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一种基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环设计-机械制造论文一种基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环设计 一种基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环设计 李金格李明夏宏强 （焦作市明株自动化工程有限责任公司，河南 焦作 454000） 摘要随着电力电子技术的不断发展，PWM整流器技术在现今社会有着极为广泛的应用背景。而锁相环技术作为PWM整流器控制技术的核心之一，其性能直接影响到PWM整流器的并网控制性能。本文详细介绍了一种基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环设计，通过对锁相环的基本原理、数学建模、参数整定以及算法设计的详细阐述，完成此方案的理论分析和实际应用。 关键词PWM整流器；单相锁相环；数学建模；参数整定 Single Phase Locked Loop Design Based on Virtual Average Reactive Phase LI Jin-geLI MingXIA Hong-qiang （Jiaozuo Mingzhu Automation Engineering Co., Ltd., Jiaozuo Henan 454000, China） AbstractWith the development of power electronic technology，there is wide range of applications for PWM rectifier technology. As the core control technology of PWM rectifier, Phase locked loop technology affect the performance of grid-connected control directly. This text introduce in detail an single phase locked loop design based on virtual average reactive phase discrimination, this paper states in detailed the basic principle of phase locked loop、Mathematical Modeling、Parameters setting and algorithm Design，complete the theoretical analysis and practical use of this solution. Key wordsPWM Rectifier; Single phase locked loop; Mathematical Modeling; Parameters setting 0引言 锁相环，顾名思义，其基本功能是跟踪、锁定交流信号的相位，且在必要时还可以提供有关信号的频率和幅值。在PWM整流器控制中，为实现其网侧有功、无功功率控制，需要动态获取电网电压相位信息，这样就要求采用锁相环对电网电压进行锁相。 在实际应用中，电网往往存在电网不平衡、相位突变、电压跌落或骤升、频率变化、谐波污染的情况，这对相应的锁相环控制提出了更高的技术性能要求。可见，锁相环技术作为PWM整流器控制技术的核心之一，其性能直接影响到PWM整流器的并网控制性能。 本文提出的基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环，采用闭环控制器和滤波器分开设计的思想，在无用信号滤除的同时，有效的保证了电网波动时锁相环的动态响应和稳态特性。 1锁相环的基本原理 闭环锁相环一般由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成。图1中，输入信号为vi(t)，输出信号为vo(t)，将vo(t)直接反馈到输入端，经环路自动反馈控制后，使输出信号的角频率等于输入信号的角频率，此时输出、输入信号的相位差达到一个固定的稳态相差，即环路到达“锁定”状态，从而实现锁相1。 2控制系统数学模型及参数整定 2.1数学模型2 一般而言，锁相环设计的关键是鉴相器（PD）的设计，而单相锁相环鉴相器的设计有两种基本思路：基于单相变量的设计思路和基于两相正交的设计思路。本文讨论的平均无功鉴相的单相锁相环即为基于单相变量进行设计，根据如图2所示框图，对锁相环进行数学建模。 设锁相环的输入信号为： 2.2参数整定 在锁相环控制系统中，其控制器参数的整定直接影响到锁相环的动、静态特性。为了能够得到快速、稳定的控制效果，利用图3建立的传递函数模型进行对锁相环控制的性能进行分析，同时完成参数整定3。 由式（7）可以看出，闭环传递函数具有低通滤波器特性，能有效的滤除控制系统中的高次谐波。由式（8）可以看出，误差闭环传递函数的两个极点都在原点附近，说明控制系统即使在单位斜坡响应下，也没有稳态误差。 显然，式（7）为一个典型二阶系统，可以按照典型二阶系统进行控制器参数整定。通用二阶系统传递函数为： 将控制系统的闭环传递函数（式（7）和通用二阶系统传递函数（式（9）相比较，得出控制系统自然频率和相对阻尼系数为： 需要注意的是在锁相环闭环控制系统中，PI控制器有两个作用。（1）滤除电网的二次谐波信号；（2）电网相位角突变、电网波动时，对相位锁定进行动态调整。 3控制系统改进 如果锁相频率足够高的话，PI控制器将会有很好的滤波效果，此时在进行参数整定时，只需要关注控制系统的动态响应即可。但是电网频率往往很低（50Hz-60Hz），导致PI控制并不能有效的滤除高次谐波，从而影响到锁相环的性能。 因此控制系统设计时，在鉴相器的输出侧增加了一个陷波滤波器，可以有效的滤除二次谐波。此时PI控制器参数整定时只需要考虑锁相环的动态响应即可，而不用考虑其低通滤波器特性。优化后的控制系统框图如图4所示。 4结束语 本文阐述了基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环设计，对锁相环基本原理、控制系统数学模型建立、参数整定进行逐一分析，并在最后提出对控制系统的设计优化。在TI公司的TMS320F2812控制芯片上完成此套设计方案的应用4，完全可以适应电网电压不平衡、相位突变等恶劣条件下的电网锁相。 参考文献 1袁庆庆,戴鹏,符晓,伍小