逆變器的鎖相控制系統及其鎖相方法

2023-07-18 13:15:41

專利名稱：逆變器的鎖相控制系統及其鎖相方法
技術領域：
本發明涉及逆變器技術領域，尤其涉及一種逆變器的鎖相控制系統及其鎖相方法。
背景技術：
逆變電源大部分場合都需要與電網、其它逆變電源(例如，有源濾波器、功率因數校正、併網逆變器和不間斷電源等)連接進行能量交換或者並聯供電。在逆變電源系統中為了控制功率因數、輸入與輸出之間的無功緩衝、或者抑制電網與逆變器之間、逆變器與逆變器之間的環流，往往需要採用鎖相系統使得逆變電源的輸出電壓或者電流具有相位、頻率跟蹤能力。因此，鎖相技術是逆變器系統的一項關鍵技術。傳統的鎖相方法主要有兩種基於過零點檢測的周期鎖相方法(例如，可參見李 玲等人發表於《電源技術》2010年第8期上的《光伏併網系統中的數字鎖相環》)和基於乘法器和低通濾波器的類似模擬鎖相環(例如，可參見鄒昱發表於《空軍雷達學院學報》2010年第4期上的《基於DSP的光伏併網電源輸出電流鎖相研究》)。基於過零點檢測的周期鎖相方法對於由於電網畸變或採樣幹擾工況等原因而導致的過零點有幹擾或波形畸變的非正弦波目標信號不能準確地反應其相位信息，因此對於以上情況不能實現可靠鎖相。採用乘法器和低通濾波器的鎖相環，由於低通濾波器的延遲作用限制了控制環路的帶寬，同時鑑相環節的增益受被檢測信號的幅值影響，該方法的應用受到限制。由於以上這些問題，傳統的鎖相方法僅適用於電網畸變小、幹擾小的環境中，或者應用於對鎖相精度要求不是很嚴格的系統中，所以應用範圍受到很大的限制。

發明內容
為了解決上述問題，本發明提供一種逆變器的鎖相控制系統及其鎖相方法，以實現逆變器在電網畸變以及採樣幹擾工況下的可靠鎖相和擴大鎖相應用範圍。為了實現以上目的，本發明提供的鎖相控制系統包括調頻單元，其用於計算逆變器的目標信號和輸出信號的頻率差，並對計算的頻率差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第一調節量；鎖相單元，其用於基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差，並對計算的基波相位差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第二調節量；相位計算單元，其用於將第一調節量和第二調節量相加，以得到總的相位調節量，並將總的相位調節量累加到所述輸出信號的當前相位角上，以得到調整後的輸出信號相位角；輸出單元，其用於根據調整後的輸出信號相位角得到所述輸出信號的基波正弦量和基波餘弦量，並將得到的基波正弦量作為輸出信號輸出，同時將得到的基波正弦量和基波餘弦量反饋給鎖相單元，以供鎖相單元作為計算所述輸出信號的基波相位角的參考數據。優選地，所述調頻單元包括目標信號頻率計算器，其用於計算所述目標信號的頻率；輸出信號頻率計算器，其用於計算所述輸出信號的頻率；減法器，其用於將由目標信號頻率計算器計算的頻率與由輸出信號頻率計算器計算的頻率進行比較，以得到這兩個頻率之間的頻率差；調頻控制器，其用於對由減法器計算的頻率差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第一調節量。優選地，所述鎖相單元包括離散傅立葉變換鑑相器，其用於基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差；鎖相控制器，其用於對由離散傅立葉變換鑑相器計算的基波相位差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第二調節量。優選地，所述鎖相控制系統還包括目標信號處理單元，其用於在所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內的情況下，將所述目標信號乘以目標信號的幅值的倒數，以變化為幅值為I的波形的信號，並計算變化後的信號的基波餘弦量的幅值，鎖相單元將由目標信號處理單元計算的變化後的信號的基波餘弦量的幅值作為所述目標信號的基波相位角。優選地，所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內是指目標信號的幅值在額定電網電壓的-15% -+10%之間。
相應地，本發明提供一種逆變器的鎖相方法，包括計算逆變器的目標信號和輸出信號的頻率差，並對計算的頻率差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第一調節量；基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差，並對計算的基波相位差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第二調節量；將第一調節量和第二調節量相加，以得到總的相位調節量，並將總的相位調節量累加到所述輸出信號的當前相位角上，以得到調整後的輸出信號相位角；根據調整後的輸出信號相位角得到所述輸出信號的基波正弦量和基波餘弦量，並將得到的基波正弦量作為輸出信號輸出，同時根據得到的基波正弦量和基波餘弦量計算所述輸出信號的基波相位角；循環執行以上步驟，直到逆變器停止工作。