二阶广义积分器的三种改进结构及其锁相环应用对比分析

二阶广义积分器的三种改进结构及其锁相环应用对比分析张纯江;赵晓君;郭忠南;于安博

【摘要】二阶广义积分器(SOGI)可以提取三相电网电压信号中的基波正序分量,通过锁相得到精确的电网相位信息.而 SOGI 本身存在对输入信号频率依赖性强的缺陷,为此提出三种改进型SOGI.对三种改进型SOGI进行详细的对比分析,并将其应用到锁相环(PLL)中.之后将三种改进型 SOGI-PLL分别在电网电压不平衡、含有直流分量和含有高次谐波的情况下进行对比实验,可以证明改进Ⅲ型 SOGI-PLL具有更好的电网适应性.最后,通过实验验证了理论分析的正确性和可行性,并给出了结论.%Second order generalized integrator (SOGI) can extract the fundamental positive sequence component from three-phase grid voltage signals and obtain the accurate input signal phase by phase-locked loops (PLL). The traditional SOGI has a strong dependence on the input signal frequency, so three improved SOGIs are proposed in the paper. This paper mainly focuses on the detailed comparative analysis of the three improved SOGIs and applies them to PLL. The comparative experiments of three improved SOGI-PLLs are implemented under the conditions of grid voltage imbalance, containing DC components or containing higher harmonics. It can be proved that the improved Ⅲ-type SOGI-PLL has better adaptability to the grid. The correctness and feasibility of the theoretical analysis are verified by the experimental results.

【期刊名称】《电工技术学报》

【年(卷),期】2017(032)022

【总页数】8页(P42-49)

【关键词】二阶广义积分器;锁相环;输入电压不平衡;谐波;直流分量

【作者】张纯江;赵晓君;郭忠南;于安博

【作者单位】燕山大学电气工程学院秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院秦皇岛066004

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

在单相和三相系统中，锁相的应用非常广泛，如并网逆变器[1,2]和不间断电源（Uninterrupted Power Supply, UPS）[3]，尤其是在dq坐标系下做系统环路

控制时，更需要准确的电网相位信息。锁定的相位包含了电网相位信息，是系统环路控制的基础，精确的锁相结果才能得到精确的环路控制结果。

同步坐标系软件锁相环（Synchronous Reference Frame software-Phase Locked Loop, SRF-PLL）[4-6]是一种较为常见的锁相方式，它具有控制方法简单、响应速度快等优点，但在电网电压不平衡、含有直流分量及高次谐波时，SRF-PLL 的锁相结果存在较大的误差[7]。虽然可以通过加入低通滤波器或改变比例积分（Proportional-Integral, PI）调节器参数降低系统带宽来减小锁相误差，但这很大程度上会影响锁相的响应速度，难以满足系统对锁相快速响应的要求。

为了克服SRF-PLL在电网电压不平衡、含有直流分量及高次谐波方面的不足，可

以使用解耦双同步参考坐标系软件锁相环（Decoupled Double Synchronous Reference Frame software-PLL, DDSRFPLL）[8,9]。DDSRF-PLL可以提取出电网电压的正负序分量，利用解耦网络消除振荡，以取得较好的锁相结果，但其算法

结构较复杂，而且低带宽的滤波器仍给系统带来一些延时[10]。

为了克服 DDSRF-PLL结构复杂和延时问题，文献[11-14]利用二阶广义积分器（Second Order Generalized Integrator, SOGI）锁相环（SOGI-PLL）实现锁相。这种基于传统 SOGI的锁相方法在电网电压正弦及不平衡时可获得准确锁相，但在电网电压含有直流分量和高次谐波条件下不能获得准确锁相信息（在本文后面有相应的分析）。本文针对传统SOGI用于锁相存在的问题提出改进Ⅰ型SOGI，针对电网中可能出现的直流分量和高次谐波，提出了改进Ⅱ型和Ⅲ型 SOGI-PLL，使锁相具有更好的电网适应性。

电网电压不平衡时，文献[15]利用式（1）在两相静止交流坐标系下提取出电网电

压的正序分量，即

式中，q为一个滞后90°的相位偏移，q = e −jπ/2。

由式（1）可以看出，在αβ坐标系下，要得到电网电压的正序分量，就必须对原

电压信号进行90°的相位偏移，得到两相正交的电压。一般而言，基于正弦信号的90°相位偏移可以采用周期延迟、微分及全通滤波器等方法[16]，然而这些方法对

频率的变化反应较慢，尤其是微分方案对电压谐波较为敏感，为此可采用 SOGI产生90°的相位偏移来得到两正交信号。SOGI不仅可以实现对电网电压信号90°的

相位偏移，还可以滤除高次谐波。

本文首先对传统SOGI进行分析，指出传统SOGI的不足，提出了改进Ⅰ型SOGI；为了克服直流分量对改进Ⅰ型 SOGI的影响，提出了改进Ⅱ型SOGI；为了克服高频分量对改进Ⅱ型SOGI的影响，进一步提出了改进Ⅲ型 SOGI。将三种改进型的SOGI应用到锁相环中，在不同的电网电压条件下得到了不同的锁相结果，得出了重要结论，指出了基于三种改进型SOGI-PLL的适用场合。

1.1 传统二阶广义积分器

传统二阶广义积分器可以产生两个相互正交的信号，其结构如图1所示，点划线