一种三相数字锁相环及锁相方法

一种三相数字锁相环及锁相方法
【专利摘要】本发明提供了一种三相数字锁相环及锁相方法。该三相数字锁相环包括Clark变换单元、Park变换单元、二阶广义积分器、减法器、PI控制器、本地同步信号生成单元和三角函数表存储器。本发明使Park变换单元的输出uq作为二阶广义积分器的输入v，设置二阶广义积分器的中心频率为100Hz，则二阶广义积分器的输出v′在三相电网不平衡时即是负序分量中的二次谐波sin2ωt，再采用减法器使uq与v′求差值，即可消除二次谐波的干扰，从而使得三相数字锁相环能正常跟踪电网相位。而且，本发明采用晶振生成标频信号，再通过分频形成50Hz的本地同步信号，因此，锁相环无需跟踪电网频率，而仅跟踪相位即可。
【专利说明】一种三相数字锁相环及锁相方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种锁相环，具体地说是一种三相数字锁相环及锁相方法。

【背景技术】
[0002] 在有些与三相电网相关联的电力电子设备中，获得三相电网实时基波相位是非常 重要的，锁相环（Phase-Locked Loop, PLL)是一种能使输出信号与输入信号在相位和频率 上保持同步的自动闭环控制系统，应用广泛，可用于电力电子设备的控制过程中跟踪电网 相位。
[0003] 三相电网在瞬时故障或某些情况下，三相电压会变得不平衡，此不平衡三相电压 可表不为一系列不平衡谐波成分的合集。一般地，三相电压可表不为正序分量、负序分量和 零序分量的合集。对于采用隔离变压器网侧为角接的分布式电源系统，可忽略零序分量，仅 包含正序分量和负序分量。
[0004] 传统锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。鉴相器用于检 测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该电压 信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对压控振荡器输出信号的相位实施 控制。传统锁相环在三相电网电压处于平衡状态时可以很好地进行相位跟踪，但是，当三相 电网不平衡时，对于同频负序分量，鉴相器输出会受到二次谐波的干扰，从而使得锁相环不 能正常地跟踪电网相位，导致锁相失败。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的之一就是提供一种三相数字锁相环，以解决现有的锁相环在三相电 网不平衡时不能正常跟踪电网相位的问题。
[0006] 本发明的目的之二就是提供一种三相数字锁相方法，以在三相电网平衡和非平衡 状态均能对三相电网进行相位跟踪。
[0007] 本发明的目的之一是这样实现的：一种三相数字锁相环，包括：Clark变换单元， 与Park变换单元相接，用于采集三相电网电压u a、ub、u。并进行Clark变换以得到两相静止 坐标系下α轴分量u a和β轴分量ue ; Park变换单元，分别与所述Clark变换单元、三角函数表存储器、二阶广义积分器和减 法器相接，用于接收由三角函数表存储器输出的本地同步信号相位％的正弦值和余弦值， 并对两相静止坐标系下α轴分量ua和β轴分量u e进行Park变换以得到两相旋转坐标 系下q轴分量uq ; 二阶广义积分器，分别与所述Park变换单元和减法器相接，用于将所述Park变换单元 的输出u,作为输入V，并输出，给减法器；所述二阶广义积分器的中心频率为100Hz ; 减法器，分别与所述Park变换单元、所述二阶广义积分器和PI控制器相接，用于使所 述Park变换单元的输出u,与所述二阶广义积分器的输出，求差值，以得到包含三相电网 相位Θ与本地同步信号相位Θ。之差△ Θ的反馈信息； PI控制器，分别与所述减法器和本地同步信号生成单元相接，用于根据所述减法器输 出的反馈信息对本地同步信号生成单元所生成的本地同步信号相位进行调整； 本地同步信号生成单元，与所述PI控制器和三角函数表存储器相接，用于产生50Hz的 本地同步信号，并控制三角函数表存储器在本地同步信号的每一周期内均匀输出m组离散 的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值，同时在所述PI控制器的控制下，在本地同步信 号的每一周期内，对应m组三相电网相位与本地同步信号相位的相位差，对本地同步信号 的相位进行m次调整；m为自然正整数；以及 三角函数表存储器，分别与所述本地同步信号生成单元和所述Park变换单元相接，用 于在所述本地同步信号生成单元的控制下，在本地同步信号的每一周期内均匀输出m组离 散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值。