優選地，所述方法還包括在所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內的情況下，將所述目標信號乘以目標信號的幅值的倒數，以變化為幅值為I的波形的信號，並計算變化後的信號的基波餘弦量的幅值，在所述基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差的步驟中，將計算的變化後的信號的基波餘弦量的幅值作為所述目標信號的基波相位角。本發明所提供的鎖相控制系統及其鎖相方法包括調頻和鎖相兩個作用過程調頻控制器根據目標信號和輸出信號的頻率差來控制輸出信號的相位角的第一調節量(作為相位角增量的粗調控制)；鎖相控制器通過離散傅立葉變換得到的相位差來控制輸出信號的相位角的第二調節量(作為相位角增量的精調控制)，調頻和鎖相共同作用實現鎖相。這種鎖相方式可使得即使在電網畸變以及採樣幹擾工況的情況下也可實現可靠鎖相，並且鎖相的應用範圍也得到擴大。


圖I是本發明的第一實施例的鎖相控制系統的工作原理圖；圖2是本發明的第一實施例的示例性鎖相控制系統的工作原理圖；圖3是本發明的第二實施例的鎖相控制系統的工作原理圖。
具體實施例方式以下，將參照附圖和實施例對本發明進行描述。
本發明的技術構思如下在逆變器中，鎖相目標是電網，鎖相控制系統要鎖定的目標為電網電壓，該電壓信號是一個周期信號，任何周期信號都可以展開為基波的傅立葉級數，而鎖相的最真實目標就是要鎖定目標信號的基波相位，因此可以通過傅立葉級數展開的方式來提取目標信號的基波相位信息。因此，在本發明所提供的鎖相控制系統及其鎖相方法中，採用離散傅立葉變換(DFT)的方式提取基波信號的相位信息，然後計算出目標信號與輸出信號之間的基波相位差，用於控制輸出信號的基波相位。(第一實施例)圖I是本發明的第一實施例的鎖相控制系統的工作原理圖。如圖I所示，該鎖相控制系統包括調頻單元、鎖相單元、相位計算單元和輸出單元。其中，調頻單元用於計算逆變器的目標信號S1和輸出信號Stl的頻率差，並對計算的頻率差進行比例積分(PI)或比例積分微分(PID)調節，以得到第一調節量Gstep f (作為相位角增量的粗調控制)。鎖相單元 用於基於離散傅立葉變換計算逆變器的目標信號S1和輸出信號Stl的基波相位差，並對計算的基波相位差進行PI或PID調節，以得到第二調節量Θ stepj)(作為相位角增量的精調控制)。相位計算單元用於將第一調節量Gstep f和第二調節量Gstepjj相加，以得到總的相位調節量Qstep，並將總的相位調節量estep累加到逆變器的輸出信號的當前相位角上，以得到調整後的輸出信號相位角Θ。輸出單元用於根據調整後的輸出信號相位角Θ得到輸出信號的基波正弦量和基波餘弦量，並將得到的基波正弦量作為輸出信號Stl輸出，同時將得到的基波正弦量和基波餘弦量反饋給鎖相單元，以供鎖相單元作為計算輸出信號Stl的基波相位角的參考數據。以下，將結合圖2所示的優選實施例對本發明的第一實施例進行詳細描述。如圖2所示，所述調頻單元包括目標信號頻率計算器I、輸出信號頻率計算器4、加法器2和調頻控制器3。其中，目標信號頻率計算器I用於計算逆變器的目標信號S1的頻率f\。輸出信號頻率計算器4用於計算逆變器的輸出信號Stl的頻率減法器2用於將由目標信號頻率計算器I計算的頻率與由輸出信號頻率計算器4計算的頻率進行比較，以得到這兩個頻率之間的頻率差AL·調頻控制器3用於對由減法器2計算的頻率差Δ f進行PI或PID調節，以得到第一調節量Θ step f。這裡，按照經典的PI或PID的控制算法，根據頻率差值的大小來確定比例係數、積分時間和微分時間。所述鎖相單元包括離散傅立葉變換鑑相器5和鎖相控制器6。其中，離散傅立葉變換鑑相器5用於基於離散傅立葉變換計算逆變器的目標信號和輸出信號的基波相位差Δ θ10鎖相控制器6用於對由離散傅立葉變換鑑相器5計算的基波相位差Λ Q1進行PI或PID調節，以得到第二調節量0step p。這裡，同上，按照經典的PI或PID的控制算法，根據頻率差△ f值的大小來確定比例係數、積分時間和微分時間。以下，將對圖2所示鎖相控制系統的處理過程進行描述。首先，進行調頻控制。具體來講，目標信號頻率計算器I計算逆變器的目標信號S1的頻率，輸出信號頻率計算器4計算逆變器的輸出信號Stl的頻率&，減法器2計算頻率f!與頻率fo之間的頻率差Λ f，調頻控制器3對頻率差Λ f進行PI或PID調節，以得到第
一調節量。同時，進行鎖相控制。具體來講，離散傅立葉變換鑑相器5基於離散傅立葉變換計算逆變器的目標信號S1和輸出信號Stl的基波相位差Δ Θ lt)鎖相控制器6用於對由離散傅立葉變換鑑相器5計算的基波相位差Λ Θ i進行PI或PID調節，以得到第二調節量Θ step_
P0逆變器的目標信號S1的基波相位角的計算方法如下設逆變器的目標信號S1的時域表達式為f(t)，則根據傅立葉級數可展開為f (t) = ao+a^in (ω t) +Id1Cos (ω t) +a2sin (2 ω t) +b2cos (2 ω t) +......
