一种新型的单相并网系统锁相环

环 处 于 不 稳 定 状 态 ， 而 导 致 并 网逆 变 系 统 性 能 降 低 ， 至 不 能 正 常 工 作 。 针 对 此 问题 ， 析 了 基 于 同步 旋 转 从 甚 分
坐标 变换 的锁 相环 原理 ， 将 这种锁 相 策略 应用 于单 相并 网系 统 ， 真和 实验 结果 均证 明 了此方法 的有 效性 。 并 仿
ｄ ｍｏ ｓｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｔ ｆｔ ｅ ｐ ａ ｅ ｔ ｃ ｉ ｇ ａ ｔ ｎ ｏ ｈ Ｌ ｔ ｏ ｅ ｎ ｔａｅ ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｙ ｏ ｈ ｈ ｓ — ａ ｋ ｎ ｃｉ ｆｔ ｅ Ｐ Ｌ ｍｅ ｈ ｄ． ｂ ｉ ｒ ｏ
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｎｖ ｒｅ ｉ ｅ ｔｒ； ｐ ｓ ｏ ｋ ｄ ｏ ｐ ； ｇ ｉ ｎ ｃｅ ｓ ｓｅ ｈａ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌｏ ｒｄ ｃｏ ｎｅ ｔｄ ｙ ｔ ｍ
图 ２ 基 于 ｄｑ变 换 的 单 相 锁 相 框 图 ，
３１ 正 交 坐 标 系 的产 生 ． 此 处 采 用 常 用 产 生 正 交 坐 标 系 方 法 中 的二 阶
谐 振 滤波 器 （Ｏ ｉ变换 ’ 如 图 ３所 示 。 ＳＧ） ７ ， 去【
一 一 ｌ Ｈ 一 Ｉ
（） Ｐ Ｌ ａＳ Ｌ 的非 线性 模 型 （） Ｐ Ｌ 线性 模 型 ｂＳ Ｌ 的
Ｓ Ｌ ｔｏ ａｅ ｎ ｓｎ ｈ ｎ ｕ ｅ ｒｎｅｆ ｍ （ Ｒ Ｐ Ｌ ｍｅ ｄ ｂｓｄ ｏ ｙ ｃｒ ｏｓｒｆ ｅ ｃ ｒ ｅ Ｓ Ｆ）ｉ ｐｏ ｏｅ ａ ｄ ｔｅ ｓ ｕａ ｏ ｎ ｘ ｅ ｍｅｔｌ ｅｕｔ ｈ ｏ ｅ ａ ｓ ｒｐ ｓｄ，ｎ ｈ ｉ ｌｔ ｎ ａｄ ｅｐ ｒ ｎ ｓｌ ｍ ｉ ｉ ａｒ ｓ
关 键 词 ： 变 器 ；锁 相 环 ；并 网 系 统 逆
中 图 分 类 号 ：Ｍ４ ４ Ｔ ６
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０１ １０ ２ １ ）７ ０ ８ — ２ １０ — ０ Ｘ（０ １０ — ０ １ ０ ０
Ｒｅｅ ｒ ｈ ｏ ｖ ｌＳ ｎ ｌ ｈ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ ａ Ｎｏ ｅ ｉ ｇｅ Ｐ ａ ｅ ＰＬＬ Ｓ ｒ ｔｇ ｔａｅ ｙ
定 稿 日 期 ： ００ ２ ０ ２ １ －１ －３
作 者 简 介 ： 江 伟 （９ ４ ， ， 南 人 ， 士 研 究 生 ， 究 袁 １８ 一） 男 河 硕 研
方 向 为 风 力 发 电 并 网 控 制技 术 。
