本发明属于电气工程中的锁相环技术领域，更具体地说，涉及一种电网电压严重畸变情况下的锁相环技术。
背景技术
锁相环(pll-phaselockedloop)是自动相位控制和自动频率控制技术的结合。人们最早从20世纪30年代开始对锁相环进行研究，锁相环的数学理论方面在20世纪30年代初期就己经出现。1930年科学家们建立了同步控制理论的基础，法国工程师bellescize于1932年发表了锁相环路的同步检波论和数学描述，这是历史上对锁相环路数学描述的第一次公开发表。
锁相环历来是线性电路。第一个锁相环是用分立元件实现的，大约在1965年锁相环成为可以使用的集成电路。这些集成锁相环中的第一个是线性器件(lpll)，基于半导体技术，类似那个时代的运算放大器。几年后(大约是在1970年)，有了第一个可以使用的数字锁相环(dpll)。但是其电路中仅仅鉴相器是逻辑电路，其余部分(压控振荡器vco，环路滤波器)仍然是模拟电路，因此这些锁相环是混合系统。
而到了当今的微控制器和数字信号处理(dsp)时代，用软件实现pll系统是很自然的想法。一旦用软件实现，pll的功能就可以用电脑程序来执行。与传统的模拟锁相环相比较，软件锁相环的精度依赖于控制器的运算速度和精度，而现在的微控制器已达到64位且很容易工作在千兆以上的频率区，所以，软件锁相环(spll)是当今发展的趋势。
锁相环的发展经历了从模拟锁相环到数字锁相环的历程。模拟锁相环由相位比较器、压控振荡器、相位参考提取电路和控制电路组成。它采用一个模拟乘法器(四象限乘法器)作为鉴相器；环路滤波器用无源或者有源rc滤波器实现，最后利用压控振荡器vco产生pll的输出信号。压控振荡器所输出的信号是与所需频率非常接近的同幅信号，然后把它与参考信号(由相位参考提取电路从信号中提取)一同送入鉴相器进行比较，通过比较得到误差，然后用误差来调节控制电路并使压控振荡器的频率向使误差绝对值减小的方向进行连续的变化，最终完成锁相功能，这种类型的pll被称为“线性pll”(lpll)，在接下来的几年里，pll缓慢而稳定地转移到数字领域。
数字锁相环(dpll)实际上是一个混合器件，仅仅鉴相器采用数字电路实现，即用一个exor门或者一个jk触发器，剩下的模块仍然是模拟电路，直到全数字锁相环(adpll)的实现，锁相环才完全由数字模块实现而不含有任何无源元件，如电阻和电容等。
类似滤波器，pll也可以用软件实现，在这种情况下，pll的功能不再用一些专业的硬件实现，而是用计算机程序完成，这种pll称为spll。随着微控制器和数字信号处理器(dsp)的快速发展，软件锁相环(spll)的发展以及应用也变得非常顺利。软件锁相环的组成包括鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。鉴相器将输出信号和输入信号进行比较，并且输出带有交流分量的直流量。然后经过环路滤波器进行滤波，滤除交流分量过后的直流量会进入压控振荡器，经过压控振荡器后输出相位值，如果输出相位大于输入相位，则其会调节调制频率使其跟踪输入相位，直到相同为止。
目前，在三相系统中，最常用的是同步参考坐标系锁相环(synchronousreferenceframephaselockedloop，srf-pll)。该锁相环的基本原理是通过dq变换将三相电网电压变换为同步旋转的直流量ud、uq，再通过闭环控制使得uq为零完成锁相。在三相电网电压平衡的情况下，该方法能够快速准确地实现锁相。但是当三相电网电压不平衡或者含有谐波时，通过dq变换得到的直流量uq中将会含有各种频率的脉动量，进而导致锁相失败。
