基于dq变换的三相软件锁相环设计图文精.docx

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基于dq变换的三相软件锁相环设计图文精

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）

摘要：

针对传统锁相环在电压畸变条件下不能获得准确相位的问题，根据软件锁相环（ＳＰＬＬ）原理．提出了一种基于如坐标变换原理获得ＳＰＬＬ线性化模型，并通过ＰＩ控制实现的新型三相ＳＰＬＬ。

在三相电压不平衡时。

利用Ｔ／４（Ｔ为三相电压周期）延时计算法实现正、负序分量分离，有效地抑制负序分量对相位的影响。

通过仿真实验系统，对提出的控制策略在各种电压畸变及三相电压不平衡条件下进行验证。

结果表明，该ＳＰＬＬ的动态响应速度快、稳态性能好。

并对电压畸变有很强的抑制作用。

关键词：

软件锁相环：

幽坐标变换；畸变电压；正、负序分量中图分类号：

ＴＰ２１４

文献标识码：

Ａ

文章编号：

１００６—６０４７（２０１１）０４—０１０４—０３

０

引言

２Ⅳ相加后得到实际角频率。

最后经过一积分环

节，输出即是电网电压的相位０。

整个ＳＰＬＬ过程构成一个反馈，通过ＰＩ达到锁相目的。

ＳＰＬＬ原理图如图ｌ所示。

本文基于如坐标变换原理，通过ＰＩ控制，实现三相软件锁相环（ＳＰＬＬ）。

但当三相电压不平衡时。

负序分量滤波效果不好［１－３＿．因此利用Ｔ／４（ｒ为三相电压周期）延时计算法实现正、负序分量分离。

有效抑制负序分量对相位的影响。

最后，模拟市电电压畸变和三相电压不平衡的情况下进行仿真实验，实验结果验证该锁相环性能良好。

１

０

ＳＰＬＬ原理

图１ＳＰＬＬ原理图

Ｆｉｇ．１

ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＳＰＬＬ

ＳＰＬＬ基本原理［４．５］是将三相输入电压ＵａＵｂ、Ⅱ。

转换到静止的俚ＪＢ坐标系，然后从静止的ａｐ坐标系转换到与三相电压同步旋转的由坐标系，得到交流电压的直流分量／Ｌｄ、“。

。

三相静止坐标系到两相静止坐标系下的数学矩阵为

２

ＳＰＬＬ的控制框图及性能分析

图２为系统控制框图．将锁相误差信号输入ＰＩ

调节器，将输出值加上初始工频角频率．从而得到了锁相的角频率输出．经过积分得到锁相相位值。

为避免溢出．通过求余函数将锁相相位值限制在０。

２丌之间。

为简化分析，ＡＤ采样环节采用了一阶延时模型。

㈦＝悟

・一手一｝

ｏ义２∑一型２￡

两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系下的数学矩阵为

［：

１＝［二：

吕：

：

：

］［：

Ｊ

（２）

式（２）变换矩阵中的０就是ＳＰＬＬ的相位输出。

如果锁相角与电网电压相位同步，则直流分量‰为额定值，而％为零。

因此，可以将参考值零和实际三相电压坐标变换后的‰相减，得到误差信号，再经过ＰＩ调节后得到误差信号面．再与理论角频率

收稿日期：

２０１０—０４—１１：

修回日期：

２０１０—１２—２２

Ｆｉｇ．２

图２ＳＰＬＬ控制框图

ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＳＰＬＬ

ｃｏｎｔｒｏｌ

系统闭环传递函数为

基金项目：

国家电网公司科研项目资助（ＳＧ０８３３）

ＰｒｏｊｅｃｔｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＳｔａｔｅＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（ＳＧ０８３３）

