一種新型的鎖相技術—柔性鎖相環(huán)路及其控制方案研究
摘要：動態(tài)電壓恢復器（DVR）是一種新型電能質量調節(jié)裝置，它能有效抑制電網電壓波動對敏感負載的影響。介紹了應用于DVR的一種新型的鎖相技術—柔性鎖相環(huán)路〔soft phase locked loop(SPLL)〕和以此為基礎的控制方案。 關鍵詞：動態(tài)電壓恢復器；鎖相技術；電壓跌落 1 概述 動態(tài)電壓恢復器（dynamic voltage restorers簡稱DVR）是一種保證電網供電質量的新型電力電子設備，主要用于補償供電電網產生的電壓跌落，閃變和諧波等。它的基本結構和在電網中的接入方式如圖1所示。DVR本身相當于一個受控電壓源[1]，它可在電源和敏感負載之間插入一個任意幅值和相位的電壓。當電源電壓畸變時，通過改變DVR的電壓，達到穩(wěn)定敏感負載電壓的目的。 圖1 動態(tài)電壓恢復器的結構和連接圖 DVR的主要補償對象是電網電壓的跌落，閃變和諧波，因此，要求其控制系統(tǒng)應具有足夠的響應速度，同時，對畸變的輸入電壓應具有很強的抑制作用。本文提出的基于瞬時無功理論[3]的柔性鎖相環(huán)路（SPLL）[4]和以此為基礎的控制方案能夠很好地達到這一要求。 2 柔性鎖相環(huán)路 為實現(xiàn)以DVR補償電源側畸變電壓的目的，則獲得電源側電壓的相位是首要的任務。獲得相位信息的方法有過零比較，最小二乘法，小波分析等多種方法。過零比較結構簡單，實現(xiàn)較為容易，但動態(tài)響應速度慢，對畸變電壓的抑制較差；最小二乘法動態(tài)響應速度快，能準確地鎖定正序電壓的相位，但輸入電壓存在諧波時性能較差；小波分析性能較好，但結構復雜，實現(xiàn)起來較為困難。 本文介紹的SPLL結構比較簡單，動態(tài)響應速度快，對畸變輸入電壓有很強的抑制作用。 SPLL的基本結構如圖2所示。把三相輸入電壓采樣后做32變換，即把電壓轉換到αβ坐標系中。再經pq變換得到uq，變換所使用的角度是鎖相的輸出θ＊，uq的值代表輸入電壓a相相位和鎖相輸出相位θ＊的差，然后利用一個PI環(huán)節(jié)將該差調整到零，從而達到相位捕獲的目的。下面對原理做詳細闡述。
圖2 SPLL的控制流程圖 如果輸入三相電源電壓中僅含三相基波正序，則設輸入三相電壓為 ua=Usin(ω1t＋φ) ub=Usin(ω1t－＋φ)（1） uc=Usin(ω1t－＋φ) 式中：ω1為角頻率； φ為相位。 經過C32變換由三相變至兩相，有 ==（2） 如果，此時鎖相環(huán)輸出的角頻率為ω，相位為0，則利用鎖相環(huán)輸出的角度進行pq變換，有 ==（3） 頻率沒有鎖定時，uq是一個交流分量，在頻率鎖定，相位沒有鎖定時，它是一個直流分量，其大小代表鎖相輸入與輸出之間的相位差信息。在頻率，相位完全捕獲的情況下，有ω1=ω，φ=0，此時uq=0，它是恒定的直流分量，而且它并不隨電源電壓幅值的變化而變化?？梢钥闯?，只有頻率和相位完全捕獲的情況下才有uq=0，所以通過把uq調節(jié)為0，就可以達到鎖相的目的，該結構利用PI環(huán)節(jié)達到這一目的。同時，因在數(shù)字系統(tǒng)中正弦和余弦的值靠查表得到，所以θ＊的值不能太大，故每隔一個工頻周期復位一次。 ua=[U1nsin(nω t＋φ1n)＋U2nsin(nωt＋φ2n)] ub=[U1nsin(nωt＋φ1n－120°)＋U2nsin(nω t＋φ2n＋120°)] uc=[U1nsin(nωt＋φ1n＋120°)＋U2nsin(nω t＋φ2n－120°)](4) 式中：下標為1的表示正序，下標為2的表示負序； n表示諧波次數(shù)(當n等于1時表示基波)； U表示電壓有效值； φ表示初相角； ω為電網電壓角頻率。 