=tanA0，当锁相环输出的角度能够跟踪和锁定电网电压的相位信息时，贝U A0 -0。设F(0)所对应的曲线在过零点处的斜率为K，则K可W反应锁相环在误差角度 趋近于0时，系统的动态响应性能，即当A0 - 0时，F( 0 )趋近于0的速率。
[0039] 由于Ki< K2,故在相同的PI调节器参数的条件下，传统锁相方法用Q轴无功分量 作为PI调节器的输入时，比本发明新型锁相方法用Q轴分量和D轴分量之比作为PI调节 器的输入反应速度慢，即当A0 -O时，本发明新型锁相方法要比传统锁相方法的收敛速 度快。
[0040] 2)、频域分析
[0041] 传统锁相方法中，Fi( 0 )=SinA0，输入量为相位角度差，在时域中，输出量为相 位差的正弦量，则由时域和频域系统的关系可W得到传统锁相方法的相位反馈控制结构框 图如附图4所示，图4为传统锁相环频域简化模型框图。
[0042]本发明新型锁相方法中，F2( 0 ) =tanA0，若考虑达到稳态时，锁相系统允许 0-5。的角度误差范围，则在A0G(-5°，5° )范围中，有tanA0 >A0 >SinA0。 在A0很小的条件下，用A0近似代替tanA0可W得到本发明新型锁相环相位闭环反 馈控制结构框图如附图5所示，图5为本发明锁相环频域数学模型框图。
[0043] 由上面相位反馈控制结构框图可W得到传统锁相方法的开环传递函数Gi(S)和本 发明新型锁相方法的开环传递函数Gz(S)，分别下式所示：
[0046] 电网电压的采样频率为20kHZ，基波角频率O为314rad/s，代入参数可W得到传 统锁相系统和本发明新型锁相系统随着PI调节器参数Kp变化的根轨迹如图6所示，图6为 传统锁相环和本发明锁相环奈奎斯特图。
[0047] 图6中，（a)曲线表示本发明新型锁相方法的系统根轨迹图，化）曲线表示传统锁 相方法的系统根轨迹图；本发明新型锁相方法根轨迹（a)从坐标零点出发，随着Kp的增大， 从左半平面趋于无穷大，传统锁相方法根轨迹化）从虚轴±314j出发，随着Kp的增大，从 左半平面趋于无穷大，并且当Kp增大到一定值时，两个系统的根轨迹重合。
[0048] 对于高阶系统，利用闭环主导极点的方法，可W将高阶系统等效简化成为典型二 阶系统，对于两个锁相系统，设在相同的PI调节器参数的条件下，闭环系统的主导极点如 附图6中点A和B所示。0表示根轨迹坐标原点，设OA与X坐标轴的负轴的夹角为0 1，OB 与X坐标轴的负轴的夹角为0 2,则0可W反应出典型二阶系统阻尼系数C的大小，C= COS0。二阶系统的收敛时间tOCIAW。，其中表示二阶系统的自然振荡频率，在相同 的PI调节器参数的条件下有：
[0049] 0 1< 0 2
[(K)加]COS0 1>COS0 2
[0051] ti< t2
[0052] 由于在分析本发明新型锁相方法的结构原理图中，当A0很小时用A0近似代 替tanA0，而实际上，tanA0 >A0，故在用A0代替tanA0用于系统分析时，系统 的快速性会有所降低。考虑到W上时间滞后和近似等效等因素，在A0很小的情况下，本 发明新型锁相方法的收敛时间ti小于传统锁相方法的收敛时间12,即在相同的PI调节器 参数的情况下，采用本发明新型锁相方法可W较快的跟踪上电网电压的相位信息。
[0053] 3)、仿真结果分析
[0054]通过建立系统的仿真模型，通过对传统方法和新型锁相方法的仿真比较，可W得 到如图7、图8所示波形，图7为传统锁相环和本发明锁相环PI控制器输入仿真对比图，图 8为传统锁相环和本发明锁相环跟踪误差仿真对比图。
[0055] 图7中，（a)波形表示新型锁相方法的PI调节器输入随时间变化的曲线，化）波形 表示传统锁相方法的PI调节器输入随时间变化的曲线，通过对比可W知道，新型锁相方法 的调节器输入在时间趋近于0的速率大于传统锁相方法，动态响应好于传统锁相方法。
[0056] 图8中，（a)曲线表示传统锁相方法的电网电压的角度和锁相环输出的角度的偏 差，化）曲线表示新型锁相方法的电网电压的角度和锁相环输出的角度的偏差。从波形中可 W看出，当闭环锁相环达到稳态时，两种方法的角度偏差都在0. 3度范围内，两种方法均可 W完全锁住电网电压的角度信息，并且波形化）比波形（a)的斜率大，达到稳态的时间短， 故采用新型锁相方法可W快速而且准确的跟踪电网电压的角度信息。
[0057] 4)、实验结果分析
[0058] 搭建一个22kW四象限PWM整流器硬件实验平台，锁相部分完全由DSP程序实现， 通过观察锁相环部分的数据可W得到如图9所示波形与曲线，图9为传统锁相环和本发明 锁相环PI控制器输入实验对比图。
[0059] 图9中，（a)表示新型锁相方法的PI调节器输入随时间变化的实验结果波形，化） 表示传统锁相方法的PI调节器输入随时间变化的实验结果波形，图10为传统锁相环和本 发明锁相环跟踪误差实验对比图，图10中，（a)表示本发明新型锁相方法的电网电压的角 度和锁相环输出的角度的偏差，化）表示传统锁相方法的电网电压的角度和锁相环输出的 角度的偏差。通过对比两个曲线波形可W知道，本发明新型锁相方法动态响应性能好于传 统锁相方法。
[0060] W上所述实施步骤和方法仅仅表达了本发明的一种实施方式，描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。在不脱离本发明专利构思的前提下， 所作的变形和改进应当都属于本发明专利的保护范围。
【主权项】
1. 一种新型锁相方法，包括：将三相电网电压进行Clark变换，通过Clark变换将三相 电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，再以D轴定向，锁相环输出相角为旋 转角度进行Park变换，将两相静止坐标系变换到同步旋转dq坐标系，得到三相电网电压的 d轴有功分量和q轴无功分量；其特征在于： 对有功分量进行滤波； 将Park变换后的无功分量和经过滤波后的有功分量之比作为PI调节器的输入，经过PI调节器的调节作用使得输入量为0,从而迅速锁住电网电压的相位。2. 根据权利要求1所述一种新型锁相方法，其特征在于：所述对有功分量进行滤波其 具体为：对有功分量进行一阶惯性低通滤波滤除高次谐波。
【专利摘要】一种新型锁相方法，包括：将三相电网电压进行Clark变换，通过Clark变换将三相电网电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，再以D轴定向，锁相环输出相角为旋转角度进行Park变换，将两相静止坐标系变换到同步旋转dq坐标系，得到三相电网电压的d轴有功分量和q轴无功分量；其特征在于：对有功分量进行滤波；将Park变换后的无功分量和经过滤波后的有功分量之比作为PI调节器的输入，经过PI调节器的调节作用使得输入量为0，从而迅速锁住电网电压的相位。本发明收敛速度比传统锁相方法快，缩短了收敛时间，实现锁相环快速锁定，能够快速准确的跟踪电网电压信息，提高锁相环的动态响应性能。
【IPC分类】H02J3/01, H02J3/26
【公开号】CN105429159
【申请号】CN201510811814
【发明人】尹泉, 刘剑, 王庆义, 罗慧
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月20日