鎖相環(huán)在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的運用研究

張恩壽 戎麒 田華 姚鵬 趙榮浩

摘要：電力有源濾波器（APF）和靜止無功發(fā)生器（SVG）是治理電網(wǎng)諧波污染和功率因數(shù)低問題的較好選擇，鎖相環(huán)（PLL）在APF和SVG檢測諧波電流和無功電流、單片機信號采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）、補償電流并網(wǎng)過程中有著巨大的作用。現(xiàn)就鎖相環(huán)在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的用途進行研究分析，為電力有源濾波器、靜止無功發(fā)生器等有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備設(shè)計提供支撐。

關(guān)鍵詞：電力有源濾波器;靜止無功發(fā)生器;鎖相環(huán);諧波

0? ? 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電網(wǎng)終端引入了大量的非線性負荷，這些負荷使得無功需求增加，并且產(chǎn)生大量高頻諧波向電網(wǎng)側(cè)反饋，造成線路損耗增加、功率因數(shù)降低、設(shè)備老化加速或損壞等問題[1-2]。加裝有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備是應(yīng)對功率因數(shù)低和諧波含量高的有效手段[3]。有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備與常規(guī)的無源設(shè)備相比具有輸出連續(xù)，既可以補償感性無功也可以補償容性無功，既可以補償特定次數(shù)的諧波也可以全補償?shù)奶攸c，應(yīng)用較廣泛[4]。鎖相環(huán)模塊在數(shù)據(jù)采集中運用比較廣泛，本文主要介紹鎖相環(huán)模塊在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的運用。鎖相倍頻模塊在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中起到驅(qū)動正余弦表的循環(huán)、ADC采樣和轉(zhuǎn)換觸發(fā)、補償電流并網(wǎng)驅(qū)動的作用[5-6]。

1? ? PLL驅(qū)動正弦表和余弦表的循環(huán)

有源濾波器設(shè)計中，基于瞬時無功電流檢測的諧波算法較傳統(tǒng)的傅里葉檢測諧波實時性好，響應(yīng)速度快，算法簡單，易于嵌入式開發(fā)。圖1為瞬時無功電流檢測諧波算法原理圖。

由圖可知，矩陣C是由PLL獲得，一般情況下，我們將矩陣C根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換速率制成[0，2π]的正弦表和余弦表，這樣在嵌入式系統(tǒng)中可以很方便地實現(xiàn)，不占用太多的資源，減少硬件系統(tǒng)的開發(fā)。計算時，不斷循環(huán)調(diào)用正余弦表，將A相電壓的同步方波信號進行鎖相后，送至單片機的CAP端口，當?shù)诙€同步信號的上升沿到來時，讓正弦表和余弦表從頭循環(huán)一次，就能很方便地執(zhí)行算法，即將單片機的CAP端口設(shè)置為邊沿觸發(fā)即可。圖2為A相電壓同步方波信號和A相電壓信號波形。

A相電壓同步信號一般是通過過零檢測獲得，就是將A相電壓與0做比較，在正半周期內(nèi)，A相電壓大于0，比較輸出高電平;在負半周期內(nèi)，A相電壓小于0，比較輸出低電平。圖3是由LM324構(gòu)成的過零比較器電路輸出波形。

從圖3可知，比較輸出的結(jié)果是高電平為正，低電平為負，而大部分單片機只能識別單極性電信號，如TMS320F28335的I/O口電壓范圍為0～3 V，CAP口為0～3.3 V，所以需要將過零檢測的結(jié)果由雙極性電信號轉(zhuǎn)化為0～3 V的單極性電信號。需在過零檢測輸出端加一個施密特反相器，讓輸出結(jié)果在0～3 V范圍內(nèi)，并且邊沿過渡更短。圖4是設(shè)計的A相過零檢測電路。

2? ? PLL驅(qū)動AD采樣

經(jīng)過鎖相后的A相電壓同步方波信號，倍頻后作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號。設(shè)采樣率為fs，A相同步方波的頻率為50 Hz，則可得倍頻的倍數(shù)為n=fs/50，上個數(shù)據(jù)采樣完成后，當倍頻信號的第二個上升沿信號到來時，響應(yīng)AD采樣中斷，進行AD采樣。

例如采樣率設(shè)置為12.8 kHz時，采樣周期為1/12 800 s，即每隔1/12 800 s采樣一個數(shù)據(jù)，倍頻倍數(shù)n=fs/50=12 800/50，也就是說一個工頻周期內(nèi)采樣256個數(shù)據(jù)，需要將一個周期的同步方波進行256等分，每一份也是一個方波信號，一個小方波信號周期采樣一個數(shù)據(jù)，所以當小方波信號的第二個上升沿到來之時進行AD采樣。圖5為基于鎖相環(huán)CD4046和分頻器CD4040組合成的鎖相倍頻模塊。

