電能變換--鎖相環(huán)

鎖相環(huán)，顧名思義，基本功能是實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)相位的跟蹤和鎖定。在交流變換器中，為了實(shí)現(xiàn)變換器有功功率和無功功率的輸出的可控，需要實(shí)時(shí)獲取交流側(cè)的電壓相位信息。鎖相環(huán)的性能也是直接影響到變換器的穩(wěn)定性。

從實(shí)現(xiàn)方式上，分為軟件鎖相環(huán)和硬件鎖相環(huán)，從應(yīng)用場合上又主要分為單相鎖相環(huán)和三相鎖相環(huán)。本文主要介紹軟件的鎖相方案。

過零鎖相

過零鎖相是一種簡單的開環(huán)的鎖相技術(shù)，基本原理是通過實(shí)時(shí)檢測網(wǎng)側(cè)電壓的過零點(diǎn)和頻率信息來跟蹤電網(wǎng)的相位，進(jìn)位實(shí)現(xiàn)鎖相。原理圖如下所示

在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用互感器，也可以直接用分壓電阻獲取交流信號(hào)。這里面比較重要的就是過零檢測電路，個(gè)人認(rèn)為比較好的方案還是使用運(yùn)算放大器組成一個(gè)比較器來實(shí)現(xiàn)過零比較。檢測電路輸出端接到單片機(jī)，利用輸入捕獲功能，通過讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值即可知道相位。

閉環(huán)鎖相

乘法鑒相法是比較基本的閉環(huán)鎖相法。其控制回路一般由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓強(qiáng)振蕩器(VCO)組成，如下圖所示：

其中鑒相器采用乘法器，將輸入信號(hào)vi和輸出信號(hào)vo進(jìn)行相位比較從而輸出誤差電壓vd。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓中的二次諧波分量和噪聲，以確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。壓強(qiáng)振蕩器的作用是完成電壓/頻率的轉(zhuǎn)換，即壓強(qiáng)震蕩器的輸出信號(hào)頻率與誤差電壓vd的大小成正比。

基于二階廣義積分的鎖相環(huán)

四分之一周期延時(shí)法、全通濾波器法以及微分法在構(gòu)建虛擬正交分量的原 理，然而這些方法都存在一些問題，比如動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、對(duì)電流諧波敏感、系 統(tǒng)穩(wěn)定性差等。采用二階廣義積分(Second-orderGeneralized Integrator,以下簡稱 SOGI)法構(gòu)建虛擬正交分量，SOGI 法結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸 入信號(hào)的 90°相角偏移時(shí)響應(yīng)速度快，濾波性能好，可以改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。 SOGI 法在 s 域的傳遞函數(shù)為

式中 k 為阻尼系數(shù)，是輸入信號(hào)與反饋信號(hào)差值的放大系數(shù)，k值的大小 直接影響 SOGI 的性能，性能最優(yōu)時(shí)取值為 k=1.57。ω 為 SOGI 的諧振頻率，應(yīng)與被跟蹤的交流信號(hào)頻率一致，SOGI 原理框圖如下圖所示：

將上述的傳遞函數(shù)在 MATLAB 上畫出伯德圖，由圖可得，系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)頻率為 50HZ 的信號(hào)有很大的增益，對(duì)不等于 50HZ 的信 號(hào)有很好的削弱作用。同時(shí)可以看到，SOGI 輸出的信號(hào)在相位上相差 90 度， 輸出一對(duì)正交分量。

當(dāng)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中包含正弦信號(hào)的s 域模型時(shí)，可以使控制系統(tǒng) 在某一頻率處的控制增益趨于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率為 ω 的給定正弦信號(hào) 的無靜差跟蹤。此外，由于系統(tǒng)只能跟蹤相應(yīng)頻率的正弦信號(hào)，對(duì)其它頻率的諧波信號(hào)起到濾波作用，所以系統(tǒng)與帶通濾波器的作用效果是等效的，從而使系統(tǒng)具有更好的濾波性能。需要注意的是，當(dāng)SOGI 的諧振頻率與交流信號(hào)的 頻率不相等的時(shí)候，SOGI 的輸出就會(huì)存在跟蹤誤差。所以，SOGI 的諧振頻 率需要跟隨鎖相環(huán)輸出頻率而變化。

二階廣義積分只能產(chǎn)生正交向量，還需要將這組正交亮進(jìn)行Park變換，然后將q軸的分量作為實(shí)際值，0為目標(biāo)值進(jìn)行PI運(yùn)算，得到的結(jié)果與目標(biāo)頻率相加，就得到了相應(yīng)的角頻率，經(jīng)過積分后就是正弦信號(hào)的角度,具體過程與三相的鎖相過程相似。原理圖如下圖所示

三相電的鎖相-單同步坐標(biāo)系

三相的鎖相一般使用單同步坐標(biāo)系的方法進(jìn)行鎖相，實(shí)際電壓矢量以同步坐標(biāo)系中的d軸定向，顯然當(dāng)鎖相環(huán)準(zhǔn)確鎖相的時(shí)候Vpll應(yīng)該和V是完全重合。如果沒有重合，Vpll就會(huì)在d軸產(chǎn)生分量。

控制原理圖如下圖所示

這里沒有把Vq與零做差，PI控制器的參數(shù)應(yīng)該負(fù)的。

首先對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行Clark 變換（ abc→αβ）和Park 變換（ αβ--dq）變換，即將三相靜止abc 坐標(biāo)系的電壓變量變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的電壓變量，這種變換的優(yōu)勢(shì)在于能將三相靜止abc坐標(biāo)系的中正弦量變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)d坐標(biāo)系中的直流量。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，根據(jù)鎖相環(huán)工作的基本性能要求，即必須使矢量Vpll、V完全重合才能實(shí)現(xiàn)相位鎖定，顯然只要通過閉環(huán)控制，使Vq=0即可實(shí)現(xiàn)鎖相。實(shí)際上，在上圖所示的結(jié)構(gòu)中，將Vq輸人PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)頻率鎖定時(shí)，Vq必為一直流量，由于PI調(diào)節(jié)器具有直流無靜差調(diào)節(jié)特性，因此通過對(duì)Vq的PI調(diào)節(jié)，即可使Vq趨于零，從而實(shí)現(xiàn)鎖相。而將PI調(diào)節(jié)器的輸出與實(shí)際電網(wǎng)額定頻率相疊加以獲得鎖相環(huán)的輸出頻率。