基于双层控制和多SOGI的三相数字锁相环设计
基于重复控制的双DSP+FPGA三相逆变器
基于重复控制的双DSP+FPGA三相逆变器
基于双DSP+FPGA 的三相逆变器的设计与实现
三相逆变器作为现在一种常用的电力电子设备，对输出电压控制系统需同时实现两个目标:高动态响应和高稳态波形精度。
诸如PID、双闭环PID、状态反馈等控制方案，虽然能实现高动态特性，但是不能满足高质量的稳态波形。
本文利采用双闭环PI 和重复控制相结合的控制方案，首先用双闭环PI 控制算法，得到高动态特性的三相交流电，不过不能满足高质量的稳态波形，因为用电压质量要求比较高的非线性负载镇流器是电感式的钠灯作为三相逆变器的负载时，钠灯不能稳定的工作(会高频率地闪烁)，针对这一问题，在双闭环PI 的基础上加重复控制补偿，建立MATLAB 仿真，并在双DSP+FPGA 硬件架构中高效精确的实现。
实验结果表明，加上重复控制补偿后，钠灯能够稳定的工作，三相逆变器的稳态性能得到了很大的改善。
1 三相逆变器数学模型的建立
三相LC 逆变器的主电路拓扑如图1，组成部分主要有三相逆变桥、三相滤波电感L、三相滤波电容C 。
图1 LC 三相逆变器的主电路拓扑
定义三相逆变器负载侧输出电压为uoA、uoB、uoC，输出电流为
ioA、ioB、ioC，三相逆变器电感L 侧输入电压为uA、uB、uC，输出电压为uoA、uoB、uoC，流过电感的电流为iaL、ibL、icL。
以电感电流和输出电压为状态变量，建立在三相静止坐标系中的状态空间表达式如下。
状态方程为:
输出方程为:。
一种嵌入重复控制内模的三相锁相环的设计与实现
一种嵌入重复控制内模的三相锁相环的设计与实现何宇;漆汉宏;邓超;张迪;金卫国【摘要】As one of the key technologies of distributed grid-connected power generation system, grid synchronization technique is always the research hotspot. Usually numerous filters (or regulators) are needed for current phase-locked loop (PLL) algorithms to totally eliminate harmonic. Hence, a new phase-locked loop based on internal model of repetitive control is put forward. An extraction structure which can totally eliminate harmonic is designed. Wherein, the characteristic of the internal model that generates the resonant peak at grid fundamental frequency and every harmonic frequency is used, and the characteristic of multiple-complex coefficient-filter that can separate positive and negative sequence of grid fundamental wave is also taken into account. The grid frequency, phase and other related information can be extracted from the pure positive sequence by synchronous frame PLL. Finally, the proposed PLL is tested under distorted and unbalanced grid by Matlab/Simulink simulation and the related experiment. The results show the validity and superiority of this method.%作为分布式并网发电系统众多关键技术之一的电网同步锁相技术一直是国内外研究的热点。
基于双dq坐标变换的三相电压锁相环的研究
基于双dq坐标变换的三相电压锁相环的研究辛业春;李国庆;王尧;王振浩【摘要】This paper proposes a kind of method of three-phase voltage phase locked loop under three-phase unbalanced voltage. When the positive dq synchronous reference frame transforms, the dq axis voltage component will contain AC component caused by negative sequence voltage component which leads to the error of the three-phase voltage phase locked loop (PLL) based on the dq synchronous reference frame transformation. After the dq axis DC voltage component extracted from negative sequence dq synchronous reference frame transformation compensates positive sequence dq transformation