基于DSP的雙向AC/DC變換器鎖相環(huán)技術(shù)的研究與實現(xiàn)

王朝陽，楊兆華

（佛山科學技術(shù)學院自動化學院，廣東 佛山 528000）

在電力機車牽引、電池儲能等需要能量雙向流動的場合，AC/DC雙向變流器承整流與逆變的關(guān)鍵部分，而對于存儲的能量要讓其充分高效地利用，必須將其并入大電網(wǎng)，而要將其并入電網(wǎng)的首要任務(wù)就是要實時監(jiān)測電網(wǎng)的相位和頻率，讓逆變之后的交流電與電網(wǎng)保持同步，這其中的鎖相環(huán)技術(shù)就是要研究的熱點問題。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)技術(shù)是基于電網(wǎng)電壓的過零點和周期來跟蹤電網(wǎng)的相位，進而可以通過跟蹤電網(wǎng)的相位來得到電網(wǎng)的頻率，但是由于過零鎖相的檢測方法是在一個電網(wǎng)周期內(nèi)檢測兩個點進行鎖相，其系統(tǒng)的動態(tài)性能不是很好，當電網(wǎng)電壓頻率和相位出現(xiàn)突變時，在一個周期內(nèi)可能會出現(xiàn)多個零點，會導致鎖相的精確不高。

基于上述問題，Vikram Kaura等人首先提出了一種單同步坐標系軟件鎖相環(huán)架構(gòu)[1]，該架構(gòu)是一種純軟件的鎖相環(huán)算法，其比過零鎖相具有更好的動態(tài)性能和抗干擾性。針對三相電網(wǎng)不平衡問題，文獻 [2]提出了一種解耦雙同步坐標系下的鎖相算法。本文的設(shè)計需求是針對單相AC/DC雙向變換器而設(shè)計的，故用在單相電必須設(shè)計的正交信號發(fā)生器上，選用了比較成熟的反PARK虛擬正交信號發(fā)生器，并設(shè)計了一款電網(wǎng)電壓采樣及調(diào)理電路，此電路可以正常滿足算法需求，已實現(xiàn)很好的應用效果。

1 單同步坐標系鎖相環(huán)原理

所謂單同步坐標系下鎖相就是采用坐標變換的原理[1，3]，圖 1 為轉(zhuǎn)換框圖。

圖1 單同步坐標系下鎖相

單同步坐標系下鎖相的實質(zhì)就是把三相電經(jīng)過Clark變換為靜止坐標系下兩相正交的Uα，Uβ。

其中Ua，Ub，Uc為網(wǎng)側(cè)三相輸入交流電壓；Um為相電壓的幅值。經(jīng)PARK變換后變?yōu)閮蓚€直流分量 Ud，Uq，則為

聯(lián)立式 （1）～ （3）可得

圖2 鎖相環(huán)控制系統(tǒng)框圖

由圖2可以得出，原鎖相環(huán)的環(huán)路濾波被比例積分調(diào)節(jié)器替代，其中ωf為給定的中心頻率。其鎖相成功的標志就是實現(xiàn)輸出相位≈θ，其中PI調(diào)節(jié)的目的就是使系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。由控制系統(tǒng)框圖可得鎖相環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

則鎖相環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

其為一個二階系統(tǒng)，則由二階系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)可得自然震蕩角頻率，阻尼比

2 虛擬正交信號發(fā)生器的設(shè)計

由于本文驗證的為單相系統(tǒng)，缺少一個自由度，故不能直接用同步坐標系鎖相，需要把單相Us電壓作為三相系統(tǒng)經(jīng)過Clark變換后的Uα，即Us=Uα，所以需要虛擬出和Uα的正交信號Uβ，常用的虛擬正交信號發(fā)生器為二階廣義積分正交信號發(fā)生器[4-6]、反PARK變換的正交信號發(fā)生器[7-9]、多階微分型正交信號發(fā)生器[10]和延時1/4周期正交信號發(fā)生器[11]，本文選用了基于反PARK變換的正交信號發(fā)生器，其控制框圖見圖3。

圖3 基于反PARK變換的正交信號發(fā)生器鎖相環(huán)

3 系統(tǒng)硬件采樣調(diào)理電路與軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件采樣調(diào)理電路設(shè)計

