一种软件锁相环的实现方法及装置与流程

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种软件锁相环的实现方法及装置。

背景技术：

目前，在脉冲宽度调制整流器、不间断电源UPS、风能逆变器、太阳能逆变器等能量转换装置中，准确获取电网基波的相角和频率是运行控制所需的重要信息。控制中应用最广泛的三相软件锁相环为单同步旋转坐标系软件锁相环(SSRF-SPLL)，其锁相方法实现简单，在电网电压平衡、电压畸变小时，能进行快速和准确的锁相。但是，当电网电压出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时，现有的三相软件锁相环的锁相效果无法满足控制要求。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种软件锁相环的实现方法及装置，该软件锁相环针对电网电压出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时可实现快速准确锁相效果。

第一方面，提供了一种软件锁相环的实现方法，所述方法包括：

基于克拉克变换，将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量；

根据第一双二阶广义积分器获取所述两相电压分量对应的基波正序分量；

基于帕克变换，将所述基波正序分量转换成d、q轴电压分量；

对所述q轴电压分量进行PI调节积分以获取电网电压的相位角；

根据第二双二阶广义积分器获取所述相位角对应的相位角调节值并将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。

第二方面，还提供了一种软件锁相环的实现装置，所述装置包括：

第一转换模块，用于基于克拉克变换，将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量；

第一获取模块，用于根据第一双二阶广义积分器获取所述两相电压分量对应的基波正序分量；

第二转换模块，用于基于帕克变换，将所述基波正序分量转换成d、q轴电压分量；

第二获取模块，用于对所述q轴电压分量进行PI调节积分以获取电网电压的相位角；

反馈模块，用于根据第二双二阶广义积分器获取所述相位角对应的相位角调节值并将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。

本发明的实施例通过将电网电压的三相电压分量根据克拉克变换转换成两相电压分量；将两相电压分量输入至第一双二阶广义积分器以获取所述两相电压分量对应的基波正序分量；再基于帕克变换，将所述基波正序分量转换成d、q轴电压分量；对所述q轴电压分量进行PI调节积分以获取电网电压的相位角；以及根据第二双二阶广义积分器获取所述相位角对应的相位角调节值并将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。通过该方法实现的软件锁相环，在电网电压出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时，依然可以实现快速准确的锁相效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种软件锁相环的实现方法的示意流程图；

图2是图1中的步骤S104的子步骤示意流程图；

图3是图1中的步骤S105的子步骤示意流程图；

图4是本发明实施例提供的二阶广义积分器的传递函数的Bode图；

图5是本发明实施例提供的一种软件锁相环的原理框图；

图6至图9是本发明实施例提供的软件锁相环的锁相效果示意图；

图10是本发明实施例提供的一种软件锁相环的实现装置示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种软件锁相环的实现方法的示意流程图，该软件锁相环的实现方法可以运行在数字信号处理芯片上，比如DPS、ARM等，也可以用仿真软件实现，比如MATLAB。该软件锁相环的实现方法在电网电压出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时，可以实现快速准确的锁相。如图1所示，该软件锁相环的实现方法包括步骤S101～S105。

S101、基于克拉克变换，将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量。

在本发明的实施例中，在基于克拉克变换将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量之前，还包括：采样获取所述电网电压的三相电压分量。具体地，可以通过采样电路单元对电网线电压或相电压信息进行相关处理后，以获得该电网电压的三相电压分量，分别表示为：V_a、V_b和V_c。

具体地，该克拉克变换包括克拉克(Clark)变换式，通过该克拉克变换式可以将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量，两相电压分量分别表示为：V_α和V_β。所述克拉克变换式：

其中，在公式(1-1)中，V_α和V_β为所述两相电压分量，即两相静止αβ坐标系下的电压；V_a、V_b和V_c为电网电压的三相电压分量，即三相静止abc坐标系下的电压。

