何學(xué)飛，戴仁德，楊 彪

(湖南紅太陽(yáng)新能源科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 412001)

一種相位誤差修正法的仿真分析及應(yīng)用

何學(xué)飛，戴仁德，楊 彪

(湖南紅太陽(yáng)新能源科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 412001)

相控整流控制系統(tǒng)中，電源同步過(guò)零信息的采集非常關(guān)鍵.小容量的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)頻率變化幅度較大，由此引起同步信號(hào)的采集偏差，導(dǎo)致相控整流嚴(yán)重的故障.闡述了這一故障產(chǎn)生原因，并根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與同步信號(hào)濾波電路相移的函數(shù)關(guān)系，提出一種修正方法，并進(jìn)行了仿真及實(shí)際應(yīng)用.結(jié)果表明，提出的修正方法具有原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣、能消除頻率連續(xù)變化帶來(lái)的過(guò)零誤差等優(yōu)點(diǎn).

相控整流；同步信號(hào)；過(guò)零檢測(cè)；相位差；帶通濾波；交流采樣

1 同步信號(hào)工程處理方式

晶閘管移相觸發(fā)控制整流系統(tǒng)中,輸出電壓、功率的改變是通過(guò)改變晶閘管的控制角來(lái)實(shí)現(xiàn)的.為滿足晶閘管的導(dǎo)通條件并正確計(jì)算控制角, 必須獲得晶閘管兩極電壓由反向變正向時(shí)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào),以此作為滿足晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通條件和計(jì)算控制角的基準(zhǔn)點(diǎn), 這一信號(hào)通常稱為同步信號(hào)[1].為了獲取此信號(hào)用于控制，需要對(duì)高壓側(cè)的電源正弦信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波、過(guò)零檢測(cè)和整形等多個(gè)環(huán)節(jié)形成控制電源系的低壓同步方波信號(hào).

工程應(yīng)用中同步信號(hào)處理的一種方式是：采用同步變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電源隔離,用過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)電壓過(guò)零點(diǎn)，并進(jìn)行波形整形.

圖1 同步變壓器隔離處理方法

經(jīng)同步變壓器隔離后，所獲得的完整電源信號(hào)可用于電源幅值計(jì)算、電源諧波分析等其他用途；后續(xù)濾波和檢測(cè)整形電路簡(jiǎn)單，能有效去除高次諧波和直流分量.

但存在的缺點(diǎn)包括：(1)同步變壓器重量大，設(shè)備占用較大空間；(2)濾波電路受電源頻率變化影響，通用性較差；(3)當(dāng)相位發(fā)生變化時(shí)，過(guò)零檢測(cè)法要等到下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)才能檢測(cè)出隨后各時(shí)刻的相位，故其動(dòng)態(tài)性能在一些特定應(yīng)用中無(wú)法滿足要求.

在電源諧波干擾較少，并且一些控制僅需要過(guò)零信號(hào)的一些工程應(yīng)用中，同步電路可以采取直接從高壓側(cè)電阻分壓后光耦隔離的簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)[2].

圖2 電阻分壓光耦隔離方法

此種方式元件少，電路簡(jiǎn)單，可靠性較高；設(shè)備質(zhì)量、空間開(kāi)銷??；較變壓器隔離方式相位延時(shí)更小.

但存在如下缺點(diǎn)：(1)雖然可以對(duì)后續(xù)的同步方波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，但對(duì)于單相控制應(yīng)用缺少多相位的參照對(duì)比，如果存在很嚴(yán)重的電源波形畸變，容易造成過(guò)零信號(hào)不準(zhǔn)甚至錯(cuò)誤；(2)對(duì)于超高壓電源系統(tǒng)，隔離光耦的耐受電壓，以及響應(yīng)靈敏度等要求對(duì)器件的選型造成較大困難；(3)受器件參數(shù)分散性影響，過(guò)零相位誤差很難通過(guò)有效手段進(jìn)行修正；(4)無(wú)法滿足需要獲取電源幅值等其他信號(hào)的控制要求；(5)由于同樣采用過(guò)零檢測(cè)方法，動(dòng)態(tài)性能在一些特定應(yīng)用中無(wú)法滿足要求.

