基于派克变换及其逆变换的电网精确锁相技术

王懿琳

【摘 要】本文根据普通的三相锁相环在电压突然跌落、谐波产生时不易消除影响的缺点，提出了基于双MAF的三相锁相环模型，对所提出的模型进行建模与仿真.仿真结果表明，在三相电网电压突然跌落和出现谐波时，文中所提三相锁相环均具有较好的性能。

【关键词】电压跌落；MAF；锁相环

中图分类号：TM744 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0047-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.020

Precise phase-locked technology based on Parker transform and its inverse transformation

WANG Yi-lin

（School of electrical and information engineering， Anhui University Of Science And Technology，Huainan Anhui，232000， China）

【Abstract】In this paper， a three-phase phase-locked loop model based on double MAF is proposed ， which is not easy to eliminate the influence when the voltage falls suddenly and the harmonic generation is produced. The model is modeled and simulated. The simulation results show that the three-phase phase locked loop has good performance ， when the grid voltage falls suddenly and the harmonics appear.

【Key words】Voltage drop； MAF； Phase-locked loop

0 引言

近幾年，环境恶化和化石燃料紧缺问题日益严重，各国研究人员都在致力于发展可持续且环保无污染的能源。目前应用比较广泛的是风能，光能，水能等这些可再生的清洁型能源。但由于这些自然能源往往分布散，地理位置特殊，人们开始设计了分布式发电系统。这一类型的电能转换系统恰好可以弥补发展此类能源时的各种不足。分布式发电系统所产电，除了供其自身消耗外，还可以将多余电能输送给公共电网。如何将这些电能高效率的输送至电网，成为了使用该系统的一大热点问题。为了在输送电能时候可以准确调整控制策略，就需要第一时间准确掌握公共电网的相位、频率等信息。现在热门研究点在锁相环的改进和使用。

目前在并网三相系统中使用最多的同步方法就是PLL[1]。如[2]中描述的，在平衡电网电压下，这些方法是可以得到很好的动态响应。但当这些设计在不平衡或畸变电网电压下运行时非常慢。[3]中提出的快速锁相环方法可以消除某些谐波的影响，但这种方法的实现是非常复杂的，且仅限于取消少数谐波的影响。在[4]中，提出了一种新的基于多参考帧理论的控制算法，以消除输入电网电压不平衡或含有低次谐波时并网变流器交流电流中的低阶谐波分量。[5]中使用的基于PLL的同步方法的性能良好，即使在电压不平衡和失真情况下也是如此。然而，为了实现这一点，一些在移动平均滤波器的归一化相关检测角度的实际问题（MAF）阶段必须解决，避免溢出。此外，该解决方案没有设计在可变频率下工作。

1 本文所提的MPLL分析

本文提出的同步方法是基于滑动平均滤波器，即一种低通滤波器，它被扩展到能使频率自适应的条件下。这种方法允许快速检测电网电压的正序，不再受到电网中不平衡或谐波的影响。

图1显示为本文所设计新型锁相环的结构。首先，电网电压矢量通过在基频（ωf）和任意角度位置（θf）旋转的同步参考坐标系中进行变换。vd和vq分量由于谐波和电压负序而含有振荡。两个分量将会在MAF里面滤去振荡，因此，如果给了一个合适的窗口宽度，矢量vd和vq会是固定值，且只包含电网电压的正序。

图2 锁相环的矢量图

如图2所示，vq分量不一定是零，因为Park变换中使用的角度是任意的。因此，电压矢量不在d轴，但在另一个以任意角旋转的参考坐标系中的d'轴。

在这种结构中，MAF的dq输出变量以相同的任意角度θf转换到abc分量中。所得到的信号（va，vb，vc）和基波正序电网电压相关联，因此，它们不含任何畸形或不平衡分量。由于这个原因，这个阶段被认为是作为三相电压分量的准理想滤波器。再次把变量转换到dq坐标系，在这时，同步角（θ+）通过一个可以使vq+经比例积分器后变为零的经典控制回路得到。PI的输出（ω+）是经过积分环节得到θ+。应该注意的是，在这种结构中，PI调节器参数可以被调整以实现PLL的快速响应，因为在vq+分量中不希望出现不期望的振荡。

图1相同的结构，可以用来获得输入电网电压的负序，通过强加给Park和iPark变换一个在相反方向的任意旋转角度。

2 实验结果及分析

模拟MPLL以测试其性能。

第一个实验内容如下：在t=50ms时，引入不对称电压跌落（60%、20%和0%），因此，在dq分量中出现一个基波负序。在一个MAF时间内振荡被完全取消。

第二个实验内容如下：在t=30毫秒时，引入不对称电压跌落（60%、40%和20%）。在t=60 ms时，添加一个奇次谐波分量：三次（30%）、五次（40%）和七次（20%）。

观察分析得出MPLL具有很好的性能，在半个电网周期（10毫秒）内快速消除检测角的误差，无论出现什么样的干扰。在MAFs之前dq分量包含震荡，但在MAFs之后完全消失了。首先，这些振荡会产生，因为在出现电压跌落的过程中，出现了基波负序，其次，是由于谐波失真，带来了震荡的产生。从结果中，可以得出该MPLL可以克服相位跳变、电压暂降、高谐波失真的影响。

如本例所示，所提出的MPLL在存在电网干扰的情况下具有很好的性能。

3 总结

本文针对传统的三相锁相环在三相电压不平衡条件下，不能较好消除谐波的缺点，提出了一种基于双MAF的新型锁相环，解决了上述问题，并通过仿真软件验证了该锁相技术在电网受到干扰的情况下都能够达到较高的锁相精度。

【参考文献】

[1]阳同光，桂卫华.电网不平衡情况下并网逆变器控制策略综述[J].电工技术学报，2015，30（14）：241-246.

[2]王金玉.基于MMC的柔性直流輸电稳态分析方法及控制策略研究[D].山东大学，2017.

[3]P.Xiao，K.A.Corzine，and G.K.Venayagamoorthy，“Multiple reference frame-based control of three-phase PWM boost rectifiers under unbalanced and distorted input conditions，” IEEE Trans.Power Electron.，vol.23，no.4，pp.2006–2017，Jul. 2008.

[4]S.-K.Chung，“A phase tracking system for three phase utility interface inverters，” IEEE Trans.Power Electron.，vol. 15， no.3，pp.431–438，May 2000.

[5]王宝诚，伞国成，郭小强，邬伟杨.分布式发电系统电网同步锁相技术[J].中国电机工程学报，2013，33（1）.

[6]P.Rodr′guez，J.Pou，J.Bergas，J.I.Candela，R.Burgos，and D.Boroyevich，“Decoupled double synchronous reference frame PLL for power converters control，”IEEE Trans.Power Electron.，vol. 22，no.2，pp.584–592，Mar.2007.