電能變換--鎖相環(huán)

鎖相環(huán)，顧名思義，基本功能是實現(xiàn)交流信號相位的跟蹤和鎖定。在交流變換器中，為了實現(xiàn)變換器有功功率和無功功率的輸出的可控，需要實時獲取交流側的電壓相位信息。鎖相環(huán)的性能也是直接影響到變換器的穩(wěn)定性。

從實現(xiàn)方式上，分為軟件鎖相環(huán)和硬件鎖相環(huán)，從應用場合上又主要分為單相鎖相環(huán)和三相鎖相環(huán)。本文主要介紹軟件的鎖相方案。

過零鎖相

過零鎖相是一種簡單的開環(huán)的鎖相技術，基本原理是通過實時檢測網側電壓的過零點和頻率信息來跟蹤電網的相位，進位實現(xiàn)鎖相。原理圖如下所示

在實際應用中，可以使用互感器，也可以直接用分壓電阻獲取交流信號。這里面比較重要的就是過零檢測電路，個人認為比較好的方案還是使用運算放大器組成一個比較器來實現(xiàn)過零比較。檢測電路輸出端接到單片機，利用輸入捕獲功能，通過讀取定時器的計數(shù)值即可知道相位。

閉環(huán)鎖相

乘法鑒相法是比較基本的閉環(huán)鎖相法。其控制回路一般由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓強振蕩器(VCO)組成，如下圖所示：

其中鑒相器采用乘法器，將輸入信號vi和輸出信號vo進行相位比較從而輸出誤差電壓vd。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓中的二次諧波分量和噪聲，以確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。壓強振蕩器的作用是完成電壓/頻率的轉換，即壓強震蕩器的輸出信號頻率與誤差電壓vd的大小成正比。

基于二階廣義積分的鎖相環(huán)

四分之一周期延時法、全通濾波器法以及微分法在構建虛擬正交分量的原 理，然而這些方法都存在一些問題，比如動態(tài)響應較慢、對電流諧波敏感、系 統(tǒng)穩(wěn)定性差等。采用二階廣義積分(Second-orderGeneralized Integrator,以下簡稱 SOGI)法構建虛擬正交分量，SOGI 法結構簡單，實現(xiàn)對輸 入信號的 90°相角偏移時響應速度快，濾波性能好，可以改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。 SOGI 法在 s 域的傳遞函數(shù)為

式中 k 為阻尼系數(shù)，是輸入信號與反饋信號差值的放大系數(shù)，k值的大小 直接影響 SOGI 的性能，性能最優(yōu)時取值為 k=1.57。ω 為 SOGI 的諧振頻率，應與被跟蹤的交流信號頻率一致，SOGI 原理框圖如下圖所示：

將上述的傳遞函數(shù)在 MATLAB 上畫出伯德圖，由圖可得，系統(tǒng)對輸入信號頻率為 50HZ 的信號有很大的增益，對不等于 50HZ 的信 號有很好的削弱作用。同時可以看到，SOGI 輸出的信號在相位上相差 90 度， 輸出一對正交分量。

當控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中包含正弦信號的s 域模型時，可以使控制系統(tǒng) 在某一頻率處的控制增益趨于無窮大，從而實現(xiàn)對頻率為 ω 的給定正弦信號 的無靜差跟蹤。此外，由于系統(tǒng)只能跟蹤相應頻率的正弦信號，對其它頻率的諧波信號起到濾波作用，所以系統(tǒng)與帶通濾波器的作用效果是等效的，從而使系統(tǒng)具有更好的濾波性能。需要注意的是，當SOGI 的諧振頻率與交流信號的 頻率不相等的時候，SOGI 的輸出就會存在跟蹤誤差。所以，SOGI 的諧振頻 率需要跟隨鎖相環(huán)輸出頻率而變化。

二階廣義積分只能產生正交向量，還需要將這組正交亮進行Park變換，然后將q軸的分量作為實際值，0為目標值進行PI運算，得到的結果與目標頻率相加，就得到了相應的角頻率，經過積分后就是正弦信號的角度,具體過程與三相的鎖相過程相似。原理圖如下圖所示

三相電的鎖相-單同步坐標系

三相的鎖相一般使用單同步坐標系的方法進行鎖相，實際電壓矢量以同步坐標系中的d軸定向，顯然當鎖相環(huán)準確鎖相的時候Vpll應該和V是完全重合。如果沒有重合，Vpll就會在d軸產生分量。

控制原理圖如下圖所示

這里沒有把Vq與零做差，PI控制器的參數(shù)應該負的。

首先對電網電壓進行Clark 變換（ abc→αβ）和Park 變換（ αβ--dq）變換，即將三相靜止abc 坐標系的電壓變量變換成兩相同步旋轉dq坐標系的電壓變量，這種變換的優(yōu)勢在于能將三相靜止abc坐標系的中正弦量變換成兩相同步旋轉d坐標系中的直流量。在同步旋轉坐標系中，根據鎖相環(huán)工作的基本性能要求，即必須使矢量Vpll、V完全重合才能實現(xiàn)相位鎖定，顯然只要通過閉環(huán)控制，使Vq=0即可實現(xiàn)鎖相。實際上，在上圖所示的結構中，將Vq輸人PI調節(jié)器，當頻率鎖定時，Vq必為一直流量，由于PI調節(jié)器具有直流無靜差調節(jié)特性，因此通過對Vq的PI調節(jié)，即可使Vq趨于零，從而實現(xiàn)鎖相。而將PI調節(jié)器的輸出與實際電網額定頻率相疊加以獲得鎖相環(huán)的輸出頻率。