RU2767510C1 - Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации - Google Patents

Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации Download PDF

Info

Publication number
RU2767510C1
RU2767510C1 RU2020141327A RU2020141327A RU2767510C1 RU 2767510 C1 RU2767510 C1 RU 2767510C1 RU 2020141327 A RU2020141327 A RU 2020141327A RU 2020141327 A RU2020141327 A RU 2020141327A RU 2767510 C1 RU2767510 C1 RU 2767510C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
signal
input
adjustable
low
Prior art date
Application number
RU2020141327A
Other languages
English (en)
Inventor
Елена Владимировна Кудряшова
Николай Владимирович Кузнецов
Ольга Александровна Кузнецова
Михаил Юрьевич Лобачев
Тимур Назирович Мокаев
Руслан Назирович Мокаев
Марат Владимирович Юлдашев
Ренат Владимирович Юлдашев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)"
Priority to RU2020141327A priority Critical patent/RU2767510C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2767510C1 publication Critical patent/RU2767510C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F13/00—Interconnection of, or transfer of information or other signals between, memories, input/output devices or central processing units
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/07—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop using several loops, e.g. for redundant clock signal generation
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к компьютерным архитектурам и силовой электронике. Технический результат заключатся в возможности определять оптимальные параметры для достижения синхронного режима в пределах узкого диапазона разности фаз и стабильной работы систем ФАП, повышение помехоустойчивости и улучшение фильтрующих свойств системы. Способ ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и реализующее его устройство выполнены с возможностью эффективно определять оптимальные параметры систем ФАП, позволяющие достигать синхронизма при требовании минимальности расфазировки во время переходных процессов, определять границы рабочего диапазона систем фазовой автоподстройки и моделировать работу систем ФАП. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к компьютерным архитектурам и силовой электронике, может использоваться в системах управления инверторными устройствами, корректорами коэффициента мощности, автоматике, системах авторегулирования, в частности, при проектировании различных типов систем фазовой автоподстройки частоты (далее ФАП), отличающееся возможностью определять оптимальные параметры для достижения синхронного режима в пределах узкого диапазона разности фаз и стабильной работы систем ФАП, что способствует повышению помехоустойчивости и улучшению фильтрующих свойств системы.
Известно, что тестирование реальной модели является трудоемким процессом и не может гарантировать правильность работы системы ФАП при всевозможных значениях начальных данных состояний интеграторов, используемых в системе, а также при всех значениях параметров ее компонент, таких коэффициент усиления усилителя постоянного тока и коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот, поэтому такой способ достаточно редко применяется на практике.
Известно, что использование классических систем фазовой автоподстройки в электроэнергетике затруднено из-за низкой частоты работы сети и, как следствие, появления нежелательных колебаний двойной частоты [1]. Кроме того, режим работы различных типов систем ФАП, соответствующий синхронизации частот эталонного и подстраиваемого генераторов внутри одного биения как при начале работы системы, так и при мгновенном переключении частоты эталонного генератора [2, 3], и наиболее часто реализуемый на практике, является недостаточно эффективным в задачах электроэнергетики из-за более жестких требований к переходным процессам.
Известно, что существуют модификации классических систем ФАП, которые часто применяются для синхронизации с сетью, а также позволяют определить амплитуду колебаний сети [4]. Однако использование упрощенных моделей не позволяет определять динамику системы при всех начальных возмущениях, а также проводить анализ переходных процессов. Поэтому часто для оценки допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора обычно применяют моделирование и анализ моделей ФАП в пространстве фаз сигналов.
Известно устройство фазовой автоподстройки частоты [5], суть которого в обеспечении устойчивости, определяющей полосу захвата - диапазона разности частоты сигнала эталонного генератора и свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора, соответствующей устойчивой работе ФАП при любых начальных возмущениях. Однако известное устройство является недостаточно стабильным за счет того, что при его работе допускается фазовая синхронизация с биениями, а также определение полосы захвата без проскальзывания с помощью известного устройства является сложной задачей.
Известны способ для управления однофазной энергосистемой и устройство для его реализации [6], основанные на задании двух дополнительных сигналов в зависимости от заданных эталонного и подстраиваемого сигналов. Первый дополнительный сигнал используется для определения режима синхронизации, а второй позволяет управлять сигналом подстраиваемого генератора. Недостатком известных способа и устройства является то, что выявление рабочих режимов системы происходит опытным путем, и такое выявление является трудоемким. Помимо этого, известные способ и устройство являются недостаточно информативными для определения рабочего диапазона, соответствующему минимальной расфазировки сигналов эталонного и подстраиваемого генераторов при переходных процессах.
