《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
何松原1,陳 榮1,2
1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院,江蘇 鹽城224051
摘要: 針對傳統(tǒng)鎖相環(huán)精度差、速度慢等問題,利用互感器實現(xiàn)了一種基于預(yù)測電流無差拍方法的改進功率解耦控制的數(shù)字鎖相環(huán),很好地解決三相逆變器在并網(wǎng)運行時鎖相問題。仿真分析和實驗結(jié)果表明,該數(shù)字鎖相環(huán)在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時,能快速準(zhǔn)確跟蹤上電網(wǎng)電壓相位,證實此方法在逆變器并網(wǎng)鎖相時具有良好的效果。
中圖分類號: TM464
文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.033
中文引用格式: 何松原,陳榮. 基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(2):137-139,144.
英文引用格式: He Songyuan,Chen Rong. Design of digital phase-locked loop based on transformer[J].Application of Electronic Technique,2017,43(2):137-139,144.
Design of digital phase-locked loop based on transformer
He Songyuan1,Chen Rong1,2
1.School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China; 2.School of Electrical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China
Abstract: A novel digital phase-locked loop was realized based on transformer combined with the method of predictive current deadbeat improved decoupling control, aiming at the problem of traditional analog phase-locked loop with low precision and slow speed. which can solve the problem of phase locked. The digital phase-locked loop can follow the voltage phase quickly and accurately when grid voltage changes, good performance in phase locked of the control method are verified by simulation and experimental results.
Key words : transformer;deadbeat;phase-locked loop;inverter

0 引言

    在新能源并網(wǎng)發(fā)電中,鎖相環(huán)的應(yīng)用非常廣泛。逆變器的并網(wǎng)就需要傳感器對電網(wǎng)相位、頻率信息的采集,然后進行A/D轉(zhuǎn)換。如何對電網(wǎng)電壓信息準(zhǔn)確快速地獲取成為并網(wǎng)逆變器研究的焦點。傳統(tǒng)的硬件鎖相環(huán)由硬件電路對電壓的過零點檢測,雖成本較低且易于實現(xiàn),但易受外界條件的干擾且精度不高。為了使逆變器在并網(wǎng)時輸出電流能快速準(zhǔn)確地跟蹤上電網(wǎng)電壓相位,數(shù)字化鎖相技術(shù)應(yīng)運而生[1-3]。鎖相環(huán)的作用在于產(chǎn)生相位角,使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相,同時實時計算電網(wǎng)的當(dāng)前相位以便進行坐標(biāo)變換來完成電流內(nèi)環(huán)解耦[4]。本文利用互感器實現(xiàn)了基于預(yù)測電流無差拍方法結(jié)合改進的解耦方法和空間矢量調(diào)制的策略[5-6],很好地解決三相逆變器在并網(wǎng)運行時鎖相問題。在MATLAB/Simulink軟件下搭建模型并進行仿真驗證,仿真和實驗結(jié)果證實基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)在鎖相精度和速度方面具有良好的效果。

1 逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

    逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,直流側(cè)一般由兩個支撐電容[7]串聯(lián)而成,起到穩(wěn)定母線電壓,吸收紋波電流、功率解耦、均壓等作用。而在實際應(yīng)用中,還需在每個電容兩端 并聯(lián)一定阻值的均壓電阻,其作用一是進一步解決均壓的問題,二是在系統(tǒng)停機時,可以提供一個能量釋放的通道,所以這個電阻可以稱為均壓電阻或釋放電阻。

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    樣機設(shè)計功率1.2 kVA,支撐電容的計算有多種方法,目前還沒有統(tǒng)一的定論,本設(shè)計根據(jù)式(1)方法計算,得Cd為332 μF,選擇兩只450 V/1 000 μF電解電容串聯(lián),等效電容容值500 μF,泄放電阻選擇10W30KJ。

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    本設(shè)計對電網(wǎng)電壓信息的采集依賴互感器實現(xiàn),互感器是一種利用電磁感應(yīng)原理對信號采集的傳感器[8]。電壓互感器原理上是電流型電壓互感器,所以電壓檢測電路與電流檢測電路類似,參數(shù)設(shè)置也可以參考。以電流檢測電路為例,如圖2所示。

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    電流互感器初級串聯(lián)在輸出電路中,次級近似短路狀態(tài),第一級將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號;第二級是為后加運放提供一個基準(zhǔn)電壓;第三級是一個差分放大電路,放大電壓信號;最后一級為電壓跟隨,起阻抗變換作用,提高電路帶負載能力,A/D輸入利用鉗位二極管使得電壓鉗位在3.3 V。

    對于電網(wǎng)頻率的采集使用的是過零檢測電路,根據(jù)電網(wǎng)的檢測信號設(shè)置A/D采樣頻率,兩個零點之間的 時間就是電網(wǎng)的周期,過零檢測電路如圖3所示。

