一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统及其锁相方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统及其锁相方法，属于电气工程中的锁相环技术领域。本发明专利技术的锁相过程为：一、三相电网电压UA、UB、UC分别先经过滑动DFT算法进行基波提取；二、得到的基波再通过基于延时信号对消的基波正序分量提取方法提取其正序分量；三、三相电网电压基波正序信号经过SRF‑PLL实现快速精准的锁相。本发明专利技术可以用于电网电压严重畸变、不平衡的情况下并网电力电子装置对电网电压基波正序分量相位信息非常准确的提取。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统及其锁相方法
本专利技术属于电气工程中的锁相环
，更具体地说，涉及一种电网电压严重畸变情况下的锁相环技术。
技术介绍
锁相环(PLL-PhaseLockedLoop)是自动相位控制和自动频率控制技术的结合。人们最早从20世纪30年代开始对锁相环进行研究，锁相环的数学理论方面在20世纪30年代初期就己经出现。1930年科学家们建立了同步控制理论的基础，法国工程师Bellescize于1932年发表了锁相环路的同步检波论和数学描述，这是历史上对锁相环路数学描述的第一次公开发表。锁相环历来是线性电路。第一个锁相环是用分立元件实现的，大约在1965年锁相环成为可以使用的集成电路。这些集成锁相环中的第一个是线性器件(LPLL)，基于半导体技术，类似那个时代的运算放大器。几年后(大约是在1970年)，有了第一个可以使用的数字锁相环(DPLL)。但是其电路中仅仅鉴相器是逻辑电路，其余部分(压控振荡器VCO，环路滤波器)仍然是模拟电路，因此这些锁相环是混合系统。而到了当今的微控制器和数字信号处理(DSP)时代，用软件实现PLL系统是很自然的想法。一旦用软件实现，PLL的功能就可以用电脑程序来执行。与传统的模拟锁相环相比较，软件锁相环的精度依赖于控制器的运算速度和精度，而现在的微控制器已达到64位且很容易工作在千兆以上的频率区，所以，软件锁相环(SPLL)是当今发展的趋势。锁相环的发展经历了从模拟锁相环到数字锁相环的历程。模拟锁相环由相位比较器、压控振荡器、相位参考提取电路和控制电路组成。它采用一个模拟乘法器(四象限乘法器)作为鉴相器；环路滤波器用无源或者有源RC滤波器实现，最后利用压控振荡器VCO产生PLL的输出信号。压控振荡器所输出的信号是与所需频率非常接近的同幅信号，然后把它与参考信号(由相位参考提取电路从信号中提取)一同送入鉴相器进行比较，通过比较得到误差，然后用误差来调节控制电路并使压控振荡器的频率向使误差绝对值减小的方向进行连续的变化，最终完成锁相功能，这种类型的PLL被称为“线性PLL”(LPLL)，在接下来的几年里，PLL缓慢而稳定地转移到数字领域。数字锁相环(DPLL)实际上是一个混合器件，仅仅鉴相器采用数字电路实现，即用一个EXOR门或者一个JK触发器，剩下的模块仍然是模拟电路，直到全数字锁相环(ADPLL)的实现，锁相环才完全由数字模块实现而不含有任何无源元件，如电阻和电容等。类似滤波器，PLL也可以用软件实现，在这种情况下，PLL的功能不再用一些专业的硬件实现，而是用计算机程序完成，这种PLL称为SPLL。随着微控制器和数字信号处理器(DSP)的快速发展，软件锁相环(SPLL)的发展以及应用也变得非常顺利。软件锁相环的组成包括鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。鉴相器将输出信号和输入信号进行比较，并且输出带有交流分量的直流量。然后经过环路滤波器进行滤波，滤除交流分量过后的直流量会进入压控振荡器，经过压控振荡器后输出相位值，如果输出相位大于输入相位，则其会调节调制频率使其跟踪输入相位，直到相同为止。目前，在三相系统中，最常用的是同步参考坐标系锁相环(SynchronousReferenceFramePhaseLockedLoop，SRF-PLL)。该锁相环的基本原理是通过dq变换将三相电网电压变换为同步旋转的直流量Ud、Uq，再通过闭环控制使得Uq为零完成锁相。在三相电网电压平衡的情况下，该方法能够快速准确地实现锁相。但是当三相电网电压不平衡或者含有谐波时，通过dq变换得到的直流量Uq中将会含有各种频率的脉动量，进而导致锁相失败。针对传统SRF-PLL对三相电网不平衡和含有谐波时存在相位失锁的问题，国内外很多专家研究了SRF-PLL的改进方法。采用网侧同步锁相环(GridsynchronizationPLL)、双dq变换软件锁相环、基于相序解耦谐振控制器的基波正序电压相位检测方法、双二阶广义积分器(decoupleddoublesynchronousreferenceframePLL，DDSRF-PLL)等都可以对不平衡电网进行相序分离，但这些方法的频率适应性较差。改进型数字锁相环(EnhancedPLL，EPLL)具有较好的谐波抑制能力，但是当三相电网中含有负序分量时，锁相效果并不理想。