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CN110557118B - 一种锁相装置及锁相方法 - Google Patents

一种锁相装置及锁相方法 Download PDF

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CN110557118B CN201810553555.7A CN201810553555A CN110557118B CN 110557118 B CN110557118 B CN 110557118B CN 201810553555 A CN201810553555 A CN 201810553555A CN 110557118 B CN110557118 B CN 110557118B
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Abstract

本申请实施例提供一种锁相装置及锁相方法，该锁相装置包括幅值调节单元、与所述幅值调节单元连接的鉴幅鉴相器、与所述鉴幅鉴相器连接的第一环路滤波器、与所述鉴幅鉴相器连接的第二环路滤波器、与所述第一环路滤波器连接的第一振荡器和与所述第二环路滤波器连接的第二振荡器。其中，所述幅值调节单元、所述鉴幅鉴相器、所述第一环路滤波器和所述第一振荡器构成一个环路，所述鉴幅鉴相器、所述第二环路滤波器和所述第二振荡器构成另外一个环路。采用本申请实施例，该锁相装置的双环结构能够减弱锁相装置产生的正序分量与该锁相装置产生的负序分量之间的频率耦合问题。

Description

一种锁相装置及锁相方法
技术领域
本申请涉及基本电子电路技术领域，尤其涉及一种锁相装置及锁相方法。
背景技术
锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信号处理等技术中应用比较广泛的自动反馈控制技术，其用于实现不同设备之间的相互同步。图1为典型三相并网变流器的结构示意图，每台并网变流器的交流端口通过各自的滤波器连接在公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)，从而和电网进行功率传输(Zg为PCC点至远端无穷大电网的电网等效阻抗)，并网变流器中的锁相环(Phaselockedloop，PLL)用于获取PCC处的交流电压(va，vb，vc)中的相位θ并将其输入到并网变流器的电流控制器中，以便以相位θ为基础对变流器进行控制。基于相位θ进行的控制包括：功率因数控制、孤岛检测等。
最常见的锁相环是同步旋转坐标系下的锁相环(SynchronousReferenceFramePLL，SRF－PLL)，如图2所示，该锁相环包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，该锁相环获取控制所需的相位θ的原理如下：首先，对从PCC处获取的交流电压(va，vb，vc)进行坐标变换，得到静止坐标系下的两相电压信号vα和vβ，这两相电压信号的相位相差为90°。然后，通过鉴相器对vα和vβ进行坐标变换以得到旋转坐标系下的交轴(也称为q轴)信号vq和直轴(也称为d轴)信号vd，变换时使用的参考相位为SRF－PLL输出的相位估计值θ0。然后，通过环路滤波器对该交轴信号Vq进行滤波以实现精度控制和速度控制。接着，环路滤波器的输出和预设的初始频率ω0叠加后输入到压控振荡器中，由压控振荡器进行积分处理以得到相位估计值θ0，之后将该相位估计值θ0作为用于控制的相位θ。可以看出，SRF－PLL通过反馈调节可得到相对较理想的相位估计值θ0，然而SRF－PLL的结构容易出现频率耦合的问题。
发明内容
本申请实施例公开了一种锁相装置及锁相方法，能够一定程度上减弱锁相装置产生的正序分量与该锁相装置产生的负序分量之间的频率耦合问题。
第一方面，本申请实施例提供一种锁相装置，该锁相装置包括幅值调节单元、与所述幅值调节单元连接的鉴幅鉴相器、与所述鉴幅鉴相器连接的第一环路滤波器、与所述鉴幅鉴相器连接的第二环路滤波器、与所述第一环路滤波器连接的第一振荡器和与所述第二环路滤波器连接的第二振荡器，其中：所述幅值调节单元用于根据所述第一振荡器的输出幅值调节量补偿第一交流电压信号以得到第二交流电压信号，所述第一交流电压信号为来自交流连接点的交流电压信号，所述交流连接点为用于接入交流系统的接入点；所述鉴幅鉴相器用于根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值；所述鉴幅鉴相器还用于向第一环路滤波器输出幅值差值以及向所述第二环路滤波器输出相位差值，其中，所述幅值差值用于表征所述第二交流电压信号的幅值相对于所述参考电压幅值的偏移，所述相位差值用于表征所述第二交流电压信号的相位相对于所述相位估计值的偏移；所述第一环路滤波器用于对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，所述第二环路滤波器用于对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量；所述第一振荡器用于对所述第一环路滤波器输出的幅值控制量进行转换以得到幅值调节量，所述第二振荡器用于对所述第二滤波器输出的相位控制量进行转换以得到相位估计值。
