基于DSP三相電壓源變換器SPLL設計與應用

呂 飛 ，朱家林 ，余鳳豪 ，張松濤

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基于DSP三相電壓源變換器SPLL設計與應用

呂 飛1，朱家林2，余鳳豪1，張松濤1

（1.海軍蚌埠士官學校機電系，安徽蚌埠 2330122; 2.海軍92763部隊，遼寧大連 116041）

準確的相位信息是三相電壓源變換器穩定運行的重要條件。軟件鎖相環(SPLL)具有設計多樣性、高抗干擾性等優點可快速得到電網電壓的相位信息。本文以三相電壓源型PWM變換器為對象，分析了SPLL工作原理，推導出SPLL線性化模型，分析設計SPLL控制器參數，并用DSP實現所設計SPLL。仿真及試驗表明所設計SPLL良好應用于三相電壓源型PWM整流裝置。

軟件鎖相環 電壓源變換器 數字信號處理器 坐標變換

0 引言

電網電壓的相位信息是電力電子變換裝置穩定運行的重要條件，同步旋轉坐標下與電網電壓同步的電壓、電流信號需要相位信息計算獲得[1]。

圖1所示為三相電壓源型PWM變換裝置與電網相連的控制框圖。圖中電流控制器(current controller)工作在同步旋轉坐標系(SRF)下，電網電壓的相位角為()。經過Park變換，將三相靜止坐標系下的電網電壓和電流轉換成兩相同步旋轉坐標系下的電壓和電流，作為同步旋轉坐標系下電流控制器的控制輸入信號。鎖相環(PLL—Phase Locked Loop)技術能夠得到精確的電網電壓相位信息[2]。

SPLL是隨著微控制器技術和數字處理器(DSP)的不斷發展而逐漸實現的，SPLL所有的PLL函數都是在軟件上執行，設計調整不需要修改硬件，使得SPLL比硬件PLL在設計上具有更好的靈活性和多樣性[2,3]。

本文通過分析SPLL基本原理，推導出SPLL線性化模型；以線性化模型為依據，分析設計SPLL控制器PI參數；并用DSP實現SPLL功能，仿真及試驗表明所設計的SPLL良好應用于三相電壓源PWM整流裝置。

1 SPLL的工作原理與模型

結合三相電壓源PWM變換裝置實際應用本文研究的SPLL結構原理框圖如圖2所示[4]。

再將測量采樣得到的三相電壓信號經過Clarke變換，進而轉換為兩相靜止坐標系下的，有：

聯立式(3)與式(4)可得：

由式(5)可得，電網電壓d、q軸模型是非線性模型，電網電壓的d、q軸分量分別是實際相角與估計相角之差的余弦和正弦函數。為簡化分析，對模型線性化處理，由于實際相角與估計相角相差很小，可得到：

由式（5）q軸分量可轉換為：

當e為0，e為1時，實際電網電壓相位與估計的相位相同，即=時，實現鎖相。

由式(8)以及SPLL工作原理可得SPLL線性化數學模型框圖，如圖3示。

以上分析可見，線性化模型不能表現SPLL的全部狀態，但以線性化模型為依據，能夠使用線性控制系統的相關成熟理論設計SPLL控制器以及進行SPLL小擾動性能的討論分析。

2 SPLL控制器設計

由SPLL線性化模型知，當e==0時，完成鎖相，則二階反饋系統連續域(s域)設計再離散化到z域可實現[5]。考慮到SPLL的跟蹤速度快與抗干擾能力強以及實際工程應用的要求，則可選擇PI控制器。

實際工作中，由于電網本身非理想以及電力電子元件通斷的影響，使得電網電壓不對稱及諧波現象同時存在，同時分離出的負序分量使得e含有諧波[4]，因此，PI控制器的應足夠大，確保快速跟蹤電網的相位變化，同時，參數又不能過大，進而導致帶寬過寬，抑制諧波影響減弱。

3 SPLL的DSP實現

依據SPLL工作原理，如圖2所示，三相電壓的測量采樣、Clarke坐標變換、標幺處理、正負序分離(DSC)、Park坐標變換以及輸出電網電壓相位完成鎖相，由數字信號處理器(DSP)完成。如圖4所示。

創新性思維是以新穎獨特、具有價值的精神或物質成果的方式，來解決問題的創造性思維活動。但教者在訓練初期要提供給學生思維的范式，學生運用變式，由一個創意激發另一個創意，一種思維點燃另一種思維。先來看這個教學例子：

