一種新型的鎖相技術(shù)—柔性鎖相環(huán)路及其控制方案研究

摘要：動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是一種新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，它能有效抑制電網(wǎng)電壓波動對敏感負載的影響。介紹了應(yīng)用于DVR的一種新型的鎖相技術(shù)—柔性鎖相環(huán)路〔soft phase locked loop(SPLL)〕和以此為基礎(chǔ)的控制方案。

關(guān)鍵詞：動態(tài)電壓恢復(fù)器；鎖相技術(shù)；電壓跌落

1    概述

    動態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamic voltage restorers簡稱DVR）是一種保證電網(wǎng)供電質(zhì)量的新型電力電子設(shè)備，主要用于補償供電電網(wǎng)產(chǎn)生的電壓跌落，閃變和諧波等。它的基本結(jié)構(gòu)和在電網(wǎng)中的接入方式如圖1所示。DVR本身相當(dāng)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(dāng)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(fù)器的結(jié)構(gòu)和連接圖

    DVR的主要補償對象是電網(wǎng)電壓的跌落，閃變和諧波，因此，要求其控制系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的響應(yīng)速度，同時，對畸變的輸入電壓應(yīng)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(chǔ)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(cè)畸變電壓的目的，則獲得電源側(cè)電壓的相位是首要的任務(wù)。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(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)較為容易，但動態(tài)響應(yīng)速度慢，對畸變電壓的抑制較差；最小二乘法動態(tài)響應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)起來較為困難。

    本文介紹的SPLL結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)速度快，對畸變輸入電壓有很強的抑制作用。

    SPLL的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。把三相輸入電壓采樣后做32變換，即把電壓轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系中。再經(jīng)pq變換得到u_q，變換所使用的角度是鎖相的輸出θ^＊，u_q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(diào)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(shè)輸入三相電壓為

    u_a=U_sin(ω₁t＋φ)

    u_b=U_sin(ω₁t－＋φ)（1）

    u_c=U_sin(ω₁t－＋φ)

式中：ω₁為角頻率；

            φ為相位。

    經(jīng)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，u_q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u_q=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。可以看出，只有頻率和相位完全捕獲的情況下才有u_q=0，所以通過把u_q調(diào)節(jié)為0，就可以達到鎖相的目的，該結(jié)構(gòu)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(fù)位一次。
 假設(shè)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(jié)果沒有影響，所以不予考慮。此時的三相電壓為