李興廣

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150040)

鎖相環(huán)技術(shù)在抽水蓄能SFC中的應(yīng)用

李興廣

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150040)

針對抽水蓄能機組變頻裝置的研究,關(guān)鍵是實時獲取發(fā)電機的轉(zhuǎn)子位置,轉(zhuǎn)子的位置計算主要依據(jù)發(fā)電機端電壓的相位角及電壓的頻率,為此利用鎖相環(huán)技術(shù)并通過NI公司的compact RIO 硬件平臺來搭建鎖相環(huán)檢測回路,采用巴特沃斯濾波器為前置濾波器,消除高次諧波;并采用滯后控制器設(shè)計CPLL替代PI控制的CPLL,提高抗干擾性。

鎖相環(huán) 前置濾波器 滯后控制器

針對大型抽水蓄能機組變頻裝置研制，為了計算同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置，需要實時檢測發(fā)電機端電壓的相位及頻率。該研究利用鎖相環(huán)檢測原理，并利用NI硬件平臺及其編程平臺來實現(xiàn)上述功能。

1 鎖相環(huán)原理簡述

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。如圖1-1所示，鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成。

鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成uD(t)電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。

2 鎖相環(huán)搭建思路

結(jié)合NI compact RIO硬件平臺通過軟件實現(xiàn)鎖相環(huán)功能，由RT部分負責上位機數(shù)據(jù)傳輸，SPLL軟件及硬件部分由底層FPGA完成。其控制流程是：首先，F(xiàn)PGA通過模擬輸入(AI)模塊9215采集實際的三相電壓和三相電流信號，進入前置濾波環(huán)節(jié)、通過DQ變換將原來的三相坐標系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標系來處理，得到輸入信號的相位信息，與VCO(壓控振蕩器)的輸出信號經(jīng)過混頻器(乘法器)后得到輸入信號和參考信號的相位差，經(jīng)過低通

濾波器濾除高頻分量和部分噪聲，然后進入數(shù)字濾波器，得到最終的三相電壓部分的實際信號與參考信號的相位差，進入具有PI環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器將輸出的控制量輸入給VCO(壓控振蕩器)，使VCO輸出頻率信息f，經(jīng)過反饋控制回路，完成相位和頻率的鎖定和跟蹤。另外，通過鑒相器還可以輸出三相電壓和三相電流的相位差，以此來推算功率因數(shù)、有效功率等。

圖1-1

3 鎖相環(huán)改進

濾波器的設(shè)計：由于非線性負載、檢測電路及一些電力電子變換的存在，將導(dǎo)致三相電壓不平衡且含有高次諧波和直流分量，采用前置濾波的目的就是先預(yù)濾除高次諧波分量，這樣便可簡化滯后濾波器的設(shè)計，考慮到工程應(yīng)用的需求，采用IIR低通濾波器(通用的巴特沃斯濾波器)即可，截止頻率暫定在300Hz附近，剔除了高次諧波的干擾，調(diào)試時根據(jù)情況進行修改。

CPLL控制的改進：CPLL的設(shè)計是鎖相環(huán)的核心設(shè)計部分，它直接關(guān)系到跟蹤速度及抗干擾能力，目前的CPLL大多采用PI控制器，但在工程上使用的鎖相環(huán)技術(shù)響應(yīng)速度要求并不是很高(ms級鎖住相位即可)，所以可以適當?shù)牟扇∫恍V波性能較好的控制器，滯后控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)(式3-1)和閉環(huán)傳遞函數(shù)(式3-2)，如下：

4 結(jié)語

此研究主要是利用鎖相環(huán)的技術(shù)并在此基礎(chǔ)上加了一些改進來應(yīng)用抽水蓄能變頻裝置的檢測回路，主要有：①利用NI公司的現(xiàn)有平臺來實現(xiàn)鎖相環(huán)功能;②前置濾波器采用通用的巴特沃斯濾波器更為合理，剔除高次諧波，提高采樣的可靠性;③對CPLL控制器進行了改進，采用滯后控制器替代PI控制器，具有更好的抗干擾性，尤其適合抽蓄發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置檢測計算用。

國家科技支撐計劃項目：大型抽水蓄能機組控制系統(tǒng)裝置及系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)(2011BAF03B03)。

李興廣(1972—),男,漢族,哈爾濱人,碩士,2008年畢業(yè)于長工業(yè)大學電氣工程學院,電力電子與電力傳動專業(yè),從事抽水蓄能機組變頻設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計工作,工程師。