三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

1、CompanyLOGO三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)2011年年11月月Company LContentsClick to add TitleClick to add TitleClick to add TitleClick to add TitleClick to add TitleCompany L基于低通濾波器的鎖相方法基于低通濾波器的鎖相方法 為了避免檢測過零點(diǎn)帶來的問題， Karimi-Ghartemani.M和Reza Iravani.A提出了基于低通濾波器的鎖相方法，其原理如圖2-2所示。三相電網(wǎng)電壓從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，利用常見的低通濾波器

2、濾除電網(wǎng)中的諧波干擾，然后對信號進(jìn)行標(biāo)么化處理，從而得到電網(wǎng)電壓的相位，旋轉(zhuǎn)矩陣R用于補(bǔ)償濾波器所造成的相位滯后。參考文獻(xiàn) Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-FrequencyCompany L基于低通濾波器的鎖相方法基于低通濾波器的鎖相方法對于這種方法而言，在設(shè)計(jì)低通濾波器時，需要在系統(tǒng)濾波器的魯棒性和動態(tài)響應(yīng)之間做出折中的選擇，較低的截止頻率可以抑制系統(tǒng)諧波對相位檢測的干擾，但是也相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。另外，這種方法需求得反三角函數(shù)值，計(jì)算速度較慢，尤其

3、在系統(tǒng)頻率變動和三相電壓不平衡時，對畸變電壓的抑制作用弱，因此無法正確鎖相。缺點(diǎn)缺點(diǎn)Company L基于空間矢量濾波器基于空間矢量濾波器(SVF)的鎖相方法的鎖相方法空間矢量濾波器是一種用于空間矢量濾波的新型濾波器，它是基于電網(wǎng)電壓的分量相互關(guān)系相互影響的基礎(chǔ)上提出的。這時候電壓矢量可以視為以恒定的幅值和頻率旋轉(zhuǎn)，有兩個輸入量。電網(wǎng)電壓的模型可以表示為，可以在每個采樣周期進(jìn)行更新。假設(shè)采樣頻率及電網(wǎng)電壓頻率恒定，則下一個周期的電網(wǎng)電壓模型可以估算出來，遺忘參數(shù)的大小決定了電網(wǎng)電壓矢量對電網(wǎng)電壓矢量模型的影響大小。濾波器的輸出設(shè)為。則濾波器的表達(dá)式可以寫為Company L基于空間矢量濾波器基

4、于空間矢量濾波器(SVF)的鎖相方法的鎖相方法主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn) 此鎖相方法在穩(wěn)態(tài)情況下不會產(chǎn)生任何相位滯后，其主要缺點(diǎn)仍然是對電網(wǎng)電壓頻率變換以及三相電網(wǎng)的不平衡非常敏感。Company L基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的鎖相方法的鎖相方法卡爾曼濾波器可以用來估計(jì)電網(wǎng)電壓幅值、相位以及頻率的狀態(tài)向量主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)基本原理基本原理這種方法是建立在具有充分的狀態(tài)空間模型能夠反映狀態(tài)向量的變化的基礎(chǔ)之上的。而在各種各樣的電網(wǎng)畸變情況下如何準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)濾波器使之適應(yīng)狀態(tài)向量的變化是十分困難的事情。另外這種方法同樣不能解決三相電網(wǎng)不平衡帶來的問題，而且卡爾曼濾波器龐大的計(jì)算量更加地限

5、制了這種方法的應(yīng)用范圍。Company L基于加權(quán)最小二乘法估計(jì)基于加權(quán)最小二乘法估計(jì)(WLSE)的鎖相方法的鎖相方法文獻(xiàn)提出了一種基于加權(quán)最小二乘法估計(jì)(WLSE)的鎖相方法，不但可以抑制不平衡系統(tǒng)中的負(fù)序分量的影響，而且能夠提高對頻率變化的魯棒性。但此方法仍然存在不少缺點(diǎn)：當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時，動態(tài)響應(yīng)時間比較長；對電網(wǎng)噪聲和畸變時的魯棒性較差等。由以上分析可知，以上幾種鎖相方法都存在響應(yīng)慢，對系統(tǒng)頻率變化和三相電壓不平衡較敏感問題，不適宜應(yīng)用于電網(wǎng)畸變嚴(yán)重，動態(tài)響應(yīng)要求高的場合。Company L并網(wǎng)變換器對鎖相環(huán)的基本要求并網(wǎng)變換器對鎖相環(huán)的基本要求（1）電網(wǎng)電壓經(jīng)常發(fā)生跌落、閃變等動態(tài)電