synchronous reference frame q axis voltage component, the positive sequence voltage phase can be locked accurately and quickly. By the way of the negative sequence dq synchronous reference frame d axis and q axis DC voltage component detecting negative sequence voltage initial phase angle, the negative sequence voltage phase can be locked. The simulation results show that, this method can achieve the purpose that three-phase power supply frequency, positive sequence voltage phase and the negative sequence voltage phase can be fast and accurately locked in case of unbalanced three-phase voltage.%提出了一种三相电压不平衡情况下，三相电压基波频率、正序电压分量和负序电压分量相位锁定方法。
基于双派克变换的新型三相锁相环技术
基于双派克变换的新型三相锁相环技术李研达【摘要】Aiming at the problem that the double frequency harmonic perturbation exists in the output of three phase locked loop (PLL) when the power grid voltage has unbalanced fault, a novel PLL based on the double Park transformation was proposed.The positive and negative sequence Park transformation for the voltage signal was carried out, respectively.In addition, the DC component in the negative sequence Park transformation was multiplied by the transformation matrix, and the double frequency component in the positive sequence Park transformation could be eliminated through the cross decoupling.The fundamental positive DC component was effectively extracted, and the accurate tracking of phase and frequency could be realized under the unbalanced grid voltage condition.A simulation model was established in theMatlab/Simulink environment, and the steady state response of PLL under the unbalanced grid voltage was analyzed.The results show that compared with the traditional PLL, the proposed PLL can detect the voltage phase and frequency information more accurately under the grid fault.%针对电网电压不平衡故障时,三相锁相环输出存在二倍频谐波扰动问题,提出了一种基于双派克变换的新型锁相环.对电压信号分别进行正序派克变换和负序派克变换,并将负序派克变换中的直流量乘以变换矩阵,通过交叉解耦可消除正序派克变换中的二倍频分量,有效提取了基波正序直流分量,可实现电网电压不平衡条件下的相位和频率准确跟踪.在Matlab/Simulink环境中建立了仿真模型,分析了锁相环在电网不平衡下的稳态响应.结果表明,本文提出的锁相环较传统的锁相环而言,在电网故障下更能精确检测电压相位和频率信息.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2017(039)003【总页数】5页(P253-257)【关键词】锁相环;三相不平衡;二倍频;双派克;正负序分量;直流量;交叉解耦【作者】李研达【作者单位】安阳师范学院物理与电气工程学院河南安阳 455000;河南省光伏并网发电及储能技术工程实验室, 河南安阳 455000【正文语种】中文【中图分类】TM615锁相环能够有效检测电网电压信号的幅值、相位和频率等信息，目前被广泛应用于新能源并网变流器的控制算法中，以实现新能源变流器的输出电流与电网电压同步[1-2].在并网变流器控制中，通常将三相电流信号转换成正交的两直流信号进行控制，以达到PI无静差控制，其中从三相转换到两相的参考相位都来自于锁相环，因此，锁相环的输出精度对电流信号转换起到了至关重要的作用[3].为提高新能源并网的稳定性和可靠性，对锁相环功能提出了更高的要求，需要锁相环在各类扰动下均能有效地跟踪电网电压正序分量的幅值、相位和频率，同时具有较高的检测精度和响应时间.