亚洲国产第一区在线|国产日产高清欧美一区|欧美视频在线观看第一页|制服丝袜人妻无码每日更新|人妻无码系列一区二区三区|1234日韩无码一二三区|国产亚洲欧美日韩在线日本区|97国产精品视频人人做人人爱

一種簡約有效的微電網(wǎng)軟鎖相環(huán)研究

摘要——軟鎖相環(huán)( Soft Phase-locked Loop, SPLL)在現(xiàn)代工業(yè)控制尤其是電網(wǎng)相位鎖定中得到越來越多的應用。本文分析了SPLL的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，針對傳統(tǒng)SPLL運算量大、靈敏度低、不利于在數(shù)字處理器(Digital Signal Processor, DSP)上實現(xiàn)的缺點，提出了一種簡約有效的微電網(wǎng)SPLL：根據(jù)SPLL工作原理，結(jié)合坐標變換關系從結(jié)果出發(fā)，通過相角已鎖定的性質(zhì)來做逆向思考簡化控制算法；動態(tài)的計算SPLL的PI參數(shù)，以使鎖相功能動態(tài)響應更好、控制運算更簡單。理論分析、仿真分析都表明改進后的SPLL算法簡單，動態(tài)響應快。搭建實驗環(huán)境測試矢量控制效果，通過河南求同電氣科技有限公司（http://www.lykpe.com）研發(fā)的微電網(wǎng)實驗平臺交流并網(wǎng)系統(tǒng)進行實驗測試，結(jié)果表明此鎖相環(huán)快速、穩(wěn)定。能夠抑制電網(wǎng)電壓三相不平衡及諧波干擾，非常利于在DSP中實現(xiàn)。
關鍵詞——電網(wǎng)相位；軟鎖相環(huán)；河南求同電氣；電壓不平衡；微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)

I. 引言

電網(wǎng)電壓相位角是電網(wǎng)連接設備（如有源電力濾波器、不間斷電源、無功發(fā)生器、動態(tài)電壓恢復器、光伏分布式發(fā)電系統(tǒng)等）工作的關鍵參數(shù)，因此準確地獲取電網(wǎng)電壓相位角信息是設備正常運行的基本保障。
獲取電網(wǎng)相位角信息有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。開環(huán)控制策略中常用的是反正切函數(shù)法，依據(jù)檢測到的三相電壓經(jīng)過alphabet變換實時計算電壓相位，這種方法雖然操作簡單卻抗干擾能力差。目前最常用的是閉環(huán)方法，又稱鎖相環(huán)(Phase-locked Loop, PLL)。鎖相環(huán)通常采用過零比較法，這種方法在電網(wǎng)電壓不平衡、電網(wǎng)電壓畸變等條件下無法準確的鎖定相位角，且動態(tài)性能比較差。
針對微電網(wǎng)電壓波形相對較差的客觀情況，本文從節(jié)約現(xiàn)代工業(yè)控制所用DSP的運算量出發(fā)，提出了一種簡單實用且在動態(tài)響應、三相電壓不平衡的檢測、諧波抑制方面表現(xiàn)出色的改進型電網(wǎng)SPLL。通過河南求同電氣科技有限公司（http://www.lykpe.com）研發(fā)的微電網(wǎng)實驗平臺交流并網(wǎng)系統(tǒng)進行實驗測試，結(jié)果表明此鎖相環(huán)快速、穩(wěn)定。能夠抑制電網(wǎng)電壓三相不平衡及諧波干擾，非常利于在嵌入式工業(yè)控制平臺中實現(xiàn)。

II. 鎖相環(huán)工作原理

1、PLL基本結(jié)構(gòu)及工作原理

PLL一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器三部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，

圖1 基本鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖
其基本工作原理為：鑒相器用于比較電網(wǎng)電壓和鎖相環(huán)輸出信號的相位差，經(jīng)過環(huán)路濾波器和壓控振蕩器的調(diào)節(jié)作用使得兩者的相位差(θerr)盡可能的小。當θerr=0時，鎖相環(huán)輸出相位便是電網(wǎng)電壓相位，即θ’=θ。
PLL各組成部分均可以由多種實現(xiàn)方式，視具體應用環(huán)境及鎖相要求而定。
2、電網(wǎng)電壓SPLL的基本機構(gòu)和工作原理
SPLL是利用PLL鎖相原理，將鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等組件以軟件方式方式實現(xiàn)。隨著DSP運算能力的提高，非常有利于現(xiàn)代控制中實現(xiàn)。對三相電網(wǎng)，單相同步跟蹤的SPLL很難實現(xiàn)對電網(wǎng)相位的準確跟蹤，尤其是在電網(wǎng)三相不平衡條件下。相關文獻提出了一種基于瞬時無功理論的SPLL，其控制流程圖如圖2所示，

