孟彥京， 吳　輝， 王素娥

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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基于改進(jìn)型雙二階廣義積分器的軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)

孟彥京， 吳輝， 王素娥

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：傳統(tǒng)的軟件鎖相環(huán)(SPLL)容易受電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的影響，其鎖相結(jié)果誤差大且對(duì)頻率變化響應(yīng)慢.本文分析了雙二階廣義積分器軟件鎖相環(huán)(DSOGI-SPLL)的工作原理，并對(duì)比了DSOGI-SPLL與改進(jìn)型DSOGI-SPLL的性能；利用Matlab/Simulink搭建了改進(jìn)型DSOGI-SPLL系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真研究；運(yùn)用基于模型的設(shè)計(jì)方法自動(dòng)生成了改進(jìn)型DSOGI-SPLL代碼，并下載到自行設(shè)計(jì)的3 KW有源電力濾波器(APF)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不平衡、含有大量低次諧波、頻率跳變等狀況下，改進(jìn)型DSOGI-SPLL能夠準(zhǔn)確、快速地鎖定三相電網(wǎng)電壓的相位，其性能滿足APF等系統(tǒng)的應(yīng)用要求.

關(guān)鍵詞：SPLL； 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)； 雙二階廣義積分器； 模型設(shè)計(jì)； 有源電力濾波器

0引言

隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中各種沖擊性和非線性負(fù)荷不斷增加，使得電力系統(tǒng)的電壓和電流波形畸變，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1-3].通過采用串聯(lián)型或并聯(lián)型APF，可以有效地抑制由電網(wǎng)側(cè)或負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的電壓或電流諧波，使濾波后的電壓或電流滿足供電與用電要求[4].但APF與電網(wǎng)的同步是控制系統(tǒng)遇到的最重要問題之一，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的工作性能[5,6].因此，為了更好地抑制諧波，APF需要在電網(wǎng)電壓不平衡、大量諧波的幅值和頻率跳變等狀況下準(zhǔn)確、快速地鎖定三相電網(wǎng)電壓的相位.

目前，獲取電網(wǎng)電壓相位的軟件鎖相環(huán)方案有以下幾種：(1)單/雙同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán).僅當(dāng)電網(wǎng)電壓平衡時(shí)，電網(wǎng)電壓的相位、頻率和幅值才可以準(zhǔn)確地檢測(cè)[7]；(2)基于對(duì)稱分量法的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)系統(tǒng)[8].僅能抑制電網(wǎng)電壓中的負(fù)序分量所導(dǎo)致的2次諧波影響；(3)基于雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán).可以有效地克服頻率變化對(duì)鎖相環(huán)的影響[9]，但其解耦算法較為復(fù)雜.APF基本工作在電網(wǎng)不平衡、大量諧波的幅值和頻率跳變的場(chǎng)合，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，故對(duì)鎖相環(huán)提出了更高的要求.顯然，上述傳統(tǒng)鎖相環(huán)難以滿足要求.

為了克服上述問題，本文首先分析了DSOGI-SPLL和改進(jìn)型DSOGI-SPLL的工作原理，并對(duì)比了兩者的性能；通過Matlab對(duì)改進(jìn)型DSOGI-SPLL系統(tǒng)進(jìn)行仿真;然后，采用基于模型設(shè)計(jì)的方法，在Matlab平臺(tái)上自動(dòng)生成代碼并驗(yàn)證了代碼的性能；最后，下載到自行設(shè)計(jì)的3 KW APF實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).其結(jié)果表明，改進(jìn)型DSOGI-SPLL在三相電網(wǎng)電壓不平衡、含有大量諧波、頻率跳變的狀況下，能夠準(zhǔn)確、快速地鎖定電網(wǎng)電壓的相位.

1DSOGI-SPLL的原理與模型

[Tαβ][T+][Tαβ]-1Vαβ=

(1)

由式(1)可得，在兩相靜止坐標(biāo)系下，為獲得電網(wǎng)電壓正序分量，需要對(duì)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行90 °相移，從而構(gòu)造出兩相正交電壓信號(hào).因此，可通過采用基于DSOGI的90 °相角偏移方案來構(gòu)造兩相正交信號(hào).該方案不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的90 °相角偏移，還可以濾除高頻干擾信號(hào).設(shè)計(jì)了DSOGI-SPLL系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1　DSOGI-SPLL系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

由于正弦信號(hào)的s域模型為二階諧振環(huán)節(jié)模型，也稱為二階廣義積分器，故可根據(jù)內(nèi)模原理，構(gòu)造出基于SOGI的自適應(yīng)濾波器，其框圖如圖2所示.

圖2　SOGI自適應(yīng)濾波器的框圖

圖3　改進(jìn)型SOGI的結(jié)構(gòu)框圖

改進(jìn)型SOGI系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(2)

(3)

示，則可由式(2)和(3)得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性表達(dá)式，如式(4)和(5)所示.

(4)

(5)

式(2)所對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)QD2為：

(6)

圖4　SOGI改進(jìn)前、后的D1(s)與D2(s)的波特圖

圖5　頻率響應(yīng)特性D2(s)與系統(tǒng)增益變化的關(guān)系圖

2仿真研究

為了驗(yàn)證改進(jìn)型DSOGI-SPLL原理的可行性和正確性，在Matlab/simulink中搭建改進(jìn)型DSOGI-SPLL系統(tǒng)模型，如圖6所示.其仿真條件為三相電網(wǎng)電壓含有大量低次諧波、不平衡且含有諧波、頻率跳變，并觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.其中，電網(wǎng)基波頻率設(shè)定為50 Hz，PI控制器中的Kp=5、Ki=21.

