三相电压不平衡条件下锁相环设计

1、CompanyLOGO三相电压不平衡条件下锁相环三相电压不平衡条件下锁相环2011年年11月月Company LContentsClick to add TitleClick to add TitleClick to add TitleClick to add TitleClick to add TitleCompany L基于低通滤波器的锁相方法基于低通滤波器的锁相方法 为了避免检测过零点带来的问题， Karimi-Ghartemani.M和Reza Iravani.A提出了基于低通滤波器的锁相方法，其原理如图2-2所示。三相电网电压从三相静止坐标系转换为两相静止坐标系，利用常见的低通滤波器

2、滤除电网中的谐波干扰，然后对信号进行标么化处理，从而得到电网电压的相位，旋转矩阵R用于补偿滤波器所造成的相位滞后。参考文献 Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-FrequencyCompany L基于低通滤波器的锁相方法基于低通滤波器的锁相方法对于这种方法而言，在设计低通滤波器时，需要在系统滤波器的鲁棒性和动态响应之间做出折中的选择，较低的截止频率可以抑制系统谐波对相位检测的干扰，但是也相应的降低了系统的响应速度。另外，这种方法需求得反三角函数值，计算速度较慢，尤其

3、在系统频率变动和三相电压不平衡时，对畸变电压的抑制作用弱，因此无法正确锁相。缺点缺点Company L基于空间矢量滤波器基于空间矢量滤波器(SVF)的锁相方法的锁相方法空间矢量滤波器是一种用于空间矢量滤波的新型滤波器，它是基于电网电压的分量相互关系相互影响的基础上提出的。这时候电压矢量可以视为以恒定的幅值和频率旋转，有两个输入量。电网电压的模型可以表示为，可以在每个采样周期进行更新。假设采样频率及电网电压频率恒定，则下一个周期的电网电压模型可以估算出来，遗忘参数的大小决定了电网电压矢量对电网电压矢量模型的影响大小。滤波器的输出设为。则滤波器的表达式可以写为Company L基于空间矢量滤波器基

4、于空间矢量滤波器(SVF)的锁相方法的锁相方法主要缺点主要缺点 此锁相方法在稳态情况下不会产生任何相位滞后，其主要缺点仍然是对电网电压频率变换以及三相电网的不平衡非常敏感。Company L基于扩展卡尔曼滤波器基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的锁相方法的锁相方法卡尔曼滤波器可以用来估计电网电压幅值、相位以及频率的状态向量主要缺点主要缺点基本原理基本原理这种方法是建立在具有充分的状态空间模型能够反映状态向量的变化的基础之上的。而在各种各样的电网畸变情况下如何准确的设计滤波器使之适应状态向量的变化是十分困难的事情。另外这种方法同样不能解决三相电网不平衡带来的问题，而且卡尔曼滤波器庞大的计算量更加地限

5、制了这种方法的应用范围。Company L基于加权最小二乘法估计基于加权最小二乘法估计(WLSE)的锁相方法的锁相方法文献提出了一种基于加权最小二乘法估计(WLSE)的锁相方法，不但可以抑制不平衡系统中的负序分量的影响，而且能够提高对频率变化的鲁棒性。但此方法仍然存在不少缺点：当电网频率变化时，动态响应时间比较长；对电网噪声和畸变时的鲁棒性较差等。由以上分析可知，以上几种锁相方法都存在响应慢，对系统频率变化和三相电压不平衡较敏感问题，不适宜应用于电网畸变严重，动态响应要求高的场合。Company L并网变换器对锁相环的基本要求并网变换器对锁相环的基本要求（1）电网电压经常发生跌落、闪变等动态电

6、能质量问题，并且这些异常的出现均是不可预计而且需要及时补偿的。所以要求并网变换器能够对电网电压相位的变化在ms级的时间内能做出快速的响应，即要求并网变换器的锁相方法要有良好的动态性能，保证当电压跌落和骤升时不对锁相性能造成太大影响。（2）三相电压不平衡时，要求电力电子装置的锁相方法能够捕获正序基波分量的相位，对三相不平衡情况有很强的抑制作用。（3）锁相环应该能快速检测到电网电压发生相位、频率突变等问题。（4）要求锁相方法对畸变电压要有很强的抑制作用。（5）对于一些电力补偿装置如动态电压恢复器，锁相方法不仅要实时检测网侧电压的相位，而且要实时监测网侧电压的幅值变化状况用来判断并决定电力补偿装置的

7、工作模式。Company L基于单同步坐标系的软件锁相环（基于单同步坐标系的软件锁相环（SSRF SPLL）基本原理基本原理Company L基于单同步坐标系的软件锁相环（基于单同步坐标系的软件锁相环（SSRF SPLL）假设电网电压为三相平衡电压，因此可以表示为将电压信号从a b c三相坐标变换到坐标(clarke变换)为从,坐标变换到d ,q同步旋转坐标(park变换)为Company L基于单同步坐标系的软件锁相环基于单同步坐标系的软件锁相环数学模型：数学模型： 将锁相误差输入PI调节器，为加快锁相速度，将输出值加上初始工频角频率0，从而得到锁相的角频率输出，经过积分得到锁相相位值。由数

