一种信号锁相方法及系统

技术领域

本发明涉及锁相环控制领域，特别涉及一种信号锁相方法及系统。

背景技术

当前，传统的锁相环控制一般使用同步旋转锁相环，其控制流程如图1所示，将实际电网的三相电压Va、Vb、Vc经过坐标转换为dq坐标系的Vd和Vq，然后将Vq通过误差调节器，最后积分确定锁相环的输出相位θ

但在使用该控制方法进行电网相位同步的初始阶段，同步旋转锁相环存在超调的现象，即输出相位超出允许调节范围，这对后续锁相环的应用造成了较大的负面影响。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种不会发生超调的信号锁相方法及系统。其具体方案如下：

一种信号锁相方法，包括：

获取电网的实时三相电压信号；

根据第一相位，将所述实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号；所述第一相位为偏置角频率对时间的积分；

根据第二相位，将所述第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号；所述第二相位为所述第一相位与前馈相位的差值，所述前馈相位为误差调节值与前馈系数的积；

根据第三相位，将所述中间三相电压信号变换为所述dq坐标系下的第二电压信号；

对所述第二电压信号中的q轴电压信号进行误差调节，得到所述误差调节值；

对所述误差调节值与所述偏置角频率求和，然后对时间积分，得到输出相位，同时将所述输出相位作为下一周期的所述第三相位。

优选的，所述误差调节的参数及所述前馈系数对应的传递函数为欠阻尼振荡函数，且所述传递函数的零点和极点均位于负半轴左半平面。

优选的，所述信号锁相方法还包括：

根据整定计算式确定所述前馈系数和所述误差调节的参数；

所述整定计算式为：

其中，

优选的，所述根据第一相位，将所述实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号之前，还包括：

对所述实时三相电压信号进行滤波。

优选的，所述对所述实时三相电压信号进行滤波的过程，包括：

通过高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器，对所述实时三相电压信号进行滤波。

优选的，所述根据第二相位，将所述第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号之前，还包括：

对所述第一电压信号进行滤波。

优选的，所述对所述第一电压信号进行滤波的过程，包括：

通过高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器，对所述第一电压信号进行滤波。

相应的，本申请还公开了一种信号锁相系统，包括：

信号获取模块，用于获取电网的实时三相电压信号；

第一转换模块，用于根据第一相位，将所述实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号；所述第一相位为偏置角频率对时间的积分；

第二转换模块，用于根据第二相位，将所述第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号；所述第二相位为所述第一相位与前馈相位的差值，所述前馈相位为误差调节值与前馈系数的积；

第三转换模块，用于根据第三相位，将所述中间三相电压信号变换为所述dq坐标系下的第二电压信号；

误差调节器，用于对所述第二电压信号中的q轴电压信号进行误差调节，得到所述误差调节值；

输出模块，用于对所述误差调节值与所述偏置角频率求和，然后对时间积分，得到输出相位，同时将所述输出相位作为下一周期的所述第三相位。

优选的，所述信号锁相系统还包括：

位于所述第一转换模块前，用于对所述实时三相电压信号进行滤波的第一滤波器；

或，位于所述第二转换模块前，用于对所述第一电压信号进行滤波的第二滤波器。

优选的，所述第一滤波器具体为高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器，或，所述第二滤波器具体为高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器。

本申请公开了一种信号锁相方法，包括：获取电网的实时三相电压信号；根据第一相位，将所述实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号；所述第一相位为偏置角频率对时间的积分；根据第二相位，将所述第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号；所述第二相位为所述第一相位与前馈相位的差值，所述前馈相位为误差调节值与前馈系数的积；根据第三相位，将所述中间三相电压信号变换为所述dq坐标系下的第二电压信号；对所述第二电压信号中的q轴电压信号进行误差调节，得到所述误差调节值；对所述误差调节值与所述偏置角频率求和，然后对时间积分，得到输出相位，同时将所述输出相位作为下一周期的所述第三相位。本申请的信号锁相方法利用偏置角频率、误差调节值和前馈系数确定的第一相位、第二相位和第三相位对信号进行控制，以此控制对应的闭环系统的传递函数，从而能够控制输出相位不发生超调现象，保证了应用环境的安全可靠。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传统同步旋转锁相环的控制流程图；

图2为本发明实施例中一种信号锁相方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例中一种信号锁相方法的控制流程图；

