基于IDFT的软件锁相环实现方法及装置与流程

本发明涉及电力电子变换
技术领域：
，特别是一种基于idft的软件锁相环实现方法及装置。
背景技术：
：在新能源应用领域中，与基准信号同步是很重要的，例如分布式发电中，连接电网的转换器通常必须与公用电网的相位和频率同步。锁相环(phaselockedloop—pll)可以用于与信号同步。例如，单同步坐标系软件锁相环(singlesynchronousreferenceframesoftwarephaselockloop—ssrf-pll)是广泛使用的pll技术，其能够检测基准信号的相角和频率。在一定条件下，ssrf-pll可以快速而又精确的检测到基准信号的相角、基频和幅值。如果基准信号由于低次谐波而失真，可以通过减小ssrf-pll反馈环节的带宽而抑制和消除这些谐波对输出的影响。然而在某些情况下，由于pll的响应速度也因此会减小，所以减小pll带宽可能是不可接受的解决方案。此外，基准信号的不平衡也会对基于ssrf-pll方法的设计产生影响。目前，基于双同步坐标系的解耦软件锁相环(decoupleddoublesynchronousreferenceframesoftwarephaselockedloop—ddsrf-pll)，基于双二阶广义积分器的软件锁相环(doublesecondordergeneralizedintegratorsoftwarephaselockedloop—dsogi-spll)，是基于ssrf-pll而设计的改进锁相环，是目前应用于非理想电网最为广泛的两种软件锁相环，但这两种锁相环对低次谐波滤除效果不是很理想，如果改善锁相环对低次谐波的滤除作用，其动态响应时间将会变长。基于级联延时信号消除法的软件锁相环(cascadedelayedsignalcancellationsoftwarephaselockedloop—cdsc-spll)，在ssrf-pll锁相环基础上应用级联延时消去法滤除所有谐波分量，从而提取电压正序分量用以锁定电网基波相位和频率，但是在数字系统中信号不连续，延时信号误差不可避免，可以采用加权平均值等算法减少误差，但五级模块需要分别计算，计算量大。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于idft的软件锁相环(inversediscretefouriertransformsoftwarephaselockedloop—idft-spll)，在电网电压出现不平衡、谐波畸变、频率突变及相位突变等故障时，能够准确而快速的排除故障影响，重新锁定电网电压信号的相位角和角频率。实现本发明目的技术解决方案为：一种基于idft的软件锁相环实现方法，具体步骤包括：s1、采样非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，利用clark变换将信号转换到αβ静止坐标系下的电压信号uα、uβ；s2、经idft1-spll检测工作电压频率值，检测步骤为：a、uα、uβ经idft1提取准电压正序信号uα′、uβ′；b、通过park变换将准电压正序信号uα′、uβ′转换至同步旋转坐标系下的电压信号ud′、uq′；c、uq′经pi控制器得到准电压正序信号角频率ωf；d、ωf经积分环节得到准电压正序信号相位角θ，用于反馈至步骤b中进行park变换完成闭环锁相；e、将得到的准电压正序信号角频率ωf经低通滤波器滤波后求取出工频周期采样个数k，传递给idft2，用于实现频率自适应滤波。s3、经idft2-spll检测工作电压相位角，检测步骤为：a、uα、uβ经idft2提取电压基波正序信号uα+、uβ+；b、通过park变换将电压基波正序信号uα+、uβ+转换至同步旋转坐标系下的电压信号ud+、uq+；c、uq+经pi控制器得到电压基波正序信号角频率；d、电压基波正序信号角频率经积分环节得到电压基波正序信号相位角θo。e、将电压基波正序信号相位角θo反馈至s3的步骤b中的park变换完成闭环锁相。进一步地，所述的非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，具体如下：非理想三相系统的电压信号由基波正序分量和多种频率分量组成，其函数表达式为：式中，u1+为电网电压基波正序分量的电压幅值，un为电网电压n次谐波的电压幅值，φ1和φn分别为电网电压基波正序分量的初始相位角和电网电压n次谐波的初始相位角，ω为电网电压频率。进一步地，所述的有限离散傅里叶逆变换1即idft1，提取电压信号uα′、uβ′，具体如下：式中，n为基波周期采样个数；j为复数；所述的有限离散傅里叶逆变换2即idft2提取电网电压信号uα+、uβ+，具体如下：式中，k为工频周期采样个数，uαβ(n-k)表示第n-k周期αβ轴输入值。