鎖相環在有源電能質量綜合治理設備中的運用研究

張恩壽 戎麒 田華 姚鵬 趙榮浩

摘要：電力有源濾波器（APF）和靜止無功發生器（SVG）是治理電網諧波污染和功率因數低問題的較好選擇，鎖相環（PLL）在APF和SVG檢測諧波電流和無功電流、單片機信號采樣和數模轉換（ADC）、補償電流并網過程中有著巨大的作用。現就鎖相環在有源電能質量綜合治理設備中的用途進行研究分析，為電力有源濾波器、靜止無功發生器等有源電能質量綜合治理設備設計提供支撐。

關鍵詞：電力有源濾波器;靜止無功發生器;鎖相環;諧波

0? ? 引言

隨著電力電子技術的快速發展，電網終端引入了大量的非線性負荷，這些負荷使得無功需求增加，并且產生大量高頻諧波向電網側反饋，造成線路損耗增加、功率因數降低、設備老化加速或損壞等問題[1-2]。加裝有源電能質量綜合治理設備是應對功率因數低和諧波含量高的有效手段[3]。有源電能質量綜合治理設備與常規的無源設備相比具有輸出連續，既可以補償感性無功也可以補償容性無功，既可以補償特定次數的諧波也可以全補償的特點，應用較廣泛[4]。鎖相環模塊在數據采集中運用比較廣泛，本文主要介紹鎖相環模塊在有源電能質量綜合治理設備中的運用。鎖相倍頻模塊在有源電能質量綜合治理設備中起到驅動正余弦表的循環、ADC采樣和轉換觸發、補償電流并網驅動的作用[5-6]。

1? ? PLL驅動正弦表和余弦表的循環

有源濾波器設計中，基于瞬時無功電流檢測的諧波算法較傳統的傅里葉檢測諧波實時性好，響應速度快，算法簡單，易于嵌入式開發。圖1為瞬時無功電流檢測諧波算法原理圖。

由圖可知，矩陣C是由PLL獲得，一般情況下，我們將矩陣C根據模數轉換速率制成[0，2π]的正弦表和余弦表，這樣在嵌入式系統中可以很方便地實現，不占用太多的資源，減少硬件系統的開發。計算時，不斷循環調用正余弦表，將A相電壓的同步方波信號進行鎖相后，送至單片機的CAP端口，當第二個同步信號的上升沿到來時，讓正弦表和余弦表從頭循環一次，就能很方便地執行算法，即將單片機的CAP端口設置為邊沿觸發即可。圖2為A相電壓同步方波信號和A相電壓信號波形。

A相電壓同步信號一般是通過過零檢測獲得，就是將A相電壓與0做比較，在正半周期內，A相電壓大于0，比較輸出高電平;在負半周期內，A相電壓小于0，比較輸出低電平。圖3是由LM324構成的過零比較器電路輸出波形。

從圖3可知，比較輸出的結果是高電平為正，低電平為負，而大部分單片機只能識別單極性電信號，如TMS320F28335的I/O口電壓范圍為0～3 V，CAP口為0～3.3 V，所以需要將過零檢測的結果由雙極性電信號轉化為0～3 V的單極性電信號。需在過零檢測輸出端加一個施密特反相器，讓輸出結果在0～3 V范圍內，并且邊沿過渡更短。圖4是設計的A相過零檢測電路。

2? ? PLL驅動AD采樣

經過鎖相后的A相電壓同步方波信號，倍頻后作為模數轉換的觸發信號。設采樣率為fs，A相同步方波的頻率為50 Hz，則可得倍頻的倍數為n=fs/50，上個數據采樣完成后，當倍頻信號的第二個上升沿信號到來時，響應AD采樣中斷，進行AD采樣。

例如采樣率設置為12.8 kHz時，采樣周期為1/12 800 s，即每隔1/12 800 s采樣一個數據，倍頻倍數n=fs/50=12 800/50，也就是說一個工頻周期內采樣256個數據，需要將一個周期的同步方波進行256等分，每一份也是一個方波信號，一個小方波信號周期采樣一個數據，所以當小方波信號的第二個上升沿到來之時進行AD采樣。圖5為基于鎖相環CD4046和分頻器CD4040組合成的鎖相倍頻模塊。