Известен способ для определения границ рабочего диапазона импульсного генератора систем фазовой синхронизации [7], наиболее близкий к заявленному способу для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, принятый в качестве прототипа для заявленного изобретения на способ. Сущность известного способа состоит в том, что задают два высокостабильных по частоте колебания прямоугольных сигнала, один из которых выбирают эталонным, а второй подстраиваемым, причем диапазон частот первого и второго сигналов выбирают от 20 кГц до 20 ГГц, задают первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот, после чего по соотношению эталонного и подстраиваемого сигналов задают дополнительный сигнал, который с помощью фильтра нижних частот подвергают фильтрации, с помощью усилителя постоянного тока увеличивают его амплитуду, и дополнительный сигнал используют в качестве управляющего сигнала, причем допустимое отклонение частоты подстраиваемого сигнала от эталонного задается по соответствующим формулам, выбор которых зависит от функции сравнения.
Недостатками данного прототипа являются недостаточно высокая эффективность определяемых рабочих режимов системы для обеспечения высокой скорости синхронизации, а также ограниченная область применения.
Известно устройство для определения границ рабочего диапазона классических систем фазовой автоподстройки [8], наиболее близкое к заявленному устройству для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, и принятое в качестве прототипа для заявленного изобретения на устройство. Сущность известного устройства состоит в фиксировании границ рабочего диапазона системы фазовой автоподстройки за счет генерации двух гармонических сигналов, задании коэффициента усиления усилителя постоянного тока, первого, второго и третьего коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот, определении блоком определения границ рабочего диапазона допустимого отклонения частот по соответствующей формуле и задании свободной частоты подстраиваемого генератора в допустимом диапазоне, определяемом значением на регистраторе.
Недостатками данного прототипа являются недостаточно высокая эффективность определяемых рабочих режимов системы фазовой автоподстройки для требования минимальности расфазировки при синхронизации с сетью, остаток ошибки двойной частоты и, как следствие, недостаточная устойчивость работы.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, является общим для всей группы объектов заявленного изобретения (для способа ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и для устройства его реализации) и состоит в ускорении процесса синхронизации и возможности синхронизации в узких диапазонах значений разности фаз сигналов эталонного и подстраиваемого генераторов за счет эффективного определения соответствующих режимов работы в зависимости от параметров системы, а также в повышения точности, устойчивости работы за счет удаления ошибки двойной частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки, в котором задают два сигнала, один из которых выбирают эталонным, а второй - подстраиваемым, после чего по соотношению этих двух сигналов задают первый вспомогательный сигнал, который с помощью фильтра нижних частот подвергают фильтрации и используют в качестве сигнала, управляющего фазой подстраиваемого генератора, в соответствии с заявленным изобретением на способ форму эталонного сигнала выбирают синусоидальной, а форму сигнала подстраиваемого генератора выбирают косинусоидальной, дополнительно по соотношению эталонного и подстраиваемого генераторов задают второй вспомогательный сигнал, управляющий амплитудой подстраиваемого генератора, диапазон частот эталонного и подстраиваемого генераторов выбирают от 50 Гц до 10 кГц, в качестве фильтра нижних частот выбирают фильтр нижних частот первого порядка с передаточной функцией вида:
Figure 00000001
где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,
s - комплексная переменная,
а и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,
а свободную частоту подстраиваемого сигнала выбирают таким образом, чтобы абсолютное значение разности частоты сигнала эталонного генератора и свободной частоты подстраиваемого генератора было меньше, либо равно допустимого значения
Figure 00000002
причем допустимое значение
Figure 00000003
задается соотношением:
Figure 00000004
где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов.
Указанный технический результат достигается также новым устройством для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки, выполненном в корпусе и содержащем эталонный генератор, выход которого подключен к первому входу фазового детектора; в котором, в соответствии с заявленным изобретением на устройство, дополнительно фазовый детектор выполнен в виде вычитателя двух сигналов, первый выход фазового детектора подключен к первому входу первого перемножителя сигналов, второй выход фазового детектора подключен к первому входу второго перемножителя сигналов, выход первого перемножителя сигналов подключен к первому входу фильтра нижних частот, передаточная функция которого задана соотношением:
Figure 00000005
где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,
s - комплексная переменная,
a и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,
выход фильтра нижних частот подключен к первому входу усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, первый выход подстраиваемого генератора подключен к второму входу первого перемножителя сигналов, второй выход подстраиваемого генератора подключен к блоку преобразования Гильберта, первый выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя сигналов, а второй выход - к первому входу третьего перемножителя сигналов, выход второго перемножителя сигналов подключен к интегратору, выход которого подключен ко второму входу третьего перемножителя сигналов, выход которого подключен ко второму входу вычитателя, выход блока задания первого коэффициента передаточной функции подключен ко второму входу фильтра нижних частот, первый выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к третьему входу фильтра нижних частот, второй выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к первому входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выполненного в виде арифметического контроллера с обеспечением точности вычислений не менее четырех знаков после запятой, определяющего допустимое отклонение
Figure 00000003
свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора по формуле:
Figure 00000006
где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов,
выход блока определения границ ускоренной синхронизации подключен к регистратору, который фиксирует значение свободной частоты подстраиваемого генератора для ускоренной синхронизации, первый выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу усилителя постоянного тока, второй выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выход блока задания значения максимальной расфазировки подключен к третьему входу блока определения границ ускоренной синхронизации.
