文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.036
中文引用格式: 高文華,周娟,王子績. 基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq算法中的SPLL改進(jìn)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(3):145-148.
英文引用格式: Gao Wenhua,Zhou Juan,Wang Ziji. Improvement research of SPLL in ip-iq method based on instantaneous reactive power theory[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):145-148.
0 引言
由于ip-iq諧波檢測算法能適應(yīng)不對稱電網(wǎng)和電壓波形畸變時(shí)的情況,實(shí)時(shí)性好,可準(zhǔn)確地檢測出諧波分量[1,2],得到了廣泛應(yīng)用?;?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/瞬時(shí)無功功率理論" title="瞬時(shí)無功功率理論" target="_blank">瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波電流檢測算法需要使用PLL進(jìn)行對電網(wǎng)電壓相位頻率的鎖定,若PLL鎖相有延遲誤差或產(chǎn)生的正、余弦信號(hào)有畸變或頻率波動(dòng),則必然影響到諧波檢測的準(zhǔn)確度。因此,研究PLL對于電壓畸變和頻率波動(dòng)的抑制是非常有意義的。
常見的應(yīng)用于諧波檢測環(huán)節(jié)的軟件鎖相環(huán)有以下幾種:(1)基于同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的SPLL[3,4],該方法結(jié)構(gòu)清晰,當(dāng)電壓有畸變或波動(dòng)時(shí),能夠較快地鎖定電壓角頻率,能夠準(zhǔn)確檢測諧波,但鎖相性能受PI控制器參數(shù)影響很大。(2)基于正序基波提取器的SPLL[5-7],該方法當(dāng)電壓有畸變或頻率波動(dòng)時(shí),能夠鎖定電壓角頻率,能夠準(zhǔn)確檢測諧波,特別是對于頻率波動(dòng)有很好的抑制效果,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,物理意義不明確,鎖相速度低于其他SPLL,鎖相性能受增益K值影響較大。(3)基于正交分解法的SPLL[8],該方法結(jié)構(gòu)原理簡單,當(dāng)電壓有畸變或頻率波動(dòng)時(shí),能夠較快地鎖定電壓角頻率,但諧波檢測精度較低,軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,鎖相性能受低通濾波器影響較大。延遲信號(hào)模塊DSC的功能是將C32變換后的信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)行一定的延時(shí),然后通過矩陣運(yùn)算分別得出信號(hào)的正負(fù)序分量?;诖?,本文提出了基于DSC的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。
1 基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波電流檢測算法
ip-iq諧波檢測算法是依據(jù)三相電路瞬時(shí)無功功率的理論,以計(jì)算瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq為出發(fā)點(diǎn)的一種諧波檢測算法,具體如下所述[1,9,10]。
對三相三線制電路,設(shè)三相瞬時(shí)電流為:
式中,n=3k±1(k為正整數(shù))。
將式(1)通過C32變換至α-β兩相坐標(biāo)系,并經(jīng)坐標(biāo)變換進(jìn)一步將ip、iq表示為直流分量和交流分量之和, 即:
將ip、iq經(jīng)LPF濾除交流分量,則得:
2 基于延遲信號(hào)模塊DSC新型軟件鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)
本文鎖相環(huán)的改進(jìn)方案采用基于延遲信號(hào)[11,12]的方法得到和A相電壓同相位的單位正弦信號(hào)。延遲信號(hào)模塊DSC的功能是將C32變換后的信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)行一定的延時(shí),然后通過矩陣運(yùn)算得出信號(hào)的正序分量?;诖?,本文給出了基于DSC的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。
