新型软件锁相环三相电压型PWM整流器的控制[1]

图 ４ 定时器下溢中断流程图
４ 实验结果
采用 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６ 型 ＤＳＰ 搭建了实验平台， 对软件锁相 ＰＷＭ 整流器算法进行验证。实验参数： 样机功率 １．１ ｋＷ，交流侧电抗 ５ ｍＨ，交流侧输入电压 ５０ Ｖ，整流输出电压 ２００ Ｖ，负载电阻 ５０ !。图 ５ａ 示 出直流侧电压 Ｕｄｃ 的实验波形，由图可见，电压给定为 ２００ Ｖ 时直流侧输出电压纹波很小。图 ５ｂ 示出交流 侧电压 ｕａ 和电流 ｉａ 的实验波形，由图可见，系统处于 单位功率因数运行。
有一定参考价值。
关键词： 整流器；脉宽调制；软件；锁相 ／ 数字信号处理器
中图分类号： ＴＭ４６１
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ １００Ｘ（２００８）０５－ ００７２－ ０２
Ｔｈｒ ｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｖｏｌｔａｇｅ ＰＷＭ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｏｆ Ｎｏｖｅｌ Ｓｏｆｔ Ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ
１引言
由于三相 ＰＷＭ 整流器能控制直流电压和网侧 功率因数，因而被广泛应用于四象限运行变频器的 前端。电压电流双闭环控制方案的前提是获得网侧 电压的相位，而相位的捕获大都是采用过零比较器， 经 ＤＳＰ 的 ＣＡＰＴＵＲＥ 来捕获脉冲的硬件方法实现锁 相。虽然该方法在工程上容易实现，但在网侧三相电 网电压不平衡或者电压含有谐波时，就不能准确地 捕获基波正序的过零点，从而影响锁相的精度。
坐标变换到动态旋转坐标后，得出在 ｄ，ｑ 坐标系下
桥中点控制电压为：
)Ｕｃｄ＝－ Ｌｓｄｉｄ ／ｄｔ－ Ｒｓｉｄ＋!Ｌｓｉｑ＋ｕｄ
Ｕｃｑ＝－ Ｌｓｄｉｑ ／ｄｔ－ Ｒｓｉｑ－ !Ｌｓｉｄ
（２）
式中：ｕｄ，ｕｑ 为三相电压变换为 ｄ，ｑ 同步坐标系下的电压值；
ｉｄ，ｉｑ 为三相电流变换为 ｄ，ｑ 同步坐标系下的电流值。
定稿日期： ２００８－ ０３－ １０ 作者简介： 曹世华（ １９８２－ ） ， 男， 陕西榆林人， 硕士生。研
究方向电力电子功率变换与系统控制。
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时，若相位不能与电网同步，将给电网带来谐波污染。
图 １ 过零比较电路
２．２ 瞬时无功理论锁相原理 瞬时无功理论锁相的基本原理是将三相输入电
压 ｕａ，ｕｂ，ｕｃ 转换到静止的 !，" 坐标系，然后从静止 的 !，" 坐标系转换到与电压同步的旋转 ｄ，ｑ 坐标 系，得到交流电压的直流分量 Ｕｄ，Ｕｑ。变换所用的旋 转角 # 是软件锁相环的输出。如果锁相角与电网电 压相位同步，则 Ｕｑ＝０。０ 与 Ｕｑ 相减，经过 ＰＩ 调节器 后可视为误差信号 $，$ 经过一积分环节后的输出 即为电网电压的相位 #。整个控制过程构成反馈，通 过 ＰＩ 来达到锁相的目的。当电网电压不平衡时，电 网电动势可描述为正、负序电动势及零序电动势三 者的合成。三相不平衡电压经过静态、动态坐标变换 后，只有正序分量转换为直流分量，负序、零序经过 ｄ，ｑ 转换后都是高频分量，经过高频滤波后软件锁 相的输出就不受负序、零序的影响，这样就能保证软 件锁相跟踪的是基波正序分量。算法中的滤波是通 过积分环节实现的。采用锁相后，电压跟踪波形能快 速跟踪输入的电压相位［１］。
第 ４２ 卷第 ５ 期 ２００８ 年 ５ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．５ Ｍａｙ， ２００８
新型软件锁相环三相电压型 ＰＷＭ 整流器的控制
曹世华 １， 张维娜 １， 沈 鸿 ２， 房 静 １ （１．西安理工大学，陕西 西安 ７１００４８；２．深圳易能电气技术有限公司，广东 深圳 ５１８０５７）
７３
摘要： 在电网电压频率波动或者三相不平衡的情况下，硬件锁相很难准确检测到基波正序的相位。在结合 ＰＷＭ 整流
器空间矢量解耦控制算法的基础上，将软件锁相环技术应用在 ＰＷＭ 整流器控制系统中，并用仿真和实验验证了该
方案的可行性。实验结果表明，该方案解决了电网电压频率波动及三相不平衡时的相位同步等问题，并在工程上具
［２］ 张崇巍，张 兴．ＰＷＭ 整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００３．
