基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统及方法，系统包括三相电压信号采集模块、解耦双同步旋转坐标模块、原始相位计算模块、卡尔曼滤波器和计算模块，解耦双同步旋转坐标模块包括Clark变换模块、正序解耦模块、负序解耦模块，计算模块包括PID处理模块、相位计算模块、频率计算模块和负序幅值计算模块等。本发明专利技术将传统双同步坐标系解耦锁相环中的积分环节与低通滤波器创造性的替换为卡尔曼滤波器，充分利用卡尔曼滤波器具有无时滞、抗扰动性能佳等优点，相较传统双同步坐标系解耦锁相环方法，可精确滤除量测噪声，大幅缩短频率与相位变化时锁相实过渡时间，提高锁相环的实时性与鲁棒性。

Decoupled PLL system and method based on Kalman filter in double synchronous coordinate system

【技术实现步骤摘要】
基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统及方法
本专利技术涉及一种电力电子
，特别是涉及一种基基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统及方法。
技术介绍
锁相环(PLL，Phase-LockedLoop)是典型的跟踪锁存信号相位与频率的方法锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。锁相环分为硬件锁相环与软件锁相环。典型硬件锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。经典单同步坐标系软件锁相环是一种广泛适用于电网电压平衡时的相位、频率检测的经典算法。该算法利用Clark变换与dq变换得到电压q轴幅值，对q轴幅值进行一定的运算与处理后，可实时锁定电压相位与频率。然而单同步坐标系锁相环的缺点也是显而易见的，当三相电网电压不平衡时时，单同步坐标系锁相环dq变换得到电压分量中包含大量谐波，即使通过低通滤波器后也不能完全滤除，从而导致不能得到准确的相位与频率。基于此，双同步坐标系解耦锁相环采用了基于正、负序双同步坐标系的SPLL系统结构，充分利用正负序解耦算法，从而有效地克服了频率与幅值变化对锁相环性能的影响。当三相电网电压不平衡时，也能得到准确的电压相位与频率信息。虽然双同步坐标系解耦方法解决了单同步坐标系锁相环不适用于三相不对称的问题，但这两种锁相环均有一个较为严重的缺陷：由于积分环节与低通滤波器的引入而显著降低了系统的响应速度。现有研究表明，单同步坐标系锁相环算法的响应过渡时间为一个工频周期(以50Hz为例，一个工频周期为20ms)左右，而双同步坐标系解耦锁相环响应过渡时间半个工频周期(10ms)。且其响应过渡时间极易受到低通滤波器阶数、截止频率等参数的影响。因此，这两种锁相环都难以满足对锁相准确度和快速响应性要求较高的应用场合。
技术实现思路
技术目的：针对上述现有技术，本专利技术提供了一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统及方法，采用卡尔曼滤波器代替原积分环节与低通滤波器，结合了卡尔曼滤波算法只利用上一时刻采样数据而完成滤波的优势，可大幅提高锁相环的实时响应速度，缩短过渡过程为了进一步提高双同步坐标系解耦锁相环的响应速度。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统，其特征在于：包括三相电压信号采集模块、解耦双同步旋转坐标模块、原始相位计算模块、卡尔曼滤波器和计算模块，所述解耦双同步旋转坐标模块包括顺序连接的Clark变换模块、正负序Park变换模块和解耦分离模块；所述Clark变换模块的输入端连接三相电压信号采集模块的输出端，原始相位计算模块的输入端连接Clark变换模块的输出端；所述卡尔曼滤波器的输入端连接解耦双同步旋转坐标模块的输出端，计算模块连接卡尔曼滤波器的输出端。作为优选，所述解耦双同步旋转坐标模块包括正序解耦模块和负序解耦模块，计算模块包括PID处理模块、相位计算模块、频率计算模块和负序幅值计算模块；所述正序解耦模块的输出端设置第一卡尔曼滤波器，负序解耦模块的输出端设置第二卡尔曼滤波器，第一卡尔曼滤波器的输出端顺序连接PID处理模块和相位计算模块，第二卡尔曼滤波器的输出端连接负序幅值计算模块的输入端；所述PID处理模块的输出端设置第三卡尔曼滤波器，第三卡尔曼滤波器的输出端连接频率计算模块；所述卡尔曼滤波器的输入端均设置模拟量测噪声模块。本专利技术还公开了上述基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、所述电压信号采集模块采集电网的三相电压模拟量、输出三相电压信号Vabc，三相电压信号Vabc经过所述Clark变换模块转换成两相静止坐标系下的电压信号Vαβ后输出，原始相位计算模块将Clark变换后的αβ参量求取反正切得出电压原始相位值ωt0；步骤(2)、所述正负序Park变换模块对Clark变换模块输出的电压信号Vαβ进行处理，输出存在正负序耦合的正电压信号以及负电压信号解耦分离模块分离出Park变换模块输出的正序电压信号和负序电压信号步骤(3)、所述卡尔曼滤波器对解耦双同步旋转坐标模块输出的正序电压信号和负序电压信号进行卡尔曼滤波，输出经过卡尔曼滤波的正序电压信号和负序电压信号作为优选，所述步骤(3)中，各卡尔曼滤波器输入模拟量测噪声模块输出的高斯白噪声以及模拟量测噪声vk；所述PI9处理模块输出经过比例以及积分调节后的正序电压信号相位计算模块对经过PID处理以及卡尔曼滤波的正序电压信号进行相位计算、输出计算得到的锁定相位ωto；所述频率计算模块对经过PID处理以及卡尔曼滤波的正序电压信号进行频率计算，输出计算得到的频率fo；所述负序幅值计算模块对经过卡尔曼滤波的负序电压信号进行幅值计算，输出计算得出的负序幅值Vo。作为优选，所述卡尔曼滤波器主要参数选取依据为：量测噪声协方差R，由所加高斯白噪声参数决定；过程噪声协方差Q，根据输入电压信号经过乘法器时产生的高频正弦信号，将该有色噪声信号进行白噪声化处理后计算协方差数量级，由该数量级最小值向最大值调节；误差协方差P，取值略大于Q、R，根据所需收敛速度进行修改。作为优选，各卡尔曼滤波器对实际模型进行参数调节的步骤为：将过程噪声进行白噪声化处理后，计算得到过程噪声协方差值Q的量级，以该值为初始最小值，先将过程噪声协方差值从小往大调整，将量测噪声协方差值R固定，并观察收敛速度与波形输出；设置误差协方差初始值P，获取较快的收敛速度，随着卡尔曼滤波的迭代，P的值会不断的改变，当系统进入稳态之后P值会收敛成一个最小的估计方差矩阵。作为优选，各卡尔曼滤波器的估计误差方差阵和预测协方差矩阵分别为：其中A矩阵为系统状态转移矩阵，B为控制输入矩阵，H为状态观测矩阵；下标k表示该量在时间k的时刻的值；过程噪声以及量测噪声为高斯白噪声，且协方差分别为Q和R。有益效果：由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下技术效果：(1)、本专利技术采用的一种基于卡尔曼滤波的改进型双同步坐标系解耦锁相环系统及其锁相方法，不仅能够精确的计算出电网运行中的电压不平衡、严重的电压谐波以及频率变化情况，能够精确的测量正序电网电压，而且通过卡尔曼滤波器能够保障锁相环能够在多种严重情况下正常工作，例如电压谐波，频率变化等；(2)、本专利技术采用的一种基于卡尔曼滤波的改进型双同步坐标系解耦锁相环系统及其锁相方法，相对于原先使用的低通滤波器，使用了卡尔曼滤波器的DPLL能够获得更快的收敛速度和响应速度，在出现频率阶变以及谐波的情况下锁相效果非常良好，同时，在频率锁定和震荡幅度上均使用低通滤波器效果，锁相环方法更加精确和稳定；(3)、本专利技术采用的一种基于卡尔曼滤波的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统，其特征在于：包括三相电压信号采集模块、解耦双同步旋转坐标模块、原始相位计算模块、卡尔曼滤波器和计算模块，所述解耦双同步旋转坐标模块包括顺序连接的Clark变换模块、正负序Park变换模块和解耦分离模块；所述Clark变换模块的输入端连接三相电压信号采集模块的输出端，原始相位计算模块的输入端连接Clark变换模块的输出端；所述卡尔曼滤波器的输入端连接解耦双同步旋转坐标模块的输出端，计算模块连接卡尔曼滤波器的输出端。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统，其特征在于：包括三相电压信号采集模块、解耦双同步旋转坐标模块、原始相位计算模块、卡尔曼滤波器和计算模块，所述解耦双同步旋转坐标模块包括顺序连接的Clark变换模块、正负序Park变换模块和解耦分离模块；所述Clark变换模块的输入端连接三相电压信号采集模块的输出端，原始相位计算模块的输入端连接Clark变换模块的输出端；所述卡尔曼滤波器的输入端连接解耦双同步旋转坐标模块的输出端，计算模块连接卡尔曼滤波器的输出端。


