幾種典型鎖相環(huán)技術(shù)的分析

王懿琳

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幾種典型鎖相環(huán)技術(shù)的分析

王懿琳

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232000）

鎖相環(huán)技術(shù)是保證準(zhǔn)確并網(wǎng)的關(guān)鍵。本文選擇了三種典型鎖相環(huán)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述了其適用場(chǎng)合以及不足之處，并總結(jié)與展望了鎖相技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

鎖相環(huán) 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 MAF 雙解耦

0 引言

當(dāng)今，隨著煤炭、石油等能源的局限性使用以及環(huán)境問題引起大幅度關(guān)注，環(huán)保且可再生的新能源的發(fā)展愈來愈得到重視。但不管是太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電，都需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率，以便順利并網(wǎng)，供給使用。然而電網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不斷并入或斷開的負(fù)載、設(shè)備出現(xiàn)故障等因素容易使電網(wǎng)產(chǎn)生一些問題，且這些問題的出現(xiàn)不可預(yù)計(jì)。因此要求并網(wǎng)時(shí)能對(duì)電網(wǎng)電壓相位的變化做出快速響應(yīng)。

理想電網(wǎng)環(huán)境下，電壓中只含基波，只需先對(duì)其進(jìn)行同步坐標(biāo)系變換，再經(jīng)過鎖相環(huán)獲得電網(wǎng)電壓的相位和頻率。在電網(wǎng)發(fā)生畸變、電壓不平衡等非理想環(huán)境下，電網(wǎng)電壓中除了正序分量，還包含了諧波分量和負(fù)序分量。只有采取措施，過濾諧波和負(fù)序分量，準(zhǔn)確提取所需的電網(wǎng)電壓正序分量，才可以獲知并網(wǎng)時(shí)的頻率和相位。

本文將一些同步鎖相方法進(jìn)行列舉，并分析了其可取之處與不足之處。

1 基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)

三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值經(jīng)Park變換后得到d軸和q軸分量，由其向量示意圖可知，鎖相環(huán)輸出角控制著dq坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)角度，q軸的分量反應(yīng)著電網(wǎng)電壓與d軸的相位關(guān)系，若調(diào)節(jié)使q軸電壓分量為零，則此時(shí)實(shí)現(xiàn)相位鎖定。

圖1 矢量圖

在理想電網(wǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)電壓不含有諧波分量或負(fù)序分量等干擾，SRF-PLL可以準(zhǔn)確提取電網(wǎng)基波正序的電壓幅值與相位角[1]；當(dāng)電網(wǎng)含高次電壓諧波時(shí)，為使得濾波效果良好，會(huì)選擇適度降低鎖相環(huán)系統(tǒng)的寬帶。但是當(dāng)電網(wǎng)電壓三相不平衡時(shí)，基波負(fù)序分量的存在使得單純降低系統(tǒng)寬帶并不能取得理想效果，并且持續(xù)降低系統(tǒng)寬帶會(huì)拖慢系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度。

2 基于滑動(dòng)平均濾波器的鎖相環(huán)

MAF本質(zhì)上是一種低通濾波器[2]，基于MAF的鎖相環(huán)MAF-PLL可以完全消除電壓不平衡、負(fù)序以及高次諧波甚至直流偏置對(duì)傳統(tǒng)鎖相環(huán)的影響，除此之外，該鎖相環(huán)還具有數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量低等優(yōu)勢(shì)。

圖2 滑動(dòng)平均濾波器鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

但該鎖相環(huán)若想要達(dá)到濾除最低次諧波的要求，則其動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)受到影響，速度明顯緩慢，兩者負(fù)相關(guān)的影響使得該方法略有缺陷。

3 基于雙解耦同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)

部分學(xué)者[3-4]提出了一種解耦雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)的方法，其結(jié)構(gòu)如圖所示。該方案將不對(duì)稱電網(wǎng)電壓經(jīng)過雙dq變換之后，電壓正序分量中含有2倍頻的電網(wǎng)負(fù)序分量及變換后輸出的正序直流分量。電壓負(fù)序分量中含有2倍頻的電網(wǎng)正序分量以及變換后輸出的負(fù)序直流分量。在以基波電壓為前提情況下，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是負(fù)序電壓的存在，導(dǎo)致了震蕩擾動(dòng)，引起了耦合。此時(shí)便提出了，利用數(shù)學(xué)思維解耦以消除電網(wǎng)電壓不平衡下的振蕩干擾量，再通過PI控制器環(huán)節(jié)輸出電網(wǎng)電壓正序分量的頻率和相位[5]。實(shí)現(xiàn)了d-q軸基波正負(fù)序分量的分離。

該方法在負(fù)序分量影響較大的情況下，可以起到較好的鎖相作用。但是數(shù)學(xué)計(jì)算繁瑣，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)表明在高次諧波和直流偏置存在下，效果不佳，同時(shí)低通濾波器的使用會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

