基于改進型軟鎖相環(huán)的大容量充放電裝置的應用研究

陳 瑞

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

隨著中國走向海洋強國的戰(zhàn)略需要，大型艦船將陸續(xù)列裝。對于大型艦船電力系統重要組成部分的大容量充放電裝置也提出了新的需求，要求能量雙向可逆即充放電集中一體化設計。SVPWM整流與逆變技術應用將有效地提高充放電裝置的效率，提高蓄電池使用壽命，減少放電箱配置，降低裝置對電網的污染程度等。實現SVPWM與電網電壓的同步是充放電裝置可靠運行所必須的，為確保同步信息的快速準確獲取，軟鎖相環(huán)SPLL技術獲得了廣泛的應用[1]。

現階段電網同步信息的捕獲仍較多采用過零比較器，雖然該方法在工程上容易實現，但鎖相速度和精度十分有限[2]。采用基于單同步旋轉坐標變換的鎖相環(huán)(SPLL)技術能有效提高鎖相的速度和精度，但鎖相過程中仍然無法使動態(tài)響應速度與穩(wěn)態(tài)精度達到最佳平衡點。尤其在三相電壓畸變、不平衡時為了解決三相電壓不對稱時的鎖相問題，文獻[3,4]提出了基于解耦的雙同步旋轉坐標變換的鎖相環(huán)(SPLL)方法，然而其結構復雜、計算量大，工程實現難度較大。

本文旨在單同步旋轉坐標變換的鎖相環(huán)(SPLL)的基礎上加以改進，使得其結構比較簡單，動態(tài)響應速度快，對畸變不平衡輸入電壓有很強的抑制作用。由基于改進型軟鎖相環(huán)(SPLL)的可逆SVPWM整流器組成的大容量充放電裝置，將充分提高其運行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 軟鎖相環(huán)SPLL

1.1 軟鎖相環(huán)SPLL原理

平衡負載條件下的理想三相電壓可以用下列函數表示,其中，Um代表相電壓的基波幅值，輸出交流電壓的頻率為?，角頻率ω＝2πf，初相角φ。經過從a-b-c三相到α-β兩相的Clarke變換和從α-β兩相到d-q兩相的Park變換可得

(3)式表明頻率沒有鎖定時，uq是一個交流分量，在頻率鎖定，相位沒有鎖定時，它是一個直流分量，其大小代表鎖相輸入與輸出之間的相位差信息。在頻率，相位完全捕獲的情況下，有ω'＝ω,φ＝0，此時uq＝0，它是恒定的直流分量，而且它并不隨電源電壓幅值的變化而變化。可以看出，只有頻率和相位完全捕獲的情況下才有uq＝0，所以通過把uq調節(jié)為0，就可以達到鎖相的目的。

(3)式中的輸出角頻率

由于完全捕獲相位后ω′保持不變，故有θ′＝ω′t。令輸入a相電壓相位θ＝ωt+φ，則(3)式轉化為

這樣就獲得了相位差θ-θ′的 表達式sin(θ-θ′)，利用這個偏差就能實現相位的反饋控制，三相電壓平衡時同步鎖相環(huán)的結構框圖如圖1所示。將uq連接到PI調節(jié)器的輸入端，在相位差Δθ＝θ-θ'較大時，對輸入三相電壓進行鎖相的過程是一非線性過程，可通過負反饋將uq調節(jié)到足夠小，也就能使得Δθ達到很小；當相位差Δθ較小時，sin(θ-θ′)≈θ-θ′，進行鎖相的過程可近似為一線性過程，uq的大小代表輸入電壓相位和輸出相位之間的差值，uq經PI調節(jié)器輸出角頻率誤差信號Δω，Δω與基波角頻率ωo相加后得到角頻率ω′，經積分后得到最終的輸出相位θ′。由于該結構是Ⅱ型系統，故能實現無靜差地跟蹤斜坡信號θ＝ωt，實現相位的完全鎖定。

1.2 改進的軟鎖相環(huán)SPLL

由于三相負載不平衡、大容量單相負載的使用、不對稱故障和非全相運行、非全換位輸電線或緊湊型輸電線等問題，常常使得三相電網處于不平衡狀態(tài)，即造成三相電網電壓的幅值、相位不對稱。上面提到的鎖相環(huán)在三相電壓不對稱時不能準確的捕獲a相相位，必須對其進行改進。

在三相電網電壓不平衡時，根據對稱分量法，可將電網電壓（只考慮基波電壓）分解為正序電壓分量、負序電壓分量和零序電壓分量。即有（5）式。

（5）式中，V+、V-、V0分別為正序、負序、零序基波電壓的幅值；φ+、φ-、φ0分別為正序、負序、零序基波電壓的初始相位。于是鎖相環(huán)捕獲的相位就為正序電壓分量的a相相位。

