电网不平衡条件下锁相环算法研究及其在APF中的应用

摘要

在三相四线制低压供电系统中，越来越多的电力电子装置等非线性负荷的投入使用及三相用户使用电能的不同时性，导致电网谐波及不平衡问题日益严重，有源电力滤波器（APF）作为谐波和不平衡补偿的有效措施之一而获得广泛关注。锁相环是APF系统谐波电流检测环节中的关键技术，本文在传统三相不平衡锁相环方案的基础上，深入研究电网不平衡、含直流偏置分量情况下适用于APF的锁相环算法。
　　有源电力滤波器谐波电流检测要求电网同步信号跟踪快速且准确，本文通过建立传统基于单同步参考坐标系锁相环（SRF-PLL）的数学模型，详细分析锁相环系统的动稳态性能，设计系统中PI控制器的参数，并分别在电网平衡及不平衡条件下分析SRF-PLL的锁相结果。在电网平衡时，SRF-PLL能准确锁定相位，但在电网不平衡条件下，电压负序分量经过坐标变换产生的二次谐波干扰会导致SRF-PLL锁相不准确，通过仿真与实验验证了此结论，与理论分析一致。
　　针对电网不平衡条件下APF系统对锁相环的要求，基于电压正负序分离的思想，本文对基于双二阶广义积分器的锁相环（DSOGI-PLL）和基于交叉解耦复数滤波器的锁相环进行了深入研究与分析，设计正交信号发生器及正负序滤波器中的参数，并在理论研究的基础上对两种锁相环进行了仿真验证，仿真和实验结果表明在允许的超调范围内，与DSOGI-PLL相比，基于交叉解耦复数滤波器的锁相环动态响应速度更快。
　　为进一步提高锁相环系统的动态响应性能，本文深入研究了锁相环方案中独立的基于二阶广义积分器的锁频环（SOGI-FLL），依据SOGI-FLL工作原理，设计了静止坐标系下基于正负序滤波器的锁频环，此锁频环的动稳态性能取决于ωc和γ两个调试参数，并需要对增益γ进行线性化处理，结构较复杂。为避免调试参数对FLL性能的影响，本文对基于正负序滤波器的FLL进行了改进，改进后的FLL结构简单，且没有影响动态响应性能的调试参数，仿真和实验结果验证了改进后基于正负序滤波器FLL的锁相环比改进前的锁相环超调更小，且动态响应更快。
　　除了考虑电网不平衡条件，本文还研究了含直流偏置分量时的锁相环设计，通过引入正弦幅值积分器（SAI）将交直流电压信号分离，提取出的vq直流信号作为PI控制器的输入，即可实现电网信号的同步。仿真结果表明，加入SAI单元的锁相环能准确地检测出电网电压相位、频率和幅值信息，可消除直流偏置分量对系统的影响。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义(Background and Significance of Research)

1.2 锁相环技术概述(Overview of Phase-locked Loop Technology)

1.3 锁相环方法的研究现状(Research Status of PLL Approaches)

1.4 论文主要研究内容及结构安排(The Main Content and Structure Arrangement of This Paper)

2 锁相环数学模型及SRF-PLL分析

2.1 锁相环相位分析(Phase Analysis of PLL)

2.2 基于单同步参考坐标系的锁相环(Single Synchronous Reference Frame Phase-locked Loop)

2.3 电网电压平衡下 SRF-PLL 分析(SRF-PLL Analysis under Balanced Grid Voltage)

2.4 电网电压不平衡下SRF-PLL分析(SRF-PLL Analysis under Unbalanced Grid Voltage)

2.5 仿真分析(Simulation Analysis)

2.6 本章小结(Conclusion of the Chapter)

3 基于正负序电压分离的三类锁相环算法

3.1 直接计算法(Direct Computing Method)

3.2 正交信号法(Orthogonal Signal Method)

3.3 直接解耦法(Direct Decoupled Method)

3.4 仿真分析(Simulation Analysis)

3.5 本章小结(Conclusion of the Chapter)

4 锁频环及消除直流分量的锁相环设计

4.1 基于SOGI的锁频环(Frequency-locked Loop based on SOGI)

4.2 基于正负序滤波器的锁频环(Frequency-locked Loop based on the Positive and Negative Sequence Filter)

4.3 消除直流偏置分量的锁相环设计(The PLL Design of Eliminating the DC Component)

4.4 仿真分析(Simulation Analysis)

4.5 本章小结(Conclusion of the Chapter)

5 实验验证

5.1 实验平台(Experimental Platform)

5.2 实验结果与分析(Experimental Results and Analysis)

5.3 本章小结(Conclusion of the Chapter)

6 总结与展望

参考文献

附录

作者简历

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