Ｍ＝ ， 与 Ｕ 同相 。因此 ， 通过 控 制 Ｕ ， ｕ＝ ， ０ ｄ轴 可 使 ｑＯ 实 现 两 者 之 间 的 同相 。
ｔ ｃ ｉ ｇ ｏ ｈ ｔ ｉ ｏｔ ｇ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ ｓ ｎ ｉｌ ｔ ｎ ｕ ｅ ｃ ｒｅ ｔｏ ｅ ａｉ ｎ ｏ ｈ ｏ ｔ ｌ ｓ ｓｅ Ｉ ｉ ｇｅ ｐ ａ ｅ ｓ ｄ ｒ ｋ ｎ ｆ ｔ ｅ ｕ ｉ ｔ ｖ ｌ ｅ ｖ ｃ ｏ ｓ ｓ ｅ ｔ ｏ ｅ ｓ ｒ ｏ ｒ ｃ ｐ ｒ ｔ ｆ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｙ ｔｍ．ｎ ｓｎ ｌ ｈ ｓ ｎ ａ ｌｙ ａ ａ ｏ ｏ
１ 引 言 随 着 不 可 再 生 能 源 的减 少 。可 再 生 能 源 发 电 技 术 引起 了广 泛 关 注 。 并 网逆 变 器 作 为 可 再 生 能 源 发 电系 统与 电 网的 接 口 ． 到 关 键 作用 。同 步锁 起 相 又 是 并 网系 统 中 一项 关 键 技 术 ，其 控 制 精 度 直
Ｌ ） ｓ ￣ ｌｓ （ ｓ ＋ ） ／ｓ （ ＋ｏ ￣ ｔ ｏ
闭环 传 递 函数 的 波特 图 如 图 ４ ａ所 示 。滤 波 强
８１
第４ ５卷 第 ７期
２１ ０ １年 ７ 月
电 力 电 子 技 术
Ｐｏ ｒＥｌ ｃｒ ｎｉｓ ｗｅ ｅ ｔｏ ｃ
Ｖｏ． ５ １ ，Ｎｏ７ ４ ． Ｊ ｌ ０１ ｕｙ２ １
３ 单 相 同 步 锁 相 环 的 实 现
如上 述 原 理所 述 ，进 行 基 于 同 步 旋 转 坐 标 系
与 相 位 的 闭 环 控 制 系 统 。 图 １示 出旋 转 坐 标 变 换
轴 分 量 ＝ 。 由 图 １容 易 理 解 ， 反 应 了 ｄ轴 与 ０ ‰
Ｕ 的相 位 关 系 。Ｕ＞ ｄ轴 滞 后 Ｕ ， 增 大 同步 信 ｑ Ｏ， 应 号 频 率 ；ｑ０ ｄ轴 超 前 Ｕ ，应 减 小 同步 信 号 频 率 ； Ｕ＜ ，
热 ＝
得到 ：
］ ｏ
（） ２
２
同步 锁 相 环 工 作 原 理
锁 相 环 路 是 一 个 能够 自动 跟 踪 输 入 信 号 频 率
“＝ ｃｓ ０－ ） Ｍ＝ ｓ （ － ） ｄ Ｕ ｏ （ ＇０ ， 。 Ｕ ｉ ｏ ｎ
如 式 （ ） 示 ， ｄ轴 与 Ｕ 同 相 位 时 ， ｇ ２所 当 Ｕ的
接 影 响 到 并 网变 换 器 的 技术 性 能和 运 行 稳 定性 【 ” 。
Байду номын сангаас示 意 图 。Ｏ ｔ ， 为 ｄ ｑ坐 标 系 的 旋 转 速 度 ； 为 ＝ｏ ｔ ， 电 网 电压 矢 量 比 与 轴 的 夹 角 。假 设 存 在 一 对 正
交 电 压 向量 组 Ｕ， ，两 个 向 量 幅 值 频 率 相 同 ， 相
图 ３中 。 电 网 电压 角 频 率 ， 特 定 电网 为 为 对 常 数 。。 一 个 常 数 ， 影 响 系 统 带 宽 。图 ３中虚 ｋ为 会
线 框 内为 一个 谐 振 环 节 。 递 函数 为 ： 传