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7～9所示.其中，波形圖中的上半部分為三相電網(wǎng)電壓波形，下半部分為改進(jìn)型DSOGI-SPLL的輸出鎖相結(jié)果.從圖7～9可以看出，在三相電網(wǎng)電壓處于含有大量低次諧波、不平衡且含有諧波、頻率由50 Hz跳變到40 Hz的狀況下，改進(jìn)型DSOGI-SPLL仍能準(zhǔn)確、快速地獲取電網(wǎng)電壓的頻率和鎖定電網(wǎng)電壓的相位，對(duì)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)不敏感，其范圍為0～2π.

3實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)采用TI TMS320F28335作為核心控制器自行設(shè)計(jì)了3 KW APF實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示.左邊為電網(wǎng)模擬器，右邊為APF.其中，電網(wǎng)模擬器用來模擬各種電網(wǎng)電壓波形，為測(cè)試提供條件，其輸出三相交流電壓的最大有效值可達(dá)150V.

圖6　改進(jìn)型DSOGI-SPLL系統(tǒng)的仿真圖

圖7　電網(wǎng)含有低次諧波的仿真結(jié)果

圖8　電網(wǎng)不平衡且含有低次諧波的仿真結(jié)果

圖9　電網(wǎng)頻率跳變的仿真結(jié)果

圖10　APF實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

將改進(jìn)型DSOGI-SPLL仿真模型離散化，通過采用基于模型設(shè)計(jì)的方法，在Matlab軟件上自動(dòng)生成改進(jìn)型的DSOGI-SPLL代碼，并在該軟件上完成代碼的性能測(cè)試，性能滿足要求后，再下載到APF實(shí)驗(yàn)平臺(tái).鎖相結(jié)果通過由TLC5616 DA芯片與運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路輸出.測(cè)試儀器采用型號(hào)為TPS2024B的四通道隔離型泰克示波器. 測(cè)試條件為:圖11為三相基波電壓為120 V，加入各為20%的5、7、11次諧波情況；圖12為電壓頻率由50 Hz突變到40 Hz情況；圖13為基波ua=121 V、ub=uc=59 V,且加入各為20%的5、7、11次諧波情況.其中，波形圖中的上半部分為電網(wǎng)模擬器輸出的三相電壓波形，下半部分為改進(jìn)型DSOGI-SPLL輸出的鎖相結(jié)果.

圖11　電網(wǎng)含有低次諧波時(shí)的測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：圖11為電網(wǎng)電壓注入各為20%的5、7、11次諧波的合成狀況；圖12為電網(wǎng)電壓頻率從50 Hz跳變到40 Hz的狀況；圖13為電網(wǎng)電壓不平衡且含有多個(gè)低次諧波的合成狀況.可以看出，改進(jìn)型DSOGI-SPLL在上述狀況下，仍能準(zhǔn)確、快速地鎖定三相電網(wǎng)電壓的相位，其范圍為0～2π，與仿真結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了本方案的可行性、正確性以及可實(shí)現(xiàn)性.

圖12　電網(wǎng)頻率跳動(dòng)時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖13　電網(wǎng)不平衡且含有諧波時(shí)的測(cè)試結(jié)果

4結(jié)論

本文分析了DSOGI-SPLL的工作原理，并與改進(jìn)型DSOGI-SPLL進(jìn)行了性能對(duì)比.同時(shí)，還對(duì)改進(jìn)型DSOGI-SPLL進(jìn)行了仿真.通過采用基于模型設(shè)計(jì)的方法自動(dòng)生成了代碼，提高了方案驗(yàn)證的準(zhǔn)確性與快速性.

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)型DSOGI-SPLL能夠在電網(wǎng)電壓不平衡、含有大量諧波、頻率跳變的狀況下，準(zhǔn)確、快速地鎖定電網(wǎng)電壓的相位.因其穩(wěn)定性好，對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)不敏感，具有較好的電網(wǎng)適應(yīng)能力，故可應(yīng)用于APF等需要鎖定三相電網(wǎng)電壓相位的系統(tǒng).

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【責(zé)任編輯：晏如松】

Realization of SPLL based on improved double second order generalized integrator

MENG Yan-jing， WU Hui， WANG Su-e

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Traditional SPLL is easily affected by grid disturbances,the result of phase lock has big error and response to frequency change slowly.This paper has analyzed working principle of double second order generalized integrator SPLL(DSOGI-SPLL) and compared the performance of DSOGI-SPLL with improved DSOGI-SPLL.Used Matlab/Simulink to built improved DSOGI-SPLL pattern and simulate.By using model-based design to auto-generated improved DSOGI-SPLL code,download to self-designed 3 KW APF experimental platform and do experiments.The simulation and experimental results was indicated that improved DSOGI-SPLL was precisely and rapidly locked three-phase grid voltage′s phase in the conditions of unbalanced grid voltage、contain large low harmonic and frequency hopping,it′s performance can meet requirements of APF etc.

Key words:SPLL； grid disturbances； DSOGI； model design； APF

中圖分類號(hào)：TM930

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5811(2016)03-0151-05

作者簡(jiǎn)介:孟彥京(1956-)，男，河北寧晉人，教授，研究方向：現(xiàn)代電力電子裝置、新能源并網(wǎng)發(fā)電及儲(chǔ)能

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GY038); 陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK1065)

收稿日期:2016-01-09