针对传统srf-pll对三相电网不平衡和含有谐波时存在相位失锁的问题，国内外很多专家研究了srf-pll的改进方法。采用网侧同步锁相环(gridsynchronizationpll)、双dq变换软件锁相环、基于相序解耦谐振控制器的基波正序电压相位检测方法、双二阶广义积分器(decoupleddoublesynchronousreferenceframepll，ddsrf-pll)等都可以对不平衡电网进行相序分离，但这些方法的频率适应性较差。改进型数字锁相环(enhancedpll，epll)具有较好的谐波抑制能力，但是当三相电网中含有负序分量时，锁相效果并不理想。改进二阶广义积分器在三相电网电压不平衡和含有高次谐波时都能够实现锁相，但对低次谐波分量引起的相位脉动，该方法仍然需要通过降低锁相环的带宽来抑制，因此其动态性能依然受到限制。基于串联信号延时对消法锁相环对基波负序分量以及三相电网中低次谐波有较好的抑制能力，但在高次谐波部分仍需加入滤波器进行滤波且结构较为复杂以及系统鲁棒性较差。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服传统软件锁相环不能够在电网电压不平衡并且同时含有高次谐波、低次谐波和直流分量情况下实现锁相的问题，提供了一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相系统及其锁相方法，本发明创新的结合了滑动dft算法、基于延时信号对消的基波正序分量提取方法与传统的srf-pll，在整个锁相过程当中可以消除三相电网电压中含有的各种干扰而实现精准的锁相。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相系统，包括3个dft滤波模块、基波正序分量提取模块和srf-pll模块，三相电网电压分别输入对应地dft滤波模块，所述的dft滤波模块从畸变的电网电压中提取基波信息；dft滤波模块、基波正序分量提取模块和srf-pll模块串行使用，基波正序分量提取模块提取出基波信息中的正序分量，最后由srf-pll模块得到基波相位信息。
本发明的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法，其步骤为：
步骤一、三相电网电压ua、ub、uc分别进入dft滤波模块，通过滑动dft算法，提取电网输入信号中的基波信息；
步骤二、步骤一得到的电网电压基波信息再通过基于延时信号对消的基波正序分量提取方法提取其正序分量；
步骤三、三相电网电压基波正序信号经过srf-pll实现快速精准的锁相。
更进一步地，步骤一中设三相电网电压单相输入为
由滑动dft算法可得
式中：ti，ωi分别为内同步信号的周期和角频率，由于ωu≈ωi≈100π，所以(ωu+ωi)>>(ωu-ωi)，则式(2)可化简为：
设外输入信号相位
u1y(t)＝usin(θu-θi)(4)
同理也可得到
u1x(t)＝ucos(θu-θi)(5)
用atan(u1y/u1x)作闭环反馈，并通过pi调节器实现外同步信号与内同步信号相位信息的无静差跟踪，进而得到电网电压基波信息。
更进一步地，步骤二中电网电压基波信息以幅值标么值的形式进入基于延时信号对消的基波正序分量提取模块，当电网电压含有负序分量时令电网电压为：
经过经典正序dq变换可得
将
同理可得
经过式(8)、(9)计算使得式(7)中的负序分量在dq轴上的交流量被消除了，剩下的直流分量为基波正序分量变换到dq轴上的值，将所得值乘以1/2再将其进行dq反变换即达到了提取正序分量的目的。
更进一步地，步骤三中，当电网电压只含有基波正序分量时，设其域表达式为
经过dq变换可得
化简得
经过dq变换可以在只控制uq分量为零的情况下实现锁相功能。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法，创新的结合了滑动dft算法、基于延时信号对消的基波正序分量提取方法与传统的srf-pll，在整个锁相过程当中可以消除三相电网电压中含有的各种干扰而实现精准的锁相；
