一种三相电网电压的频率锁定方法及装置与流程

本发明涉及电气技术领域，特别涉及一种三相电网电压的频率锁定方法及装置。

背景技术：

三相电网系统，电压频率作为电能质量的重要参量，需要被稳定的控制在一定的指标范围内。由于电力系统有功功率的动态平衡，发电机的振荡，负荷的投切，以及大量分布式电源接入公用电网，使得实际电网频率会发生偏离。高精度，快速、实时对频率信息进行检测，尤其是当三相电网电压各种故障状况下，例如不平衡、频率突变、甚至谐波情况下，无静差的频率跟踪是频率控制的前提，也是一个技术难题；因此，如何在此类状况下够准确获取三相电网电压的频率信息，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三相电网电压的频率锁定方法及装置，尤其在三相电网不平衡、幅度变化、任意谐波畸变、频率偏离、角度突变等故障状况下能够准确快速得到频率信号。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三相电网电压的频率锁定方法，包括：

将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，进行离散化处理得到离散数据；

对所述离散数据进行Clark变换，得到变换数据；

对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，并对所述基波正序分量进行幅度归一化运算得到归一化数据；

利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到频率信息；

对所述频率信息进行数字低通滤波得到三相电网电压的频率信号。

可选的，将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，进行离散化处理得到离散数据，包括：

将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，将所述三相电网交流电压模拟信号进行调理后利用模数转换器进行离散化处理，并以固定周期T_s采样得到离散数据v_abc(kT_s)。

可选的，对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，包括：

对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量。

可选的，对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，并对所述基波正序分量进行幅度归一化运算得到归一化数据，包括：

对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量，对所述基波正序分量进行至少一次幅度归一化运算得到归一化数据。

可选的，利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到频率信息，包括：

利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到基波实时频率的平方，并进行开方运算得到频率信息。

本发明还提供一种三相电网电压的频率锁定装置，包括：

离散化模块，用于将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，进行离散化处理得到离散数据；

Clark变换模块，用于对所述离散数据进行Clark变换，得到变换数据；

DSC运算及归一化模块，用于对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，并对所述基波正序分量进行幅度归一化运算得到归一化数据；

锁频模块，用于利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到频率信息；

低通滤波模块，用于对所述频率信息进行数字低通滤波得到三相电网电压的频率信号。

可选的，所述离散化模块具体为将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，将所述三相电网交流电压模拟信号进行调理后利用模数转换器进行离散化处理，并以固定周期T_s采样得到离散数据u_abc(kT_s)的模块。

可选的，所述DSC运算及归一化模块包括：

DSC运算单元，用于对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量。

可选的，所述DSC运算及归一化模块包括：

DSC运算单元，用于对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量；

归一化单元，用于对所述基波正序分量进行至少一次幅度归一化运算得到归一化数据。

可选的，所述锁频模块包括：

锁频单元，用于利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到基波实时频率的平方；

开方单元，用于对所述基波实时频率的平方进行开方运算得到频率信息。

本发明所提供的三相电网电压的频率锁定方法，通过开环运算的方式，采用多级数字滤波技术(DSC)，在两相静止坐标系下，分离出基波正序分量，然后利用幅度归一化运算及锁频算法，运算出频率信息，最后经一阶低通滤波器消除高频扰动，得到频率信号；

可见，该方法尤其在三相电网不平衡、幅度变化、任意谐波畸变、频率偏离、角度突变等故障状况下能够准确快速得到频率信息；具有适应性强、精度高、速度快等优点，适合嵌入式微控制器实时实现；本发明还提供三相电网电压的频率锁定装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。

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为本发明实施例所提供的三相电网电压的频率锁定方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的单级CDSC频率响应的示意图；

