汪娟娟 吳秋媚 文兆新,2 劉岳坤
(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院, 廣州 510641)(2. 云南省電力調(diào)度控制中心, 昆明 650011)
“高壓直流輸電”課程是我國(guó)高等院校電氣工程專業(yè)的重要課程之一,主要講述高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制原理,涉及電力電子、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科,具有較強(qiáng)的理論性和工程實(shí)踐性[1]。其中,鎖相環(huán)為高壓直流控制系統(tǒng)提供相位基準(zhǔn)[2-3],高壓直流控制系統(tǒng)的性能取決于鎖相環(huán)的鎖相性能。但在對(duì)鎖相環(huán)同步原理及參數(shù)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程中,學(xué)生普遍反映該內(nèi)容涉及的相關(guān)原理及概念比較抽象,導(dǎo)致對(duì)鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)的理解不深入。主要原因是課程教學(xué)中鎖相環(huán)的教學(xué)是基于連續(xù)系統(tǒng)展開(kāi),但實(shí)際運(yùn)行中鎖相環(huán)是以數(shù)字方式傳遞和處理信息[4]。由于離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)具有一定的差異性,導(dǎo)致學(xué)生在將理論知識(shí)與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合時(shí),難以理解鎖相環(huán)原理及合理設(shè)計(jì)鎖相環(huán)參數(shù)。
在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上,使用實(shí)驗(yàn)?zāi)M和軟件仿真作為輔助教學(xué)有利于學(xué)生更容易理解課程知識(shí)的應(yīng)用效果。但實(shí)驗(yàn)?zāi)M存在耗時(shí)長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)裝置資源有限等缺點(diǎn),而軟件仿真可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的不足,它具有簡(jiǎn)單靈活、調(diào)試方便、直觀易懂、花費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn),有助于學(xué)生更直觀地理解和掌握課程知識(shí)[5-6]。
結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生所反映的問(wèn)題,以一種工程用鎖相環(huán)為例,詳細(xì)介紹其離散化建模及其參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程,在PSCAD/EMTDC軟件中構(gòu)建該鎖相環(huán)的仿真模型并進(jìn)行演示,直觀展示鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)效果,有利于學(xué)生了解鎖相環(huán)在實(shí)際運(yùn)行中的大致情況,更好地掌握鎖相環(huán)原理及其參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程。在進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí),可同步進(jìn)行仿真演示,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的理解,并布置仿真實(shí)驗(yàn)操作作業(yè)和相關(guān)習(xí)題,要求學(xué)生動(dòng)手操作并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,讓學(xué)生在這樣一種直接感性的學(xué)習(xí)模式中逐步鞏固所學(xué)知識(shí),最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告及習(xí)題完成情況,及時(shí)了解到學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的掌握情況。
本文介紹的仿真教學(xué)設(shè)計(jì)旨在將鎖相環(huán)原理直觀地通過(guò)仿真程序和畫(huà)面展示出來(lái),讓學(xué)生能夠把鎖相環(huán)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)關(guān)系和具體的物理波形聯(lián)系起來(lái),進(jìn)而全面地掌握其參數(shù)對(duì)其鎖相性能的影響。具體的仿真教學(xué)設(shè)計(jì)分為三個(gè)環(huán)節(jié):課堂理論教學(xué)與仿真演示、仿真實(shí)驗(yàn)操作及習(xí)題、檢查實(shí)驗(yàn)報(bào)告和習(xí)題情況。
