基于DSP三相电压源变换器SPLL设计与应用

吕 飞 ，朱家林 ，余凤豪 ，张松涛



基于DSP三相电压源变换器SPLL设计与应用

吕 飞1，朱家林2，余凤豪1，张松涛1

（1.海军蚌埠士官学校机电系，安徽蚌埠 2330122; 2.海军92763部队，辽宁大连 116041）

准确的相位信息是三相电压源变换器稳定运行的重要条件。软件锁相环(SPLL)具有设计多样性、高抗干扰性等优点可快速得到电网电压的相位信息。本文以三相电压源型PWM变换器为对象，分析了SPLL工作原理，推导出SPLL线性化模型，分析设计SPLL控制器参数，并用DSP实现所设计SPLL。仿真及试验表明所设计SPLL良好应用于三相电压源型PWM整流装置。

软件锁相环 电压源变换器 数字信号处理器 坐标变换

0 引言

电网电压的相位信息是电力电子变换装置稳定运行的重要条件，同步旋转坐标下与电网电压同步的电压、电流信号需要相位信息计算获得[1]。

图1所示为三相电压源型PWM变换装置与电网相连的控制框图。图中电流控制器(current controller)工作在同步旋转坐标系(SRF)下，电网电压的相位角为()。经过Park变换，将三相静止坐标系下的电网电压和电流转换成两相同步旋转坐标系下的电压和电流，作为同步旋转坐标系下电流控制器的控制输入信号。锁相环(PLL—Phase Locked Loop)技术能够得到精确的电网电压相位信息[2]。

SPLL是随着微控制器技术和数字处理器(DSP)的不断发展而逐渐实现的，SPLL所有的PLL函数都是在软件上执行，设计调整不需要修改硬件，使得SPLL比硬件PLL在设计上具有更好的灵活性和多样性[2,3]。

本文通过分析SPLL基本原理，推导出SPLL线性化模型；以线性化模型为依据，分析设计SPLL控制器PI参数；并用DSP实现SPLL功能，仿真及试验表明所设计的SPLL良好应用于三相电压源PWM整流装置。

1 SPLL的工作原理与模型

结合三相电压源PWM变换装置实际应用本文研究的SPLL结构原理框图如图2所示[4]。

再将测量采样得到的三相电压信号经过Clarke变换，进而转换为两相静止坐标系下的，有：

联立式(3)与式(4)可得：

由式(5)可得，电网电压d、q轴模型是非线性模型，电网电压的d、q轴分量分别是实际相角与估计相角之差的余弦和正弦函数。为简化分析，对模型线性化处理，由于实际相角与估计相角相差很小，可得到：

由式（5）q轴分量可转换为：

当e为0，e为1时，实际电网电压相位与估计的相位相同，即=时，实现锁相。

由式(8)以及SPLL工作原理可得SPLL线性化数学模型框图，如图3示。

以上分析可见，线性化模型不能表现SPLL的全部状态，但以线性化模型为依据，能够使用线性控制系统的相关成熟理论设计SPLL控制器以及进行SPLL小扰动性能的讨论分析。

2 SPLL控制器设计

由SPLL线性化模型知，当e==0时，完成锁相，则二阶反馈系统连续域(s域)设计再离散化到z域可实现[5]。考虑到SPLL的跟踪速度快与抗干扰能力强以及实际工程应用的要求，则可选择PI控制器。

实际工作中，由于电网本身非理想以及电力电子元件通断的影响，使得电网电压不对称及谐波现象同时存在，同时分离出的负序分量使得e含有谐波[4]，因此，PI控制器的应足够大，确保快速跟踪电网的相位变化，同时，参数又不能过大，进而导致带宽过宽，抑制谐波影响减弱。

3 SPLL的DSP实现

依据SPLL工作原理，如图2所示，三相电压的测量采样、Clarke坐标变换、标幺处理、正负序分离(DSC)、Park坐标变换以及输出电网电压相位完成锁相，由数字信号处理器(DSP)完成。如图4所示。

创新性思维是以新颖独特、具有价值的精神或物质成果的方式，来解决问题的创造性思维活动。但教者在训练初期要提供给学生思维的范式，学生运用变式，由一个创意激发另一个创意，一种思维点燃另一种思维。先来看这个教学例子：

