鎖相環(huán)在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的運(yùn)用研究

張恩壽 戎麒 田華 姚鵬 趙榮浩

摘要：電力有源濾波器（APF）和靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）是治理電網(wǎng)諧波污染和功率因數(shù)低問(wèn)題的較好選擇，鎖相環(huán)（PLL）在APF和SVG檢測(cè)諧波電流和無(wú)功電流、單片機(jī)信號(hào)采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）、補(bǔ)償電流并網(wǎng)過(guò)程中有著巨大的作用。現(xiàn)就鎖相環(huán)在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的用途進(jìn)行研究分析，為電力有源濾波器、靜止無(wú)功發(fā)生器等有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備設(shè)計(jì)提供支撐。

關(guān)鍵詞：電力有源濾波器;靜止無(wú)功發(fā)生器;鎖相環(huán);諧波

0? ? 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電網(wǎng)終端引入了大量的非線性負(fù)荷，這些負(fù)荷使得無(wú)功需求增加，并且產(chǎn)生大量高頻諧波向電網(wǎng)側(cè)反饋，造成線路損耗增加、功率因數(shù)降低、設(shè)備老化加速或損壞等問(wèn)題[1-2]。加裝有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備是應(yīng)對(duì)功率因數(shù)低和諧波含量高的有效手段[3]。有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備與常規(guī)的無(wú)源設(shè)備相比具有輸出連續(xù)，既可以補(bǔ)償感性無(wú)功也可以補(bǔ)償容性無(wú)功，既可以補(bǔ)償特定次數(shù)的諧波也可以全補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，應(yīng)用較廣泛[4]。鎖相環(huán)模塊在數(shù)據(jù)采集中運(yùn)用比較廣泛，本文主要介紹鎖相環(huán)模塊在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的運(yùn)用。鎖相倍頻模塊在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中起到驅(qū)動(dòng)正余弦表的循環(huán)、ADC采樣和轉(zhuǎn)換觸發(fā)、補(bǔ)償電流并網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的作用[5-6]。

1? ? PLL驅(qū)動(dòng)正弦表和余弦表的循環(huán)

有源濾波器設(shè)計(jì)中，基于瞬時(shí)無(wú)功電流檢測(cè)的諧波算法較傳統(tǒng)的傅里葉檢測(cè)諧波實(shí)時(shí)性好，響應(yīng)速度快，算法簡(jiǎn)單，易于嵌入式開(kāi)發(fā)。圖1為瞬時(shí)無(wú)功電流檢測(cè)諧波算法原理圖。

由圖可知，矩陣C是由PLL獲得，一般情況下，我們將矩陣C根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換速率制成[0，2π]的正弦表和余弦表，這樣在嵌入式系統(tǒng)中可以很方便地實(shí)現(xiàn)，不占用太多的資源，減少硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。計(jì)算時(shí)，不斷循環(huán)調(diào)用正余弦表，將A相電壓的同步方波信號(hào)進(jìn)行鎖相后，送至單片機(jī)的CAP端口，當(dāng)?shù)诙€(gè)同步信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，讓正弦表和余弦表從頭循環(huán)一次，就能很方便地執(zhí)行算法，即將單片機(jī)的CAP端口設(shè)置為邊沿觸發(fā)即可。圖2為A相電壓同步方波信號(hào)和A相電壓信號(hào)波形。

A相電壓同步信號(hào)一般是通過(guò)過(guò)零檢測(cè)獲得，就是將A相電壓與0做比較，在正半周期內(nèi)，A相電壓大于0，比較輸出高電平;在負(fù)半周期內(nèi)，A相電壓小于0，比較輸出低電平。圖3是由LM324構(gòu)成的過(guò)零比較器電路輸出波形。

從圖3可知，比較輸出的結(jié)果是高電平為正，低電平為負(fù)，而大部分單片機(jī)只能識(shí)別單極性電信號(hào)，如TMS320F28335的I/O口電壓范圍為0～3 V，CAP口為0～3.3 V，所以需要將過(guò)零檢測(cè)的結(jié)果由雙極性電信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～3 V的單極性電信號(hào)。需在過(guò)零檢測(cè)輸出端加一個(gè)施密特反相器，讓輸出結(jié)果在0～3 V范圍內(nèi)，并且邊沿過(guò)渡更短。圖4是設(shè)計(jì)的A相過(guò)零檢測(cè)電路。

2? ? PLL驅(qū)動(dòng)AD采樣

經(jīng)過(guò)鎖相后的A相電壓同步方波信號(hào)，倍頻后作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào)。設(shè)采樣率為fs，A相同步方波的頻率為50 Hz，則可得倍頻的倍數(shù)為n=fs/50，上個(gè)數(shù)據(jù)采樣完成后，當(dāng)倍頻信號(hào)的第二個(gè)上升沿信號(hào)到來(lái)時(shí)，響應(yīng)AD采樣中斷，進(jìn)行AD采樣。

例如采樣率設(shè)置為12.8 kHz時(shí)，采樣周期為1/12 800 s，即每隔1/12 800 s采樣一個(gè)數(shù)據(jù)，倍頻倍數(shù)n=fs/50=12 800/50，也就是說(shuō)一個(gè)工頻周期內(nèi)采樣256個(gè)數(shù)據(jù)，需要將一個(gè)周期的同步方波進(jìn)行256等分，每一份也是一個(gè)方波信號(hào)，一個(gè)小方波信號(hào)周期采樣一個(gè)數(shù)據(jù)，所以當(dāng)小方波信號(hào)的第二個(gè)上升沿到來(lái)之時(shí)進(jìn)行AD采樣。圖5為基于鎖相環(huán)CD4046和分頻器CD4040組合成的鎖相倍頻模塊。