可以看出，幅值调节单元、鉴幅鉴相器、第一环路滤波器、第一振荡器构成了锁相装置的一个环路；鉴幅鉴相器、第二环路滤波器、第二振荡器构成了锁相装置的另一个环路，锁相装置的这两个环路形成了对称结构，抑制了负序分量的产生，因此能够减弱锁相装置产生的正序分量与该锁相装置产生的负序分量之间的频率耦合问题。另外，由于第一振荡器输出的幅值调节量对输入到该锁相装置的电压信号的幅值起到了反馈调节的作用，能够使锁相装置的工作电压幅值保持一个相对稳定地状态，大大提升了该锁相装置的工作性能。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，在根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值的方面，所述鉴幅鉴相器用于根据所述第二振荡器输出的相位估计值对所述第二电压信号进行坐标变换以得到旋转坐标系下的直轴信号和交轴信号，以及根据所述直轴信号与预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述交轴信号确定相位差值。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述鉴幅鉴相器包括鉴幅器和鉴相器；在根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值的方面，所述鉴幅器用于提取所述第二交流电压信号的幅值，并根据提取出的幅值和预设的参考电压幅值确定幅值差值；所述鉴相器用于提取所述第二交流电压信号的相位或者所述第一交流电压信号的相位，并根据提取出的相位和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值。
结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，在所述第一环路滤波器用于对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，所述第二环路滤波器用于对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量的方面，所述第一环路滤波器具体用于对输入的所述幅值差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到幅值控制量；所述第二环路滤波器具体用于对输入的所述相位差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到相位控制量。
第二方面，本申请实施例提供一种锁相方法，所述锁相方法应用于锁相装置，所述锁相装置包括幅值调节单元、与所述幅值调节单元连接的鉴幅鉴相器、与所述鉴幅鉴相器连接的第一环路滤波器、与所述鉴幅鉴相器连接的第二环路滤波器、与所述第一环路滤波器连接的第一振荡器和与所述第二环路滤波器连接的第二振荡器，所述方法包括：根据所述第一振荡器的输出幅值调节量补偿第一交流电压信号以得到第二交流电压信号，所述第一交流电压信号为来自交流连接点的交流电压信号，所述交流连接点为用于接入交流系统的接入点；根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值；向第一环路滤波器输出幅值差值以及向所述第二环路滤波器输出相位差值，其中，所述幅值差值用于表征所述第二交流电压信号的幅值相对于所述参考电压幅值的偏移，所述相位差值用于表征所述第二交流电压信号的相位相对于所述相位估计值的偏移；对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量；对所述第一环路滤波器输出的幅值控制量进行转换以得到幅值调节量，对所述第二滤波器输出的相位控制量进行转换以得到相位估计值。
可以看出，幅值调节单元、鉴幅鉴相器、第一环路滤波器、第一振荡器构成了锁相装置的一个环路；鉴幅鉴相器、第二环路滤波器、第二振荡器构成了锁相装置的另一个环路，锁相装置的这两个环路形成了对称结构，抑制了负序分量的产生，因此能够减弱锁相装置产生的正序分量与该锁相装置产生的负序分量之间的频率耦合问题。另外，由于第一振荡器输出的幅值调节量对输入到该锁相装置的电压信号的幅值起到了反馈调节的作用，能够使锁相装置的工作电压幅值保持一个相对稳定地状态，大大提升了该锁相装置的工作性能。
结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值，包括：根据所述第二振荡器输出的相位估计值对所述第二电压信号进行坐标变换以得到旋转坐标系下的直轴信号和交轴信号；根据所述直轴信号与预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述交轴信号确定相位差值。
结合第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值，包括：提取所述第二交流电压信号的幅值，并根据提取出的幅值和预设的参考电压幅值确定幅值差值；提取所述第二交流电压信号的相位或者所述第一交流电压信号的相位，并根据提取出的相位和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值。
结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量，包括：对输入的所述幅值差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到幅值控制量；对输入的所述相位差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到相位控制量。
结合以上任一方面的任一可能的实现方式，在又一种可能的实现方式中，在第一方面的第三种可能的实现方式中：所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的所述第一参数相同，和/或，所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的所述第二参数相同；其中，所述第一参数包括比例参数、低频增益和截止频率中的一项或者多项，所述第二参数包括积分系数。可以理解的是，当所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的所述第一参数相同，和/或，所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的所述第二参数相同时，该锁相装置中的两个环路的对称性更强，能够更有效地解决频率耦合的问题。
结合以上任一方面的任一可能的实现方式，在又一种可能的实现方式中，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的三相电压进行变换得到的两相静止坐标系下的交流电压信号。