改进二阶广义积分器在三相电网电压不平衡和含有高次谐波时都能够实现锁相，但对低次谐波分量引起的相位脉动，该方法仍然需要通过降低锁相环的带宽来抑制，因此其动态性能依然受到限制。基于串联信号延时对消法锁相环对基波负序分量以及三相电网中低次谐波有较好的抑制能力，但在高次谐波部分仍需加入滤波器进行滤波且结构较为复杂以及系统鲁棒性较差。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服传统软件锁相环不能够在电网电压不平衡并且同时含有高次谐波、低次谐波和直流分量情况下实现锁相的问题，提供了一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统及其锁相方法，本专利技术创新的结合了滑动DFT算法、基于延时信号对消的基波正序分量提取方法与传统的SRF-PLL，在整个锁相过程当中可以消除三相电网电压中含有的各种干扰而实现精准的锁相。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统，包括3个DFT滤波模块、基波正序分量提取模块和SRF-PLL模块，三相电网电压分别输入对应地DFT滤波模块，所述的DFT滤波模块从畸变的电网电压中提取基波信息；DFT滤波模块、基波正序分量提取模块和SRF-PLL模块串行使用，基波正序分量提取模块提取出基波信息中的正序分量，最后由SRF-PLL模块得到基波相位信息。本专利技术的一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相方法，其步骤为：步骤一、三相电网电压UA、UB、UC分别进入DFT滤波模块，通过滑动DFT算法，提取电网输入信号中的基波信息；步骤二、步骤一得到的电网电压基波信息再通过基于延时信号对消的基波正序分量提取方法提取其正序分量；步骤三、三相电网电压基波正序信号经过SRF-PLL实现快速精准的锁相。更进一步地，步骤一中设三相电网电压单相输入为通过傅里叶变换得到：由滑动DFT算法可得式中：Ti，ωi分别为内同步信号的周期和角频率，由于ωu≈ωi≈100π，所以(ωu+ωi)>>(ωu-ωi)，则式(2)可化简为：设外输入信号相位内同步信号相位θi＝ωit，则式(3)可写作u1y(t)＝usin(θu-θi)(4)同理也可得到u1x(t)＝ucos(θu-θi)(5)用atan(u1y/u1x)作闭环反馈，并通过PI调节器实现外同步信号与内同步信号相位信息的无静差跟踪，进而得到电网电压基波信息。更进一步地，步骤二中电网电压基波信息以幅值标么值的形式进入基于延时信号对消的基波正序分量提取模块，当电网电压含有负序分量时令电网电压为：经过经典正序dq变换可得将延时1/4个周期并与相加得同理可得经过式(8)、(9)计算使得式(7)中的负序分量在dq轴上的交流量被消除了，剩下的直流分量为基波正序分量变换到dq轴上的值，将所得值乘以1/2再将其进行dq反变换即达到了提取正序分量的目的。更进一步地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统，其特征在于：包括3个DFT滤波模块、基波正序分量提取模块和SRF‑PLL模块，三相电网电压分别输入对应地DFT滤波模块，所述的DFT滤波模块从畸变的电网电压中提取基波信息；DFT滤波模块、基波正序分量提取模块和SRF‑PLL模块串行使用，基波正序分量提取模块提取出基波信息中的正序分量，最后由SRF‑PLL模块得到基波相位信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相系统，其特征在于：包括3个DFT滤波模块、基波正序分量提取模块和SRF-PLL模块，三相电网电压分别输入对应地DFT滤波模块，所述的DFT滤波模块从畸变的电网电压中提取基波信息；DFT滤波模块、基波正序分量提取模块和SRF-PLL模块串行使用，基波正序分量提取模块提取出基波信息中的正序分量，最后由SRF-PLL模块得到基波相位信息。2.根据权利要求1所述的一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相方法，其步骤为：步骤一、三相电网电压UA、UB、UC分别进入DFT滤波模块，通过滑动DFT算法，提取电网输入信号中的基波信息；步骤二、步骤一得到的电网电压基波信息再通过基于延时信号对消的基波正序分量提取方法提取其正序分量；步骤三、三相电网电压基波正序信号经过SRF-PLL实现快速精准的锁相。3.根据权利要求2所述的一种基于滑动DFT滤波原理的三相软件锁相方法，其特征在于：步骤一中设三相电网电压单相输入为通过傅里叶变换得到：由滑动DFT算法可得式中：Ti，ωi分别为内同步信号的周期和角频率，由于ωu≈ωi≈100π，所以(ωu+ωi)>&...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑诗程，马建，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34