CD4046是一款微功耗的鎖相環(huán)芯片，供電電壓3～18 V。CD4046微功耗鎖相環(huán)有一個(gè)低功耗、線性、電壓控制振蕩器（VCO），一個(gè)源極跟隨器、穩(wěn)壓二極管，兩個(gè)相位比較器。兩個(gè)相位比較器有一個(gè)共同的信號(hào)輸入和一個(gè)通用比較器輸入。信號(hào)輸入可直接耦合大電壓信號(hào)，或電容耦合一個(gè)小的輸入電壓信號(hào)。常將CD4046和分頻器CD4040配合使用構(gòu)成鎖相倍頻模塊。

3? ? PLL驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電流并網(wǎng)

由于經(jīng)過(guò)各個(gè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，得到的補(bǔ)償電流信號(hào)有一定的滯后，如果直接將其并到電網(wǎng)中，可能達(dá)不到補(bǔ)償?shù)男Ч踔習(xí)够兏訃?yán)重。因此，需要將補(bǔ)償信號(hào)和電網(wǎng)信號(hào)的相位差鎖定，讓補(bǔ)償信號(hào)正確地并到電網(wǎng)中。

電網(wǎng)諧波一般情況下是周期性的重復(fù)畸變波形，可將上個(gè)周期計(jì)算得到的補(bǔ)償電流加到下個(gè)周期，從下個(gè)周期開(kāi)始補(bǔ)償。設(shè)某個(gè)時(shí)刻T0采樣到電網(wǎng)諧波電流，經(jīng)過(guò)Δt延時(shí)后計(jì)算得到補(bǔ)償電流，也就是說(shuō)補(bǔ)償信號(hào)與電網(wǎng)存在2πΔt/0.02的相位差，在電流沒(méi)有大的突變情況下，可以將T0+Δt的補(bǔ)償電流作為下一個(gè)周期的補(bǔ)償信號(hào)，用它來(lái)補(bǔ)償T0+Δt+0.02的諧波，通過(guò)鎖相環(huán)鎖定補(bǔ)償信號(hào)和電網(wǎng)信號(hào)之間的相位差，也就確定了補(bǔ)償信號(hào)并網(wǎng)的時(shí)間，這樣可以準(zhǔn)確無(wú)誤地補(bǔ)償諧波。但這樣會(huì)有一個(gè)問(wèn)題：在電流有突變的情況下，會(huì)造成補(bǔ)償錯(cuò)誤。這就需要盡量減少計(jì)算處理延時(shí)，選取較高性能的處理器和芯片，保證對(duì)電網(wǎng)電信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤。

鎖相環(huán)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電流并網(wǎng)實(shí)際上是控制IGBT模塊的觸發(fā)時(shí)刻符合上述分析，這就需要一個(gè)和系統(tǒng)電壓同步的方波信號(hào)，上面分析A相同步方波信號(hào)可以滿(mǎn)足要求，經(jīng)過(guò)鎖相后，可以用于信號(hào)采樣、觸發(fā)脈沖，和系統(tǒng)電網(wǎng)信號(hào)保持同步，這樣即便電流信號(hào)有突變，也能同步跟蹤，提高了實(shí)時(shí)性。

4? ? 數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）

隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字鎖相環(huán)得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字鎖相環(huán)具有可靠性高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，還解決了模擬鎖相環(huán)的直流零點(diǎn)漂移、器件飽和及易受電源和環(huán)境溫度變化影響等缺點(diǎn)，此外還具有對(duì)離散樣值的實(shí)時(shí)處理能力，已成為鎖相技術(shù)發(fā)展的方向。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了全數(shù)字鎖相環(huán)，所有環(huán)路部件都采用數(shù)字器件。

隨著EDA技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PGA和CPLD在很多領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用，可以將它們做成一個(gè)鎖相環(huán)，從而方便地運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析鎖相倍頻模塊在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中的作用，利用電子電路仿真軟件仿真了A相同步方波和過(guò)零比較信號(hào)波形、鎖相倍頻模塊實(shí)現(xiàn)256倍頻波形，并利用嵌入式開(kāi)發(fā)板配合鎖相倍頻模塊實(shí)現(xiàn)了三相四線制電參數(shù)的信號(hào)采集，驗(yàn)證了鎖相倍頻技術(shù)在有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備中運(yùn)用的可行性;同時(shí)，也為有源電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)正弦常量表和余弦常量表的循環(huán)、ADC模塊采樣和轉(zhuǎn)換的觸發(fā)及補(bǔ)償電流并網(wǎng)的時(shí)刻鎖定提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器——結(jié)構(gòu)·原理·控制[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 杜少通.諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[4] 王磊，趙煜，梁仕斌，等.一種新型自適應(yīng)諧波與無(wú)功治理方法研究[J].電力電子技術(shù)，2018，52（12）：119-121.

[5] 王裕.三相四線制有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[6] 陳仲，王志輝，陳淼.基于新型四象限開(kāi)關(guān)單元的并聯(lián)型有源濾波器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（4）：147-154.

收稿日期：2020-08-13

作者簡(jiǎn)介：張恩壽（1992—），男，云南保山人，助理工程師，研究方向：電能質(zhì)量綜合治理。