2 同步信號(hào)處理在電力機(jī)車相控整流系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

2.1 電力機(jī)車網(wǎng)壓同步信號(hào)特點(diǎn)

電力機(jī)車是波動(dòng)性很大的單相大功率整流或逆變負(fù)荷，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)序和諧波電流.受電弓與供網(wǎng)的接觸也會(huì)對(duì)網(wǎng)壓產(chǎn)生很大干擾.尤其對(duì)交直電力機(jī)車，由變壓器漏抗產(chǎn)生的換向重疊角可以導(dǎo)致變壓器次邊電壓的短時(shí)掉零.這些干擾導(dǎo)致了同步信號(hào)含有大量的三次、五次諧波以及高頻脈動(dòng)分量.

2.2 電力機(jī)車網(wǎng)壓同步信號(hào)處理

在韶山系列的交直電力機(jī)車控制系統(tǒng)中，采用同步變壓器獲取電源同步信號(hào)后，一直沿用8K電力機(jī)車的50Hz有源帶通濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)壓同步信號(hào)干擾的濾除.由于電氣化鐵道供網(wǎng)頻率變化較小，穩(wěn)定在49.8Hz至50.2Hz之間，為了避免干擾引起的過(guò)零抖動(dòng)，選用的帶通濾波參數(shù)通頻帶較窄.品質(zhì)因數(shù)Q為4，-3dB截止頻率上下限分別為56Hz、44Hz.在中心頻率50Hz時(shí)，相移偏差180°，反相增益為1.

圖3 二階有源帶通濾波電路[3]

對(duì)于單相整流系統(tǒng)，該參數(shù)下的濾波電路有以下幾點(diǎn)好處：

(1)去除電源高次諧波和直流分量的效果好.(2)濾波后生成的反相正弦信號(hào)過(guò)零點(diǎn)與原電源信號(hào)過(guò)零點(diǎn)重疊，節(jié)省了后續(xù)的相位匹配延時(shí)電路.這一優(yōu)點(diǎn)在集成數(shù)字觸發(fā)控制電路中不明顯，因?yàn)檐浖?shù)字延時(shí)匹配的開(kāi)銷很小.

主要的缺點(diǎn)包括：(1)相位信息滯后與濾波效果相互矛盾，在電網(wǎng)出現(xiàn)較大負(fù)序擾動(dòng)時(shí)，過(guò)零判斷嚴(yán)重滯后.

(2)在電網(wǎng)頻率變動(dòng)在49.8～50.2Hz時(shí)，能保證過(guò)零誤差小于2°.當(dāng)頻率變化較大時(shí)，過(guò)零偏差將急劇增大.

3 局域發(fā)電網(wǎng)頻率變化導(dǎo)致的過(guò)零偏差

3.1 過(guò)零偏差產(chǎn)生原因及危害

局域發(fā)電網(wǎng)如單柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，電源頻率變化可在40Hz至63Hz之間.不同頻率下，同步信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路后將不可避免產(chǎn)生較大的過(guò)零偏差.以前文所述的濾波電路為例，相位延時(shí)與頻率的關(guān)系為：

中心頻率為50Hz，品質(zhì)因數(shù)Q為4(品質(zhì)因數(shù)過(guò)小將影響濾波效果).40Hz頻率電源信號(hào)經(jīng)帶通濾波電路后的相位誤差φ等于61°.對(duì)于三相整流系統(tǒng)，觸發(fā)基準(zhǔn)偏移61°將導(dǎo)致晶閘管換流導(dǎo)通失敗，影響輸出電壓和功率急劇下降.

