《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》是合肥科威爾電源系統有限公司於2018年11月26日申請的專利，該專利申請號：2018114183133，專利公布號：CN109659983A，專利公布日：2019年4月19日，發明人是：趙濤。
《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》公開了一種基於IDFT的軟體鎖相環方法及裝置，採樣非理想三相系統的電壓信號，將三相電網電壓由abc靜止坐標系轉經clarke變換到αβ靜止坐標系下，經IDFT提取電壓基波正序信號，將αβ靜止坐標系下的電壓信號經park變換至dq同步旋轉坐標系下；經PI控制器得到電壓基波正序信號角頻率；裝置包括：採樣單元、鎖相環單元、閉環控制單元、正弦脈寬調製單元、驅動單元、NPC三電平逆變器。該發明方法可以在兩相靜止坐標系下濾除非理想電網電壓信號中諧波分量、負序分量和直流分量，鎖相環參數設計簡單，鎖相精度高。
2021年8月16日，《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置
- 公布號：CN109659983A
- 公布日：2019年4月19日
- 申請號：2018114183133
- 申請日：2018年11月26日
- 申請人：合肥科威爾電源系統有限公司
- 地址：安徽省合肥市高新區望江西路4715號滬浦工業園2棟
- 發明人：趙濤
- Int.Cl.：H02J3/44(2006.01)I
- 專利代理機構：合肥天明專利事務所
- 代理人：婁岳
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在新能源套用領域中，與基準信號同步是很重要的，例如分散式發電中，連線電網的轉換器通常必須與公用電網的相位和頻率同步。鎖相環（Phase Locked Loop—PLL）可以用於與信號同步。例如，單同步坐標系軟體鎖相環（Single Synchronous Reference FrameSoftware Phase Lock Loop—SSRF-PLL）是廣泛使用的PLL技術，其能夠檢測基準信號的相角和頻率。在一定條件下，SSRF-PLL可以快速而又精確的檢測到基準信號的相角、基頻和幅值。如果基準信號由於低次諧波而失真，可以通過減小SSRF-PLL反饋環節的頻寬而抑制和消除這些諧波對輸出的影響。然而在某些情況下，由於PLL的回響速度也因此會減小，所以減小PLL頻寬可能是不可接受的解決方案。此外，基準信號的不平衡也會對基於SSRF-PLL方法的設計產生影響。截至2018年11月，基於雙同步坐標系的解耦軟體鎖相環（Decoupled Double SynchronousReference Frame Software Phase Locked Loop—DDSRF-PLL），基於雙二階廣義積分器的軟體鎖相環（Double Second Order Generalized Integrator Software Phase LockedLoop—DSOGI-SPLL），是基於SSRF-PLL而設計的改進鎖相環，是2018年11月以前套用於非理想電網最為廣泛的兩種軟體鎖相環，但這兩種鎖相環對低次諧波濾除效果不是很理想，如果改善鎖相環對低次諧波的濾除作用，其動態回響時間將會變長。基於級聯延時信號消除法的軟體鎖相環（Cascade Delayed Signal Cancellation Software Phase Locked Loop—CDSC-SPLL），在SSRF-PLL鎖相環基礎上套用級聯延時消去法濾除所有諧波分量，從而提取電壓正序分量用以鎖定電網基波相位和頻率，但是在數字系統中信號不連續，延時信號誤差不可避免，可以採用加權平均值等算法減少誤差，但五級模組需要分別計算，計算量大。
發明內容
專利目的
