摘 要

能源危机导致以太阳能，风能等新型能源为主的发电技术迅速发展。对于这些新型能源的是否能有效利用，实现并网是十分重要的。而电网的实时相位信息对并网系统控制的稳定性和跟随性能有重要的影响。能够快速精确的检测电网幅值、相位和频率信息是实现并网要求的重要保障。而锁相环是获得这些信息的重要途径之一。基于同步旋转坐标系的锁相环在电网平衡时是一种有效的检测电网信息的方法。

首先，本文详细介绍了锁相环的用途及技术现状，结合三相供电系统特性和坐标变换方法设计了一种三相锁相控制系统，利用控制理论推导了锁相系统的等效数学模型，分析了该锁相系统轴电压与系统正序电压和负序电压之间的关系。

其次，针对轴电压滤波处理问题，介绍了借助MATLAB软件中的sptool工具设计满足工程需要的低通滤波器的方法。在获得合理的低通滤波器基础上，利用传统的零极点位置配置方法设计了PI控制器参数。

最后，利用MATLAB软件搭建了三相供电系统锁相电路仿真模型，测试了本论文设计的锁相环在不同电压畸变率、电压不平衡度条件下的动静态锁相性能，仿真结果表明本文设计的三相锁相环系统具有良好的相位跟踪性能。

关键词：三相供电系统；锁相环；坐标变换；低通滤波器

Abstract

Energy crisis led to a solar energy, wind energy and other new energy power generation technology developing rapidly. For these new energy can effectively using, It is very important to realize the interconnection . Phase information has important influence to grid system of real-time control and power grid stability and performance.Detecting the grid amplitude quickly and accurately, phase and frequency information is the important guarantee for realizing interconnection requirements. The phase-locked loop is one of the important ways to get these information. Phase-locked loop based on synchronous rotating coordinate system when the balance of power grid is an efficient detection method of network information.

First, this paper introduces the purpose of the phase-locked loop and the present situation of technology in detail, the combination of three phase power system characteristic and the coordinate transformation method to design a kind of three-phase phase-locked control system, using the control theory of the equivalent mathematical model of phase locking system is deduced, the shaft voltage and phase locking system system are analyzed the relationship between the positive sequence voltage and negative sequence voltage.

Secondly, in view of the shaft voltage filtering processing problems, with the help of MATLAB software introduced in the sptool tool design can meet the needs of engineering method of low-pass filter. To be on the basis of reasonable low pass filter, using the traditional method of zero pole position configuration design PI controller parameters.

Finally, using the MATLAB software build the simulation model of three-phase power supply system phase-locked circuit test in this paper the design of phase-locked loop in different voltage distortion rate, voltage unbalance degree under the condition of dynamic and static phase locking performance, the result of simulation shows that this design phase of three-phase phase-locked loop system has a good tracking performance.

Keywords：Three-Phase Power Supply System；Pll；Coordinate Transformation；Low Pass Filter

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及目的及意义 1

1.2 锁相环的发展及国内外研究现状  1

1.3 本文的研究内容和结构安排 3

第2章 利用dq坐标分解的三相电压研究锁相技术 4

2.1 三相电压坐标变换 4

2.1.1 Clark变换 4

2.1.2 park变换 6

2.2 设计滤波器消除谐波影响 7

2.2.1 轴电压谐波分析 7

2.2.2 设计滤波器 10

2.3 本章小结 16

第3章 锁相环控制系统设计 17

3.1 锁相环系统控制结构设计 17

3.2 常规PI控制器设计 18

3.3 本章小结 19

第4章 锁相环系统仿真及结果 20

4.1 仿真介绍 20

4.2 仿真结果 20

4.3 本章小结 28

第5章 结论 29

参考文献 30

致 谢 31

附 录 32

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及目的及意义

由于现代社会的不断进步，工业领域以及人们日常生活中对电的要求也越来越大，从而对于供电系统的各方面性能要求也日益增高。并网技术的要求也越来越高，而对于三相交流供电系统而言，稳定性是系统的重要性能，是实现并网的关键，也是系统能够正常运行的首要条件^[1-5]。为了满足供电系统的性能要求，国内外学者研究了各种行之有效的方法，而锁相技术由于能够快速准确的获得相位信息，控制精度高，灵活性好，从而被广泛用于电力电子控制装置中，同时其性能对于整个系统性能的影响也是至关重要的。

三相锁相环（3PLL）在电力系统中是基于同步信号完成控制和保护动作的基础^[6]，而三相电压信号中类似于相位、幅值等基频正序分量信息是很多控制和保护算法工作的基础，由于三相锁相环能快速并且准确的提取正序分量信息，从而使得三相锁相环对系统性能有着关键性的作用^[7]。在存在电压畸变的各种情况下，三相锁相环都能快速准确的跟踪到电压正序基频分量的相位、频率和幅值等信息，其检测精度和响应时间也能够满足设计要求。对于三相电压而言，基于dq坐标轴系变换的同步参考坐标系锁相环^[8](phase locked loop based on synchronization reference frame，SRF-PLL)在各种三相系统的同步信号检测方法中，具有良好的动态响应速度，并且在三相交流电压对称的理想情况下可以较好地检测出基波正序分量，从而被广泛的应用。

1.2 锁相环的发展及国内外研究现状