4 鎖相環(huán)應(yīng)用時(shí)存在的問題及解決方法

對(duì)于三相系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓的檢測(cè)往往在同步參考坐標(biāo)系下進(jìn)行，其頻率追蹤具有自適應(yīng)性，在一般電網(wǎng)波動(dòng)不明顯的情況下都能滿足同步要求[6]。對(duì)于單相系統(tǒng)，國(guó)外學(xué)者提出通過增強(qiáng)靜止參考坐標(biāo)系下的鎖相環(huán)或者使用鎖頻環(huán)達(dá)到頻率跟蹤的目的。而在同步參考坐標(biāo)下，為實(shí)現(xiàn)相位頻率跟蹤，PLL輸出的相位和頻率，既要提供正交信號(hào)發(fā)生器所需的中心頻率，還要提供park變換所需的旋轉(zhuǎn)角度。一般同步坐標(biāo)系下的鎖相環(huán)就很難兼顧到此類高要求，據(jù)此有學(xué)者提出了解耦雙同步參考坐標(biāo)系下的鎖相環(huán)。

圖3 雙解耦同步鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

在三相不平衡電網(wǎng)下，國(guó)外學(xué)者提出了一種基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的單同步參考系鎖環(huán)。中國(guó)學(xué)者提出了延遲信號(hào)抵消，基于復(fù)系數(shù)傳遞函數(shù)的鎖相環(huán)，基于正弦幅度積分器的鎖相環(huán)等。與此同時(shí)，為了消除諧波和負(fù)序分量的影響，已經(jīng)提出了各種解決方案。例如，二階廣義積分鎖相環(huán)，解耦多同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)，多通道復(fù)系數(shù)傳遞函數(shù)鎖相環(huán)，多通道正弦幅度積分相位鎖相環(huán)，目前這些方法被廣泛使用在諧波畸變和三相電壓不平衡的三相電網(wǎng)系統(tǒng)同步信號(hào)提取中。

當(dāng)并網(wǎng)鎖相受到直流分量的影響時(shí)，常規(guī)解決方法是先對(duì)輸入電壓信號(hào)經(jīng)過高通濾波器濾波，鎖相環(huán)經(jīng)過相位補(bǔ)償以獲得所需的鎖相信號(hào)。這種方法很簡(jiǎn)單，但添加一個(gè)高通濾波器會(huì)減慢PLL的響應(yīng)速度。為此，一些學(xué)者提出采用正負(fù)半周積分方法，并增加改進(jìn)的SOGI-OSG結(jié)構(gòu)以消除直流偏壓產(chǎn)生的影響。然而，這兩種方法僅適用于單相系統(tǒng)，不能直接應(yīng)用于三相電網(wǎng)系統(tǒng)。另有學(xué)者通過增加積分單元來消除直流分量，雖然取得不錯(cuò)的效果，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于諧波畸變、電網(wǎng)電壓不平衡的環(huán)境下難以適用。一些國(guó)外學(xué)者提出SOGI-LKF方案結(jié)合SOGI和線性卡爾曼濾波器消除諧波和直流分量。然而，該方法的收斂速度取決于卡爾曼濾波器的合理配置，并且該方案的動(dòng)態(tài)效果不理想。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出，基于SRF-PLL，正弦振幅積分器被添加到dq輸出信號(hào)中，以分離dq軸分量的交流分量和直流分量。有效消除了非理想電網(wǎng)環(huán)境和含直流分量的影響，精準(zhǔn)提取出基波同步信號(hào)。

5 結(jié)束語

本文選擇了基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)、添加濾波器改進(jìn)的鎖相環(huán)以及雙解耦同步鎖相環(huán)這三種典型鎖相環(huán)進(jìn)行了理論分析。論述了SRF-PLL適用于較良好的電網(wǎng)環(huán)境，含MAF的鎖相環(huán)適用與含高次諧波以及直流偏置的電網(wǎng)環(huán)境下，而雙解耦同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)適用于電網(wǎng)環(huán)境含有較多各種干擾分量的情況下。隨著技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有更加優(yōu)異的鎖相環(huán)產(chǎn)生。

[1] 王金玉. 基于MMC的柔性直流輸電穩(wěn)態(tài)分析方法及控制策略研究[D]. 山東大學(xué), 2017.

[2] Robles E, Ceballos S, Pou J, et al. Variable-Frequency Grid-Sequence Detector Based on a Quasi-Ideal Low-Pass Filter Stage and a Phase-Locked Loop[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(10): 2552-2563.

[3] 吳耀, 龐科旺. 解耦雙同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)仿真研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013, 13(32): 9711-9713.

[4] 李繼俠, 楊蘋. 基于解耦的雙同步坐標(biāo)系的三相鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù), 2015, 39(3): 600-603.

[5] 劉延?xùn)|. 基于正弦幅值積分器的單同步坐標(biāo)系同步信號(hào)提取策略[D]. 重慶大學(xué), 2014.

[6] 文武松, 張穎超, 王璐,等. 并網(wǎng)功率變換器的電網(wǎng)電壓同步算法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2017(6): 637-643.

Analysis of Several Typical Phase Locked Loops

Wang Yilin

(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University Of Science And Technology, Huainan 232000, Anhui, China )

TM721

A

1003-4862（2018）10-0053-03

2018-05-21

王懿琳（1994-），研究生，研究方向：電力電子。E-mail: 839589325@qq.com