一種單相軟件鎖相方法

徐 武（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029）

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一種單相軟件鎖相方法

徐 武
（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029）

摘 要：在新能源并網(wǎng)發(fā)電、FACTS設備控制等應用中，均需要準確檢測電網(wǎng)相位，鑒于硬件鎖相環(huán)靈活性較差，而常規(guī)軟件鎖相環(huán)需要對三相信號同步采集，軟硬件要求更高。本文提出一種軟件單相軟件鎖相方法，通過周期積分的方法完成二次以上諧波濾除，還可用于提取各次諧波幅值。本文介紹了軟硬件實現(xiàn)方法，實驗驗證了結果的正確性。

關鍵詞：電網(wǎng)相位；單相軟件鎖相；周期積分；諧波幅值

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，新能源發(fā)電裝置得以大量應用，各種類型的FACTS（交流靈活輸電）裝置也逐步裝備于電網(wǎng)，其中大量應用采用電壓源逆變器，在新能源并網(wǎng)和FACTS裝置工作過程中，往往需要實時跟蹤電網(wǎng)交流電壓的相位并保持同步。

相位檢測的準確性與否，直接決定了并網(wǎng)型逆變器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)控制性能。目前逆變器中常用的鎖相方法可以分為兩類，其一是硬件鎖相環(huán)，其二為軟件鎖相環(huán)。硬件鎖相電路通常是檢測并網(wǎng)側(cè)電壓的實際過零點確定相位差，最終實現(xiàn)鎖相。由于每個周期電網(wǎng)電壓只有兩個過零點，實際上就限定了鎖相的速度；尤其是在一些特定的場合下，如光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，光伏并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)之間往往需要經(jīng)過較長的連線線路，線路上的電感在功率開關作用下，使得交流側(cè)采集的并網(wǎng)電壓信號含有開關電壓紋波的畸變信號；某些情況下，紋波電壓甚至超過電網(wǎng)電壓峰值，再加上采集回路中的干擾信號，最終可能造成采集的電網(wǎng)電壓信號包含若干個實際過零點位置，若仍采用過零點檢測的方法，將會帶來嚴重的電壓相位變化，檢測誤差加大。相比之下，軟件鎖相環(huán)的使用靈活性較好，且可以實現(xiàn)更為靈活的鎖相控制方法。軟件鎖相中算法的合理性和鎖相計算的速度直接影響鎖相控制的精度。

在實際應用中，文獻較多地研究了三相鎖相環(huán)，但仍然有很多單相電能變換的場合，此時應考慮單相鎖相的方法改進。例如牧區(qū)家用單相光伏系統(tǒng)，電機車組動力牽引變換裝置中，對單相鎖相的快速性和準確性都提出了較高的要求。

為解決上述問題，本文提出了一種基于周期積分的單相軟件鎖相方法，以提升系統(tǒng)響應速度和抗干擾能力。

1 單相軟件鎖相實現(xiàn)原理

1.1 基于周期積分法的單相軟件鎖相方法

以A相電壓為例說明，若電網(wǎng)電壓信號ua具有如下的基本形式：

圖1 軟件流程圖

圖2 采集及調(diào)理電路

ua=Umsin（θ+ωt）+U0

式中：θ為需要跟蹤的相位，Um為A相電壓的幅值，u0為由于測量或其他因素導致采樣信號中參雜的直流因素。

為實現(xiàn)鎖相的目的，需要根據(jù)電網(wǎng)電網(wǎng)角頻率ω，在DSP中建立離散的標準正弦表和標準余弦表。

其中正弦表值為U1（KT）=sin （ωkT），余弦離線表為U2（KT）=cos （ωkT）。

T為采樣周期，根據(jù)系統(tǒng)要求確定。

將采樣的電壓信號u與內(nèi)部基準正余弦信號進行乘積運算，得：

觀察結果可以看出，這兩式中均有二次諧波2ωkT，必須消除才能獲得鎖相信號。由于電網(wǎng)電壓以ωT為周期，可以采用周期累加法來消除二次諧波成分，具體方法如下：

由式（6）即可求得被測電壓的基波幅值和相位。

由式中r的極性和大小，查表可得所求相位。

若在DSP內(nèi)部建立二次以上諧波的正余弦表格，按照上述類似的方法，也可以用于提取各高次諧波的幅值。

圖3 基于周期積分法的鎖相結果

1.2 軟件流程圖

根據(jù)1.1節(jié)的原理，本文設計了相關的軟件歷程圖，如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集硬件電路

電網(wǎng)電壓量的準確采集是軟件鎖相控制的基礎。本文設計了電網(wǎng)電壓采集及調(diào)理電路。電網(wǎng)電壓的測量采用TKEN TV10/25A霍爾傳感器；因主控制器TMSF28335 DSP 上AD只能接受0～3V的直流電壓信號，為實現(xiàn)對交流信號的采集，需對交流信號進行直流偏置及限幅處理，調(diào)理電路如圖2所示。其中Vin即為要采樣的電網(wǎng)電壓，OPA4340為軌至軌運放，輸出電壓與輸入之間的關系為：Vo=R2/R1?（V2-V1）+1.65，經(jīng)傳感器輸出的交流信號，采用雙端輸入，可有效抑制共模干擾。

3 實驗結果

本文采用DSP28335作為主控單元，實現(xiàn)單相軟件鎖相算法，圖3為采用該方法鎖相的效果。圖中usa為電源A相電壓。圖3中θ為鎖相得到的A項基波電壓的相位角，其變化與A相電壓對應稱余弦變化關系；再把此鎖相相位角作為A相參考電流ias輸出，可以看到與鎖相的電壓信號完全對應，說明鎖相精度較高。

結語

本文針對目前新能源并網(wǎng)裝置鎖相的特殊要求，提出一種基于周期積分的單相軟件鎖相方法，分析了原理和實現(xiàn)方法，軟硬件電路相對簡單，且實驗證明了單相鎖相方法的正確性。

參考文獻

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中圖分類號：TM461；TK514

文獻標識碼：A