基于CDSC的APF锁相环设计.pdf

ELECTRONICS WORLD?技术交流基CDSC的APF锁相环计上海电力学院电气工程学院温华生【摘要】本文提出了一种基于级联型延迟信号消除(CDSC)的锁相环技术(CDSC-PLL),该锁相环克服了传统d锁相环在电网电压畴变或不对称时存在较大稳态误差的缺点。CDSC-PIL是在传统锁相环的控制环节中加入了一个CI)SC环节,即da_ CDSC:_PL,文章对所提锁相环进行了理论分析和公式推导。通过仿真验证了所提锁相环理论的正确性及可行性【关键词】锁相环;级联型延迟信号消除0引言sin e cos 6近年来,随着大量电力电子装置的广泛应用,其非线cos(at-6)性的工作特性将产生大量诺波和无功功率注入电网,造成电Lsin(ax-0能质量下降,然,很多高精度以及计算机系统等敏感性负由图1中可以看出,可通过控制三相电压合成矢量u载对电能质量的要求越来越高,因此电力系统谐波抑制以及在q轴上的投影u来跟踪电网相位。当u。0时,d轴滞后无功补偿问题成为研究的热点,静止无功功率发生器、有源U。,此时应增大dq坐标系的旋转角率:当u。O时,d轴电力滤波器( Active Power Eiter,APF)以及统一电能质量超前u,此时应减小dq坐标系的旋转角频率:当u,=0时,调节器因其优越的谐波抑制和无功补偿性能被广泛应用。d轴和u,重合,此时d轴和u同相位。因此,只要控制锁相环技术口?对于APF来说至关重要,因为在谐波相电压合成矢量在q轴上的投影u使其为零即可完成鉴相检测以及指令电流计算时需要实时、准确的电网电压相位信息,锁相环的动态响应速度以及稳态精度直接影响AP的整体性能,因此,研究一种在电网电压普遍存在诺波、波动以及不对称的情况下,能够实时准确的获収电网电压相位的锁相环技术具有重要意义1基于dq变换的锁相环原理将三相电网电压向量经 Clarke变换使其由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系中,假设归一化后的标准三图1旋转坐标变换相电压表达式如下基于q变换的三相锁相环(dqPI-)结构图如图2所示:u,=cos(at)u*e=4. =tu,=cos(ox-5)cos(通过静止坐标变换,将三相电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系中,坐标变换如下:图2基于旋转坐标变换的三相电压锁相环结构图其中 abc/a、cq3/aq以及 sino/coso同组成鉴相器(Pl)模块。该锁相环系统中环路滤波帑(IPl)的作用是消除鉴相器(PD)输出信号中的高频噪声信号,然后将环路滤波器(LPF)输出的控制信号送给压控振荡器(VCO),由于送z=7入压控振荡器的控制信马多为低频信号,所以环路滤波a2cos(aor)器具有低通特性,本文采用的环路滤波器是一个一阶比s sin(ax)例积分器。环路滤波器(LPH)输出的控制信号经过压控振其中,T、为 Clarke变换的变换矩阵,然后再由两相荡器(VCO)后转换成频率,但是,在锁相环系统中,压控静止坐标系变换到两相旋转坐标系,坐标变换如下振荡器(VCO)需要输出的是相位,因此本文将积分器1/sELECTRONICS WORLD?技术交流作为压控振荡器(VCO),对频率进行积分得到相位当电网电压对称不畸变时,dqPI.响阿应速度快,精度高,稳态误差小,但是,当电网电压畸变和不对称时,dqpllt存在比较大的稳态误差,针对这个问题,在 DQPLL的基础上提出一种基于延迟信号消除的锁相环技术。图3dq_DSC_PL的原理2基于延迟信号消除(DSc)的锁相环设计由式(12)可知,当m=4Hk分別取0,1,2时,在dq坐标系中h的值分別为-2,2,-6,6,-10,10,-14,142.1基于延迟信号消除的锁相环原理18,18,对应在abc三:相坐标系中h的值分别为-17,-13,对于三相系统而言,电网电压可以用旋转空间失量-9,-5,-1,3,7,11,15,19即在dq坐标系中,对d轴(h表示谐波次数,当=1时表示正序基波分量的合和q轴信号延退14个正序基波周期,仪能消除三相系统中成矢量)表示,由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的部分正序诺波分量和负序诺波分量,因此,当电网电压变换原理可知,三相坐标系中的变换到两相旋转坐标崎变时,仅有一个信马延迟消除模块,并不能够消除全系中为,即在两相旋转坐标系中,直流分量对应为部谐波,锁相环仍然存在稳态误差相坐标系中的基波止序分量,其他请波分量,对应在三2.2基于级联延迟信号消除的锁相环(dq_ CDSC PLL)技术相坐标系中仍为诺波分量,只是诺波次数相差一次,同由上式(12)可知,虽然k的取值多样,但是一个n值时,所有的谐波分量都具有半波对称性,因此,当电网只对应有限个h值,同时,由式(11)可以得出这样一个结电压含有正序谐波和电压不对称产生负序分量时,可以论,延迟信号消除模块的增益和信号频率无关,并且增益通过谐波的半波对称性在dq坐标系中将谐波消除?,从总小于1,换言之,某一次谐波不能被完个消除时也会被而得到需要的基波正萨分量,消除因谐波使锁相环产生衰减,除此之外,延迟信号消除模块并不会改变信号的频的稳态认差,提高锁相环的精确度率,因此,可以将多个収不同n值的延迟信号消除模块申通过谐波的半波对称性在dq坐标系中将谐波消除联在一起,组成一个级联型延迟信号消除模块。也即延迟信号消除(DSC)法,将输入的诺波信号延迟由式(12)可得,当n取4,6,24时延迟信号消除模垬正序基波信号周期T的1n倍,然后取原信号和延迟信号DC4?,DSC,DSc2l的增益分別为:和的平均值作为输出,其数学表达式如下:(13DSC, v, =51(0)+Mt其中,T为正序棊波分量的周期。(14)在dq坐标系中延迟信号消除(DSC)的具体过程以及在dq坐标系中d轴的h次请波在时域内的表达式如下所示:vh(t)-v2y cos(hoot+2)将其级联后的模块可表示为:CDSC4 24=DSC2. DSC,DSC. 1(16)级联模块的増谧为:- Vcos(ot+0)+cos(hot由GDsc.a:(=0可得在dq坐标系中,h为正负序2,3,6,9,10,12,14,15,18次谐2cos(her+波,在abe坐标系中,h为正序3,4,7、10,11,13,15,16,19同理,在dq坐标系中q轴的h次谐波也作类似的运次以及负序1,2,5,8,9,1,13,14,17次谐波。算,则dq坐标系的h次谐波经过延退信号消除后,其表达由上式结果可知,当n分别取4,6,24时,由DC-,式如下Dx,DSC-?组成的级联犁延退信号消除模块可以消除DSC. EVI1-DSC. vl, DSC, v部分正负序诸波。当n分別取2,4,8,16时组成的级联模块増益为DSCVGdsczamae(h=oo(h cs()cos(h