文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2011)03-0064-04
随着工业自动化程度的日益提高，电力用户对安全、环保、可控、高质量的电能需求不断增长。三相电压型PWM整流器利用电容作为储能元件，与传统不可控二极管整流器相比，具有网侧功率因数可控、直流侧电压稳定、能量双向流动等优点，因此，在工程中得到了广泛应用[1-4]。
为获得PWM整流器的控制信号，需要利用网侧电压的相位进行坐标变换，但是在三相电网电压频率偏移时，普通锁相环存在响应速度慢、锁相精度差等缺点。参考文献[5]提出一种改进的锁相环，即锁相环输入是三相电压的某一相，并在采样环节前加入了延迟环节，改善了网侧电压电流的同步性。但在电网电压频率波动时，锁相效果不够理想。参考文献[6]提出一种基于瞬时无功理论的软件锁相环，通过两次坐标变换，分解电源电压得到两部分矢量，最后经过比较、滤波和积分后输出相位，并将该锁相环应用到动态电压恢复器中，动态电压恢复器获得了较好的补偿效果。目前，将基于坐标变化理论的锁相环应用在PWM整流器中的文献还比较少。
本文基于坐标变换理论，提出一种通过电压矢量变换的数字信号锁相环，并将其应用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink对搭建的三相电压型PWM整流器模型进行仿真。结果证明，在三相电网电压频率偏移时，锁相环能够快速锁定输入信号的频率和相位。
1 三相电压型PWM整流器
1.1 三相电压型PWM整流器的主电路
图1为基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器主电路，其中，ua、ub、uc代表交流侧三相电压源电压，udc为直流侧滤波电容C的输出电压，ia、ib、ic为交流
2 新型数字锁相环的结构和控制原理
2.1 数字锁相环的结构
针对传统锁相环[7-9]的缺陷，本文提出一种基于电压矢量变换的测量方法。首先将三相电压变换到两相a-β坐标系中，然后与锁相环输出构成一个负反馈闭环控制系统，最后通过调节系统参数达到滤波锁相的目的。其电路图如图2所示。
从仿真结果可以看出数字PLL响应时间很短，系统在前两个周期时，PI调节器的超调造成了锁相环不能准确锁相，但是在t=0.035 s时，输入信号就很快与输出信号重叠，即输入信号频率相位被锁定，锁相效果良好。
图4所示为整流器仿真波形，其中图4(a)为整流器网侧A相电压电流波形，可以看出，整流器很快达到单位功率因数运行。图4(b)为三相电网电压设定310 V时直流侧给定电压udc为600 V的波形。可见直流电压纹波系数很小，系统处在稳定运行状态。由此可知数字锁相算法的可行性和正确性。
在实际运行中，还会出现三相电网电压的频率在工频50 Hz附近波动的情况。取频率偏移+0.5 Hz，电网电压310 V，给定直流电压600 V时进行仿真。
由图5(a)可见，普通锁相环在三相电压出现频漂时明显不能准确锁相，电流波形失真较严重。而从图5(b)可以看出新型锁相环则能快速锁定输入信号频率和相位，对电网电压频漂有良好的抑制作用。仿真实验结果验证了该新型锁相环在电压畸变时锁相的优越性。
本文针对三相电压型PWM整流器在三相电网电压频率偏移时，普通锁相环响应速度慢、锁相精度差等缺点，提出了一种基于坐标变换的新型数字锁相环，并将其应用到三相PWM整流器系统中，实现了对电压信号的无差跟踪。这种新型锁相环实现方法简单，能够快速锁定电源电压频率和相位。仿真验证了理论分析的正确性和可行性。
参考文献
[1] BOWES S R，LAI Y S．The relationship between spacevector modulation and regular-sampled PWM[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(5)：670-679．
[2] 刁利军，刘志刚，郝荣泰，等．能量回馈式PWM整流器并网的工程设计方法[J]．电工技术学报，2005，20(11)：75-79.
[3] 杨勇，阮毅，张朝艺，等．基于背靠背三电平电压变换器的驱式风力发电系统[J]．电网技术，2009，33(18)：148-155．
[4] 曹世华，张维娜，沈鸿，等．新型软件锁相环三相电压型PWM整流器的控制[J]．电力电子技术，2008，42(5)：72-73.
[5] 孙强，尹忠刚，钟彦儒．基于α-β静止坐标系的PWM整流器双单输入单输出模型[J]．电工技术学报，2010，25(23)：73-80．
[6] 李彦栋，王凯斐，卓放，等．新型软件锁相环在动态电压恢复器重的应用[J]．电网技术，2004，28(8)：42-45．
[7] 徐健飞，庞浩，王赞基，等．新型全数字锁相环的逻辑电路设计[J]．电网技术，2006，30(13)：81-84．
[8] 袁志昌，宋强，刘文华．改善动态相位跟踪和不平衡电压检测性能的改进软锁相环算法[J].电网技术，2010，34(1)：31-35．
[9] 庞浩，俎云霄，李东霞，等．基于Hilbert移相滤波的全数字锁相环[J]．电网技术，2003，27(11)：55-59．