基于柔性鎖相環路的動態電壓恢復器控制方案的研究??

摘要：動態電壓恢復器（DVR）是一種新型電能質量調節裝置，它能有效抑制電網電壓波動對敏感負載的影響。介紹了應用于DVR的一種新型的鎖相技術—柔性鎖相環路〔soft phase locked loop(SPLL)〕和以此為基礎的控制方案。

關鍵詞：動態電壓恢復器；鎖相技術；電壓跌落

1??? 概述

??? 動態電壓恢復器（dynamic voltage restorers簡稱DVR）是一種保證電網供電質量的新型電力電子設備，主要用于補償供電電網產生的電壓跌落，閃變和諧波等。它的基本結構和在電網中的接入方式如圖1所示。DVR本身相當于一個受控電壓源[1]，它可在電源和敏感負載之間插入一個任意幅值和相位的電壓。當電源電壓畸變時，通過改變DVR的電壓，達到穩定敏感負載電壓的目的。

圖1??? 動態電壓恢復器的結構和連接圖

??? DVR的主要補償對象是電網電壓的跌落，閃變和諧波，因此，要求其控制系統應具有足夠的響應速度，同時，對畸變的輸入電壓應具有很強的抑制作用。本文提出的基于瞬時無功理論[3]的柔性鎖相環路（SPLL）[4]和以此為基礎的控制方案能夠很好地達到這一要求。

2??? 柔性鎖相環路

??? 為實現以DVR補償電源側畸變電壓的目的，則獲得電源側電壓的相位是首要的任務。獲得相位信息的方法有過零比較，最小二乘法，小波分析等多種方法。過零比較結構簡單，實現較為容易，但動態響應速度慢，對畸變電壓的抑制較差；最小二乘法動態響應速度快，能準確地鎖定正序電壓的相位，但輸入電壓存在諧波時性能較差；小波分析性能較好，但結構復雜，實現起來較為困難。

??? 本文介紹的SPLL結構比較簡單，動態響應速度快，對畸變輸入電壓有很強的抑制作用。

??? SPLL的基本結構如圖2所示。把三相輸入電壓采樣后做32變換，即把電壓轉換到αβ坐標系中。再經pq變換得到u_q，變換所使用的角度是鎖相的輸出θ^＊，u_q的值代表輸入電壓a相相位和鎖相輸出相位θ^＊的差，然后利用一個PI環節將該差調整到零，從而達到相位捕獲的目的。下面對原理做詳細闡述。

圖2??? SPLL的控制流程圖

??? 如果輸入三相電源電壓中僅含三相基波正序，則設輸入三相電壓為

??? u_a=U_sin(ω₁t＋φ)

??? u_b=U_sin(ω₁t－＋φ)（1）

??? u_c=U_sin(ω₁t－＋φ)

式中：ω₁為角頻率；

??????????? φ為相位。

??? 經過C₃₂變換由三相變至兩相，有

??? ==（2）

??? 如果，此時鎖相環輸出的角頻率為ω，相位為0，則利用鎖相環輸出的角度進行pq變換，有

??? ==（3）

??? 頻率沒有鎖定時，u_q是一個交流分量，在頻率鎖定，相位沒有鎖定時，它是一個直流分量，其大小代表鎖相輸入與輸出之間的相位差信息。在頻率，相位完全捕獲的情況下，有ω₁=ω，φ=0，此時u_q=0，它是恒定的直流分量，而且它并不隨電源電壓幅值的變化而變化。可以看出，只有頻率和相位完全捕獲的情況下才有u_q=0，所以通過把u_q調節為0，就可以達到鎖相的目的，該結構利用PI環節達到這一目的。同時，因在數字系統中正弦和余弦的值靠查表得到，所以θ^＊的值不能太大，故每隔一個工頻周期復位一次。

??? 假設三相輸入電源電壓畸變即電壓中含有零序、負序和諧波分量。對于零序，做C₃₂變換后其值為0，對結果沒有影響，所以不予考慮。此時的三相電壓為

??? 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：下標為1的表示正序，下標為2的表示負序；

????? n表示諧波次數(當n等于1時表示基波)；

????? U表示電壓有效值；

??????????? φ表示初相角；

??????????? ω為電網電壓角頻率。

??? 從而可以得到

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

由式（5）可以看出，僅有基波正序轉換為直流分量，其他分量經過轉換都是頻率較高的分量。經過濾波，將這些高頻分量濾除，則SPLL的輸出就不受負序、零序和諧波的影響。這就保證了在畸變輸入電壓的情況下，SPLL能夠正確地鎖定輸入電壓的基波正序。關于濾波，因系統中存在兩個積分環節，對高頻分量有較強的抑制作用，所以，一般不需要額外的濾波環節。但是當在三相輸入電壓嚴重不平衡時，負序分量很大，若要將其完全濾除，所需時間較長，從而影響系統的動態響應時間。為此，可在pq后加入一個濾波環節來加速負序分量的濾除，如圖3所示，從而在保證濾除負序分量的情況下，系統有較短的動態響應時間。

圖3??? 改進的SPLL結構框圖

3??? 以SPLL為基礎的控制方案

??? 由式（3）可知，u_q代表輸入電壓的相位信息，u_p代表輸入電壓的幅值信息。在相位鎖定的情況下，前者為零，后者是一僅和幅值有關的直流分量。利用u_q構建SPLL達到鎖相的目的，而利用u_p可將理想負載電壓轉換為一常數和實際輸入的電源側電壓經轉換后相減，得到有功分量上需要補償的值，再經反變換即可得到最終的指令。其控制框圖如圖4所示。

圖4??? 利用瞬時無功獲得指令

??? 圖4中的上半部分是SPLL，它保證準確的鎖定電源側畸變輸入電壓的基波正序相位；下半部分是為保持負載電壓有恒定的幅值。這種方案對電壓的幅值和相位分開考慮，物理意義比較明顯。而且，若目標補償電壓的幅值改變，僅須對目標輸入u_p^＊進行修改，所以比較靈活。如果使用空間矢量PWM調制（SVPWM）就不須對指令進行反變換，從而節省大量資源，該方案就更為適用。

??? 使用這種控制方案，得到DVR的補償指令，通過三角波比較等跟蹤方式控制逆變器的工作，即可達到補償畸變電壓的目的。其流程如圖5所示。

圖5??? DVR工作流程圖

4??? 試驗結果

??? 以一臺三相四線制6kW的DVR為平臺，對該控制方案進行試驗驗證。控制方案的實現采用TI公司的DSP2000系列的C32。利用此裝置進行電壓跌落下的鎖相和補償試驗。

??? 圖6是三相輸入電壓中a相電壓和鎖相輸出的電壓波形，可以看出，該鎖相方式具有很快的響應速度，很好的精度，并且對畸變電壓有很強的抑制作用。

圖6??? a相輸入電壓和SPLL輸出

??? 圖7是采用本文所提出的控制方案時，補償電壓跌落的試驗結果。可以看出，此時負載電壓和網側電壓同相位，網側的電壓跌落和諧波得到了很好的補償。

圖7??? 網側電壓和補償后的負載電壓

5??? 結語

??? 本文提出了一種以瞬時無功理論為基礎的鎖相方式——SPLL和以此為基礎的控制方案，由理論分析和試驗驗證可以看出SPLL的動態響應速度快，同時，對畸變輸入電壓有很強的抑制作用，而控制方案具有物理意義明顯，動態響應速度快，控制靈活簡便和補償效果好等優點。該方案對DVR控制方案的研制提供了一種新的選擇。