一种应用于单相UPS锁相环的频率前馈方法与流程

一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法
技术领域
1.本发明涉及单相系统相位跟踪技术领域，尤其涉及一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法。


背景技术：

2.单相在线ups(uninterruptible power supply不间断电源)逆变电压要与旁路同步的前提是需要获得旁路相位，机器需要能够快速并高精度跟踪不同频率或频率突变的旁路电压。锁相环在跟踪偏离中心频率的旁路电压时锁相速度慢，且随着越偏离中心频率，锁相时间越久。为改善该问题可引入频率前馈方案，但现有方案或收敛速度仍有改善空间，或锁相精度还可改进。
3.现有的单相ups的数字化锁相环主要采用二阶广义积分法(sogi)，该方案由于中心频率值固定，在频率突变的工况下会出现同步时间过长导致软件判断相位失锁。


技术实现要素：

4.本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法，包括以下步骤：
7.对旁路电压进行采样获得旁路采样信号u
byp
(k)并输入锁相环的输入端，其中，采样频率为fs，k表示采样序号；
8.将所述旁路采样信号输入二阶广义积分模块，根据基于所述二阶广义积分模块构建的静止坐标系获取与所述旁路采样信号对应的一对正交分量u
α
(k)和u
β
(k)；
9.根据u
α
(k)和u
β
(k)，利用坐标公式计算出两相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)，通过给定值和uq(k)反馈值得到误差值ε，经pi调节后输出与中心角频率ωc(k)累加得到的输出角频率ωo(k)；
10.通过对输出角频率ωo(k)进行积分，即得到输入的所述旁路采样信号的相位信息θ。
11.在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：通过输出角频率ωo(k)和采样频率fs计算出周期采样点数n，利用周期均值算法计算出直流偏置，并在所述锁相环的输入端对所述旁路采样信号进行偏置补偿。
12.在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：在所述锁相环初次使用或重新上电时进行初始化，设所述旁路采样信号u
byp
(k)的相位θ(k)＝0，角频率ωo(k)＝ωc(k)＝a，其中a为电网工频对应的角频率。
13.在一些实施例中，所述周期采样点数n的计算公式为n＝2*π*fs/ωo。
14.在一些实施例中，获取正交分量u
α
(k)和u
β
(k)的计算公式如下：
[0015][0016]
其中，k系数为0.5；
[0017]
计算两相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)的公式如下：
[0018][0019]
在一些实施例中，经pi调节后输出与中心角频率ωc(k)累加得到输出角频率ωo(k)，其中ωc(k)＝a*ωo(k)+(1-a)ωc(k-1)，a为滤波系数。
[0020]
在一些实施例中，所述pi调节的比例参数为k
p
＝0.1，积分系数ki＝0.1。
[0021]
根据本发明的另一方面提供一种应用于单相ups的频率前馈锁相环，包括：鉴相器、环路滤波器、频率前馈模块和压控振荡器，
[0022]
所述鉴相器用于对采样获得的旁路采样信号u
byp
(k)进行变换得到正交分量u
α
(k)和u
β
(k)，并对其进行坐标变换得到q轴电压分量uq(k)，通过给定值和uq(k)反馈值得到误差值ε，其中，采样频率为fs，k表示采样序号；
[0023]
q轴电压分量uq(k)作为所述环路滤波器的输入，并经pi调节后得到输出值；
[0024]
所述频率前馈模块用于将pi调节后的输出值与中心角频率ωc(k)累加后得到输出角频率ωo(k)；
[0025]
输出角频率ωo(k)在所述压控振荡器的作用下转为角度，最终得到锁相结果。
[0026]
在一些实施例中，该频率前馈锁相环还包括直流偏置补偿模块，用于通过输出角频率ωo(k)和采样频率fs计算出周期采样点数n，利用周期均值算法计算出直流偏置，并在所述锁相环的输入端对所述旁路采样信号进行偏置补偿。
[0027]