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    過零檢測電路第一級與電路檢測電路作用相同,將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?;第二級LM339是比較器,將正弦信號轉(zhuǎn)變頻率相同的-5 V~+5 V的方波信號;第三級是一個反相器,將信號轉(zhuǎn)換為0~5 V的方波信號;然后經(jīng)過第四級第五級限幅反向送入到DSP中,控制DSP是上升沿出發(fā)還是下降沿出發(fā)就可以獲得相應(yīng)的頻率,鉗位二極管起到保護I/O口的作用。

2 無差拍功率解耦控制

    對于圖1根據(jù)KVL可得,

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    根據(jù)式(4)離散化處理后進行無差拍跟蹤控制,電壓外環(huán)PI控制,電流內(nèi)環(huán)無差拍控制[9],采用無差拍有利于數(shù)字化控制的實現(xiàn)。

    對式(2)進行abc/dp變換,可得與電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型:

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式中,ud,uq為逆變器輸出電壓矢量的dq分量;ed,eq為三相電網(wǎng)電壓矢量的dq分量;id,iq為逆變器輸出電流矢量的dq分量;ω為電網(wǎng)電壓角頻率。

    式(5)可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓不僅影響軸電流,而且受交叉耦合影響,所以要對dq軸的電流解耦[10]。

    在ea,eb,ec平衡狀態(tài)下,電網(wǎng)電壓矢量選取直軸方向定向,即ed=ES,eq=0,通過對ud和id的調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)輸出有功功率。電網(wǎng)電壓合成矢量Es,電感上的電壓矢量VL,電阻電壓矢量VR,并網(wǎng)電流矢量Is,功率因數(shù)角dy1-t4-s1.gif,空間矢量圖如圖4所示。

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    代入式(5)可得:

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    傳統(tǒng)解耦框圖如圖5所示,利用PI調(diào)節(jié)器完成輸出電流對參考電流的直交軸分別跟蹤。

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    改進的解耦方法直接引入?yún)⒖茧娏鞯慕怦?,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度更快,且不含有橋臂脈動分量,避免了脈動分量之間的耦合,從而提高了入網(wǎng)電流質(zhì)量[11]。改進交流電流內(nèi)環(huán)解耦框圖如圖6所示。

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    解耦后功率為:

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式中,P為有功功率,Q為無功功率。這樣就實現(xiàn)了功率解耦控制,從逆變器側(cè)來看,若直軸電流為正,交軸電流為零,輸出能量全部為有功功率,為單位功率因數(shù)逆變;若直軸電流為正,交軸為負,可以實現(xiàn)對電網(wǎng)無功補償。改變直交軸電流分量,就能夠調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率和電能質(zhì)量。

3 實驗

    為了更好地驗證該控制策略的可行性和可靠性,研制了一臺1.2 kVA樣機,處理器使用了TI公司的TMS320F2812,驅(qū)動芯片使用了IR公司的IR2132,功率器件使用了IR公司型號為IRFP460的MOSFET。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致。 

    當(dāng)開關(guān)頻率為10 kHz時,逆變器輸出電壓波形如圖7所示,可以看出,由于開關(guān)頻率不夠高,濾波器參數(shù)不適配,峰頂有包絡(luò),高頻分量多,此時含有較多的諧波分量;當(dāng)開關(guān)頻率為20 kHz時,逆變器輸出電壓波形如圖所示,可以看出,此時波形明顯好于10 kHz,此時濾波電感為3 mH,濾波電容2.2 μF。

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    圖8(a)是M為0.9時的濾波前電壓波形。圖8(b)是輸出電壓和輸出電流波形,調(diào)制比M由逆變器輸出相電壓與直流母線電壓共同決定的,一般情況下盡可能地使調(diào)制比接近于1。

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    圖9(a)為電網(wǎng)電壓過零點檢測時測出的波形,從圖中可以看出,電網(wǎng)電壓和方波電壓頻率一致,從而可以利用DSP捕獲中斷捕獲上升沿或者下降沿信號獲取電網(wǎng)頻率信息。圖9(b)為電網(wǎng)電壓鎖相角,實驗波形是通過DSP將角度轉(zhuǎn)換成正值從DA口顯示出來。從波形可以看出,該鎖相角的變化范圍從0到2π。

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    由于基于電流預(yù)測無差功率解耦控制策略將電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流實現(xiàn)了雙閉環(huán)控制,解耦后可以通過控制id和iq從而調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的輸出能量和功率因數(shù),達到了調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率和電能質(zhì)量的效果。

4 結(jié)論

    本文從理論和實驗上分析和驗證了基于互感器的數(shù)字鎖相環(huán)可行性,結(jié)合電流預(yù)測無差拍方法和空間矢量調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到1.2 kVA樣機中。從仿真和實驗結(jié)果來看,該方法對于并網(wǎng)鎖相有很強的適用性,同時也可以看出該數(shù)字鎖相環(huán)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性,可以實現(xiàn)對給定電流進行快速精確地跟蹤,鎖相波形效果良好。

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作者信息:

何松原1,陳  榮1,2

(1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院,江蘇 鹽城224051)

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