具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

三相电网在瞬时故障或某些情况下，三相电压会变得不平衡，此不平衡三相电压可表示为一系列不平衡谐波成分的合集。三相电压可表示为正序分量、负序分量和零序分量的合集。当三相电网不平衡时，对于同频负序分量，锁相环受二次谐波的干扰，使得锁相环不能正常地跟踪电网相位，降低锁相精度。

为了解决上述问题，本发明第一方面实施例提出一种用于电网电压不平衡的锁相方法，该锁相方法可以提高锁相精度，提高响应速度。

如图1所示，本发明实施例提供的用于电网电压不平衡的锁相方法至少包括步骤S1-步骤S4。

步骤S1，获取当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值。

其中，在三相并网系统中，外电网采用三相交流电。三相电压瞬时值是指三相交流电中任一相电压在每一个瞬时的数值。

具体地，为控制三相并网系统中逆变器的信号，需对电网交流侧的电压相位进行检测，锁相环可以实时对电网交流侧的三相电压瞬时值进行采样，并存储，例如图2所示为采集的三相电压瞬时值的波形图。由此，可以直接获取当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值。

步骤S2，根据当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值获取三相电压有效值。

其中，三相电压有效值是指三相交流电中任一相电压的有效值。

具体地，由于在电网电压出现突变时，对电压有效值的计算，通常需对电压信号进行全周期采样，以计算均方根的方式来获得，导致相序分离延时大于20ms，动态响应慢。对此，本发明实施例的方法根据电网三相电压采样的瞬时值进行计算，即通过当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值获取三相电压有效值，从而，相较于周期电压有效值计算的方式，本发明实施例可以减少三相电压有效值计算的时间，提高响应速度。例如图2所示为采用本发明实施例的方法对三相电压有效值计算的波形图，由图可以看出计算三相电压有效值的响应时间为13ms，响应时间明显减少，提高响应速度。

步骤S3，根据三相电压有效值进行相序分离，以获取三相正序电压值。

其中，三相正序电压值是指三相交流电中任一相电压的正序分量值。

具体地，在三相电网出现不平衡时，锁相环检测的三相电压瞬时值中存在负序分量和零序分量的干扰，因此，为排除干扰，本发明实施例不直接以采集的三相电压瞬时值确定电网的相位信息，而是以根据三相电压瞬时值获得的三相电压有效值来进行计算，从而滤掉负序分量和零序分量，实现三相电压的正负序分离，消除干扰影响，提高锁相精度。

步骤S4，根据三相正序电压值获得电网的相位信息。

具体地，通过上述相序分离方式将电网电压正负序分离，以三相正序电压值进行锁相，获取电网的相位信息，从而为三相并网系统中并网电流控制环提供电网频率和相位基准。

根据本发明实施例的用于电网电压不平衡的锁相方法，通过当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值获取三相电压有效值，可以减小对三相电压有效值计算的时间，提高响应速度，以及，通过对三相电压有效值进行相序分离，可以消除负序分量影响，实现三相电压的正负序分离，提高锁相精度。

在一些实施例中，可以通过获取三相电压采样周期和三相电压角频率，并根据三相电压采样周期、三相电压角频率、当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值获取当前时刻的三相电压有效值。

具体地，假设当前时刻单相电压瞬时值与单相电压有效值的关系式如公式（1）所示。

，公式（1）

其中，为当前时刻单相电压瞬时值，为单相电压有效值，为电网电压角频率，为初始角度，为采样时间，为采样数。

对公式（1）进行求导运算可以获得公式（2）。

，公式（2）

其中，为采样周期，为上一时刻单相电压瞬时值。

结合公式（1）和公式（2）可以推导出公式（3）。

，公式（3）

基于上述对单相电压有效值的计算过程，对于三相电网中，任一相的电压有效值均可以由此计算方式获得，即通过以下公式（4）可以获得当前时刻的三相电压有效值。

，公式（4）

其中，为当前时刻的三相电压有效值，为当前时刻三相电压瞬时值，为上一时刻三相电压瞬时值，为三相电压角频率，为三相电压采样周期。

在一些实施例中，由于以三相电压采样的瞬时值计算三相电压有效值的方式，对采样噪声较敏感，如当电网电压采样电路设计不当，引入高频谐波，则会使得对三相电压有效值的瞬时计算出现误差。因此，本发明实施例可以通过获取三相电压采样周期中多个时刻的三相电压有效值，并计算多个时刻的三相电压有效值的三相平均电压有效值，以获得最终的三相电压有效值。也就是，本发明实施例采用求平均值的方式，从而可以降低电网谐波和采样噪声对三相电压有效值计算的干扰。

