基于鎖相環(huán)的能量回饋控制系統(tǒng)研究

孫軼男 王旭東

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

近年來，隨著工業(yè)化進程的不斷加快，我國對電能的需求日益加大，節(jié)電成為了當(dāng)今發(fā)展的主要課題，能量回饋應(yīng)運而生。所謂能量回饋，是將電機制動生成能量反送回電網(wǎng)，此時要求電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相，即與電網(wǎng)同步，否則會對電網(wǎng)造成污染，影響電網(wǎng)正常運作。因此，與電網(wǎng)同步是能量回饋的關(guān)鍵所在，現(xiàn)階段，在能量回饋相關(guān)領(lǐng)域，大家多采用軟件定時同步采樣方法實現(xiàn)回饋電壓與電網(wǎng)電壓的同步，但這種方法存在精度低、可靠性差等問題，在一定程度上威脅著電網(wǎng)的安全。本文設(shè)計了一種基于鎖相環(huán)的能量回饋控制系統(tǒng)，實驗證明，使用鎖相環(huán)同步采樣比使用軟件定時同步采樣精度高，能夠更好更安全的實現(xiàn)電能無污染并網(wǎng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在所設(shè)計的控制系統(tǒng)中，硬件電路設(shè)計主要包括DSP控制電路、電壓電流檢測電路、功率驅(qū)動與保護電路及濾波電抗器的選取等。

1.1 能量回饋主電路

能量回饋系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，能量回饋裝置的主電路主要由六個IGBT組成的三相逆變橋、串聯(lián)電感、濾波電容及一些外圍電路組成。逆變橋的輸出端通過三個扼流電抗器L1、L2、L3與三相電網(wǎng)相連；輸入端則接到直流電源上。C、R和VD組成的電路用來吸收直流母線電源上的毛刺。扼流電抗器L1、L2、L3的作用是平衡壓差、限流以及濾波，對能量回饋安全并網(wǎng)起關(guān)鍵作用。能量回饋控制系統(tǒng)的原理是：將直流側(cè)電壓經(jīng)三項逆變橋逆變?yōu)槿嘟涣麟?，后?jīng)過同步控制、電感濾波等處理后送回電網(wǎng)。其中主電路六個IGBT的驅(qū)動信號為DSP軟件編程控制生成的矢量脈寬調(diào)制波形。

1.2 鎖相環(huán)同步采樣

本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)來控制采樣的定時和速率，從而實現(xiàn)同步采樣。由于設(shè)計要求在一個基頻周期內(nèi)采樣256點，所以采樣信號頻率是基頻的256倍。256倍頻電路，采用CD4046鎖相環(huán)和4040計數(shù)器構(gòu)成。CD4046是一種性能優(yōu)良的CMOS鎖相環(huán)，片內(nèi)含有一個具有鑒相功能的數(shù)字鑒相器和一個數(shù)字門電路型的壓空振動器，其反饋頻率信號通過壓控振蕩器產(chǎn)生，并提供給計數(shù)器4040來生成，即鎖相環(huán)輸出的高頻信號通過CLK引腳輸入到計數(shù)器4040，經(jīng)256分頻后，通過COMPin引腳反饋回鎖相環(huán)，與電網(wǎng)電壓同相過零點的50HZ輸入信號相比較，實現(xiàn)頻率、相位的鎖定。

由于CD4046片內(nèi)鑒相器為數(shù)字鑒相器，不能識別模擬信號，所以應(yīng)搭建過零檢測電路，如圖4所示。該電路輸入為基波正弦信號，通過對過零點的捕捉，形成輸出基頻方波信號，作為鎖相環(huán)的給定基頻信號。

1.3 電抗器的選取

從輸出一定功率考慮，在功率一定的情況下，交流側(cè)電感值 有最大值的限定。我們從輸入電網(wǎng)的電流 公式也可以看出，為了平衡一定的 ，電抗值越小，可以得到的回饋電流 也就越大。從這個角度來說，電感量取得越小越好，可以獲得更高的電流輸出，也可以減少電感的制作成本。

從抑制回饋電流的諧波含量考慮，電感值較大有利于回饋電流的高頻諧波濾波。由于電感兩側(cè)的電壓波形不同，逆變輸出電壓 在每個載波周期都產(chǎn)生躍變，但不可能突變，由于電感的作用，將圍繞正弦曲線上下起伏?？梢酝埔婋娐返妮d波頻率越高，或是越大，則電流的脈動量越小，越接近正弦，但同時也會降低電流的跟蹤速度。

綜合以上考慮，對于電感值的選擇，取值較大有利于回饋電流的濾波，但成本增加且電感上的壓降增加，電感的壓降增加則直接影響逆變器向電網(wǎng)逆變的功率，或同等功率下不得不增大逆變器主開關(guān)管的電流容量，從而使得整體成本增加；取值較小，電感上的壓降減小價格降低，但回饋電流的諧波增加。因此對于 的取值應(yīng)綜合考慮電感上的壓降、電流的諧波和制造成本。對于本文選擇電感量為4mH的電抗器。從電抗器濾波前后電流波形圖所示，可見，4mH電抗器可較好實現(xiàn)電流的濾波，有效減少交流側(cè)輸出正弦波所含諧波分量。

2 實驗結(jié)果分析

我們將鎖相環(huán)同步采樣技術(shù)應(yīng)用于能量回饋控制系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)本身存在一定的波動，鎖相環(huán)同步采樣與軟件定時同步采樣相比，擁有更高的精度，輸出電壓能夠?qū)崟r跟蹤電網(wǎng)電壓達(dá)到同頻同相，提高了能量回饋并網(wǎng)的安全系數(shù)。鎖相環(huán)同步采樣和軟件定時同步采樣兩種方法的具體電壓跟蹤情況如下圖所示。

由以圖3、圖4、圖5，我們可以知道，軟件定時同步采樣在標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓頻率50HZ的時候可以實現(xiàn)同步采樣，但是一旦電網(wǎng)電壓發(fā)生波動，則會發(fā)生“跟丟”的情況，威脅電網(wǎng)安全。采用鎖相環(huán)同步采樣方式，可在45～55HZ甚至更高范圍內(nèi)實現(xiàn)完美跟蹤，保證回饋電壓與電網(wǎng)電壓實時同步，可實現(xiàn)安全無污染的能量回饋。

3 結(jié)束語

能量回饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是輸出電壓與電網(wǎng)電壓的嚴(yán)格實時同步，一旦相位頻率跟蹤不上，會產(chǎn)生對電網(wǎng)的污染，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全。本文采用CD4046鎖相環(huán)同步采樣法實現(xiàn)輸出電壓與電網(wǎng)電壓的同步，硬件電路搭建較為簡單，但經(jīng)相關(guān)實驗證明，該方法擁有安全可靠、諧波污染小等優(yōu)點，可實現(xiàn)回饋能量的無污染安全并網(wǎng)。

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