基于柔性锁相环路的动态电压恢复器控制方案的研究  

摘要：动态电压恢复器（DVR）是一种新型电能质量调节装置，它能有效抑制电网电压波动对敏感负载的影响。介绍了应用于DVR的一种新型的锁相技术—柔性锁相环路〔soft phase locked loop(SPLL)〕和以此为基础的控制方案。

关键词：动态电压恢复器；锁相技术；电压跌落

1    概述

    动态电压恢复器（dynamic voltage restorers简称DVR）是一种保证电网供电质量的新型电力电子设备，主要用于补偿供电电网产生的电压跌落，闪变和谐波等。它的基本结构和在电网中的接入方式如图1所示。DVR本身相当于一个受控电压源[1]，它可在电源和敏感负载之间插入一个任意幅值和相位的电压。当电源电压畸变时，通过改变DVR的电压，达到稳定敏感负载电压的目的。

图1    动态电压恢复器的结构和连接图

    DVR的主要补偿对象是电网电压的跌落，闪变和谐波，因此，要求其控制系统应具有足够的响应速度，同时，对畸变的输入电压应具有很强的抑制作用。本文提出的基于瞬时无功理论[3]的柔性锁相环路（SPLL）[4]和以此为基础的控制方案能够很好地达到这一要求。

2    柔性锁相环路

    为实现以DVR补偿电源侧畸变电压的目的，则获得电源侧电压的相位是首要的任务。获得相位信息的方法有过零比较，最小二乘法，小波分析等多种方法。过零比较结构简单，实现较为容易，但动态响应速度慢，对畸变电压的抑制较差；最小二乘法动态响应速度快，能准确地锁定正序电压的相位，但输入电压存在谐波时性能较差；小波分析性能较好，但结构复杂，实现起来较为困难。

    本文介绍的SPLL结构比较简单，动态响应速度快，对畸变输入电压有很强的抑制作用。

    SPLL的基本结构如图2所示。把三相输入电压采样后做32变换，即把电压转换到αβ坐标系中。再经pq变换得到u_q，变换所使用的角度是锁相的输出θ^＊，u_q的值代表输入电压a相相位和锁相输出相位θ^＊的差，然后利用一个PI环节将该差调整到零，从而达到相位捕获的目的。下面对原理做详细阐述。

图2    SPLL的控制流程图

    如果输入三相电源电压中仅含三相基波正序，则设输入三相电压为

    u_a=U_sin(ω₁t＋φ)

    u_b=U_sin(ω₁t－＋φ)（1）

    u_c=U_sin(ω₁t－＋φ)

式中：ω₁为角频率；

            φ为相位。

    经过C₃₂变换由三相变至两相，有

    ==（2）

    如果，此时锁相环输出的角频率为ω，相位为0，则利用锁相环输出的角度进行pq变换，有

    ==（3）

    频率没有锁定时，u_q是一个交流分量，在频率锁定，相位没有锁定时，它是一个直流分量，其大小代表锁相输入与输出之间的相位差信息。在频率，相位完全捕获的情况下，有ω₁=ω，φ=0，此时u_q=0，它是恒定的直流分量，而且它并不随电源电压幅值的变化而变化。可以看出，只有频率和相位完全捕获的情况下才有u_q=0，所以通过把u_q调节为0，就可以达到锁相的目的，该结构利用PI环节达到这一目的。同时，因在数字系统中正弦和余弦的值靠查表得到，所以θ^＊的值不能太大，故每隔一个工频周期复位一次。

    假设三相输入电源电压畸变即电压中含有零序、负序和谐波分量。对于零序，做C₃₂变换后其值为0，对结果没有影响，所以不予考虑。此时的三相电压为

    u_a=[U_1nsin(nω t＋φ_1n)＋U_2nsin(nωt＋φ_2n)]

    u_b=[U_1nsin(nωt＋φ_1n－120°)＋U_2nsin(nω t＋φ_2n＋120°)]

    u_c=[U_1nsin(nωt＋φ_1n＋120°)＋U_2nsin(nω t＋φ_2n－120°)](4)

式中：下标为1的表示正序，下标为2的表示负序；

      n表示谐波次数(当n等于1时表示基波)；

      U表示电压有效值；

            φ表示初相角；

            ω为电网电压角频率。

    从而可以得到

    u_q=U_1nsin[(n－1)ωt＋φ_1n]－U_2nsin[(n＋1)ωt＋φ_2n]（5）

由式（5）可以看出，仅有基波正序转换为直流分量，其他分量经过转换都是频率较高的分量。经过滤波，将这些高频分量滤除，则SPLL的输出就不受负序、零序和谐波的影响。这就保证了在畸变输入电压的情况下，SPLL能够正确地锁定输入电压的基波正序。关于滤波，因系统中存在两个积分环节，对高频分量有较强的抑制作用，所以，一般不需要额外的滤波环节。但是当在三相输入电压严重不平衡时，负序分量很大，若要将其完全滤除，所需时间较长，从而影响系统的动态响应时间。为此，可在pq后加入一个滤波环节来加速负序分量的滤除，如图3所示，从而在保证滤除负序分量的情况下，系统有较短的动态响应时间。

图3    改进的SPLL结构框图

3    以SPLL为基础的控制方案

    由式（3）可知，u_q代表输入电压的相位信息，u_p代表输入电压的幅值信息。在相位锁定的情况下，前者为零，后者是一仅和幅值有关的直流分量。利用u_q构建SPLL达到锁相的目的，而利用u_p可将理想负载电压转换为一常数和实际输入的电源侧电压经转换后相减，得到有功分量上需要补偿的值，再经反变换即可得到最终的指令。其控制框图如图4所示。

图4    利用瞬时无功获得指令

    图4中的上半部分是SPLL，它保证准确的锁定电源侧畸变输入电压的基波正序相位；下半部分是为保持负载电压有恒定的幅值。这种方案对电压的幅值和相位分开考虑，物理意义比较明显。而且，若目标补偿电压的幅值改变，仅须对目标输入u_p^＊进行修改，所以比较灵活。如果使用空间矢量PWM调制（SVPWM）就不须对指令进行反变换，从而节省大量资源，该方案就更为适用。

    使用这种控制方案，得到DVR的补偿指令，通过三角波比较等跟踪方式控制逆变器的工作，即可达到补偿畸变电压的目的。其流程如图5所示。

图5    DVR工作流程图

4    试验结果

    以一台三相四线制6kW的DVR为平台，对该控制方案进行试验验证。控制方案的实现采用TI公司的DSP2000系列的C32。利用此装置进行电压跌落下的锁相和补偿试验。

    图6是三相输入电压中a相电压和锁相输出的电压波形，可以看出，该锁相方式具有很快的响应速度，很好的精度，并且对畸变电压有很强的抑制作用。

图6    a相输入电压和SPLL输出

    图7是采用本文所提出的控制方案时，补偿电压跌落的试验结果。可以看出，此时负载电压和网侧电压同相位，网侧的电压跌落和谐波得到了很好的补偿。

图7    网侧电压和补偿后的负载电压

5    结语

    本文提出了一种以瞬时无功理论为基础的锁相方式——SPLL和以此为基础的控制方案，由理论分析和试验验证可以看出SPLL的动态响应速度快，同时，对畸变输入电压有很强的抑制作用，而控制方案具有物理意义明显，动态响应速度快，控制灵活简便和补偿效果好等优点。该方案对DVR控制方案的研制提供了一种新的选择。