一種單相軟件鎖相方法

徐 武（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029）

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一種單相軟件鎖相方法

徐 武
（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京 100029）

摘 要：在新能源并網(wǎng)發(fā)電、FACTS設(shè)備控制等應(yīng)用中，均需要準(zhǔn)確檢測電網(wǎng)相位，鑒于硬件鎖相環(huán)靈活性較差，而常規(guī)軟件鎖相環(huán)需要對三相信號同步采集，軟硬件要求更高。本文提出一種軟件單相軟件鎖相方法，通過周期積分的方法完成二次以上諧波濾除，還可用于提取各次諧波幅值。本文介紹了軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)相位；單相軟件鎖相；周期積分；諧波幅值

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新能源發(fā)電裝置得以大量應(yīng)用，各種類型的FACTS（交流靈活輸電）裝置也逐步裝備于電網(wǎng)，其中大量應(yīng)用采用電壓源逆變器，在新能源并網(wǎng)和FACTS裝置工作過程中，往往需要實(shí)時跟蹤電網(wǎng)交流電壓的相位并保持同步。

相位檢測的準(zhǔn)確性與否，直接決定了并網(wǎng)型逆變器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)控制性能。目前逆變器中常用的鎖相方法可以分為兩類，其一是硬件鎖相環(huán)，其二為軟件鎖相環(huán)。硬件鎖相電路通常是檢測并網(wǎng)側(cè)電壓的實(shí)際過零點(diǎn)確定相位差，最終實(shí)現(xiàn)鎖相。由于每個周期電網(wǎng)電壓只有兩個過零點(diǎn)，實(shí)際上就限定了鎖相的速度；尤其是在一些特定的場合下，如光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，光伏并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)之間往往需要經(jīng)過較長的連線線路，線路上的電感在功率開關(guān)作用下，使得交流側(cè)采集的并網(wǎng)電壓信號含有開關(guān)電壓紋波的畸變信號；某些情況下，紋波電壓甚至超過電網(wǎng)電壓峰值，再加上采集回路中的干擾信號，最終可能造成采集的電網(wǎng)電壓信號包含若干個實(shí)際過零點(diǎn)位置，若仍采用過零點(diǎn)檢測的方法，將會帶來嚴(yán)重的電壓相位變化，檢測誤差加大。相比之下，軟件鎖相環(huán)的使用靈活性較好，且可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的鎖相控制方法。軟件鎖相中算法的合理性和鎖相計(jì)算的速度直接影響鎖相控制的精度。

在實(shí)際應(yīng)用中，文獻(xiàn)較多地研究了三相鎖相環(huán)，但仍然有很多單相電能變換的場合，此時應(yīng)考慮單相鎖相的方法改進(jìn)。例如牧區(qū)家用單相光伏系統(tǒng)，電機(jī)車組動力牽引變換裝置中，對單相鎖相的快速性和準(zhǔn)確性都提出了較高的要求。

為解決上述問題，本文提出了一種基于周期積分的單相軟件鎖相方法，以提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和抗干擾能力。

1 單相軟件鎖相實(shí)現(xiàn)原理

1.1 基于周期積分法的單相軟件鎖相方法

以A相電壓為例說明，若電網(wǎng)電壓信號ua具有如下的基本形式：

圖1 軟件流程圖

圖2 采集及調(diào)理電路

ua=Umsin（θ+ωt）+U0

式中：θ為需要跟蹤的相位，Um為A相電壓的幅值，u0為由于測量或其他因素導(dǎo)致采樣信號中參雜的直流因素。

為實(shí)現(xiàn)鎖相的目的，需要根據(jù)電網(wǎng)電網(wǎng)角頻率ω，在DSP中建立離散的標(biāo)準(zhǔn)正弦表和標(biāo)準(zhǔn)余弦表。

其中正弦表值為U1（KT）=sin （ωkT），余弦離線表為U2（KT）=cos （ωkT）。

T為采樣周期，根據(jù)系統(tǒng)要求確定。

將采樣的電壓信號u與內(nèi)部基準(zhǔn)正余弦信號進(jìn)行乘積運(yùn)算，得：

觀察結(jié)果可以看出，這兩式中均有二次諧波2ωkT，必須消除才能獲得鎖相信號。由于電網(wǎng)電壓以ωT為周期，可以采用周期累加法來消除二次諧波成分，具體方法如下：

由式（6）即可求得被測電壓的基波幅值和相位。

由式中r的極性和大小，查表可得所求相位。

若在DSP內(nèi)部建立二次以上諧波的正余弦表格，按照上述類似的方法，也可以用于提取各高次諧波的幅值。

圖3 基于周期積分法的鎖相結(jié)果

1.2 軟件流程圖

根據(jù)1.1節(jié)的原理，本文設(shè)計(jì)了相關(guān)的軟件歷程圖，如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集硬件電路

電網(wǎng)電壓量的準(zhǔn)確采集是軟件鎖相控制的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)了電網(wǎng)電壓采集及調(diào)理電路。電網(wǎng)電壓的測量采用TKEN TV10/25A霍爾傳感器；因主控制器TMSF28335 DSP 上AD只能接受0～3V的直流電壓信號，為實(shí)現(xiàn)對交流信號的采集，需對交流信號進(jìn)行直流偏置及限幅處理，調(diào)理電路如圖2所示。其中Vin即為要采樣的電網(wǎng)電壓，OPA4340為軌至軌運(yùn)放，輸出電壓與輸入之間的關(guān)系為：Vo=R2/R1?（V2-V1）+1.65，經(jīng)傳感器輸出的交流信號，采用雙端輸入，可有效抑制共模干擾。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用DSP28335作為主控單元，實(shí)現(xiàn)單相軟件鎖相算法，圖3為采用該方法鎖相的效果。圖中usa為電源A相電壓。圖3中θ為鎖相得到的A項(xiàng)基波電壓的相位角，其變化與A相電壓對應(yīng)稱余弦變化關(guān)系；再把此鎖相相位角作為A相參考電流ias輸出，可以看到與鎖相的電壓信號完全對應(yīng)，說明鎖相精度較高。

結(jié)語

本文針對目前新能源并網(wǎng)裝置鎖相的特殊要求，提出一種基于周期積分的單相軟件鎖相方法，分析了原理和實(shí)現(xiàn)方法，軟硬件電路相對簡單，且實(shí)驗(yàn)證明了單相鎖相方法的正確性。

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中圖分類號：TM461；TK514

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A