第50頁圖4中，T1為澤明電子生產(chǎn)的電壓互感器，其變比為1 000∶1 000，額定輸入電流和額定輸出電流都為2 mA，由于ADC采樣模塊的允許輸入電壓范圍為0～3.3 V，故在輸出端加了個電壓鉗位，防止有過大的電壓沖擊損壞DSP的ADC采樣模塊。

所采樣的模擬量電壓最終要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在DSP芯片內(nèi)進行相應地運算，故電壓從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化過程見圖5。

圖4 網(wǎng)側(cè)電壓采樣調(diào)理電路

圖5 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)化框圖

其中Itrans為網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)電壓互感器變換之后的交流側(cè)電流，VCC為電源電壓，Vref為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

鎖相環(huán)主程序流程見圖6。主程序中主要完成上電或者復位后的系統(tǒng)初始化任務(wù)，系統(tǒng)初始化只要完成一些寄存器的初始化任務(wù)，包括開中斷、建立中斷向量表、定時器設(shè)置、ADC模塊初始化、EPWM模塊初始化、PI控制器初始化等。而中斷子程序是當系統(tǒng)中發(fā)生中斷請求時，程序會立即進入中斷服務(wù)子程序。進入中斷服務(wù)子程序時首先要做的就是將網(wǎng)側(cè)電壓采樣的結(jié)果存儲在ADC模塊的結(jié)果寄存器中，本文ADC采樣選用EPWM觸發(fā)方式，100 μs觸發(fā)中斷采樣信號一次，在一個電網(wǎng)周期內(nèi)可以采用200個點。然后進行相應的算法運算，主要包括反PARK變換的正交信號發(fā)生器的算法處理和單同步坐標系下的鎖相環(huán)處理，以及DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換的程序，其具體的中斷程序見圖7。

圖6 鎖相環(huán)主程序流程框圖

4 鎖相成功判定

在理論分析中，判斷鎖相成功的標志是無功直流分量Uq=0，有功直流分量Ud=Um，則可斷定為成功鎖定了電網(wǎng)的頻率和相位，但在實際運行中直流分量Ud與Uq不可能用理論值來判斷鎖相成功的標志，這就要設(shè)定一個標準對鎖相是否成功進行判定，本文采用判定鎖相環(huán)輸出頻率的判別方法對是否鎖相成功進行判斷。我國的用電標準電網(wǎng)頻率為工頻50 Hz，所以設(shè)定頻率正常值范圍在48～52 Hz作為判斷電網(wǎng)是否處于正常狀態(tài)，其對應的角頻率正常范圍ω則為302∶326 rad/s。在DSP內(nèi)部通過EPWM中斷觸發(fā)進行采樣，采樣周期為100 μs，同樣對于鎖相環(huán)輸出頻率的判定也是在中斷中進行，在中斷中對鎖相環(huán)輸出頻率進行600次判定，如果連續(xù)判斷600次鎖相環(huán)輸出頻率都是在正常值范圍內(nèi)，則認為鎖相成功。由于電網(wǎng)中存在頻率突變等因素的干擾，所以如果出現(xiàn)一次頻率不正常不能作為頻率異常的判斷依據(jù)，那么對于鎖相環(huán)輸出頻率如果連續(xù)5次檢測到頻率異常，則判定鎖相不成功，就不執(zhí)行接下來的任務(wù)程序。

圖7 鎖相環(huán)中斷程序框圖

5 鎖相環(huán)技術(shù)的實驗驗證

在TMS320F28335實驗平臺上進行驗證，鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置如下：交流電壓Us=220 V，交流電壓頻率fs=50 Hz，一階低通濾波時間常數(shù)τd=τq=0.001 592，比例系數(shù)k=0.22，積分系數(shù)ki=5.4。從實驗驗證的結(jié)果可以看出，鎖相環(huán)的輸出相位與電網(wǎng)輸入相位保持同步，并具有很好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，本算法在實際應用中易于實現(xiàn)，應用性能良好 （見第51頁圖8）。

圖8 鎖相環(huán)實驗平臺驗證結(jié)果

6 結(jié)束語

本文應用基于反PARK變換單同步坐標系鎖相算法，先是從理論分析入手，詳細分析了鎖相環(huán)算法的推導過程，并設(shè)計了一款網(wǎng)側(cè)電壓采樣調(diào)理電路與鎖相成功判定方法，經(jīng)過實驗驗證，證實了此算法在實際中的實用性，本算法不僅可以應用在單相系統(tǒng)，在三相系統(tǒng)中同樣也具有很好的適應性，具有很好的實際應用價值。