基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法，属于信号处理领域。该构造方法根据三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号，首先通过坐标变换器得到两相静止坐标系下的一组两相信号，然后利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、坐标变换器组成的滤波模块滤除两相信号中的二次谐波信号，并产生相应输出信号作为锁相模块的输入，再利用锁相模块处理滤波模块的输出，完成锁相环的构造。本发明专利技术提出的锁相环结构相比于传统方案，在完全滤除二次谐波的同时，具有快速，良好阻尼的动态响应。良好阻尼的动态响应。良好阻尼的动态响应。

【技术实现步骤摘要】
基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法


[0001]本专利技术涉及信号处理领域，具体地说是一种基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法。

技术介绍

[0002]锁相环技术具有获取待锁相信号频率、幅值和相角的功能，广泛应用于新能源发电、电机拖动等装备中。
[0003]现有的学术论文所介绍的锁相环主要包含谐波滤波模块和锁相模块。谐波滤波模块的目的是滤除尽待锁相信号中可能存在的谐波，并将基波输入到锁相模块中。锁相部分的目的是提取基波的频率、幅值和相角信息，并将他们反送至滤波环节以达到频率自适应的效果。
[0004]文献1：S.Golestan，M.Monfared，and F.D.Freijedo，“Design
‑
oriented study of advanced synchronous reference frame phase
‑
locked loops，”IEEE Trans.Power Electron.，vol.28，no.2，pp.765
‑
778，2013.(先进同步旋转坐标系锁相环的设计方法)。文献1中提出了一种基于一阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环。该方案中含有多个滤波支路，可以彻底滤除待锁相信号中的特定次谐波。该方案指出，技术人员应根据待锁相信号的谐波特征灵活设计滤波支路，以在稳态时获得相当高的锁相准度。但是，该方案若包含二次谐波滤波支路，将在待锁相信号发生电压跌落或相位跳动等暂态过程中，发生严重的振荡。即该方案无法同时具有二次谐波滤波能力和快速、良好阻尼的动态响应性能。
[0005]文献2：C.Zhang，X.Zhao，X.Wang，X.Chai，Z.Zhang，and X.Guo，“A Grid Synchronization PLL Method Based on Mixed Second
‑
and Third
‑
Order Generalized Integrator for DC Offset Elimination andFrequencyAdaptability，”IEEEJ.Emerg.Sel.Top.PowerElectron.，vol.6，no.3，pp.1517
‑
1526，2018.(基于混合三阶和二阶广义积分器的锁相环设计方法)。文献2中提出了基于多广义二阶积分器的锁相环。该方案同样可以滤除待锁相信号中的特定次谐波。该方案与文献1中所提方案具有同样的缺陷。
[0006]综上所述，现有的常规锁相环技术具有相同的缺点：无法在滤除二次谐波的同时，保持快速且良好阻尼的动态响应性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决现有技术存在的问题，即如何在滤除二次谐波的同时保持快速且良好阻尼的动态响应性能。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术提供了一种基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法，所述基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环适用于三相系统；对于三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号，首先通过坐标变换器得到两相静止坐标系下的一组两相信号，然后利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、多个坐标变换器组成的滤波模块滤除两相信号中的二次谐波信号，并产生滤波模块的输出
作为锁相模块的输入，再利用锁相模块处理滤波模块的输出信号，完成锁相环的构造，具体的，包括以下步骤：
[0009]步骤1，通过采样，获得三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号u
a
，u
b
，u
c
，然后利用坐标变换器进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的一组两相信号并分别记为超前相量信号u
α
和滞后相量信号u
β
；
[0010][0011]步骤2，利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、多个坐标变换器组成的滤波模块对步骤1得到的超前相量信号u
α
和滞后相量信号u
β
进行滤波；
[0012]所述两个一阶低通滤波器组分别记为一阶低通滤波器组A和一阶低通滤波器组B，其中，一阶低通滤波器组A和一阶低通滤波器组B中各包括两个一阶低通滤波器，且四个一阶低通滤波器相同，将该一阶低通滤波器的传递函数记为G
LPF
，其中，s为拉普拉斯算子，k1为截止频率系数，ω0为滤波频率基准值；
[0013]所述两个二阶滤波器组分别记为二阶滤波器组A和二阶滤波器组B，其中，每一个二阶滤波器组中包括四个二阶滤波器，所述四个二阶滤波器分别记为二阶滤波器1，二阶滤波器2，二阶滤波器3和二阶滤波器4，二阶滤波器1与二阶滤波器2的传递函数相同，将它们的传递函数其记为G
R
，二阶滤波器3的传递函数与二阶滤波器4的传递函数相同，将它们的传递函数记为G
I
，，k2为二阶滤波环节的滤波参数，g2为二阶滤波环节的阻尼参数；
[0014]步骤2.1，根据步骤1得到的超前相量信号u
α
