几种典型锁相环技术的分析

王懿琳



几种典型锁相环技术的分析

王懿琳

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232000）

锁相环技术是保证准确并网的关键。本文选择了三种典型锁相环，对其结构进行分析，简述了其适用场合以及不足之处，并总结与展望了锁相技术的发展状况。

锁相环 同步旋转坐标系 MAF 双解耦

0 引言

当今，随着煤炭、石油等能源的局限性使用以及环境问题引起大幅度关注，环保且可再生的新能源的发展愈来愈得到重视。但不管是太阳能、风能等新能源发电，都需要实时检测电网电压的相位和频率，以便顺利并网，供给使用。然而电网是一个复杂的动态系统，不断并入或断开的负载、设备出现故障等因素容易使电网产生一些问题，且这些问题的出现不可预计。因此要求并网时能对电网电压相位的变化做出快速响应。

理想电网环境下，电压中只含基波，只需先对其进行同步坐标系变换，再经过锁相环获得电网电压的相位和频率。在电网发生畸变、电压不平衡等非理想环境下，电网电压中除了正序分量，还包含了谐波分量和负序分量。只有采取措施，过滤谐波和负序分量，准确提取所需的电网电压正序分量，才可以获知并网时的频率和相位。

本文将一些同步锁相方法进行列举，并分析了其可取之处与不足之处。

1 基于单同步旋转坐标系的锁相环

三相电网电压瞬时值经Park变换后得到d轴和q轴分量，由其向量示意图可知，锁相环输出角控制着dq坐标系下的旋转角度，q轴的分量反应着电网电压与d轴的相位关系，若调节使q轴电压分量为零，则此时实现相位锁定。

图1 矢量图

在理想电网环境下，电网电压不含有谐波分量或负序分量等干扰，SRF-PLL可以准确提取电网基波正序的电压幅值与相位角[1]；当电网含高次电压谐波时，为使得滤波效果良好，会选择适度降低锁相环系统的宽带。但是当电网电压三相不平衡时，基波负序分量的存在使得单纯降低系统宽带并不能取得理想效果，并且持续降低系统宽带会拖慢系统动态相应速度。

2 基于滑动平均滤波器的锁相环

MAF本质上是一种低通滤波器[2]，基于MAF的锁相环MAF-PLL可以完全消除电压不平衡、负序以及高次谐波甚至直流偏置对传统锁相环的影响，除此之外，该锁相环还具有数字实现简单，计算量低等优势。

图2 滑动平均滤波器锁相环结构图

但该锁相环若想要达到滤除最低次谐波的要求，则其动态响应会受到影响，速度明显缓慢，两者负相关的影响使得该方法略有缺陷。

3 基于双解耦同步旋转坐标系的锁相环

部分学者[3-4]提出了一种解耦双同步参考坐标系锁相环的方法，其结构如图所示。该方案将不对称电网电压经过双dq变换之后，电压正序分量中含有2倍频的电网负序分量及变换后输出的正序直流分量。电压负序分量中含有2倍频的电网正序分量以及变换后输出的负序直流分量。在以基波电压为前提情况下，可以简单认为是负序电压的存在，导致了震荡扰动，引起了耦合。此时便提出了，利用数学思维解耦以消除电网电压不平衡下的振荡干扰量，再通过PI控制器环节输出电网电压正序分量的频率和相位[5]。实现了d-q轴基波正负序分量的分离。

该方法在负序分量影响较大的情况下，可以起到较好的锁相作用。但是数学计算繁琐，设计结构较为复杂，且实验表明在高次谐波和直流偏置存在下，效果不佳，同时低通滤波器的使用会降低系统的动态响应速度。

4 锁相环应用时存在的问题及解决方法

对于三相系统，电网电压的检测往往在同步参考坐标系下进行，其频率追踪具有自适应性，在一般电网波动不明显的情况下都能满足同步要求[6]。对于单相系统，国外学者提出通过增强静止参考坐标系下的锁相环或者使用锁频环达到频率跟踪的目的。而在同步参考坐标下，为实现相位频率跟踪，PLL输出的相位和频率，既要提供正交信号发生器所需的中心频率，还要提供park变换所需的旋转角度。一般同步坐标系下的锁相环就很难兼顾到此类高要求，据此有学者提出了解耦双同步参考坐标系下的锁相环。

图3 双解耦同步锁相环结构图

在三相不平衡电网下，国外学者提出了一种基于瞬时对称分量法的单同步参考系锁环。中国学者提出了延迟信号抵消，基于复系数传递函数的锁相环，基于正弦幅度积分器的锁相环等。与此同时，为了消除谐波和负序分量的影响，已经提出了各种解决方案。例如，二阶广义积分锁相环，解耦多同步坐标系锁相环，多通道复系数传递函数锁相环，多通道正弦幅度积分相位锁相环，目前这些方法被广泛使用在谐波畸变和三相电压不平衡的三相电网系统同步信号提取中。

当并网锁相受到直流分量的影响时，常规解决方法是先对输入电压信号经过高通滤波器滤波，锁相环经过相位补偿以获得所需的锁相信号。这种方法很简单，但添加一个高通滤波器会减慢PLL的响应速度。为此，一些学者提出采用正负半周积分方法，并增加改进的SOGI-OSG结构以消除直流偏压产生的影响。然而，这两种方法仅适用于单相系统，不能直接应用于三相电网系统。另有学者通过增加积分单元来消除直流分量，虽然取得不错的效果，但结构相对复杂，对于谐波畸变、电网电压不平衡的环境下难以适用。一些国外学者提出SOGI-LKF方案结合SOGI和线性卡尔曼滤波器消除谐波和直流分量。然而，该方法的收敛速度取决于卡尔曼滤波器的合理配置，并且该方案的动态效果不理想。国内学者提出，基于SRF-PLL，正弦振幅积分器被添加到dq输出信号中，以分离dq轴分量的交流分量和直流分量。有效消除了非理想电网环境和含直流分量的影响，精准提取出基波同步信号。

5 结束语

本文选择了基于单同步旋转坐标系的锁相环、添加滤波器改进的锁相环以及双解耦同步锁相环这三种典型锁相环进行了理论分析。论述了SRF-PLL适用于较良好的电网环境，含MAF的锁相环适用与含高次谐波以及直流偏置的电网环境下，而双解耦同步坐标系锁相环适用于电网环境含有较多各种干扰分量的情况下。随着技术的发展，将会有更加优异的锁相环产生。

[1] 王金玉. 基于MMC的柔性直流输电稳态分析方法及控制策略研究[D]. 山东大学, 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] 吴耀, 庞科旺. 解耦双同步参考坐标系锁相环仿真研究[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(32): 9711-9713.

[4] 李继侠, 杨苹. 基于解耦的双同步坐标系的三相锁相环设计[J]. 电源技术, 2015, 39(3): 600-603.

[5] 刘延东. 基于正弦幅值积分器的单同步坐标系同步信号提取策略[D]. 重庆大学, 2014.

[6] 文武松, 张颖超, 王璐,等. 并网功率变换器的电网电压同步算法[J]. 清华大学学报:自然科学版, 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：电力电子。E-mail: 839589325@qq.com