三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现.pdf

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全日制硕士研究生别：

全日制硕士研究生题题目：

三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现目：

三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现英文题目：

英文题目：

DesignandRealizationofPhaseLockedLoopunderThree-phaseUnbalanceVoltages研究生：

林百娟研究生：

林百娟学科名称：

控制理论与控制工程学科名称：

控制理论与控制工程指导教师：

王生铁指导教师：

王生铁教授教授田桂珍田桂珍讲师讲师二九年五月二九年五月硕士学位论文硕士学位论文分类号:

学校代码:

10128分类号:

学校代码:

10128UDC:

学号:

20061197:

学号:

20061197摘要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（SSRFSPLL）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（DDSRFSPLL）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DDSRFSPLL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-SSRFSPLL）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-SSRFSPLL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。

最后，设计了三相交流电压检测和调理电路及锁相输出电路，选用C8051F410单片机作为控制单元,搭建了锁相环系统的硬件平台；给出系统的程序结构、主程序和中断服务程序的流程图，介绍提高算法实时性的措施，编制C语言源程序代码；对系统硬件和软件进行了调试，实现了三种锁相环的功能。

实验结果验证了理论分析及仿真结果的正确性和可行性。

关键词：

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锁相环，三相不平衡，同步参考坐标，单片机AbstractInordertoassurepowerelectronicdevicessuchasgridconnectedinverterandSTACOMofrunningnormallyunderunbalancevoltages,distortionandsag,itisnecessarytostudyhigh-performancephase-lockedtrackingtechnologytoobtainthephaseofpositivesequencecomponentsquicklyandaccurately.Designandrealizationofphase-lockedloop（PLL）techniqueunderunbalancedgridvoltagesareinvestigatedinthisthesis.Followingaresomeaspectsincludedinthethesis:

Firstly,thebackgroundandsignificanceofresearchworkareintroduced,acomprehensivesummaryoftheworkingprincipleandthetypesofPLLaswellasitsdevelopmentstatusisgiven,andthebasicrequirementofthegrid-connectedconvertersforPLLtechnologyissummarized.Secondly,basedonthestructureandoperationprincipleofthesinglesynchronousreferenceframesoftwarePLL（SSRFSPLL）,themathematicalmodelofSSRFSPLLhasbeenderived,thesteadyanddynamicperformanceofSSRFSPLLareanalyzed,anditstrackingerrorsunderthesedistortedutilityconditionsareinvestigated.ThesimulationmodelofSSRFSPLLisestablishedbymeansofPSCAD/EMTDCsoftware,andsimulationresultsindicatethatthephase-lockedaccuracyunderunbalancevoltagesisnotsogoodasitisexpected.Thirdly,accordingtothedesignconceptofdecoupleddoublesynchronousreferenceframe（DSRF）SPLLunderunbalancedutilityvoltages,thedecoupledexpressionsofpositiveandnegativesequencecomponentsofthevoltagevectorsarederivedontheDSRF.TheanalysisofthesignalsonthemultipleSRFaxespermitstodesignadecouplingnetworkwhichisolatesthepositiveandnegativesequencecomponents,andthisdecouplingnetworkgivesrisetoDDSRFSPLLstructurewhichdetectsthepositivesequencevoltagecomponentsaccuratelyandquickly.SimulationresultsindicatethatthePLLisabletoeliminateeffectivelytheunbalancedinputvoltagedisturbanceandensurehigh-performanceoutput.Fourthly,theoperationalprincipleofsymmetricalcomponentmethod-basedEPLL-SSRFSPLL,whichusesenhancedphase-lockedloop（EPLL）andcalculateunittoderivepositivesequencevoltagecomponents,ispresented.ThestructuremodelofEPLL-SSRFSPLLisestablished,andtheimpactofthedynamicparametersonitsperformanceisstudied.SimulationresultshaveverifiedthegoodperformanceofEPLL-SSRFPLLunderthevoltagedistortion.Finally,thehardwareplatformforthreePLLsisbuiltupbydesigningthedetectionandconditioningcircuitforthree-phaseACvoltagesandphaseoutputcircuit,andusingC8051F410MCUasthecontrolunit.TheprogramstructureofPLLs,theflowchartoftheirmainprogramsandinterruptserviceprogramsaregiven,andthecorrespondingCcodesareprogrammedafterthemeasurestoimprovereal-timeefficiencyofalgorithmsareintroduced.ThehardwaretestandsoftwaredebuggingofthesystemleadtothefunctionimplementationofthreePLLsmentionedabove.Experimentalresultsprovethatthetheoreticalanalysisandsimulationresultsarecorrectandfeasible.KeyWords:

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Phaselockedloop;Unbalancevoltages;Synchronousreferenceframe;MCU目录第一章第一章引引言言.11.1课题的背景及意义.11.2锁相环的基本原理.21.3锁相环技术发展概况.41.3.1锁相环的种类.41.3.2锁相环的发展简述.51.4并网变换器对锁相环的基本要求.61.5本文主要研究内容.7第二章第二章三相电压不平衡条件下锁相环设计三相电压不平衡条件下锁相环设计.92.1概述.92.2基于单同步坐标系的软件锁相环（SSRFSPLL）.112.2.1基本原理.112.2.2数学模型.122.2.3系统稳态及动态性能分析.132.2.4畸变电压下系统的误差分析.162.3基于双同步坐标系的解耦软件锁相环（DDSRFSPLL）.192.3.1基本原理.192.3.2解耦网络模型的建立.212.3.3结构模型的建立.232.3.4控制参数设计.242.4基于对称分量法的单同步坐标系的锁相环（EPLL-SSRFSPLL）.252.4.1EPLL的原理分析.262.4.2EPLL-SSRFSPLL的基本原理.272.4.3参数特性分析.28第三章第三章三相电压不平衡条件下锁相环仿真研究三相电压不平衡条件下锁相环仿真研究.293.1PSCAD/EMTDC软件简介.293.2SSRFSPLL的仿真研究.313.2.1