并网系统软件锁相环设计

严双喜， 张建文， 嵇 伟， 俞 良

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116)

并网系统软件锁相环设计

严双喜， 张建文， 嵇 伟， 俞 良

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116)

并网控制系统的稳定运行需要快速准确地跟踪电网电压的相位和频率。根据软件锁相环(SPLL)原理，基于坐标变换建立了SPLL模型，仿真结果表明该锁相环在电网电压存在跌落、相位和频率突变情况下均能实现准确锁定。同时针对三相不平衡系统，设计了基于双同步旋转坐标系的解耦软件锁相环，详细分析了其锁相原理及数学模型，并通过仿真验证了其良好的锁相性能。

软件锁相环；坐标变换；并网系统；三相不平衡

近年，随着能源危机的日益加剧和人们环保意识的增强，基于风能、太阳能、燃料电池等新能源的分布式发电技术得到了空前的发展，并网技术成为一个重要的研究方向。在并网发电系统中，为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相，必须使用锁相环(PLL)技术[1-3]。

常用的锁相技术主要有：过零比较法、最小二乘法[4]、基于αβ坐标变换法[5]和变换锁相方法[6-8]等。过零比较法依赖于电压信号零点时刻的检测，当系统存在电压畸变时，电压信号零点并不一定是基波零点，且动态性能较差。最小二乘法动态响应速度快，能准确地锁定正序电压的相位，但对谐波的抑制较差。基于αβ坐标变换法可以检测任意时刻的电网电压同步相位，但检测结果受到三相不平衡的影响。为此，本文采用变换锁相方法。

1 软件锁相环

1.1 SPLL原理与模型

引入同步旋转坐标，将式(1)电压矢量由αβ坐标投影到dq坐标，其电压矢量图如图1所示。

图1 αβ与dq坐标下电压矢量图

由式(2)可知，当满足θ=θ′时，即锁相环的输出相位与电网电压相位保持同步，则有=0，因此可以通过控制=0来达到相位锁定的目的。锁相环控制原理图如图2所示。图中、、分别为三相输入电压，ω0表示三相电压的额定角频率，ω'表示锁相环的输出角频率，mod模块表示锁相环相位角以2 π为周期输出。

图2 dq锁相环控制原理图

1.2 SPLL的仿真结果

图3 电网电压跌落、相位突变和频率突变时SPLL仿真图

从图3中可以看出，0～0.05 s三相电网平衡条件下，SPLL能准确跟踪相位和频率；当三相电网发生电压跌落时，输出相位和频率不受任何影响，仍能实现准确锁定；在电网电压相位和频率发生突变情况下，输出相角和频率会有一个波动，但在20 ms内就能迅速锁定，且稳态误差为零，显示了良好的动态与静态性能。

三相电网不平衡情况下，在电网电压中注入负序分量，幅值为0.1 pu，初始相角为0，其仿真结果如图4所示。

图4 三相电网不平衡时SPLL的仿真结果

从仿真结果可以看出，SPLL难以实现良好的锁相效果。因此，必须对其进行改进，才能适用于三相不平衡系统。

2 三相电压不平衡条件下软件锁相环设计

2.1 双同步旋转坐标下SPLL模型

在三相不平衡电压条件下，不考虑电压谐波，根据对称分量法，则三相电压可表示为：

图5 双dq坐标下电压矢量图

在频率和相位锁定情况下即ω≈θ’时，有：

基于双坐标变换的解耦软件锁相环控制结构图如图8所示。

图中，LPF为一阶低通滤波器：

图6 +坐标系下的解耦单元

图7 -坐标系下的解耦单元

图8 基于双坐标变换的解耦软件锁相环控制结构图

2.2 双同步旋转坐标下SPLL的仿真

仿真参数：正序电压幅值311 V，负序电压幅值31.1 V，=1.415，=311.35，滤波器参数ω=222.14。

三相电网电压不平衡条件下的仿真结果如图9所示。

图9 不平衡电网条件下双SPLL仿真结果

从图9可以看出，当电网电压不平衡时，基于双同步坐标变换的解耦软件锁相环能准确锁定相角和频率。由于一阶滤波环节的存在，其频率波形存在明显的振荡，但在在40 ms内达到稳定。电网电压中正负序分量的幅值，如图10所示。

图10 正序和负序电压幅值

3 结论

并网系统中各种电力电子设备的安全、可靠运行都必须以电网电压同步信号作为控制基准，为此需要对电网的相位、频率和幅值实现快速准确的检测。本文根据并网系统锁相要求，分别设计了理想电网条件下和三相不平衡电网条件下的软件锁相环，并通过仿真验证了其原理和有效性，得出如下结论：(1)SPLL在理想电网电压条件下、电压跌落以及相位和频率突变情况下均能很好地锁定电网电压。(2)三相不平衡电网条件下，基于双同步坐标系下的解耦软件锁相方法不仅可以精确检测出正序电压的相位和频率，而且能够检测出电网电压中正负序分量的幅值，能适应三相不平衡情况下并网控制系统的快速准确监测。

[1]马尚行，戴永军，何金伟.光伏逆变器的并网控制技术研究[J].电源技术，2011,35(6):688-690.

[2]阚加荣，肖华锋，过亮，等.基于下垂锁相的逆变器并网控制策略研究[J].中国电机工程学报，2011,31(18):21-26.

[3]袁江伟，吕征宇.一种新型的单相并网系统锁相环[J].电力电子技术，2011,45(7):81-82.

[4]李彦栋，王凯斐，卓放，等.动态电压恢复器锁相技术和控制策略的研究[J].电力电子技术，2004,38(2):24-26.

[5]袁志昌，宋强，刘文华.改善动态相位跟踪和不平衡电压检测性能的改进软锁相环算法[J].电网技术，2010,34(1):31-35.

[6]吉正华，韦芬卿，杨海英.基于变换的三相软件锁相环设计[J].电力自动化设备，2011,31(4):104-107.

[7]周鹏，贺益康，胡家兵.电网不平衡状态下风电机组运行控制中电压同步信号的检测[J].电工技术学报，2008,23(5):108-113.

[8]周国梁，刘宣宣，石新春.前置相序分解型锁相环性能分析与仿真研究[J].南方电网技术，2010,4(6):65-69.

[9]陈海荣，张静，潘武略.同步相位与瞬时对称分量的检测新方法[J].高电压技术，2009,35(9):2150-2155.

Design of software phase-locked loop on grid connected system

The phase and frequency of the grid voltage could be quickly and accurately tracked by stable operation of the grid connected control system.According to the principle of the software phase-locked loop (SPLL),SPLL models were established based on the dq coordinate transformation.Simulation results show that the phase-locked loop can be accurately locked under voltage drop, mutated frequency and mutated phase. For three-phase unbalanced systems,decoupled double synchronous coordinate system software phase locked loop was designed, its lock-in principle and mathematical model were analyzed,and its good performance of phase-locked was verified by simulation.

software phase locked loop;dq coordinate transformation;grid connected system;three phase unbalance

TM 61

A

1002-087 X(2015)10-2277-03

2015-03-21

严双喜(1987—)，男，湖北省人，硕士生，主要研究方向为新能源并网发电控制技术；导师：张建文(1968—)，男，宁夏回族自治区人，教授，主要研究方向为高电压与绝缘检测技术、电气设备状态监测与故障诊断技术。