專利名稱：一種非固定采樣頻率的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法，尤其是一種非固定采樣頻率的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
電網(wǎng)基波初相角與頻率是電力系統(tǒng)FACTS、新能源并網(wǎng)發(fā)電變流器和不間斷電源(UPS)等運(yùn)行的重要信息。目前，獲得這些信息的主要途徑是采用模擬鎖相環(huán)技術(shù)、數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)及基于DSP的軟件鎖相環(huán)技術(shù)。
模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)均要采用額外的硬件實(shí)現(xiàn)，模擬鎖相環(huán)存在有直流零點(diǎn)漂移、部件飽和、須進(jìn)行初始校正，且有假鎖、失鎖、抖動(dòng)、可靠性低等問題；數(shù)字鎖相環(huán)同樣對(duì)器件要求較高，而且采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)低通濾波器比較困難，精度難以提高。而且更重要的是，這兩種方法都是依賴于對(duì)過零時(shí)刻的檢測(cè)，但是實(shí)際電力系統(tǒng)中電壓電流存在的諧波，使得信號(hào)零點(diǎn)與基波零點(diǎn)不一致，并且可能在實(shí)際過零處出現(xiàn)多次過零，從而使檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。
通過現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，基于DSP的三相軟件鎖相環(huán)策略在電力電子裝置中被廣泛研究和應(yīng)用。Vikram Kaura和Vladimir Blasko在文獻(xiàn)《Operation of a phase locked loop system under distorted utilityconditions》(IEEE Transactions on Industry Application[J]，vol.33，no.1，1997，pages58-63.)中提出了一種新穎的三相鎖相環(huán)策略，該鎖相環(huán)具有如下特點(diǎn)1)完全由軟件實(shí)現(xiàn)，不需要任何硬件電路濾波器；2)在電網(wǎng)電壓存在畸變、諧波、多次過零和頻率波動(dòng)等情況下，鎖相環(huán)能可靠工作。韓國(guó)學(xué)者Se-Kyo Chung對(duì)三相軟件鎖相環(huán)技術(shù)做了進(jìn)一步研究，給出了離散域的數(shù)學(xué)模型和分析了電網(wǎng)電壓存在諧波畸變、不平衡和直流偏置等情況對(duì)鎖相環(huán)性能影響，并將結(jié)論發(fā)表在文章《A phase tracking system fora three phase utiltiy interface inverter》(IEEE Transactions on PowerElectronics[M]，vol.15，no.3，2000，pages431-438.)上。在國(guó)內(nèi)也有一些相關(guān)研究文獻(xiàn)，華中科技大學(xué)琚興寶等人在文獻(xiàn)《基于DSP的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)》(通信電源技術(shù)，2004，21(5)第1-4頁(yè))中推出了一種采用滯后控制器的三相軟件鎖相環(huán)系統(tǒng)，提高鎖相環(huán)諧波抑制能力。周衛(wèi)平、吳國(guó)正和夏立在文章《基波相位和頻率的高精度檢測(cè)及在有源電力濾波器中的應(yīng)用》(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(4)91-96頁(yè))中，提出一種高精度的基于三角函數(shù)正交性和自適應(yīng)濾波的原理構(gòu)造相位跟蹤閉環(huán)控制的鎖相環(huán)策略。中國(guó)專利(專利號(hào)為ZL 200510024277.9，名稱為“雙校正軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法”)中，公開了一種利用采用簡(jiǎn)單開環(huán)控制鎖相環(huán)策略，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于20ms。
由以上介紹可知，現(xiàn)有的鎖相環(huán)策略研究，主要解決如何提高鎖相響應(yīng)速度和鎖相精度，以及如何提高鎖相環(huán)系統(tǒng)在復(fù)雜電網(wǎng)條件下的可靠性。然而，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如，基于重復(fù)控制的高補(bǔ)償精度有源電力濾波器對(duì)鎖相環(huán)有特殊要求。重復(fù)控制器，是一種基于內(nèi)模原理的新型控制策略，將其應(yīng)用于有源電力濾波器可以大大提高其靜態(tài)補(bǔ)償精度；重復(fù)控制一般采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)，且需要系統(tǒng)在一個(gè)基波周期內(nèi)(或內(nèi)模周期內(nèi))具有固定的采樣點(diǎn)數(shù)，以保證內(nèi)模的正確更新，否則，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)模更新錯(cuò)誤，使得重復(fù)控制不能正常工作。因此，這就對(duì)應(yīng)用于重復(fù)控制有源電力濾波器的鎖相環(huán)方法提出了獨(dú)特要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種非固定采樣頻率軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，能應(yīng)用于重復(fù)控制的各種并網(wǎng)變流裝置中，如有源電力濾波器和新能源發(fā)電并網(wǎng)變流器等。
