化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第四講: 后級三相逆變電路
閱讀：1483 發(fā)布時間：2022-8-19PTS-5000系列之PEK-550三相光伏逆變器原理分解
(二)兩級式逆變器控制——后級三相逆變電路(鎖相環(huán)設(shè)計)
為了使學(xué)生可以快速學(xué)習(xí)掌握新興的光伏發(fā)電技術(shù)并且快速熟悉本公司產(chǎn)品，固緯電子針對新能源技術(shù)做出了全面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程,。本次我們所講解的PEK-550模塊是一個三相升壓逆變光伏并網(wǎng)系統(tǒng),，是一個完整的獨(dú)立性小型發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真。PEK-550模塊的電路圖及實(shí)物圖如下：
PEK-550
鎖相環(huán)的工作原理：
鎖相環(huán)是一種消除頻率誤差為目的的反饋控制電路,，它的基本原理是比較輸入信號和反饋輸入信號,，提取二者的相位差，把此相位差轉(zhuǎn)換頻率控制信號,，消除它們的頻差,。在鎖相環(huán)電路的穩(wěn)定態(tài)，輸入信號和反饋輸入信號可以有穩(wěn)定的相位誤差，但頻率誤差為零,。當(dāng)輸出信號直接接回環(huán)路鑒相器時,，鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號對輸入信號的相位跟蹤。根據(jù)系統(tǒng)組成的不同,，這種跟蹤可以是基于瞬時相位,，也可以是平均相位。鎖相環(huán)除對噪聲有很好的過濾作用外,，還有鎖定時的無頻差,，易于集成且窄帶和調(diào)制跟蹤特性良好等優(yōu)良性能。因此被廣發(fā)應(yīng)用于通信,，雷達(dá),，制導(dǎo)，導(dǎo)航,，儀器儀表等領(lǐng)域,。
鎖相環(huán)是一個典型的基于相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它有三個基本組成部分,，它們分別是鑒相器（Phase Detector 簡寫為 PD),，環(huán)路濾波器（Loop Filter 簡寫為LF)和電壓控制振蕩器（Voltage Controlled Oscillator 簡寫 VCO)[1]。
鎖相環(huán)的PSIM仿真：
1 ,、三相電壓獲取與坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換：
三相電壓獲取：
我們?nèi)缟蠄D所示可以用三個正弦電壓源來模擬市網(wǎng),，經(jīng)過一個電壓采樣來獲取三相交流電的相電壓。
2 ,、 Abc到αβ坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換
將靜止坐標(biāo)軸的三相abc空間電壓向量轉(zhuǎn)化到αβ靜止坐標(biāo)系的過程就叫做Clarke變換,。
假設(shè)三相電壓方程如下所示：
其中是時間軸上的三相電壓的幅值變化，是空間上三相電壓相差的電角度,，即空間位置的差值,。
重新建立一個直角坐標(biāo)系，其中橫坐標(biāo)與向量重合,，如下圖所示：
根據(jù)上圖我們可以清晰得看出來三相電壓的相對位置,，此時：
在時間軸上始終滿足三相電壓：
然而在空間上，該三個空間相量求和：
從上述合成可知,，三相空間矢量可以合成一個幅值恒定并且以角速度為逆時針旋轉(zhuǎn)的一個空間向量Uabc,。
等幅值變換指的是三相電壓經(jīng)過Clarke變換之后生成的一個向量幅值與A相電壓相等，角速度ω也相等,。在三相逆變電路中,，其輸出的最高相電壓為2/3Ud。為了保持三相逆變的輸出電壓向量與電流向量都能夠保持與市網(wǎng)電壓相等,，于是我們采用等幅值變換法來進(jìn)行Clarke變換,。其中的理論推導(dǎo)過程如下所示：
其數(shù)學(xué)公式如下圖所示：
根據(jù)上式我們可以得知：當(dāng)矩陣前添加一個系數(shù)2/3時,，剛好可以使生成的向量與A相電壓幅值相等，且合成向量經(jīng)過等幅值變換之后：
目前這兩個量隨時間變化的角度與A相電壓是相等的,。因此,，我們可以利用這個來追蹤市網(wǎng)電壓的相位和頻率。
每遇到一個上升沿就重新開始記一次數(shù),，其中每一時刻都對應(yīng)此時的電網(wǎng)電壓相位通過αβ坐標(biāo)變換獲取三相電網(wǎng)電壓相位的正余弦值,，然后用
其中X為市網(wǎng)電壓相位，Y為鎖相環(huán)輸出相位,，然后經(jīng)過PI控制器來調(diào)節(jié)輸出為角速度,，其中314的加入是為了提高該環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度，提前設(shè)置了一個參考量（可省去）,，其中添加了一個梯形積分環(huán)節(jié)來對角速度進(jìn)行積分記錄任意時刻的相位,，由于相位變化范圍為0~2pi，故這個積分器設(shè)置了一個超過上下限的時候就重置重新積分,。
根據(jù)
可知,，頻率
可輸出電網(wǎng)相位當(dāng)X與Y相等的時候，輸出的相位就是市網(wǎng)電壓的相位,，如果不相等,，則誤差就會經(jīng)過一個PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過一個自動重置的積分環(huán)節(jié)生成新的相位直至鎖相成功,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
鎖相環(huán)的仿真結(jié)果如下,，其中V4是獲取的頻率，V5獲取的是市網(wǎng)的相位,。
我們根據(jù)上圖可以看出，鎖相環(huán)可以實(shí)時獲取市網(wǎng)電壓的頻率為50Hz左右,。在進(jìn)行并網(wǎng)操作時,，我們會提前判斷逆變器產(chǎn)生的相位與頻率是否與市網(wǎng)電壓一致來決定是否進(jìn)行并網(wǎng)操作。
我們可以看到鎖相環(huán)獲取的相位從0到2π不斷重復(fù),，正好對應(yīng)Park變換合成向量在不斷進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動時與坐標(biāo)軸的夾角進(jìn)行周期變換,。
總結(jié)：本根據(jù)上面的仿真我們可以看到鎖相環(huán)可以獲取市網(wǎng)的相位，從而為后續(xù)的逆變器生成的三相電并網(wǎng)以及控制所需的坐標(biāo)變換提供了相位控制,。