三相并網(wǎng)逆變器的軟件鎖相環(huán)研究

潘 健， 王艷姍， 陳 融， 王文光

(1 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068;2 云南電投新能源開(kāi)發(fā)有限公司， 云南 昆明 650051; 3 湖北化肥廠， 湖北 宜昌 443200)

并網(wǎng)逆變器作為能量傳輸?shù)耐ǖ?，是新能源發(fā)電、光伏發(fā)電和分布式發(fā)電系統(tǒng)等的重要組成部分，其性能的好壞會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響．當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動(dòng)等問(wèn)題時(shí)，要使并網(wǎng)過(guò)程中并網(wǎng)電流嚴(yán)格跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，必須保證鎖相環(huán)及時(shí)做出反應(yīng)，保證相位不變，減小對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊．鎖相技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，因此對(duì)鎖相環(huán)的研究非常重要．

傳統(tǒng)鎖相環(huán)的硬件過(guò)零檢測(cè)法的動(dòng)態(tài)性能較差，且當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變或三相不平衡時(shí)，可能導(dǎo)致同步信號(hào)的零點(diǎn)與基波零點(diǎn)不一致，或出現(xiàn)多個(gè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的情況，從而導(dǎo)致鎖相失敗[1]．文獻(xiàn)[2]在傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，添加了一個(gè)低通濾波器(LPF)，使得在電壓畸變的情況下，鎖相環(huán)仍然具有高精度，但沒(méi)有考慮三相電壓不平衡的情況．文獻(xiàn)[3]利用T/4(T為三相電壓周期)延時(shí)算法實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)序分量的分離，解決了三相電壓不平衡條件下鎖相精度不高的問(wèn)題，但計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜．

本文綜合考慮三相電壓畸變和三相電壓不平衡兩種情況，對(duì)傳統(tǒng)軟件鎖相方法進(jìn)行了改進(jìn)．在傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)基礎(chǔ)上添加了2ω陷波器環(huán)節(jié)，其主要作用是濾掉與基波非常接近的2倍頻負(fù)序分量．通過(guò)理論分析說(shuō)明此種方法的優(yōu)點(diǎn)，并模擬三相電壓不平衡和電壓畸變的情況，運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真．同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方案，以便通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證．

1 三相并網(wǎng)逆變器

三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)要求輸出的正弦電流、電壓與電網(wǎng)電壓同步，且不含直流分量，總諧波畸變率要小[4]．鎖相環(huán)能對(duì)電壓相位進(jìn)行跟蹤與鎖定，對(duì)三相并網(wǎng)逆變器的鎖相環(huán)研究顯得尤為重要．

三相并網(wǎng)逆變器采用的三相橋式逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中T1、T2、T3、T4、T5、T6分別代表主電路部分的6個(gè)開(kāi)關(guān)管，利用LC濾波器進(jìn)行濾波，濾波器輸出并網(wǎng)電流為Ioa、Iob、Ioc．

圖 1 三相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 三相軟件鎖相環(huán)的基本原理

2.1 鎖相環(huán)的基本原理

鎖相環(huán)其實(shí)質(zhì)是對(duì)系統(tǒng)的相位誤差進(jìn)行控制，從而準(zhǔn)確鎖定系統(tǒng)的相位，基本的鎖相環(huán)主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器四部分組成．其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2．

圖 2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

鑒相器的輸出信號(hào)既包含直流部分也包含交流部分．相位信息包含于直流部分中，諧波、各種干擾均為交流部分，交流部分經(jīng)環(huán)路濾波器被濾除，直流部分作用于壓控振蕩器，并通過(guò)反饋形成閉環(huán)控制．

2.2 傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)

傳統(tǒng)的軟件鎖相環(huán)在電壓不存在畸變，且三相平衡的條件下，能達(dá)到很好地效果，其原理見(jiàn)圖3．但當(dāng)三相電壓不平衡或存在畸變時(shí)，很難保證鎖相的精度和動(dòng)態(tài)性能．

圖 3 過(guò)零鑒相鎖相環(huán)原理圖

三相軟件鎖相環(huán)的輸出為θ，當(dāng)鎖相成功時(shí)，q軸正序分量Usq量應(yīng)為0，d軸正序分量Usd為額定值．因此可將參考值0與Usq相減得到誤差信號(hào)，再將其送入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到誤差信號(hào)ωcon，再將ωcon與理論角頻率ω相加，得到時(shí)間角頻率，經(jīng)過(guò)積分環(huán)節(jié)，得到輸出相位θ，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制．

2.3 改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)

在傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)基礎(chǔ)上添加了2ω陷波器環(huán)節(jié)，其主要作用是濾掉與基波非常接近的2倍頻負(fù)序分量．利用鎖相環(huán)的低通濾波特性，使其在三相電壓不平衡且有畸變的情況下，仍能很好的完成鎖相．為簡(jiǎn)化分析，A/D采樣環(huán)節(jié)采用了一階延時(shí)模型．其原理如圖4所示．

圖 4 改進(jìn)鎖相環(huán)原理圖

輸入的三相不平衡電壓為Usa、Usb、Usc，只考慮基波電壓時(shí)，可將其表示為正序、負(fù)序和零序三者電壓之和，即

式中Tαβ-abc為兩相坐標(biāo)與三相坐標(biāo)變換的矩陣，R(θ)、R(-θ)分別為正序、負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣，且