一種非固定采樣頻率的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟 1)采用DSP的周期計(jì)數(shù)器模擬鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器，得到數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)； 2)以數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，利用DQ變換鑒相方式，求出電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差； 3)根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，建立鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，確定環(huán)路濾波器的參數(shù)。
步驟1)所述的采用DSP的周期計(jì)數(shù)器模擬鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器的方法為將數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)周期

表示為

其中，N表示基波周期采樣點(diǎn)數(shù)，Ts表示采樣周期。在一個(gè)基波周期內(nèi)，任意兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間的相位差可表示為Δφ＝2π/N，則數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)，即第k拍采樣時(shí)刻的輸出基準(zhǔn)信號(hào)相位可表示為
步驟2)所述的以數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，利用DQ變換鑒相方式求出電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差的方法為以數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)為基準(zhǔn)，將三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行DQ變換，并將變換后的三相電網(wǎng)電壓的Q軸分量和D軸分量的比值求反正切，具體為 三相平衡系統(tǒng)中的三相電網(wǎng)電壓表示成如下矢量形式 其中，uabc＝[uaubuc]T，Wm表示相電壓幅值，ωi表示電網(wǎng)角頻率，θi表示A相電網(wǎng)電壓初始相角。通過DQ變換可將(2)式變換到dq0-坐標(biāo)系下 其中，udq0＝[uduqu0]T，ud為DQ變換后的三相電網(wǎng)電壓的D軸分量，uq為DQ變換后的三相電網(wǎng)電壓的Q軸分量，

表示DQ變換矩陣，如下式 將式(3)中電網(wǎng)電壓dq0-坐標(biāo)系下Q軸分量和D軸分量的比值求反正切，可得電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)間相位誤差
步驟3)所述的根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，建立鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，確定環(huán)路濾波器的參數(shù)的方法為選擇PI控制器作為鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器，根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，推導(dǎo)出相位誤差z-域閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，然后采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)。
所述的根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，推導(dǎo)出相位誤差z-域閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程的方法為從三相電網(wǎng)電壓表達(dá)式可以得到電網(wǎng)基波電壓相位信息，將其表示成 θi(k)＝ωi·Ts(k-1)+θi(k-1)(5) 聯(lián)立(1)和(5)式，則第k拍時(shí)電網(wǎng)相位和基準(zhǔn)信號(hào)相位之間的誤差 同理，第k+1拍時(shí)的相位誤差Δθ(k+1)可表示為 然后，聯(lián)立(1)、(6)和(7)可得到離散域的相位誤差傳遞方程 Δθ(k+1)-Δθ(k)＝ωi·Ts(k)-2π/N(8) (8)式采樣周期Ts(k)＝p·T1(k)＝Ti/N-p·Tclock·PI[Δθ(k)]，其中，T1(k)表示第k拍周期計(jì)數(shù)器值；Ti表示前饋周期，p由DSP計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)工作模式?jīng)Q定，當(dāng)計(jì)數(shù)器工作在單增或單減模式時(shí)，p＝1；當(dāng)計(jì)數(shù)器工作在增減模式時(shí)，p＝2，Tclock表示周期計(jì)數(shù)器工作的時(shí)鐘周期。將采用周期表達(dá)式代入(5)可得到Δθ(k+1)-Δθ(k)＝-p·ωi·Tclock·PI[Δθ(k)]，將之可改寫為z-域閉環(huán)傳遞函數(shù)形式，并由之導(dǎo)出鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程 D(z)＝[z-1+p·ωi·Tclock·PI(z)] (9)。
所述的采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)的方法滿足最優(yōu)二階系統(tǒng)配置原則和低通特性原則(參考Se-Kyo Chung.《A phase tracking systemfor a three phase utility interface inverter》(IEEE Transactions on PowerElectronics[M]，vol.15，no.3，2000，pages431-438.)。
所述的采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)的方法為按照最優(yōu)二階系統(tǒng)配置原則和低通特性原則選擇系統(tǒng)自然振蕩頻率和阻尼系數(shù)(ωn，ξ)，則系統(tǒng)極點(diǎn)可表示為

系統(tǒng)初始采樣為Ts，則極點(diǎn)可由s-域改寫到z-域

