基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法

专利名称：：基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法
技术领域：
：本发明属于一种锁相方法，尤其是一种基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法。
背景技术：
：在并网变换器应用领域，工业电网中可能出现电网电压畸变、凹陷、不平衡和频率波动等现象，这将影响到并网变换器的运行状态，为了实现并网变换器稳定运行控制，需要提取电网电压的正序分量及其幅值和相位信息。传统锁相方法主要有过零点锁相法、同步旋转坐标系锁相法和正负序旋转坐标系锁相法等。①过零点锁相法该方法首先根据电网频率离线建立相位基准表，在每次电网电压过零点处复位查表指针，从而达到锁相的目的。此方法原理简单容易实现，但电网电压中存在畸变如凹陷等情况时，过零锁相将误动作从而失效。此外，过零点锁相法不能提取电网电压正序信息。②同步旋转坐标系锁相法该方法将三相电压量经过坐标变换，将交流量转换为直流量，然后进行闭环调节，使得估计出的相位和电网电压相位一致。该方法在电网电压谐波畸变情况下可以通过减小锁相环带宽抑制谐波的影响，但锁相速度将受到影响。在电网电压出现不平衡时，降低带宽的方法无法力效抑制低频100HZ谐波，导致锁相出现较大误差。③正负序旋转坐标系锁相法该方法将三相电压分别进行正序旋转坐标变换和负序坐标变换，然后进行数学运算和闭环调节，可以得出电压正序分量及其幅值和频率信息。该方法的局限性是需要大量坐标变换，结构复杂、计算
发明内容本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的锁相误差大和实现复杂的问题，提出一种基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法，此锁相方法可以在电网电压畸变、三相电压不平衡和电压频率大范围波动等极端恶劣工业现场情况下提取电网电压的正序分量及其信息，使并网变换器在上述恶劣工况下实现快速精确锁相。本发明所采用的技术方案是一种基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法，通过以下步骤实现的步骤l:首先将三相电压输入信号t/。、仏、R经过Clarke变换得到《/坐:系下的电压信号R和^;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>步骤2:将^坐标系下的电压信号R和^分别经过传递函数为(2^的正序复数滤波器和传递函数为^y一的负序复数滤波器进行滤波，然后将其输出分别交叉与输入信号相减，输出信号分别为"-坐标系下的正序电压分量《+和^以及负序电压分量《—和&;步骤3:将"^坐标系下的正序电压分量f):和f^经过Clarke反变换得到abc坐标系下的三相电压正序分量f)+、t)+和[)+;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>步骤4:将^坐标系下的正序电压分量《+和《经过Park变换得到dq坐标系下的d轴分量^+和q轴分量fh，其中q轴分量f)+可以体现正序幅值，《+为正序相位；「…「--，「《+.步骤5:将d轴分量^+经过传递函数为i^+《"的PI调节器后得到频率估计值^，将频率估计值&反馈到交叉解耦自适应复数滤波器实现频率自适应，将频率估计值^经过积分1/s得到正序相位步。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>本发明的有益效果是和同步旋转坐标系锁相法相比，本发明首先将正序分量和负序分量解耦，然后单独对正序分量进行锁相，避免了负序分量引起的100HZ误差，从而实现了精确的锁相。和正负序旋转坐标系锁相法相比，本发明无需大量数学运算，具有简单易实现的特点。图1为基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法的原理图2a为交叉解耦自适应复数滤波器中正序滤波器的实现原理图2b为交叉解耦自适应复数滤波器中负序滤波器的实现原理图3a为三相电网电压仿真波形；图3b为三相电网电压正序分量仿真波形；图3c为三相电网电压正序幅值仿真波形；图3d为三相电网电压正序相位仿真波形；图4a为三相电网电压仿真波形；图4b为三相电网电压频率仿真波形；图4c为三相电网电压正序幅值仿真波形；图4d为三相电网电压正序相位仿真波形。具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细具体的说明。本发明的核心思想是首先采用交叉解耦自适应复数滤波器提取出电压的正序分量，然后单独对其进行锁相。本发明基本原理如下设三相电压输入信号t/"、t/A、R为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，t/:、"。和^分别为正序电压幅值、频率和相位。叫和A分别为负序电压幅值、频率和相位。"。、c^和^分别为谐波电压。为了便于分析，首先将式(l)中的谐波电压忽略，然后进行Clarke变换后，可得^坐标系下的电压信号t/a和。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，t/>f/a-为^的正序分量和负序分量，c/;为^的正序分量和负序分量。锁相的难点之一在于电压输入信号正序分量的提取。由式(l)可知，正序和负序分量频率相同，均为A。若要将电压输入信号中的正序分量滤出，所选择的滤波器必须满足频率^处幅频特性为1，相频特性为0，同时在其他频率处呈衰减趋势，满足上述条件的一阶滤波器如下-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，^为正序滤波器截止频率。正序滤波器的幅频特性和相频特性如下:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>由式(4)和式(5)可知，当电压输入信号正序分量经过此滤波器时可以无衰减无相移地通过，而其负序分量经过此滤波器后幅值衰减为原来的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>且相移arctan(2fi)0/<s>c)。如上所述，电压输入信号经过此滤波器后虽然可以完全提取出正序分量，但其中仍含有一定的负序分量，即正序和负序分量仍然耦合在一起。为了将正序和负序分量解耦，本发明提出一种交叉解耦复数滤波器如图i、图2a和图2b所示，此交叉解耦复数滤波器的频域和时域表达式如下:必c(，-)=(，-))S++必c份c(，)S+J必O+(6)巧=wc-wcO;-+叫化根据式(7)建立系统状态空间模型如下:J"柳=,)x(O+卿其中:柳=潜《0:、—co-、00o-—0C00—"c—^5(,)=00c00c000—0-000A-(7)(8)状态方程(8)的稳态解为》—":一《";，-":cos(cv+^)C/:sin(-+—L/:cos(—o0/+p)(9)由式(9)可知，本发明提出的交叉解耦复数滤波器可以将正序和负序分量完全分离，实现了正序和负序分量的解耦。