基于DCCF-CDSC的非理想電網狀態下鎖相環設計

摘要：針對單同步旋轉坐標系鎖相環（SRF-PLL）在電網電壓非理想狀態時無法準確鎖相等問題，本文在SRF-PLL的基礎上，引入交叉耦合雙復系數濾波器（DCCF）和級聯延時信號消除（CDSC） 的濾波結構，設計一種新型PLL（DCCF-CDSC-PLL）.其中DCCF濾波器可以提取基波正負序分量；CDSC可以有效濾除諧波分量.仿真結果表明該鎖相環在電壓不平衡、諧波畸變、頻率突變下能夠快速準確鎖相.

關鍵詞：鎖相環；復系數濾波器；延時信號消除；諧波

中圖分類號：TM464"" 文獻標志碼：A

Phase-locked Loop Design underNon-ideal Grid Conditions Based on DCCF-CDSC

KANG Wen-na， WANG Bing， GAO Xuan-yu

（School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，HuaiNan" 232001， Anhui， China）

Abstract：Aiming at the problem that Single Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop （SRF-PLL） cannot accurately lock the equality when the grid voltage is not ideal， on the basis of SRF-PLL， a new type of PLL （DCCF-CDSC） is designed by introducing the filtering structure of cross-coupled double complex factor filter （DCCF） and cascaded delay signal cancellation （CDSC） on the basis of SRF-PLL. Where DCCF filter can extract the positive and negative sequence components of the fundamental wave; CDSC can effectively filter out harmonic components. Simulation results show that the phase-locked loop can be quickly and accurately phase-locked under voltage imbalance， harmonic distortion， and frequency abrupt changes.

Key words：PLL; complex coefficient filter; delay signal cancellation; harmonics

由于非線性負載的使用越來越頻繁，電網電壓會出現如三相電壓畸變、電壓不平衡、頻率突變等問題.這些因素會影響電網電壓同步鎖相，使電網質量變差，給電網造成的諧波污染更加嚴重.鎖相環是目前應用最廣泛的電網鎖相技術，它可以有效解決上述情況下的相位誤差問題［1-2］.

目前應用最廣泛的是單同步旋轉坐標系鎖相環（SRF-PLL）［3-4］，其結構簡單，能夠在電網電壓理想狀態時精確鎖相，動態響應速度快，但當電網電壓發生變化時，其檢測出的相位、頻率會有很大誤差.文獻［5］提出解耦雙同步旋轉坐標系鎖相環（DDSRF-PLL），在電壓不平衡時，其可以通過雙同步旋轉坐標系將交叉耦合的正負序分量分離，消除負序分量對鎖相精度造成的影響，然而對于電網電壓頻率突變的情形，DDSRF無法濾除諧波，頻率和相位穩定速度慢的分量.文獻［6］設計了雙二階廣義積分器鎖相環（DSOGI-PLL），能夠在電網不平衡時準確檢測電網頻率，減小相位誤差，但無法有效濾除電網中含有的直流偏移分量.文獻［7］采用級聯延時信號消除法（CDSC），該方法可以使用DSC模塊對特定次諧波進行濾除，當要濾除的電網中諧波次數越多，需要級聯的DSC模塊也越多，會使得系統動態響應時間增加，系統結構變得復雜.

針對在電網電壓不平衡、諧波畸變、頻率突變情況對電網頻率和鎖相精度造成的影響，本文提出一種基于DCCF-CDSC的鎖相環.仿真結果表明該鎖相環可以快速準確地跟蹤頻率、鎖定相位.

3 鎖相環設計

通過前文對交叉耦合的DCCF和級聯DSC的分析，證實其可以在電壓發生變化時消除對鎖相環的影響.在SRF-PLL的基礎上，將交叉耦合的DCCF作為鎖相環的環外濾波結構；將級聯DSC作為鎖相環的環內濾波結構，設計一種新型鎖相環CCF-CDSC-PLL，其結構如圖5所示.

圖5中三相電壓vabc經Clark變換為靜止兩相坐標系下的vαβ，經交叉耦合DCCF提取出正負序分量v+αβ、v-αβ；之后Park變換將v+αβ、v-αβ變換為兩相旋轉坐標下的v+d、v+q，通過級聯DSC濾除諧波；最后通過PI調節后將輸出的角頻率w反饋至DCCF，實現頻率和相位的零誤差追蹤.

4 仿真實驗及結果分析

為了驗證圖5鎖相環的有效性并與SRF-PLL進行對比，在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，在電壓不平衡、電壓畸變、頻率突變3種情況下進行仿真，觀察頻率和相位的變化.

