一种自适应频率估计的锁相环以及锁相方法

1.本发明涉及电网电压相位检测技术领域，尤其涉及一种自适应频率估计的锁相环以及锁相方法。


背景技术：

2.随着电力系统的快速发展，大量电力电子装备得到了广泛的应用，包括交流电弧炉、连轧机组、大功率焊机、港口起重机、煤炭提升机及大型变流机组等。这些非线性、冲击性不对称负荷产生不对称无功和谐波电流注入电网、使公用电网电压产生波动、三相不平衡和谐波污染。同时，电网电压的相位作为电力电子装备控制环节和触发环节重要的参考基准，直接影响了电力电子装备的控制精度和产品性能。因此，可以快速准确跟踪被污染的电网电压相位的高性能锁相环是电力电子装备的重要组成部分。
3.三相同步锁相环（srf-pll）是构成高性能数字锁相环的基础，它可以快速跟踪理想电网电压的相位。但是，当电网电压被干扰后，srf-pll无法准确跟踪电压相位。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种自适应频率估计的锁相环以及锁相方法，通过在锁相环节引入级联自适应陷波器滤除电网电压的扰动分量，可以准确跟踪电压相位。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种自适应频率估计的锁相环，包括：dq变换模块，用于对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量；级联自适应陷波器，用于对所述q轴电压分量上的扰动分量进行滤除；锁相环节，用于根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计。
6.作为上述方案的改进，所述锁相环节包括依次串联连接的比例积分调节器、比较器、积分环节以及比例环节；其中，所述比例积分调节器，用于对滤除扰动分量后的q轴电压分量进pi调节，得到q轴的角频率分量；所述q轴的角频率分量经所述比较器、积分环节、比例环节后，得到所述相位估计。
7.作为上述方案的改进，所述级联自适应陷波器，包括多个串联连接的用于滤除特定次扰动分量的自适应陷波器。
8.作为上述方案的改进，所述自适应陷波器包括用于滤除2次扰动分量的第一陷波器、用于滤除6次扰动分量的第二陷波器以及用于滤除12次扰动分量的第三陷波器；其中，所述第一陷波器、第二陷波器、第三陷波器依次串联连接。
9.作为上述方案的改进，所述自适应陷波器为二阶自适应陷波器；所述二阶自适应陷波器的自适应算法函数表达为：
；其中，表示状态变量，表示需要滤除的扰动分量，表示自适应陷波器的迭代步长，为自适应陷波器的回归因子，表示输入信号，表示输出信号的估计，表示n次调节变量，a和r表示参数变量，n表示迭代次数。
10.第二方面，本发明实施例提供了一种自适应频率估计的锁相方法，包括：对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量；通过预先构造的级联自适应陷波器，对所述q轴电压分量上的扰动分量进行滤除；根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计。
11.作为上述方案的改进，所述根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计，包括：将滤除扰动分量后的q轴电压分量送入比例积分调节器，得到q轴的角频率分量；所述q轴的角频率分量经比较器、积分环节、比例环节后，得到所述相位估计。
12.作为上述方案的改进，所述对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量，包括：对所述三相电压进行clark变换，得到坐标系下的电压分量；对坐标系下的电压分量进行park变换，得到所述q轴电压分量。
13.作为上述方案的改进，所述级联自适应陷波器，包括多个串联连接的用于滤除特定次扰动分量的自适应陷波器。
14.作为上述方案的改进，所述自适应陷波器包括用于滤除2次扰动分量的第一陷波器、用于滤除6次扰动分量的第二陷波器以及用于滤除12次扰动分量的第三陷波器；其中，所述第一陷波器、第二陷波器、第三陷波器依次串联连接。
