三相电压的相位跟踪方法及装置与流程

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及三相电压的相位跟踪方法及装置。

背景技术：

随着电力电子设备原来越多的应用于电能的变换与传输，功率变流器的直流-交流变换过程中用于获取电网电压相位的锁相技术也得到了越来越多的应用。而锁相控制算法的响应速度和锁相精度对功率变流器的性能特性具有重要的影响，不恰当的锁相算法设置会导致变流器过电流或过电压。早期的基于硬件电路的频率锁相、过零锁相等锁相方法由于参数调整灵活性差，其响应速度慢、控制精度差等固有缺点而遭到抛弃。

目前，传统的锁相方法大概包括以下几种类型：第一种锁相方法是基于dq变换(dq变换是一种解耦控制方法，它将异步电动机的三相绕组变换为等价的二相绕组，并把旋转坐标系变换成正交的静止坐标，即可得到用直流量表示电压及电流的关系式)的闭环锁相方法。该方法的基本原理如图1所示，将输入的三相电压进行dq变换，并取q轴的电压分量与0进行比较，然后经低通滤波器(LPF，Low-pass filter))滤除偏差信号中的非直流分量，再通过PI控制器使q轴电压分量等于0，此时的相位θa便可以跟踪输入电压的相位，中间变量ω便可以跟踪输入电压的角频率。此种方法的优点是跟踪精度高且能够输出频率信号，但该方法需要的调节时间长(经过优化设计后的调节时间大约为46毫秒)且需要繁琐的控制器设计。

第二种锁相方法是基于dq变换的闭环锁相改进方法。该方法如图2所示，该方法与第一种锁相方法的区别主要是将积分环节移到了控制回路之外，并将q轴电压经调节器输出后作为角频率的误差信号加到预设的角频率上，因此响应速度有很大的提高。该方法的优点是能够大幅度的减少调节时间，但仍需要设计控制器，且d轴的电压分量与角频率的误差之间存在非线性关系，因此控制器的设计很困难，故而锁相效果并不理想，同时该方法也无法输出频率信号。

综上所述，传统的基于闭环的锁相方法由于需要设计繁琐的控制器，使得锁相环的设计变得繁琐，不利于锁相环的设计。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统锁相方法需要设计繁琐控制器的问题，提供一种开环控制的三相电压的相位跟踪方法及装置，无需繁琐的控制器设计，锁相环设计结构简单。

为达到发明目的，提供一种三相电压的相位跟踪方法，所述方法包括：

根据三相电压的角频率构造所述三相电压的同步旋转信号，并由所述同步旋转信号中获得同步相位；

采集所述三相电压的三相瞬时电压值，并对所述三相瞬时电压值进行dq变换，得到所述三相电压的dq电压分量；

对所述dq电压分量进行直角坐标至极坐标变换，得到所述三相电压的当前相角；

根据所述同步相位和所述当前相角获得所述三相电压的跟踪相位，并输出所述跟踪相位。

在其中一个实施例中，所述采集所述三相电压的三相瞬时电压值，并对所述三相瞬时电压值进行dq变换，得到所述三相电压的dq电压分量的步骤之后，还包括：

根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应的滤波策略对所述三相电压的dq电压分量进行滤波，得到滤波后的dq电压分量。

在其中一个实施例中，所述根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应的滤波策略对所述三相电压的dq电压分量进行滤波，得到滤波后的dq电压分量的步骤包括：

检测所述三相电压的dq电压分量中的负序分量和谐波分量；

当所述dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量且所述dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，不对所述dq电压分量进行滤波；

当所述dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量而所述dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，对所述dq电压分量进行负序滤波；

当所述dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量而所述dq电压分量中的所述谐波分量均大于预设谐波分量时，对所述dq电压分量进行谐波滤波；

当所述dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量且所述dq电压分量中的所述谐波分量均大于预设谐波分量时，对所述dq电压分量同时进行负序滤波和所述谐波滤波。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

