CN114421517B - 锁相环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁相环系统，所述锁相环系统包括：坐标变换单元、解耦单元、线性化控制单元和PI控制单元。所述坐标变换单元获取三相电网电压，将三相电网电压进行坐标变换作为所述锁相环系统的输入；所述解耦单元与所述坐标变换单元连接，对所述坐标变换单元的输出进行解耦，提出电路中的正序电压分量；所述线性化控制单元与所述解耦单元连接，对所述解耦单元的输出进行线性化控制；所述PI控制单元与所述线性化控制单元连接，获取所述坐标变化单元的输出，并对其进行控制，最终得到输出电网电压数据。所述锁相环系统消除了不平衡电网电压中存在的干扰分量，有效克服了不平衡电网电压对锁相环性能的影响。本发明涉及集成电路领域。

Description

锁相环系统

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种锁相环系统。

背景技术

地铁辅助逆变器系统供电方式主要包括交叉供电、扩展供电和并网供电。并网供电相比传统的供电方式，多台辅助逆变器的并网供电系统冗余性强，大大提高了列车运行的稳定性和可靠性，因此并网供电已然成为发展趋势。锁相技术是并网供电的核心技术之一，锁相环利用锁相技术形成一个闭环的电网频率自动检测和相位自动跟踪系统，它的好环直接关系到辅助逆变器并网供电的控制性能。

在地铁车辆的实际工程应用中，常会遇到非理想电网的工况，如三相不平衡、频率变化、电压跌落等，会导致电网的谐波增加，电能质量下降。因此，锁相环快速而稳定的输出电网频率及相位信息是确保并网辅助逆变器稳定运行的关键。

在目前，热门研究的锁相环方法中，主要有基于电压过零点锁相法和基于同步坐标系的锁相法(DD-SRF)。

过零检测锁相算法实现简单，但当电网电压存在谐波及采样噪声时，在一个周期内可能存在多个零点，导致无法正确跟踪电网电压相位的初始起点，并且，过零检测只有在一个周期或半个周期时刻才能进行相位的处理，所以系统的响应也很慢。

基于同步坐标系的所想法，在理想电网情况下，基于同步坐标系锁相法会取得很好的效果，但这种方法在电网电压不平衡，即电网电压出现负序分量时，锁相效果变差；并且对Q轴的控制采用纯PI控制，受制于PI控制器本身的特性，存在动态调节响应速度慢、抗干扰能力弱等缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种锁相环系统。

本发明实施例中包括一种锁相环系统，包括：

坐标变换单元，所述坐标变换单元用于获取三相电网电压，对所述三相电网电压进行坐标变换；

解耦单元，所述解耦单元与所述坐标变换单元连接，用于获取所述坐标变换单元的输出值，对所述坐标变换单元的输出值进行解耦；

线性化控制单元，所述线性化控制单元与所述解耦单元连接，用于获取所述解耦单元的输出值，对所述解耦单元的输出值进行限制；

PI控制单元，所述PI控制单元与所述线性控制单元连接，用于获取线性化控制单元的输出值，对所述线性化控制单元的输出值进行控制，得到输出电网电压。

进一步地，所述对所述三相电网电压进行坐标变换这一步骤包括：

对所述三相电网电压进行Clark变换得到所述三相电网电压的矢量值；

对所述矢量值进行双dq旋转坐标变化得到所述坐标变换单元的输出值；

所述坐标变换单元的输出值包括：所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的d轴正序电压值V_d+、所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的d轴负序电压值V_d-、所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的q轴正序电压值V_q+和所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的q轴负序电压值V_q-。

进一步地，所述解耦单元包括：

正序分量提取模块，所述正序分量提取模块获取所述坐标变换单元输出的V_d+和V_q+，用于对所述V_d+和V_q+进行解耦得到正序电压分量V_{d+_dec}和正序电压分量V_{q+_dec}；

负序分量提取模块，所述负序分量提取模块获取所述坐标变换单元输出的V_d-和V_q-，用于对所述V_d-和V_q-进行解耦得到负序电压分量V_{d-_dec}和负序电压分量V_{q-_dec}。

进一步地，所述解耦单元还包括：

滤波器，所述滤波器采用一阶低通滤波；

所述滤波器与正序分量提取模块连接，获取正序电压分量V_{d+_dec}和正序电压分量V_{q+_dec}，对V_{d+_dec}和V_{q+_dec}进行低通滤波得到V_{d+_fil}和V_{q+_fil}，将所述V_{d+_fil}和V_{q+_fil}反馈到负序分量提取模块；

