一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法及系统，属于锁频环调节技术领域。本发明专利技术以ITAE指标最小为目标来选取双二阶广义积分器锁频环的参数‑锁频环积分增益系数，通过进化算法来进行迭代寻优，无需分析DSOGI‑FLL内部各模块间的相互影响，能够快速、准确地确定出双二阶广义积分器锁频环的参数，有效避免了试探法确定DSOGI‑FLL参数的盲目性、随意性和效率低的问题，解决了目前难以确定双二阶广义积分器锁频环的参数的问题。

A Parameter Optimizing Method and System of Frequency Locked Loop with Double Second Order Generalized Integrator

【技术实现步骤摘要】
一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法及系统
本专利技术涉及一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法及系统，属于锁频环调节

技术介绍
二阶广义积分器锁频环(SOGI-FLL)的结构如图1所示，其包括SOGI-QSG(SOGI-正交信号发生器)和FLL(锁频环)两部分，对于给定的正弦输入信号v＝Vsin(ωt)，V为正弦信号幅值，ω为正弦信号角频率，图1中v′为输入信号v的估计，qv′为v′的正交信号，εv为估计误差，ω′为FLL估计出的信号角频率，γ为一个信号放大系数，且其中Γ为锁频环积分增益系数，k为阻尼系数。SOGI-FLL锁定信号频率的基本原理是：SOGI-QSG中的εv和qv′的乘积εf作为FLL模块的输入，当正弦输入信号v的频率小于FLL的输出频率ω′时，qv′和εv同相位，二者的乘积εf＞0；当输入信号的频率ω大于FLL输出频率ω′时，qv′和εv相位相反，二者的乘积εf＜0；当ω＝ω′时，εf＝0。FLL中增益为-γ的积分器根据εf的变化，逐渐调整FLL输出频率ω′，最终使ω′＝ω，实现频率的自适应。根据上述锁频环的工作原理可知，忽略εf信号中的2倍ω频率的交流信号，SOGI-FLL锁频环近似于一阶系统，即式中s为传递函数中经常使用的复变量。双二阶广义积分器锁频环(dualsecond-ordergeneralizedintegratorfrequency-lockedloop，DSOGI-FLL)具有频率自适应能力，广泛应用于电网同步控制、正负序分量提取、谐波分量检测等方面。其结构如图2所示，包括两个SOGI-QSG模块和一个FLL模块，输入信号为一组正交信号，V为信号幅值，ω为信号角频率，为信号初相角，v'α为输入信号vα的估计，εvα为估计误差，qv'α为v'α的正交信号，x1α＝v'α，为x1α的一阶导数，x2α为x1α的积分；同理，v'β为输入信号vβ的估计，εvβ为估计误差，qv'β为v'β的正交信号，x1β＝v'β，为x1β的一阶导数，x2β为x1β的积分，ω′为FLL估计出的信号频率，ωff为信号额定角频率。两相静止坐标系下，DSOGI-FLL中的估计误差表达式为：无论ω′和ω是否相等，对于状态变量x1α、x2β均有如下关系则DSOG_FLL的频率误差信号εf表示为：稳态工作点附近，ω'≈ω，ω'2-ω2≈2ω'(ω'-ω)，因此DSOGI-FLL的频率响应特性表达式为：对于给定的正弦输入信号和其正交信号x2α和x2β可分别表示为:带入上式可得：则DSOGI-FLL的频率响应特性可表示为：由于与在相加时2倍ω频率的交流信号相互抵消，因此DSOGI的锁频响应不受2倍频波动成分的影响，其动态过程更接近于一阶系统。令上式中由于则于是有其中Γ为锁频环积分增益系数，从中可以看出，DSOGI-FLL与SOGI-FLL具有相似的锁频响应特性，但DSOGI的锁频响应不受2倍频波动成分的影响，其动态过程更接近于一阶系统，过渡过程更加平滑。其调节时间ts估计值为：可见参数Γ对锁频环的响应特性有重要影响，是锁频环的关键参数，但是现有技术都是针对的DSOGI-FLL的锁频原理及响应特性，未给出参数Γ的确定方法，Γ的取值越大越好，因为，Γ越大，FLL的调节时间ts越小，也就是FLL的响应速度越快，但由于DSOGI模块与FLL模块是相互依赖的两部分，上式成立需考虑FLL与DSOGI两部分调节时间的关系，如果上式中的参数Γ取值过大(对应按上式计算出的ts过小)，将导致FLL与DSOGI两部分的动态耦合效应过强，从而导致FLL的调节时间不减反增，其动态特性不能再使用一阶系统来近似。由于双二阶广义积分器锁频环是一个非线性系统，且DSOGI模块与FLL模块又相互依赖，很难依靠理论推导出一定目标下的锁频环积分增益系数Γ。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，以解决目前难以采用理论手段确定锁频环积分增益系数Γ的问题；本专利技术还提供了一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化系统，以解决目前难以采用理论手段确定锁频环积分增益系数Γ的问题。本专利技术为解决上述技术问题而提供一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，该优化方法包括以下步骤：1)选取双二阶广义积分器锁频环的ITAE指标构建适应度函数，所述的ITAE指标为信号频率突变后的设定时间内信号真实频率与双二阶广义积分器锁频环输出信号频率估计值之差的绝对值乘时间的积分；2)利用进化算法对锁频环积分增益系数进行迭代寻优，选取使ITAE指标最小时对应的锁频环积分增益系数作为双二阶广义积分器锁频环的参数。同时，本专利技术还提供了一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化系统，该优化系统包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：1)选取双二阶广义积分器锁频环的ITAE指标构建适应度函数，所述的ITAE指标为信号频率突变后的设定时间内信号真实频率与双二阶广义积分器锁频环输出信号频率估计值之差的绝对值乘时间的积分；2)利用进化算法对锁频环积分增益系数进行迭代寻优，选取使ITAE指标最小时对应的锁频环积分增益系数作为双二阶广义积分器锁频环的参数。本专利技术以ITAE指标最小为目标来选取双二阶广义积分器锁频环的参数锁频环积分增益系数，通过进化算法来进行迭代寻优，无需分析DSOGI-FLL内部各模块间的相互影响，能够快速、准确地确定出双二阶广义积分器锁频环的参数，有效避免了试探法确定DSOGI-FLL参数的盲目性、随意性和低效率的问题，解决了目前难以确定双二阶广义积分器锁频环的参数的问题。进一步地，本专利技术还给出了具体进化算法，以提高迭代优化的效率和准确度，所述的进化算法采用粒子群算法。进一步地，为了避免双二阶广义积分器锁频环的超调过大，所述的适应度函数还包括由超调量确定的惩罚项，所述适应度函数的具体表达为：F＝1/JITAE_M其中F为适应度值，JITAE_M为ITAE综合指标，ti为积分时长，0时刻对应信号频率发生突变时的时刻，e(t)为频率估计误差，σ为双二阶积分器锁频环输出的超调量，δ(σ)为σ的函数，w1为误差的权值，w2为超调量的权值，且w1>>w2。进一步地，为了准确描述超调量的影响，所述超调量的函数的表达式为：σa为锁频环允许的超调量。进一步地，为了提高迭代优化的效率，该方法还包括在寻优迭代前确定锁频环积分增益系数的寻优区间，使寻优迭代在所述寻优区间内进行的步骤，所述寻优区间的下限为锁频环FLL调节时间等于设定倍数的双二阶广义积分器DSOGI的调节时间时对应的锁频环积分增益系数。进一步地，为了快速确定寻优区间上限，本专利技术还给出了上限的确定方式，所述寻优区间的上限是在寻优区间的下限通过进退法确定的，以所述下限为基准，锁频环积分增益系数按照一定的步长逐步增加，直至双二阶广义积分器锁频环的输出出现设定程度的超调和振荡。附图说明图1是现有技术中SOGI-FLL的结构框图；图2是现有技术中DSOGI-FLL的结构框图；图3是本专利技术实施例中不同参数下DSOGI-FLL输出波形比较图；图4是本专利技术实施例得到的全局最佳适应度值收敛曲线示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，该优化方法包括以下步骤：1)选取双二阶广义积分器锁频环的ITAE指标构建适应度函数，所述的ITAE指标为信号频率突变后的设定时间内信号真实频率与双二阶广义积分器锁频环输出信号频率估计值之差的绝对值乘时间的积分；2)利用进化算法对锁频环积分增益系数进行迭代寻优，选取使ITAE指标最小时对应的锁频环积分增益系数作为双二阶广义积分器锁频环的参数。