当所述当前相角相对前次相角发生变化时，获取所述当前相角相对所述前次相角的变化量；

根据所述变化量调整所述同步旋转信号的同步相位，得到新的同步相位，并利用所述新的同步相位获得所述三相电压的跟踪相位。

在其中一个实施例中，所述根据所述同步相位和所述当前相角获得所述三相电压的跟踪相位，并输出所述跟踪相位的步骤包括：

将所述同步相位和所述当前相角进行求和运算，得到所述三相电压的跟踪相位；

输出所述跟踪相位。

本发明还提供一种三相电压的相位跟踪装置，所述装置包括：

构造获取模块，用于根据三相电压的角频率构造所述三相电压的同步旋转信号，并由所述同步旋转信号中获得同步相位；

采集变换模块，用于采集所述三相电压的三相瞬时电压值，并对所述三相瞬时电压值进行dq变换，得到所述三相电压的dq电压分量；

坐标变换模块，用于对所述dq电压分量进行直角坐标至极坐标变换，得到所述三相电压的当前相角；

输出模块，用于根据所述同步相位和所述当前相角获得所述三相电压的跟踪相位，并输出所述跟踪相位。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：

滤波模块，用于在采集所述三相电压的三相瞬时电压值，并对所述三相瞬时电压值进行dq变换，得到所述三相电压的dq电压分量的步骤之后，根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应的滤波策略对所述三相电压的dq电压分量进行滤波，得到滤波后的dq电压分量。

在其中一个实施例中，所述滤波模块包括：

检测单元，用于检测所述三相电压的dq电压分量中的负序分量和谐波分量；

第一滤波单元，用于当所述dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量且所述dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，不对所述dq电压分量进行滤波；

第二滤波单元，用于当所述dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量而所述dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，对所述dq电压分量进行负序滤波；

第三滤波单元，用于当所述dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量而所述dq电压分量中的所述谐波分量均大于预设谐波分量时，对所述dq电压分量进行谐波滤波；

第四滤波单元，用于当所述dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量且所述dq电压分量中的所述谐波分量均大于预设谐波分量时，对所述dq电压分量同时进行负序滤波和所述谐波滤波。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：

变化量获取模块，用于当所述当前相角相对前次相角发生变化时，获取所述当前相角相对所述前次相角的变化量；

调整模块，用于根据所述变化量调整所述同步旋转信号的同步相位，得到新的同步相位，并利用所述新的同步相位获得所述三相电压的跟踪相位。

在其中一个实施例中，所述输出模块包括：

运算单元，用于将所述同步相位和所述当前相角进行求和运算，得到所述三相电压的跟踪相位；

输出单元，用于输出所述跟踪相位。

本发明的有益效果包括：

上述三相电压的相位跟踪方法及装置，在构造同步旋转信号的基础上，通过调整同步旋转信号的同步相位，使得输出的三相电压的当前相角P的变化率趋于零，来实时跟踪三相电压的相位，这种方式不仅省去了闭环锁相的负反馈环节，即省去了控制器的设计环节，简化了锁相环的设计，使锁相环的设计结构变得简单，而且还减少了延时，将锁相响应的时间缩短至10ms以内。同时，其还能够跟踪输入的三相电压的电压频率。

附图说明

图1为一个实施例中的基于dq变换的闭环锁相方法的原理框图；

图2为一个实施例中的基于dq变换的闭环锁相改进方法的原理框图；

图3为一个实施例中的三相电压的相位跟踪方法的流程示意图；

图4为一个实施例中的三相电压的相位跟踪方法的原理框图；

图5为又一个实施例中的三相电压的相位跟踪方法的原理框图；

图6为一个实施例中的三相电压相位跟踪装置的结构示意图；

图7为一个实施例中的相位跟踪前(锁相前)三相电压的电压仿真波形图；

图8为一个实施例中的三相电压的电压相位与三相电压锁相后(锁相结果)的电压相位的仿真对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明三相电压的相位跟踪方法及装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，如图3、图4、图5所示，提供了一种三相电压的相位跟踪方法，该方法包括以下步骤：

S200，根据三相电压的角频率构建三相电压的同步旋转信号，并由同步旋转信号中获得同步相位θ。

作为一种具体的实时方式，可通过以下方式构建同步旋转信号θ(k)，设采样时间为Δt，则同步旋转信号θ(k)＝θ(k-1)+ω*Δt，如果θ(k)＞2π，则令θ(k)＝θ(k)-2π，其中，θ(k-1)为前次采样节点的同步旋转信号，ω可为三相电压的角频率，也可为其它与三相电压的角频率接近的角频率。