圖2 三相SPLL控制流程圖
SPLL在檢測三相電網(wǎng)電壓相位是基于坐標變換思想得來，假設電網(wǎng)電壓平衡，系統(tǒng)三相電壓為
(1)
式中，U為相電壓峰值；θ為U相相位。假設SPLL輸出相位為θ’，則利用SPLL鎖定角度進行標變換
(2)
式中ud、uq分別是三相電壓經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標變換得到的d、q軸電壓分量。由式(2)可知，令uq=0，則有
(3)
即(θ-θ’)=sin(θ-θ’)=0，實現(xiàn)了電網(wǎng)相電壓的鎖定。在電網(wǎng)電壓三相不平衡時，將電網(wǎng)電壓分解為正序、負序、零序分量的和
(4)
式中up、un、u0分別為電網(wǎng)電壓的正序、負序、零序分量。同樣的，對電壓分解后的結(jié)果進行正序、負序坐標變換，有
(5)
(6)
式中udq、uqp、udn、uqn分別表示電網(wǎng)三相電壓經(jīng)過正序、負序三相坐標變換得到的d、q軸分量；α、β分別表示正序、負序電壓相位跟蹤角度差。由式(5)和式(6)可知：電網(wǎng)電壓正序分量作正序坐標變換后，變成d、q軸上直流量，相應的負序分量變成倍頻后的交流量；電網(wǎng)負序分量作負序坐標變換后，變成d、q軸上直流量，相應的正序分量變成倍頻后的交流量。因此，參照圖2所示控制流程對三相電網(wǎng)電壓作正序坐標變換并令uq=0，經(jīng)過前向通道PI調(diào)節(jié)器的作用濾除高頻分量后SPLL能夠準確的實現(xiàn)鎖相功能。同樣的，對各次諧波通過上述處理后可以得到類似的結(jié)果。
在控制環(huán)路前向通道中添加濾波環(huán)節(jié)如果要濾除頻率為100Hz的交流分量，需要截至頻率比較低的低通濾波器。這樣會極大的影響電網(wǎng)相位鎖定的快速性。DSC技術分離的方法也需要有T/4 (T為三相電源基波周期) 的延時。通過dq坐標分離結(jié)果進行不平衡電壓相角前饋補償?shù)慕７椒?，受諧波影響且是一種基于負序分量有序提出的，模型不是很完善。

III. SPLL的改進方法

上述文獻中對SPLL算法的改進雖然在一定程度上使得系統(tǒng)在動態(tài)響應和濾波功能上實現(xiàn)折衷、不受電網(wǎng)電壓不平衡及諧波干擾的影響，但是復雜的控制方法(相位鎖定需要進行多次坐標變換)還是制約了SPLL在現(xiàn)代工業(yè)控制中的實際應用。且相應文獻中均沒有提到電網(wǎng)電壓幅值對SPLL的影響。本文在此基礎上，提出了2條改進措施，以便于在現(xiàn)代工業(yè)控制中應用并照顧到原有算法的優(yōu)點。
1、根據(jù)SPLL工作原理，結(jié)合電網(wǎng)電壓坐標變換關系從結(jié)果出發(fā)，通過相角已鎖定的性質(zhì)來做逆向思考簡化控制算法。
坐標變換關系如圖3所示，

圖3電網(wǎng)電壓矢量坐標變換示意圖
ua、ub、uc為電網(wǎng)相電壓在三相靜止坐標系中的正序分量；uα、uβ為電網(wǎng)電壓在等效兩相靜止坐標系中的正序分量；ud、uq為電網(wǎng)電壓在等效兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的正序分量。坐標變換的目的即是獲得電網(wǎng)電壓d、q軸分量，在強制uq=0的情況下實現(xiàn)鎖相。通過此控制思想做反向思考，則有在uq=0的條件下，θ’→θ，相位鎖定的情況下有θ’=θ。此時ud表示電壓矢量，有
(7)
結(jié)合角度觀測器的基本理論，及三角函數(shù)變換公式
(8)
應用到電網(wǎng)電壓相位跟蹤上，得到改進后的電網(wǎng)電壓SPLL控制流程圖如圖4所示，