所述滤波器与负序分量提取模块连接，获取负序电压分量V_{d-_dec}和负序电压分量V_{q-_dec}，对V_{d-_dec}和V_{q-_dec}进行低通滤波得到V_{d-_fil}和V_{q-_fil}，将所述V_{ad-_fil}和V_{q-_fil}反馈到正序分量提取模块。

进一步地，所述对所述坐标变换单元的输出值进行解耦这一步骤包括：

根据公式

对所述坐标变换单元的输出值的扰动分量进行消除，提取出所述正序电压分量V_{q+_dec}和所述经过低通滤波得到V_{d+_fil}的作为解耦单元的输出值，所述扰动分量为所述负序电压分量。

进一步地，所述对所述解耦单元的输出值进行限制这一步骤包括：

所述线性化控制单元根据d轴电压和q轴电压进行除运算得到线性化控制单元的输入值Vin，根据所述线性化控制单元的输入值Vin得到线性化控制单元的输出值Vout；

所述d轴电压为所述解耦单元的输出值在d轴上的分量；所述q轴电压为所述解耦单元的输出值在q轴上的分量。

进一步地，所述根据所述线性化控制单元的输入值Vin得到线性化控制单元的输出值Vout这一步骤包括：

当Vin大于等于第一电压值时，将Vout调整为等于第一电压值；

当Vin小于等于第二电压值时，将Vout调整为等于第二电压值；

当Vin大于第二电压值且小于第一电压值时，将Vout调整为等于Vin；

第一电压值大于第二电压值。

进一步地，所述根据所述线性化控制单元的输入值Vin得到线性化控制单元的输出值Vout这一步骤还包括：

在锁相成功之前，将第一电压值调整为0.253V，将第二电压值调整为-0.253V；

在锁相成功之后，将第一电压值调整为0.106V，将第二电压值调整为-0.106V。

进一步地，所述PI控制单元包括：

设定阻尼系数和自然频率；

根据公式

确定比例系数和积分时间常数；

所述V为所述线性化控制单元的输出值，所述K_p为比例系数，所述T_i为积分时间常数，所述ω′为自然频率，所述ε为阻尼因子；

根据所述比例系数和积分时间常数设定PI调节器和I调节器；

所述PI调节器与所述线性化控制单元连接，PI调节器获取V，输出所述输出电网电压的相位角θ_{_out}；

所述I调节器与所述线性化控制单元连接，I调节器获取V，输出所述输出电网电压的频率f_{_out}。

本发明的有益效果是：提供一种三相电网频率检测和相位追踪的锁相环系统，能够在非对称电网条件下，坐标变换单元对输入的三相电网电压进行坐标变换，再通过解耦单元对经过坐标变换单元变化的三相电压进行解耦，将不对称的电压各序分量提取出来作为控制系统的输入，消除不平衡电网电压中存在的干扰分量，有效克服了不平衡电网电压对锁相环性能的影响，同时，在传统PI控制器前增加了参考电压线性化控制环节，能加快锁相环动态调节响应速度，提高抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明实施例锁相环结构框图；

图2为本发明实施例电网电压矢量图；

图3为本发明实施例线性控制算法的结构图；

图4为本发明实施例不同工况验证结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的锁相环结构框图，如图1所示，本实施例提供一种锁相环系统，包括:坐标变换单元、解耦单元、线性化控制单元以及PI控制单元。

锁相环系统是在三相并网时采用的锁相控制方案，在不平衡的三相电网电压系统中，三相电网电压可以表示为：

其中，V⁺¹、V^-1、V⁰分别为正序、负序和零序基波分量幅值，

分别为正序、负序基波分量的初始相位角，ω为电网电压的角频率。

坐标变换单元接收三相电网电压，对三相电网电压进行坐标变换，其中坐标变换单元包括Clark变换和Park变换，对三相电网电压进行Clark变换，将Clark变换的结果输出至Park变换1和Park变换2。Clark变换得到三相电网电压的矢量，Park变换1和Park变换2是对电网电压的矢量进行dq坐标变换。

Clark变换有：

得到三相电网电压的矢量表达式为：

由(3)式可以看出，在三相电网电压不平衡条件下，静止坐标系下的电压矢量可以分解为以正序基波分量幅值V⁺¹、角速度为ω顺时针旋转的正序电压分量和以负序基波分量幅值V^-1、角速度为ω逆时针旋转的负序电压分量，可以得到其电压矢量示意图如图2所示，由图2可以得到三相电网电压在双dq旋转坐标系下的电压矢量为：