[0008] 所述本地同步信号生成单元包括： 标频生成器，与4分频单元相接，用于产生50 X4nm Hz的标频信号；η为自然正整数； 4分频单元，分别与所述ΡΙ控制器、所述标频生成器和η分频单元相接，用于对所述 50X4nm Hz的标频信号进行4分频，以得到50Xnm Hz的脉冲信号；同时，在所述ΡΙ控制 器的控制下，在本地同步信号的每一周期内，在对所述50 X4nm Hz的标频信号进行4分频 的过程中实现m次调整，每一次调整的结果是对所述50 X 4nm Hz的标频信号进行一次4分 频、3分频或5分频； η分频单元，分别与所述4分频单元和m分频单元相接，用于对所述50Xnm Hz的脉冲 信号进行η分频，以得到50Xm Hz的脉冲信号；以及 m分频单元，分别与所述η分频单元和所述三角函数表存储器相接，用于对所述50Xm Hz的脉冲信号进行m分频，以得到50 Hz的本地同步信号；同时，控制所述三角函数表存储 器在本地同步信号的每一周期内均匀输出m组离散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦 值。
[0009] 所述PI控制器控制所述4分频单元对本地同步信号的相位进行调整的过程具体 为： 当|Λ θ I彡δ时，所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信 号进行一次4分频； 当Λ θ > δ时，所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信号 进行一次3分频； 当Λ θ <- δ时，所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信 号进行一次5分频； 其中，S为预设的一正数。
[0010] 本发明所提供的三相数字锁相环，当电压跌落或其他原因导致三相电网不平衡 时，Park变换单元的输出uq会叠加二次谐波sin2 ω t,该二次谐波sin2 ω t实质上是三相 电网不平衡时同频负序分量形成的干扰。本发明使Park变换单元的输出u,作为二阶广义 积分器的输入V，设置二阶广义积分器的中心频率为100Hz，则二阶广义积分器的输出，在 三相电网不平衡时即是负序分量中的二次谐波sin2 ω t，再采用减法器使Park变换单元的 输出Uq与二阶广义积分器的输出，求差值，即可消除二次谐波的干扰，从而使得三相数字 锁相环能正常跟踪电网相位。对于三相电网平衡状态，由于u,中没有叠加二次谐波，因此， 二阶广义积分器的输出，为零输出，相当于二阶广义积分器不起作用，后续减法器的输出 仍然为Park变换单元的输出iv因此，仍然能保证锁相环对电网相位的正常跟踪。
[0011] 再有，本发明不采用通常的压控振荡器，而采用本地同步信号生成单元，即通过晶 振生成标频信号，再通过分频形成50Hz的本地同步信号，因此，本发明中的锁相环无需跟 踪电网频率，而仅跟踪相位即可。
[0012] 采用Matlab/Simulink对三相数字锁相环做仿真试验，仿真过程可以看出不同状 态下的电网对锁相环的影响。仿真结果验证了本发明中的本地同步信号相位可以快速跟踪 三相电网相位，同时具有抗电压跌落及三相电压不平衡的影响。
[0013] 本发明所提供的三相数字锁相环结构简单，易于实现。该锁相环可以很方便地移 植到FPGA中，构成全硬件锁相环；也可以移植到DSP中，构成全软件锁相环。
[0014] 本发明的目的之二是这样实现的：一种三相数字锁相方法，包括如下步骤： a、 用Clark变换单元采集三相电网电压ua、ub、u。并进行Clark变换，得到两相静止坐 标系下ct轴分量u a和β轴分量ue ; b、 用Park变换单元接收由三角函数表存储器输出的本地同步信号相位％的正弦值 和余弦值，并对两相静止坐标系下α轴分量ua和β轴分量u e进行Park变换，以得到两 相旋转坐标系下q轴分量uq ; c、 采用二阶广义积分器对所述q轴分量u,进行滤波，滤波后输出，，所述二阶广义积 分器的中心频率为100Hz ; d、 使所述q轴分量u,与所述二阶广义积分器的输出，求差值，得到包含三相电网相 位Θ与本地同步信号相位Θ。之差Λ Θ的反馈信息； e、 由本地同步信号生成单元产生50 Hz的本地同步信号； f、 本地同步信号生成单元控制三角函数表存储器在本地同步信号的每一周期内均匀 输出m组离散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值给步骤b中的所述Park变换单元； g、 用PI控制器接收步骤d中所述反馈信息；在本地同步信号的每一周期内，对应m组 三相电网相位Θ与本地同步信号相位Θ。的相位差△ Θ，所述PI控制器根据所述反馈信 息对本地同步信号生成单元所产生的本地同步信号的相位进行m次调整。