(5)式經Clarke變換可得（6）式。再分別經Park變換和反Park變換可得（7）式。

令θ+＝ωt+φ+、θ＝ω't，則(7)式變?yōu)椋?/p>

由式(8)可以看出，uq+中包含我們需要的相位差的表達式sin(θ+-θ′)，同時含有高頻分量sin((ω+ω')t+φ-)，且ω+ω' ≈ 2ω。若經過濾波，將這些高頻分量濾除，則SPLL的輸出就不受負序、 零序和諧波的影響。這就保證了在畸變、不平衡輸入電壓的情況下，SPLL能夠正確地鎖定輸入電壓的基波正序。關于濾波，因系統中存在兩個積分環(huán)節(jié)，對高頻分量有較強的抑制作用，但是當在三相輸入電壓嚴重不平衡時，負序分量很大，若要將其完全濾除，所需時間較長，從而影響系統的動態(tài)響應時間。為此，可在uq后加入一個陷波(Notch)濾波器來濾除2倍頻基波負序分量的濾除，其改進的三相電壓不平衡時同步鎖相環(huán)的結構框圖如圖2所示，從而在保證濾除負序分量的情況下，系統有較短的動態(tài)響應時間。

2 基于改進型SPLL充放電裝置的控制方案

根據蓄電池的恒壓限流充電特性建立直流側電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)裝置控制策略，如圖3所示，其中電壓外環(huán)保證裝置快速跟蹤給定電壓、提高直流側輸出電壓的穩(wěn)定性，電流內環(huán)用于減小裝置無功功率直流分量、穩(wěn)定系統輸出的有功功率以及改善系統穩(wěn)態(tài)性能。

控制系統首先通過電壓電流檢測獲取三相電網電壓和電流，經由改進型軟鎖相環(huán)SPLL計算出θ；然后將電流進行坐標變換，計算出瞬時有功分量Id和無功分量Iq作為反饋值；有功分量給定值Id*通過電壓外環(huán)經 PI調節(jié)器獲得，無功功率給定值Iq*設置為0，實現單位功率因數；然后將反饋值Id、Iq與給定值Id*、Iq*比較后輸入 PI調節(jié)器，得到整流器交流側電壓ud和uq，再經兩相dq同步旋轉坐標/兩相αβ靜止坐標變換，轉換成交流側電壓矢量uα和uβ，最終利用 SVP WM調制算法，產生6路觸發(fā)脈沖，控制裝置中可逆PWM整流器中開關器件IGBT的導通和關 斷，實現網側電流正弦化、單位功率因數運行、能量雙向流動、輸出電流脈動小等控制目標。

3 仿真分析

3.1 改進的軟鎖相環(huán)SPLL仿真

改進的軟鎖相環(huán)SPLL仿真模型如圖4所示，陷波濾波器參數為ωn=6281/s，ξ=0.95；PI調節(jié)器參數為kp=248，ki=250 1/s。

三相不平衡輸入電壓為Ua：Ub：Uc=1：0.8：1.2，其仿真波形如圖5所示，uq經陷波濾波器能很好地濾去2倍頻高頻成分，一個周波內且相位差比較小，能快速精準地鎖定相位。三相注入50%的5次諧波，其仿真波形如圖6所示，uq經陷波濾波器濾除高頻成分有限，但相位差比較小且平均值為0，能快速可靠地鎖定相位。

3.2 基于改進型軟鎖相環(huán)SPLL的可逆SVPWM整流器仿真

按圖3所示主電路仿真參數為：交流電源線電壓 380 AC，經過變壓器降壓到線電壓 240 VAC，L=1 mH，C=4700 μF，額定容量40 kW，直流側電壓400 VDC。

整流時a相電壓電流波形如圖7所示，從圖中可以看出，交流側電壓和電流處于同相，可逆SVPWM整流器工作于整流工況，無功功率接近于 0，有功功率為正，電網向負載提供能量。電流波形平滑且近似正弦波，功率因數近似為1。

逆變時a相電壓電流波形如圖8所示，從圖中可以看出，交流側電壓和電流處于反相，可逆SVPWM整流器工作于逆變工況，無功功率接近于0，有功功率為負，說明電網在吸收能量。電流波形平滑且近似正弦波，功率因數近似為-1。

4 結語

本文采用在單同步旋轉坐標變換輸出與PI調節(jié)器間增加陷波濾波器，以便在設計低通濾波器（PI調節(jié)器）時，在濾波器的魯棒性和動態(tài)響應之間容易做出折中的選擇，既滿足了三相電壓畸變不平衡對相位檢測的干擾抑制，也相應的保證了鎖相環(huán)的響應速度，從而改進單同步旋轉坐標變換的鎖相環(huán)SPLL的性能和適應性，具備收斂速度快、相位估計精度高、抗干擾能力強等特性。基于改進型SPLL的可逆SVPWM整流器在大容量充放電裝置中的應用方案，采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，使充放電裝置在電網電壓發(fā)生畸變不平衡時，能夠快速、準確地跟蹤電網電壓相位變化；同時，在蓄電池恒壓充放電時，裝置均能以單位功率因數運行，系統響應速度快，穩(wěn)態(tài)性能好，為艦船提供穩(wěn)定可靠的大容量充放電裝置。

[1]王晶，徐愛親，翁國慶．動態(tài)電壓恢復器控制策略研究綜述[J]．電力系統保護與控制，2010，38(1)：145-150．

[2]XU L，BJARNE R A，PHILLIP C．VSC transmission operation under unbalanced AC conditions ana1ysis and control design [ J ]． IEEE Trans on Power Delivery，2005，20(1)：327-434．

[3]Bart Meersman，Jeroen De Kooning，et al．Overview of PLL methods for Distributed Generation units[ C ]．UPEC2010，31st Aug-3rd Sept 2010．

[4]張治俊，李 輝，張 煦．基于單／雙同步坐標系的軟件鎖相環(huán)建模和仿真[J]．電力系統保護與控制，2011，39(11)：134-144．