图3为本发明实施例所提供的两级CDSC频率响应的示意图；

图4为本发明实施例所提供的三级CDSC频率响应的示意图；

图5为本发明实施例所提供的5级DSC运算的示意图；

图6为本发明实施例所提供的DSC_n运算的原理示意框图；

图7为本发明实施例所提供的幅度归一化运算的原理示意框图；

图8为本发明实施例所提供的CDSC运算及幅度归一化运算多级串联模式的示意图；

图9为本发明实施例所提供的单级CDSC运算及幅度归一化运算串联模式的示意图；

图10为本发明实施例所提供的利用锁频算法计算得到频率信息的示意图；

图11为本发明实施例所提供的三相电网电压的频率锁定方法过程的示意图；

图12为本发明实施例所提供的幅值跳变情况下的测试效果示意图；

图13为本发明实施例所提供的直流偏置情况下的测试效果示意图；

图14为本发明实施例所提供的不平衡情况下的测试效果示意图；

图15为本发明实施例所提供的频率偏离情况下的测试效果示意图；

图16为本发明实施例所提供的谐波畸变情况下的测试效果示意图；

图17为本发明实施例所提供的相角突变情况下的测试效果示意图；

图18为本发明实施例所提供的两种故障情况下的过渡过程效果示意图；

图19为本发明实施例所提供的三相电网电压的频率锁定装置的结构框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种三相电网电压的频率锁定方法及装置，尤其在三相电网不平衡、幅度变化、任意谐波畸变、频率偏离、角度突变等故障状况下能够准确快速得到频率信号。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的三相电网电压的频率锁定方法的流程图；该方法可以包括：

S100、将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，进行离散化处理得到离散数据；

具体的，该步骤为将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，将所述三相电网交流电压模拟信号进行调理后利用模数转换器进行离散化处理，并以固定周期T_s采样得到离散数据u_abc(kT_s)。

S110、对所述离散数据进行Clark变换，得到变换数据；

具体的，离散数据u_abc(kT_s)进行Clark变换，得到u_α(kT_s)、u_β(kT_s)；

Clark变换过称为将三相模拟信号u_a(kT_s)，u_b(kT_s)，u_c(kT_s)转换为两相静止坐标系下的u_α[(kT_s]，u_β[(kT_s]。

S120、对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，并对所述基波正序分量进行幅度归一化运算得到归一化数据；

具体的，这里预定级数延时信号消去DSC(Delayed Signal Cancellation)运算中预定级数的选取可以由用户自己确定，在确定时可以考虑谐波畸变的程度。再结合计算速度和精度的考虑下，为了使得锁频算法稳定进行即锁频模块可以稳定工作，预定级数数值可以设置稍大一点即可以实现重复多次执行DSC运算即CDSC，因为多级CDSC对高次谐波的衰减能力更强，如图2、3、4对比也可以清楚地看到多级CDSC对高次谐波的衰减能力更强，但在暂态过程中会引入更多的延时，且消耗更多的运算资源。因此用户在选择时需要考虑自己的实际需求及硬件计算资源。优选的，对所述变换数据进行预定级数CDSC运算得到基波正序分量可以包括：

对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量。

其中，请参考图5，对所述变换数据进行5级DSC运算具体过程为：

对u_α(kT_s)、u_β(kT_s)分别进行静止5级DSC运算，DSC₂，DSC₄，DSC₈，DSC₁₆，DSC₃₂，得到基波正序分量u_α⁺(kT_s)、u_β⁺(kT_s)；

其中，

其中，T为工频额定周期，50Hz电网系统，T＝0.02s。其中，单个DSC_n运算的原理示意框图如图6所示。其中，n为2,4,8,18,32。

其中，幅度归一化运算具体为：

利用公式对经过DSC_n运算的输出结果进行幅度归一化运算。幅度归一化运算的原理示意框图如图7所示。

其中，若三相电压谐波畸变比较严重，为了提高锁频的精度，CDSC(即5级DSC运算)及幅度归一化(即幅度归一化运算)可以进行多级串联配置，二级、三级甚至更多(例如5级)，这里并不对多级串联配置的级数进行限定即不一定为5级，由用户根据实际情况进行设定；如图8为多级串联模式的示意图。但是需要明确，在完成预定级数的CDSC运算后必须至少连接一次幅度归一化，为了得到更好的归一化效果可以连接多次如图9所示，但是本实施例并不对幅度归一化的次数进行限定。即优选的，对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，并对所述基波正序分量进行幅度归一化运算得到归一化数据可以包括：

对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量，对所述基波正序分量进行至少一次幅度归一化运算得到归一化数据。