图4为本发明实施例中一种信号锁相方法的系统小信号模型的示意图；

图5为本发明实施例中一种信号锁相系统的结构分布图；

图6a为本发明实施例中一种具体的信号锁相系统的结构分布图；

图6b为本发明实施例中另一种具体的信号锁相系统的结构分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在使用传统控制方法进行电网相位同步的初始阶段，同步旋转锁相环存在超调的现象，即输出相位超出允许调节范围，这对后续锁相环的应用造成了较大的负面影响。

本申请的信号锁相方法利用偏置角频率、误差调节值和前馈系数确定的第一相位、第二相位和第三相位对信号进行控制，以此控制对应的闭环系统的传递函数，从而能够控制输出相位不发生超调现象，保证了应用环境的安全可靠。

本发明实施例公开了一种信号锁相方法，参见图2所示，包括：

S1：获取电网的实时三相电压信号；

S2：根据第一相位，将实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号；第一相位为偏置角频率对时间的积分；

S3：根据第二相位，将第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号；第二相位为第一相位与前馈相位的差值，前馈相位为误差调节值与前馈系数的积；

S4：根据第三相位，将中间三相电压信号变换为dq坐标系下的第二电压信号；

S5：对第二电压信号中的q轴电压信号进行误差调节，得到误差调节值；

S6：对误差调节值与偏置角频率求和，然后对时间积分，得到输出相位，同时将所述输出相位作为下一周期的第三相位。

具体的，本实施例中信号锁相方法采用了信号重塑技术进行多次abc三相静止坐标系和dq同步旋转坐标系之间的坐标变换，其控制流程图如图3所示，其中第一次坐标变换前实时三相电压信号为Va0、Vb0和Vc0，经过第一次坐标变换后得到第一电压信号Vd1和Vq1，变换依据的相位信号为第一相位θ1，第一相位具体为偏置角频率ω

进一步的，如图3所示，步骤S5对q轴电压信号Vq2进行误差调节，实际上是将q轴参考电压

根据以上描述以及图3，可见该方法的控制系统为闭环系统，应存在对应的传递函数，相比传统的同步旋转锁相环，本实施例的信号锁相方法利用偏置角频率、误差调节值和前馈系数确定的第一相位、第二相位和第三相位对信号进行控制，以此控制对应的闭环系统的传递函数，从而能够控制输出相位不发生超调现象。同时，偏置角频率和前馈系数的出现，确保了系统的跟踪动态响应速度。

进一步的，为了实现输出相位不超调，误差调节的参数及前馈系数对应的传递函数为欠阻尼振荡函数，且传递函数的零点和极点均位于负半轴左半平面。

进一步的，通常可选择PI调节器来实现步骤S5误差调节的部分，以PI调节器作为示例，控制中涉及到PI调节器的比例系数和积分系数，其系统小信号模型的示意图如图4所示，其中

该传递函数中，零点位于左半平面，为了保证极点也位于左半平面，根据劳斯判据，需要满足以下关系：

同时根据典型二级系统特性考虑，该传递函数应当存在以下关系：

其中

因此，在具体实施本实施例中的信号锁相方法时，根据图4内参数关系以及确定的传递函数，该方法还包括：

根据整定计算式确定前馈系数和误差调节的参数；

所述整定计算式为：

其中，

按照工程经验，自然频率可取300rad/s，阻尼比可取0.707，根据整定计算式进行计算，即可确定前馈系数、误差调节的比例系数和积分系数。按以上整定得到的系数进行控制，即可满足系统输出相位无超调的效果。

本申请公开了一种信号锁相方法，包括：获取电网的实时三相电压信号；根据第一相位，将所述实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号；所述第一相位为偏置角频率对时间的积分；根据第二相位，将所述第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号；所述第二相位为所述第一相位与前馈相位的差值，所述前馈相位为误差调节值与前馈系数的积；根据第三相位，将所述中间三相电压信号变换为所述dq坐标系下的第二电压信号；对所述第二电压信号中的q轴电压信号进行误差调节，得到所述误差调节值；对所述误差调节值与所述偏置角频率求和，然后对时间积分，得到输出相位，同时将所述输出相位作为下一周期的所述第三相位。本申请的信号锁相方法利用偏置角频率、误差调节值和前馈系数确定的第一相位、第二相位和第三相位对信号进行控制，以此控制对应的闭环系统的传递函数，从而能够控制输出相位不发生超调现象，保证了应用环境的安全可靠。

