CN111555752A - 一种单相频率自适应锁相环 - Google Patents

一种单相频率自适应锁相环 Download PDF

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

本发明公开的一种单相频率自适应锁相环，包括消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块，所述消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块基于采用广义二阶积分器设计的频率自适应滤波器，可从谐波畸变严重的两路正交电网信号中分离出电网基波正序分量，并抑制两路正交信号可能的不平衡问题对锁相环相角与频率检测误差的影响，滤波器参数的整定简洁方便，可提高锁相环的相角检测精度，可消除电网及并网变流器中不易解决的直流偏置问题。

Description

一种单相频率自适应锁相环
技术领域
本发明涉及一种单相频率自适应锁相环系统。
背景技术
分布式电源并网运行的关键问题是其变流器输出电压与电网公共连接点处的电压能准确的同步，锁相环是检测电网电压基波信号的频率和相位以构成电网同步信号的主要技术，电网中广泛应用的并网逆变器、有源滤波器等非线性电力负荷产生的谐波污染，以及冲击性负荷引起的电网电压波动和闪变等异常状况，给锁相环准确检测电网同步信号带来很大的困难，从而影响分布式电源并网运行的电能质。
单相并网系统的同步信号检测，通常采用过零点检测获得电网电压的周期和相位信息，从而完成对电网电压的锁相。由于每个工频周期中最多只能调整两次，过零点检测法不能快速跟踪相位变化，在电网电压畸变时相位检测精度较差。此外，单相输入信号通过正交信号发生器(Quadrature Signal Generator,QSG)构造出两相正交信号，再采用三相电路适用的同步坐标系锁相环(Synchronous Reference Frame Phase-Locked-Loop，SRF-PLL)可获得精度较高的同步检测信号。但当输入的电网电压信号出现直流偏置和谐波畸变时，QSG输出的两路正交信号将包含直流分量和谐波分量，SOGI-FLL的频率和相角检测精度将受到影响。
例如公开号为CN109547016A的一种基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，基于虚拟三相算法的频率自适应单相锁相环，基于虚拟三相算法构造单相信号的其它两相信号，形成对称的三相信号后进行正序dq变换，所得的q轴分量通过闭环控制被控为零，同时该闭合控制输出用于调节锁定相位的变化量，以实现电网电压相位锁定。为消除输入信号的频率变化对锁相环精度的影响，引入了基于负序dq变换所得q轴分量的闭环控制，通过该控制调节虚拟三相算法相关基频参数以适应电网电压的频率变化。该系统仅考虑了电网电压的谐波畸变问题，没有考虑分布式电源自身及信号采样过程中的直流偏置问题，且控制参数调整不当时，将不能有效抑制电网谐波畸变及电压不平衡对SRF-PLL稳态检测精度的影响。由此导致该单相频率自适应锁相环的抗干扰能力不够强，锁相效果不是很理想。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种单相频率自适应锁相环系统。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种单相频率自适应锁相环，包括消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块，所述消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块基于采用广义二阶积分器设计的频率自适应滤波器；
根据信号处理流程，消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块依次连接而成。
所述频率自适应滤波器包括二阶广义积分器模块SOGI、锁频模块FLL，输入信号u经二阶广义积分器模块SOGI可输出两路信号ud和uq，配合锁频模块FLL可输出跟踪输入信号u的频率信号ω′，接下来对频率自适应滤波器各项参数进行讨论：
A1、频率自适应滤波器的二阶广义积分器模块SOGI状态空间方程为：
Figure BDA0002491820940000031
A2、频率自适应滤波器的锁频模块FLL频率跟踪方程为：
Figure BDA0002491820940000032
A3、二阶广义积分器模块SOGI的输出两路信号的传递函数分别为：
Figure BDA0002491820940000033
Figure BDA0002491820940000034
A4、二阶广义积分器模块SOGI接输入信号u(t)＝Vsin(ωt)，对应输出信号时域表达式为：
Figure BDA0002491820940000035
