并網系統軟件鎖相環設計

嚴雙喜， 張建文， 嵇 偉， 俞 良

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116)

并網系統軟件鎖相環設計

嚴雙喜， 張建文， 嵇 偉， 俞 良

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116)

并網控制系統的穩定運行需要快速準確地跟蹤電網電壓的相位和頻率。根據軟件鎖相環(SPLL)原理，基于坐標變換建立了SPLL模型，仿真結果表明該鎖相環在電網電壓存在跌落、相位和頻率突變情況下均能實現準確鎖定。同時針對三相不平衡系統，設計了基于雙同步旋轉坐標系的解耦軟件鎖相環，詳細分析了其鎖相原理及數學模型，并通過仿真驗證了其良好的鎖相性能。

軟件鎖相環；坐標變換；并網系統；三相不平衡

近年，隨著能源危機的日益加劇和人們環保意識的增強，基于風能、太陽能、燃料電池等新能源的分布式發電技術得到了空前的發展，并網技術成為一個重要的研究方向。在并網發電系統中，為了保證并網電流和電網電壓嚴格同頻、同相，必須使用鎖相環(PLL)技術[1-3]。

常用的鎖相技術主要有：過零比較法、最小二乘法[4]、基于αβ坐標變換法[5]和變換鎖相方法[6-8]等。過零比較法依賴于電壓信號零點時刻的檢測，當系統存在電壓畸變時，電壓信號零點并不一定是基波零點，且動態性能較差。最小二乘法動態響應速度快，能準確地鎖定正序電壓的相位，但對諧波的抑制較差。基于αβ坐標變換法可以檢測任意時刻的電網電壓同步相位，但檢測結果受到三相不平衡的影響。為此，本文采用變換鎖相方法。

1 軟件鎖相環

1.1 SPLL原理與模型

引入同步旋轉坐標，將式(1)電壓矢量由αβ坐標投影到dq坐標，其電壓矢量圖如圖1所示。

圖1 αβ與dq坐標下電壓矢量圖

由式(2)可知，當滿足θ=θ′時，即鎖相環的輸出相位與電網電壓相位保持同步，則有=0，因此可以通過控制=0來達到相位鎖定的目的。鎖相環控制原理圖如圖2所示。圖中、、分別為三相輸入電壓，ω0表示三相電壓的額定角頻率，ω'表示鎖相環的輸出角頻率，mod模塊表示鎖相環相位角以2 π為周期輸出。

圖2 dq鎖相環控制原理圖

1.2 SPLL的仿真結果

圖3 電網電壓跌落、相位突變和頻率突變時SPLL仿真圖

從圖3中可以看出，0～0.05 s三相電網平衡條件下，SPLL能準確跟蹤相位和頻率；當三相電網發生電壓跌落時，輸出相位和頻率不受任何影響，仍能實現準確鎖定；在電網電壓相位和頻率發生突變情況下，輸出相角和頻率會有一個波動，但在20 ms內就能迅速鎖定，且穩態誤差為零，顯示了良好的動態與靜態性能。

三相電網不平衡情況下，在電網電壓中注入負序分量，幅值為0.1 pu，初始相角為0，其仿真結果如圖4所示。

圖4 三相電網不平衡時SPLL的仿真結果

從仿真結果可以看出，SPLL難以實現良好的鎖相效果。因此，必須對其進行改進，才能適用于三相不平衡系統。

2 三相電壓不平衡條件下軟件鎖相環設計

2.1 雙同步旋轉坐標下SPLL模型

在三相不平衡電壓條件下，不考慮電壓諧波，根據對稱分量法，則三相電壓可表示為：

圖5 雙dq坐標下電壓矢量圖

在頻率和相位鎖定情況下即ω≈θ’時，有：

基于雙坐標變換的解耦軟件鎖相環控制結構圖如圖8所示。

圖中，LPF為一階低通濾波器：

圖6 +坐標系下的解耦單元

圖7 -坐標系下的解耦單元

圖8 基于雙坐標變換的解耦軟件鎖相環控制結構圖

2.2 雙同步旋轉坐標下SPLL的仿真

仿真參數：正序電壓幅值311 V，負序電壓幅值31.1 V，=1.415，=311.35，濾波器參數ω=222.14。

三相電網電壓不平衡條件下的仿真結果如圖9所示。

圖9 不平衡電網條件下雙SPLL仿真結果

從圖9可以看出，當電網電壓不平衡時，基于雙同步坐標變換的解耦軟件鎖相環能準確鎖定相角和頻率。由于一階濾波環節的存在，其頻率波形存在明顯的振蕩，但在在40 ms內達到穩定。電網電壓中正負序分量的幅值，如圖10所示。

圖10 正序和負序電壓幅值

3 結論

并網系統中各種電力電子設備的安全、可靠運行都必須以電網電壓同步信號作為控制基準，為此需要對電網的相位、頻率和幅值實現快速準確的檢測。本文根據并網系統鎖相要求，分別設計了理想電網條件下和三相不平衡電網條件下的軟件鎖相環，并通過仿真驗證了其原理和有效性，得出如下結論：(1)SPLL在理想電網電壓條件下、電壓跌落以及相位和頻率突變情況下均能很好地鎖定電網電壓。(2)三相不平衡電網條件下，基于雙同步坐標系下的解耦軟件鎖相方法不僅可以精確檢測出正序電壓的相位和頻率，而且能夠檢測出電網電壓中正負序分量的幅值，能適應三相不平衡情況下并網控制系統的快速準確監測。

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Design of software phase-locked loop on grid connected system

The phase and frequency of the grid voltage could be quickly and accurately tracked by stable operation of the grid connected control system.According to the principle of the software phase-locked loop (SPLL),SPLL models were established based on the dq coordinate transformation.Simulation results show that the phase-locked loop can be accurately locked under voltage drop, mutated frequency and mutated phase. For three-phase unbalanced systems,decoupled double synchronous coordinate system software phase locked loop was designed, its lock-in principle and mathematical model were analyzed,and its good performance of phase-locked was verified by simulation.

software phase locked loop;dq coordinate transformation;grid connected system;three phase unbalance

TM 61

A

1002-087 X(2015)10-2277-03

2015-03-21

嚴雙喜(1987—)，男，湖北省人，碩士生，主要研究方向為新能源并網發電控制技術；導師：張建文(1968—)，男，寧夏回族自治區人，教授，主要研究方向為高電壓與絕緣檢測技術、電氣設備狀態監測與故障診斷技術。