[发明专利]基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法

权利要求书

1.一种基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环的构造方法，所述基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环适用于三相系统；其特征在于，对于三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号，首先通过坐标变换器得到两相静止坐标系下的一组两相信号，然后利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、多个坐标变换器组成的滤波模块滤除两相信号中的二次谐波信号，并产生滤波模块的输出作为锁相模块的输入，再利用锁相模块处理滤波模块的输出信号，完成锁相环的构造，具体的，包括以下步骤：

步骤1，通过采样，获得三相系统中三相静止坐标系下的任一组三相信号u_a，u_b，u_c，然后利用坐标变换器进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的一组两相信号并分别记为超前相量信号u_α和滞后相量信号u_β；

步骤2，利用由两个二阶滤波器组、两个一阶低通滤波器组、多个坐标变换器组成的滤波模块对步骤1得到的超前相量信号u_α和滞后相量信号u_β进行滤波；

所述两个一阶低通滤波器组分别记为一阶低通滤波器组A和一阶低通滤波器组B，其中，一阶低通滤波器组A和一阶低通滤波器组B中各包括两个一阶低通滤波器，且四个一阶低通滤波器相同，将该一阶低通滤波器的传递函数记为G_LPF，其中，s为拉普拉斯算子，k₁为截止频率系数，ω₀为滤波频率基准值；

所述两个二阶滤波器组分别记为二阶滤波器组A和二阶滤波器组B，其中，每一个二阶滤波器组中包括四个二阶滤波器，所述四个二阶滤波器分别记为二阶滤波器1，二阶滤波器2，二阶滤波器3和二阶滤波器4，二阶滤波器1与二阶滤波器2的传递函数相同，将它们的传递函数其记为G_R，二阶滤波器3的传递函数与二阶滤波器4的传递函数相同，将它们的传递函数记为G_I，k₂为二阶滤波环节的滤波参数，g₂为二阶滤波环节的阻尼参数；

步骤2.1，根据步骤1得到的超前相量信号u_α和滞后相量信号u_β计算得到超前基频正序误差信号超前基频负序误差信号超前二次正序谐波误差信号超前二次负序谐波误差信号滞后基频正序误差信号滞后基频负序误差信号滞后二次正序谐波误差信号滞后二次负序谐波误差信号其计算式分别如下：

式中，为上一拍的超前基频正序估计信号、为上一拍的超前基频负序估计信号、为上一拍的超前二次正序谐波估计信号、为上一拍的超前二次负序谐波估计信号、为上一拍的滞后基频正序估计信号、为上一拍的滞后基频负序估计信号、为上一拍的滞后二次正序谐波估计信号、为上一拍的滞后二次负序谐波估计信号；

步骤2.2，利用坐标变换器对超前基频正序误差信号和滞后基频正序误差信号进行坐标变换，得到静止超前基频正序误差信号和静止滞后基频正序误差信号其坐标变换公式如下：

其中，θ’_est为上一拍的相角估计值；

将静止超前基频正序误差信号和静止滞后基频正序误差信号分别作为一阶低通滤波器组A中两个一阶低通滤波器的输入，输出分别为静止超前基频正序估计信号和静止滞后基频正序估计信号其表达式为：

利用坐标变换器对静止超前基频正序估计信号和静止滞后基频正序估计信号进行坐标变换，得到超前基频正序估计信号和滞后基频正序估计信号其坐标变换公式如下：

步骤2.3，利用坐标变换器对超前基频负序误差信号和滞后基频负序误差信号进行坐标变换，得到静止超前基频负序误差信号和静止滞后基频负序误差信号其坐标变换公式如下：

将静止超前基频负序误差信号和静止滞后基频负序误差信号分别作为一阶低通滤波器组B中两个一阶低通滤波器的输入，输出分别为静止超前基频负序估计信号和静止滞后基频负序估计信号其表达式为：

利用坐标变换器对静止超前基频负序估计信号和静止滞后基频负序估计信号进行坐标变换，得到超前基频负序估计信号和滞后基频负序估计信号其坐标变换公式如下：

步骤2.4，利用坐标变换器对超前二次正序谐波误差信号和滞后二次正序谐波误差信号进行坐标变换，得到静止超前二次正序谐波误差信号和静止滞后二次正序谐波误差信号其坐标变换公式如下：