之后将""坐标系下的正序电压分量和"经过Park变换得到dq坐标系下的d轴分量^+和q轴分量f^如下7<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由于d轴分量^+参考值为0，因此经过PI调节器后d轴分量^+稳态值同样为0，则有即S++^,因此本发明可实现精确锁相。如图3a所示，在0.12s时刻设置三相电网电压出现畸变和不平衡，其中正序分量幅值为lp.u,(311V)，负序分量幅值为0.25p.u.，五次谐波和七次谐波幅值均为0.05p.u.。在电网电压畸变且不平衡情况下，本发明提出的锁相电路可以快速精确地提取出电压正序分量(图3b)及其幅值(图3c)和相位信息(图3d)，动态响应时间在40ms两个工频周期之内。如图4a所示，在0.12s时刻设置三相电网电压频率由50Hz阶跃至45Hz。此情况下本发明提出的锁相电路仍可以快速精确地提取出电压正序分量(图4b)及其幅值(图4c)和相位信息(图4d)，同时具有频率自适应的特点。权利要求1.一种基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法，其特征在于该方法是通过以下步骤实现的步骤1首先将三相电压输入信号Ua、Ub、Uc经过Clarke变换得到αβ坐标系下的电压信号Uα和Uβ；<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mi>&alpha;</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mi>&beta;</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mfrac><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mn>2</mn></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mn>2</mn></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mi>a</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>步骤2将αβ坐标系下的电压信号Uα和Uβ分别经过传递函数为id="icf0002"file="A2009100750700002C2.tif"wi="24"he="10"top="98"left="21"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>的正序复数滤波器和传递函数为id="icf0003"file="A2009100750700002C3.tif"wi="24"he="10"top="98"left="117"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>的负序复数滤波器进行滤波，然后将其输出分别交叉与输入信号相减，输出信号分别为αβ坐标系下的正序电压分量id="icf0004"file="A2009100750700002C4.tif"wi="5"he="7"top="119"left="60"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和id="icf0005"file="A2009100750700002C5.tif"wi="5"he="6"top="119"left="73"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>以及负序电压分量id="icf0006"file="A2009100750700002C6.tif"wi="5"he="7"top="119"left="119"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和id="icf0007"file="A2009100750700002C7.tif"wi="7"he="7"top="119"left="131"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>步骤3将αβ坐标系下的正序电压分量id="icf0008"file="A2009100750700002C8.tif"wi="5"he="7"top="129"left="116"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和id="icf0009"file="A2009100750700002C9.tif"wi="5"he="6"top="129"left="129"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>经过Clarke反变换得到abc坐标系下的三相电压正序分量id="icf0010"file="A2009100750700002C10.tif"wi="17"he="7"top="139"left="93"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和id="icf0011"file="A2009100750700002C11.tif"wi="7"he="7"top="139"left="117"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>a</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>b</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>c</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mn>2</mn></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mtd><mtd><mo>-</mo><mfrac><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mn>2</mn></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>&alpha;</