根据本发明的又一方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述指令、程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如前所述的一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法中所执行的操作。
[0028]
本发明的有益效果：
[0029]
本发明提供一种频率前馈的方法，该方法的前馈取自输出频率值，前馈用于补偿中心频率，能够在频率突变时重新对旁路进行跟踪，使ups输出的逆变电压快速精确跟踪旁路。
附图说明
[0030]
图1为本发明一实施例的一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法的控制框图。
[0031]
图2为本发明一实施例的仿真模拟旁路采样信号图，图中输入旁路信号含50v三次谐波以及100vdc直流偏置，在t＝0.5s时，频率50hz突变至60hz。
[0032]
图3为图2仿真模拟旁路采样信号的二阶广义积分器输出正交分量图。
[0033]
图4为图2仿真模拟旁路采样信号频率突变时的频率收敛图。
[0034]
图5为图2仿真模拟旁路采样信号的频率稳态图。
[0035]
图6为图2仿真模拟旁路采样信号的频率突变时相位跟踪图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0037]
以下结合实施例详细阐述本发明的内容。
[0038]
请参阅图1，根据本发明的一种实施方式提供一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法，包括以下步骤：
[0039]
对旁路电压进行采样获得旁路采样信号u
byp
(k)并输入锁相环的输入端，其中，采样频率为fs，k表示采样序号；
[0040]
将所述旁路采样信号输入二阶广义积分模块，根据基于所述二阶广义积分模块构建的静止坐标系获取与所述旁路采样信号对应的一对正交分量u
α
(k)和u
β
(k)；
[0041]
根据u
α
(k)和u
β
(k)，利用坐标公式计算出两相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)，通过给定值和uq(k)反馈值得到误差值ε，经pi调节后输出与中心角频率ωc(k)累加得到的输出角频率ωo(k)；
[0042]
通过对输出角频率ωo(k)进行积分，即得到输入的所述旁路采样信号的相位信息θ。
[0043]
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：通过输出角频率ωo(k)和采样频率fs计算出周期采样点数n，利用周期均值算法计算出直流偏置，并在所述锁相环的输入端对所述旁路采样信号进行偏置补偿。在一些实施例中，所述周期采样点数n的计算公式为n＝2*π*fs/ωo。
[0044]
在输入的旁路采样电压信号存在直流偏置时，会造成锁相精度低等问题，本发明的前馈频率取自输出频率值，前馈用于补偿中心频率及偏置计算，能够在频率突变或存在直流偏置下重新对旁路进行跟踪，且当调理电路因温漂或其它因素导致旁路电压采样存在偏置时，锁相环输出频率波动小，跟踪精度高。从而，本发明的ups输出的逆变电压能够快速精确地跟踪旁路。
[0045]
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：在所述锁相环初次使用或重新上电时进行初始化，设所述旁路采样信号u
byp
(k)的相位θ(k)＝0，角频率ωo(k)＝ωc(k)＝a，其中a为电网工频对应的角频率。例如，我国电网的工作频率为50hz，则其对应的角频率为100π。
[0046]
在一些实施例中，获取正交分量u
α
(k)和u
β
(k)的计算公式如下：
[0047][0048]
其中，k系数为0.5；
[0049]
计算两相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)的公式如下：
[0050][0051]
在一些实施例中，经pi调节后输出与中心角频率ωc(k)累加得到输出角频率ωo(k)，其中ωc(k)＝a*ωo(k)+(1-a)ωc(k-1)，a为滤波系数。
[0052]
在一些实施例中，所述pi调节的比例参数为k
p
＝0.1，积分系数ki＝0.1。
