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uq，变换所使用的角度是锁相的输出θ＊，uq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
ua=
Usin(ω1t＋φ)
ub=
Usin(ω1t－
＋φ)（1）
uc=
Usin(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，uq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uq=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uq=0，所以通过把uq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。
假设三相输入电源电压畸变即电压中含有零序、负序和谐波分量。对于零序，做C32变换后其值为0，对结果没有影响，所以不予考虑。此时的三相电压为
ua=
[U1nsin(nω t＋φ1n)＋U2nsin(nωt＋φ2n)]
ub=
[U1nsin(nωt＋φ1n－120°)＋U2nsin(nω t＋φ2n＋120°)]
uc=
[U1nsin(nωt＋φ1n＋120°)＋U2nsin(nω t＋φ2n－120°)](4)
式中：下标为1的表示正序，下标为2的表示负序；
n表示谐波次数(当n等于1时表示基波)；
U表示电压有效值；
φ表示初相角；
ω为电网电压角频率。
从而可以得到
uq=
U1nsin[(n－1)ωt＋φ1n]－
U2nsin[(n＋1)ωt＋φ2n]（5）
由式（5）可以看出，仅有基波正序转换为直流分量，其他分量经过转换都是频率较高的分量。经过滤波，将这些高频分量滤除，则SPLL的输出就不受负序、零序和谐波的影响。这就保证了在畸变输入电压的情况下，SPLL能够正确地锁定输入电压的基波正序。关于滤波，因系统中存在两个积分环节，对高频分量有较强的抑制作用，所以，一般不需要额外的滤波环节。但是当在三相输入电压严重不平衡时，负序分量很大，若要将其完全滤除，所需时间较长，从而影响系统的动态响应时间。为此，可在pq后加入一个滤波环节来加速负序分量的滤除，如图3所示，从而在保证滤除负序分量的情况下，系统有较短的动态响应时间。