作为另外一种具体的实施方式，也可通过以下方式获得同步旋转信号其中，ω为三相电压的角频率或其他与三相电压的角频率接近的角频率，t为同步旋转信号的构建时间。

需要说明的是，构造同步旋转信号之后，在锁相过程中，可以通过调整同步旋转信号的同步相位来实时调整输出的相位，从而达到实时跟踪三相电压相位的效果。

S400，采集三相电压的三相瞬时电压值，并对三相瞬时电压值进行dq变换，得到三相电压的dq电压分量。

具体地，采集三相电压的瞬时电压值Va、Vb、Vc，对三相瞬时电压值进行dq变换，获得该三相电压的瞬时电压值Va、Vb、Vc的dq电压分量Vd和Vq，该dq变换过程的公式如下：

S600，对滤波后的dq电压分量进行直角坐标至极坐标变换，得到三相电压的当前相角。

其中，直角坐标(d，q)至极坐标(M，P)的变换，即是将直角坐标系中的该三相电压的三相瞬时电压值的dq电压分量Vd和Vq变换成极坐标系下的幅值M和相角P，该变换过程的公式如下：

P＝tan^-1(vd/vq)

需要说明的是，在对滤波后的dq电压分量进行极坐标变换得到三相电压的当前相角的同时，还能获得三相电压的当前幅值，并能够输出当前幅值，从而使本实施例中的三相电压的相位跟踪方法不仅能够根据三相电压的相位，还能够跟踪三相电压的幅值。

S800，根据同步相位θ和当前相角P获得三相电压的跟踪相位，并输出跟踪相位θa。

具体地，在一个实施例中，将同步相位θ和当前相角P进行求和运算，获得跟踪的三相电压的当前相位。此处需要说明的是，同步相位θ和当前相角P进行求和运算可以是二者绝对值的相加或相减，其目的是通过调整同步旋转信号的同步相角θ，使当前相角P的变化率为零(由dq变换的原理可知，当使三相电压的q轴电压分量为零时，能够较好地跟踪输入电压的相位)，从而使该同步旋转信号的角频率与该三相电压的角频率保持一致，同时当q轴的电压分量为零时，也使得输出的跟踪相位与三相电压的输入相位保持一致，从而实现对输入电压的频率及相位的跟踪。

本实施例中的三相电压的相位跟踪方法，在构造同步旋转信号的基础上，通过调整同步旋转信号的同步相位，使得输出的三相电压的当前相角P的变化率趋于零，来实时跟踪三相电压的相位，这种方式不仅省去了闭环锁相的负反馈环节，即省去了控制器的设计环节，简化了锁相环的设计，而且还减少了延时，将锁相响应的时间缩短至10ms以内。同时，其还能够跟踪输入的三相电压的电压频率。

在一个实施例中，在步骤S400之后，还包括：

S500，根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应的滤波策略对三相电压的dq电压分量进行滤波，得到滤波后的dq电压分量。

此处需要说明的是，在对三相电压的三相瞬时电压值进行dq变换后，可以根据需要判断是否对三相电压的dq电压分量进行滤波以及在需要对dq电压分量进行滤波时，根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应滤波策略对dq电压分量进行滤波，从而滤除dq电压分量中的非直流分量，得到稳定的dq电压分量。

具体地，步骤S500包括：

S510，检测三相电压的dq电压分量中的负序分量和谐波分量。其中，负序分量可通过对三相电压进行简单的代数运算得到，谐波分量可通过傅里叶分解得到。在其中一种实施例中，在检测三相电压的dq电压分量中的负序分量和谐波分量时，无需进行精确的负序和谐波分量计算，只需检测三相电压的dq电压分量中的波动即可，然后根据dq电压分量中的波动来确定dq电压分量中的负序分量和谐波分量。由于负序分量和谐波分量均会对dq变换后的信号造成波动，在三相电压中不存在负序分量和谐波分量时，dq变换的电压分量为直流量，没有波动，当负序分量和谐波分量增高时，对三相电压进行dq变换后的信号的波动逐渐增加。例如：若三相电压的频率f为50Hz时，负序造成的波动为100Hz，谐波造成的波动则位于更高的频率，如：5次谐波造成的波动在200～300Hz，若波动以100Hz低频段为主，则确定三相电压的dq电压分量中含有的负序分量较大，若波动以200～300Hz为主，则确定三相电压中的dq电压分量中含有的谐波分量较大。