S102、根据第一双二阶广义积分器获取所述两相电压分量对应的基波正序分量。

在本发明的实施例中，将两相电压分量V_α和V_β输入至第一双二阶广义积分器进行相关计算后得到所述两相电压分量对应的基波正序分量，该基波正序分量表示为：和由于基波正序分量与三相电压分量的相序有关，即针对正负相序使用不同计算公式进行计算。因此，所述根据第一双二阶广义积分器获取所述两相电压分量对应的基波正序分量，包括：判断所述电网电压的三相电压分量的相序并生成判断结果；根据所述判断结果和第一双二阶广义积分器选择不同的预设计算公式计算所述两相电压分量对应的基波正序分量。

比如，V_a、V_b和V_c为正序时，即表示为：

V_a＝U_m cos(ωt)

V_b＝U_m cos(ωt-2π/3)

V_c＝U_m cos(ωt+2π/3)

则基波正序分量和由下述第一预设计算公式计算，第一预设计算公式：

在第一预设计算公式(1-2)中，qV′_α、qV′_β、V′_α和V′_β为所述第一双二阶广义积分器接收两相电压分量V_α和V_β的输出量，q等于

V_a、V_b和V_c为负序时，即表示为：

V_a＝U_m cos(ωt)

V_b＝U_m cos(ωt+2π/3)

V_c＝U_m cos(ωt-2π/3)

则基波正序分量和由下述第二预设计算公式计算，第二预设计算公式：

在第二预设计算公式(1-3)中，qV′_α、qV′_β、V′_α和V′_β为所述第一双二阶广义积分器接收两相电压分量V_α和V_β的输出量，q等于

由所述第一双二阶广义积分器可以在电网电压正常或电网电压存在电压不平衡时计算出基波正序分量，同时又可以滤除电网电压中的谐波分量，因此可以提高锁相环的准确度。

S103、基于帕克变换，将所述基波正序分量转换成d、q轴电压分量。

在本发明的实施例中，利用帕克(Park)变换式，将基波正序分量和转成d轴电压分量和q轴电压分量。其中，该d轴电压分量和q轴电压分量分别表示为V_d和V_q。

具体地，所述帕克变换式：

在式(1-4)中，V_q和V_d分别为所述d轴电压分量、q轴电压分量，和为基波正序分量。

S104、对所述q轴电压分量进行PI调节积分以获取电网电压的相位角。

在本发明的实施例中，将所述q轴电压分量输入至PI调节器后，在经过积分器对PI调节器的输出量进行积分，以得到电网电压的相位角。

其中，对所述q轴电压分量进行PI调节积分以获取电网电压的相位角包括以下步骤，如图2所示，即步骤S104包括子步骤S104a～S104c。

S104a、将所述q轴电压分量输入至PI调节器进行PI调节。具体地，将所述q轴电压分量V_q输入至PI调节器，经过该PI调节器调节得到PI调节输出量。

S104b、将所述PI调节输出量加上初始角频率以获取电网电压的角频率。具体地，将所述PI调节输出量输入至加法器加上初始角频率以获得所述电网电压的角频率，本实施例中，初始角频率为电网电压额定角频率。

S104c、通过积分器对所述角频率进行积分以获得电网电压的相位角。具体地，将所述电网电压的角频率输入至一积分器进行积分处理，从而获得所述电网电压的相位角θ。

S105、根据第二双二阶广义积分器获取所述相位角对应的相位角调节值并将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。

在本发明的实施例中，所述相位角调节值包括正弦调节值和余弦调节值，将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环，包括将所述正弦调节值和余弦调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。

其中，所述根据第二双二阶广义积分器获取所述相位角对应的相位角调节值并将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环，包括以下步骤，即如图3所示，步骤S105包括子步骤S105a～S105c。

S105a、计算所述相位角的正弦值和余弦值。具体地，利用现有的三角函数关系计算所述相位角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ。