结合以上任一方面的任一可能的实现方式，在又一种可能的实现方式中，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的单相电压为由两路相互叠加而成的两相静止坐标系下的交流电压信号；所述两路中的一路电压信号经过了延时处理，且所述延时处理的延时长度为1/4个工频周期。
结合以上任一方面的任一可能的实现方式，在又一种可能的实现方式中，所述第一交流电压信号或者所述第二交流电压信号为经过正序提取之后的正序分量。这样可以消除负序分量产生的负面影响。
结合以上任一方面的任一可能的实现方式，在又一种可能的实现方式中，所述第一交流电压信号和第二交流电压信号的比值与所述第一振荡器输出的幅值控制量之间呈指数函数或者一次函数关系。
第三方面，本申请实施例提供一种控制器，该控制器包括锁相装置和电流控制单元，其中，该锁相装置为上述第一方面或者第一方面的任一可能的实现方式所描述的锁相装置；该电流控制单元用于通过所述锁相装置输出的相位参数输出控制信号，所述控制信号用于控制交流－直流变流器进行功率转换。
第四方面，本申请实施例提供一种并网系统，该并网系统包括交流－直流变流器，和与所述交流直流变流器相连接的控制器，其中：该控制器包括锁相装置和电流控制单元，其中，该锁相装置为上述第一方面或者第一方面的任一可能的实现方式所描述的锁相装置；该电流控制单元用于通过所述锁相装置输出的相位参数输出控制信号，所述控制信号用于控制交流－直流变流器进行功率转换。
第五方面，本申请实施例提供一种可读存储介质，该可读存储介质包括程序指令，所述程序指令在处理器上运行时，实现第二方面或者第二方面的任一可能的实现方式所描述方法。
在本申请实施例中，幅值调节单元、鉴幅鉴相器、第一环路滤波器、第一振荡器构成了锁相装置的一个环路；鉴幅鉴相器、第二环路滤波器、第二振荡器构成了锁相装置的另一个环路，锁相装置的这两个环路形成了对称结构，消除了频率耦合的问题。另外，由于第一振荡器输出的幅值调节量对输入到该锁相装置的电压信号的幅值起到了反馈调节的作用，能够使锁相装置的工作电压幅值保持一个相对稳定地状态，大大提升了该锁相装置的工作性能。
附图说明
以下对本申请实施例用到的附图进行介绍。
图1是现有技术中的一种三相并网变流器的结构示意图；
图2是现有技术中的一种同步旋转坐标系下的锁相环的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种并网系统的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种交流－直流变流器的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种蓄电池储能系统的场景示意图；
图6是本申请实施例提供的一种光伏发电系统的场景示意图；
图7是本申请实施例提供的一种锁相装置的结构示意图；
图8是本申请实施例提供的一种锁相方法的流程示意图；
图9是本申请实施例提供的一种三相变流器并网系统的场景示意图；
图10是本申请实施例提供的一种克拉卡变换的原理示意图；
图11是本申请实施例提供的一种获得两相电压的场景示意图；
图12是本申请实施例提供的又一种获得两相电压的场景示意图；
图13是本申请实施例提供的一种正序提取的场景示意图；
图14A是本申请实施例提供的一种确定相位差的场景示意图；
图14B是本申请实施例提供的一种确定相位差的原理示意图；
图15是本申请实施例提供的又一种锁相装置的结构示意图；
图16是本申请实施例提供的又一种锁相装置的结构示意图；
图17是本申请实施例提供的一种电压波形图；
图18是本申请实施例提供的一种电压波形图；
图19是本申请实施例提供的一种电流频谱图；
图20是本申请实施例提供的一种电流频谱图；
图21是本申请实施例提供的一种仿真波形图；
图22是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图23是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图24是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图25是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图26是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图27是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图28是本申请实施例提供的又一种仿真波形图；
图29是本申请实施例提供的一种锁相装置的结构示意图。
具体实施方式
请参见图3，图3是本申请实施例提供的一种并网系统30的结构示意图，该并网系统(也称交流－直流并网系统、变流系统)包含交流－直流变流器301和控制器302，该控制器302与该交流－直流变流器301相连，该控制器302用于控制所述交流－直流变流器301进行功率变换，其中：
交流－直流变流器301用于连接直流电力系统10和交流电力系统20，并实现两个电力系统之间的功率传输。若功率是从直流电力系统10向交流电力系统20传递，则称为逆变模式，此时交流－直流变流器301又称为逆变器(Inverter)。若功率是从交流电力系统20向直流电力系统10传递，则称为整流模式，此时交流－直流变流器301又称为整流器(Rectifier)，交流－直流变流器301的结构如图4所示。为了保证功率的稳定传输，需要根据直流电力系统10和交流电力系统20的各自的特性对这两种电力系统进行功率控制。例如，直流电力系统10电压极性不随时间变化而变化，因此在进行功率控制时对直流电力系统10传输的电流的幅值进行调节即可；而交流电力系统20电压和电流的大小和极性随时间变化而变化，基本的交流信号(包括电压、电流)具备三个特征量，分别是幅值、频率和相位，因此，在进行功率控制时除了对交流电力系统20传输的电流的幅值进行调节外以外，还需要对该电流的频率和相位进行控制。控制交流电力系统20电流频率与交流电力系统20电压频率相同，且两者保持固定相位差，即称为交流电力系统“同步”。