鉴于锁相环在新能源并网控制中的重要性，国内外学者展开了一系列研究.文献[4-6]介绍了基于过零鉴相器的锁相环，通过检测电网电压的过零点和周期实现电网电压相位的跟踪，但是当电网电压处于扰动情况下会对过零点的检测产生影响，使结果存在一定的偏差；文献[5-7]提出了一种基于乘法鉴相器的锁相环，将输出信号和输入信号相乘，并通过滤波再经PI控制器即可得到输出相位信号，以实现锁相功能，此方法简单易于实现，但环路滤波器的带宽需设计的很窄，不利于响应速度；文献[8-9]提出了一种基于同步坐标系的锁相环，根据派克变换实现三相到两相同步旋转坐标系的转换，通过控制无功分量即可实现锁相.该锁相环在电网电压平衡时，能够取得较好的锁相效果，然而在电网电压出现扰动导致三相不平衡时，输出因含负序分量而导致出现大量的二次谐波分量，从而影响系统的稳定性.上述研究在理想电网情况下都具有较好的稳态和动态特性，但是当电网处于不平衡扰动时，如何保证输出的稳定性和精确性，给锁相环的设计带来了一定的挑战.本文提出一种基于双派克变换的新型三相锁相环，对电网电压信号分别进行正序派克变换和负序派克变换，提取了基波正序直流分量，从而准确跟踪电网电压不平衡条件下的相位和频率信息，并用Matlab/Simulink软件进行了仿真验证.实际的电网电压会因各种故障或扰动而导致不平衡，而不平衡的电网电压会导致锁相环的输出产生各种误差，从而影响新能源并网系统的稳定性[10].电网电压在不平衡情况下的表达式为式中：ea、eb、ec为电网三相实际电压；Em为电网电压正常时的幅值；θ为a相电压的相位；χ和γ分别为不平衡常数.式(1)在两相坐标系中的表达式为式中，eα、eβ为电网电压在静止坐标系下的电压.由式(2)可以看出，当电网电压处于三相不平衡时，两相静止坐标系下的分量不是完全正交的.根据派克变换，式(2)在两相旋转坐标系下q轴表达式为eq= Emsin式中，为锁相环的实际输出相位角.一般而言，锁相环的误差信号较小，则可近似假设=2θ，则式(3)可以简化为eq=Emsin从式(4)可以看出，锁相环输出的无功直流分量因电网电压不平衡而产生了电网电压两倍频率的误差信号，该误差信号的幅值和电网电压基波信号幅值相等，会给锁相环的输出精度带来较大的误差.针对二倍频误差信号，可利用低通滤波器将其滤除，但截止频率设计过低会影响锁相环输出的动态性能.为了解决上文描述中的二倍频问题，本文提出了一种基于双派克变换的三相锁相环.根据电路原理中三相稳态电路的基本思想，可将任意三相信号分解为对称的三相正序分量、三相对称的负序分量以及三相对称的零序分量[11-12].对于零序分量而言，其不影响输出结果，可不考虑，故只需对分解的正序分量和负序分量分别进行正序派克变换和负序派克变换，将其分解为直流分量和二倍频交流分量.对输入信号进行两次坐标变换，即对输入信号的正负序分量分别进行派克变换可得式中分别为正序和负序派克变换，；分别为静止坐标系下的正序分量和负序分量；分别为正负序轴对应下的电压幅值；ω为电网电压的角频率；φ为相位变化角度.电压矢量经正序派克变换和负序派克变换时，其与旋转参考坐标轴的关系如图1所示.根据假设条件及坐标关系，可得到近似关系式，即将式(9)代入式(6)和式(8)可得由式(10)和式(11)可以看出，正序派克变换中的二倍频分量是由负序派克变换的幅值分量乘以变换矩阵得到的，负序派克变换中的二倍频分量是由正序派克变换的幅值分量乘以变换矩阵得到.因此，可以将上述二倍频分量通过交叉解耦进行消除，解耦后静止坐标系下的正序分量则为所以只需要控制旋转坐标系下的q轴分量为零，即可实现电网电压在不平衡状况下的相位跟踪.基于上述分析，本文提出的双派克变换锁相环结构图如图2所示，图2中，Tαβ为三相到静止两相的坐标变换矩阵，LPF为低通滤波器，VCO为锁相环的压控振荡环节.通过双派克变换的自解耦模型提取电网电压不平衡条件下的基波正序分量，同时实现了二倍频的抑制，进一步使有效的基波无功正序分量经过环路滤波器和压控振荡器，达到电网电压不平衡条件下的跟踪.根据上述理论分析，在Matlab/Simulink中搭建了基于双派克变换的三相锁相环仿真模型，并与传统的三相锁相环进行了对比分析.假设电网电压为三相不平衡，各相表达式分别为图3为输入的三相不平衡电网电压波形，图4为锁相环输出的无功直流分量，也即是锁相环环路滤波器的输出信号，从图4中可以看出，针对传统的三相锁相环而言，当电网电压处于不平衡时，会造成环路滤波器的输出信号含有大量的二次谐波分量，而采用本文提出的双派克变化自解耦方法能够有效抑制二倍频谐波分量，输出无脉动的直流信号.图5和图6分别为锁相环输出频率和正弦信号的对比分析结果，仿真对比说明，传统锁相环在电网不平衡时，输出频率因二倍频分量存在，波动较大，使得输出的正弦信号也发生畸变，而本文提出的基于双派克变换的锁相环具有更好的二倍频谐波抑制和跟踪效果，能够实现锁相环在电网电压不平衡条件下的跟踪.图7为提出算法锁相环的输出相位稳态波形，并将其与幅值缩小的a相电压波形进行了对比分析(其中仿真图中a相电压幅值缩小至了6.2 V).从图7中可以看出，锁相环输出的相位与输入信号保持了完全的一致，说明提出的锁相环结构能够很好地跟踪输入信号的相位，稳态误差较小.针对传统锁相环受电网电压不平衡影响较大的问题，本文提出一种基于双派克变换的新型锁相环技术，锁相环能够在电网电压不平衡时准确地跟踪电网电压正序基波分量的相位和频率，与传统方法的仿真对比结果验证了所提新型锁相环的可行性和有效性，具有一定的借鉴价值.【相关文献】[1]王宝归，李泽泉，林勇，等.并网型电力电子装置数字锁相环研究[J].大功率变流技术，2012(4)：39-42.(WANG Bao-gui，LI Ze-quan，LIN Yong，et al.Study on digital phase-locked loop forgrid-connected power electronic device [J].High Power Converter Techno-logy，2012(4)：39-42.)