一種簡易的三相軟件鎖相方法

蘇永麗

【摘 要】對于PWM整流器，要求軟件鎖相環(huán)能準(zhǔn)確、快速地檢測出電網(wǎng)的基波頻率和相位信息。不同于基于PI調(diào)節(jié)的軟件鎖相，文章提出了一種簡易的基于靜止二相坐標(biāo)系的軟件鎖相方法，該方法具有動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能好的優(yōu)點;同時介紹了電網(wǎng)頻率的計算方法，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

【關(guān)鍵詞】軟件鎖相;靜止兩相坐標(biāo)系;電網(wǎng)頻率

【中圖分類號】TM464 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0061-03

0 引言

PWM整流器的控制算法中包含有電網(wǎng)基波相位和電網(wǎng)頻率的檢測，通常采用硬件鎖相或軟件鎖相實現(xiàn)。硬件鎖相速度快，但在諧波含量高的電網(wǎng)中鎖相精度較差;軟件鎖相在諧波含量高、相位或波形畸變和頻率突變時，都具有較好的抗干擾能力，是目前普遍采用的一種鎖相方式[1-5]。

傳統(tǒng)的軟件鎖相是基于PI控制，通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法來檢測電網(wǎng)的基波頻率和相位信息。但軟件編程時，PI計算占用一定的DSP資源且存在延時。文中在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上，提出一種基于靜止兩相αβ坐標(biāo)系實現(xiàn)軟件鎖相的方法，避免了PI計算，編程實現(xiàn)也比較簡單。

1 軟件鎖相原理

傳統(tǒng)的軟件鎖相控制流程原理圖如圖1所示，圖1中的ω0為電網(wǎng)額定頻率，三相電網(wǎng)電壓Ua、Ub、Uc經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到Ud、Uq，電網(wǎng)電壓相位θ是軟件鎖相環(huán)的輸出。整個控制過程通過PI調(diào)節(jié)達到鎖相目的。

與傳統(tǒng)軟件鎖相方法不同，不采用PI調(diào)節(jié)，由靜止三相abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到靜止兩相αβ坐標(biāo)系，然后計算電網(wǎng)相位角也能實現(xiàn)鎖相功能。

設(shè)電網(wǎng)三相電壓為正相序時，表達式如下：

（1）

2 軟件鎖相實現(xiàn)過程

電網(wǎng)相位角可由靜止兩相αβ坐標(biāo)系變量的反正切得到，實現(xiàn)鎖相功能。除了以上計算實現(xiàn)鎖相，經(jīng)過對Ualfa、Ubeta波形分析，提出一種模擬硬件鎖相的控制方法，編程簡單，鎖相速度快。

正相序或負(fù)相序時Ualfa、Ubeta波形如圖2所示。

Ubeta波形由負(fù)到正過零時（圖2中A點），Ualfa數(shù)值為正，可以判斷電網(wǎng)三相電源電壓是正相序;Ualfa數(shù)值為負(fù)，則是負(fù)相序。而且，由于Ualfa與Ubeta相位相差恒定的1/4電網(wǎng)周期，通過圖2中A點也可推導(dǎo)出電網(wǎng)A相電壓過零點（圖2中B點）的發(fā)生時刻，由于模擬了硬件鎖相的實現(xiàn)過程，所以能快速實現(xiàn)電網(wǎng)電源電壓鎖相。

采用TMS320F2808為主控芯片，主頻為100 MHz，利用通用定時器0計算電網(wǎng)頻率。具體實現(xiàn)過程為通用定時器0開啟后每33.3 μs進一次中斷，在中斷中判斷圖2所示A點發(fā)生時刻并計數(shù)，相鄰兩次計數(shù)差值與33.3 μs的乘積就是電網(wǎng)周期。例如：通用定時器0每33.3 μs進一次中斷，電網(wǎng)周期為20 ms時，那么中斷中相鄰兩次計數(shù)差值為600。軟件鎖相程序流程圖如圖3所示。

3 實驗結(jié)果

將本文介紹的鎖相方法應(yīng)用于三相電壓型PWM整流器時，為確保裝置的安全性，先連續(xù)N次鎖相并計算電網(wǎng)周期，若電網(wǎng)周期值差異較大則認(rèn)為鎖相不成功并報警;只有連續(xù)N次鎖相成功后才允許整流器進入正常的工作狀態(tài)。

此鎖相環(huán)方法應(yīng)用于10 kW三相電壓型PWM整流器并進行了實驗驗證，實驗結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為裝置啟動過程中的主要波形圖，圖4（b）為裝置穩(wěn)定運行時的主要波形圖。

圖4分別給出了A相電網(wǎng)電壓Ua與電流的實驗波形，可以看出電網(wǎng)電壓與電流在啟動過程中相位偏差很小，穩(wěn)定后兩者過零點基本重合，由此可見鎖相速度快、穩(wěn)態(tài)性能好。

4 結(jié)論

靜止兩相αβ坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓的反正切函數(shù)的計算可以得到電網(wǎng)相位角，能實現(xiàn)鎖相功能。在軟件鎖相理論分析的基礎(chǔ)上，模擬硬件鎖相原理，提出了一種電網(wǎng)相序、A相電壓過零點和電網(wǎng)頻率的檢測方法，由于取消了PI調(diào)節(jié)，具有編程簡單、鎖相速度快的優(yōu)點。該軟件鎖相方法已經(jīng)用于10 kW三相電壓型PWM整流器，在其他需要軟件鎖相的工程應(yīng)用場合也有一定的參考價值。

參 考 文 獻

[1]張喻，陳新.基于DSP2812的軟件鎖相[J].電力電子技術(shù)，2008，42（2）：75-77.

[2]劉翔，張愛玲.一種基于TMS320F2812的軟件鎖相實現(xiàn)方法[J].電力電子技術(shù)，2010，44（8）：60-61.

[3]李東，韋統(tǒng)振，霍群海，等.電壓畸變條件下軟件鎖相環(huán)精度提高[J].電力電子技術(shù)，2011，45（7）：95-97.

[4]吉正華，韋芬卿，楊海英.基于dq變換的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（4）：104-106.

[5]王顥雄，馬偉明，肖飛，等.雙dq變換軟件鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（7）：237-241.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]