如圖4所示，三相電網電壓由傳感器檢測輸入DSP，DSP（TMS320C2812）具有12位ADC模塊實現模數(A/D)轉換，轉換采樣頻率為3150 Hz。通過軟件編程實現Clarke坐標變換、標幺處理、正負序分離(DSC)、Park坐標變換、濾波器(Filter)、積分器、控制器(PI)等功能實現鎖相，向三相電壓源PWM整流裝置提供電網電壓相位信息。由于采樣、濾波存在延遲，且延遲與電網頻率有關，因此，用DSP設計實現SPLL的實際應用中要實時測量電網頻率，對延遲進行相位補償。

4 仿真與試驗

4.1 仿真及分析

圖5所示，縱軸為軟件鎖相環(SPLL)輸出相位與電網電壓正序基波相位的相位差，當相位差為0時，實現鎖相。如圖5所示，為0.2 s時，電網電壓相位突變，約為0.27 s時，軟件鎖相環(SPLL)快速跟蹤相位變化實現鎖相。當電網電壓頻率突變1 Hz時，仿真結果如圖6所示。

試驗項目：基于DSP軟件鎖相環（SPLL）應用于三相電壓源PWM整流裝置。試驗目的：驗證所設計基于DSP的SPLL的工作性能。

試驗說明：軟件鎖相環（SPLL）控制器k、k實驗參數在仿真基礎上調整；為簡化DSP處理，數字信號處理器(DSP)存儲運算的數據為以4096表示1的標幺值；實驗波形數據保存規則如下：DSP保存8000個單元的數據，其中1300至2300共1000單元保存PWM整流裝置狀態改變（加載、卸載等）以前的相關數據，其余的7000個單元保存狀態改變瞬間及其以后的實驗數據，所有單元存滿數據為止不覆蓋。三相電壓源PWM整流裝置突加負載時，Ud、Uq、Udc及SPLL輸出實驗波形如下：

圖7(a)為三相電壓源PWM整流裝置突加負載時d、q軸電壓實驗波形，圖7(b)為整流裝置輸出直流電壓實驗波形，圖7(c)為SPLL輸出與整流裝置a相電流波形。由圖7可得，PWM整流裝置突加負載時Ud、Uq產生突變，而后快速趨于穩定；PWM整流輸出直流電壓Udc因突加負載產生的下降也能迅速恢復，基于DSP的SPLL可快速跟蹤電網電壓相位。試驗結果表明，所設計基于DSP的SPLL能良好應用于三相電壓源PWM整流裝置。

5 結論

本文以三相電壓源型PWM變換器為對象，考慮坐標變換（Clarke、Park）、正負序分離（DSC）、標幺等，分析了SPLL原理，推導出SPLL模型并簡化獲得SPLL線性化模型，以線性化模型為依據，分析設計SPLL控制器PI參數，并用DSP實現所設計SPLL。仿真及試驗表明所設計SPLL良好應用于三相電壓源型PWM整流裝置。

[1] 王聰, 趙金. 現代電力電子學與交流傳動[M]. 北京:機械工業出版社, 2006.

[2] 劉翔, 張愛玲. 一種基于TMS320F2812的軟件鎖相環實現方法[J]. 電力電子術, 2010, 44(8):60-61.

[3] 張喻, 陳新. 基于DSP2812的軟件鎖相[J]. 電力電子技術, 2008,42(2):75-77.

[4] Emilio J. Bueno, Francisco J. Rodriguez, Felipe Espinosa, Santiago Cobreces. SPLL design to flux oriented of a VSC interface for wind power applications. Proc. IEEE Power Eng. Soc2005, 3:2451-2456.

[5] 胡壽松. 自動控制原理[M]. 北京:國防工業出版社, 1998.

Design and Applications of Three Phase Voltage Converter Software Phase-locked Loop Based on DSP

Lyu Fei1, Zhu Jialin2,Yu Fenghao1, Zhang Songtao1

(1. Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China; 2. 92763 Unit of Naval Army , Dalian 116041, Liaoning, China)

Accurate phase information is crucial for stable operation of three-phase voltage source converter. The software phase-locked loop (SPLL) has the design diversity, high anti-jamming, etc, and can quickly get the phase information of the grid voltage. In this paper, based on the three-phase voltage source PWM converter, the operational principle of SPLL is analyzed, the linearization model of SPLL is obtained, the SPLL controller parameters is designed, and the design of SPLL is realized by DSP. Simulation and tests show that the design of SPLL can work well in three-phase voltage source PWM rectifier.

SPLL; voltage source rectifier; DSP; frame transform

TM133

A

1003-4862（2015）03-0036-04

2014-11-13

呂飛（1982-），男，碩士，講師。研究方向：電力電子與電力傳動。