[发明专利]一种自适应数字锁相环及锁相方法

说明书

技术领域

本发明涉及锁相技术领域，更具体地说，涉及一种自适应数字锁相环及锁相方法，应用于并网变流器。

背景技术

锁相环的基本功能是跟踪、锁定交流信号的相位，且在必要时提供有关信号的频率、幅值信息。在并网变流器的控制中，需要动态获取电网电压的相位信息，因此，锁相环的性能直接影响变流器的并网控制性能。

目前在工程中为有效提高锁相环的锁相准确度和快速响应，一般采用数字闭环锁相技术，其方案主要有：基于过零检测的锁相环，基于乘法鉴相的锁相环，基于快速傅里叶变换(DFT)的锁相环，以及基于同步旋转坐标变换的锁相环等。不同锁相技术的结构基本相似，主要差异在于相差的获取。其中，基于过零检测的锁相环的相差获取通常需要一个基波周期，动态响应较差，且在电网电压畸变情况下锁相误差较大，因此在实际三相系统中应用较少。基于乘法鉴相的锁相环将输入信号与估计信号相乘，之后滤除其中的二倍频分量，得出相位差值信号，经过闭环调节使差值为0，从而实现锁相，但是该方法中锁相带宽要受滤波器限制，不能快速响应。基于DFT的锁相技术存在的动态响应慢的问题。上述方法在单相系统中应用较多，但其动态响应难以满足三相系统的要求。

在三相系统中广泛使用基于同步旋转坐标变换的锁相环，利用估计得到的相角对电网电压进行同步旋转坐标变换(也称dq变换)，得到用于表征相差的电压无功分量(u_q)，通过控制器调节，使得该分量为0，从而达到锁相的目的，且动态性能较好。

要实现基于同步旋转坐标变换的锁相环，需要对电网电压进行数字采样。传统做法是采用固定的采样频率，且往往是电网额定频率(50Hz)的整数倍。对于电网频率基本不变的情况，这种方法可准确测算出表征相差的无功分量(u_q)。但是在电网频率变化范围较大的情况，若保持采样频率不变，则每个电网周期内的采样点数是动态变化的，使得采样同步旋转坐标变换计算得到的无功分量(u_q)会存在较大误差，同时也无法准确找到电网相位零点。因此，这种锁相方法在电网频率变化范围较大的情况下难以快速跟踪电网相位，降低了锁相精度。针对这个缺陷，可以通过提高采样频率来减小影响。但这种方法无法从本质上解决问题，同时，在很多应用场合采样频率往往受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有锁相环技术在电网频率变化范围较大的情况下无法准确找到电网相位零点，提供一种自适应数字锁相环及锁相方法。

本发明解决上述问题的技术方案是提供了一种自适应数字锁相环，包括鉴相器、PI调节器及变换单元，其特征在于，该自适应数字锁相环还包括采样单元、倍频器及积分变换单元，其中，所述采样单元，用于以所述倍频器生成的采样频率对三相电网电压进行采样；所述鉴相器，用于将所述采样单元采样的电压进行同步旋转坐标变换，获得用于表征相差的电压无功分量u_q；所述PI调节器，用于进行PI调节，使所述电压无功分量u_q趋近于零；所述变换单元，用于根据PI调节器的输出生成锁相输出频率，所述锁相输出频率为所述PI调节器的输出与实际电网额定角频率进行相加得到的频率；所述积分变换单元，用于根据所述锁相输出频率生成锁相输出相位；所述倍频器，用于根据所述锁相输出频率生成采样频率，且该采样频率为所述锁相输出频率的N倍，所述N为正整数。

在本发明的自适应数字锁相环中，所述鉴相器采用CLARKE变换和PARK变换实现坐标变换，且该鉴相器以所述积分变换单元输出的锁相输出相位为基准，提取用于表征相差的电压无功分量u_q作为所述鉴相器的输出，且在第k个采样时刻，所述锁相输出相位为k*(2π/N)，其中k＝0，1，…，N-1。

本发明还提供了一种锁相方法，该方法应用于并网变流器中，其特征在于，包括以下步骤：

(a)以设定的采样频率对电网电压进行采样，得到采样后的电网电压；

(b)以锁相输出相位为基准，将采样后的电网电压进行同步旋转坐标变换，获得用于表征相差的电压无功分量u_q；

(c)通过PI调节器进行PI调节，使电压无功分量u_q趋近于零，并根据所述PI调节器的输出生成锁相输出频率，所述锁相输出频率为所述PI调节器的输出与实际电网额定角频率进行相加得到的频率；

(d)将所述锁相输出频率经过积分变换得到锁相输出相位，并根据所述锁相输出频率生成所述设定的采样频率，其中，该设定的采样频率为所述锁相输出频率的N倍，N为正整数。