基于IDFT的软件锁相环实现方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于IDFT的软件锁相环方法及装置，采样非理想三相系统的电压信号，将三相电网电压由abc静止坐标系转经clarke变换到αβ静止坐标系下，经IDFT提取电压基波正序信号，将αβ静止坐标系下的电压信号经park变换至dq同步旋转坐标系下；经PI控制器得到电压基波正序信号角频率；装置包括：采样单元、锁相环单元、闭环控制单元、正弦脉宽调制单元、驱动单元、NPC三电平逆变器。本发明专利技术方法可以在两相静止坐标系下滤除非理想电网电压信号中谐波分量、负序分量和直流分量，锁相环参数设计简单，锁相精度高。

Implementation Method and Device of Software Phase-Locked Loop Based on IDFT

The invention discloses a software phase-locked loop method and device based on IDFT, which sampled the voltage signal of non-ideal three-phase system, transformed the three-phase grid voltage from ABC static coordinate system to alpha-beta static coordinate system by clarke, extracted the positive sequence voltage signal by IDFT, and transformed the voltage signal in alpha-beta static coordinate system to DQ synchronous rotating coordinate system by park. The device includes sampling unit, phase-locked loop unit, closed-loop control unit, sinusoidal pulse width modulation unit, driving unit and NPC three-level inverter. The method of the invention can filter the harmonic component, negative sequence component and direct current component of the ideal grid voltage signal in the two-phase stationary coordinate system. The design of the PLL parameters is simple and the PLL precision is high.

【技术实现步骤摘要】
基于IDFT的软件锁相环实现方法及装置
本专利技术涉及电力电子变换
，特别是一种基于IDFT的软件锁相环实现方法及装置。
技术介绍
在新能源应用领域中，与基准信号同步是很重要的，例如分布式发电中，连接电网的转换器通常必须与公用电网的相位和频率同步。锁相环(PhaseLockedLoop—PLL)可以用于与信号同步。例如，单同步坐标系软件锁相环(SingleSynchronousReferenceFrameSoftwarePhaseLockLoop—SSRF-PLL)是广泛使用的PLL技术，其能够检测基准信号的相角和频率。在一定条件下，SSRF-PLL可以快速而又精确的检测到基准信号的相角、基频和幅值。如果基准信号由于低次谐波而失真，可以通过减小SSRF-PLL反馈环节的带宽而抑制和消除这些谐波对输出的影响。然而在某些情况下，由于PLL的响应速度也因此会减小，所以减小PLL带宽可能是不可接受的解决方案。此外，基准信号的不平衡也会对基于SSRF-PLL方法的设计产生影响。目前，基于双同步坐标系的解耦软件锁相环(DecoupledDoubleSynchronousReferenceFrameSoftwarePhaseLockedLoop—DDSRF-PLL)，基于双二阶广义积分器的软件锁相环(DoubleSecondOrderGeneralizedIntegratorSoftwarePhaseLockedLoop—DSOGI-SPLL)，是基于SSRF-PLL而设计的改进锁相环，是目前应用于非理想电网最为广泛的两种软件锁相环，但这两种锁相环对低次谐波滤除效果不是很理想，如果改善锁相环对低次谐波的滤除作用，其动态响应时间将会变长。