從而可以得到 uq=U1nsin[(n－1)ωt＋φ1n]－U2nsin[(n＋1)ωt＋φ2n]（5） 由式（5）可以看出，僅有基波正序轉換為直流分量，其他分量經過轉換都是頻率較高的分量。經過濾波，將這些高頻分量濾除，則SPLL的輸出就不受負序、零序和諧波的影響。這就保證了在畸變輸入電壓的情況下，SPLL能夠正確地鎖定輸入電壓的基波正序。關于濾波，因系統(tǒng)中存在兩個積分環(huán)節(jié)，對高頻分量有較強的抑制作用，所以，一般不需要額外的濾波環(huán)節(jié)。但是當在三相輸入電壓嚴重不平衡時，負序分量很大，若要將其完全濾除，所需時間較長，從而影響系統(tǒng)的動態(tài)響應時間。為此，可在pq后加入一個濾波環(huán)節(jié)來加速負序分量的濾除，如圖3所示，從而在保證濾除負序分量的情況下，系統(tǒng)有較短的動態(tài)響應時間。
圖3 改進的SPLL結構框圖 3 以SPLL為基礎的控制方案 由式（3）可知，uq代表輸入電壓的相位信息，up代表輸入電壓的幅值信息。在相位鎖定的情況下，前者為零，后者是一僅和幅值有關的直流分量。利用uq構建SPLL達到鎖相的目的，而利用up可將理想負載電壓轉換為一常數(shù)和實際輸入的電源側電壓經轉換后相減，得到有功分量上需要補償?shù)闹?，再經反變換即可得到最終的指令。其控制框圖如圖4所示。 圖4 利用瞬時無功獲得指令 圖4中的上半部分是SPLL，它保證準確的鎖定電源側畸變輸入電壓的基波正序相位；下半部分是為保持負載電壓有恒定的幅值。這種方案對電壓的幅值和相位分開考慮，物理意義比較明顯。而且，若目標補償電壓的幅值改變，僅須對目標輸入up＊進行修改，所以比較靈活。如果使用空間矢量PWM調制（SVPWM）就不須對指令進行反變換，從而節(jié)省大量資源，該方案就更為適用。 使用這種控制方案，得到DVR的補償指令，通過三角波比較等跟蹤方式控制逆變器的工作，即可達到補償畸變電壓的目的。其流程如圖5所示。 圖5 DVR工作流程圖 4 試驗結果 以一臺三相四線制6kW的DVR為平臺，對該控制方案進行試驗驗證。控制方案的實現(xiàn)采用TI公司的DSP2000系列的C32。利用此裝置進行電壓跌落下的鎖相和補償試驗。 圖6是三相輸入電壓中a相電壓和鎖相輸出的電壓波形，可以看出，該鎖相方式具有很快的響應速度，很好的精度，并且對畸變電壓有很強的抑制作用。
圖6 a相輸入電壓和SPLL輸出 圖7是采用本文所提出的控制方案時，補償電壓跌落的試驗結果?？梢钥闯觯藭r負載電壓和網側電壓同相位，網側的電壓跌落和諧波得到了很好的補償。 圖7 網側電壓和補償后的負載電壓 5 結語 本文提出了一種以瞬時無功理論為基礎的鎖相方式——SPLL和以此為基礎的控制方案，由理論分析和試驗驗證可以看出SPLL的動態(tài)響應速度快，同時，對畸變輸入電壓有很強的抑制作用，而控制方案具有物理意義明顯，動態(tài)響應速度快，控制靈活簡便和補償效果好等優(yōu)點。該方案對DVR控制方案的研制提供了一種新的選擇。
假設三相輸入電源電壓畸變即電壓中含有零序、負序和諧波分量。對于零序，做C32變換后其值為0，對結果沒有影響，所以不予考慮。此時的三相電壓為
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