(2)本发明的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法，由于传统dft方法需完整计算一个周期才调节一次.因此锁相动态性能较差，调节速度较慢，采用滑动dft算法通过固定长度的滑窗对输入信号进行处理，可以大大提高动态响应速度，快速精准的从含有各次谐波或者不平衡的电网电压中提取其基波信息；
(3)本发明的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法，其基于延时信号对消的基波正、负序分量提取方法可以在三相电网电压基波信号中含有负序分量时准确地提取其基波正序分量，srf-pll可以在三相电网电压的各种复杂环境(不平衡、含有高次谐波、含有低次谐波、含有直流分量)下快速精准的锁住其基波正序的相位信息；
(4)本发明的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法，其锁相过程精确可靠，控制方便，实现简单，便于推广应用。
附图说明
图1是本发明中实现锁相过程的系统结构示意图；
图2是本发明中滑动dft滤波算法原理框图；
图3是本发明中滑动dft滤波算法控制框图；
图4是本发明中基于延时信号对消的基波正序分量提取方法控制框图；
图5是本发明中srf-pll原理框图；
图6是本发明中电网电压不平衡时锁相环输出波形图；
图7是本发明中电网电压含有直流分量时锁相环输出波形图；
图8是本发明中电网电压含有高次谐波时锁相环输出波形图；
图9是本发明中电网电压含有低次谐波时锁相环输出波形图。
示意图中的标号说明：
1、三相电网电压；2、dft滤波模块；3、dft滤波模块；4、dft滤波模块；5、基波正序分量提取模块；6、srf-pll模块。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种基于滑动dft滤波原理的三相软件锁相方法，其在电网严重畸变情况下实现锁相的系统结构如图1所示。该系统包括dft滤波模块2、3、4，基于延时信号对消的基波正序分量提取模块5和srf-pll模块6。三相电网电压1先分别进入dft滤波模块，dft滤波模块可以准确、快速地从严重畸变的电网电压中提取基波信息，再结合基于延时信号对消的基波正序分量提取模块5提取出的基波中的正序分量；最后，采用同步参考坐标系锁相环(srf-pll)得到基波相位信息。
本实施例锁相方法，是发明人在对锁相环研究和改进过程中发明的一种新方法。发明人指出，该新型锁相环在使用过程中需将滑动dft算法滤波模块、基于延时信号对消的基波正序分量提取模块与srf-pll模块三个模块串行使用，并且要注意参数的配合，否则可能导致锁相的失败。
下面将对本实施例的锁相过程及原理进行具体描述，本实施例的锁相过程分为三个步骤：
步骤一、三相电网电压ua、ub、uc分别进入dft滤波模块2、3、4，通过dft算法，可以提取电网输入信号中的基波信息，该方法可消除外同步信号中谐波分量以及直流分量的影响。由于传统dft方法需完整计算一个周期才调节一次.因此锁相动态性能较差，调节速度较慢。滑动dft算法采用滑动窗口计算方式，即通过固定长度的滑窗对输入信号进行处理，可以大大提高动态响应速度。
设三相电网电压单相输入为
由滑动dft算法可得
式中：ti，ωi分别为内同步信号的周期和角频率。由于ωu≈ωi≈100π，所以(ωu+ωi)>>(ωu-ωi)，则式(2)可化简为
设外输入信号相位
u1y(t)＝usin(θu-θi)(4)
同理也可得到
u1x(t)＝ucos(θu-θi)(5)
由式(4)可知u1y(t)可以用作闭环反馈。但此时闭环增益将受电网电压幅值影响；所以采用atan(u1y/u1x)＝θu-θi来作为闭环反馈，则可解决此问题。由滑动dft算法得到的误差信号δθ＝θu-θi将通过pi调节器一直调节，直至跟踪到给定值θ*＝0为止，此时便成功的实现了锁相功能。
