消除直流分量影响的单相锁相环方法

消除直流分量影响的单相锁相环方法

亓才;王萍;陈博;石记龙

【摘要】DC offset component is usually added into the input signal via the measurement path of grid voltage,which has a great influence on the performance of synchronous reference frame phase locked loop(SRF-PLL). To eliminate this influence,adaptive least mean square(LMS)algorithm is adopted to filter the DC offset component in the grid volt?age input signal. Moreover,a structure that has a simple discrete implementation is added

to generate orthogonal sig?nals. The experimental results indicate that the proposed method can eliminate the influence of DC offset component ef?fectively,and it has good steady-state and dynamical performances.%电网电压采样环节会将直流偏置分量引入到电网电压输入信号中,影响同步参考坐标系锁相环SRF-PLL(synchronous reference frame-PLL)的性能.为消除直流偏置

分量对锁相环性能的影响,采用自适应最小均方(least mean square,LMS)算法滤除电网电压输入信号中的直流偏置分量,并添加一种便于离散化的结构产生正交信号.实验结果表明所提锁相环方法能够有效消除直流偏置分量对锁相环性能的影响,具有良好的稳态和动态性能.

【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》

【年(卷),期】2017(029)005

【总页数】5页(P67-71)

【关键词】锁相环;直流偏置信号;自适应最小均方算法;正交信号发生器

【作者】亓才;王萍;陈博;石记龙

【作者单位】天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072;天津大学电气自

动化与信息工程学院,天津 300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072

【正文语种】中文

【中图分类】TM464

单相并网变换器的电网同步依赖于电网电压相位信息的精确检测，相位信息的准确性对单相并网系统的电能质量、稳定性和可靠性具有重要影响[1]。同步参考坐标

系锁相环SRF-PLL（synchro⁃nous reference frame-phase-locked loop）方法被广泛应用于电网电压相位信息的提取[2]。一般PLL的结构包含相角检测器、环

路滤波器以及电压控制振荡器3个基本模块。在目前的PLL方法中，环路滤波器

与电压控制振荡器都是基本相同的，不同之处在于相角检测器，即根据已知的单相输入信号获得正交信号这一环节[3]。

在实际应用中，往往需要PLL能够适应诸如电网谐波、频率波动、电压跌落以及

相位突变等各种非理想电网环境。针对上述非理想电网环境，现有研究提出了各种不同的解决方案：反派克变换法[3]、双派克变换法[4]、二阶广义积分器法[5]、增强型锁相环法[6]及希尔伯特变换法[7]等。但是，电网电压输入信号中直流偏置分

量对相位观测的影响鲜有文献研究。通常，电网电压的测量采样需要通过电压传感器、低通滤波器、A/D转换器3个环节。电压传感器的非线性，模拟元器件的温

度漂移以及A/D转换器的非线性会将直流偏置分量引入到电网电压输入信号中[1]。静止/旋转坐标变换后，q轴中会产生相应的基频交流分量，影响PLL的稳态精度，若通过降低带宽来予以消除，则会影响PLL的动态性能[8]。

为消除直流偏置分量对PLL性能的影响，本文提出一种基于自适应最小均方LMS （least mean square）算法的正交信号发生器OSG（orthogonal signal gener⁃ator），用于产生所需的正交信号。本文所提方法便于离散化实现，具有良好的稳态和动态性能。

通常采用的SRF-PLL结构如图1所示。图1中，ug为电网电压输入信号，u与qu为电网电压输入信号ug通过OSG获得的一组正交信号，uq为同步参考坐标系中q轴的电压信号，ω0为前馈角频率，一般取值为2π×50 rad/s，ω̂与θ̂分别为电网电压角频率与相位的估测值。不同PLL结构的主要区别在于OSG。若电网电压输入信号ug中含有直流偏置分量，会在q轴中产生相应的基频交流分量，这会对电网电压相位信息的提取产生影响[8]。本文采用基于自适应干扰对消原理的自适应LMS算法[9-12]，用于滤除电网电压输入信号ug中的直流偏置分量。图2为自适应LMS算法原理。

图2中，输入ug（n）为电网电压采样值，e（n）为反馈误差信号，u（n）为输出信号，x1（n）与x2（n）分别为以PLL获得的相角̂为参考的标准余弦信号coŝ̂和正弦信号si n̂的采样值，w1（n）与w2（n）为通过自适应LMS算法所得的参考输入信号x1（n）与x2（n）的权值。

自适应LMS算法的工作原理可描述为：当反馈误差信号e（n）含有与参考输入信号x1（n）、x2（n）相同的成分时，系统通过LMS算法快速调整x1（n）与x2（n）的权值w1（n）与w2（n），直至反馈e（n）稳定。令W（n）=[w1（n），w2（n）]T，X（n）=[x1（n），x2（n）]T，则自适应LMS算法可表示[9-12]为

式中，参数μ为迭代步长。由于自适应LMS算法中的累加器即式（3）可以理解为前向离散积分器，所以如图2所示的离散系统可以等效为如图3所示的连续系统[13]。图3中，增益k=μ/T s，Ts为离散系统的采样周期[13]。若将电网电压输