宽频锁相的一种实现方法-电测与仪表

宽频锁相的一种实现方法

徐罗那，杜海江，杨博

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）

摘要：将PWM整流器用于小型风力发电机时，宽频率范围锁相技术是其关键环节。针对此需求，本文将基于二阶广义积分（SOGI）锁相环与过零测频功能结合，并根据频率变化和频率适应范围实时调整PI参数，使相位跟踪快速准确。仿真表明所提方法在输入信号频率、幅值和谐波等多扰动源工况下都能准确实现相位和频率跟踪。

关键词：宽频锁相；二阶广义积分；过零法测频；PI调节

A New Method of Broadband Phase Lock Link

XU Luo-na, DU Hai-jiang, Yang Bo

(China Agricultural University, College of Information and Electrical Engineering, Beijing 100083, China) Abstract:When the PWM rectifier is used in small wind turbines, phase lock link (PLL) of wide frequency range is the key technique. According to this requirement, the following techniques are combined together to make fast and accurate phase tracking, which including second-order generalized integrator (SOGI), zero-crossing frequency measuring block are combined together, and adjustable PI parameters in real time based on the frequency change and frequency adaptation. Simulation results show that the proposed method can achieve accurate phase and frequency tracking of the input signal, which includes dynamic change of input signal frequency, amplitude and harmonic disturbances.

Key words:broadband PLL，second order generalized integrator，zero-crossing frequency measuring，PI adjustment

1. 概述

锁相技术是电力电子技术在交流功率控制中的基础技术，将PWM整流器用于小型风力发电机时，由于风机发电的电压相位变化范围较宽，因此采用宽频率锁相技术实现锁相功能至关重要。传统的锁相技术主要应用于频率变化范围较小的情况，例如电力系统中的并网环节，电网电压正常频率波动范围一般不超过±1.0Hz，通过反馈调节控制产生扰动修正量，锁相环容易获得电网电压的相位信息[1]。在频率变化范围很宽的情况下，常规处理手段一般加入速度及位置传感器产生相位信息。

锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成[2-3]，文献[2]提出通过改进压控振荡器扩大锁相频率范围，但采用硬件锁相电路，实现起来较为复杂。对于单相锁相环系统而言，可模拟三相系统产生正交信号进而利用同步坐标变换获取直轴和交轴分量进行反馈相

位跟踪。众多锁相方案最主要的区别就是构造正交信号的鉴相技术不同，常用的获取正交信号的方法，如单相增强型锁相环（EPLL）[3]、基于Hilbert变换的PLL[4]、基于Park逆变换的PLL[5]等，这些方法抗扰动性有待提高，且结构比较复杂。文献[1，3，6，7]提出的基于二阶广义积分（SOGI）产生正交信号，该方法对输入信号存在的谐波分量有抑制作用，结构简单，且能够适应信号源的频率小范围变化。

传统SOGI方法在输入信号频率宽范围波动时会失效，如果用锁相输出的频率作反馈容易引起振荡，因此利用SOGI实现宽频锁相技术的前提是有正确的参考频率测量方法。目前，参考频率测量的方法主要有脉冲计数法、过零检测法[8]，最小二乘法[9]、牛顿法[10]，以及傅里叶变换法[11]、卡尔曼滤波法[12]等，为增强抗干扰性，

提高测频性能，采用软件法实现过零测频功能。

本文将SOGI 方法与单独测频模块结合，动态修正SOGI 基频；为了适应信号源频率宽范围变化，当系统基频变化时，根据过零测频模块的输出修改前馈量，并动态调整PI 参数组，保证锁相过程快速准确。 2. 机理分析

设计宽频锁相系统结构如图1所示，系统由信号源、SOGI 正交信号产生模块[3,7]、过零测频模块和压频反馈PI 调节模块构成。

图1单相锁相系统结构

Fig. 1 The Single-Phase PLL System Structure

参考图1，信号源为发电机产生的输出电压，其频率在较大范围内变化；由信号源电压u 和锁相频率f 作为过零测频模块的输入，共同计算得到SOGI 模块的参考频率0f ，0f 与信号源电压经SOGI 模块后输出两路互差90︒

的正交信号'u 和'

qu ，正交信号进入压频反馈PI 调节模块，最终得到有效的相位输出和频率输出。 2.1过零测频模块

设计过零测频模块产生SOGI 的参考频率和锁相部分的基频前馈信号。考虑系统惯性，锁相部分输出的频率值存在一个过渡过程，需要对其进行深度滤波以消除谐波影响，得到锁相频率f ，再作为该模块的输入和信号源u 一同得到参考频率0f 。

过零测频模块的算法流程图如图2所示。

图2过零测频算法流程图

Fig. 2 The algorithm flow diagram of zero crossing

frequency detection 参考图2，该模块首先对输入的信号源u 进行采样，以采样结果的极性变化判断过零点，并以两过零点的时间差计算出信号源当前时刻频率c f 。对于宽频锁相，可事先确定一个信号源频率可变化的范围

min max [,]c c f f --，当计算频率c f 在此范围内波动时，模块输出的参考频率0f 即为当前时刻的计算频率；若信号

源受到干扰或测频算法出现错误，使得当前计算频率远超出所设范围时，需将此刻输出参考频率0f 与上一时刻参考频率0s f -保持一致，以提高测频模块的抗干扰性。

为进一步消除干扰，将当前时刻的计算频率c f 与当前时刻锁相得到的锁相频率f 进行比较，并设定一个合适的阈值K ，若此刻两个频率的差值小于阈值，则按当

前时刻得到的计算频率实时修改前馈量，否则维持上一时刻的值不变。通过设计过零测频算法，提高了校正裕量，其滞后可由调节器调整补偿。 2.2压频反馈PI 调节模块

由SOGI 模块滤波并构造出的两路正交信号'

u 和

'qu ，其中信号'u 与信号源u 基波的幅值和相位相等，

正交分量'qu 滞后90︒。将滤波后的正交分量'

u 与'qu 送

入压频反馈PI 调节模块并进行d-q 变换[6]

，得到分量u d 和u q ，其中u d 的绝对值与u 基波的幅值相等，而u q 极性反映输出相角与实际相角偏差。

当u q =0时，表明输出相角与实际相角相等，锁相成功；当u q ≠0时，PI 调节器进行调节，直至二者实现同相。由此可知，u q *=0，与u q 构成负反馈并经PI 调节器调节，再与前馈量02f π求和以加快调节速度。所得角速度经积分运算得到d-q 变换模块的参考角度，或得到锁相频率输出到过零测频模块中。

为实现宽频锁相，利用仿真设计了适应不同频率的PI 参数，形成参数表。PI 调节器会根据过零测频模块输出的参考频率进行动态查表，实时修正频率偏差，提高算法响应速度和精度。 3. 算例分析

为模拟频率在较宽范围内变化，信号源频率从30Hz

开始，以5Hz 增幅递增，当频率达到60Hz ，再降为45Hz 并保持。各个频率的波形中包含各自基频对应的五次、七次和十一次谐波分量，且基频越高，幅值越大，每个频率下的波形持续5个周期。

基频幅值与频率关系为：

1001.0)1(2+=f amp （V ） （1）