一种基于多步时延估计锁相方法、装置、设备及介质

本发明涉及电力电子变流器并网同步控制，尤其涉及一种基于多步时延估计锁相方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、并网变流器作为新能源发电、储能及柔性输电系统的核心接口，其稳定运行高度依赖于锁相环（phase-locked loop, pll）对电网电压相位与频率的精确跟踪。在理想情况下，同步旋转坐标系锁相环（srf-pll）通过将电网电压定向于d轴，使q轴电压分量为零来实现无静差锁相。然而，在实际的数字控制系统中，不可避免地存在由a/d采样保持、控制算法运算、pwm调制更新以及通信传输等环节叠加而成的系统总时延。

2、该系统总时延的存在，会在同步旋转坐标系下引入不可忽略的相位滞后，导致q轴电压出现稳态偏差。这一偏差不仅会降低锁相精度，还会作为扰动注入电流控制环，引发并网电流谐波，降低电能质量。特别是在弱电网工况下，电网阻抗与变流器输出阻抗的交互作用会被时延放大，极易诱发次同步振荡，严重威胁并网系统的稳定性，甚至导致变流器脱网。

3、针对上述时延问题，现有技术主要采取以下两类补偿或抑制策略：

4、1.固定时延前馈补偿：该方法基于标称的控制周期，预设一个固定的时延值进行相位补偿。然而，实际系统中的运算负载是动态波动的（例如，随着投入的控制功能增多，dsp运算时间会延长），且开关频率也可能调整，这导致系统总时延并非恒定值。固定补偿策略无法适应时变的系统时延，一旦实际时延偏离预设值，补偿效果将大打折扣甚至产生负作用。

5、2.基于模型的参数辨识：部分方案尝试通过建立系统模型来辨识时延参数。然而，现有的辨识方法多基于单步预测模型，仅利用当前时刻与下一时刻的电压信息进行计算。这种单步预测方式对采样噪声和电网背景谐波极为敏感，数据利用率低，导致辨识出的时延值抖动剧烈、精度不足。此外，现有方案往往缺乏专门的观测器结构与滚动优化机制来平滑辨识结果，难以在动态响应速度与稳态精度之间取得平衡。

6、综上所述，现有技术存在无法在线实时辨识时变系统总时延、单步预测模型辨识精度低且稳定性差、动态相位补偿效果不佳以及难以适应强/弱电网复杂工况等缺点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多步时延估计锁相方法、装置、设备及介质，以改善上述问题。

2、本发明提供一种基于多步时延估计锁相方法，包括：

3、s1、三相电压采集与坐标变换：实时采集三相电网电压，采用积分递推方式生成未补偿同步相位，经坐标变换得到同步旋转坐标系下的d、q轴实际电压，以q轴实际电压作为时延偏差观测输入量；

4、s2、建立含系统时延的电网电压离散多步预测模型：将数字控制总时延作为待辨识参数，建立q轴分量的离散表达式，并基于该离散表达式构建n步滚动预测模型，依次预测未来n个时刻的q轴电压预测值；

5、s3、搭建多步时延观测器：以所述q轴实际电压值与所述q轴电压预测值之间的误差作为观测器输入，以数字控制总时延和实时角频率作为待辨识状态量，搭建多步时延观测器；所述观测器通过优化滚动时域滤除谐波扰动，具体包括：构建兼顾q轴跟踪误差、时延平稳性与角频率平滑性的代价函数，在有限时域内滚动求解使所述代价函数最小化的最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值，并对所述最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值施加上下限约束以避免无意义辨识结果；

6、s4、相位滞后补偿角计算：利用所述最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值，相乘得到相位滞后补偿角；

7、s5、基础锁相相位更新：利用所述最优实时角频率估计值，通过积分递推更新基础锁相相位；

8、s6、精准同步相位合成与输出：将所述相位滞后补偿角与所述基础锁相相位叠加，得到精准同步相位，用于同步控制输出；并将所述最优数字控制总时延估计值反馈至s2，将所述最优实时角频率估计值反馈至s4进行下一周期的锁相。

9、作为本发明的一种改进，s1中，三相电压采集与坐标变换具体步骤为：实时采集三相电网电压，经clark变换得到两相静止坐标系下的电压；采用积分递推方式生成未补偿同步相位，基于所述未补偿同步相位，通过park变换将所述两相静止坐标系下的电压变换为同步旋转坐标系下的d轴实际电压和q轴实际电压。

10、作为本发明的一种改进，s2中，所述q轴分量的离散表达式基于所述d、q轴实际电压建立，该表达式表征了q轴电压与电网电压幅值、实时角频率估计值、采样周期以及作为待辨识参数的数字控制总时延估计值之间的正弦函数关系；

11、所述n步滚动预测模型构建方式为：基于k时刻的数字控制总时延估计值、实时角频率估计值和电网电压幅值，利用所述正弦函数关系递推预测未来n个控制周期内的q轴电压预测值；其中，k为当前采样时刻的索引，n为滚动预测的步数，且取值范围为3至10。

