基于改进型二阶广义积分器的单相锁相环设计

第41卷第4期

PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION

自　动　化　仪　表

Vol.41No.4

Apr.2020

基于改进型二阶广义积分器的单相锁相环设计

(1.盐城工学院电气工程学院,江苏盐城224051;2.江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)

摘　要:针对传统基于二阶广义积分器的锁相环(SOGI-PLL)存在谐波抑制能力差、抗直流干扰能力不强的问题,提出了一种基于改进型SOGI的新型锁相环结构。该结构将两个SOGI模块串联,可以很好地消除电网存在的谐波分量以及直流干扰。针对传统的锁相环结构在面临电网频率波动时,无法对其进行自适应跟踪这一不足,采用了过零检测的方法来获得电网的实时频率,并将其直接馈送至改进的SOGI结构的谐振频率处,有效地提高了锁相环的频率自适应能力。仿真和试验结果均表明,所设计的改进型二阶广义积分器的锁相环具有锁相精度高、动态性能好的优点,对单相光伏并网技术的实现具有很好的参考价值。关键词:二阶广义积分器;谐波抑制;频率自适应;锁相环;单相光伏并网

中图分类号:TH-39　　　　文献标志码:A　　　　DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2019050036

陈　荣1,刘　超1,2

DesignofSingle-PhasePhase-LockedLoop

BasedonImprovedSecond-OrderGeneralizedIntegrator

2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

(1.SchoolofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China;

CHENRong1,LIUChao1,2

Abstract:Anovelphase-lockedloop(PLL)basedonimprovedsecond-ordergeneralizedintegrator(SOGI)wasproposedto

solvetheproblemsofpoorharmonicsuppressionandweakdcinterferenceresistanceoftraditionalSOGI-PLL.Thestructure

connectedtwoSOGImodulesinseries,whichcaneliminatetheharmoniccomponentanddcinterferenceinthepowergrid;InviewofthedeficiencythattraditionalPLLstructurewasunabletocarryoutadaptivetrackingwhenfacedwithpowergridfrequencyfluctuation,azero-crossingdetectionmethodwasadoptedtoobtainthereal-timefrequencyofthepowergridandfeedit

directlytotheresonantfrequencyoftheimprovedSOGIstructure,whicheffectivelyimprovedthefrequencyadaptiveabilityofthe

PLL.SimulationandexperimentalresultsshowedthatthephaselockloopbasedonimprovedSOGIhastheadvantagesofhighphaselockaccuracyandgooddynamicperformance,whichcouldbeusedasareferencefortherealizationofsingle-phase

photovoltaicgrid-connectiontechnology.

Keywords:Second-ordergeneralizedintegrator;Harmonicsuppression;Frequencyadaptation;Phase-lockedloop;Single-phasephotovoltaicgridconnection

0　引言

相环(phase-lockedloop,PLL)应用较为广泛。它起源

量为0,从而使输出相位与输入相位同步[1-2]。该方法能有效检测电网电压的相位、幅值以及频率信息,具有良好的动稳态特性[3-4]。同步坐标系软件锁相环实现的关键在于正交信号的生成,二阶广义积分器(secondordergeneralizedintegrator,SOGI)算法实现简

在单相并网系统中,由同步坐标系理论建立的锁

于三相锁相环的坐标变换:输入信号经过变换之后生成两相虚拟正交信号,然后以这两相虚拟正交信号建立起两相静止坐标系,再经过Park变换,使得两相静止坐标系变为两相同步旋转坐标系(dq轴),最后再经比例积分(proportionalintegral,PI)控制器控制q轴分

单,能够无延时地获取虚拟正交信号,并且还能对输入信号进行滤波。因此,基于二阶广义积分器的锁相环(secondordergeneralizedintegratorPLL,SOGI-PLL)被

大量应用在单相并网系统中。但是,随着日益复杂的

收稿日期:2019-05-23

作者简介:陈荣(1963—),男,博士,教授,主要研究方向为电力电子与电力传动,E-mail:rc_abc@163.com;

