基于雙派克變換的新型三相鎖相環(huán)技術(shù)*

李研達(dá)

(安陽師范學(xué)院 a. 物理與電氣工程學(xué)院， b. 河南省光伏并網(wǎng)發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 安陽 455000)

基于雙派克變換的新型三相鎖相環(huán)技術(shù)*

李研達(dá)a，b

(安陽師范學(xué)院 a. 物理與電氣工程學(xué)院， b. 河南省光伏并網(wǎng)發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 安陽 455000)

針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡故障時(shí)，三相鎖相環(huán)輸出存在二倍頻諧波擾動(dòng)問題，提出了一種基于雙派克變換的新型鎖相環(huán).對(duì)電壓信號(hào)分別進(jìn)行正序派克變換和負(fù)序派克變換，并將負(fù)序派克變換中的直流量乘以變換矩陣，通過交叉解耦可消除正序派克變換中的二倍頻分量，有效提取了基波正序直流分量，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡條件下的相位和頻率準(zhǔn)確跟蹤.在Matlab/Simulink環(huán)境中建立了仿真模型，分析了鎖相環(huán)在電網(wǎng)不平衡下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng).結(jié)果表明，本文提出的鎖相環(huán)較傳統(tǒng)的鎖相環(huán)而言，在電網(wǎng)故障下更能精確檢測(cè)電壓相位和頻率信息.

鎖相環(huán)； 三相不平衡； 二倍頻； 雙派克； 正負(fù)序分量； 直流量； 交叉解耦

鎖相環(huán)能夠有效檢測(cè)電網(wǎng)電壓信號(hào)的幅值、相位和頻率等信息，目前被廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)變流器的控制算法中，以實(shí)現(xiàn)新能源變流器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同步[1-2].在并網(wǎng)變流器控制中，通常將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成正交的兩直流信號(hào)進(jìn)行控制，以達(dá)到PI無靜差控制，其中從三相轉(zhuǎn)換到兩相的參考相位都來自于鎖相環(huán)，因此，鎖相環(huán)的輸出精度對(duì)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換起到了至關(guān)重要的作用[3].為提高新能源并網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)鎖相環(huán)功能提出了更高的要求，需要鎖相環(huán)在各類擾動(dòng)下均能有效地跟蹤電網(wǎng)電壓正序分量的幅值、相位和頻率，同時(shí)具有較高的檢測(cè)精度和響應(yīng)時(shí)間.

鑒于鎖相環(huán)在新能源并網(wǎng)控制中的重要性，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究.文獻(xiàn)[4-6]介紹了基于過零鑒相器的鎖相環(huán)，通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)和周期實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓相位的跟蹤，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓處于擾動(dòng)情況下會(huì)對(duì)過零點(diǎn)的檢測(cè)產(chǎn)生影響，使結(jié)果存在一定的偏差；文獻(xiàn)[5-7]提出了一種基于乘法鑒相器的鎖相環(huán)，將輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相乘，并通過濾波再經(jīng)PI控制器即可得到輸出相位信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)鎖相功能，此方法簡單易于實(shí)現(xiàn)，但環(huán)路濾波器的帶寬需設(shè)計(jì)的很窄，不利于響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[8-9]提出了一種基于同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)，根據(jù)派克變換實(shí)現(xiàn)三相到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，通過控制無功分量即可實(shí)現(xiàn)鎖相.該鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓平衡時(shí)，能夠取得較好的鎖相效果，然而在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)導(dǎo)致三相不平衡時(shí)，輸出因含負(fù)序分量而導(dǎo)致出現(xiàn)大量的二次諧波分量，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性.上述研究在理想電網(wǎng)情況下都具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，但是當(dāng)電網(wǎng)處于不平衡擾動(dòng)時(shí)，如何保證輸出的穩(wěn)定性和精確性，給鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)帶來了一定的挑戰(zhàn).本文提出一種基于雙派克變換的新型三相鎖相環(huán)，對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)分別進(jìn)行正序派克變換和負(fù)序派克變換，提取了基波正序直流分量，從而準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓不平衡條件下的相位和頻率信息，并用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

