三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)2011年11月CompanyLogoContentsClicktoaddTitleClicktoaddTitleClicktoaddTitleClicktoaddTitleClicktoaddTitleCompanyLogo基于低通濾波器的鎖相方法為了避免檢測(cè)過零點(diǎn)帶來的問題，Karimi-Ghartemani.M和RezaIravani.A提出了基于低通濾波器的鎖相方法，其原理如圖2-2所示。三相電網(wǎng)電壓從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，利用常見的低通濾波器濾除電網(wǎng)中的諧波干擾，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)么化處理，從而得到電網(wǎng)電壓的相位，旋轉(zhuǎn)矩陣R用于補(bǔ)償濾波器所造成的相位滯后。參考文獻(xiàn)MethodforSynchronizationofPowerElectronicConvertersinPollutedandVariable-FrequencyCompanyLogo基于低通濾波器的鎖相方法對(duì)于這種方法而言，在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，需要在系統(tǒng)濾波器的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間做出折中的選擇，較低的截止頻率可以抑制系統(tǒng)諧波對(duì)相位檢測(cè)的干擾，但是也相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。另外，這種方法需求得反三角函數(shù)值，計(jì)算速度較慢，尤其在系統(tǒng)頻率變動(dòng)和三相電壓不平衡時(shí)，對(duì)畸變電壓的抑制作用弱，因此無法正確鎖相。缺點(diǎn)CompanyLogo基于空間矢量濾波器(SVF)的鎖相方法空間矢量濾波器是一種用于空間矢量濾波的新型濾波器，它是基于電網(wǎng)電壓的αβ分量相互關(guān)系相互影響的基礎(chǔ)上提出的。這時(shí)候電壓矢量可以視為以恒定的幅值和頻率旋轉(zhuǎn)，有兩個(gè)輸入量。電網(wǎng)電壓的模型可以表示為，可以在每個(gè)采樣周期進(jìn)行更新。假設(shè)采樣頻率及電網(wǎng)電壓頻率恒定，則下一個(gè)周期的電網(wǎng)電壓模型可以估算出來，遺忘參數(shù)γ的大小決定了電網(wǎng)電壓矢量對(duì)電網(wǎng)電壓矢量模型的影響大小。濾波器的輸出設(shè)為。則濾波器的表達(dá)式可以寫為CompanyLogo基于空間矢量濾波器(SVF)的鎖相方法主要缺點(diǎn)此鎖相方法在穩(wěn)態(tài)情況下不會(huì)產(chǎn)生任何相位滯后，其主要缺點(diǎn)仍然是對(duì)電網(wǎng)電壓頻率變換以及三相電網(wǎng)的不平衡非常敏感。CompanyLogo基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的鎖相方法卡爾曼濾波器可以用來估計(jì)電網(wǎng)電壓幅值、相位以及頻率的狀態(tài)向量主要缺點(diǎn)基本原理這種方法是建立在具有充分的狀態(tài)空間模型能夠反映狀態(tài)向量的變化的基礎(chǔ)之上的。而在各種各樣的電網(wǎng)畸變情況下如何準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)濾波器使之適應(yīng)狀態(tài)向量的變化是十分困難的事情。另外這種方法同樣不能解決三相電網(wǎng)不平衡帶來的問題，而且卡爾曼濾波器龐大的計(jì)算量更加地限制了這種方法的應(yīng)用范圍。CompanyLogo基于加權(quán)最小二乘法估計(jì)(WLSE)的鎖相方法文獻(xiàn)提出了一種基于加權(quán)最小二乘法估計(jì)(WLSE)的鎖相方法，不但可以抑制不平衡系統(tǒng)中的負(fù)序分量的影響，而且能夠提高對(duì)頻率變化的魯棒性。但此方法仍然存在不少缺點(diǎn)：當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間比較長；對(duì)電網(wǎng)噪聲和畸變時(shí)的魯棒性較差等。由以上分析可知，以上幾種鎖相方法都存在響應(yīng)慢，對(duì)系統(tǒng)頻率變化和三相電壓不平衡較敏感問題，不適宜應(yīng)用于電網(wǎng)畸變嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。CompanyLogo并網(wǎng)變換器對(duì)鎖相環(huán)的基本要求（1）電網(wǎng)電壓經(jīng)常發(fā)生跌落、閃變等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題，并且這些異常的出現(xiàn)均是不可預(yù)計(jì)而且需要及時(shí)補(bǔ)償?shù)?。