一种锁相环及锁相方法与流程

1.本发明涉及电力控制领域，特别涉及一种锁相环及锁相方法。


背景技术：

2.锁相环是直流输电系统的重要组成部分，传统锁相环在电网电压质量不合格时存在一定的误差，且动态响应慢。为了解决该问题，2019年vassilios g.agelidis教授等人提出了一种自适应联延迟信号抵消策略，该策略能够产生幅值平衡的三相电压，并消除电网电压相位偏差，从而实现不平衡电网电压下的精确锁相，提高系统可靠性，但是该策略需要较多传感器，应用范围有限。
3.针对该问题，2020年yongchang zhang教授等人提出了一种新型的无电网电压传感器模型预测控制方案，通过计算电网虚拟磁通，对电网电压进行估计，进而对电网电压进行锁相计算。该方案减少了传感器的数量，实现了不平衡电网电压下的精确锁相，但应用场合较为单一，仅能应用于电网电压畸变和不平衡工况下，当电网出现频率波动和直流偏置等情况时，该方案将会失效。
4.因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锁相环及锁相方法，以实现各种情况下的快速准确锁相。其具体方案如下：
6.一种锁相环，包括：
7.采样模块，用于获取电网电压；
8.第一变换模块，用于通过克拉克变换将所述电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；
9.第二变换模块，用于利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间旋转变量；
10.衰减器，用于通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；
11.第一角度模块，用于根据所述滤波后变量确定待调节角度；
12.第二角度模块，用于对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度。
13.优选的，所述第二变换模块具体用于：
14.根据中间变换公式进行计算，得到中间旋转变量；所述中间变换公式具体为：
[0015][0016]
其中，u
α
和u
β
为所述两相静止坐标系的所述电网电压，u1和u2为所述中间旋转变量，为上一周期的锁相角度。
[0017]
优选的，所述衰减器具体用于：
[0018]
根据衰减公式进行计算，得到滤波后变量；所述衰减公式具体为：
[0019][0020]
其中，z为离散域算子，n为预设常数，u3和u4为滤波后变量。
[0021]
优选的，所述第一角度模块具体用于：
[0022]
根据角度公式进行计算，得到待调节角度；所述角度公式具体为：
[0023][0024]
其中，为所述待调节角度。
[0025]
优选的，所述第二角度模块具体用于：
[0026]
根据pid公式进行计算，得到当前周期的所述锁相角度；所述pid公式具体为：
[0027][0028]
其中，k为控制系数，为当前周期的所述锁相角度。
[0029]
相应的，本技术还公开了一种锁相方法，包括：
[0030]
获取电网电压；
[0031]
通过克拉克变换将所述电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；
[0032]
利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间旋转变量；
[0033]
通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；
[0034]
根据所述滤波后变量确定待调节角度；
[0035]
对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度。
[0036]
优选的，所述利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间旋转变量的过程，包括：
[0037]
根据中间变换公式进行计算，得到中间旋转变量；所述中间变换公式具体为：
[0038][0039]
其中，u
α
和u
β
为所述两相静止坐标系的所述电网电压，u1和u2为所述中间旋转变
量，为上一周期的锁相角度。
[0040]
优选的，所述通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量的过程，包括：
[0041]
根据衰减公式进行计算，得到滤波后变量；所述衰减公式具体为：
[0042][0043]
其中，z为离散域算子，n为预设常数，u3和u4为滤波后变量。
[0044]
优选的，所述根据所述滤波后变量确定待调节角度的过程，包括：
[0045]
根据角度公式进行计算，得到待调节角度；所述角度公式具体为：
[0046][0047]
其中，为所述待调节角度。
[0048]
优选的，所述对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度的过程，包括：
[0049]
根据pid公式进行计算，得到当前周期的所述锁相角度；所述pid公式具体为：
[0050][0051]
其中，k为控制系数，为当前周期的所述锁相角度。
[0052]
本技术公开了一种锁相环，包括：采样模块，用于获取电网电压；第一变换模块，用于通过克拉克变换将所述电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；第二变换模块，用于利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间旋转变量；衰减器，用于通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；第一角度模块，用于根据所述滤波后变量确定待调节角度；第二角度模块，用于对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度。本技术利用衰减器对中间旋转变量的非基波含量衰减，使得电网电压出现电压畸变、不平衡、频率波动或直流偏置时，依然能够以稳定可靠的滤波后变量进行锁相计算，计算快速，结果稳定可靠，可以在各种电网电压质量不合格的情况下实现快速准确的锁相计算，方法实现简单，具有较高的工程应用价值。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0054]