則可以寫出期望的鎖相環(huán)系統(tǒng)閑環(huán)傳遞函數(shù)如下D′(z)＝(z-z1)(z-z2) (10)。
結(jié)合式(9)，采用離散PI控制器(參考陶永華.《新型PID控制及其應(yīng)用》第2版.機(jī)械工業(yè)出版社.2002年)

其中，KP表示PI控制器比例系數(shù)；KI表示PI控制器積分參數(shù)，當(dāng)(9)中的D(z)與(10)式中的D′(z)相等時(shí)，可以唯一確定控制器KP、KI參數(shù)。
本發(fā)明采用針對(duì)F281x系列DSP芯片IQmath庫(kù)的C語言編程，加快開發(fā)速度和計(jì)算精度。
采用32位定點(diǎn)TI TMS320F 2812PGFA實(shí)現(xiàn)非固定采樣頻率軟件鎖相環(huán)功能。由于PI控制器參數(shù)成低通特性，要求程序有比較高的計(jì)算精度。程序的編寫采用C語言并且結(jié)合TI公司提供IQmath標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，提高程序編寫效率縮短了開發(fā)時(shí)間，同時(shí)在定點(diǎn)DSP芯片上實(shí)現(xiàn)了等效浮點(diǎn)運(yùn)算，起到了提高運(yùn)算精度和降低算法實(shí)現(xiàn)難度。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)基波周期內(nèi)保持固定采樣點(diǎn)數(shù)，適用于重復(fù)控制高精度并網(wǎng)變流器等應(yīng)用；采用DQ變換的鑒相方式，具有對(duì)畸變和不平衡電網(wǎng)有很好的抑制能力和抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)的特點(diǎn)，保證鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓存在多次過零、電壓諧波、電壓波動(dòng)和電網(wǎng)電壓不平衡情況下可靠工作。



圖1為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)的基本原理框圖。
圖2為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)應(yīng)用的硬件電路系統(tǒng)框圖。
圖3為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)的軟件流程圖。
圖4為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)正常條件下啟動(dòng)過程波形圖。
圖5為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓存在諧波畸變時(shí)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。
圖6為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓不平衡情況下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。
圖7為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)在重復(fù)控制策略下有源電力濾波器補(bǔ)償效果圖。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)的基本原理框圖，采用DSP的周期計(jì)數(shù)器模擬鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器(counter)，得到數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)；然后以數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，利用DQ變換求出相位誤差(鑒相器)；再對(duì)相位誤差進(jìn)行PI閉環(huán)調(diào)節(jié)使之跟蹤參考信號(hào)(設(shè)置為零)，PI控制器輸出周期計(jì)數(shù)器的周期值也就是鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器的周期，完成鎖相功能。其中，環(huán)路濾波器采用PI控制器。
在一臺(tái)高精度有源電力濾波器中采用了本發(fā)明所提出的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法。如圖2所示，為本發(fā)明的硬件電路框圖，包括(1)采樣電路、(2)調(diào)理電路和(3)主控制芯片電路三部分。
(1)采樣電路。采樣電路主要功能是將一次側(cè)的功率電壓信號(hào)通過傳感器(本實(shí)例中采用國(guó)產(chǎn)傳感器，型號(hào)HNV025A霍爾電壓傳感器)變換為二次的電流小信號(hào)。
(2)調(diào)理電路。調(diào)理電路主要功能是將采樣電路得到的二次的電流小信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并將其轉(zhuǎn)換成與DSP芯片相適應(yīng)的電壓信號(hào)。調(diào)理電路是由運(yùn)放(國(guó)半LF353)構(gòu)建的經(jīng)典二階電路。
(3)主控制芯片電路。主控制芯片電路主要功能是為完成整個(gè)系統(tǒng)的控制算法提供平臺(tái)，其中包括本發(fā)明所公開的軟件鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)算法。
如圖3所示，為本發(fā)明的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用的軟件流程圖。程序進(jìn)入周期中斷服務(wù)程序后，首先通過AD模塊采樣電網(wǎng)電壓幅值信息，其次通過查詢DSP內(nèi)部正弦表得到當(dāng)前基準(zhǔn)信號(hào)所確定正弦、余弦值，再次通過對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行DQ變換得到當(dāng)前電網(wǎng)電壓和基準(zhǔn)信號(hào)相位誤差，然后對(duì)相位誤差進(jìn)行PI閉環(huán)調(diào)節(jié)使之跟蹤參考信號(hào)(設(shè)置為零)，最后將周期計(jì)數(shù)器的周期修改為通過PI閉環(huán)調(diào)節(jié)確定的當(dāng)前值，至此鎖相環(huán)流程結(jié)束。同時(shí)鎖相環(huán)得到的同步信號(hào)將為應(yīng)用系統(tǒng)指令計(jì)算和調(diào)制信號(hào)生成提供同步信號(hào)。