8、学模型可见，锁相环实质上是一个反馈控制系统，它与常规控制系统不同之处在于：常规控制系统采集的是经传感器转换或直接从系统采集的电压或电流信号，而PLL采集的则是相位信号。Company L基于双同步坐标系的解耦软件锁相环基于双同步坐标系的解耦软件锁相环参考文献：P. RodriguezDouble Synchronous Reference Frame PLL for Power Converters Controldq1sV1sV基本原理基本原理：双同步坐标系解耦软件锁相环是考虑电网电压负序分量对传统软件锁相环的影响而提出的算法，它包括了两个旋转坐标系.坐标系以频率旋转，旋转角度为输出电压矢量

9、图如图所示。为电压量，为电压负序分量，他们分别以角速度逆时针和顺时针旋转，该锁相环同时对两个序分量进行坐标变换，将其分解为正序和负序dq坐标系下得分量，并通过解耦网络和滤波环节，实现电压频率，相位，和幅值的检测。dq坐标系以频率旋转，旋转角度为最大的优点就是解决了三相不平最大的优点就是解决了三相不平衡电网电压的精确检测衡电网电压的精确检测Company L基于双同步坐标系的解耦软件锁相环基于双同步坐标系的解耦软件锁相环1110022cos()cos()cos()33SiSSSVVtkVtkVt在三相电网电压不平衡时，根据对称分量法，将电网电压矢量（只考虑基波电压）描述为正序电压分量、负序电压分

10、量和零序电压分量三者的合成，即 k=0,1,2110分别为正序、负序、零序基波电压的初始相位角。SiVabc 坐标变换Company L基于双同步坐标系的解耦软件锁相环基于双同步坐标系的解耦软件锁相环SiV电网电压矢量在坐标系下可描述为SV1SV1SV从上式中看出，在坐标系上电压矢量可分解为以角频为旋转的正序电压分量和以角频率为旋转的负序电压分量组成 。1dq1dq 它是由两个旋转坐标系组成，一个是以角频率为旋转的坐标系，旋转的角度为另一个是以角频率为旋转的 坐标系，旋转的角度为Company L基于双同步坐标系的解耦软件锁相环基于双同步坐标系的解耦软件锁相环tsin()ttcos()1t()

11、2tt 根据SSRF SPLL的锁相原理可知，正序变换的旋转角应该尽可能的接近于， 可见，在正序dq坐标系下，输出电压的正序分量变成了直流量，负序分量则变为2频率的交流分量；在负序dq坐标系下，输出电压的负序分量为直流量，而正序分量为2频率的交流量。而其中的二次谐波分量是由于正序分量和负序分量在与之旋转方向相反的坐标系中分解造成的，它可以简单地看成是锁相环在检测正负序分量幅值过程中所受到的扰动，简单地通过滤波的方式抑制这种扰动难以达到令人满意的效果。Company L解耦网络的建立解耦网络的建立Company L解耦网络的建立解耦网络的建立Company L解耦网络的建立解耦网络的建立采用了如

12、图所示的解耦单元 Company L基于双同步坐标系的解耦软件锁相环基于双同步坐标系的解耦软件锁相环通过以上的分析可以知道正负序dq坐标系下，输出电压之间存在一定的联系可以对其进行解耦计算，可得Company L基于对称分量法的单同步坐标系的锁相环基于对称分量法的单同步坐标系的锁相环 基本原理基本原理:是首先通过计算将不平衡电压中的正序分量分解出来，然后将正序分量作为SSRF SPLL的输入，从而抑制了电压中的负序分量所导致的2次谐波分量的影响。正序分量可以通过如下公式分解出来:Company L基于对称分量法的单同步坐标系的锁相环基于对称分量法的单同步坐标系的锁相环Company L基于对称

13、分量法的单同步坐标系的锁相环基于对称分量法的单同步坐标系的锁相环利用EPLL能获得基波电压和移相90的电压信号，再根据公式可实现基波正序电压的提取。可以消除三相电压不平衡造成的影响，并对谐波有很强的抑制作用。Company L三种锁相环的比较三种锁相环的比较 当三相电压平衡时，三种锁相环都能够准确锁相，在相同的PI控制参数条件下，SSRF SPLL的动态响应速度较快。 当电压发生频率、相位突变时，三种锁相环都能及时、快速的进行重新锁相。 当当三相电压中含有低次谐波时三相电压中含有低次谐波时，SSRF SPLL抑制谐波的能力较差，只能靠降低带宽来减弱谐波的影响，却大大地影响了动态响应速度。DDS

14、RF SPLL因自身含有滤波环节，对谐波有一定的抑制作用。EPLL-SSRF SPLL是通过二次滤波后，再进行锁相，抑制谐波的能力较强。 当电网电压发生偏移电网电压发生偏移时，DDSRF SPLL和SSRF SPLL的锁相效果不受影响，但EPLL-SSRF SPLL不能准确锁相，主要因为EPLL不能对输入电压进行准确的基波和相位检测。Company L三种锁相环的比较三种锁相环的比较 SSRF SPLL所产生的误差信号始终含有频率为2的谐波信号，只有通过降低系统带宽来减小静差，做不到无静差控制，锁相效果受到很大的影响。 DDSRF SPLL有效的分离出三相正序电压及其幅值的有效值，消除误差信号所含的2次谐波，控制正序分量跟随正序参考给定且稳态无静差，抑制交流负序分量对正序dq坐标上的影响，保证了