基于DSP的雙向AC/DC變換器鎖相環技術的研究與實現

王朝陽，楊兆華

（佛山科學技術學院自動化學院，廣東 佛山 528000）

在電力機車牽引、電池儲能等需要能量雙向流動的場合，AC/DC雙向變流器承整流與逆變的關鍵部分，而對于存儲的能量要讓其充分高效地利用，必須將其并入大電網，而要將其并入電網的首要任務就是要實時監測電網的相位和頻率，讓逆變之后的交流電與電網保持同步，這其中的鎖相環技術就是要研究的熱點問題。傳統的鎖相環技術是基于電網電壓的過零點和周期來跟蹤電網的相位，進而可以通過跟蹤電網的相位來得到電網的頻率，但是由于過零鎖相的檢測方法是在一個電網周期內檢測兩個點進行鎖相，其系統的動態性能不是很好，當電網電壓頻率和相位出現突變時，在一個周期內可能會出現多個零點，會導致鎖相的精確不高。

基于上述問題，Vikram Kaura等人首先提出了一種單同步坐標系軟件鎖相環架構[1]，該架構是一種純軟件的鎖相環算法，其比過零鎖相具有更好的動態性能和抗干擾性。針對三相電網不平衡問題，文獻 [2]提出了一種解耦雙同步坐標系下的鎖相算法。本文的設計需求是針對單相AC/DC雙向變換器而設計的，故用在單相電必須設計的正交信號發生器上，選用了比較成熟的反PARK虛擬正交信號發生器，并設計了一款電網電壓采樣及調理電路，此電路可以正常滿足算法需求，已實現很好的應用效果。

1 單同步坐標系鎖相環原理

所謂單同步坐標系下鎖相就是采用坐標變換的原理[1，3]，圖 1 為轉換框圖。

圖1 單同步坐標系下鎖相

單同步坐標系下鎖相的實質就是把三相電經過Clark變換為靜止坐標系下兩相正交的Uα，Uβ。

其中Ua，Ub，Uc為網側三相輸入交流電壓；Um為相電壓的幅值。經PARK變換后變為兩個直流分量 Ud，Uq，則為

聯立式 （1）～ （3）可得

圖2 鎖相環控制系統框圖

由圖2可以得出，原鎖相環的環路濾波被比例積分調節器替代，其中ωf為給定的中心頻率。其鎖相成功的標志就是實現輸出相位≈θ，其中PI調節的目的就是使系統實現無靜差調節。由控制系統框圖可得鎖相環系統的開環傳遞函數為

則鎖相環系統閉環傳遞函數為

其為一個二階系統，則由二階系統的典型環節可得自然震蕩角頻率，阻尼比

2 虛擬正交信號發生器的設計

由于本文驗證的為單相系統，缺少一個自由度，故不能直接用同步坐標系鎖相，需要把單相Us電壓作為三相系統經過Clark變換后的Uα，即Us=Uα，所以需要虛擬出和Uα的正交信號Uβ，常用的虛擬正交信號發生器為二階廣義積分正交信號發生器[4-6]、反PARK變換的正交信號發生器[7-9]、多階微分型正交信號發生器[10]和延時1/4周期正交信號發生器[11]，本文選用了基于反PARK變換的正交信號發生器，其控制框圖見圖3。

圖3 基于反PARK變換的正交信號發生器鎖相環

3 系統硬件采樣調理電路與軟件設計

3.1 系統硬件采樣調理電路設計

第50頁圖4中，T1為澤明電子生產的電壓互感器，其變比為1 000∶1 000，額定輸入電流和額定輸出電流都為2 mA，由于ADC采樣模塊的允許輸入電壓范圍為0～3.3 V，故在輸出端加了個電壓鉗位，防止有過大的電壓沖擊損壞DSP的ADC采樣模塊。

所采樣的模擬量電壓最終要轉化為數字量在DSP芯片內進行相應地運算，故電壓從模擬量到數字量的轉化過程見圖5。

圖4 網側電壓采樣調理電路

圖5 模擬量到數字量轉化框圖

其中Itrans為網側電壓經電壓互感器變換之后的交流側電流，VCC為電源電壓，Vref為模數轉換模塊的參考電壓。

3.2 系統軟件設計

鎖相環主程序流程見圖6。主程序中主要完成上電或者復位后的系統初始化任務，系統初始化只要完成一些寄存器的初始化任務，包括開中斷、建立中斷向量表、定時器設置、ADC模塊初始化、EPWM模塊初始化、PI控制器初始化等。而中斷子程序是當系統中發生中斷請求時，程序會立即進入中斷服務子程序。進入中斷服務子程序時首先要做的就是將網側電壓采樣的結果存儲在ADC模塊的結果寄存器中，本文ADC采樣選用EPWM觸發方式，100 μs觸發中斷采樣信號一次，在一個電網周期內可以采用200個點。然后進行相應的算法運算，主要包括反PARK變換的正交信號發生器的算法處理和單同步坐標系下的鎖相環處理，以及DAC數模轉換的程序，其具體的中斷程序見圖7。

圖6 鎖相環主程序流程框圖

4 鎖相成功判定

在理論分析中，判斷鎖相成功的標志是無功直流分量Uq=0，有功直流分量Ud=Um，則可斷定為成功鎖定了電網的頻率和相位，但在實際運行中直流分量Ud與Uq不可能用理論值來判斷鎖相成功的標志，這就要設定一個標準對鎖相是否成功進行判定，本文采用判定鎖相環輸出頻率的判別方法對是否鎖相成功進行判斷。我國的用電標準電網頻率為工頻50 Hz，所以設定頻率正常值范圍在48～52 Hz作為判斷電網是否處于正常狀態，其對應的角頻率正常范圍ω則為302∶326 rad/s。在DSP內部通過EPWM中斷觸發進行采樣，采樣周期為100 μs，同樣對于鎖相環輸出頻率的判定也是在中斷中進行，在中斷中對鎖相環輸出頻率進行600次判定，如果連續判斷600次鎖相環輸出頻率都是在正常值范圍內，則認為鎖相成功。由于電網中存在頻率突變等因素的干擾，所以如果出現一次頻率不正常不能作為頻率異常的判斷依據，那么對于鎖相環輸出頻率如果連續5次檢測到頻率異常，則判定鎖相不成功，就不執行接下來的任務程序。

圖7 鎖相環中斷程序框圖

5 鎖相環技術的實驗驗證

在TMS320F28335實驗平臺上進行驗證，鎖相環參數設置如下：交流電壓Us=220 V，交流電壓頻率fs=50 Hz，一階低通濾波時間常數τd=τq=0.001 592，比例系數k=0.22，積分系數ki=5.4。從實驗驗證的結果可以看出，鎖相環的輸出相位與電網輸入相位保持同步，并具有很好的動態性能和靜態性能，本算法在實際應用中易于實現，應用性能良好 （見第51頁圖8）。

圖8 鎖相環實驗平臺驗證結果

6 結束語

本文應用基于反PARK變換單同步坐標系鎖相算法，先是從理論分析入手，詳細分析了鎖相環算法的推導過程，并設計了一款網側電壓采樣調理電路與鎖相成功判定方法，經過實驗驗證，證實了此算法在實際中的實用性，本算法不僅可以應用在單相系統，在三相系統中同樣也具有很好的適應性，具有很好的實際應用價值。