其中，Ｔ为三相电压周期；Ｋｐ为比例系数，墨为积分系数。

Ｇ小，＝等黼

㈤

万方数据

第４期吉正华，等：

基于幽变换的三相软件锁相环设计

式（４）成立时，系统是稳定的：

ｆ峰＞Ⅸ＞ｏ

ｆ４、、…

ｌＫｉ＞Ｏ

对控制系统进行频域分析㈣．在折中考虑跟踪速度、稳定性、滤波效果的基础上，设计控制参数，可以得到控制系统ｂｏｄｅ图，如图３所示。

Ｏ

一

加

曲勺＼气

一

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一

帖。

、？

＼＼

。

一。

一＼寻

一

吣

＼

１０１ｌ铲

ｌ妒

１０．

ａｔ／（ｒａｄ・Ｓ－‘）

圈３控制系统ｈｏｄｅ圈

Ｆｉｇ．３

Ｂｏｄｅｃｈａｒｔｓ

ｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

从图３可见。

锁相环系统稳定，具有低通特性。

当输入角频率大于１００丌ｒａｄ／ｓ时。

幅值小于０ｄＢ，

即三阶系统对高次谐波有滤波效果．因此可通过合理选择ＰＩ参数．使得其同时满足跟踪速度与滤除高次谐波的要求。

但当三相电压不平衡时。

输入电压含有负序基波分量．角频率为１００丌ｔａｄ／Ｓ，经过砌变换后。

角频率变为２００７ｒｒａｄ／ｓ：

”，此时经过上述控制系统滤波效果并不好…．可选择低通滤波器将其过滤，但控制系统更为复杂，系统稳定性也受影响，相位会延迟。

本文采用正、负序量的Ｔ／４延时计算法来得到正序分量。

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。

目前，正、负序分量分离的一般的方法是使用滤波器。

但是滤波器有２个明显的缺点：

ａ．滤波器不能做到无差分离：

ｂ．滤波器会破坏系统的稳定性。

本文针对正、负序分量的特点对采样点进行数学计算，从而得到比较理想的正、负序量的Ｔ／４延时计算法［９．ｔｏ］。

式（５）是正、负序分量的数学表达式：

ＩＵａｃｔ）＝坼ｃｏｓ（ｔｏｔ＋０．）＋玑ｃｏｓ（－ｔｏｔ＋巩）

，。

、。

【％“）＝仉ｓｉｎ（ｔｏｔ＋Ｏ．）＋以ｓｉｎ（一础＋巩）

其中，Ｕａ（‘）、％（Ｉ）为此亥ｎ０１４３轴上的幅值；Ｕｐ、仉为正、负序分量的幅值。

万方数据

式（６）为ｒ／４周期前的不对称的矢量表示。

体现在相位上正序分量落后了ｈｉ２，负序分量超前

了ｎ／２。

Ｏａ（ｔ－Ｔ／４）＝坼ｃｏｓ（ｔｏｔ＋０ｐ—ｎ／２）＋

‰㈨：

Ｕ以．ｃｏｓ（－ｔｏｔ＋Ｏ一．＋ｎ／）２＋）ｓｉｎ（ｔｏｔ＋０ｐ

％（１－阴）－以

一ｎ／２）＋（６）…’