課堂教學(xué)除了對(duì)鎖相環(huán)工作原理、數(shù)學(xué)模型和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹外,還可通過(guò)仿真軟件對(duì)鎖相環(huán)模型的搭建過(guò)程進(jìn)行演示,對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果和各個(gè)變量的波形進(jìn)行觀察和對(duì)比分析,幫助學(xué)生深入理解教學(xué)內(nèi)容。同時(shí),可對(duì)仿真軟件的使用進(jìn)行說(shuō)明,指導(dǎo)學(xué)生如何自行搭建PSCAD電磁暫態(tài)模型和調(diào)整模型參數(shù)等,熟悉仿真軟件的使用,為后面的仿真實(shí)驗(yàn)操作做準(zhǔn)備。
根據(jù)高壓直流鎖相環(huán)的教學(xué)內(nèi)容安排相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,要求學(xué)生完成鎖相環(huán)的模型搭建,對(duì)鎖相環(huán)的參數(shù)整定進(jìn)行仿真測(cè)試,并上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,同時(shí)完成相應(yīng)的習(xí)題內(nèi)容,讓學(xué)生扎實(shí)地掌握并及時(shí)鞏固所學(xué)知識(shí)。鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)拓思維大膽嘗試,進(jìn)行多種條件下的仿真和模型搭建等操作,逐步提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。
檢查學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和習(xí)題完成情況,掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并給學(xué)生作進(jìn)一步的答疑,讓學(xué)生明確如何在不同的應(yīng)用場(chǎng)合選擇更為恰當(dāng)?shù)逆i相環(huán)參數(shù),提高鎖相環(huán)教學(xué)的質(zhì)量。
圖1 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖
假定輸入電壓三相對(duì)稱,幅值為Vm、初相位為φ0,采樣時(shí)間間隔為T(mén)s,則第k次采樣得到的三相電壓表達(dá)式為[8]
(1)
對(duì)該三相電壓進(jìn)行Clark變換,得到靜止坐標(biāo)下的兩相電壓
(2)
再經(jīng)反正切計(jì)算環(huán)節(jié)得
(3)
為了對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),首先須對(duì)其進(jìn)行建模。結(jié)合圖1,采用向前差分的方法[9]建立鎖相環(huán)離散Z域的數(shù)學(xué)模型,如圖2所示。圖中kp和ki分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù),T為積分環(huán)節(jié)的采樣周期。
圖2 鎖相環(huán)離散數(shù)學(xué)模型
PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的好壞是決定鎖相環(huán)鎖相性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。由圖2可得鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)及其誤差傳遞函數(shù)分別為
(4)
(5)
首先考慮保證系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)kp和ki應(yīng)該滿足的基本約束。令z=(w+1)/(w-1),對(duì)G(z)的分母進(jìn)行變換,得其閉環(huán)特征方程為
(6)
由勞斯判據(jù)可知,鎖相環(huán)系統(tǒng)保持穩(wěn)定的必要條件為:
(7)
選取采樣間隔Ts為0.625 ms,積分環(huán)節(jié)的采樣周期T為20 μs。由式(7)可得鎖相環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)PI控制器參數(shù)的可行域,如圖3陰影部分所示。
圖3 參數(shù)可行域
其次,在基本約束前提下,進(jìn)一步討論對(duì)系統(tǒng)提出動(dòng)態(tài)響應(yīng)等附加要求時(shí),對(duì)kp和ki的附加約束。用ωc表示鎖相環(huán)的剪切頻率,則G(z)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)及相位裕度PM可分別表示為[10]
(8)
(9)
根據(jù)自動(dòng)控制原理,由式(6)可得
(10)
(11)
取阻尼比ζ=0.707,將式(10)代入式(11)得
(12)
由式(12)可得定阻尼比下參數(shù)kp和ki間的關(guān)系,如圖4所示。
圖4 定阻尼比的參數(shù)關(guān)系
最后,再考慮鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,對(duì)式(5)運(yùn)用終值定理可得