刘超(通信作者),男,在读硕士研究生,主要研究方向为电力电子与电力传动,E-mail:16285253@qq.com

·52·

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第41卷

电网环境,在面对谐波干扰、直流分量以及频率波动时,传统结构的锁相环锁相精度严重不足,甚至会造成系统无法并网。因此,研究复杂电网环境下的锁相环结构尤为必要。对于电网电压中存在谐波干扰,文献[5]提出了一种结合巴特沃斯滤波器的SOGI锁相环结构(digital;signal但是由于滤波器阶数过高电压中的直流分量precossor,DSP),文献[6]采用增加直流控制环法上难以实现,在数字信号处理器。针对电网

,文献[7]在传统SOGI-OSG结构中加入了低通滤波器。这两种方法都能够滤除输入电压中的直流分量。但是,引入新的反馈回路会减小系统的带宽并降低动态响应速度,且滤波器的参数设计也较为复杂。文献[8]提出两个SOGI串联的结构,能够有效去除直流分量。但是SOGI的谐振频率为定值,在电网电压频率波动时,锁相精度较差。

SOGI本文在传统SOGI研究的基础上,通过将两个

谐波干扰结构串联;采用过零检测的方法实时获取电网频率,从而有效地抑制电网电压直流分量和,将得到的频率ω反馈至SOGI的谐振频率处进行调节,使得改进的锁相环结构具有频率自适应功能;最后,通过仿真和试验,对所提出的改进结构进行了验证。

1　设计方案

1.1　传统SOGI

图1为传统SOGI原理图。

图1　传统SOGI原理图

Fig.1　SchematicdiagramofthetraditionalSOGI

图1中:Vin为电网输入电压;Vα和Vβ分别为SOGI

输出的两路正交信号;k为SOGI的增益系数,取值会直接影响到锁相环系统的动态响应速度;ω0为SOGI

的谐振频率[9]闭环传递函数为。

:

HVαα1(s)=V(s)

in(=kωs2+kω0s

(1)HVβ1(s)=

(ss)

)kω0s+ω20Vβ0s

in(s)=

s2+kω0s+ω2假定输入电压V0

(2)

ωin=Vmsinωt。当SOGI的谐振频率

0调节至电网频率ω(即ω0=ω)时,SOGI输出一对具

有严格正交特性的正弦信号VV式(2)ωtα和Vβ可知;V。其中:Vα=

msinβ,V=Vmcosωt。由闭环传递函数式(1)和α在相位上始终超前Vβ增益系数SOGI的Hk无关,且不存在任何延时90。°,图与频率2为传ω和统α1和Hβ1伯德图。由图2可以看出,SOGI的传递函数具有一定的滤波特性。其中:Vα具有带通滤波器特性,能够抑制低频、高频噪声以及直流分量;Vβ具有低通滤波器特性,能够抑制高频干扰。

图2　HFig.2　Bodediagramα1和Hβ1伯德图(传统SOGI)

ofHα1andHβ1(traditionalSOGI)

传统SOGI可以抑制输入信号中的谐波干扰,但

是,其滤波强度受增益系数k的影响[10-11]系统带宽越小,滤波能力越强,但是系统带宽的减小会。k值越小,导致响应速度变慢;反之,值越大,系统带宽越大,滤波能力越差,但是系统响应速度变快。为了满足电力系统相位同步标准,必须增强系统的滤波特性。但是,为了维持系统的动态特性,增益系数k不能一直减小。故需要对传统SOGI加以改进,来提高锁相环的谐波抑制能力,并使其满足电力系统相位同步标准。由前面分析可知:Vα具有带通滤波器特性,能够抑制输

入信号中的直流分量;Vβ具有低通滤波器特性,不能消除直流分量的干扰,会使锁相的结果产生较大的误差,无法保证锁相精度。实际电网电压的频率会因为故障因素而波动。传统SOGI的谐振频率ω0为定值,无法实时跟踪电网频率的变化,也无法保证其锁相精度。1.2　改进型SOGI

改进型SOGI采用SOGI1与SOGI2串联的结构,其原理如图3所示。

由上述分析可知,单个SOGI的Vα输出端具有带通滤波器特性,能够消除输入电压中的直流分量。故输入信号Vin经过除直流分量的影响。SOGI1改进型与SOGI2SOGI采用谐振频率为固