最终坐标变换单元将接收到的三相电网电压进行坐标变换后输出，坐标变换单元的输出值包括：三相电网电压在dq旋转坐标系下的正序电压值V_dq+和三相电网电压在dq旋转坐标系下的负序电压值V_dq-。将正序电压值V_dq+根据d轴和q轴的分量将其分为d轴正序电压值V_d+和q轴正序电压值V_q+；将负序电压值V_dq-根据d轴和q轴的分量将其分为d轴负序电压值V_d-和q轴负序电压值V_q-。

解耦单元与坐标变换单元连接，用于接收坐标变换单元的输出，解耦单元包括：

正序分量提取模块，正序分量提取模块与坐标变换单元的Park变换1连接，获取坐标变换单元输出的V_d+和V_q+，用于对V_d+和V_q+进行解耦得到正序电压分量V_{d+_dec}和正序电压分量V_{q+_dec}；

负序分量提取模块，负序分量提取模块与坐标变换单元的Park变换2连接，获取坐标变换单元输出的V_d-和V_q-，用于对V_d-和V_q-进行解耦得到负序电压分量V_{d-_dec}和负序电压分量V_{q-_dec}；

滤波器，滤波器采用一阶低通滤波低通滤波器电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过，电容的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接到地的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为低通滤波器。利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过；对于需要放行的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点让它通过，滤波器在一定情况下也可以使用积分器替代。滤波器与正序分量提取模块连接，获取正序电压分量V_{d+_dec}和正序电压分量V_{q+_dec}，对V_{d+_dec}和V_{q+_dec}进行低通滤波得到V_{d+_fil}和V_{q+_fil}，将V_{d+_fil}和V_{q+_fil}反馈到负序分量提取模块；滤波器与负序分量提取模块连接，获取负序电压分量V_{d-_dec}和负序电压分量V_{q-_dec}，对V_{d-_dec}和V_{q-_dec}进行低通滤波得到V_{d-_fil}和V_{q-_fil}，将V_{d-_fil}和V_{q-_fil}反馈到正序分量提取模块。

结合公式(1)-(3)，简化公式(4)可得：

由(5)可以看出，电网电压不平衡下双dq旋转坐标系下的电压正序分量是由正序电压变换输出的正序直流分量与2倍电网频率的负序分量的耦合；电压负序分量是由负序电压变换输出的负序直流分量与2倍电网频率的正序分量的耦合，因此，锁相环检测电网电压信息时所受到的扰动是由于负序电压的存在，导致其存在2倍电网频率的电压扰动。

本实施例采用公式(5)，用数学解耦的方法将电网不平衡下的扰动分量进行消除，提取出电网电压的正序分量，扰动分量为负序电压。

线性化控制单元与解耦单元连接，获取解耦单元提取出的正序电压分量V_{q+_dec}和所述经过低通滤波得到V_{d+_fil}作为线性化控制单元的输入，电压经过线性化控制单元后输入PI控制单元能够加快锁相环动态调节响应速度，提高抗干扰能力。

线性化控制单元设计：

若将q轴电压直接通往至PI控制器，在锁相过程中，会导致PI调节器的输出很大甚至迅速达到饱和，因此，本发明结合d轴电压对q轴电压进行除运算得到Vin，再进入线性化控制单元，为保证锁相环输出的快速和稳定性，同时对线性化控制器的上Vmax和下限Vmin进行限制，在锁相成功之前，每一个周期内将可调节的电压范围限制在正负0.2+Vcon之间来保证快速锁相，其中Vcon取0.053V，而在锁相成功之后，将电压限制在正负0.053+Vcon之间来保证锁相环稳定的输出。如图3所示线性控制算法如下：

(1)锁相PLL_OK＝0，有Vmax＝0.2+Vcon；Vmin＝-Vmax；

(2)锁相PLL_OK＝1，有Vmax＝0.053+Vcon；Vmin＝-Vmax；

PI控制单元与线性控制单元连接，用于获取线性化控制单元的输出值，对线性化控制单元的输出值进行控制，得到输出电网电压。PI控制单元包括：PI调节器和I调节器。

PI调节器与线性化控制单元连接，PI调节器获取V，输出电网电压的相位角θ_{_out}；

I调节器与线性化控制单元连接，I调节器获取V，输出电网电压的频率f_{_out}。

PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。比例调节作用：按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：使系统消除稳态误差,提高无误差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