基于级联延时信号消除法的软件锁相环(CascadeDelayedSignalCancellationSoftwarePhaseLockedLoop—CDSC-SPLL)，在SSRF-PLL锁相环基础上应用级联延时消去法滤除所有谐波分量，从而提取电压正序分量用以锁定电网基波相位和频率，但是在数字系统中信号不连续，延时信号误差不可避免，可以采用加权平均值等算法减少误差，但五级模块需要分别计算，计算量大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于IDFT的软件锁相环(InverseDiscreteFourierTransformSoftwarePhaseLockedLoop—IDFT-SPLL)，在电网电压出现不平衡、谐波畸变、频率突变及相位突变等故障时，能够准确而快速的排除故障影响，重新锁定电网电压信号的相位角和角频率。实现本专利技术目的技术解决方案为：一种基于IDFT的软件锁相环实现方法，具体步骤包括：S1、采样非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，利用clark变换将信号转换到αβ静止坐标系下的电压信号uα、uβ；S2、经IDFT1-SPLL检测工作电压频率值，检测步骤为：a、uα、uβ经IDFT1提取准电压正序信号uα′、uβ′；b、通过park变换将准电压正序信号uα′、uβ′转换至同步旋转坐标系下的电压信号ud′、uq′；c、uq′经PI控制器得到准电压正序信号角频率ωf；d、ωf经积分环节得到准电压正序信号相位角θ，用于反馈至步骤b中进行park变换完成闭环锁相；e、将得到的准电压正序信号角频率ωf经低通滤波器滤波后求取出工频周期采样个数K，传递给IDFT2，用于实现频率自适应滤波。S3、经IDFT2-SPLL检测工作电压相位角，检测步骤为：a、uα、uβ经IDFT2提取电压基波正序信号uα+、uβ+；b、通过park变换将电压基波正序信号uα+、uβ+转换至同步旋转坐标系下的电压信号ud+、uq+；c、uq+经PI控制器得到电压基波正序信号角频率；d、电压基波正序信号角频率经积分环节得到电压基波正序信号相位角θo。e、将电压基波正序信号相位角θo反馈至S3的步骤b中的park变换完成闭环锁相。进一步地，所述的非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，具体如下：非理想三相系统的电压信号由基波正序分量和多种频率分量组成，其函数表达式为：式中，U1+为电网电压基波正序分量的电压幅值，Un为电网电压n次谐波的电压幅值，φ1和φn分别为电网电压基波正序分量的初始相位角和电网电压n次谐波的初始相位角，ω为电网电压频率。进一步地，所述的有限离散傅里叶逆变换1即IDFT1，提取电压信号uα′、uβ′，具体如下：式中，N为基波周期采样个数；j为复数；所述的有限离散傅里叶逆变换2即IDFT2提取电网电压信号uα+、uβ+，具体如下：式中，K为工频周期采样个数，uαβ(n-k)表示第n-k周期αβ轴输入值。进一步地，将得到的准电压基波正序信号角频率ωf，经低通滤波器获得电压基波角频率ωo，经运算可以得到工频周期采样个数K，具体表达式如下式中，ωo为工作电压角频率，Ts为采样周期。一种基于IDFT的软件锁相环实现装置，包括：NPC三电平逆变器，用于接入电网作为系统主电路；采样单元，用于采集电网的电压及电流信号；锁相环单元，用于锁定所述采样单元采集的电网电压；闭环控制单元，用于将所述采集单元采集的电网电流与锁相环单元产生的θ，通过电流闭环控制算法，产生调制信号；正弦脉宽调制单元，调制信号与三角载波比较，用于根据调制信号，产生对应的脉冲信号；驱动单元，用于将脉冲信号转换成电平并驱动电路运行。进一步地，所述锁相环单元包括双锁相环结构IDFT1-SPLL和IDFT2-SPLL，其中：频率检测模块IDFT1-SPLL，用于锁定电网频率；相位检测模块IDFT2-SPLL，用于锁定电网相位。进一步地，所述闭环控制单元，包括：电流信号转换模块，用于将三相电流信号ia、ib、ic经clarke、park变换至同步旋转坐标系id、iq；PI控制模块，用于将同步旋转坐标系下的id、iq信号与给定信号做差后进入PI控制器，获得dq轴调制信号id′、iq′。调制信号生成模块，将id′、iq′经ipark、iclarke变换获得调制信号ua′、ub′、uc′。