В основу заявленного изобретения поставлена техническая задача ускорения синхронизации эталонного и подстраиваемого сигналов, повышения точности, устойчивости работы модифицированной системы ФАП, снижении трудоемкости определения рабочих режимов при проектировании и тестировании системы.
Сущность заявленного изобретения иллюстрируется Фигурой, на которой представлена схема заявленного устройства.
Устройство для ускоренной синхронизации систем фазовой авто подстройки в электрических сетях, выполненное в корпусе (1) и содержащее эталонный генератор (2), выход которого подключен к первому входу фазового детектора (3), фазовый детектор выполнен в виде вычитателя двух сигналов, первый выход фазового детектора (3) подключен к первому входу первого перемножителя сигналов (4), второй выход фазового детектора (3) подключен к первому входу второго перемножителя сигналов (5), выход первого перемножителя сигналов (4) подключен к первому входу фильтра нижних частот (6), выход фильтра нижних частот (6) подключен к первому входу усилителя постоянного тока (7), выход усилителя постоянного тока (7) подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора (8), первый выход подстраиваемого генератора (8) подключен к второму входу первого перемножителя сигналов (4), второй выход подстраиваемого генератора (8) подключен к блоку преобразования Гильберта (9), первый выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя сигналов (5), а второй выход - к первому входу третьего перемножителя сигналов (10), выход второго перемножителя сигналов (5) подключен к интегратору (11), выход которого подключен ко второму входу третьего перемножителя сигналов (10), выход которого подключен ко второму входу фазового детектора (3), выход блока задания первого коэффициента передаточной функции (12) подключен ко второму входу фильтра нижних частот (6), первый выход блока задания второго коэффициента передаточной функции (13) подключен к третьему входу фильтра нижних частот (6), второй выход блока задания второго коэффициента передаточной функции (13) подключен к первому входу блока определения границ ускоренной синхронизации (14), выполненного в виде арифметического контроллера с обеспечением точности вычислений не менее четырех знаков после запятой, выход которого подключен к регистратору (15), который фиксирует значение свободной частоты подстраиваемого генератора для ускоренной синхронизации, первый выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока (16) подключен ко второму входу усилителя постоянного тока (7), второй выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока (16) подключен ко второму входу блока определения границ ускоренной синхронизации (14), выход блока задания значения максимальной расфазировки (17) подключен к третьему входу блока определения границ ускоренной синхронизации (14).
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. Фильтр нижних частот (6) выполнен как фильтр нижних частот первого порядка с передаточной функцией
Figure 00000007
где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,
s - комплексная переменная,
а>0 и b>0 - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот.
Блок задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока (16) генерирует значение коэффициента усиления K>0, а блок задания первого коэффициента передаточной функции (12) и блок задания второго коэффициента передаточной функции (13) генерируют первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот а>0 и b>0, соответственно. Блок задания значения максимальной расфазировки (17) генерирует значение максимальной допустимой разности фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов θ∈(0, π).
Значения K, θ и b поступают на входы блока определения границ ускоренной синхронизации (14), где производится определение допустимого отклонения
Figure 00000003
свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора в соответствии со следующим соотношением:
Figure 00000008
Регистратор (15), подключенный к выходу блока определения границ ускоренной синхронизации (14), регистрирует допустимое отклонение свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора.
Эталонный генератор (2) генерирует синусоидальный сигнал ƒref(t) с частотой ωref в диапазоне 50 Гц-10 кГц, подстраиваемый генератор (8) генерирует косинусоидальный сигнал ƒvco(t) с собственной частотой
Figure 00000009
в диапазоне 50 Гц-10 кГц, которую задают не более чем
Figure 00000003
от частоты ωref эталонного сигнала. Сигналы ƒref(t) и ƒvco(t) имеют формы, описываемые следующими соотношениями:
Figure 00000010
Figure 00000011
где θref(t) - фаза эталонного сигнала, θvco(t) - фаза сигнала подстраиваемого генератора.
