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摘 要：本文利用粒子群优化算法的迭代公式对微电网在并网条件下的电压进行寻优控制，从而形成一种基于粒子算法下的数字型锁相环模型，利用粒子群的寻优公式找出系统变化后的频率值，最终是为了达到对电压进行锁相的目的。建立基于基于粒子群下的锁相環的三相电压型的PWM整流器模型，对PWM主电路的电路结构和原理进行分析并且提出新型基于粒子群下的电压锁相环控制策略。通过MATLAB进行仿真验证，证明新型基于粒子群下的电压锁相环能够快速的锁定相位。
关键词：锁相环；PWM整流器；粒子群；
Abstract： Iteration formula of particle swarm optimization to control the voltage in the condition of grid.Thus， forming a kind particle-based algorithm under the digital phase-locked loop model.The use of particle swarm optimization formula to find the frequency value of the system after main electricity networks' frequency changes.Ultimately for the achieve the purpose of the voltage is locked.Establishing based on the phase-locked loop in the particle swarm phase voltage-type PWM rectifier model.The main circuit of the PWM circuit structure and principles to analysis and propose a novel particle swarm of voltage phase-locked loop controling strategies.Through MATLAB simulation to proved under the new voltage based on particle swarm is locked for the phase locked loop quickly.
Key words： Locked loop； Three-phase voltage source PWM rectifie；Particleswarm optimization algorithm：
引言
随着中国微型电网产业的不断发展，微电网在并网条件下锁相环控制已经变成了研究微电网的重要环节。目前国内通过普通的锁相环对主网的电压进行锁定电压和频率控制，但存在着响应慢和锁相精度差的缺点[1]。本文基于数字型锁相环的坐标变换的理论的基础上[3]，提出一种通过将电压矢量变换后的电压值作为粒子群系统的最优目标值的粒子群下的锁相环，并与PWM滤波器一起组成一个系统。利用Matlab/simulink对搭建的三相电压型PWM整流器进行仿真。结果证明，在三相电网电压频率偏移时，基于粒子群算法下的锁相环能够快速的锁定信号的频率和相位，所以本文具有一定的研究价值。
1 并网下的三相锁相环控制
1.1 并网下锁相控制的模型
针对于三相电压型PWM整流器的数学模型的建立存在着三个限制的前提，条件一是主电网侧产生的电压值是三相对称的纯正弦波；条件二是主电网侧的电容和电感的值是线性的，忽略电容和电感的饱和情况并且所有元器件均为理想的元器件：条件三是功率开关损耗用R表示，此外开关管的频率要远大于主电网的频率。
关于三相桥式PWM整流器，通过定义三相桥臂开关函数对其进行分析[4]。
由于直流电压控制环节计算同步旋转坐标系为了实现输出的有功功率最多为无功功率为了零的理想条件，则预设有功功率对应的d轴的电流id的系数为1，而取q轴的电流iq的系数为零，并且设电压的q轴分量uq也为零[7]，其中Sd，Sq分别为整流桥的d-q坐标系下的输入电流电压和开关函数，主电网侧的电压和电流在d-q轴的分量分别为Ud，Uq和id，iq， 为电网的角频率。
2 改进的锁相环结构和控制原理
2.1基于粒子群下的的锁相环的结构
随着我国微型电网研究的不断深入，很多文献都集中关于如何快速的定位主电网侧输入电压的相位和频率，但传统的锁相环存在着一系列的不足和缺陷，本文基于传统的锁相环的基础上提出利用粒子群优化算法对电压矢量进行寻优处理，通过将主电网侧的频率和相位值作为粒子群的最优值为扰动量进行寻优处理。
