幾種典型鎖相環技術的分析

王懿琳

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幾種典型鎖相環技術的分析

王懿琳

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南 232000）

鎖相環技術是保證準確并網的關鍵。本文選擇了三種典型鎖相環，對其結構進行分析，簡述了其適用場合以及不足之處，并總結與展望了鎖相技術的發展狀況。

鎖相環 同步旋轉坐標系 MAF 雙解耦

0 引言

當今，隨著煤炭、石油等能源的局限性使用以及環境問題引起大幅度關注，環保且可再生的新能源的發展愈來愈得到重視。但不管是太陽能、風能等新能源發電，都需要實時檢測電網電壓的相位和頻率，以便順利并網，供給使用。然而電網是一個復雜的動態系統，不斷并入或斷開的負載、設備出現故障等因素容易使電網產生一些問題，且這些問題的出現不可預計。因此要求并網時能對電網電壓相位的變化做出快速響應。

理想電網環境下，電壓中只含基波，只需先對其進行同步坐標系變換，再經過鎖相環獲得電網電壓的相位和頻率。在電網發生畸變、電壓不平衡等非理想環境下，電網電壓中除了正序分量，還包含了諧波分量和負序分量。只有采取措施，過濾諧波和負序分量，準確提取所需的電網電壓正序分量，才可以獲知并網時的頻率和相位。

本文將一些同步鎖相方法進行列舉，并分析了其可取之處與不足之處。

1 基于單同步旋轉坐標系的鎖相環

三相電網電壓瞬時值經Park變換后得到d軸和q軸分量，由其向量示意圖可知，鎖相環輸出角控制著dq坐標系下的旋轉角度，q軸的分量反應著電網電壓與d軸的相位關系，若調節使q軸電壓分量為零，則此時實現相位鎖定。

圖1 矢量圖

在理想電網環境下，電網電壓不含有諧波分量或負序分量等干擾，SRF-PLL可以準確提取電網基波正序的電壓幅值與相位角[1]；當電網含高次電壓諧波時，為使得濾波效果良好，會選擇適度降低鎖相環系統的寬帶。但是當電網電壓三相不平衡時，基波負序分量的存在使得單純降低系統寬帶并不能取得理想效果，并且持續降低系統寬帶會拖慢系統動態相應速度。

2 基于滑動平均濾波器的鎖相環

MAF本質上是一種低通濾波器[2]，基于MAF的鎖相環MAF-PLL可以完全消除電壓不平衡、負序以及高次諧波甚至直流偏置對傳統鎖相環的影響，除此之外，該鎖相環還具有數字實現簡單，計算量低等優勢。

圖2 滑動平均濾波器鎖相環結構圖

但該鎖相環若想要達到濾除最低次諧波的要求，則其動態響應會受到影響，速度明顯緩慢，兩者負相關的影響使得該方法略有缺陷。

3 基于雙解耦同步旋轉坐標系的鎖相環

部分學者[3-4]提出了一種解耦雙同步參考坐標系鎖相環的方法，其結構如圖所示。該方案將不對稱電網電壓經過雙dq變換之后，電壓正序分量中含有2倍頻的電網負序分量及變換后輸出的正序直流分量。電壓負序分量中含有2倍頻的電網正序分量以及變換后輸出的負序直流分量。在以基波電壓為前提情況下，可以簡單認為是負序電壓的存在，導致了震蕩擾動，引起了耦合。此時便提出了，利用數學思維解耦以消除電網電壓不平衡下的振蕩干擾量，再通過PI控制器環節輸出電網電壓正序分量的頻率和相位[5]。實現了d-q軸基波正負序分量的分離。

該方法在負序分量影響較大的情況下，可以起到較好的鎖相作用。但是數學計算繁瑣，設計結構較為復雜，且實驗表明在高次諧波和直流偏置存在下，效果不佳，同時低通濾波器的使用會降低系統的動態響應速度。