6、能質(zhì)量問題，并且這些異常的出現(xiàn)均是不可預(yù)計(jì)而且需要及時補(bǔ)償?shù)?。所以要求并網(wǎng)變換器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓相位的變化在ms級的時間內(nèi)能做出快速的響應(yīng)，即要求并網(wǎng)變換器的鎖相方法要有良好的動態(tài)性能，保證當(dāng)電壓跌落和驟升時不對鎖相性能造成太大影響。（2）三相電壓不平衡時，要求電力電子裝置的鎖相方法能夠捕獲正序基波分量的相位，對三相不平衡情況有很強(qiáng)的抑制作用。（3）鎖相環(huán)應(yīng)該能快速檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生相位、頻率突變等問題。（4）要求鎖相方法對畸變電壓要有很強(qiáng)的抑制作用。（5）對于一些電力補(bǔ)償裝置如動態(tài)電壓恢復(fù)器，鎖相方法不僅要實(shí)時檢測網(wǎng)側(cè)電壓的相位，而且要實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)側(cè)電壓的幅值變化狀況用來判斷并決定電力補(bǔ)償裝置的

7、工作模式。Company L基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（SSRF SPLL）基本原理基本原理Company L基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（SSRF SPLL）假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相平衡電壓，因此可以表示為將電壓信號從a b c三相坐標(biāo)變換到坐標(biāo)(clarke變換)為從,坐標(biāo)變換到d ,q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(park變換)為Company L基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型： 將鎖相誤差輸入PI調(diào)節(jié)器，為加快鎖相速度，將輸出值加上初始工頻角頻率0，從而得到鎖相的角頻率輸出，經(jīng)過積分得到鎖相相位值。由數(shù)

8、學(xué)模型可見，鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)上是一個反饋控制系統(tǒng)，它與常規(guī)控制系統(tǒng)不同之處在于：常規(guī)控制系統(tǒng)采集的是經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換或直接從系統(tǒng)采集的電壓或電流信號，而PLL采集的則是相位信號。Company L基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)參考文獻(xiàn)：P. RodriguezDouble Synchronous Reference Frame PLL for Power Converters Controldq1sV1sV基本原理基本原理：雙同步坐標(biāo)系解耦軟件鎖相環(huán)是考慮電網(wǎng)電壓負(fù)序分量對傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)的影響而提出的算法，它包括了兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系.坐標(biāo)系以頻率旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為輸出電壓矢量

9、圖如圖所示。為電壓量，為電壓負(fù)序分量，他們分別以角速度逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)，該鎖相環(huán)同時對兩個序分量進(jìn)行坐標(biāo)變換，將其分解為正序和負(fù)序dq坐標(biāo)系下得分量，并通過解耦網(wǎng)絡(luò)和濾波環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電壓頻率，相位，和幅值的檢測。dq坐標(biāo)系以頻率旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為最大的優(yōu)點(diǎn)就是解決了三相不平最大的優(yōu)點(diǎn)就是解決了三相不平衡電網(wǎng)電壓的精確檢測衡電網(wǎng)電壓的精確檢測Company L基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)1110022cos()cos()cos()33SiSSSVVtkVtkVt在三相電網(wǎng)電壓不平衡時，根據(jù)對稱分量法，將電網(wǎng)電壓矢量（只考慮基波電壓）描述為正序電壓分量、負(fù)序電壓分

10、量和零序電壓分量三者的合成，即 k=0,1,2110分別為正序、負(fù)序、零序基波電壓的初始相位角。SiVabc 坐標(biāo)變換Company L基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)SiV電網(wǎng)電壓矢量在坐標(biāo)系下可描述為SV1SV1SV從上式中看出，在坐標(biāo)系上電壓矢量可分解為以角頻為旋轉(zhuǎn)的正序電壓分量和以角頻率為旋轉(zhuǎn)的負(fù)序電壓分量組成 。1dq1dq 它是由兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系組成，一個是以角頻率為旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)的角度為另一個是以角頻率為旋轉(zhuǎn)的 坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)的角度為Company L基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)tsin()ttcos()1t()