12、作为本发明的一种改进，s3中，多步时延观测器采用递推更新规则，包括：

13、每完成一次n步滚动预测后，计算多步预测平均误差，所述多步预测平均误差表征了未来n个时刻的q轴电压实际采样值与预测值之间的偏差累积；

14、基于所述多步预测平均误差、实时角频率估计值和电网电压幅值，通过时延观测方程计算得到数字控制总时延估计值；

15、利用所述数字控制总时延估计值迭代更新时延观测值，以适配动态变化的系统时延。

16、作为本发明的一种改进，s3中，所述代价函数包含三项指标，所述三项指标分别为：表征q轴无静差跟踪目标的指标，用于约束未来n步的q轴电压预测值趋近于零，以保证锁相精度；表征时延估计变化率的指标，用于抑制噪声引起的时延估计抖动；表征角频率平滑度的指标，用于适应电网频率的动态波动，防止因频率微小变化导致时延观测值出现非物理跳变；

17、其中，所述表征时延估计变化率的指标和所述表征角频率平滑度的指标分别配置有权重系数，所述权重系数的取值范围均为0.01至0.1；通过滚动优化算法求解使所述代价函数最小化的数字控制总时延估计值和实时角频率估计值，将其作为k时刻的最优估计值，以完成对观测值的迭代更新；所述通过滚动优化算法求解使所述代价函数最小化的数字控制总时延估计值和实时角频率估计值的过程中，还对所述总时延估计值和角频率估计值分别施加上下限约束，以保证物理意义合理性并提升优化求解的稳定性，具体为：所述总时延估计值的下限为0.5个采样周期，上限为2个采样周期；所述角频率估计值的下限为电网额定角频率的1-p倍，上限为电网额定角频率的1+p倍；其中，p为频率波动裕度百分比，取值范围为1%至3%。

18、作为本发明的一种改进，s5中，更新基础锁相相位的具体方式为：将k-1时刻的基础锁相相位与步长项相加，得到k时刻的基础锁相相位；其中，所述步长项为最优实时角频率估计值与采样周期的乘积。

19、作为本发明的一种改进，s6中，精准同步相位的合成及输出方式具体为：将k时刻的基础锁相相位与所述相位滞后补偿角叠加，得到k时刻的精准同步相位；利用所述精准同步相位进行反park变换及svpwm调制信号生成，以驱动逆变器功率管；将所述最优实时角频率估计值反馈至s4，将所述最优数字控制总时延估计值反馈至s2，用于参与下一控制周期的相位基准生成与时延估计。

20、本发明还提供一种基于多步时延估计的锁相装置，包括：

21、实际电压获取单元，用于实时采集三相电网电压，采用积分递推方式生成未补偿同步相位，经坐标变换得到同步旋转坐标系下的d、q轴实际电压，以q轴实际电压作为时延偏差观测输入量；

22、预测模型建立单元，用于将数字控制总时延作为待辨识参数，建立q轴分量的离散表达式，并基于该离散表达式构建n步滚动预测模型，依次预测未来n个时刻的q轴电压预测值；

23、时延观测器搭建单元，用于以所述q轴实际电压值与所述q轴电压预测值之间的误差作为观测器输入，以数字控制总时延和实时角频率作为待辨识状态量，搭建多步时延观测器；所述观测器通过优化滚动时域滤除谐波扰动，具体包括：构建兼顾q轴跟踪误差、时延平稳性与角频率平滑性的代价函数，在有限时域内滚动求解使所述代价函数最小化的最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值，并对所述最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值施加上下限约束以避免无意义辨识结果；

24、相位滞后补偿角计算单元，用于利用所述最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值，相乘得到相位滞后补偿角；

25、基础锁相相位更新单元，用于利用所述最优实时角频率估计值，通过积分递推更新基础锁相相位；

26、精准同步相位合成与输出单元，用于将所述相位滞后补偿角与所述基础锁相相位叠加，得到精准同步相位，用于同步控制输出；反馈所述最优数字控制总时延及所述最优实时角频率估计值至相位滞后补偿角计算单元进行下一周期的锁相。

27、本发明还提供一种基于多步时延估计的锁相设备，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的一种基于多步时延估计锁相方法。

28、本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如上述的一种基于多步时延估计锁相方法。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下几个方面的优点：

30、1. 本发明通过将数字控制总时延作为待辨识参数，搭建多步时延观测器，利用q轴实际电压与预测值之间的误差建立映射关系，在有限时域内滚动求解最优时延估计值，实现了系统总时延的在线实时辨识，无需预先标定或离线测量，能够自适应跟踪时延的动态变化，解决了现有技术无法在线实时辨识时变系统总时延的问题。

31、2. 本发明建立了含系统时延的q轴电压离散表达式，并在此基础上构建n步滚动预测模型，对未来多个控制周期的q轴电压进行前瞻性预测，相比传统单步预测方法，有效克服了单步预测对噪声敏感、估计波动大的缺陷，提升了辨识精度和稳定性。

32、3. 本发明通过最优数字控制总时延估计值和最优实时角频率估计值计算相位滞后补偿角，并将其与基础锁相相位叠加得到精准同步相位，实现了对数字控制链路中采样、计算、调制等环节引入的总时延的精确补偿，有效消除了因控制时延导致的锁相滞后误差，解决了现有技术动态相位补偿效果不佳的问题。

33、4. 本发明在滚动优化过程中构建了兼顾q轴跟踪误差、时延平稳性与角频率平滑性的多目标代价函数，并对估计值施加上下限约束，将辨识结果限制在物理合理范围内，既保证了锁相精度，又有效抑制了噪声引起的估计抖动和非物理跳变，增强了算法在强/弱电网等复杂工况下的适应性和抗干扰能力。