15.相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：通过对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量；然后使用预先构造的级联自适应陷波器，对所述q轴电压分量上的扰动分量进行滤除；再根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计；通过在锁相环引入级联自适应陷波器滤除电网电压的扰动分量，可以准确跟踪电压相位。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所占据要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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。
17.图1是本发明实施例提供的自适应频率估计的锁相环的示意图；图2是一阶陷波器的迭代结构示意图；
图3是二阶陷波器的迭代结构示意图；图4是本发明实施例提供的自适应频率估计的锁相环的整体结构示意图；图5是本发明实施例提供的一种自适应频率估计的锁相方法的流程图。
具体实施方式
18.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，所描述的实施例仅仅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作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。
19.实施例一请参阅图1，其是本发明实施例提供一种自适应频率估计的锁相环的结构示意图，所述自适应频率估计的锁相环包括：dq变换模块1，用于对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量；级联自适应陷波器2，用于对所述q轴电压分量上的扰动分量进行滤除；锁相环节3，用于根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计。
20.进一步，所述锁相环节包括依次串联连接的比例积分调节器、比较器、积分环节以及比例环节；其中，所述比例积分调节器，用于对滤除扰动分量后的q轴电压分量进pi调节，得到q轴的角频率分量；所述q轴的角频率分量经所述比较器、积分环节、比例环节后，得到所述相位估计。
21.进一步，所述级联自适应陷波器，包括多个串联连接的用于滤除特定次扰动分量的自适应陷波器。
22.其中，所述自适应陷波器包括用于滤除2次扰动分量的第一陷波器、用于滤除6次扰动分量的第二陷波器以及用于滤除12次扰动分量的第三陷波器；其中，所述第一陷波器、第二陷波器、第三陷波器依次串联连接。
23.在一种可选的实施例中，所述自适应陷波器为二阶自适应陷波器。
24.所述二阶自适应陷波器的函数表达为：；其中，表示状态变量，表示需要滤除的扰动分量，表示自适应陷波器的迭代步长，为自适应陷波器的回归因子，表示输入信号，表示输出信号的估计，表示n次调节变量，a和r表示参数变量，n表示迭代次数。
25.其中，级联自适应陷波器构造原理如下：对于连续系统或离散系统，自适应陷波器可以采用梯度下降算法在误差性能面上
寻找最优解。最小均方（lms）算法被广泛用作梯度下降算法，以寻找二次误差最小为目标的函数。因此可以选择合适的代价函数来搜索最小点，使得自适应陷波器利用lms算法识别一个输入信号频率。
26.示例性，将电网的三相电压看作是单一正弦波和背景白噪声的组合，对自适应陷波器的构造原理进行说明。三相电压表达为单一正弦波和背景白噪声的组合的函数为：；（1）其中，p1表示正弦信号的幅值，表示角频率，表示相位，表示白噪声（等同于下文所述的扰动分量），n表示迭代次数。白噪声与在统计学上互相独立，则自适应陷波器可以表达为：；（2）其中，h(z)表示传递函数，z表示变换因子。
27.通过lms算法可以得到代价函数，所述代价函数的表达如下：；（3）其中，表示背景白噪声输出的方差，表示的范数，表示幅值响应的平方；表示传递函数。
28.理想自适应陷波器的频率响应为：；（4）由公示（4）可以得知，除了处，为陷波频率，沿单位圆的幅值响应值始终等于1。
29.将公式（4）代入公式（3）可以得到：；（5）代价函数在处取得最小值。
30.自适应陷波器的直接形式如图1所示，用于实现传递函数。
31.；（6）；（7）；（8）自适应陷波器是带宽比较窄的带阻陷波器，可以快速滤波输入信号中的特定次频
