基于改进型双二阶广义积分器的软件锁相环实现

孟彦京， 吴　辉， 王素娥

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



基于改进型双二阶广义积分器的软件锁相环实现

孟彦京， 吴辉， 王素娥

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：传统的软件锁相环(SPLL)容易受电网电压扰动的影响，其锁相结果误差大且对频率变化响应慢.本文分析了双二阶广义积分器软件锁相环(DSOGI-SPLL)的工作原理，并对比了DSOGI-SPLL与改进型DSOGI-SPLL的性能；利用Matlab/Simulink搭建了改进型DSOGI-SPLL系统模型，并进行仿真研究；运用基于模型的设计方法自动生成了改进型DSOGI-SPLL代码，并下载到自行设计的3 KW有源电力滤波器(APF)实验平台进行实验.仿真和实验结果表明，在电网电压不平衡、含有大量低次谐波、频率跳变等状况下，改进型DSOGI-SPLL能够准确、快速地锁定三相电网电压的相位，其性能满足APF等系统的应用要求.

关键词：SPLL； 电网电压扰动； 双二阶广义积分器； 模型设计； 有源电力滤波器

0引言

随着电子设备的广泛应用，电网中各种冲击性和非线性负荷不断增加，使得电力系统的电压和电流波形畸变，严重威胁着电力系统的安全、稳定运行[1-3].通过采用串联型或并联型APF，可以有效地抑制由电网侧或负载侧产生的电压或电流谐波，使滤波后的电压或电流满足供电与用电要求[4].但APF与电网的同步是控制系统遇到的最重要问题之一，其性能的好坏直接影响着整个系统的工作性能[5,6].因此，为了更好地抑制谐波，APF需要在电网电压不平衡、大量谐波的幅值和频率跳变等状况下准确、快速地锁定三相电网电压的相位.

目前，获取电网电压相位的软件锁相环方案有以下几种：(1)单/双同步坐标系软件锁相环.仅当电网电压平衡时，电网电压的相位、频率和幅值才可以准确地检测[7]；(2)基于对称分量法的单同步坐标系软件锁相环系统[8].仅能抑制电网电压中的负序分量所导致的2次谐波影响；(3)基于双同步坐标系的解耦软件锁相环.可以有效地克服频率变化对锁相环的影响[9]，但其解耦算法较为复杂.APF基本工作在电网不平衡、大量谐波的幅值和频率跳变的场合，对实时性要求高，故对锁相环提出了更高的要求.显然，上述传统锁相环难以满足要求.

为了克服上述问题，本文首先分析了DSOGI-SPLL和改进型DSOGI-SPLL的工作原理，并对比了两者的性能；通过Matlab对改进型DSOGI-SPLL系统进行仿真;然后，采用基于模型设计的方法，在Matlab平台上自动生成代码并验证了代码的性能；最后，下载到自行设计的3 KW APF实验平台进行实验.其结果表明，改进型DSOGI-SPLL在三相电网电压不平衡、含有大量谐波、频率跳变的状况下，能够准确、快速地锁定电网电压的相位.

1DSOGI-SPLL的原理与模型

[Tαβ][T+][Tαβ]-1Vαβ=

(1)

由式(1)可得，在两相静止坐标系下，为获得电网电压正序分量，需要对输入的电压信号进行90 °相移，从而构造出两相正交电压信号.因此，可通过采用基于DSOGI的90 °相角偏移方案来构造两相正交信号.该方案不仅可以实现对信号的90 °相角偏移，还可以滤除高频干扰信号.设计了DSOGI-SPLL系统，其结构框图如图1所示.

图1　DSOGI-SPLL系统的结构框图

由于正弦信号的s域模型为二阶谐振环节模型，也称为二阶广义积分器，故可根据内模原理，构造出基于SOGI的自适应滤波器，其框图如图2所示.