圖4改進后三相SPLL控制流程圖
為了使鎖相環(huán)能夠在三項電網(wǎng)電壓不平衡的條件下鎖定電網(wǎng)電壓相位，可以進行雙dq變換消除高頻分量，如圖4中虛線框部分所示，鑒于運算量比較大，可以有選擇的在電網(wǎng)電壓不對稱易發(fā)微網(wǎng)區(qū)域投入此模塊。
不考慮系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采樣及計算造成的一階延時，在估算角度和實際電網(wǎng)角度相差很小的情況下，簡化后的改進型SPLL控制流程圖如圖5所示，

圖5改進后三相SPLL簡化控制流程圖
圖中U表示電網(wǎng)電壓的有效值，簡化后的SPLL閉環(huán)傳遞函數(shù)為
(9)
寫成典型二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)
(10)
式中ωn為閉環(huán)系統(tǒng)圓頻率；ξ為阻尼系統(tǒng)。因此可以確定SPLL中PI調(diào)節(jié)器參數(shù)
(11)
由式(11)可知，通過合理的kp、ki參數(shù)的選取就能夠獲得SPLL理想的動態(tài)響應及穩(wěn)態(tài)效果。但實際的問題是由于三項電網(wǎng)不平衡及諧波的影響電網(wǎng)電壓有效值U并不是一個恒定量，選取kp、ki參數(shù)為恒定值會影響SPLL的動態(tài)響應；另一方面，為了使此鎖相方法具有普適性，能夠在不同電壓等級場合應用，需要對此算法做進一步的改進。
使用參數(shù)歸一化的方法，對圖4中uα、uβ這一對變量進行歸一化。歸一化過程
(12)

uα`、uβ`分別表示歸一化的結(jié)果。但是這種歸一化運算涉及到多步除法、乘法、開根號運算，占用DSP運算時間，非常不利于在具備復雜控制功能的現(xiàn)代電網(wǎng)連接設備中應用。

2、合理利用電網(wǎng)連接設備所具有的電壓有效值檢測功能，實時動態(tài)的計算SPLL的kp、ki參數(shù)，以使鎖相功能動態(tài)響應更好。
現(xiàn)代電網(wǎng)連接設備一般都具備電網(wǎng)電壓有效值檢測功能或者是檢測電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波模塊后的直流母線電壓功能，合理利用這一點并將U值體現(xiàn)到kp、ki參數(shù)中，實現(xiàn)動態(tài)修正的PI控制。在U=10V條件下，通過仿真及樣機實驗的方式得到一對合適(kp，ki)參數(shù)(kp_10，ki_10)能夠使得SPLL動態(tài)特性和穩(wěn)定性，則在U值實時更新時（kp，ki）參數(shù)取值為((10/U) kp_10，(10/U)ki_10)。此時SPLL控制流程圖如圖6所示

圖6添加動態(tài)PI后的SPLL控制流程圖
歸一化運算和此處添加動態(tài)PI運算所需計算量對比如表1所示，表中沒有統(tǒng)計積分及求差運算，因為這些運算是兩者共有的。
表1兩種運算計算量統(tǒng)計 

通過對比可知，動態(tài)PI運算相對于歸一化省去了一步除法和一步開方運算，這兩種運算也是DSP運算中最費時的。

IV. 改進后SPLL的軟件仿真及實驗結(jié)果分析

1、改進后SPLL動態(tài)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定

使用Matlab中Simulink工具對添加動態(tài)PI調(diào)節(jié)器的簡化SPLL控制流程（圖6）進行軟件建模和仿真，根據(jù)典型的Ⅱ型系統(tǒng)的動態(tài)特性選擇一組參數(shù)，電網(wǎng)電壓有效值為10V時，ωn=500rad/s和ξ=0.6，0.9，1.6。在這種情況下，SPLL的PI調(diào)節(jié)器系數(shù)(kp_10，ki_10)分別為ki_10=25000，kp_10=40，80，160。當給定參考角度為90°的階躍信號時，階躍響應仿真結(jié)果如圖7所示
 
圖7 SPLL在輸入相角為90°時的階躍響應
從仿真結(jié)果可知，選取(kp_10，ki_10)值為（160，25000）時能夠得到動態(tài)響應特性好，輸出響應穩(wěn)定的SPLL。此時，有圖7可以看到，上升時間約1.3ms，調(diào)整時間約8ms，超調(diào)量10%以內(nèi)，因此確定此對參數(shù)為最佳PI參數(shù)。在U值實時更新時（kp，ki）參數(shù)取值為
(13)
2、SPLL電網(wǎng)電壓正常條件下鎖相功能仿真分析
使用Simulink工具對改進后三相SPLL控制流程（圖4，添加動態(tài)PI調(diào)節(jié)器）進行軟件建模和仿真。當給定輸入三相電網(wǎng)相電壓的有效值分別為220V和50V，基波正序分量頻率為50Hz，三相電網(wǎng)電壓及SPLL輸出（鎖定U相電壓相位）仿真結(jié)果如圖8所示
 