[2]王湘明，肇文婷.风电并入微网逆变器合成谐波阻抗谐波抑制 [J].沈阳工业大学学报，2014，36(2)：143-148.(WANG Xiang-ming，ZHAO Wen-ting.Synthesis harmonic impedance for harmonic suppression of wind power micro-grid inverter [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(2)：143-148.)[3]温华生，谢潮.基于dq变换的三相自适应锁相环技术 [J].上海电力学院学报，2016，32(2)：151-155.(WEN Hua-sheng，XIE Chao.Three-phase adaptive phase-locked loop based on dq transformation [J].Journal of Shanghai University of Electric Power，2016，32(2)：151-155.)[4]戴永辉，洪巧文，蔡逢煌，等.一种基于多过零鉴相器的数字锁相环 [J].电源学报，2012(5)：58-62.(DAI Yong-hui，HONG Qiao-wen，CAI Feng-huang，et 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三相锁相环环路设计
三相锁相环环路设计
三相锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）是一种闭环相位控制系统，用于同步三相电压或电流信号。
它由鉴相器（Phase Detector）、环路滤波器（Loop Filter）和电压控制振荡器（V oltage Controlled Oscillator, VCO）三个主要部分组成。
以下是三相锁相环的基本设计步骤：
1. 确定相位差：将输入的三相电压或电流信号与参考电压或电流信号进行比较，得到相位差。
2. 滤波：将环路输出信号进行滤波，以消除高频噪声和直流偏移。
3. 调节振荡频率：通过调节电压控制振荡器（VCO）的电压，控制振荡器的频率，从而调整环路的相位。
4. 调节相位差：通过调节环路滤波器的反馈电阻或电感，调节环路的相位稳定性。
5. 调节增益：通过调节环路滤波器的增益，调节环路的放大倍数，以保证环路的稳定性。
在实际应用中，为了获得最佳的锁相环性能，通常会对环路进行优化设计，例如将环路简化为二阶或三阶模型，计算环路参数和增益，以获得最佳相位稳定性和带宽。
此外，在设计三相锁相环时，还需要考虑到一些特殊的需求，例如在三相并网逆变器中，需要设计软件锁相环以同
步三相电压或电流信号。
针对这些需求，可以使用C2000控制器等硬件平台来设计锁相环电路。
基于改进型SOGI的锁相环设计
基于改进型SOGI的锁相环设计OUYANG Sen;MA Wenjie【摘要】针对传统锁相方法的锁相精度在电网电压含有负序分量、谐波分量、直流分量等情况下有所降低的问题,提出一种基于改进型二阶广义积分器(SOGI)的三相锁相环设计方案.首先简要介绍了SOGI可进行信号正交处理的原理;然后通过频域分析法,直观地指出传统SOGI抗直流偏移干扰能力弱的原因,并量化分析了直流分量对基于传统SOGI的不平衡锁相环的影响;为增强SOGI对电压检测信号中直流分量的抗干扰能力,通过新增一条低通滤波通道对其进行结构上的改进,提出一种基于改进型SOGI的不平衡锁相环设计方案.仿真与实验结果表明文中理论研究是正确的.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】8页(P1-8)【关键词】二阶广义积分器;锁相环;并网逆变器【作者】OUYANG Sen;MA Wenjie【作者单位】;【正文语种】中文【中图分类】TM464随着分布式电源并网发电技术的快速发展，诸如风力发电、光伏发电等在电力系统中的渗透率日渐升高[1- 2].电网基波电压相位和幅值信息的准确获取是分布式电源实现并网有功和无功功率控制的重要保证.由于实际中电网电压常因三相负荷不平衡、大量的非线性负荷接入和电网不对称故障而呈现三相不对称、谐波含量较高的现象，因此，对并网锁相技术提出了更高的要求[2].单同步坐标系软件锁相环(SRF-SPLL)具有结构简单、易实现的优点，获得了广泛应用.在电网不平衡情况下，受电压负序分量影响，其锁相的相位与频率误差增大，严重时甚至不能满足并网逆变器的控制需求[3- 4].文献[5]提出在SRF-SPLL之前加装低通滤波器以抑制负序分量的干扰，该方案虽可改善锁相环性能，但由于所用低通滤波器的截止频率较低，存在相角偏移、系统动态响应变慢等问题.文献[6]在SRF-SPLL结构中加入滤除二次谐波的陷波滤波器，通过频域内优化的设计方法设计了系统参数，达到响应速度和稳态误差的合理折中.为解决电网不平衡所带来的问题，文献[7]中提出基于双同步坐标系解耦的软件锁相环，利用正、负序两个同步坐标系通过交叉解耦来分离正、负序电压分量，具有较高的稳态精度，但是其依赖于相位反馈，因此当电网相位突变时，其过渡过程中存在超调较大、恢复时间较长等问题.为消除电网电压谐波对锁相环的影响，文献[8- 9]中采用双滑动平均滤波器来设计锁相环，锁相效果良好.文献[10]采用自适应观测器(FRF)来进行电网相位锁定，但是该算法程序计算量较大，比较复杂.为更好地提取出电压正序分量，文献[11- 14]提出采用二阶广义积分器作为正交信号发生器，来提取基波正序电压，之后再利用SRF-SPLL实现相角锁定.该方法不仅能实现不平衡电网下的准确锁相，且可以实现频率自适应滤波.