图2　SOGI自适应滤波器的框图

图3　改进型SOGI的结构框图

改进型SOGI系统的传递函数为：

(2)

(3)

示，则可由式(2)和(3)得到系统的幅频和相频特性表达式，如式(4)和(5)所示.

(4)

(5)

式(2)所对应的品质因数QD2为：

(6)

图4　SOGI改进前、后的D1(s)与D2(s)的波特图

图5　频率响应特性D2(s)与系统增益变化的关系图

2仿真研究

为了验证改进型DSOGI-SPLL原理的可行性和正确性，在Matlab/simulink中搭建改进型DSOGI-SPLL系统模型，如图6所示.其仿真条件为三相电网电压含有大量低次谐波、不平衡且含有谐波、频率跳变，并观察系统的动态性能.其中，电网基波频率设定为50 Hz，PI控制器中的Kp=5、Ki=21.

系统仿真结果如图7～9所示.其中，波形图中的上半部分为三相电网电压波形，下半部分为改进型DSOGI-SPLL的输出锁相结果.从图7～9可以看出，在三相电网电压处于含有大量低次谐波、不平衡且含有谐波、频率由50 Hz跳变到40 Hz的状况下，改进型DSOGI-SPLL仍能准确、快速地获取电网电压的频率和锁定电网电压的相位，对电网电压的扰动不敏感，其范围为0～2π.

3实验研究

本实验采用TI TMS320F28335作为核心控制器自行设计了3 KW APF实验平台，如图10所示.左边为电网模拟器，右边为APF.其中，电网模拟器用来模拟各种电网电压波形，为测试提供条件，其输出三相交流电压的最大有效值可达150V.

图6　改进型DSOGI-SPLL系统的仿真图

图7　电网含有低次谐波的仿真结果

图8　电网不平衡且含有低次谐波的仿真结果

图9　电网频率跳变的仿真结果

图10　APF实验平台

将改进型DSOGI-SPLL仿真模型离散化，通过采用基于模型设计的方法，在Matlab软件上自动生成改进型的DSOGI-SPLL代码，并在该软件上完成代码的性能测试，性能满足要求后，再下载到APF实验平台.锁相结果通过由TLC5616 DA芯片与运算放大器构成的电路输出.测试仪器采用型号为TPS2024B的四通道隔离型泰克示波器. 测试条件为:图11为三相基波电压为120 V，加入各为20%的5、7、11次谐波情况；图12为电压频率由50 Hz突变到40 Hz情况；图13为基波ua=121 V、ub=uc=59 V,且加入各为20%的5、7、11次谐波情况.其中，波形图中的上半部分为电网模拟器输出的三相电压波形，下半部分为改进型DSOGI-SPLL输出的锁相结果.

图11　电网含有低次谐波时的测试结果

实验结果分析：图11为电网电压注入各为20%的5、7、11次谐波的合成状况；图12为电网电压频率从50 Hz跳变到40 Hz的状况；图13为电网电压不平衡且含有多个低次谐波的合成状况.可以看出，改进型DSOGI-SPLL在上述状况下，仍能准确、快速地锁定三相电网电压的相位，其范围为0～2π，与仿真结果一致，从而验证了本方案的可行性、正确性以及可实现性.

图12　电网频率跳动时的测试结果

图13　电网不平衡且含有谐波时的测试结果

4结论

本文分析了DSOGI-SPLL的工作原理，并与改进型DSOGI-SPLL进行了性能对比.同时，还对改进型DSOGI-SPLL进行了仿真.通过采用基于模型设计的方法自动生成了代码，提高了方案验证的准确性与快速性.

仿真和实验结果表明：改进型DSOGI-SPLL能够在电网电压不平衡、含有大量谐波、频率跳变的状况下，准确、快速地锁定电网电压的相位.因其稳定性好，对电网电压扰动不敏感，具有较好的电网适应能力，故可应用于APF等需要锁定三相电网电压相位的系统.

