一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种同步锁相系统。特别是涉及一种具有预滤波功能的单相频率自适 应同步锁相系统。
【背景技术】
[0002] 考虑到新型可再生能源清洁无污染及储量丰富等诸多强力优势，发展新型可再生 替代能源，提高清洁电力供应，从长远考虑，无论在技术提高、环境保护，还是在经济发展等 方面都将会有实质性的促进意义。
[0003] 以太阳能、风能等主导型可再生能源发展起来的分布式发电系统旨在为用户提供 优质、清洁、高效能的电力资源。为了实现分布式并网发电系统的可靠运行，需要为其配置 强劲稳健的技术支持。由于同步锁相技术可为逆变器的并网控制提供必需的相位基准，因 此该技术已成为分布式新能源发电系统并网运行最基本的技术要求之一。
[0004] 传统的同步锁相结构如图1所示。工作原理可以简述为：电网电压首先经过相应 变换得到两相静止a0坐标系下的电压分量Vc^Pvp，然后通过Park变换得到两相旋转 dq坐标系下的电压分量vd。Vd受PI调节器调制后，输出结果与电网补偿频率《ff叠加，叠 加结果经过压控振荡器（VCO)的积分作用，最终得到电网的相位信息。与三相电网系统不 同的是，由于单相电网无法通过Clarke变换得到a|3坐标系下的电压分量Vc^Pvp,只能 通过正交信号发生器（QSG)来产生所需的两相虚拟电压。
[0005] 考虑到在实际工况下，分布式并网发电系统中的非线性电力负荷易对电网产生较 为突出的谐波污染，加之公用电网中存在的电压幅值突变、谐波畸变、频率跳变等异常状 况，以及在对电网电压进行采样及数模信号转换过程中可能引入的直流噪声，都将会影响 到同步锁相的精度以及新能源并网时的电能质量问题。现有方案中对直流噪声影响下的单 相同步锁相方案的研宄甚少。在现有的较先进方法中，均值误差补偿法和变量分离法在一 定程度上消除了直流噪声对同步锁相的影响，但是以上两种方法在锁相精度和运算量以及 实时性上稍显逊色。因此，研宄制定一种可以有效消除直流噪声影响及有效抑制有次谐波 的新型快速同步锁相方法，对新能源并网发电系统具有重要的实际应用价值和理论指导意 义。
[0006] 由于单相系统一般通过正交信号发生器来产生两相虚拟电压，因此，正交信号发 生器的工作性能直接影响着甚至决定了同步锁相的精度。针对采样电网电压中无法避免的 直流噪声和有次谐波，理想的QSG应该同时具有直流消噪能力、基频信号无衰减提取能力 和有次谐波抑制能力。然而在传统的同步锁相结构中没有实现以上三种能力的统一。另外， 考虑到实际电网环境中无法预知的参数突变，同步锁相结构还应该具备对电网参数突变较 强的鲁棒性和频率调整的快速性。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步 锁相系统。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系 统，包括有依次串接的基于一阶复数积分器的正交信号发生器、多一阶复数积分器级联单 元和频率自适应控制器，其中，所述基于一阶复数积分器的正交信号发生器的输入端连接 电网电压采样信号，所述频率自适应控制器的输出端构成系统的输出端，输出电网电压采 样信号的频率信息，同时，所述的频率自适应控制器的输出端还将输出的电网电压采样信 号的频率信息分别反馈给基于一阶复数积分器的正交信号发生器和多一阶复数积分器级 联单元。
[0009] 所述的基于一阶复数积分器的正交信号发生器包括有依次串接的微分器、第一加 法器、第一放大器、第二加法器、第一积分器、全通滤波器，其中，微分器的输入端连接电网 电压采样信号，所述的第一积分器的输出端构成基于一阶复数积分器的正交信号发生器的 第一路输出端，连接多一阶复数积分器级联单元的一路输入端，所述第一积分器的输出端 极性取负后还连接第一加法器，所述全通滤波器的输出通过第二放大器放大再将极性取负 后连接第二加法器，所述全通滤波器的输出还构成基于一阶复数积分器的正交信号发生器 的第二路输出端，连接多一阶复数积分器级联单元的另一路输入端。