2.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环系统，其特征在于：所述解耦双同步旋转坐标模块包括正序解耦模块和负序解耦模块，计算模块包括PID处理模块、相位计算模块、频率计算模块和负序幅值计算模块；
所述正序解耦模块的输出端设置第一卡尔曼滤波器，负序解耦模块的输出端设置第二卡尔曼滤波器，第一卡尔曼滤波器的输出端顺序连接PID处理模块和相位计算模块，第二卡尔曼滤波器的输出端连接负序幅值计算模块的输入端；
所述PID处理模块的输出端设置第三卡尔曼滤波器，第三卡尔曼滤波器的输出端连接频率计算模块；
所述卡尔曼滤波器的输入端均设置模拟量测噪声模块。


3.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、所述电压信号采集模块采集电网的三相电压模拟量、输出三相电压信号Vabc，三相电压信号Vabc经过所述Clark变换模块转换成两相静止坐标系下的电压信号Vαβ后输出，原始相位计算模块将Clark变换后的αβ参量求取反正切得出电压原始相位值ωt0；
步骤(2)、所述正负序Park变换模块对Clark变换模块输出的电压信号Vαβ进行处理，输出存在正负序耦合的正电压信号以及负电压信号解耦分离模块分离出Park变换模块输出的正序电压信号和负序电压信号
步骤(3)、所述卡尔曼滤波器对解耦双同步旋转坐标模块输出的正序电压信号和负序电压信号进行卡尔曼滤波，输出经过卡尔曼滤波的正序电压信号和负序电压信号
步骤(4)、由计算模块对经过卡尔曼滤波的正序电压信号阳负序电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伟，杨婷，陈黎来，孙琦，王文旭，王子蝉，沈超文，杨静玟，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32