一种动稳态性能自适应调节的锁频环及电子装置的制作方法

本发明涉及锁频环，尤其涉及一种动稳态性能自适应调节的锁频环及电子装置。

背景技术：

1、快速准确地获取交流电压信号的频率、相位和幅值等信息，对于固态变压器与电网同步运行、固态变压器参与电网调压调频、交流子网中“源、储”无通讯协调运行至关重要。锁频环（frequency-locked loop，简称为fll）较传统电网同步技术锁相环（phase-locked loop，简称为pll）具有惯性环节少和受电压相位跳变影响小的优势，因而受到越来越多的关注。但是，电力电子设备的爆发式增长导致了公用电网直流偏置、谐波污染和频率突变愈发严重，这些问题对锁频环的估计性能产生了严重影响。因此，在电网电压中含有大量复杂多变谐波分量的条件下，如何快速准确地估计电网频率，是当前锁频环领域亟待解决的技术难题。

2、目前，已有一些锁频环技术通过在二阶广义积分器锁频环（second-ordergeneralized integrator-fll，简称为sogi-fll）中加入直流分量反馈环路、正弦幅值积分器和高通滤波器等直流滤波器，从而消除电网电压中直流分量带来的干扰。为了消除谐波产生的影响，由多个中心频率不同的sogi正交信号发生器并联构成的msogi-fll被提出，其中各sogi正交信号发生器分别用于估计和滤除不同频率的谐波。但是，上述锁频环都只对设计的目标频率分量起作用，对其他分量则无能为力，参数估计精度仍会受到其他频率分量的影响。为了抑制电网电压中除基波信号外所有频率分量的影响，一些二阶广义积分器锁频环改进方法被相继提出，例如在二阶广义积分器锁频环的输入前增设自适应带通滤波器、内嵌滤波器或者梳状滤波器，这些锁频环技术均可视作由两个中心频率相同的sogi正交信号发生器级联构成。此类滤波器级联型锁频环虽都能够一定程度地抑制直流分量、谐波、次谐波等对锁频环参数估计精度的影响，但更高滤波能力也同时意味着更慢的动态性能，动态性能和稳态性能难以兼顾。中国专利cn106953634a公开了“一种基于双自调谐二阶广义积分器的锁频环方法”和中国专利cn112468141a公开的了“基于广义三阶积分器的锁频环的构造方法”，属于上述方法中的并联型锁频环。中国专利cn113922390a公开了“一种基于改进型锁频环的车网低频振荡抑制方法”和中国专利cn107786201a公开了“一种基于锁频环的二阶广义积分器结构及锁相环同步方法”，属于上述方法中的级联型锁频环。可见为了应对愈发严重的直流偏置和谐波污染，现有各类锁频环不得不设置级数更多或滤波能力更强的预滤波级，但滤波性能提升的同时也大大削弱了动态性能。

3、综上所述，现有锁频环技术均存在着稳态估计精度和动态响应速度难以兼顾的矛盾。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供了一种动稳态性能自适应调节的锁频环及电子装置，用于解决现有技术中现有锁频环技术均存在着稳态估计精度和动态响应速度难以兼顾的问题。

2、为了解决上述问题，本发明实施例提供一种动稳态性能自适应调节的锁频环，包括正交信号生成模块、阻尼比自适应模块和频率估计模块；

3、所述正交信号生成模块接收电压信号 u作为输入，结合当前的估计频率 ω和阻尼比 k，输出与电压信号 u同相位的信号 ua和相位正交的信号 ub；

4、所述阻尼比自适应模块接收电压信号 u、信号 ua和当前的估计频率 ω作为输入，根据输入量对正交信号生成模块的时变参数阻尼比 k进行更新，更新后的阻尼比 k将反馈回正交信号生成模块，用于下一次的正交信号生成；

5、所述频率估计模块接收电压信号 u、信号 ua、信号 ub和当前的阻尼比 k作为输入，根据输入量对正交信号生成模块的时变参数估计频率 ω进行更新，更新后的估计频率 ω将反馈回正交信号生成模块和阻尼比自适应调节模块，用于下一次的正交信号生成和阻尼比调节。

