CN114614811A - 一种解决单相sogi锁相环结构中直流偏置问题的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，属于基本电气元件的技术领域。由于通过二阶广义积分器(SOGI)构成的经典单相锁相环结构会将输入正弦信号中存在的直流偏置信号引入到锁相环路中，从而造成锁相偏差，不能准确提取输入信号的相位信息，影响锁相环的相位精度。本发明提出将延时信号消除算子(αβDSC₂)应用到经典二阶广义积分器(SOGI)构成的单相锁相环中来滤除单相输入正弦信号中混有的直流偏置信号，从而提高经典SOGI单相锁相环的相位精度，同时αβDSC₂算子作为预滤波器，不会影响反馈回路，因此具有较快的动态响应速度。

Description

一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法

技术领域

本发明属于基本电气元件的技术领域，特别是一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法。

背景技术

近年来，云计算、电动汽车等行业发展迅猛，对AC-DC变换器的需求也与日俱增。现代整流器一般都要求具有功率因数校正功能，使得电力电子装置应用在电网中可以获得很高的电能质量。因此，为更好地实现功率因数校正功能，快速且准确地取得输入电网电压的相位信息变得尤为重要，使用锁相环算法可有效获取相位信息。

二阶广义积分器(second order generalized integrator,SOGI)作为锁相环算法的常见结构，其结构简单且易于实现，但是该结构无法消除在对输入电网电压采样时引入的直流偏置。延迟信号消除算子(delayed signal cancellation,αβDSC₂)对输入信号的基频分量不衰减，而能够有效地滤除直流分量。因此，可以通过引入αβDSC₂算子来消除输入信号中直流偏置对单相SOGI结构锁相环的锁相精度的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对基于SOGI结构的单相锁相环在输入信号中混有直流分量时，影响锁相精度的问题，提供一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的系统，所述系统包括：

正交模块，用于实现将输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

滤波变换模块，用于实现将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

PI调节模块，用于对输出信号v_d进行PI调节，得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)基于SOGI结构的单相锁相环具有结构简单，便于实现的特点，且引入的αβDSC2算子作为预滤波器，具有较快的动态响应速度；

(2)将该锁相环结构离散处理后用于实现数字控制功率因数校正功能时，可有效滤除在信号采样过程中引入到数字处理器中的直流偏置。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明解决单相SOGI结构锁相环在输入信号中混有直流量时的控制结构示意图。

图2为二阶广义积分器(SOGI)的波特图，其中图(a)为二阶广义积分器的幅频响应，图(b)为二阶广义积分器的相频响应。

图3为延迟信号消除算子(αβDSC₂)的波特图，其中图(a)为延迟信号消除算子的幅频响应，图(b)为延迟信号消除算子的相频响应。

图4为注入直流分量情况下传统锁相环结构与本发明结构的仿真结果。

上述附图中的主要符号名称：v_in—单相输入电压；k—阻尼因数；ω_n—标称角频率；T—电网电压的周期，此处取0.02s；v_α1—SOGI同相输出信号；v_β1—SOGI正交相输出信号；v_α—信号v_α1经过αβDSC₂模块处理后的信号；v_β—信号v_β1经过αβDSC₂模块处理后的信号；v_d、v_q—Park变换的输出信号；k_p—PI环路滤波器的比例系数；k_i—PI环路滤波器的积分系数；

—锁相环估计相位；

—锁相环估计角频率。

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。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

这里，SOGI正交信号发生器的输入信号为混有直流偏置的单相正弦电压时，SOGI正交信号发生器可输出两个正交分量v_α1和v_β1，其中，v_α1的生成路径具有的带通滤波特性，因而该信号能准确估计输入电网电压的基频分量，而v_β1的生成路径具有低通滤波特性，会使直流分量通过，该直流分量经Park变换后引入到锁相环路中，影响锁相精度；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

这里，SOGI正交信号发生器产生的正交分量v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波处理得到v_α和v_β，αβDSC₂算子一方面可以提高对信号v_α1的滤波能力，另一方面，更重要的是消除信号v_β1中的直流偏置，从而消除输入电压信号中的直流量对锁相环精度的影响，之后将经过αβDSC₂算子预滤波处理后得到的v_α和v_β作为Park变换的输入信号，其输出信号记为v_d和v_q，其中用于Park变换的相位角是锁相环的估计相位角

从而构成闭环控制回路。将v_d输入到PI环路滤波器，将PI环路滤波器中积分器的输出作为估计角频率，采用这种PI环路滤波器结构与传统的PI滤波器相比，在k_p和k_i值相同的情况下，会获得更高滤波能力。最后将PI环路滤波器的输出作为积分器的输入信号即可得到输入电压信号的估计相位角