[0010] 所述的多一阶复数积分器级联单元是由m个结构相同的一阶复数积分器依次串 接构成，其中m为大于1的整数，所述的一阶复数积分器包括有依次串接的第三加法器、第 三放大器、第四加法器和第二积分器，以及依次串接的第六加法器、第六放大器、第五加法 器和第三积分器，其中，所述的第三加法器的输入端连接基于一阶复数积分器的正交信号 发生器中的全通滤波器的输出端，所述第六加法器的输入端连接基于一阶复数积分器的正 交信号发生器中的第一积分器的输出端，所述第二积分器的输出端分三路，一路构成第一 输出端连接下一级对应的输入端，第二路连接第四放大器的输入端，第三路极性取负后连 接第三加法器，第四放大器的输出端极性取负后连接第五加法器，所述的第三积分器的输 出端分三路，一路构成第二输出端连接下一级对应的输入端，第二路通过第五放大器连接 第四加法器，第三路极性取负后连接第六加法器。
[0011] 所述的频率自适应控制器包括有输入端分别连接多一阶复数积分器级联单元中 第m个一阶复数积分器的第二路输出端和第m-1个一阶复数积分器的第一路输出端的第 一乘法器，输入端分别连接多一阶复数积分器级联单元中第m个一阶复数积分器的第一路 输出端和第m- 1个一阶复数积分器的第二路输出端的第二乘法器，以及输入端连接多一 阶复数积分器级联单元中第m个一阶复数积分器的两路输出端的电压补偿器，同时还包括 依次串接的第七加法器，第七放大器，第三乘法器以及第四积分器，其中，所述的第一乘法 器的输出和极性取负的第二乘法器的输出端共同连接第七加法器，所述第七加法器的输出 端通过第七放大器连接第三乘法器，所述电压补偿器的输出端连接第三乘法器，所述第三 乘法器的输出端连接第四积分器，所述第四积分器的输出构成具有预滤波功能的单相频率 自适应同步锁相系统的输出。
[0012] 本发明的一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，具有如下技术效 果：
[0013] (1)借助本发明中的基于一阶复数积分器的正交信号发生器（FOPI-QSG)，在实现 虚拟正交电压重构过程中，有效消除了混入采样电网电压中的直流噪声带来的影响。
[0014] (2)在实现虚拟正交电压重构过程中，FOPI-QSG自身在一定程度上可以抑制采样 信号中的有次谐波。
[0015] (3)在FOPI-QSG后级联多个FOPI单元，可以进一步抑制虚拟正交电压中的各次谐 波含量，而对基频信号没有任何衰减作用。
[0016] (4)频率自适应控制器消除了电网幅值变化对频率调整动态响应速度的影响。
【附图说明】
[0017] 图1是传统的同步锁相结构框图；
[0018] 图2是本发明的具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统框图；
[0019] 图3是本发明的具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统的展开框图；
[0020] 图4是本发明中基于一阶复数积分器的正交信号发生器的构成框图；
[0021] 图5是本发明中一阶复数积分器的构成框图；
[0022] 图6是本发明中频率自适应控制器的构成框图；
[0023] 图7a是含有直流噪声时的电网电压仿真图；
[0024] 图7b是含有直流噪声时重构的两相虚拟正交电压^和Ve的仿真图；
[0025] 图8a是含有谐波时的电网电压仿真图；
[0026] 图8b是含有谐波时重构的两相虚拟正交电压^和Vp的仿真图；
[0027] 图9a是含有谐波时对电网电压的频谱分析图；
[0028] 图9b是含有谐波时对重构电压Va和Ve的频谱分析图；
[0029] 图IOa是FOPI-QSG对电网电压中各次谐波分量的衰减度仿真图；
[0030] 图IOb是FOPI-QSG级联1个FOPI时对电网电压中各次谐波分量的衰减度仿真 图；
[0031] 图IOc是FOPI-QSG级联2个FOPI时对电网电压中各次谐波分量的衰减度仿真 图；
[0032] 图11是不含电压补偿器的频率自适应调整动态响应曲线图；
[0033] 图12是含有电压补偿器的频率自适应调整动态响应曲线图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合实施过程和附图对本发明的一种具有预滤波功能的单相频率自适应同 步锁相系统做出详细说明。
[0035] 本发明的一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，基于FOPI(-阶 复数积分器）建立，是适用于单相系统中的一套完整的同步锁相方案。该方案主要包含了 三个板块：①FOPI-QSG(基于一阶复数积分器的正交信号发生器）；②多FOPI级联单元；③ 频率自适应控制器。在整个同步锁相方案中，上述三个板块依次串接。
[0036] 如图2、图3所示，本发明的一种具有预滤波功能的单相频率自适应