基于新型數(shù)字鎖相環(huán)的三相電壓型PWM整流器

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高，電力用戶對(duì)安全、環(huán)保、可控、高質(zhì)量的電能需求不斷增長(zhǎng)。三相電壓型PWM整流器利用電容作為儲(chǔ)能元件，與傳統(tǒng)不可控二極管整流器相比，具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。
為獲得PWM整流器的控制信號(hào)，需要利用網(wǎng)側(cè)電壓的相位進(jìn)行坐標(biāo)變換，但是在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時(shí)，普通鎖相環(huán)存在響應(yīng)速度慢、鎖相精度差等缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[5]提出一種改進(jìn)的鎖相環(huán)，即鎖相環(huán)輸入是三相電壓的某一相，并在采樣環(huán)節(jié)前加入了延遲環(huán)節(jié)，改善了網(wǎng)側(cè)電壓電流的同步性。但在電網(wǎng)電壓頻率波動(dòng)時(shí)，鎖相效果不夠理想。參考文獻(xiàn)[6]提出一種基于瞬時(shí)無(wú)功理論的軟件鎖相環(huán)，通過(guò)兩次坐標(biāo)變換，分解電源電壓得到兩部分矢量，最后經(jīng)過(guò)比較、濾波和積分后輸出相位，并將該鎖相環(huán)應(yīng)用到動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器中，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器獲得了較好的補(bǔ)償效果。目前，將基于坐標(biāo)變化理論的鎖相環(huán)應(yīng)用在PWM整流器中的文獻(xiàn)還比較少。
本文基于坐標(biāo)變換理論，提出一種通過(guò)電壓矢量變換的數(shù)字信號(hào)鎖相環(huán)，并將其應(yīng)用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink對(duì)搭建的三相電壓型PWM整流器模型進(jìn)行仿真。結(jié)果證明，在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時(shí)，鎖相環(huán)能夠快速鎖定輸入信號(hào)的頻率和相位。
1 三相電壓型PWM整流器
1.1 三相電壓型PWM整流器的主電路
圖1為基于新型數(shù)字鎖相環(huán)的三相電壓型PWM整流器主電路，其中，ua、ub、uc代表交流側(cè)三相電壓源電壓，udc為直流側(cè)濾波電容C的輸出電壓，ia、ib、ic為交流

2 新型數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和控制原理
2.1 數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)
針對(duì)傳統(tǒng)鎖相環(huán)[7-9]的缺陷，本文提出一種基于電壓矢量變換的測(cè)量方法。首先將三相電壓變換到兩相a-β坐標(biāo)系中，然后與鎖相環(huán)輸出構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)達(dá)到濾波鎖相的目的。其電路圖如圖2所示。

從仿真結(jié)果可以看出數(shù)字PLL響應(yīng)時(shí)間很短，系統(tǒng)在前兩個(gè)周期時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的超調(diào)造成了鎖相環(huán)不能準(zhǔn)確鎖相，但是在t=0.035 s時(shí)，輸入信號(hào)就很快與輸出信號(hào)重疊，即輸入信號(hào)頻率相位被鎖定，鎖相效果良好。
圖4所示為整流器仿真波形，其中圖4(a)為整流器網(wǎng)側(cè)A相電壓電流波形，可以看出，整流器很快達(dá)到單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖4(b)為三相電網(wǎng)電壓設(shè)定310 V時(shí)直流側(cè)給定電壓udc為600 V的波形。可見(jiàn)直流電壓紋波系數(shù)很小，系統(tǒng)處在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。由此可知數(shù)字鎖相算法的可行性和正確性。

在實(shí)際運(yùn)行中，還會(huì)出現(xiàn)三相電網(wǎng)電壓的頻率在工頻50 Hz附近波動(dòng)的情況。取頻率偏移+0.5 Hz，電網(wǎng)電壓310 V，給定直流電壓600 V時(shí)進(jìn)行仿真。
由圖5(a)可見(jiàn)，普通鎖相環(huán)在三相電壓出現(xiàn)頻漂時(shí)明顯不能準(zhǔn)確鎖相，電流波形失真較嚴(yán)重。而從圖5(b)可以看出新型鎖相環(huán)則能快速鎖定輸入信號(hào)頻率和相位，對(duì)電網(wǎng)電壓頻漂有良好的抑制作用。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該新型鎖相環(huán)在電壓畸變時(shí)鎖相的優(yōu)越性。

本文針對(duì)三相電壓型PWM整流器在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時(shí)，普通鎖相環(huán)響應(yīng)速度慢、鎖相精度差等缺點(diǎn)，提出了一種基于坐標(biāo)變換的新型數(shù)字鎖相環(huán)，并將其應(yīng)用到三相PWM整流器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓信號(hào)的無(wú)差跟蹤。這種新型鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，能夠快速鎖定電源電壓頻率和相位。仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性和可行性。
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