在逆变器并网控制系统中，为实现逆变器输出对电网电压的同步跟踪，锁相环（Phase Locked Loop，PLL）的使用是必不可少的，其作用就是调节逆变器输出的频率和相位，使其与被跟踪参量间保持同步锁定状态。同步锁相的可靠性和精度将直接影响到逆变器并网运行性能，尤其在逆变器并网/脱网切换过程中，不可靠的同步锁相将导致瞬态电流冲击，严重时还会造成逆变器或电网设备的损坏。

锁相环是一个闭环的相位控制系统，能够自动跟踪输入信号的频率和相位。一般来说，锁相环可分为模拟锁相环和数字锁相环两种，模拟锁相环实现电路复杂，受器件参数、温度漂移等影响，模拟锁相的精度不高且稳定性差，而数字锁相则可有效消除模拟锁相环方法的缺点，同时具有控制灵活、调试方便、可靠性高等优点。随着数字化控制技术的推广应用，采用数字锁相控制是必然趋势。

模拟锁相环控制原理框图如图8-13所示，由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成。压控振荡器输出信号U_out（t）与同步检测信号U_in（t）这两路频率和相位不同的信号送入鉴相器，生成误差信号U_e（t），该信号是相位差的线性函数。U_e（t）经过低通滤波器后输出U_c（t）。压控振荡器在电压信号U_c（t）控制下将调节压控振荡器输出U_out（t）的频率和相位，最终实现U_out（t）对U_in（t）的频率和相位的跟踪一致。图8-14为采用CD4046的模拟锁相环电路构成。

图8-13 模拟锁相环控制原理框图

图8-14 模拟锁相环电路构成

在采用DSP的数字控制系统中，可以用多种方式设计软件锁相环功能，其所用的同步检测信号还可用作闭环控制反馈信号。数字锁相环控制原理如图8-15所示。

图8-15 数字锁相环控制原理框图

事实上，由于电网本身的频率和相位是变化的，同步锁相过程并不需要太快，跟踪太快反而可能使输出电压的畸变情况变得严重，甚至影响输出的稳定性。本质上可以将同步跟踪分解为调频和调相两种控制作用：一类实现方法是调频和调相一起实现，调频的同时实现调相，这种方法的跟踪速度相对较快，而输出波形频率变化的波动较大，而且需要根据具体的输入频率情况进行实时计算；另一类方法是调频和调相分开进行，首先实现输出和输入的频率一致（同时也可有一定程度的调相），然后再考虑调相，最终实现频率和相位的一致。前一类方法会影响所有基准表格数据的输出间隔，但保证一个完整的正弦波形；后一类方法在调整相位时可能会使输出波形有稍微的偏离正弦波，但可保证频率稳定。

数字锁相环的目标是使逆变器输出电流与电网电压同频同相，也即让逆变器输出电流去跟踪电网电压的频率或相位变化。通常，频率跟踪可通过调整SPWM的载波信号频率来实现，相位跟踪可通过调整SPWM的调制信号的相位来实现。举例思路：若并网电流频率小于电网频率，则减小发生SPWM信号的相关定时器周期寄存器的值，从而通过提高载波频率来实现并网电流频率与电网电压频率相同，反之亦然；并网电流相位是通过调整产生SPWM信号正弦波离散值中的第一个点发生的时刻而实现的，当捕获到电网电压的过零点时，立即调整相应比较寄存器中正弦波离散值的指针，并作一定的时间补偿。

图8-16给出一种基于频率跟踪的同步控制思想，其思路类似于模糊控制：当检测到参考输入信号频率偏高（偏低）时，按照一定步长逐渐增大（减小）PWM周期定时器值，直到输出频率在允许范围内。同样，调节相位也是按照同样方式进行，当发现相位超前，则调整查表顺序使输出滞后一定相位，反之，将使输出超前一定相位，这种方法的锁相速度与初始最大相位差和最小调节幅度有关，可以根据所期望的锁相速度来确定或调节最小相位调节幅度，最终锁相环的稳态误差就是一个基本调节单位。图8-17为实际的同步跟踪效果。

图8-16 基于频率跟踪的同步锁相原理

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图8-17 实际的同步跟踪效果

对于三相系统的锁相环，采用单相同步的方法很难准确实现dq坐标系与电网三相电压合成矢量的同步，必须综合三相电压的相位信息。有一种广泛应用于三相电路的数字锁相环技术——同步旋转坐标PLL（Synchronous Rotating Frame PLL，SRF-PLL），不但可以实现相位同步，还可以实现幅值和频率的估计。如图8-18所示，当电网电压幅值，即电压合成矢量的幅值不变时，电网电压U_g的q轴分量U_q反映了d轴与U_g的相位关系。U_q>0时，d轴滞后U_g，则应增大同步信号频率；U_q<0时，d轴超前U_g，则应减小同步信号频率；U_q=0时，d轴与U_g同相。因此，可通过控制使U_q=0来实现两者之间的同相。图8-19所示为三相数字锁相环的基本结构框图，图中PI为环路滤波器，积分环节1/s为压控振荡器，ω₀为压控振荡器的固有频率，此处为100πrad（电网额定频率）。

图8-18 矢量相位差示意图

图8-19 SRF-PLL原理图

在dq坐标系下，得

由图8-19可知，U_q的参考电压U_q*=0为直流量，两者误差经过PI调节器。根据自动控制理论可知，积分可以消除直流量控制的静差。因此稳态时有U_q=U_q*=0，代入式（8-6）可得θ*=θ，即输出相位θ和输入电压相位θ*一致，进入“锁定”状态。此外，通过SRF-PLL还可以得到三相电压的幅值信息U_m和频率信息f。

设U_m=1，可得SRF-PLL小信号模型如图8-20所示。

图8-20 SRF-PLL小信号模型

根据图8-20可得小信号模型闭环传递函数如下：

式中，；。