(13)
當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生θjump的相位跳變時(shí),相位信號(hào)轉(zhuǎn)換到Z域后為θ(z)=z·θjump/(z-1),代入到公式(13)可得此時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差為0;同理,當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生ωjump的頻率變化時(shí),相位信號(hào)轉(zhuǎn)換到Z域后為θ(z)=Tz·ωjump/(z-1)2,代入到公式(13)也可得穩(wěn)態(tài)誤差為0;而當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生頻率以a為斜率的變化時(shí),相位信號(hào)轉(zhuǎn)換到Z域后為θ(z)=T2z(z+1)a/(z-1)3/2,代入到公式(13)計(jì)算得穩(wěn)態(tài)誤差為a/ki??梢?jiàn),在輸入信號(hào)發(fā)生相位跳變或頻率跳變時(shí),均不存在穩(wěn)態(tài)誤差,而頻率發(fā)生斜坡變化時(shí),其穩(wěn)態(tài)誤差與積分系數(shù)ki成反比,此結(jié)論與連續(xù)系統(tǒng)[11]的一致。
此外,當(dāng)輸入信號(hào)混有諧波分量時(shí),根據(jù)公式(1~3)可以知道,鎖相環(huán)路中起到主要作用的是換流母線電壓的基頻正序分量相位,但其諧波的衰減程度與環(huán)路的帶寬相關(guān),因此,為保證鎖相環(huán)系統(tǒng)的抗諧波干擾能力,環(huán)路帶寬不能過(guò)寬,應(yīng)充分考慮其動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求和抗諧波干擾性能后折中選擇。
圖5具體展示了帶寬頻率fb和90%響應(yīng)時(shí)間t90%關(guān)于比例系數(shù)的關(guān)系曲線,據(jù)此,可以根據(jù)使用環(huán)境的諧波情況和對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求,結(jié)合設(shè)計(jì)原則選擇到合理的參數(shù)。
圖5 帶寬頻率和90%響應(yīng)時(shí)間關(guān)于比例系數(shù)的關(guān)系曲線
綜上所述,鎖相環(huán)PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)原則可歸納為:
1)首先,參數(shù)需要滿足鎖相環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的要求,即只能在圖3所示的參數(shù)可行域中選取。
2)其次,若鎖相環(huán)二階系統(tǒng)選取阻尼比為0.707,則在圖4所示的限定曲線上進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。
同時(shí),為保證鎖相環(huán)同步相位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較小的穩(wěn)態(tài)誤差,應(yīng)選取較大的比例積分參數(shù)使得鎖相環(huán)環(huán)路帶寬增大。因此,通常選取kp不小于10,以保證響應(yīng)時(shí)間不大于130 ms。
3)最后,為保證鎖相環(huán)系統(tǒng)的抗諧波干擾能力,其環(huán)路帶寬不能過(guò)寬。由于含量最大且干擾性最強(qiáng)的諧波分量頻率接近于二倍頻,此時(shí),為盡可能地把干擾分量衰減掉,通常選取kp不大于500。
通常地,應(yīng)充分考慮鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求和抗諧波干擾性能要求,根據(jù)實(shí)際情況在區(qū)間(10,500)中選取合理的kp值(對(duì)應(yīng)地,在定阻尼比的條件下取得ki值),以滿足大部分工程應(yīng)用的要求。
結(jié)合第1節(jié)介紹的鎖相環(huán)工作原理,在PSCAD/EMTDC中對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行建模,主要包括采樣元件、插值元件、Clark變換元件、“直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)”元件及鎖相環(huán)回路自定義模塊等,如圖6所示。
圖6 鎖相環(huán)的PSCAD電磁暫態(tài)模型
1)采樣及插值元件
鎖相環(huán)輸入信號(hào)的預(yù)處理主要為信號(hào)采樣。若采樣間隔Ts不是仿真步長(zhǎng)的整數(shù)倍,還需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行自定義插值處理。PSCAD軟件中的采樣和插值元件如圖7所示。
(a)
(b)圖7 采樣及插值元件
采樣元件用于儲(chǔ)存采樣時(shí)間間隔Ts的累加時(shí)間進(jìn)度值t0=kTs,將其與仿真時(shí)間t(仿真步長(zhǎng)tstep的累加時(shí)間)進(jìn)行比較,當(dāng)t≥t0時(shí),輸出同步信號(hào)sync=1,作為使能信號(hào),同時(shí)輸出線性插值的百分?jǐn)?shù)frac,它的值為(t-t0)/tstep。