在实际应用中，通常由于测量、数据转换和电网电压参数估计误差等原因导致检测到的电压信号中含有一定的直流分量，从而影响锁相环的锁相精度[13，15].例如，基于定点DSP(数字信号处理器)的光伏逆变器在对模拟电压信号进行A/D转换之前需要设置一个偏移量，使输入给A/D模块的信号是 0～3 V.经A/D转换之后的信号数据类型是无符号整型，再变换成有符号整型.在整个过程中，很难找到一种变换使转换前后的数据完全匹配.因此，针对前述电压测量中的直流偏移影响锁相环精度的问题，文中提出一种基于SOGI的改进型锁相环设计方案.通过对传统型SOGI进行结构上的改进，增强其对直流量的滤除能力，并以该改进型SOGI为基础，设计出能有效消除电压负序分量、测量偏移影响的三相锁相环，并利用仿真与实验对文中所提方案进行验证.1 不平衡电网锁相原理不平衡电网电压中含有正、负、零序分量，可具体表示如下[3]：(1)(2)(3)式中，vabc为不平衡电网电压，采用上标“+”、“-”、“0”来区分正、负、零序，va、vb、vc分别为a、b、c三相电压,vabc=[va vb vc]T,a为120°旋转因子，a=ej2/3.对于三相无中线系统，其不存在零序电流通路，因此以下分析和讨论均不考虑零序电压.对式(2)、(3)进行数学变换可得[3]：(4)(5)其中：q=ej/2，为90°相位滞后因子，分别为αβ坐标系中的电压正、负序分量.分析式(4)可知，通过对输入信号进行90°偏移处理，可提取出电网电压基波正序分量.2 二阶广义积分器由内模原理可知：若要实现对某一频率正弦信号的无差跟踪，则要求系统的开环传递函数中必须包含该正弦信号的内部模型.二阶广义积分器就是据此提出来的，其结构框如图1所示.图中，v为输入信号，ω′为滤波器中心频率，k为阻尼系数，v′和v″为经滤波器处理所输出的正交信号对，ε为v′和v″之差,s为拉氏变换算子.图1 SOGI控制框图Fig.1 Control block diagram of SOGI根据图1，可得输入信号v到输出信号v′和v″的传递函数D(s)与Q(s)的幅值和相位频率特性：(6)(7)图2是系统在不同k值时的伯德图.图2 SOGI的频率特性Fig.2 Bode plots of D(s) and Q(s)从伯德图中可以看出，SOGI具有选频特性，因此可以提取出基波分量.k越小，滤波性能越好，但是系统带宽将随之变小，从而导致动态响应变慢.因此，为兼顾滤波和响应快速性，常取根据上述分析可知，当滤波器的中心频率ω′与输入信号的频率ω相同时，则输出信号v′与v具有相同的幅值和相位，v″与v幅值相同，但是相位滞后90°.基于此，结合式(4)，可设计出如图3所示的基于双二阶广义积分器的锁相环(DSOGI-PLL).其中，ω0为电网基波频率，θ*为锁相所得电压相位，vd、vq分别为电压正序分量在同步坐标系中的d轴与q轴分量，X表示乘法运算.图3 DSOGI-PLL结构框图Fig.3 Control block diagram of DSOGI-PLL3 SOGI的改进分析与设计在实际应用中，由于各种原因导致检测到的三相电网电压含有一定的直流量，具体如下：(8)式中，va0、vb0、vc0为直流偏移量，V为正序基波电压幅值.经Clark变换可得：其中，(9)(10)根据图3所设计的不平衡锁相环，可得从输入电压信号vα、vβ到提取出的正序分量的传递关系为(11)因此中所含直流量为(12)从图2中可知，D(s)是一个带通滤波器，其对直流量的滤除能力极强.为简化分析，可认为直流分量经过D(s)处理后衰减为零，而Q(s)是一个低通滤波器，据SOGI的频率特性可知其对直流量的增益为|Q(s)|ω=0=k(13)因此，式(12)可进一步简化为(14)设电网电压矢量相角为θ，锁相所得相角为θ*，将图3中所得变换到旋转坐标系中有(15)其中，(16)当锁相环处于稳态时，锁相相位误差较小，可认为式(15)中σ≈0，可得：(17)稳态时vq≈0，因此，由直流偏移所引起的相位误差为(18)设锁相环经锁相得到的电网频率中的误差成分为Δω，可得：(19)由式(18)、(19)可以看出，直流分量会导致锁相得到的相位与频率中含有频率与工频相同的交流成分，且该交流成分的幅值与直流分量的大小有关.因此，需对SOGI 进行结构上的改进，以消除掉直流偏移的影响.由图1可知：ε=v-v′，当系统处于稳态时，ε包含v中的所有直流分量.因此可以在ε经过增益k放大后，再通过低通滤波器处理后与v″做差，这样可彻底消除掉信号v″中的直流量.综上，文中提出一种改进型SOGI，其结构如图4所示，其中，T为新增支路中低通滤波器的时间常数.图4 改进型SOGI结构框图Fig.4 Diagram of the improved SOGI根据图4，有：(20)结合第2节的分析，可知与输入信号v的具体关系为(21)(22)将式(21)、(22)代入式(20)可得由输入信号v到v″的传递函数为(23)当输入信号频率为ω′时，根据式(23)可得：v″=-jv(24)其中，j为虚数单位.因此，改进后的SOGI良好地保持了原有的信号正交处理能力，G(s)的频率特性如图5所示.根据图5可知：①G(s)特性与带通滤波器相似；②图4中的低通滤波器的截止频率越高，对直流分量的滤除能力越强，当低通滤波器的截止频率取为20 Hz时，其在零频率附近的增益小于-40 dB，可以很好地滤除掉直流分量；③低通滤波器的截止频率越高，动态响应越快，但G(s)对高频干扰的抑制能力越弱.图5 G(s)的频率特性Fig.5 Bode plot of the transfer function G(s)综上，对于图4中低通滤波器截止频率的设计需综合考虑动态响应速度与高频衰减能力.由图2(a)可知D(s)在200 Hz频率处的增益约为-10 dB，因此，文中在设计低通滤波器时，以G(s)在200 Hz频率处的增益接近-10 dB为参考，最终取低通滤波器的截止频率为40 Hz.