非理想電網下的改進型DSOGI-PLL 電壓同步檢測方法

王德民 田福海 曲其飛

（1.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272000；2.山東省特種設備檢驗研究院聊城分院，山東 聊城 252000）

電能作為我國重要能源，隨著需求量的增長，對電能質量也提出更高要求。大量非線性負載應用的同時，也產生大量諧波。有源電力濾波器（APF）因響應快、精度高等優點，被大量使用[1]。APF 工作中需用鎖相環（PLL）獲取電壓信號[2]。隨著日趨復雜的電網工況，APF 對鎖相環穩定、精確性等方面做出更高要求。由于PLL 在三相不平衡、直流偏置、頻率波動和諧波污染等工況下存在誤差，故對PLL 的改進極為必要。

近年來，對PLL 的研究大多基于SRF-PLL 和DSOGI- PLL。文獻[3]指出SRF-PLL 在網側電壓畸變和含有負序分量時，檢測存在一定的誤差。文獻[4]通過構造正弦幅值積分器來提取直流分量，減小了直流對DSOGI-PLL 影響，但仍有諧波干擾誤差。本文基于DSOGI-PLL，研究了一種可用于非理想電網下的改進型DSOGI-PLL。

1 DSOGI-PLL

SOGI-QSG 作為DSOGI-PLL 的核心部分，其傳遞函數如下所示：

由式（1）可計算得出系統的相頻特性以及幅頻特性：

根據式（2）、式（3）可得出，輸出電壓u'和qu'的相位相差90°。并且，當網側輸入電壓的角頻率ω=ωr時，輸出電壓u'可對輸入電壓實現準確跟蹤，即能達到對輸入信號精準提取的目的。

DSOGI-PLL 通過設置SOGI-QSG 的諧振頻率，實現對基波電壓的正交分相，之后計算得出電壓正、負序分量。再由SRF-PLL模塊將正序分量Park變換，由兩相靜止坐標系變換到dq同步旋轉坐標系，通過PI 控制使分量q 軸電壓分量趨于0，最終完成鎖相。

2 改進型的DSOGI-PLL

2.1 頻率自適應環節

當電網頻率變化時，輸入頻率與DSOGI 諧振頻率不等，兩者之間存在的差值會造成PLL 輸出相有誤差。因此，需加入頻率自適應環節，實時修正DSOGI 的諧振頻率，實現頻率自適應。

如圖1 所示，uα、uβ分別為兩組SOGI-QSG模塊的輸入，uα′、quα′、uβ′quβ′分別為兩組SOGIQSG 的輸出，ω0為該環節的輸出角頻率。將ω0作為SOGI-QSG 模塊的諧振頻率。

圖1 頻率自適應環節

定義輸入信號uα、uβ：

根據式（2）、式（3）可得出：

由圖3 可得出，輸出的角頻率表達式為：

將式（4）、式（5）和式（6）帶入式（7）可得出：

將式（8）變為線性時不變的系統，如下所示：

式（9）中，函數f（t，x，ωav）在周期2π/ωav內的平均值即為AVG[f（t，x，ωav）]。將式（9）經過化簡得到式（10）：

帶入式（2）中的∠D 到式（10），則當ω0→ω 時，式（10）可近似看為：

根據式（11）分析可知，頻率自適應環節時間常數的大小與參數γ、阻尼系數k、電網輸入電壓幅值以及輸入頻率有關聯。當輸入頻率變化時，因有頻率自適應環節的存在，實現頻率動態調節和保持恒定。

2.2 基于級聯型SOGI-QSG 的DSOGI-PLL 改進方法

在電網實際運行中，系統中還存在大量直流分量。由式（1）可得，Q（s）具有低通特性，對于直流偏置問題較為敏感，這將使qu'存在較大的誤差，無法同u'嚴格正交。由于SOGI-QSG 內含有一個二階陷波器的結構，其傳函表達式如下所示：

