锁相环在电力系统中的应用

1、电力系统中的锁相环与其他领域锁相环的区别
锁相环这个概念很早就听说过，但是一直不明白是什么意思，在很多地方都能遇到，搞不懂锁相环的时候，就去百度搜一下，结果发下百度上给的结果更看不懂，后来经人点拨，百度百科上关于锁相环的解释是用在通信领域，而我们是用在电力系统中，电力系统中对锁相环的要求是指，锁相环必须通过采样得到的电压值确定相角。下面一段话描述锁相环在电力系统中的用处：在如三相电压型PWM整流器、有源滤波器等电力电子装置中，准确而快速地获得电网电压的相位角是保证系统具有良好稳态和动态性能的前提。这里说的清清楚楚，明明白白就是我们就是要相角！其实就像PSCAD中的PLL模型，其输入是系统的三相电压，输出是锁住的相角，如果接对称的三相电压，那么输出的电压相角就是a相的相角，打开输出波形，可以看到，输出的相角以0.02s为周期，大小从0变到360°。
2、锁相环的基本结构
锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。这三部分具体干啥就不说了，我也不太懂这个结构，个人认为锁相环这种东西就是拿来用的，会用就行了， 深挖没有必要。
3、锁相环的分类
锁相环可以分为硬件锁相环和软件锁相环，这个很好理解，很多东西原来都是直接用硬件电路搞出来，现在有可编程器件了，再利用软件来实现。传统的硬件锁相环在如谐波、频率突变、相位突变等电压畸变以及三相电压不平衡情况下，很难保证相位的同步和精度。用软件锁相取代硬件锁相，摆脱了复杂的硬件电路设计，且修改参数简单方便，具有很好的扩展性。在波形畸变、相位突变等条件下，都具有良好的抗干扰能力，能以较快速度、较高精度实现锁相。
4、软件锁相环原理
软件锁相环采用瞬时无功理论锁相原，其基本结构如下图所示。三相电压usa，u***，usc经坐标变换后得到usd，usq，这里的坐标变换相当于硬件锁相环中的鉴相器，PI调节器相当于环路滤波器，积分环节1/s相当于压控振荡器。压控振荡器的固有频率w=100*pai（电网额定频率）。瞬时无功理论锁相原理是将usa，u***，usc转换到静止α，β坐标系，然后转换到与电压同步的旋转d，q坐标系，得到交流电压的直流分量Usd，Usq。变换所用的旋转角θ是软件锁相环的输出。如果锁相角与电网电压相位同步，则Usq*=0。将零与Usq相减，经过PI调节器后可视为误差信号ωerr，ωerr再与ωN相比较，得到的值经1/s后的即为电网电压的相位θ。整个控制过程构成反馈，通过PI达到锁相的目的。其推导公式如图3。
5、软件锁相环的使用
电力仿真软件（如PSCAD、SIMULINK）、硬件控制器中都需要锁相环，而他们都是属于软件锁环的范畴。
在电力仿真软件中，一般都有PLL模块，只需要将该模块应用一下即可实现锁相环的功能，即该模块可输出系统相角。其实，所谓的PLL模块就是实现上面说的这么一团东西的，在PSCAD中打开PLL模块，可以看到还需要输入PI的参数，但是内部的程序已经帮你封装好了，所以自己只需要去设置些参数即可使用。

在实际的物理控制器中，当然也可以按照上述的算法设计PLL模块，只是比较复杂而已，设计出来的锁相环肯定很精确。但是，在物理控制器中，还有一种很简单的设计方法，也就是我们的项目曾经使用的锁相方法，直接采集A相电压，然后判断A相电压的过零点，如果出现过零点，那么就记录下该时刻，然后再通过计数器来确定现在的具体相位。这也就是我一直理解不了的地方，就是我们的控制器中利用的是这个方法，而在很多地方看到的却是刚才所述的三相的方法，后来才明白，我们利用了简便的方法。


有篇文章是在DSP上设计的锁相环，上面很多东西都是看了他的文章才明白的，所以在这里附一下题目，大家可以上百度看一下，一种基于TMS320F2812的软件锁相环实现方法.pdf


写到最后，个人有一个感觉，我发现自己特别重视知识的条理性以及逻辑性，其实现在想想原来就是软件锁相环原理跟控制器设计方法混为一谈，经过上面这么一分析，明白原来我们的控制器是采用简便方法，这样一来就清楚多了。