摘要：對于并網(wǎng)型風(fēng)電變流器來說，能夠準(zhǔn)確而又快速地獲得三相電網(wǎng)電壓的相位角，從而實現(xiàn)成功并網(wǎng)具有重要的意義。本文分析多種鎖相環(huán)技術(shù)后，最終采用軟件鎖相環(huán)來實現(xiàn)變流器的并網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進一步的優(yōu)化軟件鎖相環(huán)技術(shù)的細節(jié)，從而實現(xiàn)風(fēng)電變流器系統(tǒng)安全可靠的完成并網(wǎng)。

　　關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)電變流器，SPLL，Z變換

　　GRID-SIDECONVERTERSPLLINDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEM

　　1引言

　　在永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器的并網(wǎng)過程中，能夠準(zhǔn)確快速地獲得三相電網(wǎng)電壓的相位角是保證整個系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的前提條件。一般采用鎖相環(huán)來獲得電網(wǎng)電壓的相位，因此必須設(shè)計性能優(yōu)良的鎖相環(huán)。

　　2鎖相環(huán)

　　2.1鎖相環(huán)的概述和基本結(jié)構(gòu)[1,2]

　　獲得電網(wǎng)電壓相位角的一般途徑是先產(chǎn)生一個與電網(wǎng)電壓同步的信號，再通過同步信號獲得相位角。產(chǎn)生同步信號的方法有很多，最簡單方法是用電網(wǎng)電壓作為同步信號，但這種方法會因電網(wǎng)電壓波形失真而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓和電流的畸變，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此不宜采用此方法。一般采用鎖相環(huán) (Phase-LockedLoop,PLL)來獲得電網(wǎng)電壓的相位角。鎖相環(huán)一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器及分頻器組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1 所示。其基本工作原理是鑒相器將電網(wǎng)電壓和控制系統(tǒng)內(nèi)部同步信號的相位差信號轉(zhuǎn)變成電壓，經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后去控制壓控振蕩器，從而改變系統(tǒng)內(nèi)部同步信號的頻率和相位，使之與電網(wǎng)電壓一致。

圖2-1 鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

　　2.2鎖相環(huán)的分類

　　鎖相的意義是相位同步的自動控制，能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)PLL(PhaseLockedLoop)。鎖相環(huán)技術(shù)也稱作自動相位控制技術(shù)，負反饋環(huán)路的結(jié)構(gòu)可以使得其輸出信號與參考信號相位同步。其廣泛應(yīng)用于通信、無線電及電力系統(tǒng)自動化等領(lǐng)域，實現(xiàn)信號處理、調(diào)制解調(diào)、時鐘同步、倍頻、頻率綜合等功能。

　　鎖相環(huán)可分為模擬鎖相環(huán)APLL(AnalogPLL)、混合鎖相環(huán)Mixed-SignalPLL、數(shù)字鎖相環(huán) DPLL(DigitalPLL)和軟件鎖相環(huán)SPLL(SoftwarePLL)。模擬鎖相環(huán)是一門成熟的技術(shù)，獨特的優(yōu)良性能是它在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，逆變電源的全數(shù)字化控制也是大勢所趨，因此，鎖相環(huán)也逐漸過渡為數(shù)字化。軟件鎖相環(huán)相對于模擬鎖相環(huán)實現(xiàn)起來更方便，易于移植，同時用軟件代替硬件，也節(jié)約了成本。本文所述系統(tǒng)正是采用了軟件鎖相環(huán)技術(shù)。

　　2.3三相軟件鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

　　對于三相電網(wǎng)，采用單相同步的方法很難準(zhǔn)確的實現(xiàn)dq坐標(biāo)系與電網(wǎng)三相電壓合成矢量的同步，必須綜合三相電壓的相位信息。如圖2-2所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓幅值，即電壓合成矢量Us的幅值不變時，Us的q軸分量Usq反映了d軸與電網(wǎng)電壓Us的相位關(guān)系。Usq>0時，d軸滯后Us，應(yīng)增大同步信號頻率；Usq<0時，d軸超前us，應(yīng)減小同步信號頻率；usq=0時，d軸與us同相。因此，可通過控制usq，使usq=0來實現(xiàn)兩者之間的同相。基于這一思想，設(shè)計了一種采用dsp實現(xiàn)的三相軟件鎖相環(huán)(spll)。每個逆變單元的并聯(lián)控制器和單機控制器中都有鎖相環(huán)，在本系統(tǒng)中都是用軟件來實現(xiàn)的。[3]< p="">

圖2-2 電壓矢量相位圖               圖2-3三相軟件鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

　　如圖2-3所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)坐標(biāo)變換后得到Usq[4]，經(jīng)過環(huán)路濾波器后改變壓控振蕩器的振蕩頻率。用DSP實現(xiàn)時，一般采用DSP內(nèi)部定時器的循環(huán)計數(shù)來產(chǎn)生同步信號、實現(xiàn)壓控振蕩器和分頻器的功能，因此可通過改變定時器的周期或最大循環(huán)計數(shù)值的方法來改變同步信號的頻率和相位。

　　2.4三相軟件鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型

　　由于鎖相環(huán)在本系統(tǒng)中用軟件實現(xiàn)，所以下面先分析數(shù)字域中的鎖相實現(xiàn)方法，進而推導(dǎo)出鎖相環(huán)的z域數(shù)學(xué)模型。

圖2-4     輸出電壓超前于同步信號 SYN 的示意圖

圖2-6：閉環(huán)鎖相的控制框圖

　　3三相軟件鎖相環(huán)的誤差與精度