3.2 過(guò)零偏差修正方法

對(duì)于固定參數(shù)和形式的濾波電路，相移偏差與輸入信號(hào)頻率成固定函數(shù)關(guān)系.通過(guò)檢測(cè)單相系統(tǒng)兩次同步過(guò)零點(diǎn)間隔或者三相系統(tǒng)中兩路同步過(guò)零間隔，都可以較方便地計(jì)算出信號(hào)源頻率，依據(jù)此頻率可以固定得出相移發(fā)生的偏差值[4].將此偏差值對(duì)同步過(guò)零基準(zhǔn)進(jìn)行修正即可還原真實(shí)過(guò)零信號(hào).在工程應(yīng)用中，可以構(gòu)建頻率與相移偏差的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，通過(guò)查表可快速便捷地實(shí)現(xiàn)誤差修正.以使用前文所述帶通濾波電路的三相整流控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中引入兩路相電壓同步信號(hào)，經(jīng)50Hz帶通濾波并整形形成過(guò)零方波信號(hào)送入數(shù)字觸發(fā)控制器.數(shù)字觸發(fā)控制器內(nèi)以50kHz的頻率對(duì)過(guò)零方波信號(hào)進(jìn)行采集.采樣分辨間隔20μs,對(duì)應(yīng)50Hz相周期的0.18°,能充分滿足移相控制精度要求.

電源頻率為標(biāo)準(zhǔn)50Hz時(shí)，兩相過(guò)零時(shí)間間隔6667μs，控制器頻率測(cè)定計(jì)數(shù)為333；電源頻率為40Hz時(shí)，過(guò)零偏差-4220μs，對(duì)應(yīng)修正計(jì)數(shù)211；電源頻率為63Hz時(shí)，過(guò)零偏差2720μs，對(duì)應(yīng)修正計(jì)數(shù)-136.

4 過(guò)零偏差修正仿真及優(yōu)化

使用Matlab/Simulate構(gòu)建二階帶通濾波模型，將偏差修正算法運(yùn)用到模型中[6].

設(shè)計(jì)要求：在兩個(gè)工頻周期內(nèi)修正過(guò)零偏差.

步驟如下：

(1)從Matalb/Simulate中調(diào)取二階帶通濾波模型，根據(jù)之前的的濾波器參數(shù)，輸入C1=C2=66nf；R1=196k;R2=6.12k；R3=392k，分別設(shè)定品質(zhì)因數(shù)Q=4和2.

(2)輸入可變同步信號(hào)源，頻率0.1s內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，在0.1s后突然改變頻率，改為40Hz的正弦信號(hào)；得到濾波器濾波之后的同步正弦信號(hào)，與實(shí)際的同步信號(hào)源相比存在滯后的影響.

(3)根據(jù)之前的修正方法，構(gòu)建二維數(shù)組數(shù)據(jù)表，以頻率計(jì)數(shù)范圍265～417為x軸.計(jì)算修正數(shù)值為y軸，對(duì)應(yīng)范圍為-136～-211.

(4)依據(jù)每次采樣的兩相過(guò)零間隔，查對(duì)應(yīng)修正二維表獲得修正值，對(duì)采集的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行修正構(gòu)建還原的過(guò)零基準(zhǔn).仿真中以40Hz為例，兩相過(guò)零的周期為8334μs，以采樣率為50kHz的采樣頻率，頻率采集計(jì)數(shù)為417，過(guò)零偏差為-4220μs，對(duì)應(yīng)修正頻率計(jì)數(shù)為211.如為其他的頻率，計(jì)算兩過(guò)零點(diǎn)的周期及計(jì)數(shù)，查找二維表中對(duì)應(yīng)的修正周期即可.

圖4 濾波電路品質(zhì)因數(shù)為4的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如下：

上圖中第一行為相差120°的兩相正弦信號(hào)，在0.1s時(shí)刻由50Hz突變?yōu)?0Hz；

第二行為經(jīng)過(guò)二階帶通濾波器后的正弦信號(hào)；

第三行實(shí)線為第一相輸入信號(hào)同步過(guò)零方波，點(diǎn)實(shí)線為第一相濾波后同步過(guò)零方波，虛線為修正后過(guò)零方波；

第四行為實(shí)時(shí)檢測(cè)的兩相間隔計(jì)數(shù)，以及查表獲得的修正計(jì)數(shù)(采樣周期20μs).

從圖中分析，從0.1s時(shí)刻突變，到0.18s歷時(shí)4個(gè)周期，修正后的過(guò)零方波與原信號(hào)過(guò)零點(diǎn)恢復(fù)一致.