4 鎖相環應用時存在的問題及解決方法

對于三相系統，電網電壓的檢測往往在同步參考坐標系下進行，其頻率追蹤具有自適應性，在一般電網波動不明顯的情況下都能滿足同步要求[6]。對于單相系統，國外學者提出通過增強靜止參考坐標系下的鎖相環或者使用鎖頻環達到頻率跟蹤的目的。而在同步參考坐標下，為實現相位頻率跟蹤，PLL輸出的相位和頻率，既要提供正交信號發生器所需的中心頻率，還要提供park變換所需的旋轉角度。一般同步坐標系下的鎖相環就很難兼顧到此類高要求，據此有學者提出了解耦雙同步參考坐標系下的鎖相環。

圖3 雙解耦同步鎖相環結構圖

在三相不平衡電網下，國外學者提出了一種基于瞬時對稱分量法的單同步參考系鎖環。中國學者提出了延遲信號抵消，基于復系數傳遞函數的鎖相環，基于正弦幅度積分器的鎖相環等。與此同時，為了消除諧波和負序分量的影響，已經提出了各種解決方案。例如，二階廣義積分鎖相環，解耦多同步坐標系鎖相環，多通道復系數傳遞函數鎖相環，多通道正弦幅度積分相位鎖相環，目前這些方法被廣泛使用在諧波畸變和三相電壓不平衡的三相電網系統同步信號提取中。

當并網鎖相受到直流分量的影響時，常規解決方法是先對輸入電壓信號經過高通濾波器濾波，鎖相環經過相位補償以獲得所需的鎖相信號。這種方法很簡單，但添加一個高通濾波器會減慢PLL的響應速度。為此，一些學者提出采用正負半周積分方法，并增加改進的SOGI-OSG結構以消除直流偏壓產生的影響。然而，這兩種方法僅適用于單相系統，不能直接應用于三相電網系統。另有學者通過增加積分單元來消除直流分量，雖然取得不錯的效果，但結構相對復雜，對于諧波畸變、電網電壓不平衡的環境下難以適用。一些國外學者提出SOGI-LKF方案結合SOGI和線性卡爾曼濾波器消除諧波和直流分量。然而，該方法的收斂速度取決于卡爾曼濾波器的合理配置，并且該方案的動態效果不理想。國內學者提出，基于SRF-PLL，正弦振幅積分器被添加到dq輸出信號中，以分離dq軸分量的交流分量和直流分量。有效消除了非理想電網環境和含直流分量的影響，精準提取出基波同步信號。

5 結束語

本文選擇了基于單同步旋轉坐標系的鎖相環、添加濾波器改進的鎖相環以及雙解耦同步鎖相環這三種典型鎖相環進行了理論分析。論述了SRF-PLL適用于較良好的電網環境，含MAF的鎖相環適用與含高次諧波以及直流偏置的電網環境下，而雙解耦同步坐標系鎖相環適用于電網環境含有較多各種干擾分量的情況下。隨著技術的發展，將會有更加優異的鎖相環產生。

[1] 王金玉. 基于MMC的柔性直流輸電穩態分析方法及控制策略研究[D]. 山東大學, 2017.

[2] Robles E, Ceballos S, Pou J, et al. Variable-Frequency Grid-Sequence Detector Based on a Quasi-Ideal Low-Pass Filter Stage and a Phase-Locked Loop[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(10): 2552-2563.

[3] 吳耀, 龐科旺. 解耦雙同步參考坐標系鎖相環仿真研究[J]. 科學技術與工程, 2013, 13(32): 9711-9713.

[4] 李繼俠, 楊蘋. 基于解耦的雙同步坐標系的三相鎖相環設計[J]. 電源技術, 2015, 39(3): 600-603.

[5] 劉延東. 基于正弦幅值積分器的單同步坐標系同步信號提取策略[D]. 重慶大學, 2014.

[6] 文武松, 張穎超, 王璐,等. 并網功率變換器的電網電壓同步算法[J]. 清華大學學報:自然科學版, 2017(6): 637-643.

Analysis of Several Typical Phase Locked Loops

Wang Yilin

(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University Of Science And Technology, Huainan 232000, Anhui, China )

TM721

A

1003-4862（2018）10-0053-03

2018-05-21

王懿琳（1994-），研究生，研究方向：電力電子。E-mail: 839589325@qq.com