[0015] 其中，步骤e具体包括如下步骤： e-Ι、由标频生成器产生50X4nm Hz的标频信号； e-2、4分频单元对所述50X4nm Hz的标频信号进行4分频，得到50Xnm Hz的脉冲信 号； e_3、n分频单元对所述50Xnm Hz的脉冲信号进行η分频，得到50Xm Hz的脉冲信号； e-4、m分频单元对所述50Xm Hz的脉冲信号进行m分频，得到50 Hz的本地同步信号。
[0016] 步骤g中所述PI控制器根据所述反馈信息对本地同步信号生成单元所产生的本 地同步信号的相位进行调整，具体为： 当| Λ θ I彡δ时，在步骤e-2中由所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信号进行一次4分频； 当Λ θ > δ时，在步骤e-2中由所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50X4nm Hz的标频信号进行一次3分频； 当Λ θ < - δ时，在步骤e-2中由所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信号进行一次5分频； 其中，S为预设的一正数。
[0017] 本发明所提供的三相数字锁相方法，采用二阶广义积分器对Park变换单元的输 出u,进行选频滤波，在三相电网不平衡时，通过选频滤波可得出u,中所叠加的二次谐波 sin2 ω t，之后使Park变换单元的输出uq减去通过选频滤波得到的二次谐波sin2 ω t，从而 可消除负序分量中二次谐波的干扰；由本地同步信号生成单元产生50Hz的本地同步信号， PI控制器根据三相电网相位Θ与本地同步信号相位Θ。的相位差△ Θ对本地同步信号的 相位进行调整，从而可实现对三相电网相位的跟踪。
[0018] 本发明所提供的三相数字锁相方法，既可在三相电网平衡时跟踪电网相位，也可 在三相电网不平衡时跟踪电网相位。该方法相比现在普遍使用的和正在研究的方法简单、 有效，同时在其他方面也有良好的性能。如抗电压跌落或在三相电网不平衡时，都具有跟踪 电网正序基波电压相位的功能。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1是本发明中三相数字锁相环的结构框图。
[0020] 图2是图1中二阶广义积分器的结构框图。
[0021] 图3是本发明中二阶广义积分器的波特图。
[0022] 图4是本发明中4分频单元可完成的4分频、3分频和5分频的时序逻辑状态图。
[0023] 图5是本发明仿真试验①中三相平衡电压波形图。
[0024] 图6是本发明仿真试验①中Park变换单元的输出uq的波形。
[0025] 图7是本发明仿真试验①中三相电网相位与本地同步信号相位之间关系的波形 图。
[0026] 图8是本发明仿真试验②中三相不平衡电压波形图。
[0027] 图9是本发明仿真试验②中Park变换单元的输出uq的波形。
[0028] 图10是本发明仿真试验②中三相电网相位与本地同步信号相位之间关系的波形 图。
[0029] 图11是本发明仿真试验③中Park变换单元的输出uq的波形。
[0030] 图12是本发明仿真试验③中三相电网相位与本地同步信号相位之间关系的波形 图。
[0031] 图13是本发明仿真试验④中三相电网相位突变的波形图。
[0032] 图14是本发明仿真试验④中Park变换单元的输出uq的波形。
[0033] 图15是本发明仿真试验④中三相电网相位与本地同步信号相位之间关系的波形 图。
[0034] 图16是本发明仿真试验⑤中三相电网中出现五次正序谐波的波形图。
[0035] 图17是本发明仿真试验⑤中Park变换单元的输出uq的波形。
[0036] 图18是本发明仿真试验⑤中三相电网相位与本地同步信号相位之间关系的波形 图。

【具体实施方式】
[0037] 实施例1 : 一种三相数字锁相环。
[0038] 如图1所示，本发明所提供的三相数字锁相环包括Clark变换单元l、Park变换单 兀 2、二阶广义积分器（Second Order Generalized Integra，S0GI) 3、减法器 4、PI 控制器 5、本地同步信号生成单元6和三角函数表存储器7。
[0039] Clark变换单元1与Park变换单元2相接，Clark变换单元1采集三相电网电压 113、11 13、11。，电压11￡1对应的相位为0(0=(〇1：)，电压1113对应的相位为（0-12〇°)，电压11 (； 对应的相位为（Θ + 120° )，三相电网电压等效合成为一幅值为V、角频率为ω的旋转矢 量。Clark变换单元1将平面abc三轴表示的三相电网电压u a、ub、u。进行Clark变换，以 得到两相静止坐标系下α轴分量ua和β轴分量u e。