Figure BDA0002491820940000036
A5、二阶广义积分器模块SOGI接含有直流偏置A的输入信号u(t)＝Vsin(ωt)+A，对应输出的信号时域表达式为：
Figure BDA0002491820940000041
Figure BDA0002491820940000042
A6、二阶广义积分器模块SOGI的动态调整时间ts(SOGI)可由下式进行设定：
Figure BDA0002491820940000043
A7、对应A6的锁频模块FLL动态调整时间ts(FLL)为：
Figure BDA0002491820940000044
式中：滤波器常数ωc为电网基波角频率，参数k、η为需整定的滤波器参数，β＝0.5[4-k2]1/2；。
所述消除直流偏置模块是二阶广义积分器模块SOGI1，输入端接收单相电网信号ua、滤波器中心频率信号ω′，且滤波器中心频率信号ω′由正交信号生成模块提供，二阶广义积分器模块SOGI1输出电网信号ua1。
所述正交信号生成模块是频率自适应滤波器SOGI-FLL1，输入端接收消除直流偏置模块输出的电网信号ua1，输出端输出正交的两路电网信号uα2和uβ，且输出跟踪电网信号ua2的基波频率信号ω。
如权利要求1所述的一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：所述正序基波信号分离模块包括二阶广义积分器模块SOGI2、二阶广义积分器模块SOGI3、数学运算模块，二阶广义积分器模块SOGI2接收正交信号生成模块输出的电网信号uα2，二阶广义积分器模块SOGI2输出正交的两路电网信号uα3、quα；二阶广义积分器模块SOGI3接收正交信号生成模块输出的电网信号uβ，输出正交的两路电网信号uβ1、quβ，二阶广义积分器模块SOGI2、二阶广义积分器模块SOGI3输入端接收由正序基波信号锁相模块提供中心频率信号ω，电网信号uα3、quα、uβ1、quβ经4个模块分离出两路电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000051
和
Figure BDA0002491820940000052
对应的数学运算式为：
Figure BDA0002491820940000053
式中：
Figure BDA0002491820940000054
为时域相移算子。
所述正序基波信号锁相模块包括频率自适应滤波器SOGI-FLL2、反三角函数运算atan2模块，频率自适应滤波器SOGI-FLL2输入端接收正序基波信号分离模块输出的电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000055
频率自适应滤波器SOGI-FLL2输出跟踪电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000056
频率的频率信号ω，反三角函数运算atan2模块输入端接收电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000057
和
Figure BDA0002491820940000058
反三角函数运算atan2模块输出电网基波正序信号的相角信号；
所述电网基波正序信号的锁相，对应[-π,π]区间的相角计算式为：
Figure BDA0002491820940000059
本发明的有益效果在于：在考虑直流偏置和谐波畸变的情况下，构造的单相电网频率自适应锁相环，可消除单相电网采样信号中的直流偏置分量，并构造两路无直流偏置量的正交电网信号，可从谐波畸变严重的两路正交电网信号中分离出电网基波正序分量，并抑制两路正交信号可能的不平衡问题对锁相环相角与频率检测误差的影响，滤波器参数的整定简洁方便，可提高锁相环的相角检测精度，特别是可消除电网及并网变流器中不易解决的直流偏置问题，能在频率变化的谐波未知畸变电网中，准确跟踪单相电网的基波正序信号，从而提高分布式变流器的并网电能质量。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的二阶广义积分器设计的频率自适应滤波器示意图；
图3是本发明的锁相效果仿真波形。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
一种消除直流偏置与抑制谐波畸变的单相频率自适应锁相环，采用广义二阶积分器设计频率自适应滤波器，基于频率自适应滤波器分别构建消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块。整个单相频率自适应锁相环按照信号处理流程，由消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块依次连接而成。
消除直流偏置模块输入端输入单相电网信号，对单相电网信号进行频率自适应滤波，将消除直流偏置后的单相电网信号输出到正交信号生成模块。