交流－直流变流器301可包括单相变流器和三相变流器，无论单相变流器还是三相变流器，均需要保持交流电力系统“同步”。通常，单相变流器传输功率较小，因此常见于小规模分布式电力系统，例如家用电力系统、蓄电池储能系统，等等。三相变流器传输功率较大，常见于大规模电力系统，例如大规模风力发电系统、光伏发电系统，等等。图5示意了一种蓄电池储能系统。图6示意了一种光伏发电系统。需要说明的是，交流－直流变流器301在整流模式和逆变模式下的硬件结构相同，以图5所示场景为例，蓄电池储能系统充电和放电分别对应整流和逆变模式，但蓄电池储能系统充电过程和放电过程所依赖的硬件结构相同。因此本申请实施例不限于某一种模式，另外，本申请实施例中的电网并不限制规模，可以为大型电网，也可以为独立供电的微网。
该控制器302包括电流采样单元3021、电压采样单元3022、电压处理单元3023、锁相装置3024、电流控制单元3025以及调制单元3026，其中，该电流采样单元3021用于连接电流控制单元3025，该电压采样单元3022用于连接电压处理单元3023，该电压处理单元3023用于连接该锁相装置3024，该锁相装置用3024于连接该电流控制单元3025，该电流控制单元3025用于连接调制单元3026，各个单元或者装置的描述如下：
该电流采样单元3021用于从交流－直流变流器301的主电路的交流侧采集电流信号ig，并将采集的电流信号ig输入到电流控制单元3025；该电压采样单元3022用于从交流－直流变流器301的主电路的交流侧采集电压信号，并将采集的电压信号输入到电压处理单元3023。用于从交流－直流变流器301的主电路的交流侧采集电流信号ig，并将采集的电流信号ig输入到电流控制单元3025；该电压采样单元3022用于从交流－直流变流器301的主电路的交流侧采集电压信号，并将采集的电压信号输入到电压处理单元3023。
该电压处理单元3023的输入和输出均为电压信号，用于执行正序提取或坐标变换等功能，其中正序提取功能为提取采样电压信号中的正序分量，以抑制谐波和负序分量的干扰，而坐标变换则是将单相或三相的电压信号转换为两相静止坐标系下的信号，匹配锁相装置的输入。
锁相装置3024用于根据输入的电压信号产生电流的幅值θm和相位θp，另外，锁相装置3024输出到电流控制单元3025的电流幅值参考值iM为外部原件输入到锁相转置3024的或者直接通过程序配置在该锁相装置3024中的。
电流控制单元3025用于根据电流幅值参考值iM、以及锁相装置3024产生的相位θp和幅值θm对电流采样单元3021采集的电流信号ig进行调节，产生控制信号。
调制单元3026将控制信号转化为与交流－直流变流器301相匹配的半导体开关驱动信号，直接控制交流－直流变流器301中半导体的开通或关断状态，从而实现了对交流－直流变流器301的控制。
需要说明的是，本申请实施例将重点讲述该锁相装置3024的结构和该锁相装置3024的工作原理。
请参见图7，图7是本申请实施例提供的一种锁相装置3024的结构示意图，该锁相装置3024包括幅值调节单元701、鉴幅鉴相器702、第一环路滤波器703、第二环路滤波器706、第一振荡器704和第二振荡器705，该幅值调节单元701的输入端连接该第一振荡器704的输出端，该幅值调节单元701的输出端连接该鉴幅鉴相器702的输入端，该鉴幅鉴相器702的输入端连接该第二振荡器705的输出端，该鉴幅鉴相器702的输出端连接该第一环路滤波器703的输入端和该第二环路滤波器706的输入端，该第一环路滤波器703的输出端连接该第一振荡器704的输入端，第二环路滤波器706的输出端连接该第二振荡器705的输入端。
请参见图8，图8是本申请实施例提供的一种锁相方法的流程示意图，该流程可以基于图7所示的结构的锁相装置3024来实现，该方法包括但不限于如下步骤：
步骤S801：所述幅值调节单元根据所述第一振荡器的输出幅值调节量补偿第一交流电压信号以得到第二交流电压信号。
具体地，该第一振荡器与该幅值调节单元之间形成了一个反馈调节的环路，该第一振荡器输出的幅值调节量反过来输入到幅值调节单元以用于对第一交流电压进行补偿，而后续对补偿所得到的第二交流电压信号进行一系列处理(具体处理流程在后面描述中体现)又可以得到新的幅值调节量。另外，所述第一交流电压信号为从交流连接点(例如，公共连接点(Point ofCommonCoupling，PCC))采集的交流电压信号或者从所述交流连接点采集的交流电压信号经变换后的电压信号，所述交流连接点为用于接入交流系统的接入点。下面例举第一交流电压信号的两种可能的情况：
第一种情况，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的三相电压进行变换得到的两相静止坐标系下的交流电压信号。如图9所示，锁相装置应用于一个三相变流器并网系统，该三相变流器并网系统中的采样单元采集三相电压va、vb、vc，通过将该三相电压经过Clarke变换，获得两相静止坐标系下的电压(vα，vβ)，这里简单地介绍一下克拉克Clarke变换的基本原理，如图10所示，存在电压空间矢量vs和两个坐标系，一个坐标系是三相静止坐标系，有a轴，b轴，c轴共三个轴，这三个轴相互夹角为120°，vs在这三个轴上的投影分别为va、vb、vc。另一个坐标系是两相静止坐标系，有α轴和β轴共两个轴，β轴垂直于α轴，vs在这两个轴上的投影分别为vα，vβ。因此，Clarke变换就是将电压空间矢量vs在三相静止坐标系中的投影va、vb、vc通过数学关系转换到两相静止坐标系种的投影vα，vβ。公式1－1为变换时采用的一种可选的数学方程：
Figure BDA0001681185710000071
第二种情况，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的单相电压分为两路所叠加而成的两相静止坐标系下的交流电压信号；如图11所示，所述两路中的一路电压信号经过了延时处理，且所述延时处理的延时长度为1/4个工频周期。基本思路是一个完整的工频周期对应360°，则1/4个工频周期对应90°，刚好能够满足两相静止坐标系的两个坐标轴垂直90°的数学关系。在这种情况中，两路中未经过时延处理的一路为电压信号vα，经过时延处理的一路为电压信号vβ，这两路即构成第一交流电压信号(vα，vβ)。
