率。通过不断的迭代闭环运算，使输出相位与输入相位引起电压差为零，实现精准锁相。

步骤106：对所述锁相电压信号进行过零检测，当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号。

由于直接采用单相锁相环获取的相位角，通过查表或者函数库获取对应的正弦信号，会引入一定的电网电压谐波分量。通过对锁相电压信号再次进行过零判定，以获得标准的正弦信号，抑制并消除输入信号中的直流分量和高次谐波，提高锁相结果的准确性。

上述基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，在二阶广义积分器的输入端输入电网电压信号，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量，将所述广义二阶积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号，对所述锁相电压信号进行过零检测，当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号。通过上述方法，可以防止电网电压信号中的噪声干扰，精确获取电网电压信号的相位角信息，为电力电子设备的控制提供良好的补偿和优化效果。

在一个实施例中，如图3所示，所述对所述锁相电压信号进行过零检测，包括以下步骤302～步骤304：

步骤302：当检测到所述锁相电压信号出现过零时，判断所述锁相电压信号是否满足前次正弦小于等于零且当次正弦大于等于零；若是，则执行步骤304。

对所述锁相电压信号进行过零检测，通过定位过零点，从而可以抑制电网电压信号中的噪声干扰。其中，通过判断所述锁相电压信号是否满足前次正弦小于等于零且当次正弦大于等于零，可以确定该锁相电压信号出现了过零点，此是需要对过零点锁定，以获得标准的正弦信号。

例如，可以通过过零比较器对所述锁相电压信号进行过零检测，将所述锁相电压信号送入电压过零比较器，产生同步方波信号，该信号的高电平代表锁相电压信号的正半周，低电平代表着锁相电压信号的负半周，通过将锁相电压信号的同步信号转换成了芯片直接可以识别的数字量信号，提升了过零检测的精确度。

步骤304：锁定过零时刻出现的过零点，控制计数器清零，并且根据预设时间间隔累加计数器。

通过本实施例提供的方法，可以在定位到过零点后获取标准的正弦信号，抑制了电网电压信号中的噪声干扰。

在一个实施例中，如图4所示，所述对所述锁相电压信号进行过零检测，还包括以下步骤402～步骤404：

步骤402：当未检测到所述锁相电压信号出现过零时，判断计数器的计数时长是否超过预设时长；若是，则执行步骤404。

当未检测到所述锁相电压信号出现过零时，通过判断计数器的计数时长是否超过预设时长，可以判断当前信号是否为干扰信号，若超过预设时长仍未检测到过零点，则说明当前信号为电网电压信号中的谐波分量。

具体的，可以通过判断计数器的计数时长是否超过电网电压信号的的四分之三周期，进而确定电网电压信号中的干扰信号。

步骤404：清除对所述过零点的锁定。

当判断电网电压信号中出现干扰信号时，清除对所述过零点的锁定。

本实施例提供的方法，可以防止电网电压信号中的噪声干扰，为电力电子设备的控制提供良好的补偿和优化效果。

在一个实施例中，所述当定位所述锁相电压信号的过零点后，根据预设转换策略获得正弦信号，包括：当确定所述锁相电压信号的过零点后，通过查询正弦表或者正弦函数库获取与所述相位角对应的正弦信号。

具体的，通过查表或者函数库获取对应的sin(wt)和cos(wt)，达到锁相的目的。同时，广义二阶积分器的α分量作为电网电压滤波后的采样信号，参与系统控制，可以得到良好的系统响应。以标准的正弦信号为参考，可以很大程度上的优化并网电流或功率因数校正电流的质量。

上述基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，可以防止电网电压信号中的噪声干扰，精确获取电网电压信号的相位角信息，为电力电子设备的控制提供良好的补偿和优化效果。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质。一个或多个包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行如上述各实施例中所描述的基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法。

本申请实施例还提供了一种计算机程序产品。一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各实施例中所描述的基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法。

在上述实施例中，可以全部或部分的通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于二阶广义积分器的单相锁相环的控制方法，其特征在于，包括：

在二阶广义积分器的输入端输入电网电压信号，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量；

将所述二阶广义积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号；

对所述锁相电压信号进行过零检测，当确定所述锁相电压信号的过零点后，通过查询正弦表或者正弦函数库获取与所述相位角对应的正弦信号；

其中，所述对所述锁相电压信号进行过零检测，包括：

当检测到所述锁相电压信号出现过零时，判断所述锁相电压信号是否满足前次正弦小于等于零且当次正弦大于等于零；

若是，则锁定过零时刻出现的过零点，控制计数器清零，并且根据预设时间间隔累加计数器；

当未检测到所述锁相电压信号出现过零时，判断计数器的计数时长是否超过预设时长；

若是，则清除对所述过零点的锁定，并将当前信号作为所述锁相电压信号中的谐波分量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断计数器的计数时长是否超过预设时长，包括：

判断计数器的计数时长是否超过电网电压信号的四分之三周期。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二阶广义积分器包括自适应滤波器，根据基于所述二阶广义积分器构建的静止坐标系获取与所述电网电压信号对应的正交分量，包括：

根据所述自适应滤波器对所述电网电压信号进行滤波，得到α分量与β分量；

根据所述α分量、β分量构建静止的平面直角坐标系，其中所述α分量构建为α轴、所述β分量构建为β轴。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述二阶广义积分器输出的正交分量转换为旋转坐标系下的旋转分量，包括：

将所述二阶广义积分器产生的正交分量通过Park变换转换至d轴、q轴旋转坐标系中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述二阶广义积分器产生的正交分量通过Park变换转换至d轴、q轴旋转坐标系中，包括：

根据公式

d=cos(wt)*α+sin(wt)*β

q= cos(wt) *β-sin(wt)*α

得到所述d轴、q轴旋转坐标系中的d分量与q分量；其中，w为电网电压角频率，t为电网电压输入的时间，α为静止坐标系下的α分量，β为静止坐标系下的β分量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述旋转坐标系中的旋转分量进行单相锁相环控制，得到锁相后的相位角，根据所述相位角确定锁相电压信号，包括：

根据所述旋转坐标系中的q分量进行PID控制，通过迭代闭环运算，得到输出相位与输入相位引起的电压差为零的相位角。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述q分量与零相乘后输入到PID控制器，通过所述PID控制器调节输出信号的相位角；

根据所述输出信号的相位角跟踪所述电网电压信号的相位角，当所述输出信号的相位角滞后于所述电网电压信号的相位角时，所述PID控制器增大输出信号的角频率；当所述输出信号的相位角超前于所述电网电压信号的相位角时，所述PID控制器减小输出信号的角频率。

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