基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器

随着工业自动化程度的日益提高，电力用户对安全、环保、可控、高质量的电能需求不断增长。三相电压型PWM整流器利用电容作为储能元件，与传统不可控二极管整流器相比，具有网侧功率因数可控、直流侧电压稳定、能量双向流动等优点，因此，在工程中得到了广泛应用[1-4]。
    

为获得PWM整流器的控制信号，需要利用网侧电压的相位进行坐标变换，但是在三相电网电压频率偏移时，普通锁相环存在响应速度慢、锁相精度差等缺点。参考文献[5]提出一种改进的锁相环，即锁相环输入是三相电压的某一相，并在采样环节前加入了延迟环节，改善了网侧电压电流的同步性。但在电网电压频率波动时，锁相效果不够理想。参考文献[6]提出一种基于瞬时无功理论的软件锁相环，通过两次坐标变换，分解电源电压得到两部分矢量，最后经过比较、滤波和积分后输出相位，并将该锁相环应用到动态电压恢复器中，动态电压恢复器获得了较好的补偿效果。目前，将基于坐标变化理论的锁相环应用在PWM整流器中的文献还比较少。
   

 本文基于坐标变换理论，提出一种通过电压矢量变换的数字信号锁相环，并将其应用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink对搭建的三相电压型PWM整流器模型进行仿真。结果证明，在三相电网电压频率偏移时，锁相环能够快速锁定输入信号的频率和相位。
 

1 三相电压型PWM整流器

1.1 三相电压型PWM整流器的主电路
    

图1为基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器主电路，其中，ua、ub、uc代表交流侧三相电压源电压，udc为直流侧滤波电容C的输出电压，ia、ib、ic为交流

2 新型数字锁相环的结构和控制原理

2.1 数字锁相环的结构
    

针对传统锁相环[7-9]的缺陷，本文提出一种基于电压矢量变换的测量方法。首先将三相电压变换到两相a-β坐标系中，然后与锁相环输出构成一个负反馈闭环控制系统，最后通过调节系统参数达到滤波锁相的目的。其电路图如图2所示。

随着工业自动化程度的日益提高，电力用户对安全、环保、可控、高质量的电能需求不断增长。三相电压型PWM整流器利用电容作为储能元件，与传统不可控二极管整流器相比，具有网侧功率因数可控、直流侧电压稳定、能量双向流动等优点，因此，在工程中得到了广泛应用[1-4]。
    

为获得PWM整流器的控制信号，需要利用网侧电压的相位进行坐标变换，但是在三相电网电压频率偏移时，普通锁相环存在响应速度慢、锁相精度差等缺点。参考文献[5]提出一种改进的锁相环，即锁相环输入是三相电压的某一相，并在采样环节前加入了延迟环节，改善了网侧电压电流的同步性。但在电网电压频率波动时，锁相效果不够理想。参考文献[6]提出一种基于瞬时无功理论的软件锁相环，通过两次坐标变换，分解电源电压得到两部分矢量，最后经过比较、滤波和积分后输出相位，并将该锁相环应用到动态电压恢复器中，动态电压恢复器获得了较好的补偿效果。目前，将基于坐标变化理论的锁相环应用在PWM整流器中的文献还比较少。
   

 本文基于坐标变换理论，提出一种通过电压矢量变换的数字信号锁相环，并将其应用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink对搭建的三相电压型PWM整流器模型进行仿真。结果证明，在三相电网电压频率偏移时，锁相环能够快速锁定输入信号的频率和相位。
 

1 三相电压型PWM整流器

1.1 三相电压型PWM整流器的主电路
    

图1为基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器主电路，其中，ua、ub、uc代表交流侧三相电压源电压，udc为直流侧滤波电容C的输出电压，ia、ib、ic为交流

2 新型数字锁相环的结构和控制原理

2.1 数字锁相环的结构
    

针对传统锁相环[7-9]的缺陷，本文提出一种基于电压矢量变换的测量方法。首先将三相电压变换到两相a-β坐标系中，然后与锁相环输出构成一个负反馈闭环控制系统，最后通过调节系统参数达到滤波锁相的目的。其电路图如图2所示。

从仿真结果可以看出数字PLL响应时间很短，系统在前两个周期时，PI调节器的超调造成了锁相环不能准确锁相，但是在t=0.035 s时，输入信号就很快与输出信号重叠，即输入信号频率相位被锁定，锁相效果良好。
    

图4所示为整流器仿真波形，其中图4(a)为整流