Интегратор (11) генерирует амплитуду ν(t) сигнала подстраиваемого генератора. Сигнал подстраиваемого генератора (8) поступает на вход блока преобразования Гильберта (9), на выходе которого получают сигнал ƒ1(t), который имеет форму ƒ1(t)=sin(θvco(t)). Сигнал на выходе блока преобразования Гильберта (9) и сигнал на выходе интегратора (11) поступают на вход третьего перемножителя сигналов (10), на выходе которого получают сигнал, удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000012
где ƒ2(t) - выход третьего перемножителя сигналов.
Сигнал эталонного генератора (2) и сигнал на выходе третьего перемножителя сигналов (10) поступают на вход фазового детектора (3), который выполнен как вычитатель сигналов, на выходе которого получают сигнал ƒ(t), удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000013
Сигнал на выходе фазового детектора (3) через второй выход фазового детектора и сигнал на выходе блока преобразования Гильберта (9) поступают на вход второго перемножителя сигналов (5), образуя второй вспомогательный сигнал s2(t), управляющий амплитудой сигнала подстраиваемого генератора и удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000014
Сигнал на выходе фазового детектора (3) через первый выход фазового детектора и сигнал подстраиваемого генератора (8) поступают на вход первого перемножителя сигналов (4), образуя первый вспомогательный сигнал s1(t), удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000015
который поступает на последовательно соединенные фильтр нижних частот (6), через первый вход усилителя постоянного тока (7), и через управляющий вход подстраиваемого генератора (8), чем и достигается технический результат, который состоит в упрощении и снижении времени для синхронизации систем фазовой автоподстройки, повышении достоверности и точности за счет управления максимальной расфазировкой во время переходных процессов, а также в определении амплитуды сигнала эталонного генератора.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и результаты апробации, проведенные в среде моделирования MATLAB Simulink, приведены в виде конкретных примеров.
Примеры реализации способа для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки и устройства для его реализации.
Пример 1
Было проведено моделирование границ ускоренной синхронизации модифицированной системы ФАП для двух сигналов, один из которых был принят эталонным с синусоидальной формой, а второй принят подстраиваемым с косинусоидальной формой. При этом первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот были заданы равными а=0.02, b=0.00005 и коэффициент усиления усилителя постоянного тока был задан равным K=1. Частота эталонного сигнала была задана равной ωref=5 кГц, а максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов была задана равной θ=0.0524 рад. Допустимое отклонение частоты
Figure 00000016
было получено по оригинальной формуле, представленной в заявке. Отклонение свободной частоты подстраиваемого сигнала от частоты эталонного сигнала было выбрано не превышающим допустимое отклонение частоты
Figure 00000017
По результатам работы ФАП полученная величина (частота подстраиваемого сигнала
Figure 00000018
равная 4999.5834 Гц) принадлежит рабочему диапазону ФАП, для которого разность фаз эталонного и подстраиваемого генераторов во время переходных процессов не превышает допустимого значения θ=0.0524 рад. При этом при выборе отклонения частоты подстраиваемого сигнала от частоты эталонного сигнала
Figure 00000019
превышающим допустимое отклонение частоты, выборе частоты подстраиваемого сигнала
Figure 00000020
и выборе частоты эталонного сигнала ωref=5 кГц синхронизация ФАП происходила вне рабочего диапазона: разность фаз эталонного и подстраиваемого генераторов во время переходных процессов превысила допустимое значение θ=0.0524 рад.
Универсальность предлагаемого изобретения основана на реализации изменения допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора в зависимости от значений коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот и коэффициента усиления усилителя постоянного тока, по оригинальной формуле, представленной в заявке, учитывающей инженерные требования на максимальную разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов. Для этого, как видно из заявленного способа, определяется допустимое отклонение частоты и выбирается отклонение значения свободной частоты подстраиваемого сигнала от частоты сигнала эталонного генератора, не превышающее полученное допустимое значение.
Как показывают результаты исследования примера 1, использование единого способа вычисления допустимого отклонения частоты позволяет эффективно выбирать отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора, гарантирующие достижение синхронного режима при изменении разности фаз эталонного и подстраиваемого генераторов в допустимых пределах, что существенно снижает трудоемкость.
Пример 2
Заявленный способ поясняется также конкретным примером использования устройства ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях для реализации этого способа, схема которого представлена на Фигуре.