11、2tt 根據(jù)SSRF SPLL的鎖相原理可知，正序變換的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)該盡可能的接近于， 可見，在正序dq坐標(biāo)系下，輸出電壓的正序分量變成了直流量，負(fù)序分量則變?yōu)?頻率的交流分量；在負(fù)序dq坐標(biāo)系下，輸出電壓的負(fù)序分量為直流量，而正序分量為2頻率的交流量。而其中的二次諧波分量是由于正序分量和負(fù)序分量在與之旋轉(zhuǎn)方向相反的坐標(biāo)系中分解造成的，它可以簡單地看成是鎖相環(huán)在檢測正負(fù)序分量幅值過程中所受到的擾動，簡單地通過濾波的方式抑制這種擾動難以達(dá)到令人滿意的效果。Company L解耦網(wǎng)絡(luò)的建立解耦網(wǎng)絡(luò)的建立Company L解耦網(wǎng)絡(luò)的建立解耦網(wǎng)絡(luò)的建立Company L解耦網(wǎng)絡(luò)的建立解耦網(wǎng)絡(luò)的建立采用了如

12、圖所示的解耦單元 Company L基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)通過以上的分析可以知道正負(fù)序dq坐標(biāo)系下，輸出電壓之間存在一定的聯(lián)系可以對其進(jìn)行解耦計(jì)算，可得Company L基于對稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)基于對稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán) 基本原理基本原理:是首先通過計(jì)算將不平衡電壓中的正序分量分解出來，然后將正序分量作為SSRF SPLL的輸入，從而抑制了電壓中的負(fù)序分量所導(dǎo)致的2次諧波分量的影響。正序分量可以通過如下公式分解出來:Company L基于對稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)基于對稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)Company L基于對稱

13、分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)基于對稱分量法的單同步坐標(biāo)系的鎖相環(huán)利用EPLL能獲得基波電壓和移相90的電壓信號，再根據(jù)公式可實(shí)現(xiàn)基波正序電壓的提取?？梢韵嚯妷翰黄胶庠斐傻挠绊?，并對諧波有很強(qiáng)的抑制作用。Company L三種鎖相環(huán)的比較三種鎖相環(huán)的比較 當(dāng)三相電壓平衡時，三種鎖相環(huán)都能夠準(zhǔn)確鎖相，在相同的PI控制參數(shù)條件下，SSRF SPLL的動態(tài)響應(yīng)速度較快。 當(dāng)電壓發(fā)生頻率、相位突變時，三種鎖相環(huán)都能及時、快速的進(jìn)行重新鎖相。 當(dāng)當(dāng)三相電壓中含有低次諧波時三相電壓中含有低次諧波時，SSRF SPLL抑制諧波的能力較差，只能靠降低帶寬來減弱諧波的影響，卻大大地影響了動態(tài)響應(yīng)速度。DDS

14、RF SPLL因自身含有濾波環(huán)節(jié)，對諧波有一定的抑制作用。EPLL-SSRF SPLL是通過二次濾波后，再進(jìn)行鎖相，抑制諧波的能力較強(qiáng)。 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生偏移電網(wǎng)電壓發(fā)生偏移時，DDSRF SPLL和SSRF SPLL的鎖相效果不受影響，但EPLL-SSRF SPLL不能準(zhǔn)確鎖相，主要因?yàn)镋PLL不能對輸入電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的基波和相位檢測。Company L三種鎖相環(huán)的比較三種鎖相環(huán)的比較 SSRF SPLL所產(chǎn)生的誤差信號始終含有頻率為2的諧波信號，只有通過降低系統(tǒng)帶寬來減小靜差，做不到無靜差控制，鎖相效果受到很大的影響。 DDSRF SPLL有效的分離出三相正序電壓及其幅值的有效值，消除誤差信號所含的2次諧波，控制正序分量跟隨正序參考給定且穩(wěn)態(tài)無靜差，抑制交流負(fù)序分量對正序dq坐標(biāo)上的影響，保證了