所以要求并網(wǎng)變換器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓相位的變化在ms級(jí)的時(shí)間內(nèi)能做出快速的響應(yīng)，即要求并網(wǎng)變換器的鎖相方法要有良好的動(dòng)態(tài)性能，保證當(dāng)電壓跌落和驟升時(shí)不對(duì)鎖相性能造成太大影響。（2）三相電壓不平衡時(shí)，要求電力電子裝置的鎖相方法能夠捕獲正序基波分量的相位，對(duì)三相不平衡情況有很強(qiáng)的抑制作用。（3）鎖相環(huán)應(yīng)該能快速檢測(cè)到電網(wǎng)電壓發(fā)生相位、頻率突變等問題。（4）要求鎖相方法對(duì)畸變電壓要有很強(qiáng)的抑制作用。（5）對(duì)于一些電力補(bǔ)償裝置如動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，鎖相方法不僅要實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓的相位，而且要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓的幅值變化狀況用來判斷并決定電力補(bǔ)償裝置的工作模式。CompanyLogo基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（SSRFSPLL）基本原理CompanyLogo基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（SSRFSPLL）假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相平衡電壓，因此可以表示為將電壓信號(hào)從abc三相坐標(biāo)變換到αβ坐標(biāo)(clarke變換)為從α,β坐標(biāo)變換到d,q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(park變換)為CompanyLogo基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型：將鎖相誤差輸入PI調(diào)節(jié)器，為加快鎖相速度，將輸出值加上初始工頻角頻率ω0，從而得到鎖相的角頻率輸出，經(jīng)過積分得到鎖相相位值。由數(shù)學(xué)模型可見，鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，它與常規(guī)控制系統(tǒng)不同之處在于：常規(guī)控制系統(tǒng)采集的是經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換或直接從系統(tǒng)采集的電壓或電流信號(hào)，而PLL采集的則是相位信號(hào)。CompanyLogo基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)參考文獻(xiàn)：P.RodriguezDoubleSynchronousReferenceFramePLLforPowerConvertersControl基本原理：雙同步坐標(biāo)系解耦軟件鎖相環(huán)是考慮電網(wǎng)電壓負(fù)序分量對(duì)傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)的影響而提出的算法，它包括了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系.坐標(biāo)系以頻率旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為輸出電壓矢量圖如圖所示。為電壓量，為電壓負(fù)序分量，他們分別以角速度逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該鎖相環(huán)同時(shí)對(duì)兩個(gè)序分量進(jìn)行坐標(biāo)變換，將其分解為正序和負(fù)序dq坐標(biāo)系下得分量，并通過解耦網(wǎng)絡(luò)和濾波環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電壓頻率，相位，和幅值的檢測(cè)。坐標(biāo)系以頻率旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為最大的優(yōu)點(diǎn)就是解決了三相不平衡電網(wǎng)電壓的精確檢測(cè)CompanyLogo基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)在三相電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，根據(jù)對(duì)稱分量法，將電網(wǎng)電壓矢量（只考慮基波電壓）描述為正序電壓分量、負(fù)序電壓分量和零序電壓分量三者的合成，即