之后,可以完全消

第4期　基于改进型二阶广义积分器的单相锁相环设计　陈　荣,等

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定值ωn的SOGI3与鉴频器FD相结合的方法,实时获取输入电网电压的频率。其中:SOGI3用于滤除电网基波频率ωn以外的谐波分量,鉴频器FD采用周期过零检测的方法,通过在数字信号处理器(digitalsignal

processor,DSP)中设置上升或者下降沿捕获电网过零点,从而获得电网的实时频率,并将其馈送至SOGI1和SOGI2的谐振频率处,即可实现锁相环的频率自适应功能。

图3　改进型SOGI原理图

　　改进型SOGI的Hα2和Hβ2伯德图如图4所示。

Fig.3　SchematicdiagramoftheimprovedSOGI

再进行Park变换,将两相交流信号转换成两相同步信号Vα和Vβ。Vécosθout　sinθoutéêdùú=êêëVqúûêë-sinθout

m

out

式中:Vq=Vmsin(θ-θout),Vm和θ分别为输入电压Vin的幅值和相位。

通过控制Vq=0,可实现相位锁定。当相位锁定

Vcos(θ-θout)ùéêmú

ê-ëVsin(θθ)úû

Vù

ú×éêαùú=

êúcosθoutúûëVβû

(6)

时,Vq=0,θout=θ,即锁相环已经跟踪上电网电压的相

Fig.4　BodediagramofHα2andHβ2(improvedSOGI)

图4　Hα2和Hβ2伯德图(改进型SOGI)

位;当相位没有锁定时,Vq=Vmsin(θ-θout)≠0,且当

相位差较小时,Vq≈VmsinΔθ≈VmΔθ(Δθ=θ-θout),Vq

与相位差成正比,从而实现了鉴相器功能。PI控制器作为环路滤波器,误差Ve在通过PI控制器消除高频干扰后,得到角频率差值Δω。为了加快锁相速度,引入角频率参考值ωn,从而得到电网瞬时角频率锁相环系统经过多次负反馈调节后,最终锁定电网电压相位。

基于改进型SOGI的PLL原理如图5所示。ω;再经过积分环节,得到电网瞬时相位θout。这样,

由图4可以看出,改进型SOGI传递函数均具有带通滤波特性,能够很好地消除谐波干扰,滤除直流分量。

Hα2(s)=Hβ2(s)=

Vα2(s)Vβ2(s)Vin(s)Vin(s)

kωsρ(s)kωsρ(s)

22

22

0

==

(3)(4)

220

2

+2kω3+ω4式中:ρ(s)=s4+2kω0s3+(2+k2)ω20s0s0,k为

1.3　基于改进型SOGI的锁相环

SOGI的增益系数,ω0为鉴频器测得的电网实时频率。

Vα和Vβ。假设输入电网电压信号Vin=Vmsinθ,则Vα和Vβ的值为:

改进型SOGI从输入信号中提取出一对正交信号

{

Vα=Vin=Vmsinθ

Vβ=Vmsin(θ-90°)=Vmcosθ

(5)

图5　基于改进型SOGI的PLL原理图

Fig.5　SchematicdiagramofthePLLbasedonimprovedSOGI

··

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第41卷

2　仿真与试验分析

2.1　仿真分析

电网电压频率发生突变时,锁相环仿真结果如图6所示。当t=0.06大约2个电网周期后,改进型s时,频率发生突变OSG仍输出一对严格。在经过

正交的信号Vα和Vβ值。由此说明改进的结构频率适应性能优异,PLL也重新收敛到新的,稳动态态性能好。

图6　电网频率突变时的锁相环仿真结果Fig.6　Simulationresultsofphase-lockedloopwhen

powergridfrequencybreakssuddenly

电网电压含有直流分量时,锁相环仿真结果如图7所示。当t=0.06流分量。从仿真结果可以看出s时,向电网电压注入,在经过大约20%1个电网的直

周期的过渡之后,所设计的改进型SOGI仍能输出一对严格正交信号,且Vα和Vβ几乎不含任何直流成分,因此保证了系统的锁相精度。

电网电压含有10%的3次谐波、5%的5次谐波、5%真结果可以看出的7次谐波时,,所设计的改进型锁相环仿真结果如图OSG能够很好地消8所示。从仿除谐波干扰,输出一对严格正交信号Vα和Vβ。