《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》的目的在於提供一種基於IDFT的軟體鎖相環（Inverse Discrete FourierTransform Software Phase Locked Loop—IDFT-SPLL），在電網電壓出現不平衡、諧波畸變、頻率突變及相位突變等故障時，能夠準確而快速的排除故障影響，重新鎖定電網電壓信號的相位角和角頻率。
技術方案
《一種基於IDFT的軟體鎖相環實現裝置》具體步驟包括：S1、採樣非理想三相系統的電壓信號ua、ub、uc，利用clark變換將信號轉換到αβ靜止坐標系下的電壓信號uα、uβ；S2、經IDFT1-SPLL檢測工作電壓頻率值，檢測步驟為：a、uα、uβ經IDFT1提取準電壓正序信號uα′、uβ′；b、通過park變換將準電壓正序信號uα′、uβ′轉換至同步旋轉坐標系下的電壓信號ud′、uq′；c、uq′經PI控制器得到準電壓正序信號角頻率ωf；d、ωf經積分環節得到準電壓正序信號相位角θ，用於反饋至步驟b中進行park變換完成閉環鎖相；e、將得到的準電壓正序信號角頻率ωf經低通濾波器濾波後求取出工頻周期採樣個數K，傳遞給IDFT2，用於實現頻率自適應濾波。S3、經IDFT2-SPLL檢測工作電壓相位角，檢測步驟為：a、uα、uβ經IDFT2提取電壓基波正序信號uα+、uβ+；b、通過park變換將電壓基波正序信號uα+、uβ+轉換至同步旋轉坐標系下的電壓信號ud+、uq+；c、uq+經PI控制器得到電壓基波正序信號角頻率；d、電壓基波正序信號角頻率經積分環節得到電壓基波正序信號相位角θo。e、將電壓基波正序信號相位角θo反饋至S3的步驟b中的park變換完成閉環鎖相。進一步地，所述的非理想三相系統的電壓信號ua、ub、uc，具體如下：非理想三相系統的電壓信號由基波正序分量和多種頻率分量組成，其函式表達式為：
式中，
為電網電壓基波正序分量的電壓幅值，Un為電網電壓n次諧波的電壓幅值，φ1和φn分別為電網電壓基波正序分量的初始相位角和電網電壓n次諧波的初始相位角，ω為電網電壓頻率。進一步地，所述的有限離散傅立葉逆變換1即IDFT1，提取電壓信號uα′、uβ′，具體如下：
所述的有限離散傅立葉逆變換2即IDFT2提取電網電壓信號uα、uβ，具體如下：
式中，K為工頻周期採樣個數，uαβ（n-k）表示第n-k周期αβ軸輸入值。進一步地，將得到的準電壓基波正序信號角頻率ωf，經低通濾波器獲得電壓基波角頻率ωo，經運算可以得到工頻周期採樣個數K，具體表達式如下
式中，ωo為工作電壓角頻率，Ts為採樣周期。
《一種基於IDFT的軟體鎖相環實現裝置》包括：NPC三電平逆變器，用於接入電網作為系統主電路；採樣單元，用於採集電網的電壓及電流信號；鎖相環單元，用於鎖定所述採樣單元採集的電網電壓；閉環控制單元，用於將所述採集單元採集的電網電流與鎖相環單元產生的θ，通過電流閉環控制算法，產生調製信號；正弦脈寬調製單元，調製信號與三角載波比較，用於根據調製信號，產生對應的脈衝信號；驅動單元，用於將脈衝信號轉換成電平並驅動電路運行。進一步地，所述鎖相環單元包括雙鎖相環結構IDFT1-SPLL和IDFT2-SPLL，其中：頻率檢測模組IDFT1-SPLL，用於鎖定電網頻率；相位檢測模組IDFT2-SPLL，用於鎖定電網相位。進一步地，所述閉環控制單元，包括：電流信號轉換模組，用於將三相電流信號ia、ib、ic經clarke、park變換至同步旋轉坐標系id、iq；PI控制模組，用於將同步旋轉坐標系下的id、iq信號與給定信號做差後進入PI控制器，獲得dq軸調製信號id′、iq′。調製信號生成模組，將id′、iq′經ipark、iclarke變換獲得調製信號ua′、ub′、uc′。
改善效果
（1）採用IDFT結構，可以在αβ靜止坐標系下完全濾除非理想電網電壓信號中諧波分量、負序分量和直流分量；
（2）在電網電壓出現不平衡、諧波畸變、頻率突變及相位突變等故障時，能夠準確快速的排除故障影響，重新鎖定電網電壓信號的相位角和頻率；
（3）IDFT通過公式簡化，計算量得到了精簡，更容易數字實現。
附圖說明
