基于DSP三相电压源变换器SPLL设计与应用

吕飞;朱家林;余凤豪;张松涛

【摘 要】准确的相位信息是三相电压源变换器稳定运行的重要条件.软件锁相环(SPLL)具有设计多样性、高抗干扰性等优点可快速得到电网电压的相位信息.本文以三相电压源型PWM变换器为对象,分析了SPLL工作原理,推导出SPLL线性化模型,分析设计SPLL控制器参数,并用DSP实现所设计SPLL.仿真及试验表明所设计SPLL良好应用于三相电压源型PWM整流装置. 【期刊名称】《船电技术》 【年(卷),期】2015(035)003 【总页数】5页(P36-39,43)

【关键词】软件锁相环;电压源变换器;数字信号处理器;坐标变换 【作 者】吕飞;朱家林;余凤豪;张松涛

【作者单位】海军蚌埠士官学校机电系,安徽蚌埠2330122;海军92763部队,辽宁大连116041;海军蚌埠士官学校机电系,安徽蚌埠2330122;海军蚌埠士官学校机电系,安徽蚌埠2330122 【正文语种】中 文 【中图分类】TM133 0 引言

电网电压的相位信息是电力电子变换装置稳定运行的重要条件，同步旋转坐标下与电网电压同步的电压、电流信号需要相位信息计算获得[1]。

图1所示为三相电压源型PWM变换装置与电网相连的控制框图。图中电流控制器(current controller)工作在同步旋转坐标系(SRF)下，电网电压的相位角为(k)。经过Park变换，将三相静止坐标系下的电网电压和电流转换成两相同步旋转坐标系下的电压和电流，作为同步旋转坐标系下电流控制器的控制输入信号。锁相环(PLL—Phase Locked Loop)技术能够得到精确的电网电压相位信息[2]。 SPLL是随着微控制器技术和数字处理器(DSP)的不断发展而逐渐实现的，SPLL所有的PLL函数都是在软件上执行，设计调整不需要修改硬件，使得SPLL比硬件PLL在设计上具有更好的灵活性和多样性[2,3]。

本文通过分析SPLL基本原理，推导出SPLL线性化模型；以线性化模型为依据，分析设计SPLL控制器PI参数；并用DSP实现SPLL功能，仿真及试验表明所设计的SPLL良好应用于三相电压源PWM整流装置。 1 SPLL的工作原理与模型

结合三相电压源PWM变换装置实际应用本文研究的SPLL结构原理框图如图2所示[4]。

SPLL的基本原理：电网电压经过测量采样得到，有： 式(1)中，为相电压幅值。

再将测量采样得到的三相电压信号经过Clarke变换，进而转换为两相静止坐标系下的，有：

将归一化，得到标幺后的电压矢量为，有：

经过正负序分离（DSC）之后，分离出两相静止坐标系下的正序分量和负序分量。而后将正序分量经过Park变换，得到两相同步旋转坐标系(d , q)下电网电压的分量：

式(4)中，为SPLL的输出相位角。 联立式(3)与式(4)可得：

当接近零时，式(5)可推导为：

由式(5)可得，电网电压d、q轴模型是非线性模型，电网电压的d、q轴分量分别是实际相角与估计相角之差的余弦和正弦函数。为简化分析，对模型线性化处理，由于实际相角与估计相角相差很小，可得到： 由式（5）q轴分量可转换为：

当eqp为0，edp为1时，实际电网电压相位与估计的相位相同，即=时，实现锁相。

由式(8)以及SPLL工作原理可得SPLL线性化数学模型框图，如图3示。 图3中为软件锁相环(SPLL)控制器，为给定中心频率，若设的传递函数为，则可得SPLL的s域传递函数：；

以上分析可见，线性化模型不能表现SPLL的全部状态，但以线性化模型为依据，能够使用线性控制系统的相关成熟理论设计SPLL控制器以及进行SPLL小扰动性能的讨论分析。 2 SPLL控制器设计

由SPLL线性化模型知，当eqp==0时，完成锁相，则二阶反馈系统连续域(s域)设计再离散化到z域可实现[5]。考虑到SPLL的跟踪速度快与抗干扰能力强以及实际工程应用的要求，则可选择PI控制器。 设,由式(9)可得：

式(10)中，自然频率，阻尼系数。

由式(10)可得，带宽频率，若不变，则与成正比。

稳态位移误差系数、稳态加速度误差系数及稳态速度误差系数。可见，PI控制器能使软件锁相环(SPLL)实现斜坡与阶跃输入的无静差控制。同时，可通过增加带宽即提高自然频率，可提高跟踪速度，而增加带宽将会降低抗干扰的能力。 实际工作中，由于电网本身非理想以及电力电子元件通断的影响，使得电网电压不