線性插值原理如圖8所示,其輸出信號(hào)為
圖8 線性插值原理
(14)
PSCAD軟件中的采樣及插值元件均需通過(guò)自定義來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。由于篇幅限制,此處僅簡(jiǎn)單說(shuō)明構(gòu)建自定義元件的主要步驟[13]:選擇右擊畫(huà)布彈出菜單中的Create|Component,對(duì)自定義元件的名稱、文字描述和連接端口等進(jìn)行設(shè)計(jì),其中各端口的名稱、輸入輸出、維數(shù)和信號(hào)類型要與所需元件一致;創(chuàng)建完成后可進(jìn)一步在Graphic畫(huà)布上對(duì)元件外形和端口根據(jù)需要進(jìn)行編輯;在Parameters界面上可添加輸入信號(hào),如固定的常數(shù)輸入;元件的算法可用Fortran語(yǔ)言在Script畫(huà)布上編寫(xiě)。當(dāng)算法程序與所需元件的原理對(duì)應(yīng)時(shí),所定義元件表現(xiàn)的外特性才正確,進(jìn)而加以應(yīng)用。詳細(xì)自定義元件的過(guò)程可參考文獻(xiàn)[13]。
2)Clark變換元件
Clark轉(zhuǎn)換矩陣為式(15),此過(guò)程可通過(guò)CSMF庫(kù)的四則運(yùn)算元件或自定義轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)。
(15)
再運(yùn)用自定義“直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)”元件的atan2(XB,XA)函數(shù)完成反正切相位計(jì)算,此時(shí)相位為[-π,π]的鋸齒波。當(dāng)采樣元件輸出的同步信號(hào)sync=1時(shí),鎖相環(huán)PI控制器開(kāi)始工作。
3)鎖相環(huán)回路
鎖相環(huán)回路整合為自定義模塊,其輸入信號(hào)包括反正切計(jì)算的相位結(jié)果PHS、歸一化的電網(wǎng)頻率F、采樣間隔ta以及采樣元件的輸出信號(hào)frac和sync,分別由YAK端口輸出PD的比較結(jié)果、由PHI端口輸出鋸齒型相位。同時(shí),其內(nèi)部Parameters界面還需輸入PI控制器的參數(shù)kp和ki的值。
根據(jù)上述各元件的邏輯關(guān)系和離散數(shù)學(xué)模型的計(jì)算過(guò)程,用Fortran語(yǔ)言可以容易編寫(xiě)并實(shí)現(xiàn)各個(gè)對(duì)應(yīng)的自定義元件,進(jìn)而得到圖5所示的鎖相環(huán)電磁暫態(tài)模型。
基于第4節(jié)所得的參數(shù)設(shè)計(jì)原則和5.1節(jié)所搭建的電磁暫態(tài)模型,為驗(yàn)證本文提及的參數(shù)設(shè)計(jì)原則,以下將選擇不同帶寬下的鎖相環(huán)來(lái)仿真比較它們的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、穩(wěn)態(tài)誤差情況和抗諧波干擾情況。本文選擇表1所示3組參數(shù)的鎖相環(huán)進(jìn)行仿真,且各鎖相環(huán)系統(tǒng)的帶寬依次變寬,參數(shù)①為諧波環(huán)境下工程用的一組選值,參數(shù)②和③均是在圖4曲線上選取的,即保持了鎖相環(huán)系統(tǒng)的阻尼比為0.707,但后者帶寬更大。將鎖相環(huán)分別應(yīng)用在以下3種工況下,對(duì)輸入信號(hào)V1、端口PHI輸出的鋸齒波、YAK輸出的鎖相誤差和對(duì)PHI輸出取余弦后的恢復(fù)電壓波形進(jìn)行觀察,進(jìn)而比較不同帶寬下的鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、穩(wěn)態(tài)誤差情況和抗諧波干擾情況。
表1 鎖相環(huán)參數(shù)及仿真系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)
3種工況設(shè)置:
(1) 1.0 s時(shí),輸入的三相電壓相位同時(shí)跳變30°;
(2) 2.0~2.5 s期間,輸入信號(hào)的頻率緩慢斜坡減小0.5 Hz;
(3) 1.0 s時(shí),15%的7次諧波和9%的9次諧波干擾,0.1 s后切除。
為觀察恢復(fù)電壓與輸入電壓的相位對(duì)比情況,將恢復(fù)電壓幅值設(shè)置為1.2 V。各鎖相環(huán)在工況(1)下的仿真結(jié)果如圖9所示,發(fā)生相位跳變時(shí),鎖相環(huán)會(huì)有一定的響應(yīng)延時(shí),調(diào)節(jié)期間存在相位誤差,且積分系數(shù)增大,鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短??梢?jiàn),為保證鎖相環(huán)同步相位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,參數(shù)選取應(yīng)使得鎖相環(huán)的帶寬較大,與參數(shù)設(shè)計(jì)原則(2)相符。
(a) 參數(shù)① (b)參數(shù)② (c)參數(shù)③圖9 工況(1)的三種鎖相環(huán)仿真結(jié)果