S130、利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到频率信息；

具体的，首先利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到基波实时频率的平方，并进行开方运算得到频率信息。

其中，利用对所述归一化数据进行计算得到基波实时频率的平方ω²(kT_s)，并利用进行开方运算得到频率信息ω(kT_s)。整个S130的原理示意框图如图10所示。

S140、对所述频率信息进行数字低通滤波得到三相电网电压的频率信号。

具体的，利用ω(kT_s)＝k·ω(kT_s)+(1-k)·ω{(k-1)T_s}对所述频率信息进行数字低通滤波得到三相电网电压的频率信号，并将其作为最终结果输出。

针对每一个采样周期T_s，均可以利用上述步骤得到三相电网电压的频率信号，具体过程的示意图可以参考图11，其中，DSC运算的级数以及DSC运算和幅度归一化运算的连接形式，以及完成预定级数DSC运算后连接的幅度归一化运算的次数都可以由用户根据实际情况进行确认，并可以随时进行修改。

进一步由于该实施例仅需要简单数学运算，通过开环计算方式直接得到频率信号，不存在传统SRF-PLL方案中的锁频闭环稳定性问题,暂态过渡过程时间固定，因此非常适用于微处理器嵌入式平台，对硬件资源需求较低，节省成本。即上述实施例的过程为：对三相电网电压信号在两相静止坐标系下进行滤波，通过多级延时消去CDSC滤除高次谐波，分离出基波分量，然后再进行幅值归一化，继而利用频率计算模块得到实时频率。若电网电压畸变严重，可配置多组CDSC滤波+幅度归一化环节，再输入频率计算模块，经低通滤波输出频率信号。

为了证实该实施例的性能，下面通过测试效果图说明上述实施例的实际效果：

主要的设计参数：工频50Hz，T＝0.02s，采样频率10kHz，T_s＝0.0001s，低通滤波参数k＝0.0125，5级DSC的参数如表1及表2所示，测试效果示意图如图12-图18所示。

表1DSC的参数：

表2各级DSC的系数取值

基于上述技术方案，本发明实施例提供的三相电网电压的频率锁定方法，尤其在三相电网不平衡、幅度变化、任意谐波畸变、频率偏离、角度突变等故障状况下能够准确快速得到频率信息；具有适应性强、精度高、速度快等优点，适合嵌入式微控制器实时实现。

下面对本发明实施例提供的三相电网电压的频率锁定装置进行介绍，下文描述的三相电网电压的频率锁定装置与上文描述的三相电网电压的频率锁定方法可相互对应参照。

请参考图19，图19为本发明实施例所提供的三相电网电压的频率锁定装置的结构框图；该装置可以包括：

离散化模块100，用于将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，进行离散化处理得到离散数据；

Clark变换模块200，用于对所述离散数据进行Clark变换，得到变换数据；

DSC运算及归一化模块300，用于对所述变换数据进行预定级数DSC运算得到基波正序分量，并对所述基波正序分量进行幅度归一化运算得到归一化数据；

锁频模块400，用于利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到频率信息；

低通滤波模块500，用于对所述频率信息进行数字低通滤波得到三相电网电压的频率信号。

基于上述实施例，所述离散化模块100具体为将获取的PCC点处三相电网交流电压模拟信号，将所述三相电网交流电压模拟信号进行调理后利用模数转换器进行离散化处理，并以固定周期T_s采样得到离散数据v_abc(kT_s)的模块。

基于上述任意实施例，所述DSC运算及归一化模块300包括：

DSC运算单元，用于对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量。

基于上述实任意施例，所述DSC运算及归一化模块300包括：

DSC运算单元，用于对所述变换数据进行5级DSC运算得到基波正序分量；

归一化单元，用于对所述基波正序分量进行至少一次幅度归一化运算得到归一化数据。

基于上述任意实施例，所述锁频模块400包括：

锁频单元，用于利用锁频算法对所述归一化数据进行计算得到基波实时频率的平方；

开方单元，用于对所述基波实时频率的平方进行开方运算得到频率信息。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的三相电网电压的频率锁定方法及装置进行了详细介绍。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。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。