滑动dft算法本质上就是基于快速傅里叶变换(fastfouriertransform,fft)算法的数字化实现。当外输入信号与内同步信号的频率一致时，它们之间的相位差恒定不变；当外输入信号与内同步信号的频率不一致时，它们之间的相位差会线性变化，因此可以通过pi调节器实现外输入信号与内同步信号相位信息的无静差跟踪，当电网电压中含有谐波分量时，则滑动dft算法可以提取其基波相位信息误差信号再进行pi无静差跟踪。滑动dft算法滤波原理框图如图2所示，滑动dft算法滤波控制框图如图3所示。
步骤二、步骤一得到的a、b、c三相电网电压基波相位θa、θb、θc将分别通过sin函数从而得到包含电网电压基波相位信息且幅值为1的正弦函数sinθa、sinθb、sinθc，再进入基于延时信号对消的基波正序分量提取模块5。当电网电压含有负序分量时可令电网电压为
经过经典正序dq变换可得
其中，up为电网电压基波正序分量的幅值，un为电网电压基波负序分量的幅值。由式(7)知，在正序坐标系下，电网电压基波正序分量变成dq轴上的直流量，负序分量在dq轴上则是2倍基波频率的交流量。正是这种由电压负序分量造成的2倍工频交流量对srf-pll的正常工作产生影响。因为sin(2ω(t-t/4)+β)＝sin(2ωt-ωt/2+β)，且ωt＝2π；则可得，sin(2ω(t-t/4)+β)＝sin(2ωt-ωt/2+β)＝-sin(2ωt+β)；所以可以利用三角函数的这种对称性质来消除这种影响，具体方法是将
同理可得
经过式(8)、(9)计算使得式(7)中的负序分量在dq轴上的交流量被消除了，剩下的直流分量为基波正序分量变换到dq轴上的值，将所得值乘以1/2再将其进行dq反变换即达到了提取正序分量的目的。基于延时对消信号的基波正序分量提取方法控制框图如图4所示。
步骤三、在步骤二得到电网电压的基波正序分量信息后，再结合srf-pll的快速、高精度、高稳定性的锁相性能将可以实现精准的锁相。srf-pll的原理框图如图5所示，srf-pll所基于的鉴相原理是dq变换，当电网电压只含有基波正序分量时，可设其时域表达式为
其中um表示电网电压的幅值，经过dq变换可得
化简得
经过dq变换可以发现只要控制uq分量为零就可以实现锁相功能，具体方法是得到的uq分量与给定信号uq*＝0进行比较，其输出值中可能含有高次谐波，所以进入环路滤波器即pi控制器进行低通滤波，经低通滤波后得到的直流误差信号再调节参考频率ωref，得到调节后的频率经过压控振荡器即一个积分环节最后得到锁相环的输出相位角。
本实施例的锁相过程在基于matlab/simulink仿真平台下得到了仿真验证，仿真实验分为以下四种情况：(1)电网电压不平衡；(2)电网电压含有直流分量；(3)电网电压含有高次谐波；(4)电网电压含有低次谐波。图6为电网电压不平衡(a相电压幅值为额定值，b相增加20％，c相减小20％)时本发明提出的基于滑动dft滤波原理的新型三相软件锁相环锁相波形。仿真结果表明，基于延时信号对消的基波正负序分量分离方法可以有效的提取电网电压不平衡情况下电网的基波正序电压，得到的电网基波正序电压进入srf-pll后可以实现快速精准的锁相。图7为电网电压含有直流分量(a相电压幅值被抬升20％，b、c相不变)时本发明设计的锁相环仿真波形图。由仿真结果可见，当电网电压含有直流分量时，滑动dft算法对电网电压中的直流分量也有很好的消除能力，从而使锁相环能够精准的捕获电网电压基波的相位信息。图8为电网电压含有21、25、29、33、37次谐波时，本发明设计锁相环仿真波形图。由图可知，滑动dft算法对高次谐波具有很好的抑制能力并且能够在失真严重的波形中精准捕捉基波信息，所以在锁相过程中不受高次谐波的影响。图9为电网电压含有5、7、11次谐波时，本发明设计锁相环的仿真波形图。可以看出，该锁相环在电网含有低次谐波时也能够实现精准锁相。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。