S520，当dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量且dq电压分量中的谐波分量均小于预设谐波分量时，不对dq电压分量进行滤波。此时dq电压分量中没有谐波分量和/或负序分量，或者含有较少的负序分量和/或谐波分量(谐波分量和/或负序分量会对dq变换的信号造成波动，负序含量和谐波含量增高时，对dq电压分量造成的波动也将增加，通常当波动超过5％～10％时会对锁相造成影响，对dq电压分量的波动超过5％～10％时对应的谐波含量及负序含量即为预设谐波分量和预设负序分量。当然不同的系统对锁相的稳定性要求也完全不同，可以根据整个装置的控制要求来确定)，无需对dq电压分量进行滤波，此时输出的相位能够实时跟踪输入的三相电压的电压相位。

S530，当dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量而dq电压分量中的谐波分量均小于预设谐波分量时，对dq电压分量进行负序滤波。当dq电压分量中的负序分量大而谐波分量小时，对dq电压分量进行负序滤波，优选地，采用延时对消方法对dq电压分量进行负序滤波。

S540，当dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量而dq电压分量中的谐波分量均大于预设谐波分量时，对dq电压分量进行谐波滤波。当dq电压分量中的谐波含量大而负序含量小时，对dq电压分量进行谐波滤波。优选地，采用巴特沃斯低筒滤波器进行谐波滤波。

S550，当dq电压分量中的负序分量大于预设负序分量且dq电压分量中的谐波分量均大于预设谐波分量时，对dq电压分量同时进行负序滤波和谐波滤波。当dq电压分量中的负序含量和谐波含量均较大时，对dq电压分量同时进行负序滤波和谐波滤波，以消除dq电压分量中的所有非直流分量。优选地，采用延时对消法和巴特沃斯低筒滤波器复合滤波的方法进行滤波。

传统的基于αβ变换的锁相环方法是将三相电压信号进行αβ变换，具体根据以下公式进行变换，有式子可得到进而可以得到输入电压的相位该方法能够实时跟踪输入电压的相位且无需设计控制器，但该方法中的αβ分量都是50Hz的交流信号，因此在输入电压存在负序和谐波的情况下，无法准确而快速地对基波正序进行锁相。

在该实施例中，采集三相电压的三相瞬时电压值，并对三相瞬时电压值进行dq变换，并根据变换后dq电压分量中的谐波分量和负序分量来选择相应的滤波策略对三相dq电压分量进行滤波，可以达到最佳的锁相效果，并且能够在输入电压存在负序和谐波的情况下，对基波正序进行快速而准确的锁相，大幅提高锁相环的响应时间和锁相精度。

进一步地，在根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应的滤波策略对所述三相电压的dq电压分量进行滤波时，还包括：

S510′，检测三相电压的dq电压分量中的负序分量和谐波分量。

S520′，当dq电压分量中的负序分量小于预设负序分量且dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，将滤波策略切换为第一滤波策略，并使用第一滤波策略对所述三相电压的下一dq电压分量进行滤波。其中，第一滤波策略为不对dq电压分量进行滤波处理。

S530′，当dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量而dq电压分量中的谐波分量均小于预设谐波分量时，将所述滤波策略切换为第二滤波策略，并使用第二滤波策略对三相电压的下一dq电压分量进行滤波。其中，第二滤波策略为对dq电压分量进行负序滤波处理。

S540′，当dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量而dq电压分量中的谐波分量均大于预设谐波分量时，将滤波策略切换为第三滤波策略，并使用第三滤波策略对三相电压的下一dq电压分量进行滤波。其中，第三滤波策略为对dq电压分量进行谐波滤波处理。

S550′，当dq电压分量中的负序分量大于预设负序分量且dq电压分量中的谐波分量均大于预设谐波分量时，将所述滤波策略切换为第四滤波策略，并使用第四滤波策略对所述三相电压的下一dq电压分量进行滤波。其中，第四滤波策略为dq电压分量同时进行谐波和负序滤波处理。

上述实施例应当理解为利用前向数据选择滤波策略的过程，即通过当前时间窗之前的时间窗进行判断后，选择合适的滤波策略，对当前时间窗对应的dq电压分量进行滤波。由于对三相电压相位的跟踪是一个不断循环的过程，如果在三相电压的三相瞬时电压值进行dq变换后再去选择相应的滤波策略，显然会延缓锁相的响应时间，而将滤波策略的选择切换过程在dq变换之前便设计好(前后两次dq电压分量的谐波分量及负序分量的含量接近)，可以提高整个锁相过程效率，提高锁相环的响应速度。

