Análisis y comparación de algoritmos de un PLL monofásico basados en un filtro paso todo digital
Authors:   , Belandria Luciano Emilio 
Published: July 2023

The phase-locked loop (PLL) is an element of a grid-connected converter system, which provides phase angle and frequency measurements of the grid voltage. The PLL takes care of control the synchronization with the grid voltage, accurately and quickly, especially in the presence of disturbances such as harmonic variations, gaps in voltage and other disturbances. For control and protection purposes, both single-phase on three-phase electrical systems, it is necessary to use a PLL, which it has to be efficient and robust.
This thesis presents a new method of orthogonal system generator (OSG) to be used by a single-phase PLL based on a Pass All Filter (APF) with Lattice structure. To accomplish this task, initially a output normalization method the OSG proposed is performed, which makes it more suitable for use in a PLL, reinforcing feature low sensitivity to rounding of the coefficients for easy deployment on a Digital Signal Processor (DSP) fixed point.
The grid can change the fundamental frequency, which requires that the PLL adapts to the end frequency, so in this thesis a novel frequency-adaptive PLL network is proposed, using the normalized OSG based on the APF with Lattice structure, functioning as an adaptive notch filter (ANF). Using an ANF, it eliminates the requirement that has to have a reference signal from the network without disruption to obtain the required error traditional adaptive systems, since the same output of the notch filter (NF) is the signal error.
For a PLL fulfill their tasks of synchronization with the network in highly disturbed environments, is very useful, that is, rapid response to sudden changes in the input signal, as in the case of voltage dips but also work with high rejection signals contaminated by harmonic. For it is a new method for adaptation the bandwidth of the same OSG based on ANF with Lattice structure is offered. The new method allows the notch bandwidth increase or decrease quickly according to the disruption, based on a novel method and simple implementation.
Finally, this work provides the comparison from the point of view of permanent state of two OSG methods used in a single-phase PLL, the second order generalized integrator, SOGI and a new one based on the OSG proposed in this thesis, the APF with Lattice structure. Both are very attractive, with a good performance under variable frequency and harmonically distorted grid conditions. These two being a good alternative, compared to other known methods.
The mathematical analysis of algorithms proposed in this thesis are presented and the validation of their performances was confirmed in all cases by the simulation results using the Matlab program and experimental implementation in a fixed point DSP, the TMS320F812.

El lazo de enganche de fase (PLL), es un elemento de un sistema convertidor de potencia conectado a la red eléctrica, que proporciona las mediciones del ángulo de fase y de la frecuencia de la tensión de la red. El PLL se encarga de controlar la sincronización con la tensión de red, con exactitud y rapidez, especialmente en la presencia de perturbaciones, como armónicos, variaciones de frecuencia, huecos en la tensión de red y otras perturbaciones. Con fines de control y protección, tanto en sistemas eléctricos monofásicos como en sistemas trifásicos, es necesario utilizar un PLL, que sea eficiente y robusto. Este trabajo de tesis, presenta un nuevo método generador de un sistema ortogonal (OSG) para ser utilizado por un PLL monofásico, basado en un Filtro Paso Todo (APF) con estructura Lattice. Para cumplir con esta tarea, inicialmente se realiza un método de normalización de las salidas del OSG propuesto, lo cual lo hace más conveniente para ser utilizado en un PLL, reforzando la característica de baja sensibilidad al redondeo de los coeficientes para una fácil implementación en un Procesador Digital de Señales (DSP) de coma fija. La red eléctrica puede presentar variaciones de la frecuencia fundamental, lo que requiere que el PLL se adapte a la frecuencia final, por lo que en este trabajo se propone un nuevo PLL adaptativo a la frecuencia, utilizando el OSG normalizado basado en el APF con configuración Lattice, funcionando como un filtro notch adaptativo (ANF). El uso de un ANF, elimina el requisito de que se tenga que contar con una señal de referencia de la red sin perturbaciones para obtener el error necesario en los sistemas adaptativos tradicionales, ya que la misma salida del filtro notch (NF) será esta señal de error. Para un PLL cumplir sus tareas de sincronización con la red en ambientes altamente perturbados, es de mucha utilidad, que este sea, de respuesta rápida ante cambios bruscos en la señal de entrada como en el caso de los huecos de tensión pero además funcionar con alto rechazo a señales contaminada por armónicos. Por lo que se propone un nuevo método de adaptación del ancho de banda del mismo OSG basado en el ANF con estructura de Lattice. El nuevo método permite que el ancho de banda notch aumente o disminuya de forma rápida de acuerdo a la perturbación, obteniendo un método novedoso y de sencilla implementación. Finalmente, este trabajo ofrece la comparación desde el punto de vista de estado permanente de dos métodos OSG utilizado en una estructura PLL monofásica, el integrador generalizado de segundo orden, SOGI y otro nuevo basado en el OSG propuesto en esta tesis, el APF con estructura Lattice. Ambos son muy atractivos, con un buen rendimiento bajo condiciones de red armónicamente distorsionadas y frecuencia variable. Siendo estos dos una buena alternativa, en comparación con otros métodos conocidos. Los análisis matemáticos de los algoritmos propuestos en esta tesis son presentados y la validación de sus funcionamientos fue confirmada en todos los casos por los resultados de la simulación utilizando el programa Matlab y la implementación experimental en un DSP de coma fija, el TMS320F812.