专利名称：逆变器的锁相控制系统及其锁相方法
技术领域：
本发明涉及逆变器技术领域，尤其涉及一种逆变器的锁相控制系统及其锁相方法。
背景技术：
逆变电源大部分场合都需要与电网、其它逆变电源(例如，有源滤波器、功率因数校正、并网逆变器和不间断电源等)连接进行能量交换或者并联供电。在逆变电源系统中为了控制功率因数、输入与输出之间的无功缓冲、或者抑制电网与逆变器之间、逆变器与逆变器之间的环流，往往需要采用锁相系统使得逆变电源的输出电压或者电流具有相位、频率跟踪能力。因此，锁相技术是逆变器系统的一项关键技术。传统的锁相方法主要有两种基于过零点检测的周期锁相方法(例如，可参见李 玲等人发表于《电源技术》2010年第8期上的《光伏并网系统中的数字锁相环》)和基于乘法器和低通滤波器的类似模拟锁相环(例如，可参见邹昱发表于《空军雷达学院学报》2010年第4期上的《基于DSP的光伏并网电源输出电流锁相研究》)。基于过零点检测的周期锁相方法对于由于电网畸变或采样干扰工况等原因而导致的过零点有干扰或波形畸变的非正弦波目标信号不能准确地反应其相位信息，因此对于以上情况不能实现可靠锁相。采用乘法器和低通滤波器的锁相环，由于低通滤波器的延迟作用限制了控制环路的带宽，同时鉴相环节的增益受被检测信号的幅值影响，该方法的应用受到限制。由于以上这些问题，传统的锁相方法仅适用于电网畸变小、干扰小的环境中，或者应用于对锁相精度要求不是很严格的系统中，所以应用范围受到很大的限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种逆变器的锁相控制系统及其锁相方法，以实现逆变器在电网畸变以及采样干扰工况下的可靠锁相和扩大锁相应用范围。为了实现以上目的，本发明提供的锁相控制系统包括调频单元，其用于计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量；锁相单元，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；相位计算单元，其用于将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；输出单元，其用于根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时将得到的基波正弦量和基波余弦量反馈给锁相单元，以供锁相单元作为计算所述输出信号的基波相位角的参考数据。优选地，所述调频单元包括目标信号频率计算器，其用于计算所述目标信号的频率；输出信号频率计算器，其用于计算所述输出信号的频率；减法器，其用于将由目标信号频率计算器计算的频率与由输出信号频率计算器计算的频率进行比较，以得到这两个频率之间的频率差；调频控制器，其用于对由减法器计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量。优选地，所述锁相单元包括离散傅里叶变换鉴相器，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差；锁相控制器，其用于对由离散傅里叶变换鉴相器计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量。优选地，所述锁相控制系统还包括目标信号处理单元，其用于在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为I的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值，锁相单元将由目标信号处理单元计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。优选地，所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内是指目标信号的幅值在额定电网电压的-15% -+10%之间。
相应地，本发明提供一种逆变器的锁相方法，包括计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量；基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时根据得到的基波正弦量和基波余弦量计算所述输出信号的基波相位角；循环执行以上步骤，直到逆变器停止工作。优选地，所述方法还包括在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为I的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值，在所述基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差的步骤中，将计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。本发明所提供的锁相控制系统及其锁相方法包括调频和锁相两个作用过程调频控制器根据目标信号和输出信号的频率差来控制输出信号的相位角的第一调节量(作为相位角增量的粗调控制)；锁相控制器通过离散傅里叶变换得到的相位差来控制输出信号的相位角的第二调节量(作为相位角增量的精调控制)，调频和锁相共同作用实现锁相。这种锁相方式可使得即使在电网畸变以及采样干扰工况的情况下也可实现可靠锁相，并且锁相的应用范围也得到扩大。
图I是本发明的第一实施例的锁相控制系统的工作原理图；图2是本发明的第一实施例的示例性锁相控制系统的工作原理图；图3是本发明的第二实施例的锁相控制系统的工作原理图。
具体实施例方式以下，将参照附图和实施例对本发明进行描述。
本发明的技术构思如下在逆变器中，锁相目标是电网，锁相控制系统要锁定的目标为电网电压，该电压信号是一个周期信号，任何周期信号都可以展开为基波的傅里叶级数，而锁相的最真实目标就是要锁定目标信号的基波相位，因此可以通过傅里叶级数展开的方式来提取目标信号的基波相位信息。因此，在本发明所提供的锁相控制系统及其锁相方法中，采用离散傅里叶变换(DFT)的方式提取基波信号的相位信息，然后计算出目标信号与输出信号之间的基波相位差，用于控制输出信号的基波相位。(第一实施例)图I是本发明的第一实施例的锁相控制系统的工作原理图。如图I所示，该锁相控制系统包括调频单元、锁相单元、相位计算单元和输出单元。其中，调频单元用于计算逆变器的目标信号S1和输出信号Stl的频率差，并对计算的频率差进行比例积分(PI)或比例积分微分(PID)调节，以得到第一调节量Gstep f (作为相位角增量的粗调控制)。锁相单元 用于基于离散傅里叶变换计算逆变器的目标信号S1和输出信号Stl的基波相位差，并对计算的基波相位差进行PI或PID调节，以得到第二调节量Θ stepj)(作为相位角增量的精调控制)。相位计算单元用于将第一调节量Gstep f和第二调节量Gstepjj相加，以得到总的相位调节量Qstep，并将总的相位调节量estep累加到逆变器的输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角Θ。输出单元用于根据调整后的输出信号相位角Θ得到输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号Stl输出，同时将得到的基波正弦量和基波余弦量反馈给锁相单元，以供锁相单元作为计算输出信号Stl的基波相位角的参考数据。