一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环的制作方法

技术特征：
1.一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环,其特征在于，包括：正交信号产生模块(1)、正交信号处理模块(2)、相角估计模块(3)；其中，所述正交信号产生模块(1)产生一个与输入信号正交的信号，然后将输入信号和该正交信号都输入到正交信号处理模块(2)中；正交信号处理模块(2)的输入信号是原始输入信号和正交信号产生模块(1)的输出信号；相角估计模块(3)由pi控制和积分模块组成；相角估计模块(3)的输入信号是正交信号处理模块(2)的输出信号，相角输出模块中经pi控制处理过的信号送入正交信号产生模块(1)，相角输出模块的输出信号送入正交信号处理模块(2)。2.根据权利要求1所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，本单相锁相环的正交信号产生模块(1)与正交信号处理模块(2)，用以消除锁相环稳态时二倍频分量对锁相结果的影响，同时保证了锁相环动态响应的性能。3.根据权利要求1所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，本单相锁相环用于非理想电网条件下的相位在线估计。4.根据权利要求1所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，正交信号产生模块(1)，也可称为正交信号发生模块，由子模块：延时模块(1.01)、加法器一(1.02)、除法器(1.03)、乘法器一(1.04)、三角函数计算模块一(1.05)、三角函数计算模块二(1.06)和增益模块(1.07)构成；延时模块(1.01)为延时t\4模块，可使输入信号采样实现延迟t\4的功能，延时模块(1.01)也可称为延迟信号环节；三角函数计算模块一(1.05)和三角函数计算模块二(1.06)，均可以输出对应于输入的三角函数数值；增益模块(1.07)的增益为t\4；输入信号v
i
经延时模块(1.01)输出信号v
β
，使用输入信号v
i
、信号v
β
、由相角估计模块(3)中的反馈信号δω
o
通过加法器一(1.02)、除法器(1.03)、乘法器一(1.04)、三角函数计算模块一(1.05)、三角函数计算模块二(1.06)和增益模块(1.07)产生信号v
c
，具体地：其中，为输入的电网电压信号，输入电网电压信号相位为v
i
为电压幅值、ω
i
为信号角频率、t为时间、为初相角；ω
n
为额定状态下的电网频率、δω
o
＝ω
o
‑
ω
n
为输入角频率的估计值与正常电网角频率的差值、t为额定频率时信号的周期；v
β
(t)为输入电网电压信号v
i
(t)延迟个周期得到的信号，v
c
(t)为与输入信号正交的信号；然后将信号v
i
、v
a
、v
c
作为正交信号产生模块(1)，也可称为正交信号发生模块的输出；此处v
i
＝v
a
。5.根据权利要求1或4所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，正交信号处理模块(2)由子模块：矩阵变换模块(2.01)、三角函数计算模块三(2.02)、三角函数计算模块四(2.03)、加法器二(2.04)构成；
矩阵变换模块(2.01)实现以下的数学功能：x
α
为电网电压的输入信号；x
β
为正交信号产生模块的输出信号；x
d
为矩阵运算的的输出量1，作为加法器二(2.04)的输入量；x
q
为矩阵运算的输出量2，作为加法器二(2.04)的输入量2；θ为矩阵变换的角度输入，使用相角估计模块的输出作为θ；三角函数计算模块三(2.02)和三角函数计算模块四(2.03)均可以输出对应于输入的三角函数数值；将正交信号产生模块(1)的输出信号v
a
、v
c
输入到矩阵变换模块中进行变换得v
d
、v
q
；然后将信号v
d
、v
q
通过加法器二(2.04)相加，得正交信号处理模块(2)的输出值v
dq
。6.根据权利要求1、4或5所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，相角估计模块(3)由子模块：比例积分控制器的比例放大模块(3.01)、比例积分控制器的积分模块(3.02)、加法器三(3.03)、加法器四(3.04)、积分模块二(3.05)构成；正交信号处理模块(2)的输出信号v