1 設(shè)計(jì)原理

實(shí)際的電網(wǎng)電壓會(huì)因各種故障或擾動(dòng)而導(dǎo)致不平衡，而不平衡的電網(wǎng)電壓會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)的輸出產(chǎn)生各種誤差，從而影響新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10].電網(wǎng)電壓在不平衡情況下的表達(dá)式為

(1)

式中：ea、eb、ec為電網(wǎng)三相實(shí)際電壓；Em為電網(wǎng)電壓正常時(shí)的幅值；θ為a相電壓的相位；χ和γ分別為不平衡常數(shù).式(1)在兩相坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

(2)

式中，eα、eβ為電網(wǎng)電壓在靜止坐標(biāo)系下的電壓.由式(2)可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓處于三相不平衡時(shí)，兩相靜止坐標(biāo)系下的分量不是完全正交的.根據(jù)派克變換，式(2)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸表達(dá)式為

(3)

(4)

從式(4)可以看出，鎖相環(huán)輸出的無功直流分量因電網(wǎng)電壓不平衡而產(chǎn)生了電網(wǎng)電壓兩倍頻率的誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)的幅值和電網(wǎng)電壓基波信號(hào)幅值相等，會(huì)給鎖相環(huán)的輸出精度帶來較大的誤差.針對(duì)二倍頻誤差信號(hào)，可利用低通濾波器將其濾除，但截止頻率設(shè)計(jì)過低會(huì)影響鎖相環(huán)輸出的動(dòng)態(tài)性能.

2 雙派克變換的三相鎖相環(huán)

為了解決上文描述中的二倍頻問題，本文提出了一種基于雙派克變換的三相鎖相環(huán).根據(jù)電路原理中三相穩(wěn)態(tài)電路的基本思想，可將任意三相信號(hào)分解為對(duì)稱的三相正序分量、三相對(duì)稱的負(fù)序分量以及三相對(duì)稱的零序分量[11-12].對(duì)于零序分量而言，其不影響輸出結(jié)果，可不考慮，故只需對(duì)分解的正序分量和負(fù)序分量分別進(jìn)行正序派克變換和負(fù)序派克變換，將其分解為直流分量和二倍頻交流分量.

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行兩次坐標(biāo)變換，即對(duì)輸入信號(hào)的正負(fù)序分量分別進(jìn)行派克變換可得

(5)

(6)

(7)

(8)

圖1 雙同步坐標(biāo)變換中的電壓矢量圖

根據(jù)假設(shè)條件及坐標(biāo)關(guān)系，可得到近似關(guān)系式，即

(9)

將式(9)代入式(6)和式(8)可得

(10)

(11)

由式(10)和式(11)可以看出，正序派克變換中的二倍頻分量是由負(fù)序派克變換的幅值分量乘以變換矩陣得到的，負(fù)序派克變換中的二倍頻分量是由正序派克變換的幅值分量乘以變換矩陣得到.因此，可以將上述二倍頻分量通過交叉解耦進(jìn)行消除，解耦后靜止坐標(biāo)系下的正序分量則為

(12)

所以只需要控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的q軸分量為零，即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓在不平衡狀況下的相位跟蹤.

基于上述分析，本文提出的雙派克變換鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，圖2中，Tαβ為三相到靜止兩相的坐標(biāo)變換矩陣，LPF為低通濾波器，VCO為鎖相環(huán)的壓控振蕩環(huán)節(jié).通過雙派克變換的自解耦模型提取電網(wǎng)電壓不平衡條件下的基波正序分量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了二倍頻的抑制，進(jìn)一步使有效的基波無功正序分量經(jīng)過環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，達(dá)到電網(wǎng)電壓不平衡條件下的跟蹤.