以上举例介绍了第一交流电压的获取方式，下面讲述如何根据幅值调节量补偿第一交流电压信号以得到第二交流电压信号。由于交流连接点采集的交流电压信号的幅值受电网阻抗Zg和流经Zg的电流大小影响，因此变换得到第一电压信号(vα，vβ)的幅值也会受到影响，出现不稳定的情况。因此幅值调节单元根据第一振荡器输出的幅值调节量θm对第一交流电压信号进行调节，使得调节后得到的第二电压信号(vα0，vβ0)的幅值稳定在一个较理想的区间。根据幅值调节量θm补偿第一交流电压信号(vα，vβ)到第二交流电压信号(vα0，vβ0)的方式可以如下：
方式一：指数实现方式，具体的增益关系参照公式1－2所示：
Figure BDA0001681185710000072
其中，a为预先设定的大于0的常数，例如，设置为e，此时的增益关系如公式1－3所示：
Figure BDA0001681185710000073
方式二：分数实现方式，具体的增益关系参照公式1－4所示：
Figure BDA0001681185710000074
其中，a为预先设定的大于0的常数。
在一种可选的方案中，所述第一交流电压信号或者所述第二交流电压信号为经过正序提取之后的正序分量，这样可以消除负序分量产生的负面影响。如图12所示，采集单元采集的三相电压经过Clarke变换得到的两相静止坐标系下的第一交流电压信号，在根据第一交流电压信号得到第二交流电压信号的过程中先对第一交流电压信号进行正序提取得到正序分量，然后使用第一振荡器输出的幅值调节量对该第一交流电压信号的正序分量进行补偿，从而得到第二交流电压信号，因此此时的第二交流电压信号属于经过正序提取之后的正序分量。目前通常采用双二阶广义积分的正交生成器(DSOGI－QSG)和正序计算(PositiveSequence Calculator，PSC)来提取正序分量，图13为正序提取的示意图，第一交流电压信号(vα，vβ)与第一交流电压信号的正序分量(vα +，vβ +)之间满足公式1－5和1－6所示数学关系。
Figure BDA0001681185710000075
Figure BDA0001681185710000076
其中，k为二阶广义积分的阻尼比，ω为谐振频率，s为复频率，是经典控制理论中，由于对时域函数进行拉普拉斯变换产生的特征变量。
之后，该幅值调节单元向鉴幅鉴相器输出该第二交流电压信号(vα0，vβ0)。
步骤S802：所述鉴幅鉴相器根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值。
具体地，根据第二交流电压信号的幅值和该预设的参考电压幅值即可计算出幅值差值，所述幅值差值用于表征所述第二交流电压信号的幅值相对于所述参考电压幅值的偏移；可选的，该预设的参考电压幅值可以为锁相装置所连接交流电力系统的额定电压值。另外，该第二振荡器与该鉴幅鉴相器之间形成了一个反馈调节的环路，从第二振荡器输出的相位估计值输入到鉴幅鉴相器，然后由鉴幅鉴相器根据第二交流电压信号的相位和该相位估计值计算出相位差值，所述相位差值用于表征所述第二交流电压信号的相位相对于所述相位估计值的偏移。下面举例介绍鉴幅鉴相器确定幅值差值和相位差值的几种可选方案。
第一种可选的方案中，鉴幅鉴相器根据第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值，可以包括：所述鉴幅鉴相器根据所述第二振荡器输出的相位估计值θp对第二电压信号(vα0，vβ0)进行坐标变换以得到旋转坐标系下的直轴信号vd和交轴信号vq，公式1－7示意了相位估计值θp、第二电压信号(vα0，vβ0)和直轴信号vd和交轴信号vq之间的一种可能的数学关系。
Figure BDA0001681185710000081
根据同步旋转坐标系的基本原理可以得出，在稳态时，vd等于(vα0，vβ0)组成的空间矢量vs0的幅值相关，而vq等于θp与vs0的相位的差值，因此，所述鉴幅鉴相器进一步根据所述直轴信号vd与预设的参考电压幅值mref确定幅值差值em，以及根据所述交轴信号vq确定相位差值ep。其中，参考电压幅值mref为预先设置的用于参考对比的值，公式1－8示意了直轴信号vd、参考电压幅值mref和幅值差值em之间的一种可能的数学关系，公式1－9示意了交轴信号vq和相位差值ep之间的一种可能的数学关系。
em＝vd-mref 1－8
ep＝vq 1－9
第二种可选的方案中，所述鉴幅鉴相器702包括鉴幅器7021和鉴相器7022，即鉴幅器7021与鉴相器7022相对独立。在这种情况下，所述鉴幅鉴相器702根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器705输出的相位估计值确定相位差值，可以包括：所述鉴幅器7021提取所述第二交流电压信号的幅值，并根据提取出的幅值vn和预设的参考电压幅值mref确定幅值差值em，例如，em＝vn-mref。另外，所述鉴相器7022提取所述第二交流电压信号的相位或者所述第一交流电压信号的相位，并根据提取出的相位和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值。例如，鉴相器通过信号过零点进行比较以确定相位差，如图14A所示，过零比较鉴相器的主要功能是基于过零检测获取输入信号的特征相位，然后通过计时比较得到该特征相位的出现时间t1与相位估计值等于该特征相位时间t2的时间差Δt，再通过测量转换，将时间差Δt转换成相位差Δθ输出。以图14B为例，定义输入信号由正变负穿越零点的时刻对应特征相位为π，记录该时刻为t1，再记录相位估计值等于π的时刻为t2，通过计时比较得到两个时刻的时间差为Δt，再根据公式Δθ＝2π*Δt/T计算得到相位差Δθ，其中，T为为输入信号的周期时间。在这种可选的方案中，因为幅值调节单元701需要调节的是第一电压信号的幅值，但不需要也不能调整第一电压信号的相位，因此幅值调节单元701并不一定要连接到鉴相器7022，因此，幅值调节单元701在锁相装置3024中的位置既可以如图15所示，也可以如图16所示。
步骤S803：所述鉴幅鉴相器向第一环路滤波器输出幅值差值以及向所述第二环路滤波器输出相位差值。
步骤S804：所述第一环路滤波器对输入的幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，所述第二环路滤波器对输入的相位差值进行滤波处理以得到相位控制量。