图6为G(s)在不同截止频率下的单位阶跃响应曲线.由图6可知，随着截止频率的升高，系统动态响应加快，调节时间缩短，对直流信号的衰减作用增强.当截止频率取为40 Hz时，稳定时间约为0.022 s，且稳态精度较高.图6 不同截止频率下G(s)的阶跃响应曲线Fig.6 Step response curves of G(s)at different cut-off frequencies4 仿真验证为验证文中理论研究的正确性，在PSCAD软件中分别搭建出单同步坐标系锁相环(I型)、基于传统型SOGI的不平衡锁相环(II型)、基于改进型SOGI的不平衡锁相环(III型)的仿真模型来进行对比验证，各锁相环的结构如图7所示.其中，基于传统型SOGI的不平衡锁相环的内部结构如图3所示，而基于改进型SOGI的不平衡锁相环的不同点在于图3中的DSOGI部分使用了改进型的SOGI.仿真时，3种类型锁相环结构中的PI控制器的参数均一致：比例系数为2，积分系数为3.图7 3种类型锁相环结构Fig.7 Structure diagram of three types of PLL仿真条件设定：①初始电网电压三相对称，其有效值为220 V，在0.25 s时，a 相电压跌落至50 V，在0.40 s时恢复正常；②初始电网电压三相对称，有效值为220 V，在0.60 s时，a相电压叠加上10 V的直流分量.两种条件下的仿真所得结果如图8、图9所示，仿真图形中为进行清晰对比，将各锁相环的锁相相位波形进行了纵轴偏移处理.图8 不平衡电网环境下的仿真结果Fig.8 Simulation results under the unbalanced grid voltage由图8可知：当电网电压不平衡时，单同步坐标系锁相环检测到的旋转电压矢量幅值存在约80V的二倍工频波动；锁相频率存在幅值约为20 Hz的二倍频分量，从而导致锁相相位也存在二倍频分量，稳态精度较低，锁相性能较理想电网环境下大幅下降.基于传统型SOGI的不平衡锁相环与基于改进型SOGI的不平衡锁相环在动态响应与稳态精度等方面的性能几乎一样.当设定a相电压的直流偏移量为10 V时，根据第3节的理论分析，由式(18)可得稳态时检测到的频率偏差理论值为-0.757 57cos(θ+φ)(25)图9 含直流偏移情况下的仿真结果Fig.9 Simulation results in the case of DC offset由图9(c)可知，基于传统型SOGI的不平衡锁相环在测量信号含有直流偏移的情况下，稳态时检测到的电网频率存在幅值为0.706 5 Hz的工频周期分量，与理论计算基本一致.采用改进型SOGI的不平衡锁相环稳态时检测到的电压矢量幅值误差约为0.065 V，频率误差波动分量幅值仅为0.045 Hz，根据Δω与相位误差之间的积分关系，可计算此时的相位误差(单位：rad)为-0.000 9sin(θ+φ)(26)因此，基于改进型SOGI的不平衡锁相环在测量信号含有直流分量的情况下仍具有较高的稳态精度.5 实验验证为进一步验证文中理论研究的正确性，基于DSP28335硬件平台编程实现了第4节中所述的3种类型锁相环，分别在不平衡以及不平衡电压伴随直流偏移的环境条件下进行各锁相环的性能实验.实验时，三相电网电压由电压信号发生装置模拟产生，三相电压数据由DSP的ADC模块以20 kHz的采样频率采样获得，实验所得数据均是以数组保存,从DSP内部读取得来，具体实验结果如图10、图11所示. 从图10可以得知，单同步坐标系因受负序电压的影响而导致锁相性能严重恶化，而基于传统型SOGI的不平衡锁相环和基于改进型SOGI的不平衡锁相环因进行了正、负序分离，在不平衡电网环境下均能保持良好的锁相性能.图10 不平衡电压条件下的实验结果Fig.10 Experiment results under unbalanced grid voltage分析图11可知，当三相电压中含有一定的直流分量时，基于传统型SOGI的不平衡锁相环经锁相所得到的电网频率存在明显的波动，进而导致锁相精度降低，而基于改进型SOGI的不平衡锁相环仍表现出良好的适应性，具有较高的锁相精度.需要说明的是，文中所设计的基于改进型SOGI的锁相环与基于传统SOGI的锁相环相比，其抗直流干扰的能力有较大提升，从频域上来说是对低频段进行了修正，但其对于5、7、9次等低次谐波的抑制能力并未增强.因此，文中所设计锁相环，在电网电压低次谐波含量较高时，其锁相精度会有所下降，有待进一步研究.图11 不平衡电压伴随直流偏移条件下实验结果Fig.11 Experiment results under unbalanced grid voltage with DC offset6 结论文中针对不平衡电网环境下并网逆变器的锁相问题进行了研究，通过仿真与实验得出以下结论：(1)当三相电网电压不平衡或含有直流分量时，单同步坐标系锁相环的锁相精度大大降低，已不适用于对并网逆变器进行控制；(2)基于传统型SOGI的不平衡锁相环适用于不平衡电网环境，但在电压检测信号含直流偏移的情况下其锁相性能变差；(3)基于文中所设计改进型SOGI的不平衡锁相环,在不平衡电网及电压检测信号含直流偏移的情况下均具有较高的锁相精度.参考文献：【相关文献】[1] MORENO V M,LISERRE M,PAGANO A,et al.A comparative analysis of real-time algorithms for power signal decomposition in multiple synchronous reference frames [J].Power Electron,2007,22(4):1280- 1289.[2] 曾正，赵荣祥，汤胜清，等.可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述 [J].中国电机工程学报，2013,33(24):1- 12.ZENG Zheng,ZHAO Rongxiang,TANG Shengqing,et al.An overview on advanced grid-connected inverters used for decentralized renewable energy resources 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Systems，2014，38(5):103- 108.。