S105b、将所述正弦值和余弦值输入至第二双二阶广义积分器以获取所述正弦调节值和余弦调节值。具体地，将所述正弦值sinθ和余弦值cosθ输入至第二双二阶广义积分器以获取所述正弦调节值sin'θ和余弦调节值cos'θ。其中，sin'θ＝(sinθ₁+qcosθ₁)/2，cos'θ＝(-qsinθ₁+cosθ₁)/2，其中，qsinθ₁、qcosθ₁、sinθ₁及cosθ₁为sinθ和cosθ经过第二双二阶广义积分器的输出量。

S105c、将所述正弦调节值和余弦调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。具体地，将正弦调节值sin'θ和余弦调节值cos'θ反馈至所述帕克变换形成闭环调节以获得帕克变换的d轴电压分量和q轴电压分量。

综上，由上述步骤形成一个闭环的软件锁相环，该软件锁相环通过使用两个双二阶广义积分器的巧妙设计，以及配合PI调节作用，可以有效地解决电网电压中出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时对锁相环锁相时的影响。其中第一双二阶广义积分器可有效解决电网电压中出现电压不平衡、谐波含量大时的锁相问题，而反馈调节中的第二双二阶广义积分器可有效地解决频率波动造成电网电压锁相相位出现跟踪误差情况。因此，该软件锁相环的实现方法，即使在电网电压同时出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时，也可实现快速准确锁相效果。

需要说明的是，上述PI调节器为数字离散PI调节器，上述积分器为数字离散积分器，上述第一双二阶广义积分器和第二双二阶广义积分器为数字离散二阶广义积分器。上述步骤中的数据计算均为离散数据，采样数据的离散程度由采样频率决定，采样频率根据实际需要进行设定。其中，数字离散化方法包括脉冲响应不变法、零极点匹配法、一阶差分近似法、突斯汀变换法、频率特性拟合法等。此外，所述第一双二阶广义积分器和第二双二阶广义积分器的传递函数包括：

在式(1-5)中，k为系统增益，为谐振角频率，s为拉普拉斯变换变量。在本实施例中，该谐振角频率取工频电网额定角频率100πrad/s。V_α输入的第一双二阶广义积分器中D(s)输出V′_α，Q(s)输出qV′_α，V_β输入的第一双二阶广义积分器中D(s)输出V′_β，Q(s)输出qV′_β。sinθ输入的第二双二阶广义积分器中D(s)输出sinθ₁，Q(s)输出qsinθ₁，cosθ输入的第二双二阶广义积分器中D(s)输出cosθ₁，Q(s)输出qcosθ₁。如图4所示，图4为二阶广义积分器的传递函数的Bode图，从该图中可以看出，D(s)与Q(s)之间的相位差始终为π/2，即两输出信号正交；在谐振角频率处，即图中的50Hz，增益大小为1，输入和输出的幅值相等，说明可实现对给定信号中频率为的正弦信号无静差跟踪，由该Bode图可以看出使用双二阶广义积分器可以很好地分离出基波正序分量。

请参阅图5，图5是本发明实施例提供的一种软件锁相环的原理框图。结合该原理框图详细介绍该软件锁相环的实现方法，该原理框图即是该软件锁相环的组成部分。该软件锁相环的组成部分可以集成在数字信号处理芯片上，比如DPS、ARM等，以实现该软件锁相环对电网电压的锁相。如图5所示，该软件锁相环的组成部分包括克拉克变换单元11、第一双二阶广义积分单元12、帕克变换单元13、PI调节单元14、角频率积分单元15、正余弦计算单元16和第二双二阶广义积分单元17。

