基于降階濾波器的鎖相方法

閔晶妍 陳紅兵

摘要 準確、快速檢測電網(wǎng)相位是并網(wǎng)變流器的關(guān)鍵技術(shù)，目前常用的閉環(huán)鎖相技術(shù)普遍存在動態(tài)延時長、濾波算法復(fù)雜、在電網(wǎng)受諧波污染時鎖相精度低等問題。針對上述不足，研究了降階濾波器及其分序機理和實現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上，研究了基于降階濾波器的鎖相方法，并整定了環(huán)路濾波器的參數(shù)。實驗結(jié)果表明，所研究的鎖相技術(shù)在電網(wǎng)電壓跳變的情況下，相位檢測沒有暫態(tài)過程，鎖相精度不受電壓幅值突變的影響;在電網(wǎng)中存在3次諧波電壓時，鎖相精度提高了21%;頻率跳變不影響鎖相過程和鎖相精度，但是暫態(tài)過程約為20 ms，同時該鎖相環(huán)還能檢測單相電網(wǎng)的相位，較好地克服了常用的閉環(huán)鎖相技術(shù)存在的問題。

關(guān) 鍵 詞 降階濾波器;分序算法;環(huán)路濾波器

中圖分類號 TM46? ? ?文獻標志碼 A

Abstract The accuracy and rapidly detecting the phase of a grid is a key technology for grid-connected converters. There were some disadvantages in the common close loop PLL， such as a long dynamic response， complicated filter algorithms and low accuracy of the phase locked under distorted utility conditions. According to the above-mentioned disadvantages， the decomposing sequence method based on a reduce order filter， decomposing sequence mechanism and realization way have been analyzed. On that basis， the locked phase method based reduce order filter have been investigated. Parameters of the loop filter have been tuned. Lastly， the studied phase-locked technology has no transient response when the grid voltage dipped; Locked phase accuracy has been enhanced by 21% when the grid voltage component composes of the 3th harmonic wave voltage; The grid frequency fluctuation has no influence on locked phase accuracy and process， but there was a transient process of the 20ms. the investigated phase-locked technology can detect the phase of single-phase grid. The method has overcome the disadvantages of the common close loop PLL.

Key words reduce order filter; decompose sequence algorithm; loop filter

0 引言

準確、快速檢測電網(wǎng)相位是并網(wǎng)變流器的關(guān)鍵技術(shù)。相位檢測系統(tǒng)性能的優(yōu)劣不僅關(guān)系到并網(wǎng)變流器的正常運行[1]，而且還影響新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[2]。因此，研究相位檢測技術(shù)既有工程價值，也有學(xué)術(shù)意義。目前，相位檢測技術(shù)分為2大類，即開環(huán)鎖相技術(shù)和閉環(huán)鎖相技術(shù)。

開環(huán)鎖相技術(shù)沒有調(diào)節(jié)過程，鎖相過程短，這是開環(huán)鎖相技術(shù)的優(yōu)點。但是，對于電壓嚴重畸變的電網(wǎng)，該方法不適合。閉環(huán)鎖相技術(shù)穩(wěn)態(tài)性能好、電網(wǎng)適應(yīng)性能強，是當(dāng)前研究、應(yīng)用的主流技術(shù)。閉環(huán)鎖相技術(shù)是運用反饋控制原理檢測電網(wǎng)的頻率和相位，它具備良好的幅值、相位和頻率自適應(yīng)能力。常見的閉環(huán)鎖相技術(shù)多為基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的鎖相環(huán)（SRF-PLL）[3]。為了消除不對稱電壓分量對SRF-PLL的干擾，在鎖相環(huán)中引入低通濾波器，雖然低通濾波器降低了負序電壓分量對鎖相精度的影響，但是也降低了PLL的暫態(tài)響應(yīng)速度[4]。因此，文獻[5-6]提出用滑動平均濾波（MAF）代替低通濾波器，以此提升鎖相環(huán)的動態(tài)性能。文獻[7]采用解耦思想將負序和正序分離，產(chǎn)生了雙同步坐標系鎖相環(huán)（DSRF-PLL）。在此基礎(chǔ)上，進一步衍生出能同時消除多個高次諧波影響的多解耦PLL。此后，相繼出現(xiàn)了基于二階廣義積分器的PLL[8]、基于自適應(yīng)濾波器的PLL[9]等多種鎖相技術(shù)。上述鎖相技術(shù)采用低通濾波器或較復(fù)雜的濾波算法來降低負序分量或諧波分量的不良影響。如低通濾波器和二階廣義積分器的窄帶寬顯著影響了鎖相環(huán)的動態(tài)性能。如當(dāng)電壓幅值變化時，鎖相過程長達2個基波周期;特別在頻率突變時，暫態(tài)過程更長，高達4個基波周期;當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波時，鎖相精度低。為了克服上述不足，本文研究了基于降階濾波器分序算法的鎖相技術(shù)。