如图4所示，三相电网电压由传感器检测输入DSP，DSP（TMS320C2812）具有12位ADC模块实现模数(A/D)转换，转换采样频率为3150 Hz。通过软件编程实现Clarke坐标变换、标幺处理、正负序分离(DSC)、Park坐标变换、滤波器(Filter)、积分器、控制器(PI)等功能实现锁相，向三相电压源PWM整流装置提供电网电压相位信息。由于采样、滤波存在延迟，且延迟与电网频率有关，因此，用DSP设计实现SPLL的实际应用中要实时测量电网频率，对延迟进行相位补偿。

4 仿真与试验

4.1 仿真及分析

图5所示，纵轴为软件锁相环(SPLL)输出相位与电网电压正序基波相位的相位差，当相位差为0时，实现锁相。如图5所示，为0.2 s时，电网电压相位突变，约为0.27 s时，软件锁相环(SPLL)快速跟踪相位变化实现锁相。当电网电压频率突变1 Hz时，仿真结果如图6所示。

试验项目：基于DSP软件锁相环（SPLL）应用于三相电压源PWM整流装置。试验目的：验证所设计基于DSP的SPLL的工作性能。

试验说明：软件锁相环（SPLL）控制器k、k实验参数在仿真基础上调整；为简化DSP处理，数字信号处理器(DSP)存储运算的数据为以4096表示1的标幺值；实验波形数据保存规则如下：DSP保存8000个单元的数据，其中1300至2300共1000单元保存PWM整流装置状态改变（加载、卸载等）以前的相关数据，其余的7000个单元保存状态改变瞬间及其以后的实验数据，所有单元存满数据为止不覆盖。三相电压源PWM整流装置突加负载时，Ud、Uq、Udc及SPLL输出实验波形如下：

图7(a)为三相电压源PWM整流装置突加负载时d、q轴电压实验波形，图7(b)为整流装置输出直流电压实验波形，图7(c)为SPLL输出与整流装置a相电流波形。由图7可得，PWM整流装置突加负载时Ud、Uq产生突变，而后快速趋于稳定；PWM整流输出直流电压Udc因突加负载产生的下降也能迅速恢复，基于DSP的SPLL可快速跟踪电网电压相位。试验结果表明，所设计基于DSP的SPLL能良好应用于三相电压源PWM整流装置。

5 结论

本文以三相电压源型PWM变换器为对象，考虑坐标变换（Clarke、Park）、正负序分离（DSC）、标幺等，分析了SPLL原理，推导出SPLL模型并简化获得SPLL线性化模型，以线性化模型为依据，分析设计SPLL控制器PI参数，并用DSP实现所设计SPLL。仿真及试验表明所设计SPLL良好应用于三相电压源型PWM整流装置。

[1] 王聪, 赵金. 现代电力电子学与交流传动[M]. 北京:机械工业出版社, 2006.

[2] 刘翔, 张爱玲. 一种基于TMS320F2812的软件锁相环实现方法[J]. 电力电子术, 2010, 44(8):60-61.

[3] 张喻, 陈新. 基于DSP2812的软件锁相[J]. 电力电子技术, 2008,42(2):75-77.

[4] Emilio J. Bueno, Francisco J. Rodriguez, Felipe Espinosa, Santiago Cobreces. SPLL design to flux oriented of a VSC interface for wind power applications. Proc. IEEE Power Eng. Soc2005, 3:2451-2456.

[5] 胡寿松. 自动控制原理[M]. 北京:国防工业出版社, 1998.

Design and Applications of Three Phase Voltage Converter Software Phase-locked Loop Based on DSP

Lyu Fei1, Zhu Jialin2,Yu Fenghao1, Zhang Songtao1

(1. Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China; 2. 92763 Unit of Naval Army , Dalian 116041, Liaoning, China)

Accurate phase information is crucial for stable operation of three-phase voltage source converter. The software phase-locked loop (SPLL) has the design diversity, high anti-jamming, etc, and can quickly get the phase information of the grid voltage. In this paper, based on the three-phase voltage source PWM converter, the operational principle of SPLL is analyzed, the linearization model of SPLL is obtained, the SPLL controller parameters is designed, and the design of SPLL is realized by DSP. Simulation and tests show that the design of SPLL can work well in three-phase voltage source PWM rectifier.

SPLL; voltage source rectifier; DSP; frame transform

TM133

A

1003-4862（2015）03-0036-04

2014-11-13

吕飞（1982-），男，硕士，讲师。研究方向：电力电子与电力传动。