PI控制器参数的设计：

根据图3采用的控制方法，当系统处于稳定且稳态误差较小时，根据其等效模型，可以得到其开环传递函数为:

其中V为矢量电压的幅值，K_P比例系数，T_i为积分时间常数；

根据控制系统开环传递函数和闭环传递函数的关系

有：

将(7)式与通用二阶传递函数进行比较可得到系统的自然频率和阻尼因子表达式如下：

根据比例系数和积分时间常数设定阻尼系数和自然频率。根据阻尼系数和自然频率设定PI调节器和I调节器。

还需要说明的是，锁相环路是一种以消除频率误差为任务的自动控制电路，由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，具有自动跟踪、锁定后没有频差、良好的窄带特性和易于集成的特点，广泛应用于倍频、分频和混频以及滤波、模拟数字信号的调制和解调、信号检测和接收、频率合成等许多技术领域，是现代电子产品中非常重要的部件。本发明的锁相环系统提供了一种三相电网频率检测和相位跟踪的控制方法和系统，在传统PI控制器前增加了参考电压线性化控制环节，能够加快锁相环动态调节响应速度，提高抗干扰能力。在PI控制器控制输出相应的频率和相位后，根据其频率和相位反馈到电路中，控制调节锁相能力形成一个闭环，可以应用到辅助逆变器并网供电上，而辅助逆变器并网供电常会遇到非理想电网的工况，如三相不平衡、频率变化、电压跌落等，会导致电网的谐波增加，电能质量下降，所以锁相环快速而稳定的输出电网频率和相位信息，并根据电网频率和相位信息调节电路时确保辅助逆变器稳定运行的关键。

实施例的锁相环系统，根据以下步骤具体实施：

步骤1：根据采样到的三相电网电压值，采用公式(2)进行Clark变换得到二相静止坐标系下的电压值Valfa和Vbeta；

步骤2：根据步骤1的电压值及锁相系统的输出相位θ，采用公式(4)可得到双dq旋转坐标系下的电压值V_d+、V_q+、V_d-、V_q-；

步骤3：通过公式(5)对步骤2得到的电压值进行解耦，得到正序电压分量V_{d+_dec}、V_{q+_dec}以及负序电压分量V_{d-_dec}、V_{q-_dec}；

步骤4：步骤3得到电压分量经低通滤波后输出V_{d+_fil}、V_{q+_fil}、V_{d-_fil}、V_{q-_fil}，本发明的滤波器采用一阶低通滤波，滤波系数选取为0.0025；

步骤5：V_{d+_dec}和V_{d+_fil}为线性化控制单元的输入，线性控制单元算法模型如图3所示，根据锁相标志PLL_Ok，将输出V_act的值限制在0.253或0.053，另外，在采样的电压过低或刚进入锁相时，为了防止锁相变慢，将V_{d+_fil}的最小值限制在30V；

步骤6：选择阻尼系数和自然频率分别为0.707和160rad/s，根据式(8)可以求比例系数和积分时间常数分别是为0.7275和0.0088,由步骤5得到的V_act输入至PI调节器输出电网相位角θ_{_out}、输入至I调节器输出电压的频率f_{_out}。

为了验证本实施方案的有效性和正确性，现对下面3种工况进行验证，

工况1：电网电压为幅值311V、频率为50Hz的三相平衡电压；

工况2：在0.33S时频率跌落至46Hz；

工况3：在0.66S时A相电压跌落至幅值为200V。

图4为以上3种工况输出V_{d+_dec}、V_{q+_dec}、频率和相位角的结果，可以看出，在0.1S时，锁相环就可达到稳定输出；当在0.33S发生频率跌落时，锁相环在0.22S内建立了稳定输出；在0.66S时由于发生电压跌落导致三相不平衡，该方案能正确提取出正序分量，并且几乎不影响频率和相位角稳定的输出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种锁相环系统，其特征在于，包括：