【技术特征摘要】
1.一种双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，该优化方法包括以下步骤：1)选取双二阶广义积分器锁频环的ITAE指标构建适应度函数，所述的ITAE指标为信号频率突变后的设定时间内信号真实频率与双二阶广义积分器锁频环输出信号频率估计值之差的绝对值乘时间的积分；2)利用进化算法对锁频环积分增益系数进行迭代寻优，选取使ITAE指标最小时对应的锁频环积分增益系数作为双二阶广义积分器锁频环的参数。2.根据权利要求1所述的双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，所述步骤2)中的进化算法为粒子群算法。3.根据权利要求1或2所述的双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，所述的适应度函数还包括由超调量确定的惩罚项，所述适应度函数的具体表达为：F＝1/JITAE_M其中F为适应度值，JITAE_M为ITAE综合指标，ti为积分时长，0时刻对应信号频率发生突变时的时刻，e(t)为频率估计误差，σ为双二阶积分器锁频环输出的超调量，δ(σ)为σ的函数，w1为误差的权值，w2为超调量的权值，且w1>>w2。4.根据权利要求3所述的双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，所述超调量的函数的表达式为：σa为锁频环允许的超调量。5.根据权利要求1或2所述的双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，该方法还包括在寻优迭代前确定锁频环积分增益系数的寻优区间，使寻优迭代在所述寻优区间内进行的步骤，所述寻优区间的下限为锁频环FLL调节时间等于设定倍数的双二阶广义积分器DSOGI的调节时间时对应的锁频环积分增益系数。6.根据权利要求5所述的双二阶广义积分器锁频环的参数优化方法，其特征在于，所述寻优区间的上限是在寻优区间的下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鸿博，蔡晓峰，刘雪枫，李雪，周晓明，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41