Конкретный пример работы устройства для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки состоит в следующем: эталонный и подстраиваемый генераторы генерируют сигналы, имеющие следующий вид:
Figure 00000021
Figure 00000022
где θref(t)=ωreft - фаза сигнала эталонного генератора с частотой ωref=5 кГц, фаза сигнала подстраиваемого генератора θvco(t) и частота сигнала подстраиваемого генератора
Figure 00000023
меняются в зависимости от управляющего входа. С помощью блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока задают коэффициент усиления усилителя постоянного тока K=1, с помощью блоков задания первого и второго коэффициентов передаточной функции задают первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот а=0.02, b=0.00005, и с помощью блока задания значения максимальной расфазировки задают требуемое значение максимальной расфазировки θ=0.0524 рад. Заданное значение коэффициента усиления поступает на соответствующий вход усилителя постоянного тока, а заданные значения первого и второго коэффициентов передаточной функции поступают на соответствующие входы фильтра нижних частот. Кроме того, заданные значения коэффициента усиления усилителя постоянного тока, второго коэффициентов передаточной функции и максимальной расфазировки поступают на соответствующие входы блока определения границ ускоренной синхронизации. Значение допустимого отклонения свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора вычисляется блоком определения границ ускоренной синхронизации в соответствии с заявленным соотношением, т.е.
Figure 00000024
Вычисленное значение допустимого отклонения частоты
Figure 00000025
фиксируется регистратором.
Для достижения заявленного технического результата свободную частоту сигнала подстраиваемого генератора задают не более чем на
Figure 00000026
от частоты сигнала эталонного генератора, т.е.
Figure 00000027
Интегратор генерирует амплитуду ν(t) сигнала подстраиваемого генератора. Сигнал подстраиваемого генератора поступает на вход блока преобразования Гильберта, на выходе которого получают сигнал ƒ1(t), который имеет форму ƒ1(t)=sin(θvco(t)). Сигнал на выходе блока преобразования Гильберта и сигнал на выходе интегратора поступают на вход третьего перемножителя сигналов, на выходе которого получают сигнал, удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000028
где ƒ2(t) - выход третьего перемножителя сигналов.
Эталонный сигнал и сигнал на выходе третьего перемножителя сигналов поступают на вход фазового детектора, который выполнен как вычитатель сигналов, на выходе которого получают сигнал ƒ(t), удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000029
Сигнал на выходе фазового детектора через второй выход фазового детектора и сигнал на выходе блока преобразования Гильберта поступают на вход второго перемножителя сигналов, образуя второй вспомогательный сигнал s2(t), управляющий амплитудой сигнала подстраиваемого генератора и удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000030
Сигнал на выходе фазового детектора через первый выход фазового детектора и сигнал подстраиваемого генератора поступают на вход первого перемножителя сигналов, образуя первый вспомогательный сигнал s1(t), удовлетворяющий следующему соотношению:
Figure 00000031
Далее полученный сигнал проходит через последовательно соединенные фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, образуя управляющий сигнал, который поступает на вход подстраиваемого генератора.
Как показывают результаты исследования по примеру 2, использование единого способа вычисления границ ускоренной синхронизации позволяет задать свободную частоту косинусоидального сигнала подстраиваемого генератора гарантированно внутри рабочего диапазона, что позволяет синхронизировать сигналы с удовлетворением требований переходных процессов, чем достигается повышение достоверности и точности работы ФАП.
Результаты проведенных исследований, изложенных в примерах 1 и 2, моделирующих конкретные условия реализации заявленных способа и устройства, показали работоспособность, достоверность и универсальность изобретения. Достижение технического результата стало возможным также за счет учета обнаруженной авторами универсальной зависимости допустимого значения разности свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора и частоты сигнала эталонного генератора от коэффициента усиления усилителя постоянного тока, коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот, а также от задаваемого значения максимальной разности фаз сигналов при переходных процессах, что на апробировании многих моделей подтвердило устойчивость работы устройства и универсальность заявленного способа по сравнению с известными способом- прототипом и устройством-прототипом.
Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения в целом состоит в оптимизации и снижении трудоемкости при проектировании ФАП за счет определения рабочих режимов, соответствующих требуемым свойствам, повышении скорости синхронизации и стабильности (устойчивости) работы устройства за счет достижения ФАП режима синхронизма в пределах узкого диапазона разности фаз сигналов, расширении области рабочих параметров ФАП за счет обнаруженной авторами универсальной зависимости допустимого значения разности свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора и частоты сигнала эталонного генератора от коэффициента усиления усилителя постоянного тока, коэффициентов передаточной функции фильтра нижних частот, а также от задаваемого значения максимальной разности фаз сигналов при переходных процессах, и повышении достоверности (точности) работы системы за счет учета указанной закономерности.
Заявленное изобретение позволяет успешно решать задачи, связанные с определением рабочего режимов работы модифицированных ФАП и моделированием работы ФАП, с определением оптимальных параметров, соответствующих ускоренному достижению синхронного режима и стабильной работы ФАП.