dq
通过比例积分控制器的积分模块(3.02)生成角频率偏差估计值δω
o
；将电网额定频率ω
nf
与比例积分控制器的积分模块(3.02)输出得到加法器三(3.03)的输出信号，然后将加法器三(3.03)生成的信号与v
dq
经比例积分控制器的比例放大模块(3.01)计算后的结果通过加法器四(3.04)和积分模块二(3.05)进行计算，得到输入信号的相角估计值θ
o
；最后，将θ
o
和δω
o
作为反馈量分别输入到正交信号产生模块(1)和正交信号处理模块(2)中。7.根据权利要求4、5或6任一所述的消除二倍频分量影响的单相锁相环，其特征在于，将输入信号v
i
、相角估计模块(3)中计算得到信号δω
o
共同输入正交信号产生模块(1)进行计算，从而得到两个互相正交的信号v
a
、v
c
；其中，输入电压信号端v
i
与延时模块(1.01)、乘法器一(1.04)、输出端v
a
相连接；相角估计模块(3)输出端输出δω
o
到正交信号产生模块(1)的输入端；正交信号产生模块(1)的输出信号v
a
、v
c
与正交信号处理模块(2)的输入端相连接；相角估计模块(3)的输出端得到的输出相角估计值θ
o
送往正交信号处理模块(2)中；正交信号处理模块(2)输出的值为鉴频信号v
pq
；正交信号处理模块(2)的输出值v
pq
与相角估计模块(3)的输入端相连，经计算得到相应的输出值θ
o
和反馈值δω
o
。8.根据权利要求1所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，正交的信号，是在任意频率下与输入电网电压信号都正交的信号；获得该任意频率下与输入电网电压信号都正交的信号的具体过程为：使用了相角估计模块(3)中积分器的输出量作为反馈，构建一个正交信号的修正单元；用一个正交修正环节对信号的正交性进行修正；使用相角估计模块(3)中经过积分模块得到的δω0输入到正交信号产生模块(1)中，然后使用数学处理得到与输入信号v
i
(t)正交的信号v
c
(t)。9.根据权利要求1所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，正交信号处理模块(2)起到消除二倍频分量影响的功能，其处理正交信号的具体过程为：使用dq变换处理输入的一组正交信号，然后将变换后的d轴分量和q轴分量相加，提升锁相环的
动态响应性能；具体地，dq变换模块按照如下数学公式进行变换：x
α
为电网电压的输入信号；x
β
为正交信号产生模块的输出信号；x
d
为矩阵运算的的输出量1，作为加法器二(2.04)的输入量；x
q
为矩阵运算的输出量2，作为加法器二(2.04)的输入量2；θ为矩阵变换的角度输入，使用相角估计模块的输出作为θ。10.根据权利要求1所述的一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，其特征在于，只有正交信号处理模块(2)负责消除二倍频分量；相角估计模块(3)使用下列公式对锁相环中的k
p
、k
i
参数进行选择：根据工程需求选择阻尼系数ζ和锁相环的工作带宽ω
n
给出比例积分器中合适的k
p
、k
i
参数；其中，参数k
p
和k
i
是相角估计模块(3)中比例积分控制器的参数；k
p
是比例放大环节的增益参数，用于实现对输入信号的比例放大的功能；k
i
是积分环节的增益参数，用于实现的对输入信号进行积分后的比例放大功能。

技术总结
本发明公开了一种基于正交信号发生的单相电压软锁相环，包括正交信号产生模块、正交信号处理模块相角估计模块。所述正交信号产生模块产生一个与输入信号正交的信号，然后将输入信号和该正交信号都输入到正交信号处理模块中；正交信号模块的输入信号是原始输入信号和正交信号产生模块的输出信号；相角估计模块的输入信号是正交信号处理模块的输出信号，相角输出模块处理过的信号送入正交信号产生模块，相角输出模块的输出信号送入正交信号处理模块。本发明的锁相环设计了正交信号产生模块与处理模块，达到了消除锁相环稳态时二倍频分量对锁相结果的影响，同时保证了锁相环动态响应的性能。本发明用于非理想电网条件下相位和频率的在线准确估计。频率的在线准确估计。频率的在线准确估计。


技术研发人员：袁莉芬 安定国 何怡刚 李兵 佐磊 尹柏强
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2021.06.15
技术公布日：2021/10/23