本發(fā)明的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用的一組實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)如下 系統(tǒng)預(yù)設(shè)采樣周期Ts＝71.4μs，周期計(jì)數(shù)器工作的時(shí)鐘周期Tclock＝13.33ns。按照最優(yōu)二階系統(tǒng)配置原則和低通特性原則，選擇系統(tǒng)自然振蕩頻率和阻尼系數(shù)(ωn，ξ)分別為ωn＝62.8rad/s和ξ＝0.707。則可得到期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)方程 D′(z)＝z2-1.993657215174z+0.993677273094(20) 實(shí)際閉環(huán)傳遞函數(shù)方程 D(z)＝z2+(8.373333·10-6·(KP+KI)-2)z+1-8.373333·10-6·KP(21) 當(dāng)式(20)和(21)中的D′(z)和D(z)相等時(shí)，可得到PI控制器參數(shù) KP＝755.102736，KI＝2.395452 類似地，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出不同的控制器參數(shù)。
圖4為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)正常條件下啟動(dòng)過程的波形圖。其中，Va為電網(wǎng)A相電壓波形圖，PLL為軟件鎖相環(huán)輸出基準(zhǔn)信號(hào)波形圖。當(dāng)電網(wǎng)電壓初始相位角為π時(shí)，鎖相環(huán)啟動(dòng)并在第6.5個(gè)基波周期后跟蹤上電網(wǎng)電壓頻率和相位。
如圖5所示，為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓含11次諧波(THD＝10％)時(shí)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。其中，Va為電網(wǎng)A相電壓波形圖，PLL為軟件鎖相環(huán)輸出基準(zhǔn)信號(hào)波形圖。實(shí)驗(yàn)波形顯示其能夠很好鎖定電壓頻率和相位。
圖6所示為電網(wǎng)電壓不平衡(A相電壓正常，B相電壓跌落至80％正常電壓，C相電壓上升至115％正常電壓)情況下，鎖相環(huán)準(zhǔn)確地跟蹤A相電壓相位靜態(tài)試驗(yàn)波形。其中，Va為電網(wǎng)A相電壓波形圖，Vb為電網(wǎng)B相電壓波形圖，Vc為電網(wǎng)C相電壓波形圖，PLL為軟件鎖相環(huán)輸出基準(zhǔn)信號(hào)波形圖。
圖7給出了本發(fā)明軟件鎖相環(huán)基于重復(fù)控制策略下有源電力濾波器補(bǔ)償效果圖。從上至下分別為負(fù)載電流(iL)、輸出補(bǔ)償電流(i2)、補(bǔ)償后電網(wǎng)電流(iS)。同步良好的重復(fù)控制有源電力濾波器有著很好的補(bǔ)償能力，效果優(yōu)于一般PI控制的同類裝置，可以將電網(wǎng)電流THD從27.5％左右補(bǔ)償?shù)?.8％(滿足總諧波畸變率低于5％的IEEE Std 519要求)。
權(quán)利要求
1.一種非固定采樣頻率的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟
1)采用DSP的周期計(jì)數(shù)器模擬鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器，得到數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)；
2)以數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，利用DQ變換鑒相方式，求出電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差；
3)根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，建立鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，確定環(huán)路濾波器的參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟1)所述的采用DSP周期計(jì)數(shù)器模擬鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器方法為將數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)周期
表示為其中，N表示基波周期采樣點(diǎn)數(shù)，Ts表示采樣周期，在一個(gè)基波周期內(nèi)，任意兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間的相位差可表示為Δφ＝2π/N，則數(shù)控振蕩器第k拍采樣時(shí)刻的輸出基準(zhǔn)信號(hào)相位可表示為
3.如權(quán)利要求2所述的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟2)所述的以數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，利用DQ變換鑒相方式求出電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差的方法為以數(shù)控振蕩器的輸出信號(hào)為基準(zhǔn)，將三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行DQ變換，并將變換后的三相電網(wǎng)電壓的Q軸分量和D軸分量的比值求反正切，具體為
三相平衡系統(tǒng)中的三相電網(wǎng)電壓表示成如下矢量形式
其中，uabc＝[ua ub uc]T，Vm表示相電壓幅值，ωi表示電網(wǎng)角頻率，θi表示A相電網(wǎng)電壓初始相角，通過DQ變換可將(2)式變換到dq0-坐標(biāo)系下