Источники информации
1. Golestan S., Guerrero J., Vasquez J. Single-phase PLLs: A review of recent advances. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017.
2. Gardner, F.M. Phaselock Techniques. Wiley, 3rd edition, 2005.
3. Leonov, G.A., Kuznetsov, N.V., Yuldashev, M.V., Yuldashev, R.V. Hold-in, pull-in, and lock-in ranges of PLL circuits: rigorous mathematical definitions and limitations of classical theory. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2015.
4. Karimi-Ghartemani M. Enhanced phase-locked loop structures for power and energy applications. John Wiley & Sons, 2014.
5. Патент РФ № 2565526 С1; МПК H03L 7/00.
6. USA Patent No. 9,705,331, Int. B2. H02M 7/44, H02M 7/53871, H02M 1/12.
7. Патент РФ № 2625557 C1; МПК H03D 13/00, G06F 1/12. (прототип для способа).
8. Патент РФ № 2715799 С1; МПК H03D 13/00, G06F 1/12. (прототип для устройства).
Используемые термины
Перемножитель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующий на выходе сигнал (напряжение) равный произведению сигналов (напряжений), поступающих на два входа.
Фазовый детектор (ФД): в электронике, устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов. Обычно, один из них генерируется генератором сигнала, управляемым напряжением, а второй берется из внешнего источника. ФД обычно имеет один выходной сигнал, управляющий стоящей за ним схемой фазовой автоподстройки (задача схемы фазовой автоподстройки сделать фазы входных сигналов одинаковыми), другими словами фазовым детектором называют устройство, предназначенное для создания сигнала, пропорционального разности фаз между генерируемым сигналом и эталонным сигналом. (Существуют различные электронные реализации ФД: например, перемножитель двух сигналов, XOR и др.)
Передаточная функция: один из способов математического описания динамической системы. Используется в основном в теории управления, связи и цифровой обработке сигналов. Представляет собой дифференциальный оператор, выражающий связь между входом и выходом линейной стационарной системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.
Фильтр нижних частот: электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.
Вычитатель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующий на выходе сигнал (напряжение) равный разности сигналов (напряжений), поступающих на два входа, причем сигнал (напряжение), поступающий на второй вход вычитается из сигнала (напряжения), поступающего на первый вход.
Интегратор: дифференциальный оператор с передаточной функцией
Figure 00000032
где F(s) - передаточная функция, s - комплексная переменная.
Собственная частота подстраиваемого генератора: частота подстраиваемого генератора в разомкнутой цепи.

Claims (17)

1. Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, заключающийся в том, что задают два сигнала, один из которых выбирают эталонным, а второй - подстраиваемым, после чего по соотношению этих двух сигналов задают первый вспомогательный сигнал, который с помощью фильтра нижних частот подвергают фильтрации и используют в качестве сигнала, управляющего фазой подстраиваемого генератора, отличающийся тем, что форму эталонного сигнала выбирают синусоидальной, а форму сигнала подстраиваемого генератора выбирают косинусоидальной, дополнительно по соотношению эталонного и подстраиваемого генераторов задают второй вспомогательный сигнал, управляющий амплитудой подстраиваемого генератора, диапазон частот эталонного и подстраиваемого генераторов выбирают от 50 Гц до 10 кГц, в качестве фильтра нижних частот выбирают фильтр нижних частот первого порядка с передаточной функцией вида:
Figure 00000033
где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,
s - комплексная переменная,
а и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,
а свободную частоту подстраиваемого сигнала выбирают таким образом, чтобы абсолютное значение разности частоты сигнала эталонного генератора и свободной частоты подстраиваемого генератора было меньше, либо равно допустимого значения
Figure 00000034
причем допустимое значение
Figure 00000035
задается соотношением:
Figure 00000036
где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов.