圖1為《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》基於IDFT的軟體鎖相環的示意圖；
圖2為《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》中IDFT的伯德圖，（a）為IDFT1的伯德圖，（b）為IDFT2的伯德圖；
圖3為《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》中IDFT1-SPLL（a）和IDFT2-SPLL（b）的示意圖；
圖4為電網電壓不平衡時鎖相環的仿真波形圖；
圖5為向電網電壓中加入諧波時鎖相環的仿真波形圖；
圖6為電網電壓頻率突變時鎖相環的仿真波形圖；
圖7為電網電壓相位突變時鎖相環的仿真波形圖；
圖8為電網電壓三相跌落時鎖相環的仿真波形圖；
圖9為單相接地故障時鎖相環的仿真波形圖；
圖10為頻率突變伴隨諧波干擾故障時鎖相環的仿真波形圖；
圖11為《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》基於IDFT的軟體鎖相環實現裝置的結構示意圖。
技術領域
《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》涉及電力電子變換技術領域，特別是一種基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置。
權利要求
1.《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》的特徵在於，包括如下步驟：S1、採樣非理想三相系統的電壓信號ua、ub、uc，利用clark變換將信號轉換到αβ靜止坐標系中的電壓信號uα、uβ；S2、經IDFT1-SPLL檢測工作電壓頻率值，檢測步驟為：S21、uα、uβ經IDFT1提取準電壓基波正序信號uα′、uβ′；S22、通過park變換將準電壓基波正序信號uα′、uβ′轉換至dq同步旋轉坐標系下的電壓信號ud′、uq′；S23、uq′經PI控制器得到準電壓基波正序信號角頻率ωf；S24、ωf經積分環節得到準電壓基波正序信號相位角θ，用於反饋至步驟S22中進行park變換完成閉環鎖相；S25、將得到的準電壓基波正序信號角頻率ωf經低通濾波器濾波後求出工頻周期採樣個數K，傳遞給IDFT2，用於實現頻率自適應濾波；S3、經IDFT2-SPLL檢測工作電壓相位角，檢測步驟為：S31、uα、uβ經IDFT2，並結合工頻周期採樣個數K提取電壓基波正序信號uα+、uβ+；S32、通過park變換將電壓基波正序信號uα+、uβ+轉換至dq同步旋轉坐標系下的電壓信號ud+、uq+；S33、uq+經PI控制器得到工作電壓角頻率ωo；S34、電壓基波正序信號角頻率經積分環節得到電壓基波正序信號相位角θo，反饋至步驟S32用於park變換完成閉環鎖相。
2.根據權利要求1所述的基於IDFT的軟體鎖相環實現方法，其特徵在於，所述非理想三相系統的電壓信號ua、ub、uc由基波正負序分量和多種頻率的分量組成，其函式表達式為： 
式中，為電網電壓基波正序分量的電壓幅值，Un為電網電壓n次諧波的電壓幅值，φ1和φn分別為電網電壓基波正序分量的初始相位角和電網電壓n次諧波的初始相位角，ω為電網電壓基波角頻率。
3.根據權利要求1所述的基於IDFT的軟體鎖相環實現方法，其特徵在於，軟體鎖相環實現採用雙鎖相環結構；其中IDFT1提取準電網電壓基波正序信號uα′、uβ′，具體表達式如下：
4.根據權利要求1所述的基於IDFT的軟體鎖相環，其特徵在於，步驟S25中，工頻周期採樣個數K的求解公式為：式中ωo為工作電壓角頻率，Ts為採樣周期。
5.《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》的特徵在於，包括：NPC三電平逆變器，用於接入電網作為系統主電路；採樣單元，用於採集電網的電壓及電流信號；鎖相環單元，用於鎖定所述採樣單元採集的電網電壓；閉環控制單元，用於將所述採集單元採集的電網電流與鎖相環單元產生的θ，通過電流閉環控制算法，產生調製信號；正弦脈寬調製單元，調製信號與三角載波比較，產生對應的脈衝信號；驅動單元，用於將脈衝信號轉換成電平並驅動電路運行。