正交信号生成模块由输入的消除直流偏置的单相电网信号构造出正交的两相电网信号，并将两路正交电网信号传输到正序基波信号分离模块。
正序基波信号分离模块由输入的两路正交电网信号分离出两相静止坐标系中的正序基波电网信号，并将输出信号传输到正序基波信号锁相模块。
正序基波信号锁相模块对正序基波电网信号进行数学运算，输出准确的电网正序信号的频率和相角。
下面结合附图阐述本发明的消除直流偏置与抑制谐波畸变的单相频率自适应锁相环的实施示例：
参考图1，图1为一示例的消除直流偏置和抑制谐波畸变的单相频率自适应锁相环示意图，图中含消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块。所述消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块等均由一个或两个频率自适应滤波器(含其简化变形)级联得到。
图2中，所述频率自适应滤波器由二阶广义积分器模块SOGI加锁频模块FLL组成，输入信号u经SOGI可输出两路信号ud和uq，配合锁频模块FLL可输出跟踪输入信号u的频率信号ω′，滤波器常数ωc等于电网基波角频率，参数k、η为需整定的滤波器参数。
频率自适应滤波器SOGI模块的状态空间方程为：
Figure BDA0002491820940000081
频率自适应滤波器FLL模块的频率跟踪方程为：
Figure BDA0002491820940000082
SOGI模块的输出两路信号的传递函数分别为：
Figure BDA0002491820940000083
Figure BDA0002491820940000084
SOGI模块接输入信号u(t)＝Vsin(ωt)，对应输出信号时域表达式为：
Figure BDA0002491820940000085
Figure BDA0002491820940000086
式中，β＝0.5[4-k2]1/2。
SOGI模块接含有直流偏置A的输入信号u(t)＝Vsin(ωt)+A，对应输出的信号时域表达式为：
Figure BDA0002491820940000087
Figure BDA0002491820940000088
SOGI模块的动态调整时间ts(SOGI)可由下式进行设定
Figure BDA0002491820940000091
锁频模块FLL，取η＝kΓ/V2ω′,则整定为一阶系统
Figure BDA0002491820940000092
对应的锁频模块动态调整时间ts(FLL)为
Figure BDA0002491820940000093
消除直流偏置模块由一简化为带通滤波器的SOGI模块组成，输入为单相电网信号ua，所需滤波器中心频率信号ω′由后级模块提供，可消除输入电网信号的直流偏置并抑制其中谐波信号。
正交信号生成模块由一完整的频率自适应滤波器组成，输入信号为前一级模块输出的消除直流偏置的电网信号ua，输出正交的两路电网信号uα和uβ，并输出跟踪电网信号ua的基波频率信号ω。
正序基波信号分离模块由两个完整的SOGI模块加4个数学运算模块组成，一个SOGI模块的输入信号为前一级模块输出的电网信号uα，输出正交的两路电网信号uα和quα；另一个SOGI模块的输入信号为前一级模块输出的电网信号uβ，输出正交的两路电网信号uβ和quβ。两个SOGI模块所需中心频率信号ω由后一级模块提供。四路中间信号uα、quα、uβ、quβ再经4个数学运算模块进行简单的数学运算。最终，正序基波信号分离模块抑制了输入信号的谐波畸变，并分离出两路电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000094
和
Figure BDA0002491820940000095
电网基波正序信号的分离，对应的数学运算式为
Figure BDA0002491820940000096
式中，
Figure BDA0002491820940000097
为时域相移算子，对静止坐标中的信号进行q运算，为其π/2相角滞后的正交信号。
正序基波信号锁相模块由一个频率自适应滤波器和一个反三角函数运算atan2模块组成，频率自适应滤波器输入前一级模块输出的电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000101
输出跟踪电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000102
频率的频率信号ω，反三角函数运算atan2模块输入两路电网基波正序信号
Figure BDA0002491820940000103
和
Figure BDA0002491820940000104
得到电网基波正序信号的相角信号。
电网基波正序信号的锁相，对应[-π,π]区间的相角计算式为
Figure BDA0002491820940000105

