一種相位誤差修正法的仿真分析及應用

何學飛，戴仁德，楊 彪

(湖南紅太陽新能源科技有限公司，湖南 長沙 412001)

一種相位誤差修正法的仿真分析及應用

何學飛，戴仁德，楊 彪

(湖南紅太陽新能源科技有限公司，湖南 長沙 412001)

相控整流控制系統中，電源同步過零信息的采集非常關鍵.小容量的柴油機發電系統頻率變化幅度較大，由此引起同步信號的采集偏差，導致相控整流嚴重的故障.闡述了這一故障產生原因，并根據系統頻率變化與同步信號濾波電路相移的函數關系，提出一種修正方法，并進行了仿真及實際應用.結果表明，提出的修正方法具有原理簡單、操作簡便、適用范圍廣、能消除頻率連續變化帶來的過零誤差等優點.

相控整流；同步信號；過零檢測；相位差；帶通濾波；交流采樣

1 同步信號工程處理方式

晶閘管移相觸發控制整流系統中,輸出電壓、功率的改變是通過改變晶閘管的控制角來實現的.為滿足晶閘管的導通條件并正確計算控制角, 必須獲得晶閘管兩極電壓由反向變正向時的過零點信號,以此作為滿足晶閘管的觸發導通條件和計算控制角的基準點, 這一信號通常稱為同步信號[1].為了獲取此信號用于控制，需要對高壓側的電源正弦信號進行隔離、濾波、過零檢測和整形等多個環節形成控制電源系的低壓同步方波信號.

工程應用中同步信號處理的一種方式是：采用同步變壓器來實現電源隔離,用過零檢測電路檢測電壓過零點，并進行波形整形.

圖1 同步變壓器隔離處理方法

經同步變壓器隔離后，所獲得的完整電源信號可用于電源幅值計算、電源諧波分析等其他用途；后續濾波和檢測整形電路簡單，能有效去除高次諧波和直流分量.

但存在的缺點包括：(1)同步變壓器重量大，設備占用較大空間；(2)濾波電路受電源頻率變化影響，通用性較差；(3)當相位發生變化時，過零檢測法要等到下一個過零點才能檢測出隨后各時刻的相位，故其動態性能在一些特定應用中無法滿足要求.

在電源諧波干擾較少，并且一些控制僅需要過零信號的一些工程應用中，同步電路可以采取直接從高壓側電阻分壓后光耦隔離的簡單方式實現[2].

圖2 電阻分壓光耦隔離方法

此種方式元件少，電路簡單，可靠性較高；設備質量、空間開銷??；較變壓器隔離方式相位延時更小.

但存在如下缺點：(1)雖然可以對后續的同步方波信號進行數字濾波，但對于單相控制應用缺少多相位的參照對比，如果存在很嚴重的電源波形畸變，容易造成過零信號不準甚至錯誤；(2)對于超高壓電源系統，隔離光耦的耐受電壓，以及響應靈敏度等要求對器件的選型造成較大困難；(3)受器件參數分散性影響，過零相位誤差很難通過有效手段進行修正；(4)無法滿足需要獲取電源幅值等其他信號的控制要求；(5)由于同樣采用過零檢測方法，動態性能在一些特定應用中無法滿足要求.

2 同步信號處理在電力機車相控整流系統中的典型應用

2.1 電力機車網壓同步信號特點

電力機車是波動性很大的單相大功率整流或逆變負荷，在運行過程中會產生大量的負序和諧波電流.受電弓與供網的接觸也會對網壓產生很大干擾.尤其對交直電力機車，由變壓器漏抗產生的換向重疊角可以導致變壓器次邊電壓的短時掉零.這些干擾導致了同步信號含有大量的三次、五次諧波以及高頻脈動分量.

2.2 電力機車網壓同步信號處理

在韶山系列的交直電力機車控制系統中，采用同步變壓器獲取電源同步信號后，一直沿用8K電力機車的50Hz有源帶通濾波電路來實現對網壓同步信號干擾的濾除.由于電氣化鐵道供網頻率變化較小，穩定在49.8Hz至50.2Hz之間，為了避免干擾引起的過零抖動，選用的帶通濾波參數通頻帶較窄.品質因數Q為4，-3dB截止頻率上下限分別為56Hz、44Hz.在中心頻率50Hz時，相移偏差180°，反相增益為1.