6.根據權利要求5所述的基於IDFT的軟體鎖相環實現裝置，其特徵在於，所述鎖相環單元包括雙鎖相環結構IDFT1-SPLL和IDFT2-SPLL，其中IDFT1-SPLL用於檢測電網頻率信號，IDFT2-SPLL用於檢測電網相位。
7.根據權利要求5所述的基於IDFT的軟體鎖相環實現裝置，其特徵在於，所述閉環控制單元，包括：電流信號轉換模組，用於將三相電流信號ia、ib、ic經clarke、park變換至同步旋轉坐標系id、iq；PI控制模組，用於將同步旋轉坐標系下的id、iq信號與目標電流做差後進入PI控制器，獲得dq軸調製信號id′、iq′。調製信號生成模組，將id′、iq′經ipark、iclarke變換獲得調製信號ua′、ub′、uc′。
實施方式
《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》基於IDFT的軟體鎖相環，套用IDFT1提取非理想電網電壓信號中的準正序信號，經比例積分控制器得到準正序信號的角頻率，然後經過積分環節得到準正序信號的相位角，再經過數值運算得到工作電壓信號的工頻周期採樣個數K，套用IDFT2提取非理想電網電壓信號中的正序信號，經比例積分控制器得到正序信號的角頻率，然後經過積分環節得到正序信號的相位角，具體如下：一種基於IDFT的軟體鎖相環實現方法，包括：採樣非理想三相系統的電壓信號ua、ub、uc，利用clark變換將信號轉換到αβ靜止坐標系下的電壓信號uα、uβ；經IDFT1-SPLL檢測工作電壓頻率值，檢測步驟為：a、uα、uβ經IDFT1提取準電壓正序信號uα′、uβ′；b、通過park變換將準電壓正序信號uα′、uβ′轉換至同步旋轉坐標系下的電壓信號ud′、uq′；c、uq′經PI控制器得到準電壓正序信號角頻率ωf；d、ωf經積分環節得到準電壓正序信號相位角θ，用於反饋至步驟S22中進行park變換；；e、將得到的準電壓正序信號角頻率ωf經低通濾波器濾波後求取出工頻周期採樣個數K，傳遞給IDFT2，用於實現頻率自適應濾波。經IDFT2-SPLL檢測工作電壓相位角，檢測步驟為：a、uα、uβ經IDFT2提取電壓基波正序信號uα、uβ；b、通過park變換將電壓基波正序信號uα、uβ轉換至同步旋轉坐標系下的電壓信號ud、uq；c、uq經PI控制器得到電壓基波正序信號角頻率；d、電壓基波正序信號角頻率經積分環節得到電壓基波正序信號相位角θo。e、將電壓基波正序信號相位角θo反饋至步驟b中的park變換完成閉環鎖相。進一步地，所述的非理想三相系統的電壓信號ua、ub、uc，具體如下：非理想三相系統的電壓信號由基波正序分量和多種頻率的分量組成，其函式表達式為：
式中，U1為電網電壓基波正序分量的電壓幅值，Un為電網電壓n次諧波的電壓幅值，φ1和φn分別為電網電壓基波正序分量的初始相位角和電網電壓n次諧波的初始相位角，ω為電網電壓頻率。進一步地，所述的有限離散傅立葉逆變換1即IDFT1提取準電網電壓基波正序信號uα′、uβ′，具體如下：
進一步地，將得到的準電壓基波正序信號角頻率ωf，經一階數字低通濾波器獲得壓基波角頻率ωo，經運算可以得到工頻周期採樣個數K：式中ωo為工作電壓角頻率，Ts為採樣周期。低通濾波器也可以是高階的。《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》還提供一種基於IDFT的軟體鎖相環實現裝置，參照圖11，其包括：NPC三電平逆變器，用於接入電網作為系統主電路；採樣單元，用於採集電網的電壓及電流信號；鎖相環單元，用於鎖定所述採樣單元採集的電網電壓；閉環控制單元，用於將所述採集單元採集的電網電流與鎖相環單元產生的θ通過電流閉環控制算法，產生調製信號；正弦脈寬調製單元，根據調製信號與三角載波比較，產生對應的脈衝信號；驅動單元，用於將脈衝信號轉換成電平並驅動電路運行。