［３］ Ｙａｎｐｉｎｇ Ｚｈｏｎｇ，Ｓｏｎｇｈｕａ Ｓｈｅｎ． Ｄｅｃｏｕｐｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＤＳＰ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ＰＷＭ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ［Ａ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ５ｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ［Ｃ］． Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ：［ｓ．ｎ．］，２００４：５１９９－ ５２０２．
路采用了过零比较方式，即电网电压在过零时刻触发 ＤＳＰ 的捕获中断，同时 ＤＳＰ 的计数器开始读取当前 脉宽值，在捕获中断中读取上一次捕获寄存器的值。 虽然该方案的硬件原理和软件算法比较简单，易于工 程实现，但由于电网电压在 ５０ Ｈｚ 附近波动以及电网 含有谐波或存在三相不平衡等问题，因此很难保证相 位的同步和精度。尤其当整流器处于能量回馈状态
（１）
式中：ｕｋ 为三相交流电源电压，下标 ｋ＝ａ，ｂ，ｃ，下同；ｉｋ 为三相
交流电源电流；Ｕｄｃ 为直流输出电压；ｉＲ 为负载电流；Ｓｋ，Ｓｊ 为开
关函数，（ｋ，ｊ∈｛ａ，ｂ，ｃ｝），Ｓｋ＝１ 表示上桥臂导通，下桥臂关断，
Ｓｋ＝０ 表示上桥臂关断，下桥臂导通。
根据等功率变换，将交流电压和电流经过静止
图 ３ 软件控制框图
用 ＴＩ ２４０６ＤＳＰ 作为主控芯片，系统启动置初次 上电标志，利用定时器 １ 下溢中断，判断是否初次运 行，若是初次运行，则进行软件锁相，ＰＩ 自动调整程 序，运行几秒待软件锁相调整完后，关闭初次上电标 志，定时器下溢切入主算法计算状态，图 ４ 示出定时
参考文献
［１］ 李彦栋，王凯斐，卓 放，等．新型软件锁相环在动态电压 恢复器中的应用［Ｊ］．电网技术，２００４，２８（８）：４２￣４５．
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（１．Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｅｎｃｏｍ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｖａｒｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｉｓ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＶＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ ｎｏｖｅｌ ｓｏｆｔ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｉｔ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄ ／ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
３ ＰＷＭ 整流器控制原理
３．１ ＰＷＭ 整流器数学模型 图 ２ 示出三相 ＰＷＭ 整流器的拓扑结构。三相
新型软件锁相环三相电压型 ＰＷＭ 整流器的控制
电网电压平衡，功率开关按文中的调制方式动作。 器下溢中断流程图。采用这种控制方案结构简单，易 于工程实现。
Ｌ为交流侧滤波电感；Ｃ 为直流侧滤波电容；Ｒ 为直流侧负载电阻 图 ２ 三相 ＰＷＭ 整流器的主电路结构
图 ５ 系统直流侧电压与网侧电压电流波形
实验结果表明，采用软件锁相的三相 ＰＷＭ 整 流器系统可以输出稳定的直流侧电压，并实现了单 位功率因数运行，证明了理论分析的正确性。
５结论
把软件锁相环原理应用到三相 ＰＷＭ 整流器控 制中，代替传统的硬件锁相，实现了对电网电压的无 差跟踪，并在动态坐标系中构成了软件锁相控制系 统，还简化了硬件控制系统设计。另外，该电压空间 矢量算法可以独立控制无功和有功。实验验证了软 件锁相控制方案的正确性，并在工程上具有一定的 参考价值。
由式（２）看出两项电流存在耦合，为了消除两项
之间的耦合，采用 ＰＩ 解耦控制［２－３］。
３．２ 改进的工程实现策略
为克服直接用比较器与 ＤＳＰ 捕获单元相结合这
一传统硬件方案的不足，结合软件锁相原理和整流器
的控制思想，提出了软件锁相双闭环空间矢量 ＰＷＭ
整流器电流解耦控制方案，图 ３ 为软件控制框图。
由图 ２，根据基尔霍夫电压及电流定律可得三
相 ＰＷＭ 整流器在 ａ，ｂ，ｃ 坐标系下的数学模型：
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在结合 ＰＷＭ 整流器空间矢量解耦控制算法的 基础上，将软件锁相环技术应用在 ＰＷＭ 整流器控 制系统中，并给出了该算法的工程设计方法。用 ＭＡＴＬＡＢ 搭建了系统的仿真模型，通过仿真和实验 验证算法的可行性。