单相电力锁相环

第四章电网电压的相位检测及相控触发脉冲的FPGA实现4.1 电网电压的相位检测方法分类介绍在交流输配电的电力系统中，无论是仪器仪表还是电力电子设备，大部分都需要和电力系统电压相位进行同步才能进行精确的计算和控制，达到补偿和优化的效果。

所以为了保证此套融冰与无功补偿双用途系统的性能，第一步就是要选用一个好的电网电压的相位检测算法，获得和电压同步的相位。

常用电压同步信号的获取方法共有以下几种：1.硬件电路过零比较法2.基于基波傅立叶变换计算相位法3.基于dq变换的三相锁相环技术方法4.基于dq变换的单相锁相环技术方法以上四种方法中，后三种其实是可以统称为dq变换的锁相环技术，只是针对现场情况的不同，做了不同的改进和优化。

下面对三种不同同步信号获取的方法分别进行介绍，最后并对其优缺点进行讨论，选出比较好的一种锁相方法应用到本课题所设计的控制器中。

（1）硬件电路过零比较法硬件电路过零比较法一般是用硬件电路搭建起来，首先对输入进来的电网电压信号进行模拟信号的隔离，防止外部信号的电压突变，产生过电压，损坏电路板的内部电路。

隔离后的电压信号，然后进行低通滤波，将高次的谐波电压分量给过滤掉，剩下基波分量。

然后将基波分量信号通入电压跟随器，由于电子管导通至少需要一定的导通电压，如硅介质的需要0.7V左右，锗系列的也至少需要0.3V的电压，因此对于5V的电压同步信号来说，这种误差还是难以忍受的，换算成角度的话将会有20-30度的误差，使系统的精确控制来说将致命的。

因此为了能够调整同步信号的相位，再次加装了电压跟随器，通过调整电阻器的阻值可以使跟随的电网同步信号前移和后移一定相位，在现场根据波形比较进行调节，获得最佳的电阻参数。

获得和电网电压同步信号后在送入电压过零比较器，产生同步方波信号，这种信号的高电平代表着电网电压的正半周，低电平代表着电网电压的负半周。

这样就将电网电压的同步信号转换成了芯片直接可以识别的数字量信号，50hz的波形，上升沿代表着同步信号相位的零度，下降沿代表着同步信号的180度，高电平代表0-180度，低电平代表180-360度。

此种锁相方法的优点有，实现简单、成本低廉、锁定迅速，可进行分相锁相。

此种锁相方法的缺点有，对于电压畸变系统，同步失效。

（2）基于基波傅立叶变换计算相位法基于基波傅立叶变换计算相位法是比较昂贵的一种实现方法，由于要对电网电压信号进行傅立叶变换，所以要用到CPU，一般的单片机计算速度比较慢，尤其对傅立叶变换是更加的耗时，根本满足不了需求，必须选用计算能力强大的DSP运算芯片或者更高端的计算芯片，这种无形中就增加了设计的成本。

这种方法是首先把整理后的0-2.5V的电网电压信号进行AD转换，10位AD芯片就基本可以满足要求了，然后由DSP处理芯片读取数据，将数据放入到CPU的缓冲区内，每次取一周波的固定采样点数，如32点，根据傅立叶变换的算法进行计算，计算出电网电压的基波分量的相位，然后再进行相位的锁相环设计，锁定基波，同时计算出了基波的相位，其原理图如图4.1所示。

此种锁相方法的优点有，精度高、可用于电压畸变大的系统中。

此种锁相方法的缺点有，响应速度慢、成本大。

图4.1 基于傅立叶变换的锁相环原理图（3）基于dq变换的锁相环技术基于dq变换的锁相环技术是一种新型的锁相环技术，也是比较使用和容易实现的锁相技术，是本章节介绍的重点，下文会详细介绍，在此只对dq锁相技术的种类进行介绍。