進一步地，所述鎖相環單元，包括：頻率檢測模組，用於鎖定電網頻率；相位檢測模組，用於鎖定電網相位；進一步地，所述閉環控制單元，包括：電流信號轉換模組，將三相電流信號ia、ib、ic經clarke、park變換至同步旋轉坐標系id、iq；PI控制模組，將同步旋轉坐標系下的id、iq信號與給定信號做差後進入PI控制器，獲得dq軸調製信號id′、iq′。調製信號生成模組，id′、iq′經ipark、iclarke變換獲得調製信號ua′、ub′、uc′。下面結合附圖及具體實施例對《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》做進一步詳細說明。實施例1該實施例基於IDFT的軟體鎖相環實現方法，包括以下步驟：步驟1、結合附圖1，圖3，在第n個開關周期，將電壓信號ua（n）、ub（n）、uc（n）通過clark變換轉換到αβ靜止坐標系下，得到uα（n）、uβ（n），轉換公式如下：
式中，ua（n）為第n開關周期A相電壓採樣信號，ub（n）為第n開關周期B相電壓採樣信號，uc（n）為第n開關周期C相電壓採樣信號。步驟2、將uα（n）、uβ（n）經離散傅立葉反變換1（Inverse Discrete FourierTransform 1，IDFT1）提取準基波正序信號uα′（n）、uβ′（n）；將uα（n）、uβ（n）經離散傅立葉反變換2（Inverse Discrete Fourier Transform 2，IDFT2）提取準基波正序信號uα′（n）、uβ′（n）；IDFT1傳遞函式如下：
式中，uα（k）表示第k周期α軸輸入值，uβ（k）表示第k周期β軸輸入值,uα′（k）為第k周期α軸輸出值，uβ′（k）為第k周期β軸輸出值；IDFT2傳遞函式如下：式中，K為工頻周期採樣個數，uα（k）表示第k周期α軸輸入值，uβ（k）表示第k周期β軸輸入值,uα（k）為第k周期α軸輸出值，uβ（k）為第k周期β軸輸出值；步驟3、將uα′（n）、uβ′（n）經Park變換至同步旋轉坐標系下,得到ud′（n）、uq′（n）；將uα（n）、uβ（n）經Park變換至同步旋轉坐標系下,得到ud（n）、uq（n），轉換公式如下：
IDFT1中Park變換公式：
IDFT2中Park變換公式：
式中，θo、θ為步驟4所得相位角，uα（n）、uβ（n）為IDFT1中Park變換αβ軸輸入，uα′（n）、uβ′（n）為IDFT2中Park變換αβ軸輸入。步驟4、將uq′（n）通過PI控制器和積分器得到準基波正序信號相位角θ和角頻率ωf，將uq（n）通過PI控制器和積分器得到基波正序信號相位角θo。步驟5、將步驟4得到的準基波正序信號的角頻率ωf，經一階數字濾波後得到基波角頻率ωo，經數值運算得到工頻周期採樣數K，數值運算公式如下：式中ωo為工作電壓角頻率，Ts為採樣周期。該實施例採用PLECS搭建鎖相環仿真模型。各項參數如表1所示。該實施例共驗證了七種非理想電網狀態，其中圖4為電網電壓跌落，其中A相跌落至90％，B相幅值跌落80％，C相幅值跌落60％；圖5為電網電壓諧波干擾，向電網電壓注入幅值為基波幅值10％的五次負序諧波，10％的七次正序諧波，5％的十一次負序諧波，5％的十三次正序諧波；圖6為電網電壓頻率突變，角頻率由50×2πrad/s突變至45×2πrad/s；圖7為電網電壓相位突變，相位突變0.1πrad；圖8為電網電壓三相平衡跌落仿真波形，幅值跌落50％；圖9為A相全跌落仿真波形；圖10為圖5和圖6中條件的疊加。採用DSOGI-SPLL，IDFT-SPLL兩種鎖相環進行仿真對比，鎖相環參數設定相同。由仿真結果可以看出，IDFT-SPLL在電網電壓出現不平衡、諧波畸變、頻率突變及相位突變等非理想電網條件下，具有較好的抗干擾能力，快速的動態回響；由仿真圖5可知，相對於DSOGI-SPLL，IDFT-SPLL能很好的濾除低次諧波，鎖相更精準。
表1
榮譽表彰
2021年8月16日，《基於IDFT的軟體鎖相環實現方法及裝置》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
