基于派克變換及其逆變換的電網精確鎖相技術

王懿琳

【摘 要】本文根據普通的三相鎖相環在電壓突然跌落、諧波產生時不易消除影響的缺點，提出了基于雙MAF的三相鎖相環模型，對所提出的模型進行建模與仿真.仿真結果表明，在三相電網電壓突然跌落和出現諧波時，文中所提三相鎖相環均具有較好的性能。

【關鍵詞】電壓跌落；MAF；鎖相環

中圖分類號：TM744 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0047-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.020

Precise phase-locked technology based on Parker transform and its inverse transformation

WANG Yi-lin

（School of electrical and information engineering， Anhui University Of Science And Technology，Huainan Anhui，232000， China）

【Abstract】In this paper， a three-phase phase-locked loop model based on double MAF is proposed ， which is not easy to eliminate the influence when the voltage falls suddenly and the harmonic generation is produced. The model is modeled and simulated. The simulation results show that the three-phase phase locked loop has good performance ， when the grid voltage falls suddenly and the harmonics appear.

【Key words】Voltage drop； MAF； Phase-locked loop

0 引言

近幾年，環境惡化和化石燃料緊缺問題日益嚴重，各國研究人員都在致力于發展可持續且環保無污染的能源。目前應用比較廣泛的是風能，光能，水能等這些可再生的清潔型能源。但由于這些自然能源往往分布散，地理位置特殊，人們開始設計了分布式發電系統。這一類型的電能轉換系統恰好可以彌補發展此類能源時的各種不足。分布式發電系統所產電，除了供其自身消耗外，還可以將多余電能輸送給公共電網。如何將這些電能高效率的輸送至電網，成為了使用該系統的一大熱點問題。為了在輸送電能時候可以準確調整控制策略，就需要第一時間準確掌握公共電網的相位、頻率等信息。現在熱門研究點在鎖相環的改進和使用。

目前在并網三相系統中使用最多的同步方法就是PLL[1]。如[2]中描述的，在平衡電網電壓下，這些方法是可以得到很好的動態響應。但當這些設計在不平衡或畸變電網電壓下運行時非常慢。[3]中提出的快速鎖相環方法可以消除某些諧波的影響，但這種方法的實現是非常復雜的，且僅限于取消少數諧波的影響。在[4]中，提出了一種新的基于多參考幀理論的控制算法，以消除輸入電網電壓不平衡或含有低次諧波時并網變流器交流電流中的低階諧波分量。[5]中使用的基于PLL的同步方法的性能良好，即使在電壓不平衡和失真情況下也是如此。然而，為了實現這一點，一些在移動平均濾波器的歸一化相關檢測角度的實際問題（MAF）階段必須解決，避免溢出。此外，該解決方案沒有設計在可變頻率下工作。

1 本文所提的MPLL分析

本文提出的同步方法是基于滑動平均濾波器，即一種低通濾波器，它被擴展到能使頻率自適應的條件下。這種方法允許快速檢測電網電壓的正序，不再受到電網中不平衡或諧波的影響。

圖1顯示為本文所設計新型鎖相環的結構。首先，電網電壓矢量通過在基頻（ωf）和任意角度位置（θf）旋轉的同步參考坐標系中進行變換。vd和vq分量由于諧波和電壓負序而含有振蕩。兩個分量將會在MAF里面濾去振蕩，因此，如果給了一個合適的窗口寬度，矢量vd和vq會是固定值，且只包含電網電壓的正序。

圖2 鎖相環的矢量圖

如圖2所示，vq分量不一定是零，因為Park變換中使用的角度是任意的。因此，電壓矢量不在d軸，但在另一個以任意角旋轉的參考坐標系中的d'軸。

在這種結構中，MAF的dq輸出變量以相同的任意角度θf轉換到abc分量中。所得到的信號（va，vb，vc）和基波正序電網電壓相關聯，因此，它們不含任何畸形或不平衡分量。由于這個原因，這個階段被認為是作為三相電壓分量的準理想濾波器。再次把變量轉換到dq坐標系，在這時，同步角（θ+）通過一個可以使vq+經比例積分器后變為零的經典控制回路得到。PI的輸出（ω+）是經過積分環節得到θ+。應該注意的是，在這種結構中，PI調節器參數可以被調整以實現PLL的快速響應，因為在vq+分量中不希望出現不期望的振蕩。

圖1相同的結構，可以用來獲得輸入電網電壓的負序，通過強加給Park和iPark變換一個在相反方向的任意旋轉角度。

2 實驗結果及分析

模擬MPLL以測試其性能。

第一個實驗內容如下：在t=50ms時，引入不對稱電壓跌落（60%、20%和0%），因此，在dq分量中出現一個基波負序。在一個MAF時間內振蕩被完全取消。

第二個實驗內容如下：在t=30毫秒時，引入不對稱電壓跌落（60%、40%和20%）。在t=60 ms時，添加一個奇次諧波分量：三次（30%）、五次（40%）和七次（20%）。

觀察分析得出MPLL具有很好的性能，在半個電網周期（10毫秒）內快速消除檢測角的誤差，無論出現什么樣的干擾。在MAFs之前dq分量包含震蕩，但在MAFs之后完全消失了。首先，這些振蕩會產生，因為在出現電壓跌落的過程中，出現了基波負序，其次，是由于諧波失真，帶來了震蕩的產生。從結果中，可以得出該MPLL可以克服相位跳變、電壓暫降、高諧波失真的影響。

如本例所示，所提出的MPLL在存在電網干擾的情況下具有很好的性能。

3 總結

本文針對傳統的三相鎖相環在三相電壓不平衡條件下，不能較好消除諧波的缺點，提出了一種基于雙MAF的新型鎖相環，解決了上述問題，并通過仿真軟件驗證了該鎖相技術在電網受到干擾的情況下都能夠達到較高的鎖相精度。

【參考文獻】

[1]陽同光，桂衛華.電網不平衡情況下并網逆變器控制策略綜述[J].電工技術學報，2015，30（14）：241-246.

[2]王金玉.基于MMC的柔性直流輸電穩態分析方法及控制策略研究[D].山東大學，2017.

[3]P.Xiao，K.A.Corzine，and G.K.Venayagamoorthy，“Multiple reference frame-based control of three-phase PWM boost rectifiers under unbalanced and distorted input conditions，” IEEE Trans.Power Electron.，vol.23，no.4，pp.2006–2017，Jul. 2008.

[4]S.-K.Chung，“A phase tracking system for three phase utility interface inverters，” IEEE Trans.Power Electron.，vol. 15， no.3，pp.431–438，May 2000.

[5]王寶誠，傘國成，郭小強，鄔偉楊.分布式發電系統電網同步鎖相技術[J].中國電機工程學報，2013，33（1）.

[6]P.Rodr′guez，J.Pou，J.Bergas，J.I.Candela，R.Burgos，and D.Boroyevich，“Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control，”IEEE Trans.Power Electron.，vol. 22，no.2，pp.584–592，Mar.2007.