随着环境污染的加重和石化资源的日渐消耗, 世界各国都开始大力发展新能源产业。无论哪种能源方式的发电, 最终都需要并入电网中运行, 也就都需要从中获取电网电压的相位信息实现控制, 即锁相。而且随着数字芯片的普及与应用, 目前的控制系统均是由数字控制芯片比如DSP实现的, 在其中通过软件实现锁相, 就是所谓的锁相环数字实现技术。
三相电网的相位信息是通过三相电网电压进行3/2旋转变换后, 然后将其中的q分量PI调节为0, 即可得到相位信息。本文模仿三相锁相环的实现方法, 推导出单相电网系统锁相环的数字实现方法, 并通过仿真验证方法的正确性。
1 单相锁相环的数字实现方法研究
本节在介绍模拟锁相环电路的基础上, 借鉴三相电网系统锁相环的软件实现方法, 推导单相系统锁相环的数字实现方法。
1.1 模拟锁相环的原理介绍
如图1所示为锁相环 (P LL:P h a s e Locked Loop) 的基本结构, 由鉴相器 (PD:P h ase Detec tor) 、低通滤波器 (LF:Low Filter) 和压控晶体振荡器 (VCO:VoltageControlled Oscillator) 组成。鉴相器计算输入信号x (t) 与锁相环输出信号y (t) 之间的相位差, 生成的误差信号e (t) 经由低通滤波器滤除高频谐波后产生控制信号c (t) , 它用来控制VCO所生成的输出信号y (t) 频率和相位与输入信号x (t) 一致。
1.2 三相电网软件锁相环的实现
如图1所示的模拟锁相环电路能够实现输出信号对输入信号频率和相位的追踪。随着DSP等数字控制芯片的大量应用, 借鉴模拟锁相环的实现原理, 学者们研究出用数字方法实现模拟锁相环的技术, 下面以应用非常多的三相电网系统为例, 说明其实现方法。
其实现原理图如图2所示。三相电网电压ea、eb、ec经3/2坐标变换后得eα、eβ两分量, 该两分量再经旋转变换到旋转坐标系得ed、eq两分量, 期间用到所得相角的正余弦值sinθ’和cosθ’, 将q轴分量PI调节为0, 得角频率ω, 再对时间积分即得相位角θ’。
1.3 坐标系的选择与变换矩阵
三相数字锁相环中用到坐标变换。坐标系之间的关系如下。
三相静止坐标ABC到两相静止坐标αβ以及两相静止坐标αβ到两相旋转坐标dq的坐标变换矩阵分别如式 (1) 与 (2) 所示。
1.4 单相锁相环的数字实现
由于单相电网只有一相电压, 我们可以应用类似于三相锁相环的实现方法, 虚构另一电网电压分量与其正交, 再将这两个分量旋转变换到dq坐标系, 再将其中的q分量PI调节为0, 即可得到所需的电网电压相位。其实现原理图如图3所示。
与三相锁相环相比区别在于虚构了β电压分量, 设实际单相电网电压为α电压分量, 其瞬时值表达式为en=e=em cosθ`, 现虚构β电压分量为eβ=em cos (θ`-2π) , 利用上式将两分量旋转变换到dq轴系后有:
(3) 若通过PI调节, 将电网电压的相角θ’锁到与坐标变换角度θ一致, 即θ’=θ时, 有ed=em, eq=0, 所以数字实现方法中都是将电网电压q分量调节为0。
2 仿真验证
基于以上原理, 应用MATLAB软件对该方法进行了仿真研究。仿真中, PI调节器的参数为:比例系数8, 积分系数25;设定电网电压幅值em为5V;按照式 (3) 进行坐标变换。
经过仿真, 锁相环锁得的频率如图4所示, 0.1s即得稳定频率50Hz。锁得的相角的余弦值, 以及电网电压波形关系如图5所示, 可见仿真开始经两个周波后即锁得相位与电网电压一致, 验证了理论的正确有效性。
3 结语
本文介绍了模拟锁相环的电路原理, 在此基础上借鉴三相电网锁相环的数字实现方法, 研究了通过虚构电网电压β分量的单相锁相环数字实现方法, 通过MATLAB仿真验证了控制方法的正确有效性, 可以应用于光伏、风能等新能源发电领域的实际控制系统中。
摘要：介绍了模拟锁相环的基本原理, 基于目前普遍的数字控制系统的应用, 模仿三相系统锁相环的实现方法, 推导出单相锁相环的数字实现方法, 并通过仿真研究验证了该实现方法的正确性。
关键词：锁相环,数字实现,坐标变换
参考文献
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