基于同步旋转坐标变换的三相锁相环设计
三相不平衡条件下基于可变采样周期的锁相环研究
（5）
为了实现相位锁定，应当控制使得 φu 与 φref 相 等。 从式（4）、（5）可知通过调节 Ts 可实现参考相位 和实际相位的零误差，且最终稳定后的采样频率是 Npll 倍的工频。
由上述仿真可以看出，当三相电网出现电压不 平衡、存在谐波电压或者是频率突变时，该锁相环 都可以完全锁定电网中的正序基波分量。
4 小结
图 4 频率突变时 VSP_PLL 锁相情况
本文将滑动 Gortzel 滤波器加入基于采样周期 变 化 的 锁 相 环 （VSP_PLL）中 ，在 三 相 电 压 不 平 衡 、 存 在谐波电压或者是频率突变时可以很好地锁定三 相电网中的正序基波分量，而且系统具有动态性能 好、动态响应时间短、稳态精度高等优点。
其 中 flag 为 频 率 突 变 标 志 位 、ua 为 A 相 相 电 压 、ua+为 A 相 正 序 相 电 压 、cos(φref)为 参 考 相 位 对 应 的余弦函数、eφ 为 相 位 误 差 、eSG 为 滤 波 器 输 出 的 相 位误差、fs 为采样频率。
由图 4 可知，当发生频率突变时，系统经过两 个工频周期的调节时间最终再次达到稳定。 可以看 出，系统的动态性能好，动态响应时间短。 由图 5、图 6 可知， 滤波器可以完全消除相位误差中的振荡信 号，最终实现稳态零误差。
system under distorted utility condition [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1997, 33(1): 58-63. [3] P Rodriguez, J Pou, J Bergas, et al. Double Synchronronous Reference Frame PLL for Power Converters Control [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 22 (2): 1415-1421. [4] Masound Karimi -Ghartemani, M Reza Iravani. A Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable -Frequency Environments [J]. IEEE Transactions on. 2004,19(3): 1263-1270. [5] (美) G. Richard Lyons 著, 朱 光 明, 程 建 远, 刘 保 童,等 译, 王万银校. 数字信号处理(第二版)[M]. 北京 ：机 械 工 业 出 版社, 2006. [6] R Petrocelli, S Maestri, M Benedetti, and R Retegui. Digital synchronization method for three phase systems [J]. in Intelligent Signal Processing 2007. WISP 2007. IEEE in-
基于dq变换的三相软件锁相环设计_图文(精)
‰㈨：Ｕ以．ｃｏｓ（－ｔｏｔ＋Ｏ一．＋ｎ／）２＋）ｓｉｎ（ｔｏｔ＋０ｐ
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根据三角函数关系对式（６）进行简化，可得
到式（７）：
ｆＵａ（ｔ－ｒ／４）＂＂坼ｓｉｎ（ｔｏｔ＋０ｐ）一玑ｓｉｎ（一ｔｏｔ＋Ｏ．）
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第３１卷第４期
电力自动化设备
ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ
ＶｏＬ３１Ｎｏ．４Ａｐｒ．２０１１
＠２０１１年４，Ｅｌ
基于由变换的三相软件锁相环设计
吉正华１，韦芬卿２，杨海英１
（１．国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京２１００６１；
２．国网电力科学研究院，江苏南京２１０００３）
３正、负序分量分离
如果电网电压不平衡．电网电压可由正序分量、负序分量、零序分量３个部分合成。由坐标变换原理可知，三相不平衡电压经过ａ口坐标变换后，零序分量经过口口坐标变换后都为零，再将正序分量和零序分量分离。这样软件锁相的输出可以不受负序和零序的影响．可以保证软件锁相跟踪的是正序基波分量．从而达到抑制畸变电压的目的。
三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现
类 别：全日制硕士研究生 题 目：三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现 英文题目：Design and Realization of Phase Locked Loop under Three-phase Unbalance Voltages 研究生：林百娟 学科名称：控制理论与控制工程 指导教师：王生铁 教授 田桂珍 讲师 二○○九年五月硕士学位论文 分类号:学校代码: 10128 U D C : 学 号: 20061197摘 要为了保证并网逆变器、静止同步补偿器等电力电子装置在三相不平衡、畸变或电压突降条件下正常工作,要求必须研究使用高性能锁相电路跟踪检测技术，能够快速、准确地锁定正序基波电压相位。