[0040] Park变换单元2 -方面接收Clark变换单元1输出的a轴分量Ua和β轴分量 ue ;另一方面接收三角函数表存储器7输出的本地同步信号相位％的正弦值sin Θ ^和余 弦值cos Θ ^。三角函数表存储器7在本地同步信号生成单元6的控制下，在本地同步信号 (50Hz )的一个周期（0. 02s)内，均匀输出m组离散的、不同角度的本地同步信号相位的正弦 值和余弦值，m为自然正整数。例如，若m为20,本地同步信号的一个周期为0.02s，即对应 相位的一个周期360° ;360°被20等分，每份18° ;0. 02s被20等分，每份lms;因此，三 角函数表存储器7从0°开始，每间隔lms，均匀输出20组离散的、不同角度的本地同步信 号相位的正弦值和余弦值。
[0041] 三角函数表存储器7在一个周期内输出m组离散的、不同角度的本地同步信号相 位的正弦值和余弦值给Park变换单元2，Park变换单元2对两相静止坐标系下a轴分量u a 和β轴分量ue进行Park变换，以得到两相旋转坐标系下q轴分量uq和d轴分量ud(u d在 本发明中不予考虑)。旋转坐标系下的旋转角频率即为本地同步信号角频率ω(ι，ω(ι=θΑ， Θ。为本地同步信号相位。无论坐标如何变化，三相电网电压旋转矢量的幅值V和角频率ω 不会变化，仅坐标形式和表示方式不同而已。
[0042] Park变换单兀2输出q轴分量uq，Θ为三相电网相位。当Θ - Θ。= 〇时，表不本 地相位锁定。如果三相电网电压出现负序分量，则Park变换单元2输出的u,中将出现二次 谐波sin2 ω t干扰，这个干扰会加大相位锁定后的相位误差，以至超出允许误差（1. 44° ) 范围。
[0043] 为了消除二次谐波sin2 ω t造成的干扰，本发明使Park变换单元2的输出uq经过 二阶广义积分器3,二阶广义积分器3将Park变换单元2的输出u,作为输入V，并输出，。 如图2所示，图中示出了二阶广义积分器3包括加法器、放大器、乘法器和积分器，二阶广义 积分器3可以完全由硬件实现。二阶广义积分器3的特点是：一、它是具有选频特性的窄带 带通滤波器，带通的中心角频率为ω、中心角频率由输入信号ω'控制，ω'为一常数，本 发明中ω'为200 31，即对应中心频率100Hz ;二、其输出为，和q，（q，在本发明中不予 考虑）两路角频率为ω'的正交信号；三、根据图3二阶广义积分器的波特图，从图中幅频 特性可以看出S0GI对角频率为ω'的信号零衰减，对角频率为ω'的其它谐波信号有较大 衰减，从图中相频特性可以看出S0GI对角频率为ω'的信号无移相，对角频率为ω'的其 它谐波信号移相接近90°。基于二阶广义积分器的上述特点，因此，u,作为二阶广义积分 器3的输入V，ω'为200 π，在三相电网不平衡时，二阶广义积分器3的输出，即是u,中 同相的二次谐波sin2 ω t ;而在三相电网平衡时，二阶广义积分器3的输出，即是零输出。
[0044] Park变换单元2的输出和二阶广义积分器3的输出均接减法器4,在减法器4内 实现使Park变换单元2的输出u,与二阶广义积分器3的输出，相减，即可消除三相电网 不平衡时由同频负序分量中的二次谐波sin2 ω t造成的干扰。u,与，相减的差值即为sin (Θ - θ〇)，其中，θ为三相电网相位，θ〇为本地同步信号相位。
[0045] 图1中示出了通过单独的减法器4来实现u,与，相减，并将减法器4的输出连 接ΡΙ控制器5的输入；另一种实施方式是：不采用单独的减法器4,而是使二阶广义积分器 3内部的ε ν直接与ΡΙ控制器5的输入相接，因为二阶广义积分器3内部的ε ν即是ν (即 uq)与，的差值。
[0046] 减法器4的输出送入PI控制器5，PI控制器5对所接收到的sin ( Θ - Θ J进行 放大、积分等运算得到相位差Λ Θ信号，Λ θ = θ - Θ。，在Λ Θ较小时，认为Λ Θ与sin (Θ - Θ。相等，本发明中就认为Λ Θ与sin ( Θ - Θ。相等，下同，不再赘述；PI控制器 5根据相位差Λ Θ信号对本地同步信号生成单元6中的4分频单元62进行调控，以对本地 同步信号的相位进行调整，使本地同步信号的相位与三相电网相位同步。
[0047] 本地同步信号生成单元6包括标频生成器61、4分频单元62、η分频单元63和m分 频单元64，n、m均为自然正整数；例如η可以为200、300、400等，m可以为20、30、40等。标 频生成器61可以由晶振来实现，其用于产生50X4nm Hz的标频脉冲信号(或称标频信号)。 4分频单元62 -方面与标频生成器61相接，用于对50 X4nm Hz的标频信号进行连续性的 4分频，以得到50 Xnm Hz的脉冲信号；另一方面与PI控制器5相接，在PI控制器5的控 制下，在本地同步信号的每一周期（0. 02s)内，在对50 X 4nm Hz的标频信号进行连续性4分 频的过程中实现m次离散性的调整，每一次调整的结果是对50X4nm Hz的标频信号进行一 次4分频、3分频或5分频。一周期内进行m次调整，该处的m次即与三角函数表存储器7 一周期内输出的m组不同角度的sin Θ ^和cos Θ ^相对应，也就是说，在三角函数表存储器 7某一时刻输出一组sin Θ。和cos Θ。后，接着由Park变换单元2输出iv uq通过二阶广义 积分器3、减法器4得到sin (Θ - 0J，再由PI控制器5控制4分频单元62进行一次调 整。
