基于新型數(shù)字鎖相環(huán)的三相電壓型PWM整流器

隨著工業(yè)自動化程度的日益提高，電力用戶對安全、環(huán)保、可控、高質(zhì)量的電能需求不斷增長。三相電壓型PWM整流器利用電容作為儲能元件，與傳統(tǒng)不可控二極管整流器相比，具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、能量雙向流動等優(yōu)點，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(cè)電壓的相位進行坐標變換，但是在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時，普通鎖相環(huán)存在響應速度慢、鎖相精度差等缺點。參考文獻[5]提出一種改進的鎖相環(huán)，即鎖相環(huán)輸入是三相電壓的某一相，并在采樣環(huán)節(jié)前加入了延遲環(huán)節(jié)，改善了網(wǎng)側(cè)電壓電流的同步性。但在電網(wǎng)電壓頻率波動時，鎖相效果不夠理想。參考文獻[6]提出一種基于瞬時無功理論的軟件鎖相環(huán)，通過兩次坐標變換，分解電源電壓得到兩部分矢量，最后經(jīng)過比較、濾波和積分后輸出相位，并將該鎖相環(huán)應用到動態(tài)電壓恢復器中，動態(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，提出一種通過電壓矢量變換的數(shù)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整流器模型進行仿真。結(jié)果證明，在三相電網(wǎng)電壓頻率偏移時，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(shù)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(cè)三相電壓源電壓，udc為直流側(cè)濾波電容C的輸出電壓，ia、ib、ic為交流

2 新型數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和控制原理
2.1 數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)
針對傳統(tǒng)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(gòu)成一個負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)達到濾波鎖相的目的。其電路圖如圖2所示。

從仿真結(jié)果可以看出數(shù)字PLL響應時間很短，系統(tǒng)在前兩個周期時，PI調(diào)節(jié)器的超調(diào)造成了鎖相環(huán)不能準確鎖相，但是在t=0.035 s時，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(cè)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(shù)運行。圖4(b)為三相電網(wǎng)電壓設定310 V時直流側(cè)給定電壓udc為600 V的波形?？梢娭绷麟妷杭y波系數(shù)很小，系統(tǒng)處在穩(wěn)定運行狀態(tài)。由此可知數(shù)字鎖相算法的可行性和正確性。

在實際運行中，還會出現(xiàn)三相電網(wǎng)電壓的頻率在工頻50 Hz附近波動的情況。取頻率偏移+0.5 Hz，電網(wǎng)電壓310 V，給定直流電壓600 V時進行仿真。
由圖5(a)可見，普通鎖相環(huán)在三相電壓出現(xiàn)頻漂時明顯不能準確鎖相，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。仿真實驗結(jié)果驗證了該新型鎖相環(huán)在電壓畸變時鎖相的優(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，普通鎖相環(huán)響應速度慢、鎖相精度差等缺點，提出了一種基于坐標變換的新型數(shù)字鎖相環(huán)，并將其應用到三相PWM整流器系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對電壓信號的無差跟蹤。這種新型鎖相環(huán)實現(xiàn)方法簡單，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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