，公式（5）

，公式（6）

具体地，在三相电压采样周期中，计算每个时刻的三相电压有效值，如公式（5），从而获得多个时刻的三相电压有效值U(k)、U(k-1)、U(k-2)…U(k-n-1)，对多个时刻的三相电压有效值U(k)、U(k-1)、U(k-2)…U(k-n-1)求平均值，如公式（6），获得最终的三相电压有效值。从而，通过采用求平均值的方式可以抑制采样干扰，提高计算的准确性。

在一些实施例中，由于在三相电网中，电网包含的一些3、5、7次等奇次谐波也会对三相电压有效值的计算造成干扰，因此，本发明实施例可以通过对三相平均电压有效值进行拉普拉斯变换运算，以获取拉普拉斯变换后的三相平均电压有效值，以及获取滤波器截止频率和滤波因子，即引入低通滤波器来有效抑制电网对锁相的干扰，并根据滤波器截止频率、滤波因子对拉普拉斯变换后的三相平均电压有效值进行低通滤波运算，以获得最终的三相电压有效值。从而，可以消除电网谐波的影响，进一步提高锁相精度。

具体地，可以通过以下公式（7）获得最终的三相电压有效值：

，公式（7）

其中，为最终的三相电压有效值，为拉普拉斯变换后的三相平均电压有效值，为滤波器截止频率，为滤波因子，为拉普拉斯算子。

其中，可以根据实际情况选择适用的低通滤波器。例如，可以选取截止频率为的低通滤波器，其滤波因子，由于该低通滤波器的截止频率较大，因此不会对锁相环的带宽产生太大的影响，不会影响锁相动态性能。

在一些实施例中，可以根据三相电压有效值获得三相电压理论瞬时值，并根据三相电压理论瞬时值和三相电压有效值获得三相正序电压值。

具体地，在电网电压不平衡的条件下，三相电压理论瞬时值的表达式如公式（8）所示。

，公式（8）

，公式（9）

其中，、、为三相电压理论瞬时值，、、为三相电压有效值，为电弧度，为角频率，为采样时间。

基于三相电网相位差为120°，可以获得公式（10）、公式（11）、公式（12）。

，公式（10）

，公式（11）

，公式（12）

由公式（10）和公式（12）推导可以获得公式（13）。

，公式（13）

定义，即为相位滞后120°算子，则，同理，经过类似推导可以获得公式（14）。

，公式（14）

进而，根据对称分量法，三相正序电压值的表达式如公式（15）。

，公式（15）

从而，通过公式（14）和公式（15）可以推导出公式（16），从而获得三相正序电压值。

，公式（16）

其中，、、为三相正序电压值，、、为三相电压理论瞬时值，、、为三相电压有效值。

本发明第二方面实施例提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其中，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例提供的用于电网电压不平衡的锁相方法。

本发明第三方面实施例提供一种用于电网电压不平衡的锁相环，如图4所示，用于电网电压不平衡的锁相环10包括计算模块1、鉴相器2、环路滤波器3以及压控振荡器4。

其中，计算模块1用于获取当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值，根据当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值获取三相电压有效值，根据三相电压有效值进行相序分离，以获取三相正序电压值；鉴相器2与计算模块1连接，用于根据三相正序电压值和相位信息获得相位误差信号；环路滤波器3与鉴相器2连接，用于对相位误差信号进行滤波处理，以获得滤波后的信号；压控振荡器4与环路滤波器3、鉴相器2分别连接，用于根据滤波后的信号获得电网频率和相位信息。