和滞后相量信号u
β
计算得到超前基频正序误差信号超前基频负序误差信号超前二次正序谐波误差信号超前二次负序谐波误差信号滞后基频正序误差信号滞后基频负序误差信号滞后二次正序谐波误差信号滞后二次负序谐波误差信号其计算式分别如下：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023]式中，为上一拍的超前基频正序估计信号、为上一拍的超前基频负序估计信号、为上一拍的超前二次正序谐波估计信号、为上一拍的超前二次负序谐波估计信号、为上一拍的滞后基频正序估计信号、为上一拍的滞后基频负序估计信号、为上一拍的滞后二次正序谐波估计信号、为上一拍的滞后二次负序谐波估计信号；
[0024]步骤2.2，利用坐标变换器对超前基频正序误差信号和滞后基频正序误差信号进行坐标变换，得到静止超前基频正序误差信号和静止滞后基频正序误差信号其坐标变换公式如下：
[0025][0026][0027]其中，θ
′
est
为上一拍的相角估计值；
[0028]将静止超前基频正序误差信号和静止滞后基频正序误差信号分别作为一阶低通滤波器组A中两个一阶低通滤波器的输入，输出分别为静止超前基频正序估计信号和静止滞后基频正序估计信号其表达式为：
[0029][0030][0031]利用坐标变换器对静止超前基频正序估计信号和静止滞后基频正序估计信号进行坐标变换，得到超前基频正序估计信号和滞后基频正序估计信号其坐标变换公式如下：
[0032][0033][0034]步骤2.3，利用坐标变换器对超前基频负序误差信号和滞后基频负序误差信号进行坐标变换，得到静止超前基频负序误差信号和静止滞后基频负序误差信号其坐标变换公式如下：
[0035][0036][0037]将静止超前基频负序误差信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法，所述基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环适用于三相系统；其特征在于，对于三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号，首先通过坐标变换器得到两相静止坐标系下的一组两相信号，然后利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、多个坐标变换器组成的滤波模块滤除两相信号中的二次谐波信号，并产生滤波模块的输出作为锁相模块的输入，再利用锁相模块处理滤波模块的输出信号，完成锁相环的构造，具体的，包括以下步骤：步骤1，通过采样，获得三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号u
a
，u
b
，u
c
，然后利用坐标变换器进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的一组两相信号并分别记为超前相量信号u
α
和滞后相量信号u
β
；步骤2，利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、多个坐标变换器组成的滤波模块对步骤1得到的超前相量信号u
α
和滞后相量信号u
β
进行滤波；所述两个一阶低通滤波器组分别记为一阶低通滤波器组A和一阶低通滤波器组B，其中，一阶低通滤波器组A和一阶低通滤波器组B中各包括两个一阶低通滤波器，且四个一阶低通滤波器相同，将该一阶低通滤波器的传递函数记为G
LPF
，其中，s为拉普拉斯算子，k1为截止频率系数，ω0为滤波频率基准值；所述两个二阶滤波器组分别记为二阶滤波器组A和二阶滤波器组B，其中，每一个二阶滤波器组中包括四个二阶滤波器，所述四个二阶滤波器分别记为二阶滤波器1，二阶滤波器2，二阶滤波器3和二阶滤波器4，二阶滤波器1与二阶滤波器2的传递函数相同，将它们的传递函数其记为G
R
，二阶滤波器3的传递函数与二阶滤波器4的传递函数相同，将它们的传递函数记为G
I
，k2为二阶滤波环节的滤波参数，g2为二阶滤波环节的阻尼参数；步骤2.1，根据步骤1得到的超前相量信号u
α
和滞后相量信号u
β
计算得到超前基频正序误差信号超前基频负序误差信号超前二次正序谐波误差信号超前二次负序谐波误差信号滞后基频正序误差信号滞后基频负序误差信号滞后二次正序谐波误差信号滞后二次负序谐波误差信号其计算式分别如下：其计算式分别如下：
式中，为上一拍的超前基频正序估计信号、为上一拍的超前基频负序估计信号、为上一拍的超前二次正序谐波估计信号、为上一拍的超前二次负序谐波估计信号、为上一拍的滞后基频正序估计信号、为上一拍的滞后基频负序估计信号、为上一拍的滞后二次正序谐波估计信号、为上一拍的滞后二次负序谐波估计信号；步骤2.2，利用坐标变换器对超前基频正序误差信号和滞后基频正序误差信号进行坐标变换，得到静止超前基频正序误差信号和静止滞后基频正序误差信号其坐标变换公式如下：坐标变换公式如下：其中，θ
’
est
为上一拍的相角估计值；将静止超前基频正序误差信号和静止滞后基频正序误差信号分别作为一阶低通滤波器组A中两个一阶低通滤波器的输入，输出分别为静止超前基频正序估计信号和静止滞后基频正序估计信号其表达式为：其表达式为：利用坐标变换器对静止超前基频正序估计信号和静止滞后基频正序估计信号进行坐标变换，得到超前基频正序估计信号和滞后基频正序估计信号其坐标变换公式如下：公式如下：
步骤2.3，利用坐标变换器对超前基频负序误差信号和滞后基频负序误差信号进行坐标变换，得到静止超前基频负序误差信号和静止滞后基频负序误差信号其坐标变换公式如下：坐标变换公式如下：将静止超前基频负序误差信号和静止滞后基频负序误差信号分别作为一阶低通滤波器组B中两个一阶低通滤波器的输入，输出分别为静止超前基频负序估计信号和静止滞后基频负序估计信号其表达式为：其表达式为：利用坐标变换器对静止超前基频负序估计信号和静止滞后基频负序估计信号进行坐标变换，得到超前基频负序估计信号和滞后基频负序估计信号其坐标变换公式如下：换公式如下：步骤2.4，利用坐标变换器对超前二次正序谐波误差信号和滞后二次正序谐波误差信号进行坐标变换，得到静止超前二次正序谐波误差信号和静止滞后二次正序谐波误差信号其坐标变换...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淑英，房佳禹，谢震，张兴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：