為驗(yàn)證積分系數(shù)值對(duì)鎖相環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的影響,針對(duì)參數(shù)①和③鎖相環(huán)在工況(2)下進(jìn)行了仿真對(duì)比,仿真結(jié)果如圖9(a)(b)所示,當(dāng)積分系數(shù)為50時(shí),相位誤差達(dá)到6°左右,而積分系數(shù)選取較大時(shí)(選值為500),相位誤差減小至-0.4°附近,可以忽略,與前面的參數(shù)設(shè)計(jì)原則(2)一致,即參數(shù)選取較大的積分系數(shù)值能夠減小鎖相環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差??紤]到電網(wǎng)頻率不會(huì)突變,當(dāng)頻率發(fā)生斜坡變化時(shí),可取積分系數(shù)ki大于500,使得誤差小于0.5°,同步效果不會(huì)受到太大影響。
圖10(c)為參數(shù)①鎖相環(huán)在工況(3)下的仿真結(jié)果,由于搭建的簡(jiǎn)化鎖相環(huán)沒(méi)有環(huán)前濾波環(huán)節(jié),諧波干擾后,鑒相器的輸出也是波動(dòng)的,并不能表示輸入信號(hào)的基頻正序相位與檢測(cè)相位的誤差情況;由恢復(fù)電壓和輸入電壓的對(duì)比波形可以看出,受到諧波干擾后,鎖相環(huán)在0.02 s后的恢復(fù)電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻與輸入電壓基本一致,即小帶寬的鎖相環(huán)①在諧波干擾的工況下仍具有鎖相能力,驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)原則(3)。
(a) 參數(shù)①鎖相環(huán)的工況(2)仿真結(jié)果 (b)參數(shù)③鎖相環(huán)的工況(2)仿真結(jié)果 (c)參數(shù)①鎖相環(huán)的工況(3)仿真結(jié)果圖10 工況(2)(3)的仿真結(jié)果
結(jié)合第4節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)原則和上述基于PSCAD的仿真驗(yàn)證,能夠加深學(xué)生對(duì)鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)原則的理解。設(shè)計(jì)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)驗(yàn)操作作業(yè),如對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求更高或多諧波的環(huán)境時(shí),如何選定鎖相環(huán)的參數(shù),進(jìn)而鞏固學(xué)生對(duì)鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)原則的掌握,同時(shí)讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚撡N近實(shí)際地進(jìn)行操作。
基于PSCAD/EMTDC軟件詳細(xì)介紹了離散鎖相環(huán)的建模及其控制器參數(shù)的設(shè)計(jì),暫態(tài)仿真驗(yàn)證了模型和參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性。對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)鎖相環(huán)相關(guān)內(nèi)容的過(guò)程中具有以下指導(dǎo)作用:
(1)通過(guò)在PSCAD中建立鎖相環(huán)電磁暫態(tài)模型,可加深學(xué)生對(duì)鎖相環(huán)原理的理解;通過(guò)對(duì)其控制器不同參數(shù)組合進(jìn)行仿真測(cè)試,可直觀展現(xiàn)鎖相環(huán)參數(shù)對(duì)鎖相性能的影響,這對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量大有裨益。
(2)利用仿真軟件易于實(shí)現(xiàn)離散采樣、插值等算法和繪制數(shù)據(jù)圖形的優(yōu)勢(shì),幫助學(xué)生更深刻地理解并掌握課程知識(shí),從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。
(3)通過(guò)搭建電磁暫態(tài)模型的自定義模塊以及應(yīng)用各元件庫(kù)元件,學(xué)生能夠了解并應(yīng)用當(dāng)前編程及仿真領(lǐng)域內(nèi)的主流軟件,有利于激發(fā)學(xué)生深入探索理論知識(shí)的興趣,拓寬應(yīng)用實(shí)踐技術(shù)的視野,提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。
(4)介紹的鎖相環(huán)是離散實(shí)現(xiàn)的,更貼合實(shí)際工程的應(yīng)用。對(duì)其進(jìn)行物理模型的搭建和對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,能更直觀更完整,進(jìn)而有效避免所授知識(shí)的寬泛化和概念化的現(xiàn)象。