Ｇ＝ｏ ／ｓ ０ ２ ｉｔｓ（ ＋． ） ｏ ９ ０ 容 易得 出系 统 的 两 个 闭环 传 递 函数 为 ： （） ３
“＝ ｓ （ ０ ｕ ｏ－ ） Ｕ ｉ ０－ ） （ ０ ｎ
（） ５
令 ＝ ０并 将 Ｕ合 并 到 锁 相 环 控 制 器 Ｇｊ ， ｐ中 ｌ 可得 单相 Ｓ Ｌ Ｐ Ｌ的线 性 化 数 学 模 型 ， 图 ５ 如 ｂ所 示 。 Ｇ 曲的设 计 对 整 个 锁 相 系 统 的性 能影 响很 大 。分析 表明 ， 因为 存 在 非 线 性 负 载 和 直 流 分 量 ， 会 含 有 ２ ６次 谐 波 分 量 。 而 锁 相 环 需 与 的基 波 正 序 分 ， 量 同相 。因此 需 在 跟 踪 速 度 和 抗 干 扰 能 力两 方 面 权衡考虑。
３２ 系 统 控 制 器 设 计 ．
由 图 ２和 式 （ ） 得 到 软 件 锁 相 环 的 数 学 模 ２可
型， 图 ５ 如 ａ所 示 。 当 ０－ ＇０很 小 时 ， ： 有
的锁 相 需 要 两 个 正 交 的坐 标 系 ，基 于 ｄ ｑ变 换 的 。 单相 锁 相 框 图如 图 ２所 示 。ｌ ，ａ Ｈ 频 率 一 致 ， ｌｕ 与 相 位 差 ９ 。 ，ａ 生后 再 经 Ｐ ｒ 换 ， 到 同 ０。 ｕ产 ａｋ变 得 步 旋 转 坐 标 系 下 的 正交 向量 组 ， ； Ｍ＝ 令 Ｏ对 锁 相 角 度 进 行 闭环 控 制 就 能 得 到 理 想 的 锁 相 效 果 。
ｔ ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｆ ｃｕ ｔ ｓ ｗｈ ｃ ｃ ｎ ｃ ｕ ｅ ｈ ｓ ｓ ｍ ｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｅ ｒ ｄ ｔ ｎ ｎ ｅ ｅ ａ ｎ ｒ ｌ ｒ ｉ ｇ Ａ ｅ ｙ ｑ ｅ ｃ ｌ ｔ ａｅ ， ｉ ｈ ａ ａ ｓ ｔｅ ｙ ｔ ｕ ｅ ｅ ｆ ｍ ｎ ｅ ｄ ｇ ａ ａ ｉ ａ ｄ ｖ ｎ ｂ ｏ ｍａ ｌ ｗｏ ｋ ｎ ． ｎ ｗ ｏ ｏ ｙ
１ ＝ Ｇ ）
式中： （ ＋ ）（ 、 ｜ １／２ ／ ） ＝／ ＝］ ｝ ； 、 丽 。 为 考虑 滤波 能力和 跟 踪 速度 两 方 面 的要 求 ， 取
＝
｛ ｓ ｓ 当 ｌ ） ） ／ ＝ ＝ Ｇ
￣ｔ ｓ ｏＯｏ
， ，
。
（） ４
０７ ｔ ＝ １ ｄ ｓ ．， ｎ ３ ． ｒ ・～；为 减 小 ２ ６次 谐 波 影 响 ， ｏ ４ａ ， 可
ＹＵＡＮ Ｊ ａ ｇ ｗｅ ，Ｌ ｈ ｎ — ｕ ｉｎ — ｉ Ｕ Ｚ ｅ ｇ ｙ
（ ｈｊａｇ Ｕ ｉ ｒｉ ，Ｈａｇｈ ｕ３ ０ ２ Ｚ ｅ ｎ ｎｖ ｓｙ ｉ ｅ ｔ ｎｚｏ １０ ７，Ｃ ｉ ） ｈｎ ａ
Ａ ｂｓｒ ｔ： ａｓ ａ ｇｅ，ｒ ｑｕ ｃ ｏ ｔ ｅ ｔｌｔ ｖ ｌａ ｅ ｒ ｂ ｓｃ ｉｆ ｒ ｔｏ ｆ ｒ ｔ ａｃ Ｐｈ ｅ ｎ ｌ ｆｅ ｅｎ ｙ ｆ ｈ ｕ ｉｉｙ ｏ ｔｇ ａ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｍａ ｉｎ ｏ ｄ ｏ ｎｅ ｔ ｄ ｎ ｅ ｔｒ ． ｃ ｒ ｔ ｃ ｎ ｃｅ ｉ ｖ ｒｅ ｓ Ａｃ ｕ ａ ｅ