该锁相环于传统的数字型锁相环的结构不同，传统的锁相环包括鉴相器、环路滤波器于压控振荡器。而新型的锁相环由于考虑到一个寻优的过程，故将环路滤波器于压控振荡器改为粒子群运算公式模块，通过鉴相器环节将已经变化到静止系下的电压分量V1，V2，分别与经过粒子群多次迭代后的最优电压值best Va和best Vb相乘，两项作差得到参考值Ud，通过Ud来检验误差的差值。而最优电压值best Va和best Vb由坐标变换后的相角 来决定，即为寻找最优的 值使Ud恒为零，说明锁相角与电网的电压同步；若不同步，取得Ud的差值带入迭代公式中继续迭代，直到找到一个最优的 值使Ud恒为零。
2.2 基于粒子群下锁相环的控制原理
3 通过Matlab/simulink仿真
为了验证基于粒子群算法下的锁相环的可行性和快速准确性，利用Matlab/simulink搭建锁相环的仿真模型，主要参数：主电网侧的电压值预设为380V，电压的频率为50Hz，取频率偏差为+1Hz，给定值直流电压为600V时进行仿真，如图4所示
从仿真结果可以看出基于粒子群优化算法下的锁相环在t=0.064s时可以准确的锁定主电网侧电压的输入信号频率的相位，而在之后输出信号与输入信号互相重合，从中可以看出锁相效果很好。
图5为整流器a相的仿真的波形，可以看出，整流器在粒子群优化算法的控制下，很快到达最优运行状态，可见新型的锁相环具有良好的稳定性和锁相的准确性。
4 总结
当主网频率发生扰动时，通过粒子群的寻优公式找出系统的变化后的最优频率值，如图4所示群算法模块能在0.06到0.08秒内与主网的的频率达到同步，图5为在同步频率后的三相电压A相的电压跟踪过程，与之前假设的预期相吻合，验证了粒子群算法在三相电压型锁相环中的锁相功能是具有很好的应用价值的，从而论证了基于粒子群下的锁相环的设计在频率跟踪和锁定频率上能够准确而又快速。
参考文献
[1] 孙强，尹中刚，钟彦儒. 基于α-β静态坐标系的PWM整流器双单输入单输出模型[J].电工技术学报，2010，25（23）：73-80.
[2] 李彦栋，王凯婓，卓放，等.新型软件锁相环在动态电压恢复器的重应用[J].电网技术，2004，28（8）：42-45.
[3] 侯世英，张诣. 基于新型数字型锁相环的三相电压型PWM整流器.电源技术与应用.
[4] 马耀辉，尹华杰，汪万维. 三相电压型PWM整流器空间电压矢量控制仿真[J].防爆机电，2009，2（44）：15-26.
[5] 曹世华，张维娜，沈鸿，等.新型软件锁相环PWM整流器的控制[J].电力电子技术，2008，42 （5）：72-73.
[6] 张崇巍，张兴，PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版社，2003.10.
[7] 徐建飞，庞浩，王赞基，等.新型全数字锁相环的逻辑控制电路设计[J].电网技术，2006，30（13）：81-84.
[8] 王伯成，施锦丹，王凯.粒子群优化算法的研究现状与发展概述[J].电视技术，2008，5（48）：9-11.
[9] 李爱国，覃征，鲍复民，贺升平.粒子群优化算法[J].计算机工程与应用，2002 38（21）： 1-3
关键词：锁相环；PWM整流器；粒子群；
Abstract： Iteration formula of particle swarm optimization to control the voltage in the condition of grid.Thus， forming a kind particle-based algorithm under the digital phase-locked loop model.The use of particle swarm optimization formula to find the frequency value of the system after main electricity networks' frequency changes.Ultimately for the achieve the purpose of the voltage is locked.Establishing based on the phase-locked loop in the particle swarm phase voltage-type PWM rectifier model.The main circuit of the PWM circuit structure and principles to analysis and propose a novel particle swarm of voltage phase-locked loop controling strategies.Through MATLAB simulation to proved under the new voltage based on particle swarm is locked for the phase locked loop quickly.