该软件锁相环的具体实现过程如下：

1)、将采样获得的电网电压的三相电压分量V_a、V_b和V_c输入至克拉克变换单元11，将三相电压分量V_a、V_b和V_c转变成两相电压分量V_α和V_β。

2)、将两相电压分量V_α和V_β。输入至第一双二阶广义积分单元12，经过第一双二阶广义积分单元12分离处理，从而提取出电网电压的基波正序分量和

3)、将基波正序分量和输入至帕克变换单元13，获取d轴电压分量V_d和q轴电压分量V_q。

4)、将q轴电压分量V_q输入至PI调节单元14，经过PI调节后加上初始角频率得到电网电压的角频率。

5)、将电网电压的角频率输入至角频率积分单元15获得电网电压的相位角θ。

6)、通过正余弦计算单元16计算出电网电压的相位角θ的正弦值sinθ或余弦值cosθ。

7)、将正弦值sinθ或余弦值cosθ输入至第二双二阶广义积分单元17，经过第二双二阶广义积分单元17处理的输出量，反馈至帕克变换单元13以获得d轴电压分量和q轴电压分量。

上述步骤是该软件锁相环的实现方法的详细过程，其中涉及软件锁相环的组成部分，即上述相关单元，是该软件锁相环实现过程的详细内容。但并不限定该软件锁相环的组成部分，可基于该软件锁相环的实现方法，增加相关的单元，或者基于本实施中提供的相关单元做进一步设计。

为了验证该软件锁相环的锁相效果，基于MATLAB/Simulink对电网电压存在电压不平衡、谐波含量大和频率波动等因素时利用该软件锁相环进行了锁相仿真实验。仿真实验结果如图6至图9所示。图6至图9的横坐标均为时间，用秒s表示，纵坐标从上至下分别为电压、频率和相角，分别用伏特V、赫兹Hz和度表示。

其中，图6是电网电压存在电压不平衡时的锁相效果示意图。三相电网平衡时，三相电压分量V_a、V_b和V_c表示为：

V_a＝310cos(100πt)

V_b＝310cos(100πt-2π/3)

V_c＝310cos(100πt+2π/3)

三相电网不平衡时，三相电压分量V_a、V_b和V_c表示为：

V_a＝250cos(100πt)

V_b＝280cos(100πt-2π/3)

V_c＝350cos(100πt+2π/3)

使用上述实施例的软件锁相环的实现方法对三相电网不平衡时三相电压分量V_a、V_b和V_c进行锁相，锁相结果如图6所示，从图6可以看出，电网电压由三相平衡在1s时突变为三相不平衡，利用该软件锁相环能快速准确地锁住电网基波相位。具体地，在频率图中，三相电网电压的频率很快稳定在固定频率上，即50Hz；在相角图中正弦波为基波，锯齿波为锁相角，由此可以看出两者是同步且相对应，锁相角的范围0°至360°，即锁相角求余弦后对应波形与该基波同相位。

图7是电网电压谐波含量大时的锁相效果示意图。三相电网谐波含量大时，三相电网电压如下所示：

V_a＝310cos(100πt)+30cos(1000πt+π/4)

V_b＝310cos(100πt-2π/3)+40cos(1200πt+π/6)

V_c＝310cos(100πt+2π/3)+35cos(1600πt-π/4)

在图7中电网电压由三相平衡在1s时突变为含有严重谐波，使用该软件锁相环的仿真结果，从仿真结果中可以看出，三相电网由平衡突变为含有严重谐波时，该软件锁相环能快速准确的锁住电网基波相位。

图8是电网电压存在频率波动时的锁相效果示意图。三相电网频率波动时，三相电网电压如下所示：

V_a＝310cos(110πt)

V_b＝310cos(110πt-2π/3)

V_c＝310cos(110πt+2π/3)

在图8中电网电压由三相平衡在1s时发生频率突变，频率由50Hz突变为55Hz时，该软件锁相环的仿真结果，从仿真结果中可以看出，三相电网发生频率突变时，该软件锁相环能快速准确的锁住电网基波相位。