ｃｎ ｅｔ ｏ ｅ ｙｔ ｔｅｓｆ ａｅｐ ａｅｌｃｅ ｏｐ Ｓ Ｌ ）ｕｉｇｚｒ ｃ ｓｉｇＰ Ｌｓ ａｅｙｉ ｉｓ ｂｅｗ ｅ ｔｉ ｏｎ ｃ ｄｐ ｗ ｒｓｓ ｍ， ｏ ｗ ｒ ｈ ｓ ｏｋｄｌｏ （Ｐ Ｌ ｓ ｅｏ ｒ ｓ Ｌ ｔ ｔ ｓ ｎｔ ｌ ｈｎ ｕｉ— ｅ ｅ ｈ ｔ ｎ ｏ ｎ ｒ ｇ ａ ｌ
第４ ５卷 第 ７期
２１ ０ １年 ７月
电力 电子 技 术
Ｐ ｗｅ ｌｃｒｎｃ ｏ ｒＥ ｅ ｔ ｉｓ ｏ Ｊ ｌ ０１ ｕｙ２ １
一
种 新 型 的单相 并 网 系统锁 相环
袁 江 伟 ， 吕征 宇
（ 江 大 学 ，浙 江 浙 杭州 ３０２ ） １０ ７
摘 要 ： 网 电 压 的 相 角 、 率 对 并 网 逆 变 器 而 言 是 最 基 本 的 信 息 。准 确 快 速 地 跟 踪 电 网 电 压 是 并 网 控 制 系 统 稳 电 频 定 运 行 的 保 障 。在 单 相 并 网逆 变 器 中 ， 规 的 过 零 点 检 测 锁 相 方 法 往 往 对 电 网 电压 畸 变 或 扰 动 敏 感 ， 得 锁 相 常 使
位 差 ９ 。 ｕ＝ ｃｓ ｅ ＋ ，￣ Ｕ ｉ（ ｔ０ ） ０ ：． Ｕ ｏ （ ｔ Ｏ） ｕ＝ ｓ ｔ ＋ 。 ｏ ｎ ｏ
Ｊ
对 单 相 并 网 电源 而 言 ．最 常 用 的锁 相 方 法 是 电 网 电压 过 零 点检 测 法 ， 方 法 虽 然 简 单 易 实 现 ， 该 但 对 电 网 电压 畸变 或扰 动 敏 感 ．尤 其 是 电 网 电 压 出现 缺 口时 ， 零 点检 测 方 法 失 效 ［。为解 决 此 问 过 ２ １ 题 ．这 里 设 计 了一 种 基 于 同步 旋 转 坐 标 变 换 的 锁
相 方 法 『 该 方 法 在 电 网 电压 不 平 衡 或 畸 变 时 ， ３。 ＿
，
ｆ ｄ － ／
图 １ 旋 转 坐 标 交 抉 不 蒽 图
经 Ｐｒ 换 ， ： ａｋ变 得
／】 ［ ＺＴ ｑ－ Ｍ （） １
通 过 调节 锁 相 环 的 带 宽 ， 获 得 满 意 结 果 。 细 论 能 详 述 了新 型锁 相 环 原 理 ， 出 了仿 真 和 实 验 ， 果 均 给 结 能证明这种锁相方法的有效性 。
图 ５ 单 相 ＳＬ Ｐ Ｌ的数 学模 型
由 于 超 前 滞 后 补 偿 器 比 Ｐ 补 偿 器 具 有 更 好 Ｉ 的滤 波 性 能 ， 其锁 相 环 响应 速 度 要 求 不是 很 高 ， 且
图 ３ Ｓ Ｇ 变 换 方 法 框 图 ＯＩ
故 采 用 超 前 滞 后控 制 器 。设 Ｇ￣ ｋ １ ）（ ＋ ） ｃ （ ＋ ／１ ＝ （ ） 由 图 ３得 锁相 环 开环 、 ＜ ， 闭环 传 递 函数 为 ： ｆ ｐ（ ） Ｉ Ｔｓ ／ Ｉ ） Ｇ ｕ ｓ ＝ （ ＋ ， （ ＋ 】 ）