基于改进型软锁相环的大容量充放电装置的应用研究

陈 瑞

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

0 引言

随着中国走向海洋强国的战略需要，大型舰船将陆续列装。对于大型舰船电力系统重要组成部分的大容量充放电装置也提出了新的需求，要求能量双向可逆即充放电集中一体化设计。SVPWM整流与逆变技术应用将有效地提高充放电装置的效率，提高蓄电池使用寿命，减少放电箱配置，降低装置对电网的污染程度等。实现SVPWM与电网电压的同步是充放电装置可靠运行所必须的，为确保同步信息的快速准确获取，软锁相环SPLL技术获得了广泛的应用[1]。

现阶段电网同步信息的捕获仍较多采用过零比较器，虽然该方法在工程上容易实现，但锁相速度和精度十分有限[2]。采用基于单同步旋转坐标变换的锁相环(SPLL)技术能有效提高锁相的速度和精度，但锁相过程中仍然无法使动态响应速度与稳态精度达到最佳平衡点。尤其在三相电压畸变、不平衡时为了解决三相电压不对称时的锁相问题，文献[3,4]提出了基于解耦的双同步旋转坐标变换的锁相环(SPLL)方法，然而其结构复杂、计算量大，工程实现难度较大。

本文旨在单同步旋转坐标变换的锁相环(SPLL)的基础上加以改进，使得其结构比较简单，动态响应速度快，对畸变不平衡输入电压有很强的抑制作用。由基于改进型软锁相环(SPLL)的可逆SVPWM整流器组成的大容量充放电装置，将充分提高其运行的稳定性和可靠性。

1 软锁相环SPLL

1.1 软锁相环SPLL原理

平衡负载条件下的理想三相电压可以用下列函数表示,其中，Um代表相电压的基波幅值，输出交流电压的频率为ƒ，角频率ω＝2πf，初相角φ。经过从a-b-c三相到α-β两相的Clarke变换和从α-β两相到d-q两相的Park变换可得

(3)式表明频率没有锁定时，uq是一个交流分量，在频率锁定，相位没有锁定时，它是一个直流分量，其大小代表锁相输入与输出之间的相位差信息。在频率，相位完全捕获的情况下，有ω'＝ω,φ＝0，此时uq＝0，它是恒定的直流分量，而且它并不随电源电压幅值的变化而变化。可以看出，只有频率和相位完全捕获的情况下才有uq＝0，所以通过把uq调节为0，就可以达到锁相的目的。

(3)式中的输出角频率

由于完全捕获相位后ω′保持不变，故有θ′＝ω′t。令输入a相电压相位θ＝ωt+φ，则(3)式转化为

这样就获得了相位差θ-θ′的 表达式sin(θ-θ′)，利用这个偏差就能实现相位的反馈控制，三相电压平衡时同步锁相环的结构框图如图1所示。将uq连接到PI调节器的输入端，在相位差Δθ＝θ-θ'较大时，对输入三相电压进行锁相的过程是一非线性过程，可通过负反馈将uq调节到足够小，也就能使得Δθ达到很小；当相位差Δθ较小时，sin(θ-θ′)≈θ-θ′，进行锁相的过程可近似为一线性过程，uq的大小代表输入电压相位和输出相位之间的差值，uq经PI调节器输出角频率误差信号Δω，Δω与基波角频率ωo相加后得到角频率ω′，经积分后得到最终的输出相位θ′。由于该结构是Ⅱ型系统，故能实现无静差地跟踪斜坡信号θ＝ωt，实现相位的完全锁定。

1.2 改进的软锁相环SPLL

由于三相负载不平衡、大容量单相负载的使用、不对称故障和非全相运行、非全换位输电线或紧凑型输电线等问题，常常使得三相电网处于不平衡状态，即造成三相电网电压的幅值、相位不对称。上面提到的锁相环在三相电压不对称时不能准确的捕获a相相位，必须对其进行改进。

在三相电网电压不平衡时，根据对称分量法，可将电网电压（只考虑基波电压）分解为正序电压分量、负序电压分量和零序电压分量。即有（5）式。

（5）式中，V+、V-、V0分别为正序、负序、零序基波电压的幅值；φ+、φ-、φ0分别为正序、负序、零序基波电压的初始相位。于是锁相环捕获的相位就为正序电压分量的a相相位。