本文针对三相电压不平衡等现象研究了锁相环的设计及实现，主要包括以下几方面：首先，介绍了课题研究的背景及意义，并对锁相环的工作原理、种类及其发展状况作了较为全面的综述，总结了并网变换器对锁相环技术的基本要求。
其次，在分析基于单同步参考坐标系的软件锁相环(SSRF SPLL)的结构和工作原理的基础上，建立其数学模型，分析系统的稳态及动态性能，给出畸变电压下系统的追踪误差，并利用PSCAD/EMTDC软件对其进行仿真研究，结果显示该锁相环在三相电压不平衡时锁相精度不理想。
再次，根据电压不平衡条件下基于解耦双同步参考坐标系的软件锁相环（DDSRF SPLL）的设计思想，推导出双同步参考坐标系下正负序电压的解耦关系式，进行了多同步参考坐标系下正负序电压的解耦网络分析，建立了能够准确、快速地锁定正序电压的DDSRF SPLL结构模型。
仿真结果表明该方法能有效抑制输入电压的不平衡扰动，保证了锁相环的高性能输出。
然后，介绍基于对称分量法的单同步坐标系锁相环(EPLL-SSRF SPLL)的工作原理，利用增强型锁相环和计算单元提取正序分量，建立EPLL-SSRF SPLL的结构模型，研究动态参数对其性能的影响，仿真验证了该锁相环在电压畸变时具有良好性能。
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。
基于同步坐标系的三相电网软件锁相环仿真研究
报
Ｖｏ １ ． ２ ４ Ｎｏ ．１ Ｆｅ ｂ． ２ ０１ ５
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ ａ ｉ ｙ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
条件 ， 计算 出用 于仿真 的各个 系统控 制参数 。利用 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ软件 搭建 该仿真模 型 ， 并 在平衡 电网 电压 和不平衡 电
网电 压 情 况 下 ， 对 系统 性 能进 行 分析 比较 。仿 真结 果 说 明 ， 同步 坐 标 系 方 法 能 够 获 得 较 好 的 电 网信 息 ， 相 平 衡 电 网 时 适
Ｓｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ｐｈ ａ ｓ ｅ— — Ｌｏ ｃ ｋ ｅ ｄ Ｌｏ ｏ ｐ Ｂａ ｓ ｅ ｄ
ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｖ ｎ 【 ｈ ｒ ０ ｎ ０ ｕ ｓ Ｒｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｃ ｅ Ｆｒ ａ ｍｅ ｆ ｏ ｒ Ｔｈｒ ｅ ｅ—ｐｈ ａ ｓ ｅ Ｇｒ ｉ ｄ
取 电网电压变化的信息 。阐述 了软件锁相环的基本结构 和原 理 ， 从理论 上分析 系统 的稳 定性 和跟随特性 ， 用 矢量解耦 的
方 法 研 究 了基 于 单 同步 旋 转 坐 标 系 的软 件 锁 相 环 的设 计 方 法 ， 用 二 阶 系 统 的 标 准 形 式 对 调 节 器 参 数 进 行 整 定 。根 据 实 际
２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ， ｌ ｅ￣ ， ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｈｅ ｆ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ０ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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。
基于d-q坐标变换的三相锁相环研究
Ｕ ｑ ＞ ０ ，ｄ 轴滞后 ｕ 应 增 大 同 步 信 号 频 率 ；Ｕ ｑ ＜ Ｏ ，ｄ 轴 超 前ｕ 应减 小 同 步信 号 频 率 ；Ｕ ｑ ： ０ ，ｄ 轴 与ｕ 同 相位 。因 此 ，可 以通过 控 制ｕ ，使ｕ ＝ Ｏ 来 实现 两 者之 间 的 同相 ，完成 鉴相 。 相位 锁定后 ， ０ 与 ０的 差 值 趋 近 于 零 ，可将 式线 性化 为 ：
何 准 确 快速 地 锁住 电网 相位 ，不仅 对 于 能 ｃ ｏ ｓ （ ： ２ ） 量 充 分利 用 有 重大 意 义 ， 同时 对于 并 网 逆 变 器 本 身 的稳 定性 也 具 有相 当的 意义 。 在 式中： ０ ． 为 电网输 入相 位 角 ｕｃ ＝Ｆ （ ） ・ （ ） （ １ １ ） 三 相 并 网逆 变 器 中 ，常 用过 零 点 电压 检 测 通 过静 止 坐标 系 变 换 ，将 静止 三 维坐 本 文采 用 的环 路滤 波 器为 一个 一 阶 比 的方 法 来 实现 锁相 ，这 种方 法 虽然 简 单 易 标 系 转 换成 静 止 二维 坐标 系 ：将 三 相 电压 例 积分 滤波 器 。传递 函数 为 ：
Ｆ （ ） ＝ 二
（ １ ２ ）
； １ ０ ｌ 一 盔 Ｉ