本发明实施例公开了一种具体的信号锁相方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。

具体的，常规同步旋转锁相环在应用时，还存在一些由三相电压信号质量差导致的问题，例如当三相电压信号不平衡时，同步旋转锁相环含有工频次负序分量，导致锁相效果差，跟踪误差大；当三相电压信号含有谐波时，同步旋转锁相环无法跟踪基波成分；当三相电压信号含有直流分量时，同步旋转锁相环存在无阻尼振荡的问题。为了解决这些问题，本实施例提出在信号重塑前对实时信号进行滤波，以消除谐波和特定频率次成分。

具体的，该滤波动作可发生在第一次坐标变换之前，也即：根据第一相位，将实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号之前，还包括：

对实时三相电压信号进行滤波。

进一步的，对实时三相电压信号进行滤波的过程，包括：

通过高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器，对实时三相电压信号进行滤波。

类似的，该滤波动作也可发生在第二次坐标变换之前，也即：根据第二相位，将第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号之前，还包括：

对第一电压信号进行滤波。

进一步的，对第一电压信号进行滤波的过程，包括：

通过高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器，对第一电压信号进行滤波。

可以理解的是，高阶滑动窗口滤波器在工程离散控制上具有实现简单、响应速度快、平滑度高的效果，对于周期性干扰的抑制效果明显；多重特征频率陷波器可针对不同特征频率的谐波作特定消除，同时对其他频段不造成影响，从而提高后续控制中电压信号的质量。

相对常规同步旋转锁相环，本实施例将滤波加入新的信号锁相方法中，由于加入滤波器后原始电网信号的谐波成分被滤除，只留下基波成分，因此谐波不再产生干扰，本实施例能够始终锁定基波成分，同时结合本实施例偏置角频率和前馈系数的应用，能够保证整个系统的跟踪动态响应速度；

类似的，滤波器可抑制原始电网信号中的工频次负序分量，从而实现较理想的锁相效果，同时保证跟踪误差较小；

进一步的，滤波器的滤波参数可作进一步的设定，从而在含有直流分量时一致无阻尼振荡，例如高阶滑动窗口滤波器在其窗口时间内限制无阻尼振荡的继续进行。需要注意的是，直流分量引起的无阻尼振荡无法改变，但采用滤波器后，无阻尼振荡的时间长度将被抑制，这是由于滤波器的引入改善了原有系统低频段的幅频特性，低频增益变大，相位裕度变大。

相应的，本申请实施例还公开了一种信号锁相系统，参见图5所示，包括：

信号获取模块10，用于获取电网的实时三相电压信号；

第一转换模块11，用于根据第一相位，将实时三相电压信号变换为dq坐标系下的第一电压信号；第一相位为偏置角频率对时间的积分；

第二转换模块12，用于根据第二相位，将第一电压信号变换为abc坐标系下的中间三相电压信号；第二相位为第一相位与前馈相位的差值，前馈相位为误差调节值与前馈系数的积；

第三转换模块13，用于根据第三相位，将中间三相电压信号变换为dq坐标系下的第二电压信号；

误差调节器14，用于对第二电压信号中的q轴电压信号进行误差调节，得到误差调节值；

输出模块15，用于对误差调节值与偏置角频率求和，然后对时间积分，得到输出相位，同时将所述输出相位作为下一周期的第三相位。

该系统利用偏置角频率、误差调节值和前馈系数确定的第一相位、第二相位和第三相位对信号进行控制，以此控制对应的闭环系统的传递函数，从而能够控制输出相位不发生超调现象，保证了应用环境的安全可靠。

在一些具体的实施例中，所述误差调节的参数及所述前馈系数对应的传递函数为欠阻尼振荡函数，且所述传递函数的零点和极点均位于负半轴左半平面。

在一些具体的实施例中，该信号锁相系统还可包括整定模块，用于根据整定计算式确定所述前馈系数和所述误差调节的参数；

所述整定计算式为：

其中，

进一步的，信号锁相系统还可以包括用于滤波的滤波器，参见图6a或图6b所示，该信号锁相系统还包括：

位于第一转换模块11前，用于对实时三相电压信号进行滤波的第一滤波器F1；

或，位于第二转换模块12前，用于对第一电压信号进行滤波的第二滤波器F2。

进一步的，第一滤波器F1具体为高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器，或，第二滤波器F2具体为高阶滑动窗口滤波器或多重特征频率陷波器。

相对常规同步旋转锁相环，本实施例将滤波加入新的信号锁相方法中，从而解决了常规方法在三相电压信号质量较差时导致的锁相效果差的各类问题。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种信号锁相方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。