[0053]
下面示例性的阐述了本发明的一种具体实施例，应当理解的是，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0054]
一种应用于单相ups锁相环的频率前馈方法，包括以下步骤：
[0055]
s1、初始化，设旁路采样电压的相位θ(k)＝0，角频率ωo(k)＝100π；
[0056]
s2、对旁路电压进行采样，采样信号为u
byp
(k)，其中k为采样序号，采样频率为fs；
[0057]
s3、直流偏置补偿：通过输出角频率ωo(k)和采样频率fs计算出周期采样点数为n＝2*π*fs/ωo，并利用周期均值算法计算出直流偏置并进行补偿；
[0058]
s4、正交分量：旁路采样信号作为二阶广义积分模块的输入，通过利用公式得到一对正交分量u
α
和u
β
，公式如下：
[0059][0060]
上式中，k系数为0.5；
[0061]
s5、根据u
α
(k)和u
β
(k)，利用坐标公式可计算出两相静止坐标系中q轴电压分量uq(k)；
[0062][0063]
s6、锁相过程实际为旋转坐标系与旁路电压同步的过程，当uq(k)值为零时，即表示锁相环收敛，通过给定值和uq(k)反馈值得到误差值ε，经pi调节后输出与中心频率ωc(k)累加得到输出频率ωo(k)，其中ωc(k)＝a*ωo(k)+(1-a)ωc(k-1)，滤波系数a＝0.001，pi控制的比例参数为k
p
＝0.1，积分系数ki＝0.1；
[0064]
s7、通过对输出频率进行积分，即得到输入旁路电压信号的相位信息θ(k)＝∫ωo(k)；
[0065]
s8、重复步骤2～7，可得到下一时刻的相位以及频率信息。
[0066]
具体实施例：
[0067]
仿真模拟旁路电压信号u
byp
＝500sin(ωot)+50sin(3ωot)+100，采样频率fs为10khz，波形如图2所示；将模拟信号送入二阶广义积分器，生成波形如图3所示；在t＝0.5s时，频率从50hz突变至60hz，由图4可知，频率约0.3s后收敛稳定，而不带频率前馈的锁相环要使频率稳定甚至需要十几秒；锁相完成后，锁相精度可从频率稳定图(图5)可知，有直流偏置补偿的锁环环角频率在0.01rad/s波动，而没有直流偏置补偿的锁相环频率波动值达到0.3rad/s；频率突变后，锁相环输出相位约0.25s后开始收敛。可以看出，本发明提出的单相ups锁相环频率前馈方法，不仅能在频率突变的工况中迅速收敛，即时在含直流偏置的旁路电压信号中，保持高精度锁相效果。
[0068]
根据本发明的另一方面提供一种应用于单相ups的频率前馈锁相环，包括：鉴相器1、环路滤波器2、频率前馈模块3和压控振荡器4。鉴相器1用于对采样获得的旁路采样信号u
byp
(k)进行变换得到正交分量u
α
(k)和u
β
(k)，并对其进行坐标变换得到q轴电压分量uq(k)，通过给定值和uq(k)反馈值得到误差值ε，其中，采样频率为fs，k表示采样序号。q轴电压分量uq(k)作为所述环路滤波器2的输入，并经pi调节后得到输出值。频率前馈模块3用于将pi调节后的输出值与中心角频率ωc(k)累加后得到输出角频率ωo(k)。输出角频率ωo(k)在所述压控振荡器4的作用下转为角度，最终得到锁相结果。在一些实施例中，频率前馈模块3中包含低通滤波器(lpf)可将中心频率进行滤波后再与pi输出值累加，ωc(k)＝a*ωo(k)+(1-a)ωc(k-1)，滤波系数a＝0.001。
[0069]
在一些实施例中，该频率前馈锁相环还包括直流偏置补偿模块5，用于通过输出角频率ωo(k)和采样频率fs计算出周期采样点数n，利用周期均值算法计算出直流偏置，并在所述锁相环的输入端对所述旁路采样信号进行偏置补偿。
[0070]
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有数据处理程序，所述数据处理程序可被一个或多个处理器执行，所实现的功能或操作步骤与上述实施例大体相同，在此不再赘述。
[0071]
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
[0072]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0073]
上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发
明的保护范围。