摘 要

在电力系统的各类并网系统中，对电网完成快速准确的同步锁相是实现能量控制的前提。高性能的锁相环是并网系统快速调控的基础，要求在检测电网电压瞬时值的基础上，能够快速完成对基波分量的同步，并且不受电网谐波的影响。广泛用于电力系统中的柔性输电系统要求准确实时的系统电压相位信息，其性能很大程度依赖于对电网电压同步信号的检测。而目前对电压频率和相位的检测大多通过软件锁相环实现。

目前存在许多锁相环的模型，也有着各自的优势，用的比较多的是基于PID控制器的锁相环，这种锁相环结构简单，在经过精密的计算后，能够很好的实现锁相功能，但是抗干扰能力不太理想。自抗扰控制器是根据PID控制器改进而来，因此本文受此启发，将锁相环中的PID控制器换为自抗扰控制器，看改进后的结果是否能优化。

本文首先建立锁相环模型，分析其结构组成及功能，然后介绍自抗扰控制算法的组成结构及各部分功能，在深入了解自抗扰及锁相环的基础上，将两者结合起来，探究基于自抗扰控制的单相锁相环模型。仿真实践表明本文的研究方法有着很好的抗干扰能力，比起基于PID控制器的锁相环有着较大的优势。

关键词：锁相环 自抗扰控制 单相 PID控制器 Matlab

Abstract

In the power system of all kinds of grid-connected system, the grid to complete fast and accurate phase-locked phase is the premise of energy control. The high performance phase-locked loop is the basis of the rapid control of the grid-connected system. It is required to quickly complete the synchronization of the fundamental components on the basis of detecting the instantaneous value of the grid voltage and is not affected by the harmonics of the power grid. The flexible transmission system widely used in power systems requires accurate real-time system voltage phase information, and its performance depends heavily on the detection of grid voltage synchronization signals. At present, most of the detection of voltage frequency and phase is realized by software PLL.

There are many phase-locked loop models, but also have their own advantages, with more of the PID controller is based on the phase-locked loop, the phase-locked loop structure is simple, after careful calculation, can be a very good Lock-in function, but the anti-jamming capability is not ideal. The auto-disturbance rejection controller is improved according to the PID controller. Therefore, this thesis is inspired by the PID controller in the phase-locked loop for the auto-disturbance rejection controller to see if the improved result can be optimized.

In this thesis, the phase-locked loop model is established, and its structure and function are analyzed. Then, the composition and function of the auto-disturbance-rejection control algorithm are introduced. Based on the understanding of the auto-disturbance and phase-locked loop, A Single Phase Phase Locked Loop Model Based on Auto - Disturbance Rejection Control. The simulation results show that the proposed method has a good anti - jamming capability, which has a great advantage over the PLL - based phase - locked loop.

Key words：phase-locked-loop ADRC single-phase PID Matlab

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 锁相环的特点及研究现状 1

1.2.1 锁相环的特点 1

1.2.2 国内外研究现状 1

1.3 自抗扰控制技术研究现状 2

1.4 论文组织结构 3

第2章 锁相环的基本原理及模型分析 4

2.1 锁相环的基本原理 4

2.2 锁相环的数学模型 5

2.3 锁相环的各部分组成 6

2.3.1 鉴相器 6

2.3.2 环路滤波器 7

2.3.3 压控振荡器 7

2.4 本章小结 8

第3章 自抗扰控制器 9

3.1 自抗扰控制器基本构成 9

3.1.1 跟踪微分器 10

3.1.2 扩张状态观测器 11

3.1.3 非线性状态误差反馈控制律 12

3.2自抗扰控制器的算法 12

3.3 自抗扰控制器的优势 13

3.4 本章小结 13

第4章 基于自抗扰控制的锁相环模型及仿真 14

4.1 模型结构图及仿真结果 14

4.1.1 基于微分环节的单相锁相环 14

4.1.2 基于自抗扰控制的单相锁相环 16

4.2 仿真结果分析对比 19

4.3 本章小结 19

第5章 结论 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

附录A 23

附录B 24

附录C 25

致谢 25

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

在电力系统的各类并网系统中，对电网完成快速准确的同步锁相是实现能量控制的前提。在单相并网系统中，最简单的方法是通过过零点检测方法来获得周期和相位信息， 从而完成对电网电压的锁相。该方法在每个工频周期只能进行一次调整，无法快速跟踪相位变化，并且在电网电压因为谐波发生畸变时，相位检测很不准确。

并网系统快速调控的基础应该是高性能锁相环，要求在检测电网电压瞬时值的基础上，快速地完成对其基波分量的同步，而且不受电网谐波的影响。而锁相环的构造有多种方式，比如文献[1]中采用的是特定谐波消除法来改善过零鉴相法中相位偏差的问题，但是算法中的开关角的求解非常复杂。也有些是采用离散的傅里叶变换来获得相位信息，这种方法精度较高不过计算量大，实时性也比较差，更适合用于电网的在线监控。文献[2]中采用改进的虚拟正交信号算法来获得相位信息，同时利用多个延时环节来抵消谐波，它的响应速度比较快，但是实现过程中存在比较多的延时环节。基于自抗扰控制的单项锁相环有着良好的相位追踪能力和抗干扰能力，同时模型相对来说也比较简单。

1.2 锁相环的特点及研究现状