图1为本发明实施例中一种锁相环的结构分布图；
[0055]
图2为本发明实施例中一种锁相环的系统流程图；
[0056]
图3为本发明实施例中一种锁相方法的步骤流程图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
现有技术中，自适应联延迟信号抵消策略需要较多传感器应用范围有限；通过计算电网虚拟磁通，对电网电压进行估计，进而对电网电压进行锁相计算的方法，传感器数量较少，但应用场合较为单一，无法解决电网出现频率波动或直流偏置等情况。
[0059]
本技术利用衰减器对中间旋转变量的非基波含量衰减，使得电网电压出现电压畸变、不平衡、频率波动或直流偏置时，依然能够以稳定可靠的滤波后变量进行锁相计算，计算快速，结果稳定可靠，可以在各种电网电压质量不合格的情况下实现快速准确的锁相计算，方法实现简单，具有较高的工程应用价值。
[0060]
本发明实施例公开了一种锁相环，可应用于各类锁相环的常规应用场景中，例如柔性直流输电系统，参见图1所示，本实施例中锁相环包括：
[0061]
采样模块1，用于获取电网电压；
[0062]
第一变换模块2，用于通过克拉克变换将电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；
[0063]
第二变换模块3，用于利用上一周期的锁相角度对两相静止坐标系的电网电压进行变换，得到中间旋转变量；
[0064]
衰减器4，用于通过频率域滤波算法处理中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；
[0065]
第一角度模块5，用于根据滤波后变量确定待调节角度；
[0066]
第二角度模块6，用于对待调节角度进行pid调节，得到当前周期的锁相角度。
[0067]
具体的，采样模块1通常包括电压传感器，以获取电网电压，电压传感器可选霍尔元件，获取到的当前电网电压为三相静止坐标系的ua、ub、uc，在第一变换模块2中，通过克拉克变换clark将变换为两相静止坐标系的u
α
、u
β
，具体变换过程如下所示：
[0068][0069]
进一步的，第二变换模块3具体用于：
[0070]
根据中间变换公式进行计算，得到中间旋转变量；中间变换公式具体为：
[0071][0072]
其中，u
α
和u
β
为两相静止坐标系的电网电压，u1和u2为中间旋转变量，为上一周期的锁相角度，可以理解的是，该中间变换与派克变换park类似但存在差异，本实施例的中间变换为后续衰减器4中准确快速的分量衰减提供了可行性。
[0073]
可以理解的是，衰减公式为频率域滤波算法的核心处理手段，因此，衰减器4具体用于：
[0074]
根据衰减公式进行计算，得到滤波后变量；衰减公式具体为：
[0075][0076]
其中，z为离散域算子，n为预设常数，u3和u4为滤波后变量。
[0077]
进一步的，第一角度模块5具体用于：
[0078]
根据角度公式进行计算，得到待调节角度；角度公式具体为：
[0079][0080]
其中，为待调节角度。
[0081]
进一步的，第二角度模块6具体用于：
[0082]
根据pid公式进行计算，得到当前周期的锁相角度；pid公式具体为：
[0083][0084]
其中，k为控制系数，为当前周期的锁相角度。
[0085]
可以理解的是，pid公式为传统的锁相环运算公式，但传统运算中输入为实时电网电压的相位角度，而本实施例中输入为经过前期衰减器4、第一角度模块5处理之后得到的待调节角度，消除了电网电压中三相不平衡、谐波干扰、频率波动、直流偏置等的负面影响，更符合当前电网电压的基波特征，利用待调节角度进行pid公式的计算，能够得到更准确的锁相效果。
[0086]
可以理解的是，在锁相环下一周期的控制中，当前周期的锁相角度的值将作为参与中间变换公式的运算中。具体的，参见图2所示的系统流程图，锁相环的工作流程以闭环方式实现。
[0087]
本技术利用衰减器对中间旋转变量的非基波含量衰减，使得电网电压出现电压畸变、不平衡、频率波动或直流偏置时，依然能够以稳定可靠的滤波后变量进行锁相计算，计算快速，结果稳定可靠，可以在各种电网电压质量不合格的情况下实现快速准确的锁相计算，方法实现简单，具有较高的工程应用价值。
[0088]
相应的，本技术实施例还公开了一种锁相方法，参见图3所示，包括：
[0089]
s1：获取电网电压；
[0090]
s2：通过克拉克变换将电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；
[0091]
s3：利用上一周期的锁相角度对两相静止坐标系的电网电压进行变换，得到中间旋转变量；
[0092]
s4：通过频率域滤波算法处理中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；
[0093]
s5：根据滤波后变量确定待调节角度；
[0094]
s6：对待调节角度进行pid调节，得到当前周期的锁相角度。
[0095]
本技术的锁相方法对中间旋转变量的非基波含量衰减，使得电网电压出现电压畸
变、不平衡、频率波动或直流偏置时，依然能够以稳定可靠的滤波后变量进行锁相计算，计算快速，结果稳定可靠，可以在各种电网电压质量不合格的情况下实现快速准确的锁相计算，方法实现简单，具有较高的工程应用价值。
[0096]
在一些具体的实施例中，利用上一周期的锁相角度对两相静止坐标系的电网电压进行变换，得到中间旋转变量的过程，包括：
[0097]
根据中间变换公式进行计算，得到中间旋转变量；中间变换公式具体为：
[0098][0099]
其中，u