刚开始应用这种技术是采用的dq变换三相锁相，此种方法应用非常广泛，但是发现在不平衡系统和单相运行系统（如电气化铁路）中无法满足要求。

随后进行改进用双dq变换锁相技术，解决不平衡系统的同步信号不精确的问题。

双dq变换技术的原理也就是将电压信号进行正序和负序分离，然后进行对正序进行锁相。

这种方法还存在它的局限性，需要三相电压，而对于铁路单相运行系统只有单相运行，这样就不能直接从铁路线路上提取三相网压。

随着电力电子技术的发展，电气化铁路的电能要求也不断的增加，因此提出了基于dq变换的单相锁相环技术，这种技术是目前比较好的锁相技术，应用范围广。

但是国内采用此种技术进行锁相的实际应用还是很少。

为了使系统应用的范围更广，因此本课题所设计的双用系统控制器的锁相环就采用了这种应用技术，可以应用到不同供电系统中。

4.2 同步信号的检测原理仿真分析4.2.1 基于dq变换的三相锁相环原理（1）锁相环技术是能使两种信号的同相位的跟踪技术，一般可以应用于电网电压的相位和频率的跟踪上。

目前获得电网电压的相位和频率的方法一般都是通过锁相环进行的得到。

锁相环的原理如图4.2所示，电网的相位为Ө1，经过鉴相器把电网的相位信号变成电压控制信号，再经过环路滤波器的调节控制，然后输出控制信号，送入到压控振荡器产生跟踪相位，其和电网的相位的误差反馈到输入端，形成相位的闭环的控制，使之与电网电压的相位一致。

图4.2 锁相环的基本原理结构（2）dq 变换的基本思想就是将电网三相电压信号经过abc-dq 之间同步坐标系的变换，转换成dq 坐标上的两直流分量电压。

当dq 旋转坐标的旋转速度和三相坐标系相同时，此时也就是跟踪信号的频率和电网电压的频率达到一致，经过调节使d 轴上的电压分量变为零时，这时跟踪信号的相位和电网电压的相位是一致的，同时又能较好的抑制谐波和负序分量。

abc-dq 坐标变换实现的过程如下所示：设三相电压为⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡)32cos()32cos(cos πθπθθm V uc ub ua 根据瞬时无功功率理论，将abc 坐标系转换到α-β坐标系后，两相电压U α，U β分别为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡c b a U U U U U 232302121132βα 有静止坐标系α-β转换到旋转坐标系dq 后Ud ，Uq 分别为：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)sin()cos(**θθθθVm U U q d 其中*θ为旋转坐标系dq 的旋转角速度。

用矢量图来表示上式如图4.3所示，α-β坐标系为静止坐标系，和三相坐标系是同步旋转的，当Δθ为零时，这时就达到了锁相的目的，产生的跟踪信号的相位和电网电压的是一样的，一般由于电网电压的频率是波动的，所以设计的控制器会进行不断的调节跟踪，d 轴会在α轴附近小幅度的波动，波动范围大小是θθ-*，也就是相位锁定误差大小。

αq图4.3 电压矢量U 与dq 旋转坐标系的关系图（3）根据以上介绍的原理，设计锁相环控制器，其原理图如图4.4所示，图中PI 调节器的PI 参数对整个控制器的性能十分重要，它影响到系统的响应速度和控制精度，因此在下一小节中会对系统进行仿真模型的搭建，然后仿真调试PI 的最佳参数。

但是电网中理想情况下的电压信号是不存在的，由于电力电子设备投入和冲击性负荷的日益增多，电网工频电压信号会由于电流谐波而产生畸变，从而将电压信号中将会夹杂部分谐波分量，直流分量，负序分量，影响相位锁定的精度。