对称及谐波现象同时存在，同时分离出的负序分量使得eqp含有谐波[4]，因此，PI控制器的应足够大，确保快速跟踪电网的相位变化，同时，参数又不能过大，进而导致带宽过宽，抑制谐波影响减弱。

因此，根据软件锁相环线性化模型设计的PI控制器、参数，需要根据仿真参数微调以满足实际情况所要求的性能。 3 SPLL的DSP实现

依据SPLL工作原理，如图2所示，三相电压的测量采样、Clarke坐标变换、标幺处理、正负序分离(DSC)、Park坐标变换以及输出电网电压相位完成锁相，由数字信号处理器(DSP)完成。如图4所示。

如图4所示，三相电网电压由传感器检测输入DSP，DSP（TMS320C2812）具有12位ADC模块实现模数(A/D)转换，转换采样频率为3150 Hz。通过软件编程实现Clarke坐标变换、标幺处理、正负序分离(DSC)、Park坐标变换、滤波器(Filter)、积分器、控制器(PI)等功能实现锁相，向三相电压源PWM整流装置提供电网电压相位信息。由于采样、滤波存在延迟，且延迟与电网频率有关，因此，用DSP设计实现SPLL的实际应用中要实时测量电网频率，对延迟进行相位补偿。 4 仿真与试验 4.1 仿真及分析

根据ITAE标准，取=0.707。SPLL的PI控制器仿真参数：=8，=400；电网相电压为220 V，中心频率为50 Hz(工频)。 当电网电压相位突变时，仿真结果如图5所示。

图5所示，纵轴为软件锁相环(SPLL)输出相位与电网电压正序基波相位的相位差，当相位差为0时，实现锁相。如图5所示，为0.2 s时，电网电压相位突变，约为0.27 s时，软件锁相环(SPLL)快速跟踪相位变化实现锁相。当电网电压频率突变1 Hz时，仿真结果如图6所示。

图6所示，为0.2 s时，电网电压频率突变1Hz，引起电网电压相位变化；约为0.26 s时，SPLL快速跟踪相位变化实现锁相。仿真结果表明，所设计基于DSP的SPLL能够实现相位、频率突变下电网电压的锁相。 4.2 试验及分析

试验项目：基于DSP软件锁相环（SPLL）应用于三相电压源PWM整流装置。试验目的：验证所设计基于DSP的SPLL的工作性能。

试验说明：软件锁相环（SPLL）控制器ki、kp实验参数在仿真基础上调整；为简化DSP处理，数字信号处理器(DSP)存储运算的数据为以4096表示1的标幺值；实验波形数据保存规则如下：DSP保存8000个单元的数据，其中1300至2300共1000单元保存PWM整流装置状态改变（加载、卸载等）以前的相关数据，其余的7000个单元保存状态改变瞬间及其以后的实验数据，所有单元存满数据为止不覆盖。三相电压源PWM整流装置突加负载时，Ud、Uq、Udc及SPLL输出实验波形如下：

图7(a)为三相电压源PWM整流装置突加负载时d、q轴电压实验波形，图7(b)为整流装置输出直流电压实验波形，图7(c)为SPLL输出与整流装置a相电流波形。由图7可得，PWM整流装置突加负载时Ud、Uq产生突变，而后快速趋于稳定；PWM整流输出直流电压Udc因突加负载产生的下降也能迅速恢复，基于DSP的SPLL可快速跟踪电网电压相位。试验结果表明，所设计基于DSP的SPLL能良好应用于三相电压源PWM整流装置。 5 结论

本文以三相电压源型PWM变换器为对象，考虑坐标变换（Clarke、Park）、正负序分离（DSC）、标幺等，分析了SPLL原理，推导出SPLL模型并简化获得SPLL线性化模型，以线性化模型为依据，分析设计SPLL控制器PI参数，并用DSP实现所设计SPLL。仿真及试验表明所设计SPLL良好应用于三相电压源型

PWM整流装置。

[1] 王聪, 赵金. 现代电力电子学与交流传动[M]. 北京:机械工业出版社, 2006. [2] 刘翔, 张爱玲. 一种基于TMS320F2812的软件锁相环实现方法[J]. 电力电子术, 2010, 44(8):60-61.

[3] 张喻, 陈新. 基于DSP2812的软件锁相[J]. 电力电子技术, 2008,42(2):75-77.

[4] Emilio J. Bueno, Francisco J. Rodriguez, Felipe Espinosa, Santiago Cobreces. SPLL design to flux oriented of a VSC interface for wind power applications. Proc. IEEE Power Eng. Soc, 2005, 3:2451-2456. [5] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 北京:国防工业出版社, 1998.