(a)輸入電壓為220V
 

(b)輸入電壓為50V
圖8 電網(wǎng)三相電壓及SPLL輸出
本文采用余弦表示的三相電壓相量，因此鎖相環(huán)鎖定零度應該對應余弦函數(shù)的最大值。從圖8可知，在不同三相電網(wǎng)電壓的有效值有效值輸入時， SPLL均能快速準確的鎖定U相電壓相位。
3、SPLL在電網(wǎng)電壓三相不平衡及諧波污染情況下鎖相功能仿真
輸入三相電網(wǎng)相電壓正序分量有效值220V，負序分量有效值35V(頻率均為50Hz)，SPLL鎖定U相相位角輸出仿真結(jié)果如圖9(a)所示；輸入三相電網(wǎng)相電壓有效值為220V，諧波分量為1.2kHz，SPLL鎖定U相相位角輸出仿真結(jié)果如圖9(b)所示

(a)三相電壓不平衡，負序電壓有效值50V

(b)諧波頻率1.2kHz
圖9 電網(wǎng)三相電壓不平衡及諧波污染條件下SPLL仿真
從圖9仿真結(jié)果可知，電網(wǎng)三相電壓不平衡及存在諧波干擾時， SPLL也都能能快速準確的鎖定U相電壓相位。
4、改進后的SPLL實驗驗證
實驗環(huán)境三相電網(wǎng)測量相電壓不方便，因此用采樣線電壓替代相電壓。根據(jù)相電壓和線電壓之間的相位關系，將改進后的SPLL鎖定線電壓uab相位角的基礎上減去30°即得到U相的相位角。
實驗平臺采用河南求同電氣科技有限公司（http://www.lykpe.com/）的微電網(wǎng)之交流并網(wǎng)系統(tǒng)，如圖10所示。


圖10 河南求同電氣交流并網(wǎng)系統(tǒng)
嵌入式平臺編程實現(xiàn)改進后的SPLL程序，輸入三相電網(wǎng)線電壓電壓有效值分別為35V、400V(對應的相電壓為20V、230V)的實驗條件下，SPLL輸出U相相位角經(jīng)過DSP模擬通道DA外送至示波器觀測，同樣的記錄相對應的記錄線電壓uab波形，波形圖如圖11所示，橫坐標表示時間，每格20ms；1通道表示實測電網(wǎng)線電壓波形，圖10(a)中每格表示50V，圖10(b)中每格表示250V(如示波器通道號后標志)；4通道表示DSP模擬通道DA外送SPLL鎖相角度，每格表示100°。
 
(a)電網(wǎng)線電壓有效值35V
(b)電網(wǎng)線電壓有效值400V
圖11 不同電網(wǎng)電壓下SPLL實驗結(jié)果
從圖10實驗結(jié)果可知，當線電壓最大值時，SPLL鎖定U相電壓相位角為-30°，滿足計算結(jié)果。在不同電壓等級情況下， SPLL能能準確的鎖定U相電壓相位。(圖中SPLL輸出為-30°——330°，是因為DSP寄存器所存數(shù)據(jù)有限，需要通過逐個周期計算來確定相角。)

V. 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)SPLL控制算法復雜，不利于在現(xiàn)代工業(yè)控制中實現(xiàn)的缺點，提出了兩條改進措施。理論分析、仿真分析、都表明改進后的SPLL算法簡單，動態(tài)響應快，能夠抑制電網(wǎng)電壓三相不平衡及諧波干擾。通過河南求同電氣科技有限公司（http://www.lykpe.com）研發(fā)的微電網(wǎng)實驗平臺交流并網(wǎng)系統(tǒng)進行實驗測試，結(jié)果表明此鎖相環(huán)快速、穩(wěn)定。能夠抑制電網(wǎng)電壓三相不平衡及諧波干擾，非常利于在嵌入式工業(yè)控制平臺中實現(xiàn)。適用于有源電力濾波器、不間斷電源、無功發(fā)生器、動態(tài)電壓恢復器、光伏分布式發(fā)電系統(tǒng)等電網(wǎng)連接設備。


附圖 河南求同電氣科技有限公司微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)
http://www.lykpe.com




寫留言
寫留言
留言

    暫無留言