图7　Fig.电网电压含有直流分量时的锁相环仿真结果7　Simulationwhengridvoltageresultscontainsofphase-lockedDCcomponent

loop

Fig.图8　8　Simulation电网电压在谐波干扰下的锁相环仿真结果gridvoltageresultsunderofharmonicphase-lockedinterference

loopwhenpower

第4期　基于改进型二阶广义积分器的单相锁相环设计　陈　荣,等

·55·

2.2　试验结果分析

针对基于改进型SOGI的PLL,搭建了基于TI公司的TMS320F28335DSP芯片的逆变器试验平台,并与传统SOGI结构的PLL进行了比较。限于试验室设备25%)条件,图9是输入电网电压同时含有直流分量(占

检测电路输出的电网电压波形以及谐波干扰(3次谐波和,图5次谐波各占10和图115%)分别是时检测电路所检测出的锁相环输出的电压幅值Um和相角误差θe波形。

图9　直流分量和谐波干扰下的电网电压波形Fig.9　Powergridvoltagewaveformunderdirectcurrent

componentandharmonicinterference

图10　锁相环输出的电压幅值波形Fig.10　Voltageamplitudephase-lockedloopwaveform

ofoutput

图11　相角误差波形Fig.11　Phaseangleerrorwaveform

从图10、图11可以看出,虽然在动态过程中电压幅值18msU之后m和相角误差,即经过大约一个工频周期θe会出现一定的过冲,但是在t=

到幅值,相角误差θe亦趋近于零。这表明改进的系统

,Um重新收敛

结构具有良好的动稳态性能。

逆变器并网的试验波形如图12和图13所示。传统SOGI-PLL在电网非稳定运行时,并网电流在波峰处畸变严重;改进型SOGI-PLL的并网电流波形平滑,谐波含量少,具有良好的锁相精度。

图12　传统SOGI-PLL并网波形

Fig.12　TraditionalSOGI-PLLgrid-connectedwaveforms

图13　改进型SOGI-PLL并网波形

Fig.13　ImprovedSOGI-PLLgrid-connectedwaveform

3　结论

传统SOGI-PLL谐波抑制能力差、抗直流干扰能力低,在电网频率波动情况下存在锁相精度不足的问题Matlab。基于扰、直流分量以及频率波动情况下进行了仿真验证/simulink此,本平台文对,传分别对电网电压在面临谐波干统的SOGI加以改进。利用,并搭建了试验平台。从仿真和试验的结果可以看出,改进型SOG-PLL运用到PLL之后,能够有效地抑制电网谐波,抗直流分量能力也显著提升,且频率自适应性变强。同时,这也有效改善了逆变器的并网电流质量,降低了并网电流畸变率。

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(下转第67页)

第4期　基于网源同步的超超临界机组一次调频优化　袁岑颉,等

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·67·

　　CCS送DEH控制系统的遥控负荷指令直接切换1MW/s,限幅为10MW。增加切换速率和限幅是为了

成为实际负荷或前5s的平均负荷,切换速率为

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防止引起机组扰动,同时避免给机组AGC考核带来压力[12-13]。通过该条措施的优化,可以基本消除负荷信号网源不同步造成的机组一次调频负荷控制偏差。

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4　结论

结合上汽超超临界机组一次调频控制特点,通过高精度频率信号直采、合理设置调频死区,可以解决频率信号网源不同步的问题。通过剖析“两个细则”的考核内容,合理优化一次调频控制逻辑,可以解决负荷信号网源不同步的问题。保证频率和负荷的网源同步,是目前解决超超临界机组一次调频被频繁考核最直接和最有效的解决方法。通过以上措施的优化,某06和0.3。该优化方法值得同类型机组参考借鉴。

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