进一步地，将得到的准电压基波正序信号角频率ωf，经低通滤波器获得电压基波角频率ωo，经运算可以得到工频周期采样个数k，具体表达式如下式中，ωo为工作电压角频率，ts为采样周期。一种基于idft的软件锁相环实现装置，包括：npc三电平逆变器，用于接入电网作为系统主电路；采样单元，用于采集电网的电压及电流信号；锁相环单元，用于锁定所述采样单元采集的电网电压；闭环控制单元，用于将所述采集单元采集的电网电流与锁相环单元产生的θ，通过电流闭环控制算法，产生调制信号；正弦脉宽调制单元，调制信号与三角载波比较，用于根据调制信号，产生对应的脉冲信号；驱动单元，用于将脉冲信号转换成电平并驱动电路运行。进一步地，所述锁相环单元包括双锁相环结构idft1-spll和idft2-spll，其中：频率检测模块idft1-spll，用于锁定电网频率；相位检测模块idft2-spll，用于锁定电网相位。进一步地，所述闭环控制单元，包括：电流信号转换模块，用于将三相电流信号ia、ib、ic经clarke、park变换至同步旋转坐标系id、iq；pi控制模块，用于将同步旋转坐标系下的id、iq信号与给定信号做差后进入pi控制器，获得dq轴调制信号id′、iq′。调制信号生成模块，将id′、iq′经ipark、iclarke变换获得调制信号ua′、ub′、uc′。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)采用idft结构，可以在αβ静止坐标系下完全滤除非理想电网电压信号中谐波分量、负序分量和直流分量；(2)在电网电压出现不平衡、谐波畸变、频率突变及相位突变等故障时，能够准确快速的排除故障影响，重新锁定电网电压信号的相位角和频率；(3)idft通过公式简化，计算量得到了精简，更容易数字实现。附图说明图1为本发明基于idft的软件锁相环的示意图；图2为本发明中idft的伯德图，(a)为idft1的伯德图，(b)为idft2的伯德图；图3为本发明中idft1-spll(a)和idft2-spll(b)的示意图；图4为电网电压不平衡时锁相环的仿真波形图；图5为向电网电压中加入谐波时锁相环的仿真波形图；图6为电网电压频率突变时锁相环的仿真波形图；图7为电网电压相位突变时锁相环的仿真波形图；图8为电网电压三相跌落时锁相环的仿真波形图；图9为单相接地故障时锁相环的仿真波形图；图10为频率突变伴随谐波干扰故障时锁相环的仿真波形图；图11为本发明基于idft的软件锁相环实现装置的结构示意图。具体实施方式本发明基于idft的软件锁相环，应用idft1提取非理想电网电压信号中的准正序信号，经比例积分控制器得到准正序信号的角频率，然后经过积分环节得到准正序信号的相位角，再经过数值运算得到工作电压信号的工频周期采样个数k，应用idft2提取非理想电网电压信号中的正序信号，经比例积分控制器得到正序信号的角频率，然后经过积分环节得到正序信号的相位角，具体如下：一种基于idft的软件锁相环实现方法，包括：采样非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，利用clark变换将信号转换到αβ静止坐标系下的电压信号uα、uβ；经idft1-spll检测工作电压频率值，检测步骤为：a、uα、uβ经idft1提取准电压正序信号uα′、uβ′；b、通过park变换将准电压正序信号uα′、uβ′转换至同步旋转坐标系下的电压信号ud′、uq′；c、uq′经pi控制器得到准电压正序信号角频率ωf；d、ωf经积分环节得到准电压正序信号相位角θ，用于反馈至步骤s22中进行park变换；；e、将得到的准电压正序信号角频率ωf经低通滤波器滤波后求取出工频周期采样个数k，传递给idft2，用于实现频率自适应滤波。经idft2-spll检测工作电压相位角，检测步骤为：a、uα、uβ经idft2提取电压基波正序信号uα+、uβ+；b、通过park变换将电压基波正序信号uα+、uβ+转换至同步旋转坐标系下的电压信号ud+、uq+；c、uq+经pi控制器得到电压基波正序信号角频率；d、电压基波正序信号角频率经积分环节得到电压基波正序信号相位角θo。e、将电压基波正序信号相位角θo反馈至步骤b中的park变换完成闭环锁相。进一步地，所述的非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，具体如下：非理想三相系统的电压信号由基波正序分量和多种频率的分量组成，其函数表达式为：式中，u1+为电网电压基波正序分量的电压幅值，un为电网电压n次谐波的电压幅值，φ1和φn分别为电网电压基波正序分量的初始相位角和电网电压n次谐波的初始相位角，ω为电网电压频率。进一步地，所述的有限离散傅里叶逆变换1即idft1提取准电网电压基波正序信号uα′、uβ′，具体如下：式中，n为基波周期采样个数；j为复数；所述的有限离散傅里叶逆变换2即idft2提取电网电压基波正序信号uα+、uβ+，具体公式如下：式中，k为工频周期采样个数，uαβ(k)表示第k周期αβ轴输入值。