基于變動頻率濾波的新型數(shù)字鎖相環(huán)

伍小杰,趙冰潔,符曉,戴鵬

(中國礦業(yè)大學 信電學院,江蘇 徐州 221008)

1 引言

數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)作為并網(wǎng)運行系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,一直是人們研究的熱點。為了使并網(wǎng)系統(tǒng)在各種非正常電網(wǎng)狀態(tài)下仍然能夠正常運行,單相電力鎖相環(huán)在設(shè)計時應(yīng)考慮頻率變化、相角突變、電壓跌落、電網(wǎng)諧波等各種非正常狀態(tài)的影響。人們對單相 PLL的研究大多借鑒三相PLL[1]中的閉環(huán)結(jié)構(gòu),并通過構(gòu)造2個虛擬的正交信號來實現(xiàn)。因此,單相PLL研究重點通常集中在鑒相器的設(shè)計上。文獻[2]采用反Park變換法獲得兩路正交信號,但由于2個獨立非線性環(huán)路的存在,使得采用傳統(tǒng)的線性設(shè)計和分析方法很難準確獲取系統(tǒng)參數(shù)。文獻[3]提出的基于FIR濾波器實現(xiàn)的Hilbert變換法,隨著濾波器階數(shù)的升高,運算量增大,對控制器要求較高。

文獻[4]提出了一種新穎的基于非線性動態(tài)模型的優(yōu)化型數(shù)字鎖相環(huán)(EPLL)。EPLL和其它PLL相比具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點。針對傳統(tǒng)EPLL抗諧波干擾能力差的問題,本文將變動頻率平均值濾波(VFA)[5]的思想引入EPLL,在基本不影響其動態(tài)性能的條件下改善了EPLL的控制效果。

2 EPLL系統(tǒng)分析

EPLL控制結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用誤差閉環(huán)控制,由于EPLL的鑒相器可以實時地輸出估算值和實際值的偏差,因此具有很好的動態(tài)響應(yīng)性能。

圖1 EPLL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diag ram of the EP LL system

但是當輸入中ui含有諧波時,用表示輸入電壓第k次諧波的幅值,k=2n±1(n為正整數(shù))為奇次諧波的次數(shù)。令=kωt+,為k次諧波的初始相角。,φ分別為輸入和輸出的初始相角。則鑒相器的輸出在穩(wěn)態(tài)下可以表示為

由式(1)可知,穩(wěn)態(tài)下跟蹤誤差中仍然含有2,4,6等偶次諧波并導致EPLL輸出相角的畸變,因此本文選擇一種基于VFA原理的濾波器以兼顧鎖相環(huán)對響應(yīng)速度和系統(tǒng)計算量的要求,它結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn),對偶次諧波有較強的濾波效果,且對系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響較小。

3 VFA-EPLL系統(tǒng)構(gòu)成

VFA-EPLL結(jié)構(gòu)如圖2所示。VFA濾波利用任何次諧波在一個基波周期內(nèi)的積分為零的原理,通過一個變頻延時環(huán)節(jié)濾除偶次諧波分量而完整保留直流分量,而在單相鎖相環(huán)應(yīng)用中,穩(wěn)態(tài)下變頻延時時間固定為0.02 s。

另外,針對文獻[5]中EPLL在暫態(tài)過程中存在輸出頻率超調(diào)過大的問題又在主控制環(huán)路之外加入了斜率限幅和低通濾波器(LPF)。這樣對主控制環(huán)路的動態(tài)性能影響不大,又有效減小了輸出頻率波動帶來的影響。

在實際系統(tǒng)的上電瞬間,電網(wǎng)瞬時角度是無法預(yù)測的。考慮極限當-φ=180°時,仿真分析的穩(wěn)態(tài)時間約為2個電網(wǎng)周期。因此,本文借鑒了傳統(tǒng)過零檢測的思想,將初始相角定位在0°附近,從而使調(diào)節(jié)時間縮短至一個電網(wǎng)周期以內(nèi)。

圖2 改進后的VFA-EPLL結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the improved VFA-EPLL system

4 仿真研究

在Matlab軟件上對所提方法進行仿真。仿真條件:電網(wǎng)頻率50 Hz,電網(wǎng)電壓220 V,調(diào)節(jié)系數(shù)m=1.2,采樣頻率=5 kHz,濾波器截止頻率f=25 Hz,斜率限幅di/dt=12。

公用電網(wǎng)允許的電壓諧波總畸變率為5%,圖3是0.22 s加入40%3次諧波的仿真結(jié)果,其中是鑒相器輸出信號。通過對比可以發(fā)現(xiàn),3次諧波導致傳統(tǒng)的EPLL鎖相失敗。而正弦波輸出驗證了VFA-EPLL對諧波的抑制作用。

圖3 輸入含諧波時PLL穩(wěn)態(tài)輸出Fig.3 The P LL waveforms in the steady states when the harmonic is inserted