其中，udq0＝[ud uq u0]T，ud為DQ變換后的三相電網(wǎng)電壓的D軸分量，uq為變換后的三相電網(wǎng)電壓的Q軸分量，
表示DQ變換矩陣，如下式
將式(3)中電網(wǎng)電壓dq0-坐標(biāo)系下Q軸分量和D軸分量的比值求反正切，可得電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間相位誤差
4.如權(quán)利要求3所述的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于步驟3)所述的根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，建立鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，確定環(huán)路濾波器的參數(shù)的方法為選擇PI控制器作為鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器，根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，推導(dǎo)出相位誤差z-域閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，然后采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出基準(zhǔn)信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，推導(dǎo)出相位誤差z-域閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程的方法為從三相電網(wǎng)電壓表達(dá)式可以得到電網(wǎng)基波電壓相位信息，即θi(k)＝ωi·Ts(k-1)+θi(k-1)，則第k拍電網(wǎng)相位與基準(zhǔn)信號(hào)相位之間的差為第k+1拍電網(wǎng)相位與基準(zhǔn)信號(hào)相位之間的差為聯(lián)立兩式可得到離散相位誤差傳遞方程Δθ(k+1)-Δθ(k)＝ωi·Ts(k)-2π/N (5)；
(5)式中采樣周期Ts(k)＝p·T1(k)＝Ti/N-p·Tclock·PI[Δθ(k)]，其中，T1(k)表示第k拍周期計(jì)數(shù)器值；Ti表示前饋周期，p由DSP計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)工作模式?jīng)Q定，當(dāng)計(jì)數(shù)器工作在單增或單減模式時(shí)，p＝1；當(dāng)計(jì)數(shù)器工作在增減模式時(shí)，p＝2，Tclock表示周期計(jì)數(shù)器工作的時(shí)鐘周期，將采用周期表達(dá)式代入(5)可得到Δθ(k+1)-Δθ(k)＝-p·ωi·Tclock·PI[Δθ(k)]，將之可改寫為z-域閉環(huán)傳遞函數(shù)形式，并由之導(dǎo)出鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程D(z)＝[z-1+p·ωi·Tclock·PI(z)] (6)。
6.如權(quán)利要求4所述的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)的方法滿足最優(yōu)二階系統(tǒng)配置原則和低通特性原則。
7.如權(quán)利要求6所述的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)的方法為按照最優(yōu)二階系統(tǒng)配置原則和低通特性原則選擇系統(tǒng)自然振蕩頻率和阻尼系數(shù)(ωn，ξ)，則系統(tǒng)極點(diǎn)為視初始采樣為Ts，將極點(diǎn)從s-域改到z-域則可導(dǎo)出期望的z-域系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)D′(z)＝(z-z1)(z-z2) (7)。
結(jié)合式(6)，采用PI控制器表示為其中，KP表示PI控制器比例系數(shù)；KI表示PI控制器積分參數(shù)，當(dāng)(6)中的D(z)與(7)式中的D′(z)相等時(shí)，可以唯一確定控制器KP、KI參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非固定采樣頻率的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法，首先采用DSP的周期計(jì)數(shù)器模擬鎖相環(huán)數(shù)控振蕩器，得到數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)；然后以數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，利用DQ變換鑒相方式求出電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)間相位誤差；再根據(jù)數(shù)控振蕩器輸出信號(hào)和電網(wǎng)電壓與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位誤差，建立鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程，確定設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的參數(shù)。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)基波周期內(nèi)保持固定采樣點(diǎn)數(shù)，適用于重復(fù)控制各種并網(wǎng)變流設(shè)備，如有源電力濾波、新能源發(fā)電并網(wǎng)變流器等；采用DQ變換的鑒相方式，對(duì)諧波和不平衡電網(wǎng)有很好的抑制能力和抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)，保證鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓存在多次過零、電壓諧波、電壓波動(dòng)和電網(wǎng)電壓不平衡情況下可靠工作。
文檔編號(hào)H03L7/099GK101777912SQ20101003969
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者謝川, 陳國(guó)柱 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)