具体地，滤波过程中，可以通过滤除高频干扰来实现精度控制，可以通过对幅值或者相位进行缩放处理来实现速度控制，例如，第一环路滤波器用于对输入的幅值差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到幅值控制量；第二环路滤波器用于对输入的相位差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到相位控制量。该第一环路滤波器和第二环路滤波器均可以采用PI调节原理，可选的，该第一环路滤波器和该第二环路滤波器所配置的第一参数相同(例如，第一参数可以包括比例参数、低频增益、截止频率等参数中的一项或者多项)，公式1－10示意了幅值差值em与幅值控制量dm之间，以及相位差值dp与相位控制量ep之间的一种可选的数学关系。
Figure BDA0001681185710000091
其中，Kp为预设的比例参数，Ki为预设的积分参数，s为复频率。
该第一环路滤波器得到幅值控制量之后向第一振荡器输出该幅值控制量，该第二环路滤波器得到相位控制量之后向第二振荡器输出该相位控制量。
步骤S805：所述第一振荡器对所述第一环路滤波器输出的幅值控制量进行转换以得到幅值调节量，所述第二振荡器对所述第二滤波器输出的相位控制量进行转换以得到相位估计值。
具体地，对幅值控制量进行转换可以包括对输入的幅值控制量进行积分处理，对相位控制量进行转换可以包括对输入的相位控制量进行积分处理。即第一振荡器和第二振荡器均采用积分原理，可选的，第一振荡器和第二振荡器所配置的第二参数相同(例如，该第二参数可以包括积分系数)，公式1－11示意了幅值控制量dm与幅值调节量θm之间，以及相位控制量ep与相位调节量θp之间的一种可选的数学关系。
Figure BDA0001681185710000092
需要说明的是，可能所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的第一参数相同，并且所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的第二参数相同。也可能，所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的第一参数相同，但所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的第二参数不相同。也可能，所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的第一参数不相同，但所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的第二参数相同。也可能，所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的第一参数不相同，并且所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的第二参数不相同。可以理解的是，所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的第一参数相同，能够进一步提升锁相装置的对称性，因此能够进一步减弱频率耦合问题。所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的第二参数相同，能够进一步提升锁相装置的对称性，因此能够进一步减弱频率耦合问题。
下面结合仿真图讲述本申请实施例相对于现有技术的两个主要的有益效果。
一、消除频率耦合问题。
为了验证现有技术中的不对称结构锁相装置与本申请实施例锁相装置在频率耦合方面的性能差异，在仿真过程中，在PCC点电压中加入300Hz的扰动，幅值为50Hz电压的10％。
加入扰动后的PCC点电压波形如图17所示，图17中两个波形分别是两相静止坐标系中vα，vβ的波形，可以看出两个电压信号在时间上相差1/4个工频周期(即对应相角为90°)，且波形存在明显的谐波分量，如图18所示，具有明显的50Hz与300Hz分量。
将扰动电压输入到分别装有不对称结构锁相装置和本申请实施例锁相装置的逆变器(并网系统)中，对输出电流分别进行频谱分析，结果如图19和图20所示。从图19可以看出不对称结构锁相装置中除了工频50Hz分量与原有扰动对应的300Hz分量以外，还多出了200Hz的频率分量，由此解释了该锁相装置中存在明显的频率耦合特性。而对应的图20中，本申请实施例所示的双环路对称结构锁相装置中的频率分量仅有50Hz和300Hz，与PCC点电压的频率分量相同，由此可以说明本申请实施例的锁相装置由于结构对称，消除频率耦合特性。
二、为锁相装置提供更稳定地电压信号。
为了对比不同锁相装置受输入信号幅值的影响，在每种锁相装置设置两个工况，输入信号幅值分别为100％和70％，在t＝0.5s时，输入信号的相位发生30°的跳变，通过观测动态响应来比较输入信号幅值对不同系统的性能影响。
首先，现有不对称锁相装置的仿真波形如图21、图22、图23、图24所示，由于不具备幅值补偿单元，则锁相装置输入信号和鉴相器输入信号相同，图21对应100％输入信号工况的vα，vβ，图22对应70％输入信号工况的vα，vβ。通过对比图23所示的100％输入信号工况和图24所示的70％输入信号工况下环路滤波器的输出量变化情况，可以看出在不同的输入信号工况下，环路滤波器输出量的动态幅值变化存在明显差异。
其次，本申请实施例锁相装置的仿真波形如图25、图26、图27、图28所示，由于具有幅值调节环路，则鉴幅鉴相器输入信号的幅值能够通过调节而基本保持一致，图25对应100％补偿后输入信号工况的vαo，vβo，图26对应70％补偿后输入信号工况的vαo，vβo，两种工况中补偿后的输入信号幅值在稳态均为100％，而在系统发生扰动的瞬间，由于本申请实施例锁相装置的幅值调节环路需要一定的时间进行闭环调节，因此补偿后的电压会在较短的瞬间不等于100％。通过对比图27所示的100％补偿后输入信号和图28所示的70％补偿后输入信号下环路滤波器的输出量变化情况，可以看出在不同的输入信号工况下，环路滤波器输出量的动态幅值变化几乎没有差异。