α
和u
β
为两相静止坐标系的电网电压，u1和u2为中间旋转变量，为上一周期的锁相角度。
[0100]
在一些具体的实施例中，通过频率域滤波算法处理中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量的过程，包括：
[0101]
根据衰减公式进行计算，得到滤波后变量；衰减公式具体为：
[0102][0103]
其中，z为离散域算子，n为预设常数，u3和u4为滤波后变量。
[0104]
在一些具体的实施例中，根据滤波后变量确定待调节角度的过程，包括：
[0105]
根据角度公式进行计算，得到待调节角度；角度公式具体为：
[0106][0107]
其中，为待调节角度。
[0108]
在一些具体的实施例中，对待调节角度进行pid调节，得到当前周期的锁相角度的过程，包括：
[0109]
根据pid公式进行计算，得到当前周期的锁相角度；pid公式具体为：
[0110][0111]
其中，k为控制系数，为当前周期的锁相角度。
[0112]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0113]
以上对本发明所提供的一种锁相环及锁相方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发
明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种锁相环，其特征在于，包括：采样模块，用于获取电网电压；第一变换模块，用于通过克拉克变换将所述电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；第二变换模块，用于利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间旋转变量；衰减器，用于通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；第一角度模块，用于根据所述滤波后变量确定待调节角度；第二角度模块，用于对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度。2.根据权利要求1所述锁相环，其特征在于，所述第二变换模块具体用于：根据中间变换公式进行计算，得到中间旋转变量；所述中间变换公式具体为：其中，u
α
和u
β
为所述两相静止坐标系的所述电网电压，u1和u2为所述中间旋转变量，为上一周期的锁相角度。3.根据权利要求2所述锁相环，其特征在于，所述衰减器具体用于：根据衰减公式进行计算，得到滤波后变量；所述衰减公式具体为：其中，z为离散域算子，n为预设常数，u3和u4为滤波后变量。4.根据权利要求3所述锁相环，其特征在于，所述第一角度模块具体用于：根据角度公式进行计算，得到待调节角度；所述角度公式具体为：其中，为所述待调节角度。5.根据权利要求1至4任一项所述锁相环，其特征在于，所述第二角度模块具体用于：根据pid公式进行计算，得到当前周期的所述锁相角度；所述pid公式具体为：其中，k为控制系数，为当前周期的所述锁相角度。6.一种锁相方法，其特征在于，包括：获取电网电压；通过克拉克变换将所述电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间
旋转变量；通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；根据所述滤波后变量确定待调节角度；对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度。7.根据权利要求6所述锁相方法，其特征在于，所述利用上一周期的锁相角度对所述两相静止坐标系的所述电网电压进行变换，得到中间旋转变量的过程，包括：根据中间变换公式进行计算，得到中间旋转变量；所述中间变换公式具体为：其中，u
α
和u
β
为所述两相静止坐标系的所述电网电压，u1和u2为所述中间旋转变量，为上一周期的锁相角度。8.根据权利要求7所述锁相方法，其特征在于，所述通过频率域滤波算法处理所述中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量的过程，包括：根据衰减公式进行计算，得到滤波后变量；所述衰减公式具体为：其中，z为离散域算子，n为预设常数，u3和u4为滤波后变量。9.根据权利要求8所述锁相方法，其特征在于，所述根据所述滤波后变量确定待调节角度的过程，包括：根据角度公式进行计算，得到待调节角度；所述角度公式具体为：其中，为所述待调节角度。10.根据权利要求6至9任一项所述锁相方法，其特征在于，所述对所述待调节角度进行pid调节，得到当前周期的所述锁相角度的过程，包括：根据pid公式进行计算，得到当前周期的所述锁相角度；所述pid公式具体为：其中，k为控制系数，为当前周期的所述锁相角度。

技术总结
本申请公开了一种锁相环及锁相方法，该锁相环包括：采样模块，用于获取电网电压；第一变换模块，用于通过克拉克变换将电网电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系；第二变换模块，用于对两相静止坐标系的电网电压进行变换，得到中间旋转变量；衰减器，用于通过频率域滤波算法处理中间旋转变量，以衰减非基波含量，得到滤波后变量；第一角度模块，用于根据滤波后变量确定待调节角度；第二角度模块，用于对待调节角度进行PID调节，得到当前周期的锁相角度。本申请利用衰减器对中间旋转变量的非基波含量衰减，然后以稳定可靠的滤波后变量进行锁相计算，计算快速，结果稳定可靠，可以在各种电网电压质量不合格的情况下实现快速准确的锁相计算。的锁相计算。的锁相计算。


技术研发人员：孙志鹏 张笑弟 高强 王锋华 但扬清 郑伟民 何英静 叶琳 刘伟军 杨滢 刘军 许恩超 沈舒仪
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/5/25