6、优选地，所述正交信号生成模块接收电压信号 u作为输入，结合当前的估计频率 ω和阻尼比 k，输出与电压信号 u同相位的信号 ua和相位正交的信号 ub的方法为：

7、；

8、；

9、其中， u( n)， ua( n)和 ub( n)分别表示信号 u、信号 ua和信号 ub在 n时刻的采样数值； u( n-1)， ua( n-1)和 ub( n-1)分别表示信号 u、信号 ua和信号 ub在 n时刻延迟1个采样周期 t的采样数值； u( n-2)， ua( n-2)和 ub( n-2)分别表示信号 u、信号 ua和信号 ub在 n时刻延迟2个采样周期 t的采样数值；a1、a2、b1和b2均为公式系数。

10、优选地，所述公式系数a1、a2、b1和b2的计算公式为：

11、；

12、其中， k( n)和 ω( n)分别表示时变参数阻尼比 k和估计频率 ω在 n时刻的数值。

13、优选地，所述阻尼比自适应模块接收电压信号 u、信号 ua和当前的估计频率 ω作为输入，根据输入量对正交信号生成模块的时变参数阻尼比 k进行更新的方法为：

14、；

15、其中， k( n)、 k( n-1)分别表示时变参数阻尼比 k在 n、n-1时刻的数值；f为阻尼比自适应调节系数，f为大于零的常数；d( n-1)和e( n-1)分别为中间变量d和阻尼比自适应步长e在 n时刻延迟1个采样周期 t的数值； ua( n-1)表示信号 ua在 n时刻延迟1个采样周期 t的采样数值。

16、优选地，所述阻尼比自适应步长的更新公式为：

17、；

18、其中，e( n)为阻尼比自适应步长e在 n时刻的数值；emin和emax分别为阻尼比自适应步长e的最小值和最大值； kmax为阻尼比 k的最大值。

19、优选地，所述中间变量d( n-1)的计算公式为：

20、；

21、其中，d( n-2)和d( n-3)分别为中间变量d在 n时刻延迟1个采样周期 t和延迟2个采样周期 t的数值；a1、a2、b1、b2、c1和c2均为公式系数； u( n)表示信号 u在 n时刻的采样数值； ua( n-1)表示信号 ua在 n时刻延迟1个采样周期 t的采样数值； u( n-2)和 ua( n-2)分别表示信号 u和信号 ua在 n时刻延迟2个采样周期 t的采样数值。

22、优选地，所述公式系数c1和c2的计算公式为：

23、；

24、其中， ω( n-1)表示时变参数估计频率 ω在 n时刻延迟1个采样周期 t的数值。

25、优选地，所述频率估计模块接收电压信号 u、信号 ua、信号 ub和当前的阻尼比 k作为输入，根据输入量对正交信号生成模块的时变参数估计频率 ω进行更新的方法为：

26、；

27、其中， ω( n)表示时变参数估计频率 ω在 n时刻的数值； k( n-1)和 ω( n-1)分别表示时变参数阻尼比 k和估计频率 ω在 n时刻延迟1个采样周期 t的数值； u( n-1)， ua( n-1)和 ub( n-1)分别表示信号 u、信号 ua和信号 ub在 n时刻延迟1个采样周期 t的采样数值。

28、本发明实施例还提供了一种电子装置，该装置包括上述所述的动稳态性能自适应调节的锁频环，以实现对电网频率的实时监测。

29、从以上技术方案可以看出，本发明申请具有以下有益效果：

30、与现有技术相比，本发明所提供的一种动稳态性能自适应调节的锁频环及电子装置，能够根据频率估计状态自适应调整阻尼比 k，从而实现稳态估计精度和动态估计速度的实时调节，不需要在动态和稳态性能之间进行权衡，使锁频环在电网电压中含有大量复杂多变谐波分量的条件下，依然能够快速准确地估计电网频率。本发明所述的锁频环及电子装置适合对收敛速度快、滤波能力强、估计精度要求高的场景。此外，该锁频环易于数字化实现、参数调优简单，便于工业应用。