[0048] 本发明中的4分频单元62其实是一个可完成4分频、3分频和5分频的时序逻辑 电路，其可通过加/减门结构来实现。参考图4,图4中分别示出了 4分频、3分频和5分频 的时序逻辑状态图。
[0049] 结合图4, PI控制器5控制4分频单元62进行相位调整其实是通过扣除分频脉 冲或添加分频脉冲来实现的，具体为：当I Λ θ |彡δ时（Λ θ = θ - θ。，δ为预设的一正 数，例如为0. 1或0. 2等)，认为本地同步信号相位锁定，此时PI控制器5不进行调控，或者 说PI控制器5控制4分频单元62对50 X 4nm Hz的标频信号进行一次4分频（即仍然进行 4分频）；当Λ θ > δ时，表示本地同步信号相位Θ。滞后，此时由PI控制器5控制4分 频单元62对50 X4nm Hz的标频信号进行一次3分频，使本地同步信号相位Θ ^前移一个 脉冲时间，进行一次离散性的3分频；当Λ θ < - δ时，表示本地同步信号相位Θ。超前， 此时由ΡΙ控制器5控制4分频单元62对50 X4nm Hz的标频信号进行一次5分频，使本地 同步信号相位后移一个脉冲时间，进行一次离散性的5分频。需要说明的是，此处在一 周期内进行m次离散性的调整，对最终所形成的本地同步信号的频率造成的影响可忽略不 计，但是，却可使本地同步信号的相位发生改变。
[0050] 本发明中所述的4分频可通过一四进制循环计数器来实现，四进制循环计数器由 零开始计数，计数达到一个周期后输出一个脉冲信号，之后清零继续计数，继续输出脉冲信 号，从而实现4分频。对于其他3分频、5分频、η分频和m分频均与4分频的原理一样，不 再详述。
[0051] 4分频单元62输出的50Xnm Hz的脉冲信号，经η分频单元进行η分频后，得到 50Xm Hz的脉冲信号；50Xm Hz的脉冲信号再由m分频单元进行m分频，得到相位为Θ。、 频率为50 Hz的本地同步信号。
[0052] 三角函数表存储器7可以为ROM (Read-Only Memory，只读存储器)，三角函数表 存储器7内设置有至少m个存储单元，每一存储单元内存储有同一角度的本地同步信号相 位的正弦值和余弦值。三角函数表存储器7在m分频单元64的控制下，在本地同步信号的 每一周期（〇. 〇2s)内依序从m个存储单元中提取相应数据输出给Park变换单元2,三角函 数表存储器7每间隔（0. 02/m)秒输出一组数据，相邻输出数据对应的本地同步信号的相位 相差360° /m。例如，若m为20，m分频单元64为二十进制的循环计数器，二十进制的循环 计数器输出5根地址线给三角函数表存储器7,三角函数表存储器7采用这5根地址线来 定位其内部的20个存储单元。本地同步信号的一个周期为0. 02s，即对应相位的一个周期 360° ;m为20时，360°被20等分，每份18°，因此从0°开始，每间隔18°的本地同步信 号相位的正弦值和余弦值分别存储于20个存储单元中。0. 02s被20等分，每份lms ;二十 进制的循环计数器控制三角函数表存储器7从0°开始，每间隔lms，输出一组本地同步信 号相位的正弦值和余弦值，相邻输出对应的本地同步信号的相位相差18°。
[0053] 采用Matlab/Simulink对本发明中的三相数字锁相环做仿真试验，仿真过程可以 看出不同状态下的电网对锁相环的影响。仿真结果验证了本发明中的本地同步信号相位可 以快速跟踪三相电网相位，同时具有抗电压跌落和三相电压不平衡的影响。各仿真试验具 体如下： 仿真试验① 在三相电网电压平衡条件下，使三相电网相位与本地同步信号相位相差90°，采用本 发明中的三相数字锁相环对其进行锁相，仿真试验所得结果见图5?图7,图5示出了三相 平衡电压波形图，图6不出了 Park变换单兀的输出uq的波形，图7不出了三相电网相位与 本地同步信号相位之间关系的波形图。由图5?图7可看出，在三相电网电压平衡，且三相 电网相位与本地同步信号相位相差90°的情况下，采用本发明中的三相数字锁相环大约在 0. 09s完成锁相，且相位误差在允许范围之内。
