电能质量控制中的锁相技术研究立项报告2.ppt

1、电能质量控制中的锁相技术研究立项报告南京理工大学自南京理工大学自动化学院化学院指指导老老师：吕广广强 9121106901班班 沈运沈运 唐唐焕奇奇 崔冀崔冀鹏Chapter1.锁相技相技术的原理及在的原理及在电能能质量中的量中的应用用3.仿真分析数字式仿真分析数字式锁相方法各自的特点及存在的相方法各自的特点及存在的问题2.模模拟锁相和数字式相和数字式锁相的区相的区别及特点及特点5.电能能质量中通量中通过dq变换的方式的方式实现数字数字锁相的原理相的原理4.传统的的锁相方法与相方法与现在的在的锁相方法相方法1.锁相技术的原理及在电能质量中的应用锁相相环（PLL:Phase-locked loo

2、ps）是一种利用反是一种利用反馈（Feedback）控制原理）控制原理实现的的频率及相位的同步技率及相位的同步技术，其作用是将，其作用是将电路路输出的出的时钟与其外部的参考与其外部的参考时钟保持同步。保持同步。当参考当参考时钟的的频率或相位率或相位发生改生改变时，锁相相环会会检测到到这种种变化，并且通化，并且通过其内部的反其内部的反馈系系统来来调节输出出频率，直到两者重新同步，率，直到两者重新同步，这种同步又称种同步又称为“锁相相”（Phase-locked）。）。1.锁相技术的原理及在电能质量中的应用供供电电系系统统的的频频率是率是电电能能质质量的一个重要指量的一个重要指标标，正常情况下，正

3、常情况下其波其波动动范范围仅为围仅为0.5Hz，这对频这对频率的率的测测量提出了很高的精量提出了很高的精度要求。，度要求。，这这些方法往往都假些方法往往都假设设原始信号（如原始信号（如电电网网电压电压）为为幅幅值值恒定的理想正弦波或者只包含一定的恒定的理想正弦波或者只包含一定的谐谐波畸波畸变变，很，很少考少考虑虑到多种到多种电电能能质质量干量干扰扰因素的影响。由于因素的影响。由于实际电实际电力系力系统统的的电压电压不可能出不可能出现绝对现绝对的的稳态稳态（即（即频频率和幅率和幅值值固定固定变变），），实际电实际电网的网的电压电压波形中波形中则则常常包含常常包含许许多多电电能能质质量干量干扰扰因

4、素因素如如谐谐波、波、电压电压波波动动、瞬、瞬时时脉冲、脉冲、电压电压下跌和振下跌和振荡荡等，等，这这些些干干扰扰因素如不加因素如不加处处理，会理，会给给基本基本频频率估率估计结计结果果带带来来较较大大误误差。基于某改差。基于某改进锁进锁相相环环系系统统的基本的基本频频率估率估计计方法，它可在方法，它可在多种多种电电能能质质量干量干扰环扰环境下境下实现电实现电力系力系统频统频率的有效估率的有效估计计。从而获得更大更稳定的电能质量。从而获得更大更稳定的电能质量。2.模拟锁相和数字式锁相的区别及特点锁相相环是一种反是一种反馈控制控制电路，作用是路，作用是实现设备外部的外部的输入信号与内部入信号与内

5、部的振的振荡信号同步。目前信号同步。目前锁相相环应用广泛，比如：在通信中用广泛，比如：在通信中应用于用于调制制解解调自自动频率微率微调等系等系统；在雷达中；在雷达中应用于天用于天线自自动跟踪与精密跟踪与精密辅角角偏偏转测量等系量等系统；在空；在空间技技术中主要中主要应用于用于测速定速定轨、测距与遥距与遥测数数据据获取等系取等系统；在；在电视机中机中应用于用于电视机同步、机同步、门限限扩展解展解调的同步的同步检波。波。传统的模的模拟锁相相环有有较短的短的锁定定时间，可以保，可以保证参考参考时钟源和源和输出出时钟的的稳态相差。但其中心相差。但其中心频点受点受VCO的限制而范的限制而范围较小，小，环

