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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(currentcontroller)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—PhaseLockedLoop)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。

1SPLL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。

2SPLL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