[0054] 仿真试验② 在三相电网电压不平衡条件下，在0. Is后使电压ub和U。均跌落50%，采用不加二阶广 义积分器的三相数字锁相环对其进行锁相，仿真试验所得结果见图8?图10,图8示出了三 相不平衡电压波形图，图9示出了 Park变换单元的输出uq的波形，图10示出了三相电网 相位与本地同步信号相位之间关系的波形图。由图8~图10可看出，在三相电网电压出现 不平衡情况时，其将影响Park变换单元的输出iv在不加二阶广义积分器的情况下，相位差 大于7°，超出允许误差范围。
[0055] 仿真试验③ 在三相电网电压不平衡条件下，在0. Is后使电压ub和U。均跌落50%，采用本发明中的 三相数字锁相环对其进行锁相，仿真试验所得结果见图8、图11和图12,图8示出了三相不 平衡电压波形图，图11示出了 Park变换单元的输出uq的波形，图12示出了三相电网相位 与本地同步信号相位之间关系的波形图。由图8、图11和图12可看出，在三相电网电压出 现不平衡情况时，其将影响Park变换单元的输出iv在锁相环中加入二阶广义积分器后，相 位误差在允许范围之内。
[0056] 仿真试验④ 在0. Is后使三相电网相位突变90°，采用本发明中的三相数字锁相环对其进行锁相， 仿真试验所得结果见图13~图15,图13示出了三相电网相位突变的波形图，图14示出了 Park变换单兀的输出uq的波形，图15不出了三相电网相位与本地同步信号相位之间关系 的波形图。由图13~图15可看出，在0.1s后三相电网相位突变90°的情况下，采用本发明 中的三相数字锁相环大约在〇. 17s后可由本地同步信号相位锁定。
[0057] 仿真试验⑤ 在0. Is后出现5次正序谐波，且5次正序谐波幅值是基波幅值的5%，采用本发明中的 三相数字锁相环对其进行锁相，仿真试验所得结果见图16~图18,图16示出了三相电网中 出现五次正序谐波的波形图，图17示出了 Park变换单元的输出u,的波形，图18示出了三 相电网相位与本地同步信号相位之间关系的波形图。由图16~图18可看出，在出现5次正 序谐波后，且谐波幅值为基波幅值的5%时，对锁相输出有影响，但仍然能锁定相位，相位误 差在允许范围之内。若谐波幅值超过基波幅值的5%后，锁相误差将逐渐增大。
[0058] 实施例2, 一种三相数字锁相方法。
[0059] 参考图1，本发明所提供的三相数字锁相方法包括如下步骤： a、Clark变换单元1采集三相电网电压ua、ub、u。并进行Clark变换，得到两相静止坐 标系下ct轴分量ua和β轴分量ue。
[0060] b、Park变换单元2接收由三角函数表存储器7输出的本地同步信号相位Θ。的正 弦值和余弦值，并对两相静止坐标系下α轴分量u a和β轴分量ue进行Park变换，以得 到两相旋转坐标系下q轴分量uq。
[0061] 三角函数表存储器7在一个周期内输出m组离散的、不同角度的本地同步信号相 位的正弦值和余弦值给Park变换单元2，Park变换单元2对两相静止坐标系下α轴分量u a 和β轴分量ue进行Park变换，以得到两相旋转坐标系下q轴分量uq和d轴分量ud(u d在 本发明中不予考虑)。旋转坐标系下的旋转角频率即为本地同步信号角频率ω(ι，ω(ι=θΑ， Θ c!为本地同步信号相位。
[0062] 在三相电网电压出现负序分量时，Park变换单元2输出的uq中将出现二次谐波 sin2 ω t干扰，这个干扰会加大相位锁定后的相位误差。
[0063] c、采用二阶广义积分器3对q轴分量u,进行滤波，滤波后输出V、二阶广义积分 器3的中心频率为100Hz。
[0064] 如图2所示，二阶广义积分器3包括加法器、放大器、乘法器和积分器，二阶广义积 分器3可以完全由硬件实现；其特点是：一、它是具有选频特性的窄带带通滤波器，带通的 中心角频率为ω、中心角频率由输入信号ω '控制，ω '为一常数，本发明中ω '为200 π， 即对应中心频率100Hz ;二、其输出为，和q，（q，在本发明中不予考虑）两路角频率为 ω '的正交信号；三、根据图3二阶广义积分器的波特图，从图中幅频特性可以看出S0GI对 角频率为αΤ的信号零衰减，对角频率为αΤ的其它谐波信号有较大衰减，从图中相频特性 可以看出SOGI对角频率为ω'的信号无移相，对角频率为GT的其它谐波信号移相接近 90°。基于二阶广义积分器的上述特点，因此，u,经二阶广义积分器3后被滤波，在三相电 网不平衡时，二阶广义积分器3的输出，即是u,中同相的二次谐波sin2 ω t。
[0065] d、使q轴分量u,与二阶广义积分器3的输出，求差值，得到包含三相电网相位 Θ与本地同步信号相位Θ。之差Λ Θ的反馈信息。
[0066] 通过此步骤可消除因同频负序分量中二次谐波sin2〇n造成的干扰。
[0067] 当然，此步骤中所得q轴分量u,与，之差，也可直接由二阶广义积分器3内部的 εν得出，因为二阶广义积分器3内部的εν即是v (即uq)与，的差值。
[0068] e、由本地同步信号生成单元6产生50 Hz的本地同步信号。