進(jìn)而可以得到

由上式可見(jiàn)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，基波分量中的正序部分為直流量，而負(fù)序部分變成2次諧波分量，可將負(fù)序分量利用2ω陷波器將其濾除．經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，高次諧波在原始基礎(chǔ)上降低了一次，負(fù)序分量在原始基礎(chǔ)上增加了一次，兩者均呈現(xiàn)為交流量，軟件鎖相環(huán)利用自身的低通濾波特性將其濾除．將陷波器輸出與給定值進(jìn)行比較，然后通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，再與理論角頻率相加，最后通過(guò)積分環(huán)節(jié)，得到相角θ，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制．

3 改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)仿真

3.1 改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)的特性分析

改進(jìn)SPLL的控制框圖如圖5所示，其中1/s為積分環(huán)節(jié)，1/(1+Ts)為一階延時(shí)環(huán)節(jié)，T為三相電壓周期，Kp、Ki分別為比例和積分系數(shù)．

圖 5 SPLL控制框圖

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，則需

從閉環(huán)傳遞函數(shù)可以看出，系統(tǒng)是三階系統(tǒng)，從系統(tǒng)的跟蹤速率、穩(wěn)定性和濾波效果三個(gè)方面考慮，合理設(shè)計(jì)Kp和Ki等參數(shù)，可以同時(shí)滿(mǎn)足跟蹤速度和濾除高次諧波的要求．三相電壓不平衡時(shí)，輸入電壓含有2ω負(fù)序基波分量，利用2ω陷波器將其濾除．

3.2 改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)仿真

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)的可行性，利用Matlab仿真工具對(duì)其進(jìn)行了仿真．

圖6給出了模擬的三相不平衡且有畸變的電壓波形，其對(duì)應(yīng)的dq軸上電壓波形見(jiàn)圖7．與之前的分析一致，dq軸上的電壓均為時(shí)變量．

圖 6 三相不平衡且有畸變電壓波形

圖 7 dq軸電壓波形

傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)無(wú)法跟蹤快速變化的q軸分量，這直接導(dǎo)致其鎖相性能出現(xiàn)較大的誤差．鎖相環(huán)以A相電壓相位作為參考，指導(dǎo)輸出波形的相位，圖8中鎖相相角θ無(wú)法精確鎖定A相電壓的相位．圖9給出了本文提出的改進(jìn)型軟件鎖相方法的鎖相波形，圖中可以明顯看出，鎖相環(huán)的收斂速度和收斂精度比傳統(tǒng)方法有了很大的提升，這種優(yōu)異的抗擾動(dòng)性能來(lái)源于所設(shè)計(jì)的陷波器，其能夠消除大部分負(fù)序分量．本文所設(shè)計(jì)的陷波器能夠較好地穩(wěn)定q軸電壓，加速鎖相收斂過(guò)程．

圖 8 傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)鎖相波形

圖 9 改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)波形

4 基于FPGA的軟件鎖相方案

為了更準(zhǔn)確地驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)的功能，設(shè)計(jì)出了基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方案，以期在基于FPGA的變頻調(diào)壓電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上得到實(shí)現(xiàn)．FPGA通過(guò)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，正、負(fù)序分量分離，2ω陷波器，濾波器，PI控制器，積分器及一階延時(shí)器等功能，從而實(shí)現(xiàn)鎖相，為三相逆變器提供基波正序分量．設(shè)置相位補(bǔ)償部分來(lái)解決FPGA實(shí)現(xiàn)軟件鎖相環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)的采樣延遲和濾波延遲．

其中壓控振蕩器和分頻器的功能均由FPGA實(shí)現(xiàn)，同步信號(hào)由FPGA內(nèi)部定時(shí)器的循環(huán)計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生，F(xiàn)PGA的A/D轉(zhuǎn)換由分頻后的輸出信號(hào)啟動(dòng)，在一個(gè)工頻電壓周期內(nèi)，利用鎖相倍頻輸出實(shí)現(xiàn)等間隔的采樣脈沖．其軟件實(shí)現(xiàn)流程圖見(jiàn)圖10．

具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)定時(shí)器PWM，初始值為0，當(dāng)計(jì)數(shù)到N時(shí)，觸發(fā)采樣中斷，開(kāi)啟PLL控制算法，計(jì)算下次計(jì)數(shù)周期值，刷新定時(shí)器比較值，當(dāng)計(jì)數(shù)器再次計(jì)數(shù)到N時(shí)自動(dòng)載入，滯后一拍．

圖10 鎖相環(huán)軟件流程圖

當(dāng)?shù)谝淮蝒CAP同步中斷觸發(fā)后，開(kāi)啟PWM定時(shí)器，并使能中斷；第一次進(jìn)行PWM定時(shí)器中斷，采樣值smpnum=1，相位為smpnum*2*pi/256，將其值送入3/2變換坐標(biāo)系；此后每次進(jìn)入PWM中斷,采樣值smpnum都自增1．當(dāng)PWM中斷計(jì)數(shù)到256時(shí)，采樣值計(jì)算重置，smpnum=1．

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)的軟件鎖相環(huán)基礎(chǔ)上，添加了2ω陷波器環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型軟件鎖相環(huán)，從理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證實(shí)了該方法鎖相的精確度高于傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)，鎖相的收斂速度和收斂精度對(duì)比傳統(tǒng)軟件鎖相環(huán)也有很大的提升，抗干擾性能好，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性．較好地解決了在三相電壓不平衡且有畸變的情況下，鎖相環(huán)精度不高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題．同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證．

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