圖4是電網(wǎng)初相角為180°的仿真結(jié)果。該結(jié)果表明,當加入了初始相位角定位控制后,調(diào)節(jié)時間由原來的2個電網(wǎng)周期縮短為0.5個周期。

圖4 初始相角和頻率變化波形Fig.4 The waveforms when initial phase angle and frequency change

考慮電網(wǎng)頻率在50±1 Hz范圍變化,在0.1 s將頻率升至51 Hz,由圖4可知大約1個周期后相位重新被鎖定,而頻率則在3個周期后以較小超調(diào)過渡至51 Hz,這證明了改進EPLL的優(yōu)越性:既不影響主環(huán)路的動態(tài)性能,又有效地減小了頻率的波動。

圖5是電網(wǎng)相位角在0.22 s突加40°的仿真結(jié)果。由圖5可以看出,由于頻率處理模塊在主控制環(huán)路之外,因此雖然頻率響應(yīng)的動態(tài)性能不高,但相位角的重新鎖定仍只需1個電網(wǎng)周期。

圖5 相位角突變40°時波形Fig.5 The waveforms of a phase-angle jump of 40°

電網(wǎng)電壓通常允許在 90%～110%之間變化,圖6是電壓在0.22 s由100%→70%變化的仿真結(jié)果,該仿真結(jié)果表明,電壓幅值的變化并不影響PLL對輸入的跟蹤鎖定。這是由于在穩(wěn)態(tài)情況下,相角誤差信號uerr近似為零,此時估算電壓幅值A(chǔ)＾跟隨輸入電壓幅值V而改變,并不影響鑒相器的輸出。

圖6 電壓幅值100%→70%變化波形Fig.6 The waveforms of the voltage changes from 100%to 70%

5 實驗驗證

搭建了以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心的實驗裝置,利用dSPACE實時仿真平臺中配有的I/O板DS2103(D/A轉(zhuǎn)換)實現(xiàn)任意電壓波形的產(chǎn)生,并將DSP A/D采樣得到的輸入信號和運算得到的鎖相環(huán)輸出信號通過SPI模塊控制T LV5614DAC芯片輸出。實驗參數(shù)選擇和仿真參數(shù)相同。

圖7a是輸入為標準正弦波時,輸入電壓和鎖相環(huán)輸出角頻率 ωt的實測波形?？梢妘i和ωt過零點相同,輸入輸出同相位,實現(xiàn)了PLL對輸入的跟蹤鎖定。圖7b是輸入信號中加入20%3次諧波和10%5次諧波時PLL的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)波形。對比圖7a和圖7b可見諧波電壓并沒有影響PLL的正常跟蹤鎖定性能,從而驗證了提出的改進EPLL的優(yōu)越性。

圖7 VFA-EP LL實驗波形Fig.7 Experimental waveforms of VFA-PLL control

6 結(jié)論

在對現(xiàn)有EPLL的性能進行分析的前提下,引入VFA濾波器消除諧波干擾下相角鎖定的穩(wěn)態(tài)誤差。在主控制回路之外加入頻率的濾波和斜率控制,并將此輸出頻率作為VFA濾波器的時間常數(shù)。借鑒硬件過零檢測的思想,在估算的零點附近使能鎖相環(huán)并設(shè)置相應(yīng)的初始狀態(tài),給出仿真結(jié)果和實驗結(jié)果。

仿真和實驗結(jié)果分析表明,本文所提出的VFA-EPLL解決了其存在的抗諧波干擾能力差的問題;減小了暫態(tài)下頻率的波動;縮短了相角鎖定的調(diào)節(jié)時間,解決了初始相角偏差過大可能引起的失鎖問題。

將VFA思想引入EPLL來改進其控制性能是本文新的嘗試,并在此基礎(chǔ)上解決了頻率超調(diào)過大、初始相位角定位不準等問題。不足之處在于頻率控制模塊導致相角鎖定先于頻率鎖定,影響了頻率響應(yīng)速度。

[1] 孔雪娟,羅昉,彭力,等.基于周期控制的逆變器全數(shù)字鎖相環(huán)的實現(xiàn)和參數(shù)設(shè)計[J].中國電機工程學報,2007,27(1):60-64.

[2] Arruda Lícia N,Silva Sidelmo M,Filho B J C,et al.PLL Structures for Utility Connected Systems[C]∥36th Industry Applications Society Annual Meeting,2001,4:2655-2660.

[3] 任碧瑩,鐘彥儒,孫向東,等.基于有限沖擊響應(yīng)濾波器線性相移控制的單相系統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)[J].電工技術(shù)學報,2008,23(8):121-125.

[4] Rubens M,Santos Filho,Paulo F Seixas,et al.Comparison of T hree Single-phase PLL Algorithms for UPS Applications[J].IEEE T ransactions on Power Electronics,2008,55(8):2923-2932.

[5] Sybille G,Le Huy H.Digital Simulation of Power Sy stems and Power Electronics Using the Matlab/Simulink Power System Blockset[C]∥IEEE Power Eng Soc Winter Meeting,2000:2973-2982.

修改稿日期:2010-05-24