经过仿真研究分析知，电压信号中含有谐波分量时，在旋转坐标变换后的d 相会产生300Hz 的谐波，导致锁定相位波动。

电压信号不平衡时，在旋转坐标变换后的d 相会产生100Hz 的谐波，导致锁定相位波动。

而直流分量注入时，在旋转坐标变换后的d 相会直接产生直流分量，对系统相位锁定误差影响最大，产生固定的量的相位偏差。

因此此种锁相方法存在缺陷，不能够在现场条件比较恶劣的条件下进行工作，并且对于单相运行电力系统，这种基于dq 变换的三相锁相技术将会失效，即使在程序中生产其他两相信号，实现三相的dq 变换锁相算法，但是其误差比较大，锁相不太理想。

下面就介绍一种基于dq 变换的单相锁相环原理，因为其鉴相原理是通过两个正弦信号相乘而来，所以也可称之为正弦相乘锁相法。

图4.4 三相锁相环的原理框图4.2.2 基于dq 变换的单相锁相环原理如图4.4三相锁相环的原理框图所示，当Ua ，Ub ，Uc 三相电压为单相电压时，这里假设输入为Ua 相电压，Ub=0，Uc=0。

经过简化后其原理框图如图4.5所示。

图4.5 三相锁相环输入单相电压化简后的原理框图假设Ua 相电压为含有高次谐波，下面对单相锁相的原理进行分析。

设电网电压y(t)=cos(0ωt+0Φ)+0ε (1)式子中：0ω为电网角频率； 0Φ为电网电压相位；0ε为电网谐波和检测误差成分；设生成的锁相跟踪电压信号为：)sin()(11Φ+=t t y ω (2)式子中：1ω为跟踪信号角频率；1Φ为跟踪信号相位； 然后（1）式和（2）式相乘得到：)sin(]})sin[(]){sin[(21)(11010101010Φ++Φ-Φ+--Φ+Φ++=ωεωωωωt t t y （3）若信号频率一致，即0ω=1ω，则（3）式可化简为：)sin(2)sin()2sin()(10010100Φ++Φ-Φ-Φ+Φ+=t t t y ωεω=)sin(2)sin(2)2sin(10010100Φ++Φ-Φ-Φ+Φ+t t ωεω （4） 由公式（4）可知，其中共有三项分量，第一分量是直流分量，第二分量是100Hz 的正弦波动分量，第三是高频谐波引起的干扰。

由图4.3分析可知当d 轴分量为零时，这时相位才稳定锁定，而此时由于只输入单相电压而引入了大量了谐波及直流分量干扰，是锁相误差变大，锁相失去作用。

如果在PI 调节器前端加上一个低通滤波器，将交流分量滤除掉，再有闭环反馈就可以准确的锁定相位。

由于数字滤波器的延时，会造成相位的延时，因此要加入相位校正环节。

如图4.6是改进后的锁相原理框图，输入信号只有单相电压，输出为跟踪的此单相电压的相位，属于单相锁相技术，因此在三相系统不平衡系统可以应用此项锁相技术，只对单相锁定，一定程度上消除了三相之间的相互影响。

其基本调节过程为，当输入电压信号和跟踪正弦信号相乘后送入到滤波器输入端，经过低通滤波后得到ΔE1，反相后送入数字PI 调节器，如果跟踪信号相位滞后输入电网电压信号，则数字PI 调节器增大输出ω值，最终使跟踪信号相位赶上电网相位。

当跟踪信号相位超前电网电压信号相位，则数字PID 调节器驾校输出ω值，最终使跟踪信号相位赶上电网相位。

当系统调节完毕稳定后，ΔE1为零，ω值保持不变，跟踪信号和电网相位相等。

图4.6 基于dq 变换的单相锁相环原理框图4.2.3仿真研究为了验证单相锁相环算法的动态性能，静态性能，利用simulink 进行了算法模块的搭建和仿真。

输入信号Ua 的基波频率0f =50Hz ，Ua=1，数字PI 调节器的参数Kp=0.24，Ki=4.3，Ts=1/10000s,基于dq 变换的单相锁相环算法的simulink 模型如图4.7所示。