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)采用IDFT结构，可以在αβ静止坐标系下完全滤除非理想电网电压信号中谐波分量、负序分量和直流分量；(2)在电网电压出现不平衡、谐波畸变、频率突变及相位突变等故障时，能够准确快速的排除故障影响，重新锁定电网电压信号的相位角和频率；(3)IDFT通过公式简化，计算量得到了精简，更容易数字实现。附图说明图1为本专利技术基于IDFT的软件锁相环的示意图；图2为本专利技术中IDFT的伯德图，(a)为IDFT1的伯德图，(b)为IDFT2的伯德图；图3为本专利技术中IDFT1-SPLL(a)和IDFT2-SPLL(b)的示意图；图4为电网电压不平衡时锁相环的仿真波形图；图5为向电网电压中加入谐波时锁相环的仿真波形图；图6为电网电压频率突变时锁相环的仿真波形图；图7为电网电压相位突变时锁相环的仿真波形图；图8为电网电压三相跌落时锁相环的仿真波形图；图9为单相接地故障时锁相环的仿真波形图；图10为频率突变伴随谐波干扰故障时锁相环的仿真波形图；图11为本专利技术基于IDFT的软件锁相环实现装置的结构示意图。具体实施方式本专利技术基于IDFT的软件锁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于IDFT的软件锁相环实现方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采样非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，利用clark变换将信号转换到αβ静止坐标系中的电压信号uα、uβ；S2、经IDFT1‑SPLL检测工作电压频率值，检测步骤为：S21、uα、uβ经IDFT1提取准电压基波正序信号uα′、uβ′；S22、通过park变换将准电压基波正序信号uα′、uβ′转换至dq同步旋转坐标系下的电压信号ud′、uq′；S23、uq′经PI控制器得到准电压基波正序信号角频率ωf；S24、ωf经积分环节得到准电压基波正序信号相位角θ，用于反馈至步骤S22中进行park变换完成闭环锁相；S25、将得到的准电压基波正序信号角频率ωf经低通滤波器滤波后求出工频周期采样个数K，传递给IDFT2，用于实现频率自适应滤波；S3、经IDFT2‑SPLL检测工作电压相位角，检测步骤为：S31、uα、uβ经IDFT2，并结合工频周期采样个数K提取电压基波正序信号uα

【技术特征摘要】
1.一种基于IDFT的软件锁相环实现方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采样非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc，利用clark变换将信号转换到αβ静止坐标系中的电压信号uα、uβ；S2、经IDFT1-SPLL检测工作电压频率值，检测步骤为：S21、uα、uβ经IDFT1提取准电压基波正序信号uα′、uβ′；S22、通过park变换将准电压基波正序信号uα′、uβ′转换至dq同步旋转坐标系下的电压信号ud′、uq′；S23、uq′经PI控制器得到准电压基波正序信号角频率ωf；S24、ωf经积分环节得到准电压基波正序信号相位角θ，用于反馈至步骤S22中进行park变换完成闭环锁相；S25、将得到的准电压基波正序信号角频率ωf经低通滤波器滤波后求出工频周期采样个数K，传递给IDFT2，用于实现频率自适应滤波；S3、经IDFT2-SPLL检测工作电压相位角，检测步骤为：S31、uα、uβ经IDFT2，并结合工频周期采样个数K提取电压基波正序信号uα+、uβ+；S32、通过park变换将电压基波正序信号uα+、uβ+转换至dq同步旋转坐标系下的电压信号ud+、uq+；S33、uq+经PI控制器得到工作电压角频率ωo；S34、电压基波正序信号角频率经积分环节得到电压基波正序信号相位角θo，反馈至步骤S32用于park变换完成闭环锁相。2.根据权利要求1所述的基于IDFT的软件锁相环实现方法，其特征在于，所述非理想三相系统的电压信号ua、ub、uc由基波正负序分量和多种频率的分量组成，其函数表达式为：式中，U1+为电网电压基波正序分量的电压幅值，Un为电网电压n次谐波的电压幅值，φ1和φn分别为电网电压基波正序分量的初始相位角和电网电压n次谐波的初始相位角，ω为电网电压基波角频率。3.根据权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵涛，
申请(专利权)人：合肥科威尔电源系统有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34