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永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器SPLL技術(shù)的研究

2013/5/20 15:44:40

摘要：對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)變流器的并網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步的優(yōu)化軟件鎖相環(huán)技術(shù)的細(xì)節(jié)，從而實(shí)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(gè)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(jì)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(gè)與電網(wǎng)電壓同步的信號(hào)，再通過同步信號(hào)獲得相位角。產(chǎn)生同步信號(hào)的方法有很多，最簡(jiǎn)單方法是用電網(wǎng)電壓作為同步信號(hào)，但這種方法會(huì)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(hào)的相位差信號(hào)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(hào)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(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)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(dòng)相位控制技術(shù)，負(fù)反饋環(huán)路的結(jié)構(gòu)可以使得其輸出信號(hào)與參考信號(hào)相位同步。其廣泛應(yīng)用于通信、無線電及電力系統(tǒng)自動(dòng)化等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、調(diào)制解調(diào)、時(shí)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(dú)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(shì)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(duì)于模擬鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)起來更方便，易于移植，同時(shí)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(duì)于三相電網(wǎng)，采用單相同步的方法很難準(zhǔn)確的實(shí)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(shí)，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(shí)，d軸滯后Us，應(yīng)增大同步信號(hào)頻率；Usq<0時(shí)，d軸超前us，應(yīng)減小同步信號(hào)頻率；usq=0時(shí)，d軸與us同相。因此，可通過控制usq，使usq=0來實(shí)現(xiàn)兩者之間的同相?；谶@一思想，設(shè)計(jì)了一種采用dsp實(shí)現(xiàn)的三相軟件鎖相環(huán)(spll)。每個(gè)逆變單元的并聯(lián)控制器和單機(jī)控制器中都有鎖相環(huán)，在本系統(tǒng)中都是用軟件來實(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)，一般采用DSP內(nèi)部定時(shí)器的循環(huán)計(jì)數(shù)來產(chǎn)生同步信號(hào)、實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器和分頻器的功能，因此可通過改變定時(shí)器的周期或最大循環(huán)計(jì)數(shù)值的方法來改變同步信號(hào)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(shí)現(xiàn)，所以下面先分析數(shù)字域中的鎖相實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)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(hào) 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

3.1三相軟件鎖相環(huán)的誤差分析

控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，是系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度(控制精度)的一種度量，通常稱為穩(wěn)態(tài)性能。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)態(tài)誤差是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)基的控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入作用的類型(控制量或擾動(dòng)量)、輸入函數(shù)的形式(階躍、斜坡或加速度)不同，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出不可能在人和情況下都與輸入量已知或相當(dāng)，也不可能在任何形式的擾動(dòng)作用各下都能準(zhǔn)確地恢復(fù)到原平衡位置。可以說，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是不可避免的，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一，是盡量減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，或者使穩(wěn)態(tài)誤差小于某一容許值。上面討論了系統(tǒng)的穩(wěn)定條件，只有在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，討論穩(wěn)態(tài)誤差才有意義。

由圖2-6，得到輸入信號(hào)下的系統(tǒng)誤差傳函為：

3.2用以提高鎖相精度的SPWM再調(diào)制技

鎖相精度是鎖相技術(shù)中比較關(guān)鍵的一個(gè)問題，鎖相的優(yōu)劣也直接關(guān)系到逆變器并聯(lián)的可靠性。逆變器輸出電壓的鎖相精度，除了與相位誤差的檢測(cè)精度、控制器的性能等有關(guān)以外，還與逆變器輸出周期控制的精度有直接的聯(lián)系。文獻(xiàn)針對(duì)微處理器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘以及開關(guān)周期使得鎖相精度較低的問題，提出了SPWM的再調(diào)制技術(shù)，可有效地提高逆變器輸出電壓的鎖相精度。