[0069] 具体步骤如下： e-Ι、由晶振产生50X4nm Hz的标频脉冲信号，η和m均为自然正整数。
[0070] e_2、4分频单元62对50X4nm Hz的标频脉冲信号进行连续性的4分频，得到 50 Xnm Hz的脉冲信号。
[0071] e-3、n分频单元63对50Xnm Hz的脉冲信号进行连续性的η分频，得到50Xm Hz 的脉冲信号。η可以为200、300、400等。
[0072] e-4、m分频单元64对50Xm Hz的脉冲信号进行连续性的m分频，得到50 Hz的 本地同步信号。m可以为20、30、40等。
[0073] f、本地同步信号生成单元6控制三角函数表存储器7在本地同步信号的每一周期 内均勻输出m组离散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值给步骤b中的Park变换单元 2〇
[0074] 本地同步信号生成单元6中的m分频单元64其实是m进制的循环计数器，m分频 单元64的输出为三角函数表存储器7的地址线。m分频单元64控制三角函数表存储器7 在一个周期（〇. 〇2s)内输出m组离散的、不同角度的本地同步信号相位的正弦值和余弦值， 相邻输出对应的本地同步信号的相位相差360° /m。
[0075] g、PI控制器5接收步骤d中反馈信息；在本地同步信号的每一周期内，对应m组 三相电网相位Θ与本地同步信号相位％的相位差Λ θ，PI控制器5根据反馈信息对本 地同步信号生成单元6所产生的本地同步信号的相位进行m次调整。
[0076] PI控制器5针对所接收到的每一反馈信息sin ( Θ - 0J，通过运算得出相位 差Λ Θ信号，根据Λ Θ控制4分频单元62对本地同步信号相位进行一次调整。一个周期 (0. 02s)内，三角函数表存储器7输出m组本地同步信号相位的正弦值和余弦值，Park变换 单元2输出m次iv PI控制器5接收m次反馈信息，从而控制4分频单元62对本地同步信 号相位进行m次调整。对于每一次调整，其实是对50 X4nm Hz的标频脉冲信号进行一次离 散性的4分频、3分频或5分频。具体调整过程为：当| Λ Θ |彡δ时（Λ θ = Θ - θ μ δ 为预设的一正数)，认为本地同步信号相位锁定，此时PI控制器5不进行调控，或者说PI控 制器5控制4分频单元62对50X4nm Hz的标频脉冲信号进行一次4分频；当Λ θ > δ 时，表示本地同步信号相位Θ。滞后，此时由PI控制器5控制4分频单元62对50 X4nm Hz 的标频脉冲信号进行一次3分频，使本地同步信号相位Θ ^前移一个脉冲时间，进行一次离 散性的3分频；当Λ θ <- δ时，表示本地同步信号相位Θ。超前，此时由ΡΙ控制器5控 制4分频单元62对50 X 4nm Hz的标频脉冲信号进行一次5分频，使本地同步信号相位Θ Q 后移一个脉冲时间，进行一次离散性的5分频。
【权利要求】
1. 一种三相数字锁相环，其特征是，包括： Clark变换单元，与Park变换单元相接，用于采集三相电网电压ua、ub、u。并进行Clark 变换以得到两相静止坐标系下α轴分量ua和β轴分量ue ; Park变换单元，分别与所述Clark变换单元、三角函数表存储器、二阶广义积分器和减 法器相接，用于接收由三角函数表存储器输出的本地同步信号相位％的正弦值和余弦值， 并对两相静止坐标系下α轴分量ua和β轴分量u e进行Park变换以得到两相旋转坐标 系下q轴分量uq ; 二阶广义积分器，分别与所述Park变换单元和减法器相接，用于将所述Park变换单元 的输出u,作为输入V，并输出，给减法器；所述二阶广义积分器的中心频率为100Hz ; 减法器，分别与所述Park变换单元、所述二阶广义积分器和PI控制器相接，用于使所 述Park变换单元的输出u,与所述二阶广义积分器的输出，求差值，以得到包含三相电网 相位Θ与本地同步信号相位Θ。之差△ Θ的反馈信息； PI控制器，分别与所述减法器和本地同步信号生成单元相接，用于根据所述减法器输 出的反馈信息对本地同步信号生成单元所生成的本地同步信号相位进行调整； 本地同步信号生成单元，与所述PI控制器和三角函数表存储器相接，用于产生50Hz的 本地同步信号，并控制三角函数表存储器在本地同步信号的每一周期内均匀输出m组离散 的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值，同时在所述PI控制器的控制下，在本地同步信 号的每一周期内，对应m组三相电网相位与本地同步信号相位的相位差，对本地同步信号 的相位进行m次调整；m为自然正整数；以及 三角函数表存储器，分别与所述本地同步信号生成单元和所述Park变换单元相接，用 于在所述本地同步信号生成单元的控制下，在本地同步信号的每一周期内均匀输出m组离 散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值。