通过对比可以看出，本申请实施例锁相装置能够对系统输入信号的幅值进行自动补偿，消除了输入信号幅值变化对锁相装置性能的影响。
综上所述，幅值调节单元、鉴幅鉴相器、第一环路滤波器、第一振荡器构成了锁相装置的一个环路；鉴幅鉴相器、第二环路滤波器、第二振荡器构成了锁相装置的另一个环路，锁相装置的这两个环路形成了对称结构，抑制了负序分量的产生，因此能够减弱锁相装置产生的正序分量与该锁相装置产生的负序分量之间的频率耦合问题。另外，由于第一振荡器输出的幅值调节量对输入到该锁相装置的电压信号的幅值起到了反馈调节的作用，能够使锁相装置的工作电压幅值保持一个相对稳定地状态，大大提升了该锁相装置的工作性能。
需要说明的是，本申请实施例中的锁相转置包括的幅值调节单元、鉴幅鉴相器、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一振荡器和第二振荡器中，可能有部分单元(或器件)为通过硬件电路来实现而另一部分单元(或器件)通过软件来实现，也可能其中所有单元(或器件)都通过硬件电路来实现，还可能其中所有单元(或器件)都通过软件来实现。当有某个(或某些)单元(或器件)通过软件来实现时，该锁相装置包括处理器，该处理器通过运行程序指令来实现该某个(或某些)单元(或器件)，例如，假若该幅值调节单元是通过软件的方式来实现，那么该锁相装置通过运行程序指令可以完成幅值调节任务，相当于基于处理器虚拟出了一个幅值调节单元。可以理解的是，当其中所有单元(或器件)都通过软件来实现时，该锁相转置的结构可以如图29所示，如图29所示，该锁相装置包括存储器2901，处理器2902，通信接口2903，其中，处理器2902、通信接口2903以及存储器2901可以相互连接，例如，通过总线2904相互连接。其中，该存储器2901用于存储锁相装置的代码和数据，例如，存储了用于实现幅值调节单元的代码、实现鉴幅鉴相器的代码、实现第一环路滤波器的代码、实现第二环路滤波器的代码、实现第一振荡器的代码、实现第二振荡器的代码，等等。该处理器2901执行这些代码便可以虚拟出幅值调节单元、鉴幅鉴相器、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一振荡器和第二振荡器这些功能单元。另外，通信接口2903用于支持该锁相装置与外部设备之间进行信号传递，例如，用于支持锁相装置接入上述电压处理单元输出的交流电压信号(vα,vβ)，支持该锁相装置向上述电压控制单元输出用于控制的相位和幅值。
另外，该处理器2902可以是中央处理器单元，通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路，现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，数字信号处理器和微处理器的组合等等。另外，该存储器可以包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

Claims (20)

1.一种锁相装置，其特征在于，包括幅值调节单元、与所述幅值调节单元连接的鉴幅鉴相器、与所述鉴幅鉴相器连接的第一环路滤波器、与所述鉴幅鉴相器连接的第二环路滤波器、与所述第一环路滤波器连接的第一振荡器和与所述第二环路滤波器连接的第二振荡器，其中：
所述幅值调节单元用于根据所述第一振荡器的输出幅值调节量补偿第一交流电压信号以得到第二交流电压信号，所述第一交流电压信号为来自交流连接点的交流电压信号，所述交流连接点为用于接入交流系统的接入点；
所述鉴幅鉴相器用于根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值；所述鉴幅鉴相器还用于向第一环路滤波器输出幅值差值以及向所述第二环路滤波器输出相位差值，其中，所述幅值差值用于表征所述第二交流电压信号的幅值相对于所述参考电压幅值的偏移，所述相位差值用于表征所述第二交流电压信号的相位相对于所述相位估计值的偏移；
所述第一环路滤波器用于对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，所述第二环路滤波器用于对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量；
所述第一振荡器用于对所述第一环路滤波器输出的幅值控制量进行转换以得到幅值调节量，所述第二振荡器用于对所述第二环路 滤波器输出的相位控制量进行转换以得到相位估计值。
2.根据权利要求1所述的锁相装置，其特征在于，在根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值的方面，
所述鉴幅鉴相器具体用于根据所述第二振荡器输出的相位估计值对所述第二交流 电压信号进行坐标变换以得到旋转坐标系下的直轴信号和交轴信号，以及根据所述直轴信号与预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述交轴信号确定相位差值。
3.根据权利要求1所述的锁相装置，其特征在于，所述鉴幅鉴相器包括鉴幅器和鉴相器；在根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值的方面，
所述鉴幅器用于提取所述第二交流电压信号的幅值，并根据提取出的幅值和预设的参考电压幅值确定幅值差值；
所述鉴相器用于提取所述第二交流电压信号的相位或者所述第一交流电压信号的相位，并根据提取出的相位和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值。
4.根据权利要求1－3任一项所述的锁相装置，其特征在于：
所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的所述第一参数相同，和/或，
所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的所述第二参数相同；
其中，所述第一参数包括比例参数、低频增益和截止频率中的一项或者多项，所述第二参数包括积分系数。
5.根据权利要求1－4任一项所述的锁相装置，其特征在于，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的三相电压进行变换得到的两相静止坐标系下的交流电压信号。