Key words： Locked loop； Three-phase voltage source PWM rectifie；Particleswarm optimization algorithm：
引言
随着中国微型电网产业的不断发展，微电网在并网条件下锁相环控制已经变成了研究微电网的重要环节。目前国内通过普通的锁相环对主网的电压进行锁定电压和频率控制，但存在着响应慢和锁相精度差的缺点[1]。本文基于数字型锁相环的坐标变换的理论的基础上[3]，提出一种通过将电压矢量变换后的电压值作为粒子群系统的最优目标值的粒子群下的锁相环，并与PWM滤波器一起组成一个系统。利用Matlab/simulink对搭建的三相电压型PWM整流器进行仿真。结果证明，在三相电网电压频率偏移时，基于粒子群算法下的锁相环能够快速的锁定信号的频率和相位，所以本文具有一定的研究价值。
1 并网下的三相锁相环控制
1.1 并网下锁相控制的模型
针对于三相电压型PWM整流器的数学模型的建立存在着三个限制的前提，条件一是主电网侧产生的电压值是三相对称的纯正弦波；条件二是主电网侧的电容和电感的值是线性的，忽略电容和电感的饱和情况并且所有元器件均为理想的元器件：条件三是功率开关损耗用R表示，此外开关管的频率要远大于主电网的频率。
关于三相桥式PWM整流器，通过定义三相桥臂开关函数对其进行分析[4]。
由于直流电压控制环节计算同步旋转坐标系为了实现输出的有功功率最多为无功功率为了零的理想条件，则预设有功功率对应的d轴的电流id的系数为1，而取q轴的电流iq的系数为零，并且设电压的q轴分量uq也为零[7]，其中Sd，Sq分别为整流桥的d-q坐标系下的输入电流电压和开关函数，主电网侧的电压和电流在d-q轴的分量分别为Ud，Uq和id，iq， 为电网的角频率。
2 改进的锁相环结构和控制原理
2.1基于粒子群下的的锁相环的结构
随着我国微型电网研究的不断深入，很多文献都集中关于如何快速的定位主电网侧输入电压的相位和频率，但传统的锁相环存在着一系列的不足和缺陷，本文基于传统的锁相环的基础上提出利用粒子群优化算法对电压矢量进行寻优处理，通过将主电网侧的频率和相位值作为粒子群的最优值为扰动量进行寻优处理。
该锁相环于传统的数字型锁相环的结构不同，传统的锁相环包括鉴相器、环路滤波器于压控振荡器。而新型的锁相环由于考虑到一个寻优的过程，故将环路滤波器于压控振荡器改为粒子群运算公式模块，通过鉴相器环节将已经变化到静止系下的电压分量V1，V2，分别与经过粒子群多次迭代后的最优电压值best Va和best Vb相乘，两项作差得到参考值Ud，通过Ud来检验误差的差值。而最优电压值best Va和best Vb由坐标变换后的相角 来决定，即为寻找最优的 值使Ud恒为零，说明锁相角与电网的电压同步；若不同步，取得Ud的差值带入迭代公式中继续迭代，直到找到一个最优的 值使Ud恒为零。
2.2 基于粒子群下锁相环的控制原理
3 通过Matlab/simulink仿真
为了验证基于粒子群算法下的锁相环的可行性和快速准确性，利用Matlab/simulink搭建锁相环的仿真模型，主要参数：主电网侧的电压值预设为380V，电压的频率为50Hz，取频率偏差为+1Hz，给定值直流电压为600V时进行仿真，如图4所示
从仿真结果可以看出基于粒子群优化算法下的锁相环在t=0.064s时可以准确的锁定主电网侧电压的输入信号频率的相位，而在之后输出信号与输入信号互相重合，从中可以看出锁相效果很好。
图5为整流器a相的仿真的波形，可以看出，整流器在粒子群优化算法的控制下，很快到达最优运行状态，可见新型的锁相环具有良好的稳定性和锁相的准确性。
4 总结
当主网频率发生扰动时，通过粒子群的寻优公式找出系统的变化后的最优频率值，如图4所示群算法模块能在0.06到0.08秒内与主网的的频率达到同步，图5为在同步频率后的三相电压A相的电压跟踪过程，与之前假设的预期相吻合，验证了粒子群算法在三相电压型锁相环中的锁相功能是具有很好的应用价值的，从而论证了基于粒子群下的锁相环的设计在频率跟踪和锁定频率上能够准确而又快速。
参考文献
[1] 孙强，尹中刚，钟彦儒. 基于α-β静态坐标系的PWM整流器双单输入单输出模型[J].电工技术学报，2010，25（23）：73-80.
[2] 李彦栋，王凯婓，卓放，等.新型软件锁相环在动态电压恢复器的重应用[J].电网技术，2004，28（8）：42-45.
[3] 侯世英，张诣. 基于新型数字型锁相环的三相电压型PWM整流器.电源技术与应用.
[4] 马耀辉，尹华杰，汪万维. 三相电压型PWM整流器空间电压矢量控制仿真[J].防爆机电，2009，2（44）：15-26.
[5] 曹世华，张维娜，沈鸿，等.新型软件锁相环PWM整流器的控制[J].电力电子技术，2008，42 （5）：72-73.
[6] 张崇巍，张兴，PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版社，2003.10.
[7] 徐建飞，庞浩，王赞基，等.新型全数字锁相环的逻辑控制电路设计[J].电网技术，2006，30（13）：81-84.
[8] 王伯成，施锦丹，王凯.粒子群优化算法的研究现状与发展概述[J].电视技术，2008，5（48）：9-11.
[9] 李爱国，覃征，鲍复民，贺升平.粒子群优化算法[J].计算机工程与应用，2002 38（21）： 1-3