新型數字鎖相環(huán)實現對電壓信號的無差跟蹤

為獲得PWM整流器的控制信號，需要利用網側電壓的相位進行坐標變換，但是在三相電網電壓頻率偏移時，普通鎖相環(huán)存在響應速度慢、鎖相精度差等缺點。本文基于坐標變換理論，提出一種通過電壓矢量變換的數字信號鎖相環(huán)，并將其應用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink對搭建的三相電壓型PWM整流器模型進行仿真。結果證明，在三相電網電壓頻率偏移時，鎖相環(huán)能夠快速鎖定輸入信號的頻率和相位。

　　1 三相電壓型PWM整流器
 

　　1.1 三相電壓型PWM整流器的主電路

　　圖1為基于新型數字鎖相環(huán)的三相電壓型PWM整流器主電路，其中，ua、ub、uc代表交流側三相電壓源電壓，udc為直流側濾波電容C的輸出電壓，ia、ib、ic為交流

　　2 新型數字鎖相環(huán)的結構和控制原理

　　 2.1 數字鎖相環(huán)的結構

　　針對傳統鎖相環(huán)[7-9]的缺陷，本文提出一種基于電壓矢量變換的測量方法。首先將三相電壓變換到兩相a-β坐標系中，然后與鎖相環(huán)輸出構成一個負反饋閉環(huán)控制系統，最后通過調節(jié)系統參數達到濾波鎖相的目的。其電路圖如圖2所示。

　　從仿真結果可以看出數字PLL響應時間很短，系統在前兩個周期時，PI調節(jié)器的超調造成了鎖相環(huán)不能準確鎖相，但是在t=0.035 s時，輸入信號就很快與輸出信號重疊，即輸入信號頻率相位被鎖定，鎖相效果良好。圖4所示為整流器仿真波形，其中圖4(a)為整流器網側A相電壓電流波形，可以看出，整流器很快達到單位功率因數運行。圖4(b)為三相電網電壓設定310 V時直流側給定電壓udc為600 V的波形。可見直流電壓紋波系數很小，系統處在穩(wěn)定運行狀態(tài)。由此可知數字鎖相算法的可行性和正確性。

　　在實際運行中，還會出現三相電網電壓的頻率在工頻50 Hz附近波動的情況。取頻率偏移+0.5 Hz，電網電壓310 V，給定直流電壓600 V時進行仿真。

　　由圖5(a)可見，普通鎖相環(huán)在三相電壓出現頻漂時明顯不能準確鎖相，電流波形失真較嚴重。而從圖5(b)可以看出新型鎖相環(huán)則能快速鎖定輸入信號頻率和相位，對電網電壓頻漂有良好的抑制作用。仿真實驗結果驗證了該新型鎖相環(huán)在電壓畸變時鎖相的優(yōu)越性。

　　本文針對三相電壓型PWM整流器在三相電網電壓頻率偏移時，普通鎖相環(huán)響應速度慢、鎖相精度差等缺點，提出了一種基于坐標變換的新型數字鎖相環(huán)，并將其應用到三相PWM整流器系統中，實現了對電壓信號的無差跟蹤。這種新型鎖相環(huán)實現方法簡單，能夠快速鎖定電源電壓頻率和相位。仿真驗證了理論分析的正確性和可行性。