基于FPGA的数字三相锁相环优化设计
基于FPGA的数字三相锁相环优化设计胡海华【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(35)14【摘要】数字三相锁相环中含有大量乘法运算和三角函数运算,占用大量的硬件逻辑资源.为此,提出一种数字三相锁相环的优化实现方案,利用乘法模块复用和CORDIC算法实现三角函数运算,并用Verilog HDL硬件描述语言对优化前后的算法进行了编码实现.仿真和实验结果表明,优化后的数字三相锁相环大大节省了FPGA的资源,并能快速、准确地锁定相位,具有良好的性能.%Since there are many multiplication operations and trigonometric function operations in the digital three-phase-locked loop, which will occupy too much hardware resource, an optimized scheme of the digital three-phase-locked loop is proposed in this paper. The multiplication module reuse and CORDIC algorithm are adopted in the scheme to realize the trigonometric function operation. The digital three-phase-locked loops before and after optimization were decoded and implemented with Verilog HDL. The results of the simulation and the experiment verify the optimized digital three-phase-look loop can save the resource of FPGA, and lock the phase rapidly and accurately.【总页数】3页(P169-171)【作者】胡海华【作者单位】成都航空职业技术学院电子工程系,四川成都610100【正文语种】中文【中图分类】TN911.8-34;TP332【相关文献】1.光伏并网系统中数字三相锁相环的优化设计 [J], 陆原;宋晓欧;刘飞腾2.基于FPGA的三相电网不平衡下的锁相环设计 [J], 李鹏飞;刘淮涛;吴平志3.基于FPGA的数字三相锁相环的优化设计 [J], 秦伟;庄圣贤;廖鹏飞4.基于FPGA的三相锁相环的优化设计方案 [J], 孙浩;袁慧梅5.基于LabVIEW FPGA的三相锁相环设计与实现 [J], 孙备;鲁琴;杜列波;李贞屹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
三相锁相环算法
三相锁相环算法三相锁相环算法是一种常用的控制算法，用于同步两个或多个信号的相位和频率。
它在许多领域中都有广泛的应用，如通信系统、电力系统和自动控制系统等。
本文将详细介绍三相锁相环算法的原理、应用和优缺点。
一、原理三相锁相环算法的原理基于负反馈控制的思想。
它通过比较输入信号和参考信号的相位差，然后根据相位差的大小调整输出信号的频率和相位，从而使输出信号与参考信号保持同步。
具体来说，三相锁相环算法包括三个主要组件：相位检测器、环路滤波器和压控振荡器。
相位检测器用于测量输入信号与参考信号的相位差，环路滤波器用于平滑相位差的变化，压控振荡器用于调整输出信号的频率和相位。
二、应用三相锁相环算法在通信系统中有着广泛的应用。
例如，在无线通信系统中，接收机需要与发射机保持同步，以确保信号的正确接收。
通过使用三相锁相环算法，接收机可以根据接收到的信号与发射信号之间的相位差，自动调整自身的频率和相位，实现同步接收。
三相锁相环算法还可以应用于电力系统中。
在电力系统中，各个发电机需要同步工作，以确保电网的稳定运行。
通过使用三相锁相环算法，发电机可以根据电网的频率和相位差，自动调整自身的频率和相位，实现与电网的同步。
三相锁相环算法还可以应用于自动控制系统中。
例如，在自动驾驶系统中，多个传感器需要同步工作，以提供准确的环境感知数据。
通过使用三相锁相环算法，各个传感器可以根据参考信号，自动调整自身的频率和相位，实现同步工作。
三、优缺点三相锁相环算法具有以下优点：1. 可以实现快速同步：三相锁相环算法可以快速地将输出信号与参考信号同步，确保信号的准确接收或传输。
2. 高精度的同步：三相锁相环算法可以达到很高的同步精度，通常可以达到纳秒级别的精度。
3. 稳定性好：三相锁相环算法通过负反馈控制，可以实现对相位差的稳定控制，使系统具有良好的稳定性。
然而，三相锁相环算法也存在一些缺点：1. 系统复杂：三相锁相环算法由多个组件组成，需要进行参数调整和系统优化，增加了系统的复杂性。
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1 单同步坐标系软件锁相环原理