k=0,1,2分別為正序、負(fù)序、零序基波電壓的初始相位角。坐標(biāo)變換CompanyLogo基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)電網(wǎng)電壓矢量在坐標(biāo)系下可描述為從上式中看出，在坐標(biāo)系上電壓矢量可分解為以角頻為旋轉(zhuǎn)的正序電壓分量和以角頻率為旋轉(zhuǎn)的負(fù)序電壓分量組成。它是由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系組成，一個(gè)是以角頻率為旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)的角度為另一個(gè)是以角頻率為旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)的角度為

CompanyLogo基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)根據(jù)SSRFSPLL的鎖相原理可知，正序變換的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)該盡可能的接近于，

，可見，在正序dq坐標(biāo)系下，輸出電壓的正序分量變成了直流量，負(fù)序分量則變?yōu)?ω頻率的交流分量；在負(fù)序dq坐標(biāo)系下，輸出電壓的負(fù)序分量為直流量，而正序分量為2ω頻率的交流量。而其中的二次諧波分量是由于正序分量和負(fù)序分量在與之旋轉(zhuǎn)方向相反的坐標(biāo)系中分解造成的，它可以簡單地看成是鎖相環(huán)在檢測(cè)正負(fù)序分量幅值過程中所受到的擾動(dòng)，簡單地通過濾波的方式抑制這種擾動(dòng)難以達(dá)到令人滿意的效果。CompanyLogo解耦網(wǎng)絡(luò)的建立CompanyLogo解耦網(wǎng)絡(luò)的建立CompanyLogo解耦網(wǎng)絡(luò)的建立采用了如圖所示的解耦單元CompanyLogo基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)通過以上的分析可以知道正負(fù)序dq坐標(biāo)系下，輸出電壓之間存在一定的聯(lián)系可以對(duì)其進(jìn)行解耦計(jì)算，可得CompanyLogo基于對(duì)稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)基本原理:是首先通過計(jì)算將不平衡電壓中的正序分量分解出來，然后將正序分量作為SSRFSPLL的輸入，從而抑制了電壓中的負(fù)序分量所導(dǎo)致的2次諧波分量的影響。正序分量可以通過如下公式分解出來:CompanyLogo基于對(duì)稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)CompanyLogo基于對(duì)稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)利用EPLL能獲得基波電壓和移相90°的電壓信號(hào)，再根據(jù)公式可實(shí)現(xiàn)基波正序電壓的提取?？梢韵嚯妷翰黄胶庠斐傻挠绊?，并對(duì)諧波有很強(qiáng)的抑制作用。CompanyLogo三種鎖相環(huán)的比較當(dāng)三相電壓平衡時(shí)，三種鎖相環(huán)都能夠準(zhǔn)確鎖相，在相同的PI控制參數(shù)條件下，SSRFSPLL的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。當(dāng)電壓發(fā)生頻率、相位突變時(shí)，三種鎖相環(huán)都能及時(shí)、快速的進(jìn)行重新鎖相。當(dāng)三相電壓中含有低次諧波時(shí)，SSRFSPLL抑制諧波的能力較差，只能靠降低帶寬來減弱諧波的影響，卻大大地影響了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。DDSRFSPLL因自身含有濾波環(huán)節(jié)，對(duì)諧波有一定的抑制作用。EPLL-SSRFSPLL是通過二次濾波后，再進(jìn)行鎖相，抑制諧波的能力較強(qiáng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生偏移時(shí)，DDSRFSPLL和SSRFSPLL的鎖相效果不受影響，但EPLL-SSRFSPLL不能準(zhǔn)確鎖相，主要因?yàn)镋PLL不能對(duì)輸入電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的基波和相位檢測(cè)。CompanyLogo三種鎖相環(huán)的比較SSRFSPLL所產(chǎn)生的誤差信號(hào)始終含有頻率為2ω的諧波信號(hào)，只有通過降低系統(tǒng)帶寬來減小靜差，做不到無靜差控制，鎖相效果受到很大的影響。DDSRFSPLL有效的分離出三相正序電壓及其幅值的有效值，消除誤差信號(hào)所含的2次諧波，控制正序分量跟隨正序參考給定且穩(wěn)態(tài)無靜差，抑制交流負(fù)序分量對(duì)正序dq坐標(biāo)上的影響，保證了鎖相環(huán)高性