基于柔性锁相环路的动态电压恢复器控制方案的研究

摘要：动态电压恢复器（DVR）是一种新型电能质量调节装置，它能有效抑制电网电压波动对敏感负载的影响。介绍了应用于DVR的一种新型的锁相技术—柔性锁相环路〔soft phase locked loop(SPLL)〕和以此为基础的控制方案。

关键词：动态电压恢复器；锁相技术；电压跌落

1 概述

动态电压恢复器（dynamic voltage restorers简称DVR）是一种保证电网供电质量的新型电力电子设备，主要用于补偿供电电网产生的电压跌落，闪变和谐波等。它的基本结构和在电网中的接入方式如图1所示。DVR本身相当于一个受控电压源[1]，它可在电源和敏感负载之间插入一个任意幅值和相位的电压。当电源电压畸变时，通过改变DVR的电压，达到稳定敏感负载电压的目的。

图1 动态电压恢复器的结构和连接图

DVR的主要补偿对象是电网电压的跌落，闪变和谐波，因此，要求其控制系统应具有足够的响应速度，同时，对畸变的输入电压应具有很强的抑制作用。本文提出的基于瞬时无功理论[3]的柔性锁相环路（SPLL）[4]和以此为基础的控制方案能够很好地达到这一要求。

2 柔性锁相环路

为实现以DVR补偿电源侧畸变电压的目的，则获得电源侧电压的相位是首要的任务。获得相位信息的方法有过零比较，最小二乘法，小波分析等多种方法。过零比较结构简单，实现较为容易，但动态响应速度慢，对畸变电压的抑制较差；最小二乘法动态响应速度快，能准确地锁定正序电压的相位，但输入电压存在谐波时性能较差；小波分析性能较好，但结构复杂，实现起来较为困难。

本文介绍的SPLL结构比较简单，动态响应速度快，对畸变输入电压有很强的抑制作用。

SPLL的基本结构如图2所示。把三相输入电压采样后做32变换，即把电压转换到αβ坐标系中。再经pq变换得到u_q，变换所使用的角度是锁相的输出θ^＊，u_q的值代表输入电压a相相位和锁相输出相位θ^＊的差，然后利用一个PI环节将该差调整到零，从而达到相位捕获的目的。下面对原理做详细阐述。

图2 SPLL的控制流程图

如果输入三相电源电压中仅含三相基波正序，则设输入三相电压为

u_a=U_sin(ω₁t＋φ)

u_b=U_sin(ω₁t－＋φ)（1）

u_c=U_sin(ω₁t－＋φ)

式中：ω₁为角频率；

φ为相位。

经过C₃₂变换由三相变至两相，有

==（2）

如果，此时锁相环输出的角频率为ω，相位为0，则利用锁相环输出的角度进行pq变换，有

==（3）

频率没有锁定时，u_q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ω₁=ω，φ=0，此时u_q=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u_q=0，所以通过把u_q调节为0，就可以达到锁相的目的，该结构利用PI环节达到这一目的。同时，因在数字系统中正弦和余弦的值靠查表得到，所以θ^＊的值不能太大，故每隔一个工频周期复位一次。