的电网基波频率进行实时调整，这也正是频 率自适应控制器的主要任务。
[0079] 频率自适应控制器的设计框图如图6所示。第m-1个和第m个FOPI单元的输出 电压分别为
[0082] 根据图6所示的频率自适应控制器的设计框图可以将该控制器数学表示为
[0084] 式中，I为频率自适应调整系数。
[0085] 在稳态情况下，S卩《 = 时，上式可进一步化简为
[0087] 具体的动态调节过程可以描述为：当《>?。时，可自动调整《。使其线性增大；当 时，又可及时调整《。使其线性减小；当《。经过自适应调整等于《时，《。保持不 变。频率自适应调整的过程，同时又是锁相器对电网相位自调整输出的过程。
[0088] 方案中，用式（16)定义的时间常数T来度量频率自适应调整的快速性能。
[0090] 根据电网基波频率的平均值以及设定的时间常数，可从式（16)中计算出频率自 适应调整系数，用于完成频率自适应控制器的设计实现。
[0091] 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：
[0092] (1)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。如按照设计方案，对带有IOV直流噪声的220V/50HZ的混合采样信号进行 了必要的仿真。仿真结果显示，经过20ms的整定时间，即可实现虚拟正交电压的重构。另 外，在稳态情况下，重构之后的电压分量e正负半周各自对称，说明稳态情况下￥。和 Vp中均不含有直流噪声，如图7a、图7b所示。
[0093] (2)在实现虚拟正交电压重构过程中，FOPI-QSG网络自身在一定程度上可以抑制 采样信号中的有次谐波。如仿真实验中向220V/50HZ的电网基波信号注入了 2%的五次谐 波和1%的七次谐波。电压重构的仿真结果如图8a、图8b所示，频谱分析的仿真结果如图 9a、图9b所示。通过仿真可知，经过20ms的整定时间，即可实现虚拟正交电压的重构，同时 也证实了FOPI-QSG网络自身对采样信号中的有次谐波具有一定的抑制作用。
[0094] (3)在FOPI-QSG网络后级联多个FOPI单元可以进一步抑制虚拟正交电压中 的谐波含量，而对基频信号没有衰减作用。如通过设置三个对照组的仿真实验，即单个 F0PI-QSG、F0PI-QSG后级联一个FOPI单元和FOPI-QSG后级联两个FOPI单元，分析了三个 对照组对各次谐波的衰减能力。仿真结果分别如图l〇a、图10b、图IOc所示。仿真结果显 示，在FOPI-QSG后级联两个FOPI单元时对各次谐波的抑制效果要比其他两个对照组的抑 制效果更为明显。
[0095] (4)图6中的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。原因在于控制器的设计实现中添加了电压补偿器。如果在设计频率自适应控制器时 没有添加电压补偿器，假定在电网基波频率发生突变的过程中又伴有电网幅值的改变，为 了验证此种情况下电压幅值变化对动态响应速度的影响，特别地，在仿真实验中同样设置 三个对照组：①电压幅值始终保持不变，②电压幅值在t= 0. 02s时刻由311V上升至467V， ③电压幅值在t= 0. 02s时刻由31IV下降至249V。在三组实验中，均设定t= 0. 04s时 亥IJ，电网基波频率由50Hz瞬间变为35Hz。频率自适应调整过程如图11所示。从仿真结果 上可以很清晰地看到，电网幅值的改变对频率自适应调整动态响应速度的影响十分明显。 为了消除该影响，考虑在图6中的频率自适应控制器中添加电压补偿器后，设定t= 0. 02s 时刻电网电压由311V跌落至249V和t= 0. 045s时刻电网基波频率从50Hz跃变到55Hz， 此时的频率自适应调整动态响应曲线如图12所示。从仿真结果上可以看出，设计方案中的 频率自适应控制器可以保证频率自适应调整的动态响应时间能够摆脱电网幅值变化产生 的影响，因此具有较快的响应速度。
【主权项】
1. 一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，其特征在于，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（1)、多一阶复数积分器级联单元（2)和频率 自适应控制器（3)，其中，所述基于一阶复数积分器的正交信号发生器（1)的输入端连接电 网电压采样信号，所述频率自适应控制器（3)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（3)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（1)和多一阶复 数积分器级联单元（2)。2. 根据权利要求1所述的一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，其 特征在于，所述的基于一阶复数积分器的正交信号发生器（1)包括有依次串接的微分器 (11)、第一加法器（12)、第一放大器（13)、第二加法器（14)、第一积分器（15)、全通滤波器 (16)，其中，微分器（11)的输入端连接电网电压米样信号，所述的第一积分器（15)的输出 端构成基于一阶复数积分器的正交信号发生器（1)的第一路输出端，连接多一阶复数积分 器级联单元（2)的一路输入端，所述第一积分器（15)的输出端极性取负后还连接第一加法 器（12)，所述全通滤波器（16)的输出通过第二放大器（17)放大再将极性取负后连接第二 加法器（14)，所述全通滤波器（16)的输出还构成基于一阶复数积分器的正交信号发生器 (1) 的第二路输出端，连接多一阶复数积分器级联单元（2)的另一路输入端。3. 根据权利要求1所述的一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，其 特征在于，所述的多一阶复数积分器级联单元（2)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（21)、第三放大器（22)、第四加法器（23)和第二积分器（24)，以及依次串接的第六加法 器（210)、第六放大器（29)、第五加法器（28)和第三积分器（27)，其中，所述的第三加法器 (21)的输入端连接基于一阶复数积分器的正交信号发生器（1)中的全通滤波器（16)的输 出端，所述第六加法器（210)的输入端连接基于一阶复数积分器的正交信号发生器（1)中 的第一积分器（15)的输出端，所述第二积分器（24)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（25)的输入端，第三路极性取负后连接 第三加法器（21)，第四放大器（25)的输出端极性取负后连接第五加法器（28)，所述的第三 积分器（27)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（26)连接第四加法器（23)，第三路极性取负后连接第六加法器（210)。4. 根据权利要求1所述的一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，其特 征在于，所述的频率自适应控制器（3)包括有输入端分别连接多一阶复数积分器级联单元 (2) 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（31)，输入端分别连接多一阶复数积分器级联单元（2)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（32)， 以及输入端连接多一阶复数积分器级联单元（2)中第m个一阶复数积分器的两路输出端的 电压补偿器（37)，同时还包括依次串接的第七加法器（33)，第七放大器（34)，第三乘法器 (35)以及第四积分器（36)，其中，所述的第一乘法器（31)的输出和极性取负的第二乘法器 (32)的输出端共同连接第七加法器（33)，所述第七加法器（33)的输出端通过第七放大器 (34)连接第三乘法器（35)，所述电压补偿器（37)的输出端连接第三乘法器（35)，所述第三 乘法器（35)的输出端连接第四积分器（36)，所述第四积分器（36)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。
【专利摘要】一种具有预滤波功能的单相频率自适应同步锁相系统，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，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。本发明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，可以抑制采样信号中的有次谐波，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。
【IPC分类】H03L7/08, H02J3/38
【公开号】CN104967443
【申请号】CN201510309663
【发明人】王萍, 贝太周, 石记龙, 戚银
【申请人】天津大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月8日