2. Устройство для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях, выполненное в корпусе и содержащее эталонный генератор, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, отличающееся тем, что фазовый детектор выполнен в виде вычитателя двух сигналов, первый выход фазового детектора подключен к первому входу первого перемножителя сигналов, второй выход фазового детектора подключен к первому входу второго перемножителя сигналов, выход первого перемножителя сигналов подключен к первому входу фильтра нижних частот, передаточная функция которого задана соотношением:
Figure 00000037
где F(s) - передаточная функция фильтра нижних частот,
s - комплексная переменная,
а и b - первый и второй коэффициенты передаточной функции фильтра нижних частот,
выход фильтра нижних частот подключен к первому входу усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока подключен к управляющему входу подстраиваемого генератора, первый выход подстраиваемого генератора подключен к второму входу первого перемножителя сигналов, второй выход подстраиваемого генератора подключен к блоку преобразования Гильберта, первый выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя сигналов, а второй выход - к первому входу третьего перемножителя сигналов, выход второго перемножителя сигналов подключен к интегратору, выход которого подключен ко второму входу третьего перемножителя сигналов, выход которого подключен ко второму входу вычитателя, выход блока задания первого коэффициента передаточной функции подключен ко второму входу фильтра нижних частот, первый выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к третьему входу фильтра нижних частот, второй выход блока задания второго коэффициента передаточной функции подключен к первому входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выполненного в виде арифметического контроллера с обеспечением точности вычислений не менее четырех знаков после запятой, определяющего допустимое отклонение
Figure 00000038
свободной частоты сигнала подстраиваемого генератора от частоты сигнала эталонного генератора по формуле:
Figure 00000039
где K>0 - коэффициент усиления, θ∈(0, π) - максимальная допустимая разность фаз сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов во время переходных процессов,
выход блока определения границ ускоренной синхронизации подключен к регистратору, который фиксирует значение свободной частоты подстраиваемого генератора для ускоренной синхронизации, первый выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу усилителя постоянного тока, второй выход блока задания коэффициента усиления усилителя постоянного тока подключен ко второму входу блока определения границ ускоренной синхронизации, выход блока задания значения максимальной расфазировки подключен к третьему входу блока определения границ ускоренной синхронизации.
RU2020141327A 2020-12-14 2020-12-14 Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации RU2767510C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141327A RU2767510C1 (ru) 2020-12-14 2020-12-14 Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141327A RU2767510C1 (ru) 2020-12-14 2020-12-14 Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2767510C1 true RU2767510C1 (ru) 2022-03-17

Family

ID=80737066

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020141327A RU2767510C1 (ru) 2020-12-14 2020-12-14 Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2767510C1 (ru)

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU155181A1 (ru) *
SU1103356A1 (ru) * 1983-03-11 1984-07-15 Военная Ордена Ленина,Ордена Октябрьской Революции И Ордена Суворова Академия Им.Ф.Э.Дзержинского Система частотно-фазовой синхронизации
US4845692A (en) * 1987-04-17 1989-07-04 Centre National D'etudes Spatiales Clocking device of substantially constant stability for short-term and long-term time measurement
RU2113763C1 (ru) * 1994-07-25 1998-06-20 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Следящий приемник широкополосного сигнала
RU2178952C1 (ru) * 2001-04-10 2002-01-27 Мартиросов Владимир Ервандович Система передачи и приема модулированных сигналов по сети электропитания
US6396881B1 (en) * 1999-02-19 2002-05-28 Stanley A. White Minimum-delay frequency-shift-compensating complex demodulator with arbitrary phase adjustment
UA66435A1 (en) * 1990-10-01 2004-05-17 Lviv Scient Res Radio Technica Device for phase auto-adjustment of frequency
RU2341892C2 (ru) * 2006-12-21 2008-12-20 ФГУП Центральный научно-исследовательский институт связи (ФГУП ЦНИИС) Устройство частотно-временной синхронизации
RU2449463C1 (ru) * 2010-12-06 2012-04-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет Способ для определения рабочих параметров фазовой автоподстройки частоты генератора и устройство для его реализации
RU2523219C2 (ru) * 2012-09-17 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Способ для определения рабочих параметров системы цифровой связи и устройство для его реализации
RU2547635C1 (ru) * 2013-11-20 2015-04-10 Федеральное государственное казенное учреждение "Пограничный научно-исследовательский центр Федеральной службы безопасности Российской Федерации" Устройство контура фазовой автоподстройки частоты с обратной связью на основе объединенного принципа максимума
RU2554535C1 (ru) * 2014-06-17 2015-06-27 Владимир Ервандович Мартиросов Глобально линеаризованная система синхронизации
RU2565526C1 (ru) * 2014-12-19 2015-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Устройство фазовой автоподстройки частоты