以下，将结合图2所示的优选实施例对本发明的第一实施例进行详细描述。如图2所示，所述调频单元包括目标信号频率计算器I、输出信号频率计算器4、加法器2和调频控制器3。其中，目标信号频率计算器I用于计算逆变器的目标信号S1的频率f\。输出信号频率计算器4用于计算逆变器的输出信号Stl的频率减法器2用于将由目标信号频率计算器I计算的频率与由输出信号频率计算器4计算的频率进行比较，以得到这两个频率之间的频率差AL·调频控制器3用于对由减法器2计算的频率差Δ f进行PI或PID调节，以得到第一调节量Θ step f。这里，按照经典的PI或PID的控制算法，根据频率差值的大小来确定比例系数、积分时间和微分时间。所述锁相单元包括离散傅里叶变换鉴相器5和锁相控制器6。其中，离散傅里叶变换鉴相器5用于基于离散傅里叶变换计算逆变器的目标信号和输出信号的基波相位差Δ θ10锁相控制器6用于对由离散傅里叶变换鉴相器5计算的基波相位差Λ Q1进行PI或PID调节，以得到第二调节量0step p。这里，同上，按照经典的PI或PID的控制算法，根据频率差△ f值的大小来确定比例系数、积分时间和微分时间。以下，将对图2所示锁相控制系统的处理过程进行描述。首先，进行调频控制。具体来讲，目标信号频率计算器I计算逆变器的目标信号S1的频率，输出信号频率计算器4计算逆变器的输出信号Stl的频率&，减法器2计算频率f!与频率fo之间的频率差Λ f，调频控制器3对频率差Λ f进行PI或PID调节，以得到第
一调节量。同时，进行锁相控制。具体来讲，离散傅里叶变换鉴相器5基于离散傅里叶变换计算逆变器的目标信号S1和输出信号Stl的基波相位差Δ Θ lt)锁相控制器6用于对由离散傅里叶变换鉴相器5计算的基波相位差Λ Θ i进行PI或PID调节，以得到第二调节量Θ step_
P0逆变器的目标信号S1的基波相位角的计算方法如下设逆变器的目标信号S1的时域表达式为f(t)，则根据傅里叶级数可展开为f (t) = ao+a^in (ω t) +Id1Cos (ω t) +a2sin (2 ω t) +b2cos (2 ω t) +......
权利要求
1.一种逆变器的锁相控制系统,包括 调频单元，其用于计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量； 锁相单元，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量；相位计算单元，其用于将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；输出单元，其用于根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时将得到的基波正弦量和基波余弦量反馈给锁相单元，以供锁相单元作为计算所述输出信号的基波相位角的参考数据。
2.根据权利要求I所述的锁相控制系统，其特征在于，所述调频单元包括 目标信号频率计算器，其用于计算所述目标信号的频率； 输出信号频率计算器，其用于计算所述输出信号的频率； 减法器，其用于将由目标信号频率计算器计算的频率与由输出信号频率计算器计算的频率进行比较，以得到这两个频率之间的频率差； 调频控制器，其用于对由减法器计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量。
3.根据权利要求I所述的锁相控制系统，其特征在于，所述锁相单元包括 离散傅里叶变换鉴相器，其用于基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差； 锁相控制器，其用于对由离散傅里叶变换鉴相器计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量。
4.根据权利要求I所述的锁相控制系统，其特征在于，还包括 目标信号处理单元，其用于在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为I的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值， 锁相单元将由目标信号处理单元计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。
5.根据权利要求I所述的锁相控制系统，其特征在于，所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内是指目标信号的幅值在额定电网电压的-15% -+10%之间。
6.—种逆变器的锁相方法,包括 计算逆变器的目标信号和输出信号的频率差，并对计算的频率差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第一调节量； 基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差，并对计算的基波相位差进行比例积分或比例积分微分调节，以得到第二调节量； 将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到所述输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角； 根据调整后的输出信号相位角得到所述输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并将得到的基波正弦量作为输出信号输出，同时根据得到的基波正弦量和基波余弦量计算所述输出信号的基波相位角； 循环执行以上步骤，直到逆变器停止工作。
7.根据权利要求6所述的锁相方法，其特征在于，还包括 在所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内的情况下，将所述目标信号乘以目标信号的幅值的倒数，以变化为幅值为I的波形的信号，并计算变化后的信号的基波余弦量的幅值， 在所述基于离散傅里叶变换计算所述目标信号和输出信号的基波相位差的步骤中，将计算的变化后的信号的基波余弦量的幅值作为所述目标信号的基波相位角。
8.根据权利要求7所述的锁相方法，其特征在于，所述目标信号的幅值变化范围在预定范围内是指目标信号的幅值在额定电网电压的-15% -+10%之间。
全文摘要
本发明提供一种逆变器的锁相控制系统，包括调频单元，用于对目标信号和输出信号的频率差进行调节，以得到第一调节量；锁相单元，用于对目标信号和输出信号的基波相位差进行调节，以得到第二调节量；相位计算单元，用于将第一调节量和第二调节量相加，以得到总的相位调节量，并将总的相位调节量累加到输出信号的当前相位角上，以得到调整后的输出信号相位角；输出单元，用于根据调整后的输出信号相位角得到输出信号的基波正弦量和基波余弦量，并反馈给锁相单元。本发明还提供相应的锁相方法。本发明所提供的锁相控制系统及其锁相方法可使得即使在电网畸变以及采样干扰工况的情况下也可实现可靠锁相，并且锁相的应用范围也得到扩大。
文档编号H02M7/42GK102761281SQ20111010850
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者刘伟增, 刘小刚, 张新涛, 梁欢迎, 熊俊峰, 郭磊 申请人:特变电工新疆新能源股份有限公司, 特变电工西安电气科技有限公司