2. 根据权利要求1所述的三相数字锁相环，其特征是，所述本地同步信号生成单元包 括： 标频生成器，与4分频单元相接，用于产生50 X4nm Hz的标频信号；η为自然正整数； 4分频单元，分别与所述ΡΙ控制器、所述标频生成器和η分频单元相接，用于对所述 50 X4nm Hz的标频信号进行4分频，以得到50 Xnm Hz的脉冲信号；同时，在所述ΡΙ控制 器的控制下，在本地同步信号的每一周期内，在对所述50X4nm Hz的标频信号进行4分频 的过程中实现m次调整，每一次调整的结果是对所述50 X 4nm Hz的标频信号进行一次4分 频、3分频或5分频； η分频单元，分别与所述4分频单元和m分频单元相接，用于对所述50Xnm Hz的脉冲 信号进行η分频，以得到50Xm Hz的脉冲信号；以及 m分频单元，分别与所述η分频单元和所述三角函数表存储器相接，用于对所述50Xm Hz的脉冲信号进行m分频，以得到50 Hz的本地同步信号；同时，控制所述三角函数表存储 器在本地同步信号的每一周期内均匀输出m组离散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦 值。
3. 根据权利要求2所述的三相数字锁相环，其特征是，所述PI控制器控制所述4分频 单元对本地同步信号的相位进行调整的过程具体为： 当| △ Θ |彡δ时，所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信 号进行一次4分频； 当Λ θ > δ时，所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信号 进行一次3分频； 当Λ θ <- δ时，所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信 号进行一次5分频； 其中，S为预设的一正数。
4. 一种三相数字锁相方法，其特征是，包括如下步骤： a、 用Clark变换单元采集三相电网电压ua、ub、u。并进行Clark变换，得到两相静止坐 标系下ct轴分量u a和β轴分量ue ; b、 用Park变换单元接收由三角函数表存储器输出的本地同步信号相位％的正弦值 和余弦值，并对两相静止坐标系下α轴分量ua和β轴分量u e进行Park变换，以得到两 相旋转坐标系下q轴分量uq ; c、 采用二阶广义积分器对所述q轴分量u,进行滤波，滤波后输出，，所述二阶广义积 分器的中心频率为100Hz ; d、 使所述q轴分量u,与所述二阶广义积分器的输出，求差值，得到包含三相电网相 位Θ与本地同步信号相位Θ。之差Λ Θ的反馈信息； e、 由本地同步信号生成单元产生50 Hz的本地同步信号； f、 本地同步信号生成单元控制三角函数表存储器在本地同步信号的每一周期内均匀 输出m组离散的、本地同步信号相位的正弦值和余弦值给步骤b中的所述Park变换单元； g、 用PI控制器接收步骤d中所述反馈信息；在本地同步信号的每一周期内，对应m组 三相电网相位Θ与本地同步信号相位Θ。的相位差△ Θ，所述PI控制器根据所述反馈信 息对本地同步信号生成单元所产生的本地同步信号的相位进行m次调整。
5. 根据权利要求4所述的三相数字锁相方法，其特征是，步骤e具体包括如下步骤： e-Ι、由标频生成器产生50X4nm Hz的标频信号； e-2、4分频单元对所述50X4nm Hz的标频信号进行4分频，得到50Xnm Hz的脉冲信 号； e_3、n分频单元对所述50Xnm Hz的脉冲信号进行η分频，得到50Xm Hz的脉冲信号； e-4、m分频单元对所述50Xm Hz的脉冲信号进行m分频，得到50 Hz的本地同步信号。
6. 根据权利要求5所述的三相数字锁相方法，其特征是，步骤g中所述PI控制器根据 所述反馈信息对本地同步信号生成单元所产生的本地同步信号的相位进行调整，具体为： 当| Λ Θ |彡δ时，在步骤e-2中由所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信号进行一次4分频； 当Λ θ > δ时，在步骤e-2中由所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50X4nm Hz的标频信号进行一次3分频； 当Λ θ < - δ时，在步骤e-2中由所述PI控制器控制所述4分频单元对所述50 X4nm Hz的标频信号进行一次5分频； 其中，S为预设的一正数。
【文档编号】H03L7/08GK104158540SQ201410426553
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】陆原, 汪周玮, 郭素兵, 王少龙, 魏大鹏 申请人:河北大学