１ ． 引言 能源 是 人 类赖 以生存 和 发展 的重要 基 础 ，可以说人类社会是越来越离不开能源…。 当 今 世界 ，随着 的 经济 迅 猛 发展 和 社会 的 日益 进步 ，人类 对 能源 需求 量 也可 以说是
鉴 相 器 是 一 个 相 位 的 比 较 环 节 ， 用 来 检测 输 入 信 号 相位 ０ （ ｔ ） 与 反 馈信 号相 位０ （ ｔ ） 的相 位 差 ０ （ ｔ ） ，并将 这个 信 号 之 间 的 相 位 差 转 换 为 电 压 形 式 ，鉴 相 器 的 输 出 电压 ｕ 与相位 之 间的函数关 系 ： 日益 增加 ，使得 煤 炭 、石 油 、 天然 气等 化 ｕ （ ｔ ） ＝ ，（ ０ （ ｔ ） ） ，这 个 函 数 关 系 是 鉴 相 石 能源 的枯 竭速 度 迅猛 。与 此 同时 ，技 术 器 的鉴 相 特 性 ， 当输入 信 号 的信 噪 比 下降 的 发 展对 于 环境 的影 响 同样 不可 忽 视 ，如 时 ，鉴 相特 性就 趋近 于 正弦 。 何 能 找到 一 种可 再 生 的绿 色 能源 成 为全 世 本文 中三相 Ｐ Ｌ Ｌ 的鉴 相器 是通 过 ｄ － ｑ 旋 界 共 同要 面 对 问题 ，太 阳能 发 电技 术就 是 转 坐标 变 换 来实 现 的 。将 三 相 电 网电压 向 在 这 个时 候 出现 在 了人们 的 眼 前 ， 由于其 量 ｕ 经Ｃ ｌ ａ ｒ ｋ 变 换使 静 止 的 三相 坐 标 系变 无 污 染 ，可 再 生这 些优 点 ，使得 太 阳 能发 换 成 两 相 正 交 的 静 止 向量 ｕ 、 ｕ 。 ，假 设 电技术 成为 了未来 发展 的主 流 。 三 相 电压 Ｕ ，ｕ ，ｕ 。 是 理 想 的 ， 归一 化 后 光伏 并网 逆变 器 作为 太 阳 能发 电系统 得 ： 的 重 要组 成 部 分 ，受 到 了越 来越 多 人 的关 Ｃ Ｏ Ｓａ 注 ，而锁 相 技 术又 作 为 并网 逆变 器 的 一项 『 “ ］ Ｃ Ｏ Ｓ （ 一 ÷ ） 重 要 技 术 ，也 受 到 了人 们广 泛 的关 注 。 如 “ ｌ ｊ ｌ ＝
基于d_q坐标变换的三相锁相环研究_姜英
uc (t ) p (15)
式中 为积分因子，是相位与角频率 之间产生的关系； 将其进行拉氏变换可得传递函数：
2 ( s ) k0 (16) U c (s) s
/2013.04/
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》 》
电工研究
》 》 电工研究
PLL θ1(t)
H (s) k0 k q F ( s ) s k0 k q F ( s )
(17)
在将F(s)带入式中可将传递函数写 为：
k0 kq 2 kk 1 s 2 s 0 q s 1 1 1 H (s) 1 s 2 k k kk s k0 k q s2 0 q 2 s 0 q s 1 1 1
100
把传递函数归一化后得：
H (s) 20 s 0 2 (19) s 20 s 0 2
2
PD
uq(t)
LF
uc(t)
VCO
θ2(t)
0 -100 -200 -300 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
图1 锁相环基本组成框图 Fig1.Phase-locked loop basic composition diagram
1.引言 能源是人类赖以生存和发展的重要基 础，可以说人类社会是越来越离不开能源[1]。 当今世界，随着的经济迅猛发展和社会的 日益进步，人类对能源需求量也可以说是 日益增加，使得煤炭、石油、天然气等化 石能源的枯竭速度迅猛。与此同时，技术 的发展对于环境的影响同样不可忽视，如 何能找到一种可再生的绿色能源成为全世 界共同要面对问题，太阳能发电技术就是 在这个时候出现在了人们的眼前，由于其 无污染，可再生这些优点，使得太阳能发 电技术成为了未来发展的主流。 光伏并网逆变器作为太阳能发电系统 的重要组成部分，受到了越来越多人的关 注，而锁相技术又作为并网逆变器的一项 重要技术，也受到了人们广泛的关注。如 何准确快速地锁住电网相位，不仅对于能 量充分利用有重大意义，同时对于并网逆 变器本身的稳定性也具有相当的意义。在 三相并网逆变器中，常用过零点电压检测 的方法来实现锁相，这种方法虽然简单易 实现，但对于电网电压畸变敏感，容易失 效。为此，本文提出了一种基于d-q旋转 坐标变换的方式来实现锁相，使得锁相精 度高，动态效果好，仿真实验充分证明了 这一点。 2.原理与设计 2.1 锁相环的基本原理 为了避免太阳能电池所发的电能送入 电网后对电网造成谐波污染，需要保证向电 网输送电能时的输入电压信号相位角与电网 电压相位角同步，这就需要锁相技术。锁相 环就是通过对电网电压的检测与监控并对电 网电压相位进行控制的一项技术。 锁相环的基本任务[2]就是快速且准确 地检测出电网信号并且跟踪电网信号的频 率和相位。锁相环一般由鉴相器、环路滤 波器、压控振荡器所组成。其基本工作原 理：鉴相器将电网信号与控制系统同步信 号的相位差转化成电压，经过环路滤波器 滤除一些谐波后送入压控振荡器，从而改 变系统内部的相位和频率，使之于电网电 压一致。 如图1所示，是由鉴相器(PD)、环路 滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)3个主要部 分组成的。 2.2 鉴相器（PD）