Claims (6)

1.一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：包括消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块，所述消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块基于采用广义二阶积分器设计的频率自适应滤波器；
根据信号处理流程，消除直流偏置模块、正交信号生成模块、正序基波信号分离模块、正序基波信号锁相模块依次连接而成。
2.如权利要求1所述的一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：所述频率自适应滤波器包括二阶广义积分器模块SOGI、锁频模块FLL，输入信号u经二阶广义积分器模块SOGI可输出两路信号ud和uq，配合锁频模块FLL可输出跟踪输入信号u的频率信号ω′，接下来对频率自适应滤波器各项参数进行讨论：
A1、频率自适应滤波器的二阶广义积分器模块SOGI状态空间方程为：
Figure FDA0002491820930000011
A2、频率自适应滤波器的锁频模块FLL频率跟踪方程为：
Figure FDA0002491820930000012
A3、二阶广义积分器模块SOGI的输出两路信号的传递函数分别为：
Figure FDA0002491820930000021
Figure FDA0002491820930000022
A4、二阶广义积分器模块SOGI接输入信号u(t)＝Vsin(ωt)，对应输出信号时域表达式为：
Figure FDA0002491820930000023
Figure FDA0002491820930000024
A5、二阶广义积分器模块SOGI接含有直流偏置A的输入信号u(t)＝Vsin(ωt)+A，对应输出的信号时域表达式为：
Figure FDA0002491820930000025
Figure FDA0002491820930000026
A6、二阶广义积分器模块SOGI的动态调整时间ts(SOGI)可由下式进行设定：
Figure FDA0002491820930000027
A7、对应A6的锁频模块FLL动态调整时间ts(FLL)为：
Figure FDA0002491820930000028
式中：滤波器常数ωc为电网基波角频率，参数k、η为需整定的滤波器参数，β＝0.5[4-k2]1/2。
3.如权利要求1所述的一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：所述消除直流偏置模块是二阶广义积分器模块SOGI1，输入端接收单相电网信号ua、滤波器中心频率信号ω′，且滤波器中心频率信号ω′由正交信号生成模块提供，二阶广义积分器模块SOGI1输出电网信号ua1。
4.如权利要求1所述的一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：所述正交信号生成模块是频率自适应滤波器SOGI-FLL1，输入端接收消除直流偏置模块输出的电网信号ua1，输出端输出正交的两路电网信号uα2和uβ，且输出跟踪电网信号ua2的基波频率信号ω。
5.如权利要求1所述的一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：所述正序基波信号分离模块包括二阶广义积分器模块SOGI2、二阶广义积分器模块SOGI3、数学运算模块，二阶广义积分器模块SOGI2接收正交信号生成模块输出的电网信号uα2，二阶广义积分器模块SOGI2输出正交的两路电网信号uα3、quα；二阶广义积分器模块SOGI3接收正交信号生成模块输出的电网信号uβ，输出正交的两路电网信号uβ1、quβ，二阶广义积分器模块SOGI2、二阶广义积分器模块SOGI3输入端接收由正序基波信号锁相模块提供中心频率信号ω，电网信号uα3、quα、uβ1、quβ经4个模块分离出两路电网基波正序信号
Figure FDA0002491820930000031
和
Figure FDA0002491820930000032
对应的数学运算式为：
Figure FDA0002491820930000033
式中：
Figure FDA0002491820930000034
Figure FDA0002491820930000035
为时域相移算子。
6.如权利要求1所述的一种单相频率自适应锁相环，其特征在于：所述正序基波信号锁相模块包括频率自适应滤波器SOGI-FLL2、反三角函数运算atan2模块，频率自适应滤波器SOGI-FLL2输入端接收正序基波信号分离模块输出的电网基波正序信号
Figure FDA0002491820930000041
频率自适应滤波器SOGI-FLL2输出跟踪电网基波正序信号
Figure FDA0002491820930000042
频率的频率信号ω，反三角函数运算atan2模块输入端接收电网基波正序信号
Figure FDA0002491820930000043
和
Figure FDA0002491820930000044
反三角函数运算atan2模块输出电网基波正序信号的相角信号；
所述电网基波正序信号的锁相，对应[-π,π]区间的相角计算式为：
Figure FDA0002491820930000045
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