将静止超前二次正序谐波误差信号作为二阶滤波器组A中的二阶滤波器1的输入，得到输出，记为第一二阶滤波信号将静止滞后二次正序谐波误差信号作为二阶滤波器组A中的二阶滤波器3的输入，得到输出，记为第二二阶滤波信号将第一二阶滤波信号减去第二二阶滤波信号得到静止超前二次正序谐波估计信号将静止滞后二次正序谐波误差信号作为二阶滤波器组A中的二阶滤波器2的输入，得到输出，记为第三二阶滤波信号将超前二次正序谐波误差信号作为二阶滤波器组A中的二阶滤波器4的输入，得到输出，记为第四二阶滤波信号将第三二阶滤波信号加上第四二阶滤波信号得到静止滞后二次正序谐波估计信号其表达式为：

利用坐标变换器对静止超前二次正序谐波估计信号和静止滞后二次正序谐波估计信号进行坐标变换，得到超前二次正序谐波估计信号和滞后二次正序谐波估计信号其坐标变换公式如下：

步骤2.5，利用坐标变换器对超前二次负序谐波误差信号和滞后二次负序谐波误差信号进行坐标变换，得到静止超前二次负序谐波误差信号和静止滞后二次负序谐波误差信号其坐标变换公式如下：

将静止超前二次负序谐波误差信号作为二阶滤波器组B中的二阶滤波器1的输入信号，得到输出，记为第五二阶滤波信号将静止滞后二次负序谐波误差信号作为二阶滤波器组B中的二阶滤波器3的输入，得到输出，记为第六二阶滤波信号将第五二阶滤波信号加上第六二阶滤波信号得到静止超前二次负序谐波估计信号将静止滞后二次负序谐波误差信号作为二阶滤波器组B中的二阶滤波器2的输入，得到输出，记为第七二阶滤波信号静止超前二次负序谐波误差信号作为二阶滤波器组B中的二阶滤波器4的输入信号，得到输出，记为第八二阶滤波信号将第七二阶滤波信号减去第八二阶滤波信号得到静止滞后二次负序谐波估计信号其表达式为：

利用坐标变换器对静止超前二次负序谐波估计信号和静止滞后二次负序谐波估计信号进行坐标变换，得到超前二次负序谐波估计信号和滞后二次负序谐波估计信号其坐标变换公式如下：

步骤3，利用由限幅模块、一阶超前环节、PI控制器、积分器组成的锁相模块对步骤2得到的静止超前基频正序估计信号静止滞后基频正序估计信号进行锁相，得到幅值估计值A_est、频率估计值ω_est和相位估计值θ_est，具体步骤如下

步骤3.1，将静止超前基频正序估计信号作为限幅模块的输入，得到幅值估计值A_est，限幅模块可用下式描述：

其中，A_L为限幅下限，A_H为限幅上限；

求相位误差信号θ_err，其表达式为：

步骤3.2，以相位误差信号θ_err作为一阶超前环节的输入信号，将一阶超前环节的输出信号记为θ_errAd，一阶超前环节的传递函数G_AD的表达式如下：

其中，k_Ad为超前倍数，ω_Ad为超前频率；

步骤3.3，将一阶超前环节的输出信号θ_errAd作为PI控制器的输入信号，PI控制器的输出信号为频率估计补偿值ω_comp，PI控制器的传递函数G_PI的表达式如下：

其中，k_P为比例系数，k_I为积分系数；

步骤3.4，将频率估计补偿值ω_comp加上待锁相信号频率的标幺值ω_norm，得到频率估计值ω_est，

ω_est＝ω_comp+ω_norm

步骤3.5，将频率估计值ω_est作为积分器的输入信号，积分器的输出信号为相角估计值θ_est，

该相角估计值θ_est用于下一拍计算，形成闭环；

至此，基于二阶滤波环节的多同步旋转坐标系锁相环构造完毕。