基于互感器的数字锁相环设计

摘  要： 针对传统锁相环精度差、速度慢等问题，利用互感器实现了一种基于预测电流无差拍方法的改进功率解耦控制的数字锁相环，很好地解决三相逆变器在并网运行时锁相问题。仿真分析和实验结果表明，该数字锁相环在电网频率发生变化时，能快速准确跟踪上电网电压相位，证实此方法在逆变器并网锁相时具有良好的效果。

    关键词： 互感器；无差拍；锁相环；逆变器

    中图分类号： TM464

    文献标识码： A

    DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.033


    中文引用格式： 何松原，陈荣. 基于互感器的数字锁相环设计[J].电子技术应用，2017，43(2)：137-139，144.

    英文引用格式： He Songyuan，Chen Rong. Design of digital phase-locked loop based on transformer[J].Application of Electronic Technique，2017，43(2)：137-139，144.

0 引言

    在新能源并网发电中，锁相环的应用非常广泛。逆变器的并网就需要传感器对电网相位、频率信息的采集，然后进行A/D转换。如何对电网电压信息准确快速地获取成为并网逆变器研究的焦点。传统的硬件锁相环由硬件电路对电压的过零点检测，虽成本较低且易于实现，但易受外界条件的干扰且精度不高。为了使逆变器在并网时输出电流能快速准确地跟踪上电网电压相位，数字化锁相技术应运而生[1-3]。锁相环的作用在于产生相位角，使并网电流与电网电压保持同频同相，同时实时计算电网的当前相位以便进行坐标变换来完成电流内环解耦[4]。本文利用互感器实现了基于预测电流无差拍方法结合改进的解耦方法和空间矢量调制的策略[5-6]，很好地解决三相逆变器在并网运行时锁相问题。在MATLAB/Simulink软件下搭建模型并进行仿真验证，仿真和实验结果证实基于互感器的数字锁相环在锁相精度和速度方面具有良好的效果。

1 逆变器拓扑结构

    逆变器拓扑结构如图1所示，直流侧一般由两个支撑电容[7]串联而成，起到稳定母线电压，吸收纹波电流、功率解耦、均压等作用。而在实际应用中，还需在每个电容两端 并联一定阻值的均压电阻，其作用一是进一步解决均压的问题，二是在系统停机时，可以提供一个能量释放的通道，所以这个电阻可以称为均压电阻或释放电阻。

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    样机设计功率1.2 kVA，支撑电容的计算有多种方法，目前还没有统一的定论，本设计根据式(1)方法计算，得Cd为332 μF，选择两只450 V/1 000 μF电解电容串联，等效电容容值500 μF，泄放电阻选择10W30KJ。

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    本设计对电网电压信息的采集依赖互感器实现，互感器是一种利用电磁感应原理对信号采集的传感器[8]。电压互感器原理上是电流型电压互感器，所以电压检测电路与电流检测电路类似，参数设置也可以参考。以电流检测电路为例，如图2所示。

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    电流互感器初级串联在输出电路中，次级近似短路状态，第一级将电流信号转变成电压信号；第二级是为后加运放提供一个基准电压；第三级是一个差分放大电路，放大电压信号；最后一级为电压跟随，起阻抗变换作用，提高电路带负载能力，A/D输入利用钳位二极管使得电压钳位在3.3 V。

    对于电网频率的采集使用的是过零检测电路，根据电网的检测信号设置A/D采样频率，两个零点之间的 时间就是电网的周期，过零检测电路如图3所示。

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    过零检测电路第一级与电路检测电路作用相同，将电流信号转变为电压信号；第二级LM339是比较器，将正弦信号转变频率相同的-5 V~+5 V的方波信号；第三级是一个反相器，将信号转换为0~5 V的方波信号；然后经过第四级第五级限幅反向送入到DSP中，控制DSP是上升沿出发还是下降沿出发就可以获得相应的频率，钳位二极管起到保护I/O口的作用。

2 无差拍功率解耦控制

    对于图1根据KVL可得，

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    根据式(4)离散化处理后进行无差拍跟踪控制，电压外环PI控制，电流内环无差拍控制[9]，采用无差拍有利于数字化控制的实现。

    对式(2)进行abc/dp变换，可得与电网电压同步旋转坐标系下的模型：

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式中，ud，uq为逆变器输出电压矢量的dq分量；ed，eq为三相电网电压矢量的dq分量；id，iq为逆变器输出电流矢量的dq分量；ω为电网电压角频率。

    式(5)可以发现电网电压不仅影响轴电流，而且受交叉耦合影响，所以要对dq轴的电流解耦[10]。

    在ea，eb，ec平衡状态下，电网电压矢量选取直轴方向定向，即ed=ES，eq=0，通过对ud和id的调节，从而调节输出有功功率。电网电压合成矢量Es，电感上的电压矢量VL，电阻电压矢量VR，并网电流矢量Is，功率因数角dy1-t4-s1.gif，空间矢量图如图4所示。

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    代入式(5)可得：

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    传统解耦框图如图5所示，利用PI调节器完成输出电流对参考电流的直交轴分别跟踪。

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    改进的解耦方法直接引入参考电流的解耦，系统动态响应速度更快，且不含有桥臂脉动分量，避免了脉动分量之间的耦合，从而提高了入网电流质量[11]。改进交流电流内环解耦框图如图6所示。

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    解耦后功率为：

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式中，P为有功功率，Q为无功功率。这样就实现了功率解耦控制，从逆变器侧来看，若直轴电流为正，交轴电流为零，输出能量全部为有功功率，为单位功率因数逆变；若直轴电流为正，交轴为负，可以实现对电网无功补偿。改变直交轴电流分量，就能够调节并网功率和电能质量。

3 实验

    为了更好地验证该控制策略的可行性和可靠性，研制了一台1.2 kVA样机，处理器使用了TI公司的TMS320F2812，驱动芯片使用了IR公司的IR2132，功率器件使用了IR公司型号为IRFP460的MOSFET。实验参数与仿真参数一致。

    当开关频率为10 kHz时，逆变器输出电压波形如图7所示，可以看出，由于开关频率不够高，滤波器参数不适配，峰顶有包络，高频分量多，此时含有较多的谐波分量；当开关频率为20 kHz时，逆变器输出电压波形如图所示，可以看出，此时波形明显好于10 kHz，此时滤波电感为3 mH，滤波电容2.2 μF。

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    图8(a)是M为0.9时的滤波前电压波形。图8(b)是输出电压和输出电流波形，调制比M由逆变器输出相电压与直流母线电压共同决定的，一般情况下尽可能地使调制比接近于1。

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    图9(a)为电网电压过零点检测时测出的波形，从图中可以看出，电网电压和方波电压频率一致，从而可以利用DSP捕获中断捕获上升沿或者下降沿信号获取电网频率信息。图9(b)为电网电压锁相角，实验波形是通过DSP将角度转换成正值从DA口显示出来。从波形可以看出，该锁相角的变化范围从0到2π。

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    由于基于电流预测无差功率解耦控制策略将电网电压与并网电流实现了双闭环控制，解耦后可以通过控制id和iq从而调节控制系统的输出能量和功率因数，达到了调节并网功率和电能质量的效果。

4 结论

    本文从理论和实验上分析和验证了基于互感器的数字锁相环可行性，结合电流预测无差拍方法和空间矢量调制技术应用到1.2 kVA样机中。从仿真和实验结果来看，该方法对于并网锁相有很强的适用性，同时也可以看出该数字锁相环具有良好的稳态特性和动态特性，可以实现对给定电流进行快速精确地跟踪，锁相波形效果良好。