基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器

2011-07-08 17:35:26来源: 互联网

   随着工业自动化程度的日益提高,电力用户对安全、环保、可控、高质量的电能需求不断增长。三相电压型PWM整流器利用电容作为储能元件,与传统不可控二极管整流器相比,具有网侧功率因数可控、直流侧电压稳定、能量双向流动等优点,因此,在工程中得到了广泛应用[1-4]。
    为获得PWM整流器的控制信号,需要利用网侧电压的相位进行坐标变换,但是在三相电网电压频率偏移时,普通锁相环存在响应速度慢、锁相精度差等缺点。参考文献[5]提出一种改进的锁相环,即锁相环输入是三相电压的某一相,并在采样环节前加入了延迟环节,改善了网侧电压电流的同步性。但在电网电压频率波动时,锁相效果不够理想。参考文献[6]提出一种基于瞬时无功理论的软件锁相环,通过两次坐标变换,分解电源电压得到两部分矢量,最后经过比较、滤波和积分后输出相位,并将该锁相环应用到动态电压恢复器中,动态电压恢复器获得了较好的补偿效果。目前,将基于坐标变化理论的锁相环应用在PWM整流器中的文献还比较少。
    本文基于坐标变换理论,提出一种通过电压矢量变换的数字信号锁相环,并将其应用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink对搭建的三相电压型PWM整流器模型进行仿真。结果证明,在三相电网电压频率偏移时,锁相环能够快速锁定输入信号的频率和相位。
1 三相电压型PWM整流器
1.1 三相电压型PWM整流器的主电路

    图1为基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器主电路,其中,ua、ub、uc代表交流侧三相电压源电压,udc为直流侧滤波电容C的输出电压,ia、ib、ic为交流


2 新型数字锁相环的结构和控制原理
2.1 数字锁相环的结构

    针对传统锁相环[7-9]的缺陷,本文提出一种基于电压矢量变换的测量方法。首先将三相电压变换到两相a-β坐标系中,然后与锁相环输出构成一个负反馈闭环控制系统,最后通过调节系统参数达到滤波锁相的目的。其电路图如图2所示。


    从仿真结果可以看出数字PLL响应时间很短,系统在前两个周期时,PI调节器的超调造成了锁相环不能准确锁相,但是在t=0.035 s时,输入信号就很快与输出信号重叠,即输入信号频率相位被锁定,锁相效果良好。
    图4所示为整流器仿真波形,其中图4(a)为整流器网侧A相电压电流波形,可以看出,整流器很快达到单位功率因数运行。图4(b)为三相电网电压设定310 V时直流侧给定电压udc为600 V的波形。可见直流电压纹波系数很小,系统处在稳定运行状态。由此可知数字锁相算法的可行性和正确性。

    在实际运行中,还会出现三相电网电压的频率在工频50 Hz附近波动的情况。取频率偏移+0.5 Hz,电网电压310 V,给定直流电压600 V时进行仿真。
    由图5(a)可见,普通锁相环在三相电压出现频漂时明显不能准确锁相,电流波形失真较严重。而从图5(b)可以看出新型锁相环则能快速锁定输入信号频率和相位,对电网电压频漂有良好的抑制作用。仿真实验结果验证了该新型锁相环在电压畸变时锁相的优越性。

    本文针对三相电压型PWM整流器在三相电网电压频率偏移时,普通锁相环响应速度慢、锁相精度差等缺点,提出了一种基于坐标变换的新型数字锁相环,并将其应用到三相PWM整流器系统中,实现了对电压信号的无差跟踪。这种新型锁相环实现方法简单,能够快速锁定电源电压频率和相位。仿真验证了理论分析的正确性和可行性。
参考文献
[1] BOWES S R,LAI Y S.The relationship between spacevector modulation and regular-sampled PWM[J].IEEE  Transactions on Industrial Electronics,1997,44(5):670-679.
[2] 刁利军,刘志刚,郝荣泰,等.能量回馈式PWM整流器并网的工程设计方法[J].电工技术学报,2005,20(11):75-79.
[3] 杨勇,阮毅,张朝艺,等.基于背靠背三电平电压变换器的驱式风力发电系统[J].电网技术,2009,33(18):148-155.
[4] 曹世华,张维娜,沈鸿,等.新型软件锁相环三相电压型PWM整流器的控制[J].电力电子技术,2008,42(5):72-73.
[5] 孙强,尹忠刚,钟彦儒.基于α-β静止坐标系的PWM整流器双单输入单输出模型[J].电工技术学报,2010,25(23):73-80.
[6] 李彦栋,王凯斐,卓放,等.新型软件锁相环在动态电压恢复器重的应用[J].电网技术,2004,28(8):42-45.
[7] 徐健飞,庞浩,王赞基,等.新型全数字锁相环的逻辑电路设计[J].电网技术,2006,30(13):81-84.
[8] 袁志昌,宋强,刘文华.改善动态相位跟踪和不平衡电压检测性能的改进软锁相环算法[J].电网技术,2010,34(1):31-35.
[9] 庞浩,俎云霄,李东霞,等.基于Hilbert移相滤波的全数字锁相环[J].电网技术,2003,27(11):55-59.

关键字:新型  数字  锁相环  三相电压

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0708/article_7106.html
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