率分量，比如电网三相电压中的不平衡分量、谐波分量等扰动分量。在公式（6）中，分子多项式的零点在单位圆上，分母多项式的极点在单位圆上，通过调整略小于1来保持系统稳定。在本发明实施例中可通过参数a调整陷波频率。
32.其中，a和r表示参数变量，z表示变换因子；通过选择合适的参数a和参数r调节幅值响应。比如当r，陷波带宽减小，因此，在不考虑噪声的情况下，近似为理想响应，并且代价函数的梯度下降具有最小点。
33.将lms算法引用于最小化代价函数，则有：；（9）对于-2《a《2，则有：；（10）此时，代价函数在a=-2cos处可以获得全局最小值。通过公式（9）和（10）可以得知，求取的解相当找到代价函数对于参数的全局最小值。
34.依据lms直接型结构形式，一阶自适应陷波器的自适应迭代算法的表达为：；（11）；（12）其中，表示自适应陷波器的迭代步长，为自适应陷波器的回归因子。
35.因此，可以得到二阶自适应陷波滤波器的迭代结构示意图2，二阶自适应陷波器的自适应算法的表达为：；（13）其中，表示状态变量，表示需要滤除的扰动分量，表示自适应陷波器的迭代步长，为自适应陷波器的回归因子，表示输入信号，表示输出信号的估计，表示n次调节变量，a和r表示参数变量，n表示迭代次数。
36.在发明实施例中，以非理想电网的三相电压作为输入信号，由于三相电压含有不平衡分量、谐波分量等干扰，不平衡分量经过dq变换模块在q轴上面变成2次扰动分量，5和7次谐波分量经过dq变换模块在q轴上面变成6次扰动分量，同理，11和13次谐波分量经过dq变换模块在q轴上面变成12次扰动分量。为了滤除三相电压q轴上面的干扰，保证相位跟踪的准确性，需要在q轴上面加入滤波器消除干扰项。单独自适应陷波器只对单一频率的干扰
具有很好的滤除效果。在本发明实施例中为了消除多次干扰分量，采用自适应陷波器级联的结构方式，根据q轴信号上面的不同干扰量，设置不同自适应陷波器的组合，每个自适应陷波滤波器负责滤除特定次扰动分量。比如基于上述自适应滤波器的原理，可以构造出三个二阶自适应陷波器串联的结构，分别用于滤除2次扰动分量v2、6次扰动分量v6、12次扰动分量v
12
。
37.自适应频率估计锁相环：将输入信号的电压相角记为，角频率记为。当dq坐标系与按照同步转速旋转时，与d轴之前的相位是固定的，记为。在dq坐标系上的投影，。若=0，，此时=0，d轴与重合。
38.因此，作为被控变量，相位估计对三相电压进行dq变换，通过反馈信号对进行修正，保证=0。最终成为输入信号的相位估计。
39.自适应频率估计锁相环的结构如图4所示，包括dq变换模块，级联自适应陷波器，比例积分调节器(pi)、比较器、积分环节、比例环节。通过将级联自适应陷波器（g2（z）、g6（z）、g
12
（z））嵌入三相同步锁相环中，滤除三相电压中的干扰量。
40.为了更清楚地说明本发明的工作原理，下面以电网接入变流器为例，分析电网公共连接点的电网（pcc）电压的扰动分量，其中，电网公共连接点的电网（pcc）电压可以表示为：；（14）其中，v1表示电压幅值，表示电压相角，表示b相不平衡因子，（k表示数值1到无穷递增），表示c相不平衡因子；v
6k 1
表示谐波电压幅值；v
pcc
为三相电压，v
pcc
首先经过clark变换，abc坐标系变为坐标系的表达，然后以相位估计进行park变换，得到v
pcc
在q轴的表达如公式（15）所示：；（15）其中，，，e1表示坐标系下电压幅值，表示相角误差；根据工程经验，pcc点电网电压在abc坐标系的参数设定如表1所示。
41.表1-输入信号参数设置
上述v1表示电压理想状态（即无干扰）的值；(1 )v1、(1 )v1表示电压的不平衡分量，v5、v7、v
11
、v
13
对应表示5、7、11、13次谐波分量。
42.则通过上述公式（15），可以得到dq坐标的参数如表2所示。
43.表2-vq轴扰动分量根据上述vq轴扰动分量v2、v6、v
12
，级联自适应陷波器由3个自适应陷波滤波器串联构成，分别滤除2次谐波，6次谐波和12次谐波扰动分量。具体结构如图4所示。为了滤除对应的扰动分量，需要调节自适应陷波滤波器的中心频率，分别对应2次，6次和12次谐波、频带宽度（bw2、bw6、bw
12
）和迭代因子（、、）。
44.在本发明实例中，自适应陷波器使用的自适应递归算法可以在没有参考估计频率的情况下跟踪频率变化，因此，可以提高自适应陷波器的品质因数，有效地提高滤波能力。对于固定陷波器，必须调整较小的q值以增加滤波器带宽并减少频率变化的干扰。系统相位延迟与自适应陷波器的参数和q值有关。因此，必须设计自适应陷波器的参和q以获得合适的相位延迟。在本发明实施例中调谐参数如表3所示。
