基于新型數字鎖相環(huán)的三相電壓型PWM整流器

隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高，電力用戶(hù)對安全、環(huán)保、可控、高質(zhì)量的電能需求不斷增長(cháng)。三相電壓型PWM整流器利用電容作為儲能元件，與傳統不可控二極管整流器相比，具有網(wǎng)側功率因數可控、直流側電壓穩定、能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在工程中得到了廣泛應用[1-4]。
為獲得PWM整流器的控制信號，需要利用網(wǎng)側電壓的相位進(jìn)行坐標變換，但是在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時(shí)，普通鎖相環(huán)存在響應速度慢、鎖相精度差等缺點(diǎn)。參考文獻[5]提出一種改進(jìn)的鎖相環(huán)，即鎖相環(huán)輸入是三相電壓的某一相，并在采樣環(huán)節前加入了延遲環(huán)節，改善了網(wǎng)側電壓電流的同步性。但在電網(wǎng)電壓頻率波動(dòng)時(shí)，鎖相效果不夠理想。參考文獻[6]提出一種基于瞬時(shí)無(wú)功理論的軟件鎖相環(huán)，通過(guò)兩次坐標變換，分解電源電壓得到兩部分矢量，最后經(jīng)過(guò)比較、濾波和積分后輸出相位，并將該鎖相環(huán)應用到動(dòng)態(tài)電壓恢復器中，動(dòng)態(tài)電壓恢復器獲得了較好的補償效果。目前，將基于坐標變化理論的鎖相環(huán)應用在PWM整流器中的文獻還比較少。
本文基于坐標變換理論，提出一種通過(guò)電壓矢量變換的數字信號鎖相環(huán)，并將其應用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink對搭建的三相電壓型PWM整流器模型進(jìn)行仿真。結果證明，在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時(shí)，鎖相環(huán)能夠快速鎖定輸入信號的頻率和相位。
1 三相電壓型PWM整流器
1.1 三相電壓型PWM整流器的主電路
圖1為基于新型數字鎖相環(huán)的三相電壓型PWM整流器主電路，其中，ua、ub、uc代表交流側三相電壓源電壓，udc為直流側濾波電容C的輸出電壓，ia、ib、ic為交流

2 新型數字鎖相環(huán)的結構和控制原理
2.1 數字鎖相環(huán)的結構
針對傳統鎖相環(huán)[7-9]的缺陷，本文提出一種基于電壓矢量變換的測量方法。首先將三相電壓變換到兩相a-β坐標系中，然后與鎖相環(huán)輸出構成一個(gè)負反饋閉環(huán)控制系統，最后通過(guò)調節系統參數達到濾波鎖相的目的。其電路圖如圖2所示。

從仿真結果可以看出數字PLL響應時(shí)間很短，系統在前兩個(gè)周期時(shí)，PI調節器的超調造成了鎖相環(huán)不能準確鎖相，但是在t=0.035 s時(shí)，輸入信號就很快與輸出信號重疊，即輸入信號頻率相位被鎖定，鎖相效果良好。
圖4所示為整流器仿真波形，其中圖4(a)為整流器網(wǎng)側A相電壓電流波形，可以看出，整流器很快達到單位功率因數運行。圖4(b)為三相電網(wǎng)電壓設定310 V時(shí)直流側給定電壓udc為600 V的波形?？梢?jiàn)直流電壓紋波系數很小，系統處在穩定運行狀態(tài)。由此可知數字鎖相算法的可行性和正確性。

在實(shí)際運行中，還會(huì )出現三相電網(wǎng)電壓的頻率在工頻50 Hz附近波動(dòng)的情況。取頻率偏移+0.5 Hz，電網(wǎng)電壓310 V，給定直流電壓600 V時(shí)進(jìn)行仿真。
由圖5(a)可見(jiàn)，普通鎖相環(huán)在三相電壓出現頻漂時(shí)明顯不能準確鎖相，電流波形失真較嚴重。而從圖5(b)可以看出新型鎖相環(huán)則能快速鎖定輸入信號頻率和相位，對電網(wǎng)電壓頻漂有良好的抑制作用。仿真實(shí)驗結果驗證了該新型鎖相環(huán)在電壓畸變時(shí)鎖相的優(yōu)越性。

本文針對三相電壓型PWM整流器在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時(shí)，普通鎖相環(huán)響應速度慢、鎖相精度差等缺點(diǎn)，提出了一種基于坐標變換的新型數字鎖相環(huán)，并將其應用到三相PWM整流器系統中，實(shí)現了對電壓信號的無(wú)差跟蹤。這種新型鎖相環(huán)實(shí)現方法簡(jiǎn)單，能夠快速鎖定電源電壓頻率和相位。仿真驗證了理論分析的正確性和可行性。
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