CD4046是一款微功耗的鎖相環芯片，供電電壓3～18 V。CD4046微功耗鎖相環有一個低功耗、線性、電壓控制振蕩器（VCO），一個源極跟隨器、穩壓二極管，兩個相位比較器。兩個相位比較器有一個共同的信號輸入和一個通用比較器輸入。信號輸入可直接耦合大電壓信號，或電容耦合一個小的輸入電壓信號。常將CD4046和分頻器CD4040配合使用構成鎖相倍頻模塊。

3? ? PLL驅動補償電流并網

由于經過各個數據處理環節，得到的補償電流信號有一定的滯后，如果直接將其并到電網中，可能達不到補償的效果，甚至會使畸變更加嚴重。因此，需要將補償信號和電網信號的相位差鎖定，讓補償信號正確地并到電網中。

電網諧波一般情況下是周期性的重復畸變波形，可將上個周期計算得到的補償電流加到下個周期，從下個周期開始補償。設某個時刻T0采樣到電網諧波電流，經過Δt延時后計算得到補償電流，也就是說補償信號與電網存在2πΔt/0.02的相位差，在電流沒有大的突變情況下，可以將T0+Δt的補償電流作為下一個周期的補償信號，用它來補償T0+Δt+0.02的諧波，通過鎖相環鎖定補償信號和電網信號之間的相位差，也就確定了補償信號并網的時間，這樣可以準確無誤地補償諧波。但這樣會有一個問題：在電流有突變的情況下，會造成補償錯誤。這就需要盡量減少計算處理延時，選取較高性能的處理器和芯片，保證對電網電信號的實時跟蹤。

鎖相環驅動補償電流并網實際上是控制IGBT模塊的觸發時刻符合上述分析，這就需要一個和系統電壓同步的方波信號，上面分析A相同步方波信號可以滿足要求，經過鎖相后，可以用于信號采樣、觸發脈沖，和系統電網信號保持同步，這樣即便電流信號有突變，也能同步跟蹤，提高了實時性。

4? ? 數字鎖相環（DPLL）

隨著數字電路技術的發展，數字鎖相環得到了廣泛的應用。數字鎖相環具有可靠性高、體積小、價格低等優點，還解決了模擬鎖相環的直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環境溫度變化影響等缺點，此外還具有對離散樣值的實時處理能力，已成為鎖相技術發展的方向?，F在已經出現了全數字鎖相環，所有環路部件都采用數字器件。

隨著EDA技術的不斷進步，FPGA和CPLD在很多領域被廣泛運用，可以將它們做成一個鎖相環，從而方便地運用到各個領域。

5? ? 結語

本文通過分析鎖相倍頻模塊在有源電能質量綜合治理設備中的作用，利用電子電路仿真軟件仿真了A相同步方波和過零比較信號波形、鎖相倍頻模塊實現256倍頻波形，并利用嵌入式開發板配合鎖相倍頻模塊實現了三相四線制電參數的信號采集，驗證了鎖相倍頻技術在有源電能質量綜合治理設備中運用的可行性;同時，也為有源電能質量綜合治理設備嵌入式設計時針對正弦常量表和余弦常量表的循環、ADC模塊采樣和轉換的觸發及補償電流并網的時刻鎖定提供了設計依據。

[參考文獻]

[1] 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器——結構·原理·控制[M].北京：科學出版社，2005.

[3] 杜少通.諧波抑制與無功補償關鍵技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2015.

[4] 王磊，趙煜，梁仕斌，等.一種新型自適應諧波與無功治理方法研究[J].電力電子技術，2018，52（12）：119-121.

[5] 王裕.三相四線制有源電力濾波器關鍵技術研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[6] 陳仲，王志輝，陳淼.基于新型四象限開關單元的并聯型有源濾波器[J].電工技術學報，2015，30（4）：147-154.

收稿日期：2020-08-13

作者簡介：張恩壽（1992—），男，云南保山人，助理工程師，研究方向：電能質量綜合治理。