US9705331B2 (en) * 2013-03-15 2017-07-11 Sparq Systems Inc. Single phase power system controller and method therefor
RU2625557C1 (ru) * 2016-09-06 2017-07-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Способ для определения границ рабочего диапазона импульсного генератора систем фазовой синхронизации и устройство для его реализации
RU2715799C1 (ru) * 2018-12-20 2020-03-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" Способ для определения границ рабочего диапазона классических систем фазовой автоподстройки и устройство для его реализации

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU155181A1 (ru) *
SU1103356A1 (ru) * 1983-03-11 1984-07-15 Военная Ордена Ленина,Ордена Октябрьской Революции И Ордена Суворова Академия Им.Ф.Э.Дзержинского Система частотно-фазовой синхронизации
US4845692A (en) * 1987-04-17 1989-07-04 Centre National D'etudes Spatiales Clocking device of substantially constant stability for short-term and long-term time measurement
UA66435A1 (en) * 1990-10-01 2004-05-17 Lviv Scient Res Radio Technica Device for phase auto-adjustment of frequency
RU2113763C1 (ru) * 1994-07-25 1998-06-20 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Следящий приемник широкополосного сигнала
US6396881B1 (en) * 1999-02-19 2002-05-28 Stanley A. White Minimum-delay frequency-shift-compensating complex demodulator with arbitrary phase adjustment
RU2178952C1 (ru) * 2001-04-10 2002-01-27 Мартиросов Владимир Ервандович Система передачи и приема модулированных сигналов по сети электропитания
RU2341892C2 (ru) * 2006-12-21 2008-12-20 ФГУП Центральный научно-исследовательский институт связи (ФГУП ЦНИИС) Устройство частотно-временной синхронизации
RU2449463C1 (ru) * 2010-12-06 2012-04-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет Способ для определения рабочих параметров фазовой автоподстройки частоты генератора и устройство для его реализации
RU2523219C2 (ru) * 2012-09-17 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Способ для определения рабочих параметров системы цифровой связи и устройство для его реализации
US9705331B2 (en) * 2013-03-15 2017-07-11 Sparq Systems Inc. Single phase power system controller and method therefor
RU2547635C1 (ru) * 2013-11-20 2015-04-10 Федеральное государственное казенное учреждение "Пограничный научно-исследовательский центр Федеральной службы безопасности Российской Федерации" Устройство контура фазовой автоподстройки частоты с обратной связью на основе объединенного принципа максимума
RU2554535C1 (ru) * 2014-06-17 2015-06-27 Владимир Ервандович Мартиросов Глобально линеаризованная система синхронизации
RU2565526C1 (ru) * 2014-12-19 2015-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Устройство фазовой автоподстройки частоты
RU2625557C1 (ru) * 2016-09-06 2017-07-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Способ для определения границ рабочего диапазона импульсного генератора систем фазовой синхронизации и устройство для его реализации
RU2715799C1 (ru) * 2018-12-20 2020-03-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" Способ для определения границ рабочего диапазона классических систем фазовой автоподстройки и устройство для его реализации

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Golestan et al. Single-phase frequency-locked loops: A comprehensive review
Gao et al. Phase-locked loop for AC systems: Analyses and comparisons
CN104578172B (zh) 一种带线性锁频环的光伏逆变调节器控制方法
Boyra et al. A review on synchronization methods for grid-connected three-phase VSC under unbalanced and distorted conditions
Ullah et al. Comparison of synchronization techniques under distorted grid conditions
CN110557118B (zh) 一种锁相装置及锁相方法
Dai et al. Adaptive estimation of three-phase grid voltage parameters under unbalanced faults and harmonic disturbances
Ahmed et al. Hybrid estimator-based harmonic robust grid synchronization technique
Sevilmiş et al. Efficient implementation and performance improvement of three‐phase EPLL under non‐ideal grid conditions
CN108809301B (zh) 一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法
Misra et al. Second order generalized integrator based synchronization technique for polluted grid conditions
Luna et al. A new PLL structure for single-phase grid-connected systems
RU2767510C1 (ru) Способ для ускоренной синхронизации систем фазовой автоподстройки в электрических сетях и устройство для его реализации
RU2625557C1 (ru) Способ для определения границ рабочего диапазона импульсного генератора систем фазовой синхронизации и устройство для его реализации
Soni et al. Phase locked loop for single phase grid synchronization
Arricibita et al. Simple and robust PLL algorithm for accurate phase tracking under grid disturbances
Karkevandi et al. Frequency estimation with antiwindup to improve SOGI filter transient response to voltage sags
RU2715799C1 (ru) Способ для определения границ рабочего диапазона классических систем фазовой автоподстройки и устройство для его реализации
RU171585U1 (ru) Регистратор рабочего диапазона систем цифровой связи
Yazdani et al. Single-phase grid-synchronization algorithms for converter interfaced distributed generation systems
Chandrasekaran et al. Phase locked loop technique based on sliding DFT for single phase grid converter applications
Misra et al. Modified second order adaptive filter for grid synchronization and reference signal generation
Wang et al. Impedance influence analysis of phase-locked loops on three-phase grid-connected inverters
CN111786390A (zh) 一种基于谐波序列提取的矢量重复控制方法及系统
Matakas et al. Positive sequence tracking Phase Locked Loops: A unified graphical explanation