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>&beta;</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>步骤4将αβ坐标系下的正序电压分量id="icf0013"file="A2009100750700002C13.tif"wi="5"he="7"top="190"left="115"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和id="icf0014"file="A2009100750700002C14.tif"wi="5"he="6"top="190"left="127"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>经过Park变换得到dq坐标系下的d轴分量id="icf0015"file="A2009100750700002C15.tif"wi="5"he="7"top="200"left="61"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和q轴分量id="icf0016"file="A2009100750700002C16.tif"wi="8"he="7"top="200"left="92"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>其中q轴分量id="icf0017"file="A2009100750700002C17.tif"wi="5"he="7"top="200"left="132"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>可以体现正序幅值，id="icf0018"file="A2009100750700002C18.tif"wi="4"he="5"top="200"left="182"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>为正序相位；<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>d</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>q</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><mrow><mi>cos</mi><mover><mi>&theta;</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>+</mo></msup></mtd><mtd><msup><mrow><mi>sin</mi><mover><mi>&theta;</mi><mo>^</mo></mover></mrow><mo>+</mo></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>sin</mi><msup><mover><mi>&theta;</mi><mo>^</mo></mover><mo>+</mo></msup></mtd><mtd><mo>-</mo><mi>cos</mi><msup><mover><mi>&theta;</mi><mo>^</mo></mover><mo>+</mo></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>&alpha;</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mover><mi>U</mi><mo>^</mo></mover><mi>&beta;</mi><mo>+</mo></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>步骤5将d轴分量id="icf0020"file="A2009100750700002C20.tif"wi="5"he="7"top="238"left="73"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>经过传递函数为Kp+Ki/s的PI调节器后得到频率估计值id="icf0021"file="A2009100750700002C21.tif"wi="6"he="5"top="248"left="36"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>将频率估计值id="icf0022"file="A2009100750700002C22.tif"wi="4"he="5"top="248"left="77"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>反馈到交叉解耦自适应复数滤波器实现频率自适应，将频率估计值id="icf0023"file="A2009100750700002C23.tif"wi="4"he="5"top="257"left="61"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>经过积分1/s得到正序相位id="icf0024"file="A2009100750700002C24.tif"wi="10"he="5"top="255"left="124"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>全文摘要本发明涉及一种基于交叉解耦自适应复数滤波器的精确锁相方法，首先将三相电压输入信号U_a、U_b、U_c经过Clarke坐标变换得到αβ坐标系下的电压信号U_α和U_β。然后将其经过交叉解耦自适应复数滤波器提取出αβ坐标系下的正序电压分量U_α⁺和U_β⁺。再将U_α⁺和U_β⁺经过Clarke反变换得到abc坐标系下的三相电压正序分量U_a⁺、U_b⁺和U_c⁺。将U_α⁺和U_β⁺经过Park变换得到dq坐标系下的d轴分量U_d⁺和q轴分量U_q⁺，其中q轴分量U_q⁺体现正序幅值。将d轴分量U_d⁺经过PI调节器后得到频率估计值ω₀。将ω₀反馈到交叉解耦自适应复数滤波器实现频率自适应。将ω₀经过积分1/s得到正序相位θ⁺。本发明的特点是简单易实现，锁相精度高，速度快，尤其适用于电网电压畸变、三相电压不平衡和电压频率大范围波动等极端恶劣工业现场情况下并网变换器的精确锁相。文档编号H02J3/38GK101673952SQ200910075070公开日2010年3月17日申请日期2009年8月14日优先权日2009年8月14日发明者王立乔,邬伟扬,郭小强申请人:燕山大学