式中：εu為u 與u'之間的誤差信號。

根據式（12）分析可得，若輸入電壓u 中除頻率為ωr的交流量外，還包含直流量，此時誤差信號εu中則會包含全部的直流分量。

因此，本文在SOGI-QSG 中增添一個求差節點，通過kεu抵消掉輸出信號qu'中存在的直流偏移量，且將頻率自適應環節輸出的角頻率ω0作為該改進結構的諧振頻率。改進的SOGI-QSG 結構如圖2。

圖2 改進的SOGI-QSG 結構圖

此外，為進一步優化DSOGI-PLL 在復雜工作環境下的適應能力，本文提出一種級聯型DSOGI，通過前級傳統的SOGI-QSG 對輸入電壓進行初次濾波，快速降低輸出分量波形的畸變程度，為后級SOGIQSG 提供更良好的輸入。此外，前級傳統SOGIQSG 中的輸入、輸出信號通過頻率自適應環節，將得到的網側實際頻率傳輸給后級改進的SOGIQSG，作為其諧振頻率，繼而實現頻率的實時修正，削弱了系統頻率跳變對PLL 頻率輸出的影響。

綜上所述，非理想電網條件下的改進型DSOGI-PLL 電壓同步檢測方法整體結構圖如圖3。三相電壓經Clarke 變換到兩相靜止坐標系后，通過級聯型DSOGI（CDSOGI）模塊實現對諧波分量以及直流分量的濾除，并且將頻率自適應環節中的輸出頻率信號作為級聯型SOGI-QSG 中后級SOGIQSG 的諧振頻率，達到了對網側電壓頻率精準跟蹤的目的。之后，正/負序電壓分量計算模塊計算得出正序分量，由SRF-PLL 模塊將其經Park 變換到同步旋轉坐標系下，通過PI 控制使分量uq+趨于0，完成鎖相。

圖3 改進型DSOGI-PLL 電壓同步檢測方法結構圖

3 研究效果

利用MATLAB 驗證所提方法的實踐效果，在網側電壓驟降、諧波污染、直流偏移和頻率跳變四種工況下分別進行驗證，并與改進前DSOGI-PLL鎖相效果對比。

圖4 為電壓下降且加入諧波的實驗結果，t=0.25 s 時，單相電壓下降，并在t=0.37 s 時，向系統注入諧波。對比分析可知，t=0.25～0.37 s 期間，系統出現單相電壓下降，改進型DSOGI-PLL 與DSOGIPLL 對此均顯現出較高的精度。t=0.37～0.55 s 期間，電壓下降的基礎上又加入高次諧波，此時，本文提出的改進方法對諧波具有更好的抑制作用。

圖5 為在電壓下降且有直流分量的實驗結果。t=0.25 s 時，a 相電壓下降，t=0.37 s 時，b 相電壓加入直流成分。對比分析可得，在直流作用下，DSOGI-PLL 中包含些許直流分量尚未濾除，而本文提出的改進型DSOGI-PLL 由于加入了求差節點，直流偏移量對其的擾動可基本忽略。

圖6 為電壓下降且有頻率變動的實驗結果，t=0.25 s 時，a 相電壓下降，t=0.37 s 時，系統頻率變為45 Hz。通過頻率波形對比分析可得，DSOGIPLL 所得結果有±1 Hz 左右的誤差，文中所提改進型DSOGI-PLL 因有頻率自適應環節的存在將所測頻率誤差控制在±0.2 Hz 內。

圖4 電壓下降且加入諧波的實驗結果

圖5 電壓下降且有直流分量的實驗結果

圖6 電壓下降且有頻率變動的實驗結果

4 結論

通過上述具體實驗結果可得，面對電力系統中各類非理想電壓情況時，本文提出的改進型DSOGI-PLL 同步檢測方法具有良好的濾波精度，解決了電網中出現的諧波污染及直流偏置的問題；同時，由于頻率自適應環節的設置，對系統頻率波動具備較好的適應性，相較于改進前，擁有更佳的整體性能。