鎖相環在矩陣變換器中的應用

作者：時間：2009-04-29 來源：網絡

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1 引言
矩陣 變換器的優點是輸出電壓為正弦波，輸出頻率不受電網頻率限制：輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相，功率因數為1，也可控制為需要的功率因數；能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行；不通過中間直流環節而直接實現變頻，效率較高。電氣性能十分理想的。
獲取電網電壓相位是矩陣 變換器實現中的一個關鍵環節。傳統矩陣 變換器基于過零點檢測進行相位獲取，然而，這種方法必須在電網平衡時才保證有效。隨著近幾年配電網中整流器、變頻調速裝置、電氣化鐵路及各種電力電子設備的不斷增加，這些負載的非線性、沖擊性和不平衡用電特性使公用電網遭到嚴重污染，電網隨時可能發生波動。于是，基于過零點檢測的方法無法達到要求，鎖相環便成為電網波動條件下獲取電壓相位的一種有效途徑。
廣義上講，鎖相環(PLL)的結構分為3種類型：基于過零點檢測(ZCD)的鎖相環；基于靜止坐標系的鎖相環；基于同步旋轉坐標系(SRF)的鎖相環。
基于過零點檢測的鎖相環結構最簡單，而一旦電網頻率波動，它便無法準確跟蹤電壓相位。基于靜止坐標系的鎖相環和基于同步旋轉坐標系的鎖相環無法在電網不平衡時保持良好性能。在電網不平衡條件下如何準確地跟蹤電壓相位，很多文獻已經提出大量方法。這里提出一種基于滑動平均數字濾波器的簡單方法。可在電網不平衡條件下有效改善SRF PLL的性能。仿真和實驗結果均表明，按此方法構建的鎖相環性能優于傳統SRF PLL。

2 三相SRF PLL
三相SRF PLL結構如圖1所示。

本文引用地址：http://www.104case.com/article/166988.htm

為了獲取相位信息，三相系統(Va，Vb，Vc)轉換為靜止兩相系統(Vα，Vβ)。其中，

相位角可以通過圖2所示方法獲取，θ=ωt一(π/2)。在圖2中，V為電壓空間矢量，q,d軸為同步旋轉參考坐標系的坐標軸。

在此鎖相環結構中，PI控制器的輸出與理想電網角頻率(100π)累加成為預估計角頻率ω′，對ω′進行積分得到估計相位θ′。同步旋轉坐標系電壓空間矢量可以通過下面公式得到：

PI控制器增益設定合適時，系統的估計頻率(ω′)鎖定在實際電網角頻率(ω)處。估計相位(θ′)近似等于電網電壓實際相位(θ)，下面公式成立。

SRF PLL相位模型可以簡化為圖3。

3 解決電網不平衡帶來的問題
頻率為50 Hz的電網不平衡時，100 Hz的紋波將出現在兩相系統中，這將導致鎖相環系統無法正確地跟蹤電壓相位。如果使用低通濾波器濾除紋波，系統調節時間將會延長，但如果將低通濾波器替換為滑動平均濾波器，系統調節時間不會延長，同時紋波能得到有效衰減。
滑動平均濾波器是一種簡單形式的FIR濾波器。如果對一個包含100 Hz諧波成分的信號以1 kHz的頻率進行采樣，同時將采樣信號送入系統函數為H(x)=0．1(1+x-2+z-3+z-4+z-5+z-6+z-7+z-8+z-9)的滑動平均濾波器，根據Nyquist Criteria，100 Hz諧波成分將被濾除，輸出信號所包含的整數倍頻率諧波上升為500 Hz。
低通濾波器與滑動平均濾波器的幅頻響應如圖4所示。可以看出，在一個比較寬的頻率范圍內，滑動平均濾波器可對頻率在100 Hz附近的信號做更大程度衰減。所以，即便電網頻率發生波動，滑動平均濾波器的特性也不會被削弱。兩個濾波器的頻率特性如圖5所示。從相頻響應上分析，滑動平均濾波器可以提供更好的相位裕量。所以，在傳統SRFPLL中加入滑動平均濾波器可以更準確地進行相位跟蹤，同時能夠使系統擁有比較寬的通頻帶。