下面以图5为例，对本发明实施例的用于电网电压不平衡的锁相环10工作原理进行说明。具体地，如图5所示，计算模块1实时获取三相电压瞬时值，如e_abc（k）、e_abc（k-1）……e_abc（k-n），并根据当前时刻三相电压瞬时值e_abc（k）和上一时刻三相电压瞬时值e_abc（k-1）获取三相电压有效值，如三相电压有效值记为U_a、U_b、U_c，以及根据三相电压有效值U_a、U_b、U_c，获得三相正序电压值如可以记为v_a ⁺、v_b ⁺、v_c ⁺，并发送给鉴相器2。鉴相器2对三相正序电压值与相位信息进行相位比较，以产生相位误差信号v_q ⁺，并发送给环路滤波器3。环路滤波器3对相位误差信号v_q ⁺的谐波分量和噪声进行滤波，以获得滤波后的信号Δω。压控振荡器4根据滤波后的信号Δω获得电网频率和相位信息，并将确定的电网频率和相位信息经分频器发送给鉴相器2，由此，实现利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位的目的。采用该用于电网电压不平衡的锁相环10的锁相结果例如图6所示，其中，e_a、e_b均为电网电压输入信号即三相电压瞬时值； 为用于电网电压不平衡的锁相环10的输出信号即相位信息，相位误差信号为0-2Π；为相位误差信号输出的误差值。由图6可以看出采用该用于电网电压不平衡的锁相环10进行锁相，锁相误差低。因此，本发明实施例的用于电网电压不平衡的锁相环10可以提高锁相精度，提高响应速度。

需要说明的是，本发明实施例的用于电网电压不平衡的锁相环10的具体实现方式与本发明上述任意实施例的用于电网电压不平衡的锁相方法的具体实现方式类似，具体请参见关于方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

可以理解的是，在电网电压平衡的状态下，本发明实施例的用于电网电压不平衡的锁相环10同样适用。

根据本发明实施例的用于电网电压不平衡的锁相环10，通过当前时刻三相电压瞬时值和上一时刻三相电压瞬时值获取三相电压有效值，可以减小对三相电压有效值计算的时间，提高响应速度，以及，通过对三相电压有效值进行相序分离，可以消除负序电压的影响，实现三相电压的正负序分离，提高锁相精度。

本发明第四方面实施例提供一种三相并网系统，如图7所示，三相并网系统20包括变压器5、滤波模块6、逆变器7以及上述实施例提供的用于电网电压不平衡的锁相环10和并网电流控制环8。

其中，用于电网电压不平衡的锁相环10与变压器5连接，用于检测电网电压信号，并根据电网电压信号获得电网的相位信息和电网频率；并网电流控制环8与用于电网电压不平衡的锁相环10和逆变器7分别连接，用于采集电网电流，并根据相位信息和电网频率控制逆变器7，以控制入网电流。

如图7所示，三相并网系统20主拓扑采用三相两电平结构，其输入侧为输入源PV，并采用电容C1进行直流稳压；滤波模块6采用LCL 滤波器作为逆变器7与电网的连接单元，具体由三相桥、滤波电感Lf、滤波电容Cf、后级电感Le组成，以有效抑制并网电流谐波；其输出侧为三相交流电网；以及，逆变器7的控制由并网电流控制环8和用于电网电压不平衡的锁相环10构成。基于上述三相并网系统的结构组成，通过用于电网电压不平衡的锁相环10确定电网频率和相位信息，以为并网电流控制环8提供频率和相位基准，以及并网电流控制环8直接控制入网电流，实现入网电流的幅值和相位控制。

其中，用于电网电压不平衡的锁相环10的具体实现方式与本发明上述任意实施例的用于电网电压不平衡的锁相方法的具体实现方式类似，具体请参见关于方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。采用上述实施例提供的用于电网电压不平衡的锁相环10可以在三相电网电压不平衡条件下，提高锁相精度和响应速度，从而，将用于电网电压不平衡的锁相环10运用至三相并网系统20中，可以提高并网电能质量。

因此，根据本发明实施例的三相并网系统20，通过采用上述实施例提供的用于电网电压不平衡的锁相环10，可以改善逆变器7输出电压电流与电网的同步性，提高并网电能质量，提升整个三相并网系统20的安全性和运行稳定性。

在本说明书的描述中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。