6、路路带宽较宽；当参考源出；当参考源出现瞬断或者参考瞬断或者参考时钟源切源切换时，VCO输出出时钟频率会出率会出现较大的相位瞬大的相位瞬变。全数字。全数字锁相相环(DPLL)与与传统的模的模拟电路路实现的的PLL相比，具有精度高且不受温度和相比，具有精度高且不受温度和电压影响，影响，环路路带宽和和中心中心频率率编程可程可调，并且，并且应用在数字系用在数字系统中中时，不需，不需A/D及及D/A转换。2.模拟锁相和数字式锁相的区别及特点1、环环路构成部件不同模路构成部件不同模拟锁拟锁相相环环的的鉴鉴相器相器PD、环环路路滤滤波器波器LF，压压控振控振荡荡器器VCO是模是模拟电拟电路。数字路。数字锁锁

7、相相环环的的鉴鉴相器相器DPD、环环路路滤滤波器波器DLF，压压控振控振荡荡器器DCO是数是数字字电电路或可以由微路或可以由微处处理器理器实现实现；2、瞬、瞬时时相差不同模相差不同模拟锁拟锁相相环环的瞬的瞬时时相差是相差是连续变连续变化的化的模模拟拟信号，数字信号，数字锁锁相相环环的瞬的瞬时时相差是离散信号或脉冲相差是离散信号或脉冲信号信号；3、输输出相位出相位调调整模整模拟锁拟锁相相环环的的输输出相位出相位调调整是整是连续变连续变化的，数字化的，数字锁锁相相环环的的输输出相位出相位调调整是离散的。整是离散的。3.仿真分析数字式锁相方法各自的特点及存在的问题特点锁相环是一个相位反馈控制系统，在

8、数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的;此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称PLL)。3.仿真分析数字式锁相方法各自的特点及存在的问题优点缺点数字数字锁锁相相环环不不仅仅吸收了数字吸收了数字电电路可路可靠性高、体靠性高、体积积小、价格低等小、价格低等优优点，点，还还解决了模解决了模拟锁拟锁相相环环的直流零点漂的直流零点漂移、器件移、器件饱饱和及易受和及易受电电源和源和环环境温境温度度变变化等缺点，此外化等缺点，此外还还具有具有对对离散离散样值样值的的实时处实时处理能力，已成理能力，已

9、成为锁为锁相相技技术发术发展的方向。展的方向。缺点是和模拟锁相环一样缺点是和模拟锁相环一样,一旦失去基一旦失去基准频率准频率,输出频率立刻跳回振荡器本身输出频率立刻跳回振荡器本身的频率的频率;另外还有一个缺点另外还有一个缺点,就是当进行就是当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大于密，不利于某频差越大，抖动会越大于密，不利于某些场合的应用。些场合的应用。4.传统的锁相方法与现在的锁相方法添加文字锁相相环添加文字传统与现代传统结构锁相环功能模块的不足之处,相应的改进方案,主要有三个创新点,一是提出了带开关加速功能且充放电电流可调的电荷泵,

10、二是提出了带RS触发器的差分延迟单元,三是将单一分频系数分频器转换为可编程分频器。5.通过dq变换的方式实现数字锁相的原理基于坐标变换的三相锁相环比较新，文献8,11对原理进行了研究，图1为该三相数字锁相环的原理图，ua、ub、uc为三相电压瞬时采样值，此处用电压表示，亦可为电流。Ts为采样周期；Tsz/(z1)为一个采样周期的延迟；Gu为开环增益；PI环节为：t+v为锁相环输出。静止坐标变换和同步坐标变换完成了普通PLL结构中鉴相器的功能。输出输入电压的a（相位给定）与v（相位跟踪输出）之差，即完成反馈系统的误差计算。相位差信号v经过PI调节器锁定到输入信号的角频率，对积分得到电角度。通过坐

11、标变换和PI调节，理想的稳态情况下应该有v=0。即通过反馈控制使得v=0，从而t+v=t+a1，即锁相环最终输出的电角度为输入a相基波电角度。参考文献1北京理工大学ASIC研究所.VHDL语言100例祥解M.北京:清华大学出版社,2003.2边计年,薛宏熙.用VHDL设计电子线路M.北京:清华大学出版社,2002.3董介春,李万玉.基于VHDL语言的数字锁相环的设计与实现J.青岛大学学报,2004,19(2);8487.4FloydM.Gardner,姚剑清译.锁相环技术M：第3版.北京：人民邮电出版社，2007.115陈贵灿，程军，张瑞智译.模拟CMOS集成电路设计M.西安：西安交通大学出版社，2002.126冼进.VerilogHDL数字控制系统设计实例M.北京：中国水利出版社，2007THANKS