在一个实施例中，该方法还包括：

S900，当当前相角相对前次相角发生变化时，获取当前相角相对前次相角的变化量。

S1000，根据变化量调整同步旋转信号的同步相位，得到新的同步相位，并利用新的同步相位获得三相电压的跟踪相位。

当确定当前相角相对前次相角发生变化时，即当前相角P的变化不只是由于同步相位θ调整而带来的，则为了加速相位的跟踪效率，需获取当前相角相对前次相角的变化量，并根据变化量调整同步旋转信号的同步相位，得到新的同步相位，得到新的同步相位后，重新执行步骤S400至S800，即利用新的同步相位获得三相电压的跟踪相位，从而实现快速地跟踪三相电压相位的效果。

为了进一步验证上述实施例中的三相电压的相位跟踪方法的效果，以下结合仿真图进行进一步的说明：

图7为锁相前三相电网电压的仿真波形图，该三相电网电压仿真波形图中含有负序分量和谐波分量，在仿真时间为1.0秒时，基波正序分量的相位发生90°突变，经本实施例中的相位跟踪方法锁相后，能够在10毫秒内跟踪上该相位突变，使得锁相结果的相位与三相电网电压的相位一致，如图8所示。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

在一个实施例中，如图6所示，还提供了一种三相电压的相位跟踪装置，该装置包括：构造获取模块200，用于根据三相电压的角频率构造所述三相电压的同步旋转信号，并由所述同步旋转信号中获得同步相位。采集变换模块400，用于采集三相电压的三相瞬时电压值，并对三相瞬时电压值进行dq变换，得到所述三相电压的dq电压分量。坐标变换模块600，用于对dq电压分量进行直角坐标至极坐标变换，得到所述三相电压的当前相角。输出模块800，用于根据同步相位和当前相角获得所述三相电压的跟踪相位，并输出跟踪相位。

本实施例中的三相电压的相位跟踪装置，在构造同步旋转信号的基础上，通过调整同步旋转信号的同步相位，使得输出的三相电压的当前相角P的变化率趋于零，来实时跟踪三相电压的相位，这种方式不仅省去了闭环锁相的负反馈环节，即省去了控制器的设计环节，简化了锁相环的设计，而且还减少了延时，将锁相响应的时间缩短至10ms以内。同时，其还能够跟踪输入的三相电压的电压频率。

在一个实施例中，该装置还包括：滤波模块500，用于在采集三相电压的三相瞬时电压值，并对三相瞬时电压值进行dq变换，得到三相电压的dq电压分量的步骤之后，根据dq电压分量中的谐波分量和负序分量选择相应的滤波策略对三相电压的dq电压分量进行滤波，得到滤波后的dq电压分量。

在一个实施例中，滤波模块500包括：检测单元510，用于检测三相电压的dq电压分量中的负序分量和谐波分量。第一滤波单元520，用于当所述dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量且所述dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，不对所述dq电压分量进行滤波。第二滤波单元530，用于当所述dq电压分量中的所述负序分量大于预设负序分量而所述dq电压分量中的所述谐波分量均小于预设谐波分量时，对所述dq电压分量进行负序滤波。第三滤波单元540，用于当dq电压分量中的所述负序分量小于预设负序分量而dq电压分量中的谐波分量均大于预设谐波分量时，对dq电压分量进行谐波滤波。第四滤波单元550，用于当dq电压分量中的负序分量大于预设负序分量且dq电压分量中的谐波分量均大于预设谐波分量时，对dq电压分量同时进行负序滤波和谐波滤波。

在一个实施例中，装置还包括：变化量获取模块900，用于当当前相角相对前次相角发生变化时，获取所述当前相角相对所述前次相角的变化量。调整模块1000，用于根据变化量调整同步旋转信号的同步相位，得到新的同步相位，并利用新的同步相位获得所述三相电压的跟踪相位。

在一个实施例中，输出模块800包括：运算单元810，用于将同步相位和当前相角进行求和运算，得到所述三相电压的跟踪相位。输出单元820，用于输出跟踪相位。

由于此装置解决问题的原理与前述一种三相电压的相位跟踪方法相似，因此该系统的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。