電網電壓平衡時：設定三相線電壓vabc=380 V，基波頻率f=50 Hz.

4.1 電網電壓不平衡仿真

在0.05 s時，改變三相電壓幅值：a相電壓增加40%，c相電壓跌落50%，在0.1 s時，將a相電壓降至線電壓的50%，b相電壓保持不變.仿真結果和提取的基波正負序分量如圖6所示.

從圖6可以看出，三相電壓平衡時，SRF-PLL可以準確跟蹤電壓頻率和相位.在0.05 s時，三相電壓發生變化，SRF-PLL的頻率波動較大，而DCCF-CDSC-PLL的頻率較穩定；鎖相精度也更高；DCCF-CDSC-PLL仍可以將交叉耦合的正負序分量分離.

4.2 電網電壓含諧波仿真

在0.05 s時加入5次、7次和11次低次諧波，電壓幅值為0.05 pu；在0.1 s時注入30次高次諧波，電壓幅值為0.1 pu，電網電壓諧波發生畸變，仿真結果如圖7所示.

由圖7可知，在電網電壓穩定時，SRF-PLL，DCCF-CDSC-PLL都能夠穩定跟蹤頻率，當加入低次諧波時，SRF-PLL頻率波形發生震蕩，再次加入高次諧波時，震蕩更加劇烈，而DCCF-CD-SC-PLL具有較強的濾波能力，抗干擾能力強，可以一直保持頻率穩定.

4.3 頻率突變仿真

為了實現零穩態誤差鎖相，要求PLL在電網電壓頻率突變時同樣可以對頻率和相位精確檢測，在0.04 s時，將電網電壓頻率從50 Hz突變為53 Hz，仿真結果如圖8所示.

由圖8可以看出，當0.04 s頻率突變時，SRF-PLL頻率會發生較大變化，從50 Hz升高至83 Hz，隨后在0.02 s內驟降至53 Hz并保持穩定；DCCF-CDSC-PLL的頻率在一個周期內從50 Hz平穩升高至53 Hz后保持穩定，其頻率超調量低、相位精度高.驗證了DCCF-CDSC-PLL可以處理電網電壓發生頻率突變的情形.

5 結語

針對傳統鎖相環在電壓不平衡時無法精確跟蹤頻率和相位問題，本文在交叉耦合的雙復系數濾波器鎖相環基礎上，加入級聯DSC模塊濾除諧波，實現檢測頻率和相位的零穩態誤差.在Matlab中對兩種鎖相環進行對比仿真分析，由仿真結果可以看出，在電網電壓不平衡、諧波畸變、頻率突變情況下，DCCF-CDSC-PLL都可以快速準確跟蹤頻率、鎖定相位.

參考文獻：

［1］TONG L，ZOU X D，FENG SH SH，et al.An SRF-PLL-based sensorless vector controlusing the predictive deadbeat algorithm for the direct-driven permanent magnet synchronous generator ［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（6）：2837-2849．

［2］ 王寶誠，傘國成，郭小強，等.分布式發電系統電網同步鎖相技術［J］.中國電機工程學報，2012，33（1）：50-55.

［3］ GOLESTAN S，GUERRERO J，VIDAL A，et al.Small-signal modeling，stability analysis and design optimization of single-phase delay-based PLLs ［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（5）：3517-3527．

［4］ 程勇，張怡龍，畢訓訓，等．基于復系數-延時信號消除法的鎖相環設計［J］.電測與儀表， 2020，57（15）：123-128.

［5］ 唐軼，謝永強，王揚，等．基于解耦雙同步坐標變換的三相鎖相環研究［J］.電測與儀表，2017，54（8）：14-20．

［6］ 屈克慶，李文旗，趙晉斌，等．基于二階廣義積分器的非理想電網同步技術［J］．電力電子技術，2017，51（1）：72-77.

［7］ 謝門喜，朱燦焰，楊勇．多級延時消去濾波電壓頻率實時檢測方法［J］.電機與控制學報，2018，22（7）：35-43．

［8］ 王佳浩，潘歡，納春寧.電網電壓不平衡和諧波畸變下新型并網鎖相環設計［J］.電力系統保護與控制，2019，47（15）：108-115.

［9］ 徐鵬，陳國柱．基于快速重復控制內模的改進型復系數鎖相環［J］.電氣自動化，2019，41（1）：94-98.

［10］回楠木，王大志，李云路．改進型DSC的并網鎖相環直流偏移消除方法［J］.東北大學學報（自然科學版），2018，39（11） ：1526-1531．

［責任編輯：李 嵐］