權利要求
1.一種逆變器的鎖相控制系統,包括 調頻單元，其用於計算逆變器的目標信號和輸出信號的頻率差，並對計算的頻率差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第一調節量； 鎖相單元，其用於基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差，並對計算的基波相位差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第二調節量；相位計算單元，其用於將第一調節量和第二調節量相加，以得到總的相位調節量，並將總的相位調節量累加到所述輸出信號的當前相位角上，以得到調整後的輸出信號相位角；輸出單元，其用於根據調整後的輸出信號相位角得到所述輸出信號的基波正弦量和基波餘弦量，並將得到的基波正弦量作為輸出信號輸出，同時將得到的基波正弦量和基波餘弦量反饋給鎖相單元，以供鎖相單元作為計算所述輸出信號的基波相位角的參考數據。
2.根據權利要求I所述的鎖相控制系統，其特徵在於，所述調頻單元包括 目標信號頻率計算器，其用於計算所述目標信號的頻率； 輸出信號頻率計算器，其用於計算所述輸出信號的頻率； 減法器，其用於將由目標信號頻率計算器計算的頻率與由輸出信號頻率計算器計算的頻率進行比較，以得到這兩個頻率之間的頻率差； 調頻控制器，其用於對由減法器計算的頻率差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第一調節量。
3.根據權利要求I所述的鎖相控制系統，其特徵在於，所述鎖相單元包括 離散傅立葉變換鑑相器，其用於基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差； 鎖相控制器，其用於對由離散傅立葉變換鑑相器計算的基波相位差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第二調節量。
4.根據權利要求I所述的鎖相控制系統，其特徵在於，還包括 目標信號處理單元，其用於在所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內的情況下，將所述目標信號乘以目標信號的幅值的倒數，以變化為幅值為I的波形的信號，並計算變化後的信號的基波餘弦量的幅值， 鎖相單元將由目標信號處理單元計算的變化後的信號的基波餘弦量的幅值作為所述目標信號的基波相位角。
5.根據權利要求I所述的鎖相控制系統，其特徵在於，所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內是指目標信號的幅值在額定電網電壓的-15% -+10%之間。
6.—種逆變器的鎖相方法,包括 計算逆變器的目標信號和輸出信號的頻率差，並對計算的頻率差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第一調節量； 基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差，並對計算的基波相位差進行比例積分或比例積分微分調節，以得到第二調節量； 將第一調節量和第二調節量相加，以得到總的相位調節量，並將總的相位調節量累加到所述輸出信號的當前相位角上，以得到調整後的輸出信號相位角； 根據調整後的輸出信號相位角得到所述輸出信號的基波正弦量和基波餘弦量，並將得到的基波正弦量作為輸出信號輸出，同時根據得到的基波正弦量和基波餘弦量計算所述輸出信號的基波相位角； 循環執行以上步驟，直到逆變器停止工作。
7.根據權利要求6所述的鎖相方法，其特徵在於，還包括 在所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內的情況下，將所述目標信號乘以目標信號的幅值的倒數，以變化為幅值為I的波形的信號，並計算變化後的信號的基波餘弦量的幅值， 在所述基於離散傅立葉變換計算所述目標信號和輸出信號的基波相位差的步驟中，將計算的變化後的信號的基波餘弦量的幅值作為所述目標信號的基波相位角。
8.根據權利要求7所述的鎖相方法，其特徵在於，所述目標信號的幅值變化範圍在預定範圍內是指目標信號的幅值在額定電網電壓的-15% -+10%之間。
全文摘要
本發明提供一種逆變器的鎖相控制系統，包括調頻單元，用於對目標信號和輸出信號的頻率差進行調節，以得到第一調節量；鎖相單元，用於對目標信號和輸出信號的基波相位差進行調節，以得到第二調節量；相位計算單元，用於將第一調節量和第二調節量相加，以得到總的相位調節量，並將總的相位調節量累加到輸出信號的當前相位角上，以得到調整後的輸出信號相位角；輸出單元，用於根據調整後的輸出信號相位角得到輸出信號的基波正弦量和基波餘弦量，並反饋給鎖相單元。本發明還提供相應的鎖相方法。本發明所提供的鎖相控制系統及其鎖相方法可使得即使在電網畸變以及採樣幹擾工況的情況下也可實現可靠鎖相，並且鎖相的應用範圍也得到擴大。
文檔編號H02M7/42GK102761281SQ20111010850
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者劉偉增, 劉小剛, 張新濤, 梁歡迎, 熊俊峰, 郭磊 申請人:特變電工新疆新能源股份有限公司, 特變電工西安電氣科技有限公司