图9是电网电压存在电压不平衡、谐波含量大和频率波动时的锁相效果示意图。三相电网发生突变，该突变包括电压不平衡、相位突变、严重谐波和频率波动，此时三相电网电压如下所示：

V_a＝250cos(110πt+π/6)+30cos(1000πt+π/4)

V_b＝280cos(110πt-2π/3+π/6)+40cos(1200πt+π/6)

V_c＝350cos(110πt+2π/3+π/6)+35cos(1600πt-π/4)

在图9中电网电压由三相平衡在1s时发生突变，包括电压不平衡、相位突变、严重谐波和频率波动时，该软件锁相环的仿真结果，从仿真结果中可以看出，三相电网电压存在多种情况同时发生时，该软件锁相环也能快速准确的锁住电网基波相位。

因此，由上述仿真实验可以证明，该软件锁相环在电网电压出现电压不平衡、谐波含量大和频率波动时，依然可以实现快速准确的锁相效果，提高了锁相环的鲁棒性能，解决了现有的锁相环不能用于复杂电网条件。

请参阅图10，图10是本发明实施例提供的一种软件锁相环的实现装置示意性框图。该实现装置可以集成在数字处理芯片中，比如DSP、ARM等，也可以集成在计算机中，以实现该软件锁相环。如图10所示，该软件锁相环的实现装置400包括：第一转换模块401、第一获取模块402、第二转换模块403、第二获取模块404和反馈模块405。

第一转换模块401，用于基于克拉克变换，将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量。具体地，可以通过采样电路单元对电网线电压或相电压信息进行相关处理后，以获得该电网电压的三相电压分量。通过该克拉克变换式将电网电压的三相电压分量转换成两相电压分量。

第一获取模块402，用于根据第一双二阶广义积分器获取所述两相电压分量对应的基波正序分量。具体地，将两相电压分量输入至第一双二阶广义积分器进行相关计算后得到所述两相电压分量对应的基波正序分量，由于基波正序分量与三相电压分量的相序有关，即针对正负相序使用不同计算公式进行计算。基于此，第一获取模块402，包括：判断生成子模块4021和选择计算子模块4022。其中，判断生成子模块4021，用于判断所述电网电压的三相电压分量的相序并生成判断结果；选择计算子模块4022，用于根据所述判断结果和第一双二阶广义积分器选择不同的预设计算公式计算所述两相电压分量对应的基波正序分量。

第二转换模块403，用于基于帕克变换，将所述基波正序分量转换成d、q轴电压分量。具体地，利用帕克(Park)变换式，将基波正序分量转成d轴电压分量和q轴电压分量。

第二获取模块404，用于对所述q轴电压分量进行PI调节积分以获取电网电压的相位角。具体地，将所述q轴电压分量输入至预设PI调节器后，在经过积分器对PI调节器的输出量进行积分，以得到所述电网电压的相位角。因此，第二获取模块404，包括：第一调节子模块4041、叠加4042和积分子模块4043。第一调节子模块4041，用于将所述q轴电压分量输入至PI调节器进行PI调节；叠加子模块4042，用于将所述PI调节输出量加上初始角频率以获取电网电压的角频率；积分子模块4043，用于通过积分器对所述角频率进行积分以获得电网电压的相位角。

反馈模块405，用于根据第二双二阶广义积分器获取所述相位角对应的相位角调节值并将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。其中，所述相位角调节值包括正弦调节值和余弦调节值，将所述相位角调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环，即为将所述正弦调节值和余弦调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。基于此，反馈模块405，包括：计算子模块4051、第二调节子模块4052和反馈子模块4053。计算子模块4051，用于计算所述相位角的正弦值和余弦值；第二调节子模块4052，用于将所述正弦值和余弦值输入至第二双二阶广义积分器以获取所述正弦调节值和余弦调节值；反馈子模块4053，用于将所述正弦调节值和余弦调节值反馈至所述帕克变换进行闭环调节以形成软件锁相环。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。