6.根据权利要求1－4任一项所述的锁相装置，其特征在于，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的单相电压为由两路相互叠加而成的两相静止坐标系下的交流电压信号，其中所述两路中的一路电压信号经过了延时处理，且所述延时处理的延时长度为1/4个工频周期。
7.根据权利要求1－6任一项所述的锁相装置，其特征在于，所述第一交流电压信号或者所述第二交流电压信号为经过正序提取之后的正序分量。
8.根据权利要求1－7任一项所述的锁相装置，其特征在于，所述第一交流电压信号和第二交流电压信号的比值与所述第一振荡器输出的幅值控制量之间呈指数函数或者一次函数关系。
9.根据权利要求1－8任一项所述的锁相装置，其特征在于，在所述第一环路滤波器用于对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，所对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量的方面，
所述第一环路滤波器具体用于对输入的所述幅值差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到幅值控制量；所述第二环路滤波器具体用于对输入的所述相位差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到相位控制量。
10.一种锁相方法，其特征在于，所述锁相方法应用于锁相装置，所述锁相装置包括幅值调节单元、与所述幅值调节单元连接的鉴幅鉴相器、与所述鉴幅鉴相器连接的第一环路滤波器、与所述鉴幅鉴相器连接的第二环路滤波器、与所述第一环路滤波器连接的第一振荡器和与所述第二环路滤波器连接的第二振荡器，所述方法包括：
根据所述第一振荡器的输出幅值调节量补偿第一交流电压信号以得到第二交流电压信号，所述第一交流电压信号为来自交流连接点的交流电压信号，所述交流连接点为用于接入交流系统的接入点；
根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值；向第一环路滤波器输出幅值差值以及向所述第二环路滤波器输出相位差值，其中，所述幅值差值用于表征所述第二交流电压信号的幅值相对于所述参考电压幅值的偏移，所述相位差值用于表征所述第二交流电压信号的相位相对于所述相位估计值的偏移；
对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量；
对所述第一环路滤波器输出的幅值控制量进行转换以得到幅值调节量，对所述第二环路 滤波器输出的相位控制量进行转换以得到相位估计值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值，包括：
根据所述第二振荡器输出的相位估计值对所述第二交流 电压信号进行坐标变换以得到旋转坐标系下的直轴信号和交轴信号；
根据所述直轴信号与预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述交轴信号确定相位差值。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二交流电压信号和预设的参考电压幅值确定幅值差值，以及根据所述第二交流电压信号和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值，包括：
提取所述第二交流电压信号的幅值，并根据提取出的幅值和预设的参考电压幅值确定幅值差值；
提取所述第二交流电压信号的相位或者所述第一交流电压信号的相位，并根据提取出的相位和所述第二振荡器输出的相位估计值确定相位差值。
13.根据权利要求10－12任一项所述的方法，其特征在于：
所述第一环路滤波器配置的第一参数与所述第二环路滤波器配置的所述第一参数相同，和/或，
所述第一振荡器配置的第二参数与所述第二振荡器配置的所述第二参数相同
其中，所述第一参数包括比例参数、低频增益和截止频率中的一项或者多项，所述第二参数包括积分系数。
14.根据权利要求10－13任一项所述的方法，其特征在于，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的三相电压进行变换得到的两相静止坐标系下的交流电压信号。
15.根据权利要求10－13任一项所述的方法，其特征在于，所述第一交流电压信号为对所述交流连接点处采集的单相电压为由两路相互叠加而成的两相静止坐标系下的交流电压信号，其中，所述两路中的一路电压信号经过了延时处理，且所述延时处理的延时长度为1/4个工频周期。
16.根据权利要求10－15任一项所述的方法，其特征在于，所述第一交流电压信号或者所述第二交流电压信号为经过正序提取之后的正序分量。
17.根据权利要求10－16任一项所述的方法，其特征在于，所述第一交流电压信号和第二交流电压信号的比值与所述第一振荡器输出的幅值控制量之间呈指数函数或者一次函数关系。
18.根据权利要求10－17任一项所述的方法，其特征在于，所述对输入的所述幅值差值进行滤波处理以得到幅值控制量，对输入的所述相位差值进行滤波处理以得到相位控制量，包括：
对输入的所述幅值差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到幅值控制量；对输入的所述相位差值滤除高频干扰以及进行缩放处理，以得到相位控制量。
19.一种控制器，其特征在于，所述控制器包括：
锁相装置，所述锁相装置为权利要求1－9任一项所述的锁相装置；和，
电流控制单元，用于通过所述锁相装置输出的相位参数输出控制信号，所述控制信号用于控制交流－直流变流器进行功率转换。
20.一种并网系统，其特征在于，所述并网系统包括交流－直流变流器，和与所述交流直流变流器相连接的控制器，其中：
所述控制器包括：
锁相装置，所述锁相装置为权利要求1－9任一项所述的锁相装置；以及
电流控制单元，用于通过所述锁相装置输出的相位参数控制所述交流－直流变流器进行功率转换。
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