(5)式经Clarke变换可得（6）式。再分别经Park变换和反Park变换可得（7）式。

令θ+＝ωt+φ+、θ＝ω't，则(7)式变为：

由式(8)可以看出，uq+中包含我们需要的相位差的表达式sin(θ+-θ′)，同时含有高频分量sin((ω+ω')t+φ-)，且ω+ω' ≈ 2ω。若经过滤波，将这些高频分量滤除，则SPLL的输出就不受负序、 零序和谐波的影响。这就保证了在畸变、不平衡输入电压的情况下，SPLL能够正确地锁定输入电压的基波正序。关于滤波，因系统中存在两个积分环节，对高频分量有较强的抑制作用，但是当在三相输入电压严重不平衡时，负序分量很大，若要将其完全滤除，所需时间较长，从而影响系统的动态响应时间。为此，可在uq后加入一个陷波(Notch)滤波器来滤除2倍频基波负序分量的滤除，其改进的三相电压不平衡时同步锁相环的结构框图如图2所示，从而在保证滤除负序分量的情况下，系统有较短的动态响应时间。

2 基于改进型SPLL充放电装置的控制方案

根据蓄电池的恒压限流充电特性建立直流侧电压外环、电流内环的双闭环装置控制策略，如图3所示，其中电压外环保证装置快速跟踪给定电压、提高直流侧输出电压的稳定性，电流内环用于减小装置无功功率直流分量、稳定系统输出的有功功率以及改善系统稳态性能。

控制系统首先通过电压电流检测获取三相电网电压和电流，经由改进型软锁相环SPLL计算出θ；然后将电流进行坐标变换，计算出瞬时有功分量Id和无功分量Iq作为反馈值；有功分量给定值Id*通过电压外环经 PI调节器获得，无功功率给定值Iq*设置为0，实现单位功率因数；然后将反馈值Id、Iq与给定值Id*、Iq*比较后输入 PI调节器，得到整流器交流侧电压ud和uq，再经两相dq同步旋转坐标/两相αβ静止坐标变换，转换成交流侧电压矢量uα和uβ，最终利用 SVP WM调制算法，产生6路触发脉冲，控制装置中可逆PWM整流器中开关器件IGBT的导通和关 断，实现网侧电流正弦化、单位功率因数运行、能量双向流动、输出电流脉动小等控制目标。

3 仿真分析

3.1 改进的软锁相环SPLL仿真

改进的软锁相环SPLL仿真模型如图4所示，陷波滤波器参数为ωn=6281/s，ξ=0.95；PI调节器参数为kp=248，ki=250 1/s。

三相不平衡输入电压为Ua：Ub：Uc=1：0.8：1.2，其仿真波形如图5所示，uq经陷波滤波器能很好地滤去2倍频高频成分，一个周波内且相位差比较小，能快速精准地锁定相位。三相注入50%的5次谐波，其仿真波形如图6所示，uq经陷波滤波器滤除高频成分有限，但相位差比较小且平均值为0，能快速可靠地锁定相位。

3.2 基于改进型软锁相环SPLL的可逆SVPWM整流器仿真

按图3所示主电路仿真参数为：交流电源线电压 380 AC，经过变压器降压到线电压 240 VAC，L=1 mH，C=4700 μF，额定容量40 kW，直流侧电压400 VDC。

整流时a相电压电流波形如图7所示，从图中可以看出，交流侧电压和电流处于同相，可逆SVPWM整流器工作于整流工况，无功功率接近于 0，有功功率为正，电网向负载提供能量。电流波形平滑且近似正弦波，功率因数近似为1。

逆变时a相电压电流波形如图8所示，从图中可以看出，交流侧电压和电流处于反相，可逆SVPWM整流器工作于逆变工况，无功功率接近于0，有功功率为负，说明电网在吸收能量。电流波形平滑且近似正弦波，功率因数近似为-1。

4 结语

本文采用在单同步旋转坐标变换输出与PI调节器间增加陷波滤波器，以便在设计低通滤波器（PI调节器）时，在滤波器的鲁棒性和动态响应之间容易做出折中的选择，既满足了三相电压畸变不平衡对相位检测的干扰抑制，也相应的保证了锁相环的响应速度，从而改进单同步旋转坐标变换的锁相环SPLL的性能和适应性，具备收敛速度快、相位估计精度高、抗干扰能力强等特性。基于改进型SPLL的可逆SVPWM整流器在大容量充放电装置中的应用方案，采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略，使充放电装置在电网电压发生畸变不平衡时，能够快速、准确地跟踪电网电压相位变化；同时，在蓄电池恒压充放电时，装置均能以单位功率因数运行，系统响应速度快，稳态性能好，为舰船提供稳定可靠的大容量充放电装置。

[1]王晶，徐爱亲，翁国庆．动态电压恢复器控制策略研究综述[J]．电力系统保护与控制，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]张治俊，李 辉，张 煦．基于单／双同步坐标系的软件锁相环建模和仿真[J]．电力系统保护与控制，2011，39(11)：134-144．