dq 旋转变换Βιβλιοθήκη 压矢量图。écos(hωt + φ h )ù Uh ê （2） ú h = - 5, 7, -11, 13 ësin(hωt + φ h )û 式 （2） 再经过 Park 变换到 dq 旋转坐标系下的表达
电气传动 2017 年 第 47 卷 第 5 期
ELECTRIC DRIVE 2017 Vol.47 No.5
基于双层控制和多 SOGI 的三相数字锁相环设计
陈鹏飞， 徐耀良， 王悦， 夏栋 （上海电力学院 自动化工程学院， 上海 200090）
摘要： 针对电网中因电压不平衡、 含有谐波分量而造成的传统锁相环基波相位跟踪失败， 多 SOGI 的锁相 环响应速度慢， 有较大误差的问题， 在多 SOGI 的基础上提出了双层控制 （内分泌控制） 策略。在电压不平衡、 含有谐波的情况下分别进行仿真分析， 仿真结果证明该方案比传统锁相环和多 SOGI 锁相环能更好地跟踪电 网基波电压的相位， 同时能有效地提取正、 负序幅值， 提高了并网发电系统并网的快速性、 稳定性和有效性。 关键词： 数字锁相环； 相位跟踪； 三相不平衡； 双层控制 中图分类号： T762 文献标识码： A DOI： 10.19457/j.1001-2095.20170513
无论是光伏并网还是风能有源逆变都需要 实时检测电网基波电压的频率和相位 ， 锁相环 （PLL） 是目前广泛采用的相位检测方法。当电网 电压不平衡、 含有谐波时， 锁相环结构的研究更 为重要。 单同步锁相环 （SRF-PLL） 在电压含有负
［2］ ［1］
交发生器 （SOGI- QSG） 获得电网电压在两相静 止 α - β 坐标系下的电压分量及其 90 ° 移相信号， 再通过瞬时对称分量法分离出基波正负序分 量， 但是 SOGI-QSG 输出信号对于初始信号有延 迟， 不能快速检测相位。文献 ［5］ 提出了一种基 于多 SOGI 锁相环的锁相方法， 该方法利用 SOGI 的窄带带通滤波特性， 滤除中心频率以外的 其他信号， 提取出负序分量和高频分量， 然后在 初始信号中减去负序分量和高频分量， 该方法 能够很好地提取基波分量， 但是响应速度和准 确度不够。 本文提出了一种改进的基于双层控制和多 SOGI 的单同步锁相环， 能够在电网电压不平衡
Abstract: In view of the traditional phase locked loop fundamental phase tracking failure，the response speed
components in the power system， a double-layer control （hormonal control） strategy was proposed based on the
（College of Automation Engineering， Shanghai University of Electric Power，
of multi-SOGI phase locked loop is slow， and there is a big error caused by unbalanced voltage and harmonic
Design of Three⁃phase Digital Phase⁃locked Loop Based on Double⁃layer CHEN Pengfei， XU Yaoliang， WANG Yue， XIA Dong Shanghai 200090， China） Control and Multi⁃SOGI
作者简介： 陈鹏飞 （1990-） ， 男， 在读硕士， Email： 943397469@
陈鹏飞， 等： 基于双层控制和多 SOGI 的三相数字锁相环设计
电气传动 2017 年 第 47 卷 第 5 期
或出现高次谐波的时候准确、 快速地跟踪电网 电压的正序基波分量， 并能够提取正序分量以 及 负 序 分 量 的 幅 值 。 本 文 利 用 Simulink 在 各 种 情况下对该方法进行验证和分析， 证明此方 法能够有效快速地提取基波分量和负序分量的 幅值。
multi-SOGI. Simulation analysis was carried out under the condition of unbalanced voltage and harmonic， the results show that the proposed scheme is better than the traditional phase⁃locked loop and the multi⁃SOGI phase⁃locked loop to track the phase of the fundamental wave voltage of the grid. At the same time， it can effectively extract the generation system. Key words: digital phase⁃locked loop； phase tracking； three⁃phase unbalance； double⁃layer control amplitude of positive and negative sequence， and improve the fast， stability and efficiency of grid connected
序分量的情况下， 负序分量会在 dq 轴分量中产 生 100 Hz 的 2 倍频干扰， 不仅会对基波的幅值提 取造成干扰， 而且还会影响基波相位的检测。 基 于 解 耦 的 双 同 步 锁 相 环［3］是 将 dq 变 换 后 的 正、 负 序 分量分离开来， 但是结构复杂， 计算量 大。文献 ［4］ 提出一种基于双二阶广义积分器 （DSOGI-PLL） 的锁相方法， 该方法利用 SOGI 正 58