基于Park变换的单相锁相环软件算法研究

基于Park变换的单相锁相环软件算法研究

刘奎1于森林2王博2柴媛2王志强2

（1.中车永济电机有限公司机加事业部铆焊车间山西永济044502；

2.中车永济电机有限公司电力电子产品开发部陕西西安710016）

摘要：介绍了一种同步旋转坐标系下的单相锁相环软件算法，使用反馈控制的方式来替代传统算法中的滤波器，以消除Park变换中出现的二倍频分量对锁相环性能影响，具有良好的动态响应和稳态特性。

关键词：Park变换；锁相环；反馈控制

0引言

锁相环是一个使输出信号与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路，在同步状态下，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零或者保持常数。锁相环按照分类可分为硬件锁相环、数字锁相环和软件锁相环等。锁相环一般有三个功能模块构成，鉴相器、压控振荡器和环路滤波器构成。在四象限整流控制中，需要动态获取电网电压相位信息，这就要求锁相环对电网电压进行锁相。在实际中，电网环境并非理想运行，这对锁相环控制提出了更高的技术性能要求，锁相环的控制性能将直接影响到四象限整流器的控制效果[1]。

1.单相锁相环及软件算法

对于三相对称系统而言，相位信息的获得较为简单，在同一时刻可以同时采样到三相电压，三个电压力包含了幅值和相位信息，可以直接计算出电网的幅值和相位，但这种方式必须在电网频率和幅值不变的前提下，存在抗干扰能力差的问题。而单相系统中，同一时刻只能采样到一个电压值，它无法直接计算出相位和幅值，因此单相锁相环需要一段时间去获取足够多的信息才能计算出相位和幅值，与三相系统相比，总有一定的时间延迟。

单相锁相环的设计主要有两种思路，一种是基于单相变量的设计思路，通过类似乘法鉴相器方案或者通过基于输入信号重构的自适应鉴相方案来实现单相锁相环控制；另一种是基于两相正交变量的锁相环设计，通过一定的算法由输入信号构造出两相静止坐标系下的另一相正交信号，运用三相锁相环的同步旋转坐标锁定原理实现锁相控制，本文主要对后一种方法进行实现。

对于一个单相电网电压，假定其数学表达式：

图5目标信号变化仿真波形

在0.2s时，对目标信号电压幅值进行突增、突降20V，检验在目标信号幅值波动时对锁相性能的影响，其波形如图5（1和2）所示。在目标信号发生幅值波动时，锁相输出信号基本不发生变化，说明锁相环能够在较高宽度网压幅值内完成锁相。

在0.2s时，对目标信号频率突降、突增1HZ，以检验在目标信号频率波动时的锁相性能，其波形如图5（3和4）所示。从仿真波形看出，在目标信号发生频率波动时，锁相出的信号发生变化，经过一个信号周期后锁相环稳定，验证了锁相环对频率变化的目标信号能够实现较好的跟踪及锁相。

3试验验证

为与仿真结果进行对比，搭建了小型实物平台，以TMS320F28335型号的DSP为硬件基础，按照上述锁相环算法进行编程，验证锁相环的动态及稳态性能。

实际的小型平台中，目标信号为50HZ单相交流电，DSP的实际采样频率为500HZ，将锁相输出与目标信号对比结果，如图6所示。因实际电网中含有谐波成分，加之采样频率较低，所以在波形还原时，目标信号谐波含量较大。

4结语

本文提出了一种单相锁相环软件控制算法，通过反馈的方法消除在PARK变换中出现的二次频率成分，避免了使用滤波器带来的锁相系统动态性能不好的问题，通过搭建仿真模型进行仿真以及进行小型试验平台的试验，验证了给出的算法具有动态性能高、稳定性好等特点。仿真结果表明锁相算法的正确性及有效性。

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