下文將依次研究基于降階濾波器的分序算法、鎖相環(huán)的參數(shù)整定方法和性能。

1 基于降階濾波器的分序算法

本文研究的鎖相環(huán)，其框圖如圖1所示，三相電網(wǎng)電壓[uabc]經(jīng)過Clarke變換，得到電壓分量[uα]和[uβ]，電壓分量[uα]和[uβ]經(jīng)過分序算法處理，得到電壓的正序分量[u+αβ]，正序電壓分量經(jīng)過Park變換，得到dq坐標系下的電壓分量[u+q]，用環(huán)路濾波器處理電壓分量[u+q]，再加上頻率的前饋量，得到電網(wǎng)頻率的估計值[ω0]，對頻率積分，得到電網(wǎng)相位[θ]。將[ω0]送入分序算法，使分序算法的頻率跟隨電網(wǎng)頻率變化，從而提高了分序精度。

本文采用降階濾波器實現(xiàn)分序，降階濾波器具備如下特征：在基波頻率[ω0]處，分序濾波器的幅頻特性為1，相頻特性為0;在其他頻率處，幅頻特性為0（迅速衰減為0或0以下）。文獻[10]研究表明，轉(zhuǎn)折頻率為[ωc]的降階濾波器滿足上述特性。[ωc]既決定降階濾波器的帶寬，也影響它的動態(tài)特性。綜合考慮濾波效果及其動態(tài)特性，文中[ωc]取314. 16 rad/s（電網(wǎng)額定頻率），分序算法如式（1）所示。

將鎖相環(huán)的參數(shù)歸一化之后，再根據(jù)式（5）整定環(huán)路濾波器的參數(shù)（即[kp=120]，[ki=800]）。將參數(shù)代入式（4），鎖相環(huán)的開環(huán)頻率特性如圖4所示。從圖4可知，鎖相環(huán)在200 Hz處的增益為-24 dB，表明對5次和5次以上的諧波（電網(wǎng)電壓的最大諧波分量是5次諧波）具有非常強的衰減作用。

3 實驗研究

本文分別研究了電網(wǎng)電壓幅值突變、頻率突變、電壓波形畸變和電網(wǎng)單相運行等4種工況的鎖相效果，具體效果如下。

當(dāng)電壓幅值突降為原值的80%時，實驗結(jié)果如圖5所示。實驗結(jié)果表明，電壓幅值突變不影響鎖相過程和鎖相精度，在此工況下，相位檢測沒有暫態(tài)過程，鎖相精度也不受幅值突變的影響。

當(dāng)C相電壓畸變（含3次諧波）時，實驗結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過分析和計算，鎖相精度提高了21%，由此說明，在電網(wǎng)電壓畸變時，本文研究的鎖相技術(shù)仍然滿足快速性、鎖相精度的要求。

當(dāng)電網(wǎng)頻率由50 Hz突變?yōu)?2 Hz時，鎖相環(huán)檢測的頻率[ω0]跟隨電網(wǎng)頻率變化，使分序算法能精確分離出電壓正序分量，根據(jù)正序分量檢測電網(wǎng)相位。雖然頻率突變不影響鎖相過程和鎖相精度，但是，檢測頻率有一個暫態(tài)過程，暫態(tài)時長約為20 ms，如圖7所示。

當(dāng)用于檢測單相電網(wǎng)的相位時，其檢測結(jié)果如圖8所示。實驗結(jié)果表明，即使單相電網(wǎng)電壓的幅值突變，也不影響鎖相精度，并且相位檢測沒有暫態(tài)過程，這一特點與工況一類似。

4 結(jié)論

快速、準確檢測電網(wǎng)相位是并網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，為此，本文研究了一種基于頻率自適應(yīng)降階濾波器的鎖相技術(shù)。研究結(jié)果表明本文所研究的鎖相方法提高了相位、頻率檢測精度，縮短了鎖相暫態(tài)過程。尤其針對頻率和幅值突變的工況，該鎖相法有效解決了SRF-PLL鎖相環(huán)的延時和電壓波形畸變導(dǎo)致閉環(huán)鎖相精度低的問題。

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