一种新型的锁相技术—柔性锁相环路及其控制方案研究

1    概述

    动态电压恢复器（dynamic voltage restorers简称DVR）是一种保证电网供电质量的新型电力电子设备，主要用于补偿供电电网产生的电压跌落，闪变和谐波等。它的基本结构和在电网中的接入方式如图1所示。DVR本身相当于一个受控电压源[1]，它可在电源和敏感负载之间插入一个任意幅值和相位的电压。当电源电压畸变时，通过改变DVR的电压，达到稳定敏感负载电压的目的。

图1    动态电压恢复器的结构和连接图

    DVR的主要补偿对象是电网电压的跌落，闪变和谐波，因此，要求其控制系统应具有足够的响应速度，同时，对畸变的输入电压应具有很强的抑制作用。本文提出的基于瞬时无功理论[3]的柔性锁相环路（SPLL）[4]和以此为基础的控制方案能够很好地达到这一要求。

2    柔性锁相环路

    为实现以DVR补偿电源侧畸变电压的目的，则获得电源侧电压的相位是首要的任务。获得相位信息的方法有过零比较，最小二乘法，小波分析等多种方法。过零比较结构简单，实现较为容易，但动态响应速度慢，对畸变电压的抑制较差；最小二乘法动态响应速度快，能准确地锁定正序电压的相位，但输入电压存在谐波时性能较差；小波分析性能较好，但结构复杂，实现起来较为困难。

    本文介绍的SPLL结构比较简单，动态响应速度快，对畸变输入电压有很强的抑制作用。

    SPLL的基本结构如图2所示。把三相输入电压采样后做32变换，即把电压转换到αβ坐标系中。再经pq变换得到u_q，变换所使用的角度是锁相的输出θ^＊，u_q的值代表输入电压a相相位和锁相输出相位θ^＊的差，然后利用一个PI环节将该差调整到零，从而达到相位捕获的目的。下面对原理做详细阐述。

图2    SPLL的控制流程图

    如果输入三相电源电压中仅含三相基波正序，则设输入三相电压为

    u_a=U_sin(ω₁t＋φ)

    u_b=U_sin(ω₁t－＋φ)（1）

    u_c=U_sin(ω₁t－＋φ)

式中：ω₁为角频率；

            φ为相位。

    经过C₃₂变换由三相变至两相，有

    ==（2）

    如果，此时锁相环输出的角频率为ω，相位为0，则利用锁相环输出的角度进行pq变换，有

    ==（3）

    频率没有锁定时，u_q是一个交流分量，在频率锁定，相位没有锁定时，它是一个直流分量，其大小代表锁相输入与输出之间的相位差信息。在频率，相位完全捕获的情况下，有ω₁=ω，φ=0，此时u_q=0，它是恒定的直流分量，而且它并不随电源电压幅值的变化而变化。可以看出，只有频率和相位完全捕获的情况下才有u_q=0，所以通过把u_q调节为0，就可以达到锁相的目的，该结构利用PI环节达到这一目的。同时，因在数字系统中正弦和余弦的值靠查表得到，所以θ^＊的值不能太大，故每隔一个工频周期复位一次。 [page]

 假设三相输入电源电压畸变即电压中含有零序、负序和谐波分量。对于零序，做C₃₂变换后其值为0，对结果没有影响，所以不予考虑。此时的三相电压为

4    试验结果

    以一台三相四线制6kW的DVR为平台，对该控制方案进行试验验证。控制方案的实现采用TI公司的DSP2000系列的C32。利用此装置进行电压跌落下的锁相和补偿试验。

    图6是三相输入电压中a相电压和锁相输出的电压波形，可以看出，该锁相方式具有很快的响应速度，很好的精度，并且对畸变电压有很强的抑制作用。

图6    a相输入电压和SPLL输出

    图7是采用本文所提出的控制方案时，补偿电压跌落的试验结果。可以看出，此时负载电压和网侧电压同相位，网侧的电压跌落和谐波得到了很好的补偿。

图7    网侧电压和补偿后的负载电压

5    结语

    本文提出了一种以瞬时无功理论为基础的锁相方式——SPLL和以此为基础的控制方案，由理论分析和试验验证可以看出SPLL的动态响应速度快，同时，对畸变输入电压有很强的抑制作用，而控制方案具有物理意义明显，动态响应速度快，控制灵活简便和补偿效果好等优点。该方案对DVR控制方案的研制提供了一种新的选择。