坐标变换单元，所述坐标变换单元用于获取三相电网电压，对所述三相电网电压进行坐标变换；

解耦单元，所述解耦单元与所述坐标变换单元连接，用于获取所述坐标变换单元的输出值，对所述坐标变换单元的输出值进行解耦；

线性化控制单元，所述线性化控制单元与所述解耦单元连接，用于获取所述解耦单元的输出值，对所述解耦单元的输出值进行限制；

PI控制单元，所述PI控制单元与所述线性控制单元连接，用于获取线性化控制单元的输出值，对所述线性化控制单元的输出值进行控制，得到输出电网电压的相位角；

所述对所述解耦单元的输出值进行限制这一步骤包括：

所述线性化控制单元根据d轴电压和q轴电压进行除运算得到线性化控制单元的输入值Vin，根据所述线性化控制单元的输入值Vin得到线性化控制单元的输出值Vout；

所述d轴电压为所述解耦单元的输出值在d轴上的分量；所述q轴电压为所述解耦单元的输出值在q轴上的分量。

2.根据权利要求1所述锁相环系统，其特征在于，所述对所述三相电网电压进行坐标变换这一步骤包括：

对所述三相电网电压进行Clark变换得到所述三相电网电压的矢量值；

对所述矢量值进行双dq旋转坐标变化得到所述坐标变换单元的输出值；

所述坐标变换单元的输出值包括：所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的d轴正序电压值V_d+、所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的d轴负序电压值V_d-、所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的q轴正序电压值V_q+和所述三相电网电压在dq旋转坐标系下的q轴负序电压值V_q-。

3.根据权利要求2所述锁相环系统，其特征在于，所述解耦单元包括：

正序分量提取模块，所述正序分量提取模块获取所述坐标变换单元输出的V_d+和V_q+，用于对所述V_d+和V_q+进行解耦得到正序电压分量V_{d+_dec}和正序电压分量V_{q+_dec}；

负序分量提取模块，所述负序分量提取模块获取所述坐标变换单元输出的V_d-和V_q-，用于对所述V_d-和V_q-进行解耦得到负序电压分量V_{d-_dec}和负序电压分量V_{q-_dec}。

4.根据权利要求3所述锁相环系统，其特征在于，所述解耦单元还包括：

滤波器，所述滤波器采用一阶低通滤波；

所述滤波器与正序分量提取模块连接，获取正序电压分量V_{d+_dec}和正序电压分量V_{q+_dec}，对V_{d+_dec}和V_{q+_dec}进行低通滤波得到V_{d+_fil}和V_{q+_fil}，将所述V_{d+_fil}和V_{q+_fil}反馈到负序分量提取模块；

所述滤波器与负序分量提取模块连接，获取负序电压分量V_{d-_dec}和负序电压分量V_{q-_dec}，对V_{d-_dec}和V_{q-_dec}进行低通滤波得到V_{d-_fil}和V_{q-_fil}，将所述V_{d-_fil}和V_{q-_fil}反馈到正序分量提取模块。

5.根据权利要求4所述锁相环系统，其特征在于，所述对所述坐标变换单元的输出值进行解耦这一步骤包括：

根据公式

对所述坐标变换单元的输出值的扰动分量进行消除，提取出所述正序电压分量V_{q+_dec}和所述V_{d+_fil}作为解耦单元的输出值，所述扰动分量为所述负序电压分量，其中，ω为角速度。

6.根据权利要求5所述锁相环系统，其特征在于，所述根据所述线性化控制单元的输入值Vin得到线性化控制单元的输出值Vout这一步骤包括：

当Vin大于等于第一电压值时，将Vout调整为等于第一电压值；

当Vin小于等于第二电压值时，将Vout调整为等于第二电压值；

当Vin大于第二电压值且小于第一电压值时，将Vout调整为等于Vin；

第一电压值大于第二电压值。

7.根据权利要求1所述锁相环系统，其特征在于，所述根据所述线性化控制单元的输入值Vin得到线性化控制单元的输出值Vout这一步骤还包括：

在锁相成功之前，将第一电压值调整为0.253V，将第二电压值调整为-0.253V；

在锁相成功之后，将第一电压值调整为0.106V，将第二电压值调整为-0.106V。

8.根据权利要求1-5任一项所述锁相环系统，其特征在于，所述PI控制单元包括：

设定阻尼系数和自然频率；

根据公式

确定比例系数和积分时间常数；

所述V为所述线性化控制单元的输出值，所述K_p为比例系数，所述T_i为积分时间常数，所述ω′为自然频率，所述ε为阻尼因子；

根据所述比例系数和积分时间常数设定PI调节器和I调节器；

所述PI调节器与所述线性化控制单元连接，PI调节器获取V，输出所述输出电网电压的相位角θ_{_out}；

所述I调节器与所述线性化控制单元连接，I调节器获取V，输出所述输出电网电压的频率f_{_out}。

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