在三相電源電壓沒有畸變情況下,同步旋轉(zhuǎn)角θ滿足dθ/dt恒定,可以直接用α-β坐標(biāo)系下的電壓矢量來表示:
當(dāng)諧波次數(shù)為n=4k+1(k=0、1、3、4…)時(shí),從式(7)和式(8)可知正序分量和負(fù)序分量可表示為:
由式(9)變換可將α-β坐標(biāo)系下的正序分量分離出來,將此正序分量作為計(jì)算同步旋轉(zhuǎn)矢量角θ的輸入,則可以跟蹤得到三相系統(tǒng)的角相位θ的正、余弦函數(shù),實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖2所示。
基于DSC的三相軟件鎖相環(huán)工作時(shí)采用的電網(wǎng)電壓周期T是預(yù)設(shè)置的固定值0.02 s,當(dāng)電網(wǎng)電壓有頻率波動(dòng)時(shí),鎖相產(chǎn)生的正弦波形是有誤差的。但電網(wǎng)頻率正常波動(dòng)范圍為±0.5 Hz,對相位鎖定影響較小。
根據(jù)DSC模塊的運(yùn)算變換過程可知,采用基于DSC新型三相軟件鎖相環(huán)能夠消除1次、3次以及5次等諧波,且算法實(shí)現(xiàn)簡單,實(shí)時(shí)性好,在保證檢測結(jié)果不錯(cuò)的情況下,大幅度降低了諧波檢測的運(yùn)算量。
3 仿真分析
為驗(yàn)證基于DSC新型三相軟件鎖相環(huán)的正確性, 采用MATLAB仿真軟件在電壓無畸變、有畸變、頻率波動(dòng)以及突加負(fù)載四種情況下對基于DSC模塊新型軟件鎖相環(huán)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真模型圖如圖3所示。參數(shù)設(shè)置如下:電源基波線電壓為380 V(50 Hz),3次諧波線電壓為38 V,5次諧波線電壓為25.33 V,頻率波動(dòng)時(shí)基波頻率為50.5 Hz,負(fù)載回路不對稱電阻、電感分別為R0=60 Ω,L=0.1 mH,諧波源采用三相橋式不可控整流,R1=60 Ω,R2=180 Ω,與R2串聯(lián)的直流側(cè)開關(guān)K1的設(shè)置是為了研究負(fù)載突變時(shí)(t=0.5 s時(shí)加入突變負(fù)載)對電網(wǎng)電壓鎖相準(zhǔn)確度的影響。
圖4、圖5、圖6以及圖7分別為電源電壓無畸變、有畸變、頻率波動(dòng)以及負(fù)載突變情況下由鎖相環(huán)產(chǎn)生的單位正弦信號(hào)sinθ與A相電壓Ua的相位比較。此處為比較方便,將單位正弦信號(hào)放大200倍。由仿真結(jié)果可知:無論電源電壓是否存在畸變鎖相環(huán)都能夠在不到一個(gè)周期內(nèi)跟蹤電源電壓基波分量;負(fù)載突變時(shí)鎖相環(huán)也能較好地跟蹤電源電壓基波分量;當(dāng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)鎖相環(huán)產(chǎn)生的正弦信號(hào)sinθ與A相電壓Ua在過零點(diǎn)時(shí)有較小的相位差,約為0.000 02 s,對于鎖定相位影響較小,與理論分析結(jié)果一致。
4 結(jié)語
通過對DSC模塊特性的分析,本文提出了基于DSC新型三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。相比于傳統(tǒng)鎖相環(huán)算法,基于DSC新型三相軟件鎖相環(huán)原理明確,結(jié)構(gòu)簡單,DSC模塊運(yùn)算速度快,實(shí)時(shí)性好,不受控制參數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明該方法在電壓有無畸變、頻率波動(dòng)以及負(fù)載突變等情況下,都能夠快速準(zhǔn)確鎖定相位信息。采用該方法進(jìn)行諧波檢測,在保證檢測結(jié)果正確的情況下,能夠大幅度降低諧波檢測的運(yùn)算量,適用于運(yùn)算速度要求較高的場合。
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作者信息:
高文華1,周 娟2,王子績2
(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 熱軋作業(yè)部,河北 唐山063210;
2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,江蘇 徐州221116)