CD4046是一款微功耗的鎖相環(huán)芯片，供電電壓3～18 V。CD4046微功耗鎖相環(huán)有一個低功耗、線性、電壓控制振蕩器（VCO），一個源極跟隨器、穩(wěn)壓二極管，兩個相位比較器。兩個相位比較器有一個共同的信號輸入和一個通用比較器輸入。信號輸入可直接耦合大電壓信號，或電容耦合一個小的輸入電壓信號。常將CD4046和分頻器CD4040配合使用構(gòu)成鎖相倍頻模塊。

3? ? PLL驅(qū)動補償電流并網(wǎng)

由于經(jīng)過各個數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，得到的補償電流信號有一定的滯后，如果直接將其并到電網(wǎng)中，可能達不到補償?shù)男Ч?，甚至?xí)够兏訃乐亍Ｒ虼?，需要將補償信號和電網(wǎng)信號的相位差鎖定，讓補償信號正確地并到電網(wǎng)中。

電網(wǎng)諧波一般情況下是周期性的重復(fù)畸變波形，可將上個周期計算得到的補償電流加到下個周期，從下個周期開始補償。設(shè)某個時刻T0采樣到電網(wǎng)諧波電流，經(jīng)過Δt延時后計算得到補償電流，也就是說補償信號與電網(wǎng)存在2πΔt/0.02的相位差，在電流沒有大的突變情況下，可以將T0+Δt的補償電流作為下一個周期的補償信號，用它來補償T0+Δt+0.02的諧波，通過鎖相環(huán)鎖定補償信號和電網(wǎng)信號之間的相位差，也就確定了補償信號并網(wǎng)的時間，這樣可以準確無誤地補償諧波。但這樣會有一個問題：在電流有突變的情況下，會造成補償錯誤。這就需要盡量減少計算處理延時，選取較高性能的處理器和芯片，保證對電網(wǎng)電信號的實時跟蹤。

鎖相環(huán)驅(qū)動補償電流并網(wǎng)實際上是控制IGBT模塊的觸發(fā)時刻符合上述分析，這就需要一個和系統(tǒng)電壓同步的方波信號，上面分析A相同步方波信號可以滿足要求，經(jīng)過鎖相后，可以用于信號采樣、觸發(fā)脈沖，和系統(tǒng)電網(wǎng)信號保持同步，這樣即便電流信號有突變，也能同步跟蹤，提高了實時性。

4? ? 數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）

隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字鎖相環(huán)得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字鎖相環(huán)具有可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，還解決了模擬鎖相環(huán)的直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環(huán)境溫度變化影響等缺點，此外還具有對離散樣值的實時處理能力，已成為鎖相技術(shù)發(fā)展的方向?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了全數(shù)字鎖相環(huán)，所有環(huán)路部件都采用數(shù)字器件。

隨著EDA技術(shù)的不斷進步，F(xiàn)PGA和CPLD在很多領(lǐng)域被廣泛運用，可以將它們做成一個鎖相環(huán)，從而方便地運用到各個領(lǐng)域。

5? ? 結(jié)語

本文通過分析鎖相倍頻模塊在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的作用，利用電子電路仿真軟件仿真了A相同步方波和過零比較信號波形、鎖相倍頻模塊實現(xiàn)256倍頻波形，并利用嵌入式開發(fā)板配合鎖相倍頻模塊實現(xiàn)了三相四線制電參數(shù)的信號采集，驗證了鎖相倍頻技術(shù)在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中運用的可行性;同時，也為有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備嵌入式設(shè)計時針對正弦常量表和余弦常量表的循環(huán)、ADC模塊采樣和轉(zhuǎn)換的觸發(fā)及補償電流并網(wǎng)的時刻鎖定提供了設(shè)計依據(jù)。

[參考文獻]

[1] 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器——結(jié)構(gòu)·原理·控制[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 杜少通.諧波抑制與無功補償關(guān)鍵技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[4] 王磊，趙煜，梁仕斌，等.一種新型自適應(yīng)諧波與無功治理方法研究[J].電力電子技術(shù)，2018，52（12）：119-121.

[5] 王裕.三相四線制有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[6] 陳仲，王志輝，陳淼.基于新型四象限開關(guān)單元的并聯(lián)型有源濾波器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（4）：147-154.

收稿日期：2020-08-13

作者簡介：張恩壽（1992—），男，云南保山人，助理工程師，研究方向：電能質(zhì)量綜合治理。