圖3 二階有源帶通濾波電路[3]

對于單相整流系統，該參數下的濾波電路有以下幾點好處：

(1)去除電源高次諧波和直流分量的效果好.(2)濾波后生成的反相正弦信號過零點與原電源信號過零點重疊，節省了后續的相位匹配延時電路.這一優點在集成數字觸發控制電路中不明顯，因為軟件數字延時匹配的開銷很小.

主要的缺點包括：(1)相位信息滯后與濾波效果相互矛盾，在電網出現較大負序擾動時，過零判斷嚴重滯后.

(2)在電網頻率變動在49.8～50.2Hz時，能保證過零誤差小于2°.當頻率變化較大時，過零偏差將急劇增大.

3 局域發電網頻率變化導致的過零偏差

3.1 過零偏差產生原因及危害

局域發電網如單柴油機發電系統中，電源頻率變化可在40Hz至63Hz之間.不同頻率下，同步信號經過濾波電路后將不可避免產生較大的過零偏差.以前文所述的濾波電路為例，相位延時與頻率的關系為：

中心頻率為50Hz，品質因數Q為4(品質因數過小將影響濾波效果).40Hz頻率電源信號經帶通濾波電路后的相位誤差φ等于61°.對于三相整流系統，觸發基準偏移61°將導致晶閘管換流導通失敗，影響輸出電壓和功率急劇下降.

3.2 過零偏差修正方法

對于固定參數和形式的濾波電路，相移偏差與輸入信號頻率成固定函數關系.通過檢測單相系統兩次同步過零點間隔或者三相系統中兩路同步過零間隔，都可以較方便地計算出信號源頻率，依據此頻率可以固定得出相移發生的偏差值[4].將此偏差值對同步過零基準進行修正即可還原真實過零信號.在工程應用中，可以構建頻率與相移偏差的對應關系表，通過查表可快速便捷地實現誤差修正.以使用前文所述帶通濾波電路的三相整流控制系統為例，系統中引入兩路相電壓同步信號，經50Hz帶通濾波并整形形成過零方波信號送入數字觸發控制器.數字觸發控制器內以50kHz的頻率對過零方波信號進行采集.采樣分辨間隔20μs,對應50Hz相周期的0.18°,能充分滿足移相控制精度要求.

電源頻率為標準50Hz時，兩相過零時間間隔6667μs，控制器頻率測定計數為333；電源頻率為40Hz時，過零偏差-4220μs，對應修正計數211；電源頻率為63Hz時，過零偏差2720μs，對應修正計數-136.

4 過零偏差修正仿真及優化

使用Matlab/Simulate構建二階帶通濾波模型，將偏差修正算法運用到模型中[6].

設計要求：在兩個工頻周期內修正過零偏差.

步驟如下：

(1)從Matalb/Simulate中調取二階帶通濾波模型，根據之前的的濾波器參數，輸入C1=C2=66nf；R1=196k;R2=6.12k；R3=392k，分別設定品質因數Q=4和2.

(2)輸入可變同步信號源，頻率0.1s內為標準正弦信號，在0.1s后突然改變頻率，改為40Hz的正弦信號；得到濾波器濾波之后的同步正弦信號，與實際的同步信號源相比存在滯后的影響.

(3)根據之前的修正方法，構建二維數組數據表，以頻率計數范圍265～417為x軸.計算修正數值為y軸，對應范圍為-136～-211.

(4)依據每次采樣的兩相過零間隔，查對應修正二維表獲得修正值，對采集的過零點進行修正構建還原的過零基準.仿真中以40Hz為例，兩相過零的周期為8334μs，以采樣率為50kHz的采樣頻率，頻率采集計數為417，過零偏差為-4220μs，對應修正頻率計數為211.如為其他的頻率，計算兩過零點的周期及計數，查找二維表中對應的修正周期即可.

