基于SOGI—FLL+NF的復(fù)合鎖相環(huán)

趙婧+++王金梅+++朱鵬+++張麗娜+++戴瑞

摘 要：三相并網(wǎng)系統(tǒng)中，鎖相環(huán)能檢測出三相電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，它對整個逆變系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有重要作用。三相電網(wǎng)發(fā)生波動時，同步旋轉(zhuǎn)鎖相環(huán)易受二倍頻分量的影響導(dǎo)致鎖相不準(zhǔn)確。文章采用SOGI-FLL+NF復(fù)合鎖相結(jié)構(gòu)，消除三相電網(wǎng)電壓波動對鎖相效果的影響，通過Matlab/Simulink仿真證明復(fù)合結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；二階廣義積分器；陷波器

引言

對于分布式發(fā)電系統(tǒng)而言，為了保證并網(wǎng)逆變器能夠向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電能，這就要求并網(wǎng)電流必須與電壓同步。諧波會使電網(wǎng)電壓波動，所以需要鎖相環(huán)實時準(zhǔn)確的獲取電網(wǎng)電壓的幅值和相位信息，獲取信息準(zhǔn)確與否直接決定了設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

在三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中常采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)（SRF-PLL），當(dāng)三相電壓平衡時，有較好的鎖相效果，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時，SRF-PLL容易受二倍頻分量影響使精度下降。二階廣義積分（SOGI）型鎖相技術(shù)能夠抑制諧波分量，但是在精度上有待提高。陷波器可以看作是一個帶寬很小的帶阻濾波器，把某一頻率的信號濾除。為了消除諧波對PLL的影響，本文采用SOGI-FLL+NF復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真分析鎖相效果。

1 三相電網(wǎng)電壓不平衡時SRF-PLL性能分析

SRF-PLL將輸入abc坐標(biāo)系下的三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過Clark和park變換，得到dq系下的電壓，調(diào)節(jié)q軸分量為0，使dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角θ與電網(wǎng)電壓矢量的相位角相同，來實現(xiàn)鎖相[1]。

當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡并采用三相三線的方式接入電網(wǎng)的時候，只考慮正序分量和負(fù)序分量。此時電網(wǎng)電壓可以表示為：

式中：Vgp、Vgn是電網(wǎng)電壓的正序與負(fù)序分量的幅值，Φp、Φn正序和負(fù)序分量的初始相位，ω代表電網(wǎng)電壓角頻率。

對式（1）進(jìn)行Clark變換，再進(jìn)行Park變換，電網(wǎng)電壓矢量在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

可以看出，電網(wǎng)電壓不平衡時，dq軸下電網(wǎng)電壓正序分量變成了直流量，基波負(fù)序分量變成了二倍頻交流量。

2 基于靜止坐標(biāo)系下正負(fù)序解耦的鎖相環(huán)

2.1 二階廣義積分器結(jié)構(gòu)分析

SOGI如由積分器、加法器、乘法器和放大器組成。SOGI可以對正負(fù)序分量進(jìn)行分解，從而消除其他頻率的干擾[2]。

SOGI的傳遞函數(shù)：

其中，v為輸入電壓；qv'為v'進(jìn)行90°相位頻移后的電壓；ω為無阻尼自然頻率；k為阻尼比。

從傳遞函數(shù)可以看出輸出信號v'與qv'的幅值與輸入信號v一致，并且v'與qv'相位上相差90°，可以構(gòu)建兩相正交坐標(biāo)系。

2.2 陷波器（NF）結(jié)構(gòu)分析

NF可以濾除信號中某一特定頻率的信號，并且濾波后的信號無相位無延遲[3]。其傳遞函數(shù)為：

其中：ω'為需要濾除的頻率，k'為控制參數(shù)，決定了NF的帶寬。

2.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)設(shè)計

本文所用復(fù)合結(jié)構(gòu)是SOGI-FLL和NF構(gòu)成的，SOGI-FLL是頻率自適應(yīng)的SOGI鎖相環(huán)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從輸入信號v到誤差信號ev的傳遞函數(shù)為：

其結(jié)構(gòu)與SOGI類似，不同的是FLL結(jié)構(gòu)，通過-γ調(diào)節(jié)實際頻率與ω之間的偏差，直至偏差為0，自動適應(yīng)輸入信號的頻率[4]。

復(fù)合鎖相環(huán)如圖2，本文采用SOGI-FLL模塊估測輸入信號基波分量，輸出頻率及相角估測值，n個NF結(jié)構(gòu)得到諧波分量，將諧波分量反饋回輸入信號[5]。數(shù)量取決于輸入信號的諧波特特征。SOGI-FLL與NF模塊并行工作，NF模塊提取輸入輸出信號中的諧波分量，反饋到加法器，使得輸入SOGI-FLL的信號只含基波分量，從而消除諧波引起的穩(wěn)態(tài)誤差[6]。

3 仿真與結(jié)果分析

為了驗證理論分析，使用Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型。

圖3為本文所采用的SOGI-FLL+NF復(fù)合鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的仿真波形圖。圖3（a）為三相電壓波形圖，在0.05s時，A相電壓發(fā)生波動。圖3（b）為dq軸估測波形圖，d軸電壓能很好地跟蹤A相電壓的變化，q軸電壓波動較小，并且q軸電壓基本能維持在0處。圖3（c）可以看出頻率與A相電壓的波動正相關(guān)，并且基本維持的50HZ處。圖3（d）相角估測波形較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

本文分析了同步旋轉(zhuǎn)鎖相環(huán)易受二倍頻分量的影響的原因，在此基礎(chǔ)上使用了SOGI-FLL+NF結(jié)構(gòu)復(fù)合鎖相環(huán)來完成對三相電網(wǎng)電壓的精準(zhǔn)鎖相。在Matlab/Simulink平臺搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明復(fù)合結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓波動時，能夠取得較好的鎖相效果。

參考文獻(xiàn)

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[4]馬成斌，楊滔，李春.基于二階廣義積分器的正負(fù)序鎖相環(huán)諧波消除方法[J].上海電氣技術(shù)，2014（02）：12-17.

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[6]王鹿軍，張沖，呂征宇.電網(wǎng)諧波背景下單相并網(wǎng)逆變器的鎖相方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2013（14）：107-112.

作者簡介：趙婧（1990-），女，漢族，甘肅省蘭州市，碩士研究生，寧夏大學(xué)，從事電工電子新技術(shù)及并網(wǎng)逆變器方面的研究。