以ｓｉｎ（一似＋巩＋ｈｉ２）

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．）

川【％（１－ｒ／４）２一坼ｃｏｓ（ｔｏｔ＋郎）＋以ｃｏｓ（一础＋巩）

…７

根据式（５）（７）可以得到正序分量的表达式，如

式（８）所示：

％＝％

Ｃ

∞埘＋绑）

＝

‰

一

％一

）

８

‰＝

％

Ｓ

洫

叭＋巩）

＝

陆Ⅳ矿‰

）

其中，‰、％为正序分量在ａ卢轴上的幅值。

从上述计算上看．Ｔ／４延时的方法是一种比较理想的计算方法，能够无差地将正、负序分量分离。

而且和滤波器相比．优点在于基本上对控制系统的稳定性没有任何影响。

４仿真及实验结果

为验证上述控制方法的有效性．在上述理论分析的基础上．建立如图１所示的系统结构进行仿真研究。

当三相电网电压叠加６０％的４次谐波．电压有畸变，且有多个过零点时，该锁相环输出电压ｕ蚋。

．波形如图４所示（‰为谐波电压波形）。

锁相环能良好地抑制谐波，准确跟踪基波电压。

之１・５

；

。

一１．５

０Ｏ．０２０．０４

０．０６０．０８Ｏ．１０

ｌ／ｓ

图４输出电压和谐波电压

Ｆｉｇ．４

Ｏｕｔｐｕｔ

ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃ

ｖｏｌｔａｇｅ

当三相电网电压频率突变时刻．发生了５０．４５Ｈｚ

的频率突变，该锁相环输出电压如图５所示（Ｍ，为频率突变电压）。

锁相环可以迅速锁定相位。

当三相电网电压相位突变时刻．电压相位提前了ｎ／３。

该锁相环输出电压如图６所示（‰为相位突变电压），锁相环可以迅速锁定相位，显示了良好的动态性能。

当三相电网电压不平衡时．即ａ相负载不变，ｂ相负载变为２倍，Ｃ相负载变为ｌ／２．该锁相环输出电压如图７所示。

锁相环几乎不受电压波动影响．良好跟踪基波电压相位。

３

》

虿。

一３

Ｏ

０．０４

０．０８

０．１２

０．１６

０．２０

ｔ／ｓ

图５频率突变时电压波形

Ｆｉｇ．５

ｖｏＩｔａｇｅｗｉｔｈ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｕｔａｔｉｏｎ

之

３

拳

ｊ

ｏ

一３

０

０．０４０．０８

０．１２０．１６０．２０ｔ／ｓ

图６相位突变时电压波形

Ｆｉｇ．６Ｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈ

ｐｈａｓｅｍｕｔａｔｉｏｎ

之

３

霉

ｏ

§一３

Ｏ

Ｏ．０２

０．０４

０．０６０．０８０．１０

ｔｌｓ

圈７三相相位不平衡时电压波形

Ｆｉｇ．７

Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅ

图８和图９分别为相位不平衡时，增加正、负序分量分离控制之前和之后的‰电压波形。

可以看出正、负序分量分离前，当三相相位不平衡时，‰电压含有２次谐波，表明负序分量没有被滤除。

而正、负序分量分离后，当三相相位不平衡时，‰电压不含有２次谐波，和三相相位平衡时一样，表明负序分量被有效滤除。

５０＞

＞

ｏ

一５０

Ｏ

０．０２

０．０４

０．０６Ｏ．０８Ｏ．１０

ｔ／ｓ

图８正、负序分■分离前‰电压波形

Ｆｉｇ．８Ｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆ‰ｗｉｔｈｏｕｔｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ

ｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

１００＞

５０

＼

孝０

—５０

Ｏ

Ｏ．０２

０．０４

０．０６０．０８０．１０

ｔ／ｓ

图９正、负序分量分离后‰电压波形Ｆｉｇ．９ＶｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒＩｎｏｆⅡｑｗｉｔｈｓｅｐａｒａｄｏｎ

ｏｆｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

５

结论

针对三相电网电压尤其是畸变电压条件下精

确锁相的难度增加的问题，本文提出了基于由变换

万方数据

的三相软件锁相环．通过ＰＩ控制．达到了准确相位锁定的目的。

同时利用ｒ／４延时计算法实现正、负序分量分离．有效抑制不平衡电网电压下负序分

量对相位的影响。

仿真实验结果表明．该锁相环动态响应速度快，稳态性能好。

对各种电压畸变情况都有很强的抑制作用。

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（编辑：

柏英武）

作者简介：

吉正华（１９８２一）．男，江苏南通人，助理工程师，硕士，研究

方向为电力电子技术在电力系统中的应用（Ｅ－ｍａｉｌ：

韦芬卿（１９８４一），女．广西南宁人，助理工程师，硕士，研究方向为电力系统仿真及应用：

杨海英（１９８０一），男，安徽安庆人，助理工程师，硕士，研

究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

ｊｉｚｈｅｎｇｈｕａ＠ｓｇｅｐｒｉ．ｓｇｃｃ．ｃｏｍ．ｅｎ）；

基于dq变换的三相软件锁相环设计

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷（期：

吉正华，韦芬卿，杨海英，JIZhenghua，WEIFenqing，YANGHaiying

吉正华,杨海英,JIZhenghua,YANGHaiying（国电南瑞科技股份有限公司,江苏,南京,210061，韦芬卿,WEIFenqing（国网电力科学研究院,江苏,南京,210003电力自动化设备

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