所謂“SPWM再調(diào)制控制”，即在原有的SPWM調(diào)制的基礎(chǔ)上，按照一定的策略選取其中部分載波，作為再調(diào)制單元，將需要補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘控制周期疊加到這些載波的周期計(jì)數(shù)器中，以提高相位控制分辨率，實(shí)現(xiàn)高精度同步控制的方法。再調(diào)制控制策略在實(shí)際數(shù)字化控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的有順序插補(bǔ)、分組順序插補(bǔ)和對(duì)稱插補(bǔ)。本文采用了分段順序插補(bǔ)技術(shù)，通過對(duì)載波周期進(jìn)行精確控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的精確控制。以DSP作主控制器為例，采用SPWM技術(shù)時(shí)，一定的開關(guān)頻率下的載波比為N，在采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式產(chǎn)生載波時(shí)，則理論上最小鎖相精度為計(jì)數(shù)時(shí)基的2N倍；若采用分段順序插補(bǔ)技術(shù)對(duì)載波周期進(jìn)行補(bǔ)償，將N分為n個(gè)小段，并在每段中根據(jù)需要，對(duì)載波周期進(jìn)行周期的順序插補(bǔ)補(bǔ)償，同樣采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式產(chǎn)生載波，并假設(shè)計(jì)數(shù)時(shí)基不變，此時(shí)理論的最小鎖相精度為計(jì)數(shù)時(shí)鐘的2n倍，與未采用插補(bǔ)技術(shù)時(shí)，相位精度提高為原來的N/n倍。

這種采用分段順序插補(bǔ)技術(shù)對(duì)載波周期進(jìn)行順序插補(bǔ)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)載波周期的更精確的控制，有效地提高了鎖相環(huán)的鎖相精度。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本文所設(shè)計(jì)的軟件鎖相環(huán)是基于永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器系統(tǒng)應(yīng)用的。如圖4-1，該變流器是一臺(tái)額定功率為1.5MW的直驅(qū)風(fēng)電變流器樣機(jī)，并進(jìn)行了調(diào)試與試驗(yàn)。該變流器采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是PWM背靠背的形式，對(duì)于電機(jī)側(cè)整流部分采用兩個(gè)PWM整流器并聯(lián)，同樣的電網(wǎng)側(cè)也是一樣，整流與逆變器之間共用一個(gè)直流母線。系統(tǒng)采用共母線的結(jié)構(gòu)在提高了功率等級(jí)的同時(shí)也加入了環(huán)流，因此系統(tǒng)控制相對(duì)于單個(gè)模塊較復(fù)雜。在變流器網(wǎng)側(cè)采用合適的電抗器濾波，提高電能質(zhì)量。

圖4-1 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

調(diào)試中只對(duì)樣機(jī)的主要功能部件進(jìn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)鎖相環(huán)的跟蹤性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)為：IGBT開關(guān)頻率為1.5 kHz，調(diào)制頻率 fr= 50 Hz，直流母線電壓 Udc= 1100 V，額定功率為1.5MW，網(wǎng)側(cè)額定電壓為690V，額定電流1255A等。

圖4-2 并網(wǎng)鎖相過程

圖4-2為并網(wǎng)電流在鎖相環(huán)作用下跟蹤電網(wǎng)電壓相位的波形圖（CH1為電網(wǎng)電壓波形，CH2為并網(wǎng)電壓信號(hào)）。由于程序采用讀表法，會(huì)存在一定的相位誤差，理論上的最大相位誤差為2π／216=9.6×10-5（rad），該誤差已相當(dāng)小，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖4-2可以看出，并網(wǎng)電流在跟蹤電網(wǎng)電壓的過程中，2路信號(hào)波形之間的相位差在逐漸減小，穩(wěn)態(tài)誤差已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求。從直驅(qū)變流器樣機(jī)試驗(yàn)看，軟鎖相功能模塊相位跟蹤的精確性和快速性達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)語

采用數(shù)字軟鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的鎖相，樣機(jī)試驗(yàn)表明，該鎖相系統(tǒng)具有鎖相精度高、穩(wěn)定、快速且簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)要求。對(duì)其他變流器系統(tǒng)也具有一定的借鑒作用。