完成准确锁相的目的。

图1中，

分别是锁相环的估计角频率和估计相位，Park变换(αβ→dq)的矩阵定义为：

SOGI正交信号发生器模块的传递函数为：

其中，k为阻尼因数，ω_n是标称角频率，通常取值为2π·50rad/s。当k取值1.414时，对应的波特图如图2所示。

从如图2中可以看出，传递函数G_α(s)表现出带通滤波特性，在标称频率时对输入基频分量无衰减，说明SOGI正交信号发生器同相输出信号v_α1与输入电压基频分量有相同的幅值和相位且不含直流分量；同理可知传递函数G_β(s)表现出低通滤波特性，在标称频率时对输入基频分量无衰减，但是其无法抑制低频信号，即信号v_β1中含直流分量分量时，如果不对该直流分量进行滤除，它会经过变换传递到后面的闭环通路中，从而影响锁相精确度。因此在SOGI正交信号发生器后面加入αβDSC₂算子对直流偏置进行消除处理，提高锁相环的精度。

其中αβDSC₂模块的传递函数如式(4)所示，式中T取值为0.02s，通过该表达式可进一步得到其波特图如图3。

从该波特图中可知，αβDSC₂算子可无衰减地通过基频分量，抑制了直流分量和偶次谐波分量，可实现消除直流量的目的。另外在SOGI正交信号发生器同相输出信号v_α1后引入αβDSC₂算子可加深滤波程度，获得更好的锁相效果。注意，在本发明所述锁相结构中，引入的αβDSC₂算子作为预滤波阶段处理，它不会掺杂到锁相环路中，因此可以获得较好的动态响应性能。

接着将αβDSC₂算子的输出信号v_α和v_β作为Park变换的输入信号，得到输出信号记为v_d和v_q，其中用于Park变换的相位角是锁相环的估计相位角

从而构成闭环控制回路。将v_d输入到PI环路滤波器，PI环路滤波器中的积分器输出作为估计角频率，采用这种PI环路滤波器结构与传统的PI滤波器相比，在相同的k_p和k_i值情况下，会获得更高滤波能力。最后将PI环路滤波器的输出作为积分器的输入信号得到相位角

作为一种具体示例，在一个实施例中，对本发明进行进一步验证。本实施例中，单相输入电压幅值：V_m＝311V；阻尼系数k＝1.414；输入标称角频率：ω_n＝2π·50rad/s；PI环路滤波器比例项k_p＝65；积分项k_i＝348。为了验证本发明所提锁相环结构的有效性，通过传统SOGI锁相环和本发明所提出的带有αβDSC₂算子的锁相环两种结构进行比较，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型进行仿真，为保持一致性，所搭建的传统结构锁相环相关参数同上。在注入-50V的直流分量条件下来观测两种锁相环结构在输入信号中混有直流偏置时的表现。仿真结果如图4所示，显然，直流偏置导致传统SOGI结构锁相环在稳态时存在一倍工频的频率振荡，直流偏置对传统锁相环有较大影响，而本发明提出的带有αβDSC₂算子的SOGI锁相环结构却能够稳定无差锁频，说明αβDSC₂算子可以很好地抑制直流偏置信号，提高了SOGI单相锁相环的相位精度。

在一个实施例中，提供了一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的系统，所述系统包括：

正交模块，用于实现将输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

滤波变换模块，用于实现将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

PI调节模块，用于对输出信号v_d进行PI调节，得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

关于解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的系统的具体限定可以参见上文中对于超分辨结构光照明显微镜的高保真图像重构方法的限定，在此不再赘述。上述解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法的限定，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

步骤2，将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

步骤3，将输出信号v_d经过PI调节后即可得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

2.根据权利要求1所述的解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，其特征在于，步骤2中所述Park变换的相位角是步骤3最终输出的锁相环的估计相位角

Park变换的矩阵定义为：

3.根据权利要求1所述的解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，其特征在于，步骤3中所述PI调节通过PI环路滤波器实现。

4.根据权利要求3所述的解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的方法，其特征在于，所述PI环路滤波器中积分器的输出作为估计角频率

5.基于权利要求1至4任意一项所述方法的解决单相SOGI锁相环结构中直流偏置问题的系统，其特征在于，所述系统包括：

正交模块，用于实现将输入正弦电压信号经过SOGI正交信号发生器，得到一对正交的信号v_α1和v_β1，其中v_α1与输入正弦电压信号同相，v_β1滞后输入正弦电压信号90°；

滤波变换模块，用于实现将正交信号v_α1和v_β1分别通过αβDSC₂算子预滤波后再进行Park变换，分别得到输出信号v_q和v_d；

PI调节模块，用于对输出信号v_d进行PI调节，得到输入正弦电压信号的相位信息即估计相位角

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。

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