圖2 雙派克變換三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

3 仿真分析

根據(jù)上述理論分析，在Matlab/Simulink中搭建了基于雙派克變換的三相鎖相環(huán)仿真模型，并與傳統(tǒng)的三相鎖相環(huán)進(jìn)行了對(duì)比分析.假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相不平衡，各相表達(dá)式分別為

(13)

圖3為輸入的三相不平衡電網(wǎng)電壓波形，圖4為鎖相環(huán)輸出的無功直流分量，也即是鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)，從圖4中可以看出，針對(duì)傳統(tǒng)的三相鎖相環(huán)而言，當(dāng)電網(wǎng)電壓處于不平衡時(shí)，會(huì)造成環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)含有大量的二次諧波分量，而采用本文提出的雙派克變化自解耦方法能夠有效抑制二倍頻諧波分量，輸出無脈動(dòng)的直流信號(hào).

圖5和圖6分別為鎖相環(huán)輸出頻率和正弦信號(hào)的對(duì)比分析結(jié)果，仿真對(duì)比說明，傳統(tǒng)鎖相環(huán)在電網(wǎng)不平衡時(shí)，輸出頻率因二倍頻分量存在，波動(dòng)較大，使得輸出的正弦信號(hào)也發(fā)生畸變，而本文提出的基于雙派克變換的鎖相環(huán)具有更好的二倍頻諧波抑制和跟蹤效果，能夠?qū)崿F(xiàn)鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的跟蹤.

圖3 三相不平衡電網(wǎng)電壓

圖4 鎖相環(huán)正序無功直流分量

圖5 鎖相環(huán)輸出頻率

圖6 鎖相環(huán)輸出正弦信號(hào)

圖7為提出算法鎖相環(huán)的輸出相位穩(wěn)態(tài)波形，并將其與幅值縮小的a相電壓波形進(jìn)行了對(duì)比分析(其中仿真圖中a相電壓幅值縮小至了6.2 V).從圖7中可以看出，鎖相環(huán)輸出的相位與輸入信號(hào)保持了完全的一致，說明提出的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)能夠很好地跟蹤輸入信號(hào)的相位，穩(wěn)態(tài)誤差較小.

圖7 鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)輸出相位

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)鎖相環(huán)受電網(wǎng)電壓不平衡影響較大的問題，本文提出一種基于雙派克變換的新型鎖相環(huán)技術(shù)，鎖相環(huán)能夠在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓正序基波分量的相位和頻率，與傳統(tǒng)方法的仿真對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了所提新型鎖相環(huán)的可行性和有效性，具有一定的借鑒價(jià)值.

[1]王寶歸，李澤泉，林勇，等.并網(wǎng)型電力電子裝置數(shù)字鎖相環(huán)研究 [J].大功率變流技術(shù)，2012(4)：39-42.

(WANG Bao-gui，LI Ze-quan，LIN Yong，et al.Study on digital phase-locked loop for grid-connected power electronic device [J].High Power Converter Techno-logy，2012(4)：39-42.)

[2]王湘明，肇文婷.風(fēng)電并入微網(wǎng)逆變器合成諧波阻抗諧波抑制 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(2)：143-148.

(WANG Xiang-ming，ZHAO Wen-ting.Synthesis harmonic impedance for harmonic suppression of wind power micro-grid inverter [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(2)：143-148.)

[3]溫華生，謝潮.基于dq變換的三相自適應(yīng)鎖相環(huán)技術(shù) [J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，32(2)：151-155.

(WEN Hua-sheng，XIE Chao.Three-phase adaptive phase-locked loop based ondqtransformation [J].Journal of Shanghai University of Electric Power，2016，32(2)：151-155.)

[4]戴永輝，洪巧文，蔡逢煌，等.一種基于多過零鑒相器的數(shù)字鎖相環(huán) [J].電源學(xué)報(bào)，2012(5)：58-62.

(DAI Yong-hui，HONG Qiao-wen，CAI Feng-huang，et al.A DPLL based on multi-zero-crossing phase detector [J].Journal of Power Supply，2012(5)：58-62.)

[5]曹小麗.光伏并網(wǎng)軟件鎖相技術(shù)的研究 [D].南昌：南昌航空大學(xué)，2013：1-76.

(CAO Xiao-li.The research on software phase locked loop of PV grid-connected generation system [D].Nanchang：Nanchang Hangkong University，2013：1-76.)