45.表3-自适应陷波器的参数
为了验证上述自适应陷波器的参数是否合适，需要对系统参数进行仿真验证，确认系统参数是否满足锁相环的性能要求。
46.其中，输入信号中叠加不平衡和谐波干扰分量见上述表1。频率的波动变化设定为47hz-53hz，即输入信号频率分别设定为47hz和53hz，通过vq轴上扰动分量的消除比例来确认级联自适应滤波器性能。根据上述表2所示的vq轴中的扰动分量，47hz和53hz扰动滤除比例如下表4所示。
47.表4如上表所示，本发明实施例涉及的锁相环具有较好的扰动滤除性能，能够准确的反应输入信号的相位信息。
48.相对于现有技术，本发明实施例提供一种包括dq变换模块，级联自适应陷波器，比例积分调节器(pi)、比较器、积分环节、比例环节的自适应频率估计的锁相环，通过将级联自适应陷波器嵌入传统的三相同步锁相环（srf-pll）中，构成自适应频率估计的锁相环，通过级联自适应陷波滤波器可以自动跟踪电网电压频率的变化，同时消除非理想电网电压的扰动，包括三相不平衡产生的负序分量，谐波分量，能够快速准确估计电网电压频率波动。
49.实施例二请参阅图5，本发明实施例提供了一种自适应频率估计的锁相方法，包括：
s1：对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量；s2：通过预先构造的级联自适应陷波器，对所述q轴电压分量上的扰动分量进行滤除；s3：根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计。
50.作为上述方案的改进，所述根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计，包括：将滤除扰动分量后的q轴电压分量送入比例积分调节器，得到q轴的角频率分量；所述q轴的角频率分量经比较器、积分环节、比例环节后，得到所述相位估计。
51.作为上述方案的改进，所述对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量，包括：对所述三相电压进行clark变换，得到坐标系下的电压分量；对坐标系下的电压分量进行park变换，得到所述q轴电压分量。
52.作为上述方案的改进，所述三相电压的函数表达为：；其中，v1表示电压幅值，表示电压相角，表示b相不平衡因子，（k表示数值1到无穷递增），表示c相不平衡因子；v
6k 1
表示谐波电压幅值；所述q轴电压分量的函数表达为：；其中，，；e1表示坐标系下电压幅值，表示相角误差。
53.在一种可选的实施例中，所述级联自适应陷波器，包括多个串联连接的用于滤除特定次扰动分量的自适应陷波器。
54.进一步，所述自适应陷波器包括用于滤除2次扰动分量的第一陷波器、用于滤除6次扰动分量的第二陷波器以及用于滤除12次扰动分量的第三陷波器；其中，所述第一陷波器、第二陷波器、第三陷波器依次串联连接。
55.进一步，所述自适应陷波器为二阶自适应陷波器；所述二阶自适应陷波器的自适应算法函数表达为：
；其中，表示状态变量，表示需要滤除的扰动分量，表示自适应陷波器的迭代步长，为自适应陷波器的回归因子，表示输入信号，表示输出信号的估计，表示n次调节变量，a和r表示参数变量，n表示迭代次数。
56.其中，自适应陷波器的参数设置以及工作原理请参见实施例一，在这里不再重复说明。
57.相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：通过对电网的三相电压进行dq变换，得到q轴电压分量；然后使用预先构造的级联自适应陷波器，对所述q轴电压分量上的扰动分量进行滤除；再根据滤除扰动分量后的q轴电压分量，得到所述三相电压的相位估计；通过在锁相环节引入级联自适应陷波器滤除电网电压的扰动分量，可以准确跟踪电压相位。
58.需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
59.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出多台改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。