参考文献

[1] 楚烺,涂春鸣,罗安，等.不同类型谐波源综合补偿的串联混合型APF设计[J].电力系统自动化,2013,37(8):123-128.

[2] 李新宇,邓先明,李德路，等.并联型APF三相四线制系统的控制策略研究[J].电力电子技术,2010,44(2):49-50，91.

[3] 林志勇,江道灼,周月宾，等.基于级联H桥换流器的APF-STATCOM的控制与调制[J].电力系统保护与控制,2014,42(7):91-96.

[4] 周卫平,吴正国,夏立.基波相位和频率的高精度检测及在有源电力滤波器中的应用[J].中国电机工程学报,2004,24(4):91-96.

[5] 胡应占,郭素娜.适用于电网不平衡时的广义积分器锁相环设计[J].电力系统保护与控制,2014,42(11):148-154.

[6] 刘述奎,韩莹,李奇，等.基于双二阶广义积分锁相环的燃料电池并网系统研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(5):122-128.

[7] 张治俊,李辉,张煦，等.基于单/双同步坐标系的软件锁相环建模和仿真[J].电力系统保护与控制,2011,39(11):138-144.

[8] Bueno E J,Espinosa F J,Cobreces F,et al.SPLL design to fluxoriented of a VSC interface for wind power applications[C]//31st Annual Confernce of IEEE Industrial Electronics Society.USA:Raleigh, 2005:2 451-2 456.

[9] 王颢雄,马伟明,肖飞，等.双dq变换软件锁相环的数学模型研究[J].电工技术学报,2011,26(7):237-241.

[10] 张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2014.

[11] 应展烽,吴军基,易文俊.滑动窗积分法在谐波电流检测中的应用[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(6):152-156.

[12] 辛振,赵仁德,陈晨，等.基于双二阶广义积分器-锁频环的异步电机同步角频率估计方法[J].中国电机工程学报,2014,34(27):4 676-4 682.

[13] 谢聪,吴新开,雷雅云.基于双二阶广义积分锁相的风电并网系统仿真[J].电气传动自动化,2015,37(2):1-5.

[14] 陆原,汪周玮,郭素兵.基于单二阶广义积分器的三相数字锁相环设计[J].电测与仪表,2015,52(6):96-101.

[15] 姬秋华,杜炜,陈灵奎，等.光伏并网逆变器的锁相环设计及预同步控制[J].电力电子技术,2013,47(11):25-26,32.

[16] 孔飞飞,袁铁江,晁勤，等.基于二阶广义积分的变流器电网同步法[J].电力系统保护与控制,2012,40(12):116-120.

【责任编辑：晏如松】

Realization of SPLL based on improved double second order generalized integrator

MENG Yan-jing， WU Hui， WANG Su-e

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Traditional SPLL is easily affected by grid disturbances,the result of phase lock has big error and response to frequency change slowly.This paper has analyzed working principle of double second order generalized integrator SPLL(DSOGI-SPLL) and compared the performance of DSOGI-SPLL with improved DSOGI-SPLL.Used Matlab/Simulink to built improved DSOGI-SPLL pattern and simulate.By using model-based design to auto-generated improved DSOGI-SPLL code,download to self-designed 3 KW APF experimental platform and do experiments.The simulation and experimental results was indicated that improved DSOGI-SPLL was precisely and rapidly locked three-phase grid voltage′s phase in the conditions of unbalanced grid voltage、contain large low harmonic and frequency hopping,it′s performance can meet requirements of APF etc.

Key words:SPLL； grid disturbances； DSOGI； model design； APF

中图分类号：TM930

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)03-0151-05

作者简介:孟彦京(1956-)，男，河北宁晋人，教授，研究方向：现代电力电子装置、新能源并网发电及储能

基金项目：陕西省科技厅工业科技攻关项目(2015GY038); 陕西省教育厅专项科研计划项目(2013JK1065)

收稿日期:2016-01-09