[6]袁慶慶，戴鵬，符曉，等.單相電力鎖相環(huán)技術(shù)綜述 [J].變頻器世界，2010(7)：43-46.

(YUAN Qing-qing，DAI Peng，F(xiàn)U Xiao，et al.An overview of single-phase power phase-locked loop tech-nique [J].The World of Inverters，2010(7)：43-46.)

[7]胡為兵，熊杰.一種新穎的鎖相環(huán)的研究 [J].電氣技術(shù)，2008(1)：69-71.

(HU Wei-bing，XIONG Jie.Research on a novel phase-locked loop system [J].Electrical Engineering，2008(1)：69-71.)

[8]洪小圓，呂征宇.基于同步參考坐標(biāo)系的三相數(shù)字鎖相環(huán) [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(11)：203-210.

(HONG Xiao-yuan，Lü Zheng-yu.Research on a novel phase-locked loop system [J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012(11)：203-210.)

[9]胡應(yīng)占，郭素娜.適用于電網(wǎng)不平衡時(shí)的廣義積分器鎖相環(huán)設(shè)計(jì) [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014(11)：148-154.

(HU Ying-zhan，GUO Su-na.Design of generalized integrator phase locked loop for unbalanced grid [J].Power System Protection and Control，2014(11)：148-154.)

[10]閆斌斌，賈焦心.電壓不平衡且畸變下基于平均值環(huán)節(jié)鎖相環(huán)的研究 [J].黑龍江電力，2015，37(6)：483-486.

(YAN Bin-bin，JIA Jiao-xin.Research on phase locked loop based on mean value links under unbalanced and distorted voltage [J].Heilongjiang Electric Power，2015，37(6)：483-486.)

[11]陳國棟，朱淼，蔡旭.一種軟件鎖相環(huán)和電壓跌落檢測(cè)新算法 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(25)：5385-5394.

(CHEN Guo-dong，ZHU Miao，CAI Xu.A new algorithm for software phase locked-loop and voltage sag detection [J].Proceedings of the CSEE，2014，34(25)：5385-5394.)

[12]江燕興，潘逸菎，竇偉.一種用于光伏并網(wǎng)逆變器的高性能鎖相環(huán)設(shè)計(jì) [J].電工電能新技術(shù)，2016，35(7)：75-80.

(JIANG Yan-xing，PAN Yi-kun，DOU Wei.Design of high-performance phase locked loop used ingrid-connected inverter [J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2016，35(7)：75-80.)

(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Novel three phase locked loop technique based on double Park transformation

LI Yan-daa，b

(a. School of Physics and Electrical Engineering, b. Henan Photovoltaic Grid Connected Power Generation and Energy Storage Technology Engineering Laboratory, Anyang Normal University, Anyang 455000, China)

Aiming at the problem that the double frequency harmonic perturbation exists in the output of three phase locked loop (PLL) when the power grid voltage has unbalanced fault, a novel PLL based on the double Park transformation was proposed. The positive and negative sequence Park transformation for the voltage signal was carried out, respectively. In addition, the DC component in the negative sequence Park transformation was multiplied by the transformation matrix, and the double frequency component in the positive sequence Park transformation could be eliminated through the cross decoupling. The fundamental positive DC component was effectively extracted, and the accurate tracking of phase and frequency could be realized under the unbalanced grid voltage condition. A simulation model was established in the Matlab/Simulink environment, and the steady state response of PLL under the unbalanced grid voltage was analyzed. The results show that compared with the traditional PLL, the proposed PLL can detect the voltage phase and frequency information more accurately under the grid fault.

phase locked loop (PLL); three-phase unbalance; double-frequency; double Park; positive and negative sequence component; DC component; cross decoupling

2016-09-18.

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(152102210294)； 河南省教育廳自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(14B470004).

李研達(dá)(1982-)，男，河南安陽人，講師，碩士，主要從事光伏發(fā)電技術(shù)、系統(tǒng)智能控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.03

TM 615

A

1000-1646(2017)03-0253-05

*本文已于2017-03-28 17∶02在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170328.1702.012.html