三相鎖相環(huán)在蓄電池充放電裝置中的應(yīng)用研究

吳昇，吳先良，郭玉堂

（1.安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230039；2.合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥230061）

1 引言

現(xiàn)階段電網(wǎng)同步信息的捕獲仍較多采用過(guò)零比較器，雖然該方法在工程上容易實(shí)現(xiàn)，但在每個(gè)工頻周期內(nèi)電網(wǎng)電壓只有兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)，這限制了鎖相環(huán)的鎖相速度；且當(dāng)三相電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確捕獲過(guò)零點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)輸出相位信號(hào)產(chǎn)生振蕩，從而影響鎖相的精度。

本文將基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的三相鎖相環(huán)技術(shù)應(yīng)用在基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置中，使得在對(duì)蓄電池充放電裝置的控制過(guò)程中，可利用單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換檢測(cè)角頻率和相位信息，在三相電網(wǎng)電壓不平衡（相位突變、幅值不變）條件下，裝置控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地鎖定電網(wǎng)電壓相位，實(shí)現(xiàn)d－q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與電網(wǎng)電壓合成矢量的同步；可逆PWM整流器通過(guò)檢測(cè)到的同步相位進(jìn)行矢量控制，使電網(wǎng)側(cè)電流和電壓同頻且同相或反相，實(shí)現(xiàn)整流器能量雙向流動(dòng)，大大地降低了電網(wǎng)側(cè)諧波分量，保證了整流器高功率因數(shù)運(yùn)行?；谌噫i相環(huán)技術(shù)和蓄電池充放電特性所建立的裝置控制策略將充分提高基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置的充放電性能和效率，滿足綠色環(huán)保和節(jié)能減排要求，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 三相鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換原理

基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置在原理上可劃分為可逆PWM整流和DC／DC充放電2個(gè)組成部分。其中可逆PWM整流器主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可逆PWM整流器主電路Fig.1 Main circuit of reversible PWM rectifier

將三相電網(wǎng)電壓ek（k＝a，b，c）由三相對(duì)稱靜止a－b－c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系（將電網(wǎng)電壓空間矢量E定向于d軸），且d軸與a軸的夾角為θ。

當(dāng)三相平衡且θ＝ωt，u0為零序分量，三相電網(wǎng)電壓矢量為

式中：Em，ω分別為三相交流側(cè)輸入電壓幅值與同步旋轉(zhuǎn)角頻率。

將式（2）代入式（1），化簡(jiǎn)可得：

當(dāng)三相電網(wǎng)電壓存在一定程度的不平衡現(xiàn)象；如電網(wǎng)電壓矢量偏移d軸φ角度（很?。?，矢量關(guān)系如圖2所示。則此時(shí)電網(wǎng)電壓矢量E表達(dá)式為

代入式（1），化簡(jiǎn)可得

在這種情況下，電網(wǎng)電壓q軸分量eq≠0，即θ′＝ωt＋φ。如圖2所示。

在基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置中應(yīng)用三相鎖相環(huán)技術(shù)就是期望通過(guò)對(duì)與電網(wǎng)電壓矢量同步的q軸電壓分量eq進(jìn)行閉環(huán)控制，使其逼近給定值0，從而鎖定電源相位θ′≈ωt，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位的目的。

圖2 三相不平衡相位發(fā)生偏移示意圖Fig.2 Phase excursion under three phase unbalance voltages

2.2 三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)模型的建立

基于以上分析，建立如圖3所示相位反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將鎖相誤差輸入PI調(diào)節(jié)器，為加快鎖相速度，將輸出值加上初始工頻角頻率ω0，從而得到鎖相的角頻率輸出，經(jīng)過(guò)積分得到鎖相相位值。根據(jù)鎖相環(huán)計(jì)算出d－q與d′－q′坐標(biāo)系之間的鎖相相位值，使得原有d－q坐標(biāo)系在新的相位角下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)直至與d′－q′坐標(biāo)軸重合（φ＝0），從而保證eq＝0。

圖3 相位反饋控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Control system block diagram of phase feedback

在誤差較小時(shí)有

圖3等效的傳遞函數(shù)如圖4所示。

圖4 等效傳遞函數(shù)圖Fig.4 Equivalent transfer function

系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能分析，選擇阻尼比ξ＝0.707，自然振蕩角頻率ωn＝314rad／s（工頻50 Hz），求得調(diào)節(jié)器參數(shù)kp＝1.422，τ＝0.004 5。

3 三相鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)

為滿足鎖相環(huán)系統(tǒng)對(duì)計(jì)算速度的嚴(yán)格要求，基于單同步坐標(biāo)系的三相鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)是以高端DSP器件TMS320F2812為核心，在獲取三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值后，完成輸入信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換，CLARK變換，PARK變換，PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，積分運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出。如圖5所示。

圖5 三相鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.5 Realization program of three－phase PLL

4 三相鎖相環(huán)技術(shù)的裝置控制策略

將基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的三相鎖相環(huán)技術(shù)應(yīng)用于蓄電池充放電裝置的控制系統(tǒng)中，必須要充分考慮蓄電池的階段充放電特性（如圖6所示）。

圖6 蓄電池充放電特性示意圖Fig.6 Charged and discharged characteristic of storage battery

根據(jù)蓄電池分為恒流限壓、恒壓限流以及涓流充電3個(gè)階段，可以建立直流側(cè)電壓／電流外環(huán)、交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)裝置控制策略，如圖7所示。圖7中，I＊o為恒流充電階段中的電流給定，U＊dc為恒壓充電階段中的電壓給定，θ′為三相鎖相環(huán)輸出。

圖7 蓄電池充放電裝置控制策略結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Control system structure of battery charged and discharged device

通過(guò)A／D采樣得到電網(wǎng)電壓ea，eb，ec和電流ia，ib，ic，經(jīng)過(guò)三相abc靜止坐標(biāo)系變換到兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得到d，q軸分量ed，eq和id，iq。直流電壓給定值U＊dc與反饋值Udc（或直流電流給定值I＊o和反饋值Io）的差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生i＊d，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器前饋解耦環(huán)節(jié)，輸出交流側(cè)電壓給定u＊d和u＊q，經(jīng)過(guò)兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)／兩相αβ靜止坐標(biāo)變換矩陣VR，轉(zhuǎn)換成交流側(cè)電壓矢量uα和uβ，利用SVPWM調(diào)制算法，產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖，控制可逆PWM整流器中開(kāi)關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)運(yùn)行、能量雙向流動(dòng)、輸出電流脈動(dòng)小等控制目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)良的鎖相環(huán)，以保證實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速地獲得三相電網(wǎng)電壓的相位，并將此應(yīng)用在基于可逆PWM整流器的蓄電池充放電裝置中，在充分考慮蓄電池的階段充放電特性（恒流、恒壓、涓流）的前提下，建立了直流側(cè)電壓／電流外環(huán)、交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)裝置控制策略，使得充放電裝置在保證精確鎖相的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能好；可逆PWM整流器能以單位功率因數(shù)運(yùn)行，電流諧波含量??；較好實(shí)現(xiàn)恒流限壓、恒壓限流、智能充放電等功能、為蓄電池提供穩(wěn)定可靠的能量轉(zhuǎn)換。

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