修正過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)的原因有以下幾點(diǎn)：

(1)信號(hào)源突變幅度較大.現(xiàn)實(shí)的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)雖然頻率范圍較廣，但均為緩慢連續(xù)變化，不會(huì)造成過(guò)長(zhǎng)的修正恢復(fù)時(shí)間；

(2)濾波電路對(duì)信號(hào)的頻率變化響應(yīng)從圖中可知，一直到0.16s時(shí)刻歷時(shí)3個(gè)周期，濾波后信號(hào)的頻率和兩相相位差才達(dá)到與輸入信號(hào)基本一致.

(3)修正方法采用的是先計(jì)算相差，再修正的方式.從頻率變化到修正結(jié)果，不可避免地產(chǎn)生半個(gè)周期的延時(shí).

為了減少濾波電路響應(yīng)時(shí)間，嘗試著對(duì)濾波參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)調(diào)整品質(zhì)因數(shù)可以減少修正過(guò)渡時(shí)間.

濾波電路品質(zhì)因數(shù)調(diào)整為2的仿真結(jié)果如下：

圖5 濾波電路品質(zhì)因數(shù)為2的仿真結(jié)果

從圖5可知，濾波后信號(hào)的頻率和相差達(dá)到與輸入信號(hào)基本一致的時(shí)間從原先的0.06s時(shí)刻提前到了0.03s時(shí)刻，總的修正過(guò)渡時(shí)間也原來(lái)的0.08s提前到了0.05s.過(guò)渡周期和過(guò)渡過(guò)程中的過(guò)零誤差都大幅減小.

5 結(jié)論

為解決在工程實(shí)際應(yīng)用中的小容量的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)頻率變化幅度較大的問(wèn)題，采用經(jīng)典的二階帶通濾波器進(jìn)行同步信號(hào)濾波，而由濾波器引起同步信號(hào)的采集偏差，導(dǎo)致相控整流嚴(yán)重的故障.本文所述的相位偏差修正方法可以基本消除頻率連續(xù)變化帶來(lái)的過(guò)零誤差.在電源諧波干擾較輕的應(yīng)用中，可以適當(dāng)減小濾波電路的品質(zhì)因數(shù)來(lái)獲得濾波后信號(hào)對(duì)原信號(hào)的快速響應(yīng).

同時(shí)本文所采用的方法具有原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)可靠、適用范圍廣、能消除頻率連續(xù)變化帶來(lái)的過(guò)零誤差等優(yōu)點(diǎn).

[1] 彭洪濤,皮佑國(guó).晶閘管相控同步信號(hào)電路研究[J].電工技術(shù),2004,(2):58-59.

[2] 陳海榮,張靜,潘武略.同步相位與瞬時(shí)對(duì)稱分量的檢測(cè)新方法[J].高電壓技術(shù),2009,(9):2150-2155.

[3] 丁麗娜,李向軍,谷軍.四象限整流同步信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2011, (12):69-73.

[4] 劉燦,錢華,戴仁德.一種修正相控整流控制中因頻率變化引起相位采集誤差的方法:中國(guó),CN102981133B[P]. 2013-03-20.

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(責(zé)任編校：晴川)

Simulation and Application of Correction Method for Phase Error

HE Xuefei, DAI Rende, YANG Biao

(Hunan Red Solar New Energy Science and Technology Co., Ltd, Changsha Hunan 412001, China)

In Phase controlled rectifier controlled system, the large frequency variation range of small capacity diesel generator system causes synchronous signal acquisition error and fault of phase controlled rectifier. This paper describes the causes of the fault, according to the relationship between the system frequency and the phase shift of the synchronous signal filter circuit , introduces the correction method, and simulation and practical application are also given. The results show that the proposed method has the advantages of simple principle, easy operation, wide application range and can eliminate the zero crossing error caused by continuously varying frequency.

phase controlled rectifier; synchronous signal; zero crossing detection ;phase difference; band-pass filtering; AC sampling

2017-02-10

湖南省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：14JJ2142)資助項(xiàng)目.

何學(xué)飛(1981— )，男，湖北鐘祥人，湖南紅太陽(yáng)新能源科技有限公司高級(jí)工程師.研究方向：電力電子及新能源系統(tǒng).

TM32

A

1008-4681(2017)02-0042-03