圖4 濾波電路品質因數為4的仿真結果

仿真結果如下：

上圖中第一行為相差120°的兩相正弦信號，在0.1s時刻由50Hz突變為40Hz；

第二行為經過二階帶通濾波器后的正弦信號；

第三行實線為第一相輸入信號同步過零方波，點實線為第一相濾波后同步過零方波，虛線為修正后過零方波；

第四行為實時檢測的兩相間隔計數，以及查表獲得的修正計數(采樣周期20μs).

從圖中分析，從0.1s時刻突變，到0.18s歷時4個周期，修正后的過零方波與原信號過零點恢復一致.

修正過渡時間較長的原因有以下幾點：

(1)信號源突變幅度較大.現實的柴油機發電系統雖然頻率范圍較廣，但均為緩慢連續變化，不會造成過長的修正恢復時間；

(2)濾波電路對信號的頻率變化響應從圖中可知，一直到0.16s時刻歷時3個周期，濾波后信號的頻率和兩相相位差才達到與輸入信號基本一致.

(3)修正方法采用的是先計算相差，再修正的方式.從頻率變化到修正結果，不可避免地產生半個周期的延時.

為了減少濾波電路響應時間，嘗試著對濾波參數進行優化.通過調整品質因數可以減少修正過渡時間.

濾波電路品質因數調整為2的仿真結果如下：

圖5 濾波電路品質因數為2的仿真結果

從圖5可知，濾波后信號的頻率和相差達到與輸入信號基本一致的時間從原先的0.06s時刻提前到了0.03s時刻，總的修正過渡時間也原來的0.08s提前到了0.05s.過渡周期和過渡過程中的過零誤差都大幅減小.

5 結論

為解決在工程實際應用中的小容量的柴油機發電系統頻率變化幅度較大的問題，采用經典的二階帶通濾波器進行同步信號濾波，而由濾波器引起同步信號的采集偏差，導致相控整流嚴重的故障.本文所述的相位偏差修正方法可以基本消除頻率連續變化帶來的過零誤差.在電源諧波干擾較輕的應用中，可以適當減小濾波電路的品質因數來獲得濾波后信號對原信號的快速響應.

同時本文所采用的方法具有原理簡單、操作簡便、經濟可靠、適用范圍廣、能消除頻率連續變化帶來的過零誤差等優點.

[1] 彭洪濤,皮佑國.晶閘管相控同步信號電路研究[J].電工技術,2004,(2):58-59.

[2] 陳海榮,張靜,潘武略.同步相位與瞬時對稱分量的檢測新方法[J].高電壓技術,2009,(9):2150-2155.

[3] 丁麗娜,李向軍,谷軍.四象限整流同步信號處理電路的設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2011, (12):69-73.

[4] 劉燦,錢華,戴仁德.一種修正相控整流控制中因頻率變化引起相位采集誤差的方法:中國,CN102981133B[P]. 2013-03-20.

[5] 陳海榮，劉子堅，屠卿瑞 一種頻率自適應的同步相位與對稱分量檢測方法[J].浙江大學學報(理學版), 2012,(3):297-302.

[6] 洪小圓,呂征宇.基于同步參考坐標系的三相數字鎖相環[J].電工技術學報,2012,(11): 203-210.

(責任編校：晴川)

Simulation and Application of Correction Method for Phase Error

HE Xuefei, DAI Rende, YANG Biao

(Hunan Red Solar New Energy Science and Technology Co., Ltd, Changsha Hunan 412001, China)

In Phase controlled rectifier controlled system, the large frequency variation range of small capacity diesel generator system causes synchronous signal acquisition error and fault of phase controlled rectifier. This paper describes the causes of the fault, according to the relationship between the system frequency and the phase shift of the synchronous signal filter circuit , introduces the correction method, and simulation and practical application are also given. The results show that the proposed method has the advantages of simple principle, easy operation, wide application range and can eliminate the zero crossing error caused by continuously varying frequency.

phase controlled rectifier; synchronous signal; zero crossing detection ;phase difference; band-pass filtering; AC sampling

2017-02-10

湖南省自然科學基金(批準號：14JJ2142)資助項目.

何學飛(1981— )，男，湖北鐘祥人，湖南紅太陽新能源科技有限公司高級工程師.研究方向：電力電子及新能源系統.

TM32

A

1008-4681(2017)02-0042-03