进一步地，将得到的准电压基波正序信号角频率ωf，经一阶数字低通滤波器获得压基波角频率ωo，经运算可以得到工频周期采样个数k：式中，ωo为工作电压角频率，ts为采样周期。低通滤波器也可以是高阶的。本发明还提供一种基于idft的软件锁相环实现装置，参照图11，其包括：npc三电平逆变器，用于接入电网作为系统主电路；采样单元，用于采集电网的电压及电流信号；锁相环单元，用于锁定所述采样单元采集的电网电压；闭环控制单元，用于将所述采集单元采集的电网电流与锁相环单元产生的θ通过电流闭环控制算法，产生调制信号；正弦脉宽调制单元，根据调制信号与三角载波比较，产生对应的脉冲信号；驱动单元，用于将脉冲信号转换成电平并驱动电路运行。进一步地，所述锁相环单元，包括：频率检测模块，用于锁定电网频率；相位检测模块，用于锁定电网相位；进一步地，所述闭环控制单元，包括：电流信号转换模块，将三相电流信号ia、ib、ic经clarke、park变换至同步旋转坐标系id、iq；pi控制模块，将同步旋转坐标系下的id、iq信号与给定信号做差后进入pi控制器，获得dq轴调制信号id′、iq′。调制信号生成模块，id′、iq′经ipark、iclarke变换获得调制信号ua′、ub′、uc′。下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例1本实施例基于idft的软件锁相环实现方法，包括以下步骤：步骤1、结合附图1，图3，在第n个开关周期，将电压信号ua(n)、ub(n)、uc(n)通过clark变换转换到αβ静止坐标系下，得到uα(n)、uβ(n)，转换公式如下：式中，ua(n)为第n开关周期a相电压采样信号，ub(n)为第n开关周期b相电压采样信号，uc(n)为第n开关周期c相电压采样信号。步骤2、将uα(n)、uβ(n)经离散傅里叶反变换1(inversediscretefouriertransform1，idft1)提取准基波正序信号uα′(n)、uβ′(n)；将uα(n)、uβ(n)经离散傅里叶反变换2(inversediscretefouriertransform2，idft2)提取准基波正序信号uα′(n)、uβ′(n)；idft1传递函数如下：式中，uα(k)表示第k周期α轴输入值，uβ(k)表示第k周期β轴输入值,uα′(k)为第k周期α轴输出值，uβ′(k)为第k周期β轴输出值；idft2传递函数如下：式中，k为工频周期采样个数，uα(k)表示第k周期α轴输入值，uβ(k)表示第k周期β轴输入值,uα+(k)为第k周期α轴输出值，uβ+(k)为第k周期β轴输出值；步骤3、将uα′(n)、uβ′(n)经park变换至同步旋转坐标系下,得到ud′(n)、uq′(n)；将uα+(n)、uβ+(n)经park变换至同步旋转坐标系下,得到ud+(n)、uq+(n)，转换公式如下：idft1中park变换公式：idft2中park变换公式：式中，θo、θ为步骤4所得相位角，uα+(n)、uβ+(n)为idft1中park变换αβ轴输入，uα′(n)、uβ′(n)为idft2中park变换αβ轴输入。步骤4、将uq′(n)通过pi控制器和积分器得到准基波正序信号相位角θ和角频率ωf，将uq+(n)通过pi控制器和积分器得到基波正序信号相位角θo。步骤5、将步骤4得到的准基波正序信号的角频率ωf，经一阶数字滤波后得到基波角频率ωo，经数值运算得到工频周期采样数k，数值运算公式如下：式中，ωo为工作电压角频率，ts为采样周期。本实施例采用plecs搭建锁相环仿真模型。各项参数如表1所示。本实施例共验证了七种非理想电网状态，其中图4为电网电压跌落，其中a相跌落至90％，b相幅值跌落80％，c相幅值跌落60％；图5为电网电压谐波干扰，向电网电压注入幅值为基波幅值10％的五次负序谐波，10％的七次正序谐波，5％的十一次负序谐波，5％的十三次正序谐波；图6为电网电压频率突变，角频率由50×2πrad/s突变至45×2πrad/s；图7为电网电压相位突变，相位突变0.1πrad；图8为电网电压三相平衡跌落仿真波形，幅值跌落50％；图9为a相全跌落仿真波形；图10为图5和图6中条件的叠加。采用dsogi-spll，idft-spll两种锁相环进行仿真对比，锁相环参数设置相同。由仿真结果可以看出，idft-spll在电网电压出现不平衡、谐波畸变、频率突变及相位突变等非理想电网条件下，具有较好的抗干扰能力，快速的动态响应；由仿真图5可知，相对于dsogi-spll，idft-spll能很好的滤除低次谐波，锁相更精准。表1参数设定值电压基波幅值u311v电压基波角频率ω50×2πrad/s采样周期ts5e-5s基波周期采样数n400基波周期tω0.02spi控制器kp,ki0.482、25.568当前第1页12