一种相位误差修正法的仿真分析及应用

何学飞，戴仁德，杨 彪

(湖南红太阳新能源科技有限公司，湖南 长沙 412001)

一种相位误差修正法的仿真分析及应用

何学飞，戴仁德，杨 彪

(湖南红太阳新能源科技有限公司，湖南 长沙 412001)

相控整流控制系统中，电源同步过零信息的采集非常关键.小容量的柴油机发电系统频率变化幅度较大，由此引起同步信号的采集偏差，导致相控整流严重的故障.阐述了这一故障产生原因，并根据系统频率变化与同步信号滤波电路相移的函数关系，提出一种修正方法，并进行了仿真及实际应用.结果表明，提出的修正方法具有原理简单、操作简便、适用范围广、能消除频率连续变化带来的过零误差等优点.

相控整流；同步信号；过零检测；相位差；带通滤波；交流采样

1 同步信号工程处理方式

晶闸管移相触发控制整流系统中,输出电压、功率的改变是通过改变晶闸管的控制角来实现的.为满足晶闸管的导通条件并正确计算控制角, 必须获得晶闸管两极电压由反向变正向时的过零点信号,以此作为满足晶闸管的触发导通条件和计算控制角的基准点, 这一信号通常称为同步信号[1].为了获取此信号用于控制，需要对高压侧的电源正弦信号进行隔离、滤波、过零检测和整形等多个环节形成控制电源系的低压同步方波信号.

工程应用中同步信号处理的一种方式是：采用同步变压器来实现电源隔离,用过零检测电路检测电压过零点，并进行波形整形.

图1 同步变压器隔离处理方法

经同步变压器隔离后，所获得的完整电源信号可用于电源幅值计算、电源谐波分析等其他用途；后续滤波和检测整形电路简单，能有效去除高次谐波和直流分量.

但存在的缺点包括：(1)同步变压器重量大，设备占用较大空间；(2)滤波电路受电源频率变化影响，通用性较差；(3)当相位发生变化时，过零检测法要等到下一个过零点才能检测出随后各时刻的相位，故其动态性能在一些特定应用中无法满足要求.

在电源谐波干扰较少，并且一些控制仅需要过零信号的一些工程应用中，同步电路可以采取直接从高压侧电阻分压后光耦隔离的简单方式实现[2].

图2 电阻分压光耦隔离方法

此种方式元件少，电路简单，可靠性较高；设备质量、空间开销小；较变压器隔离方式相位延时更小.

但存在如下缺点：(1)虽然可以对后续的同步方波信号进行数字滤波，但对于单相控制应用缺少多相位的参照对比，如果存在很严重的电源波形畸变，容易造成过零信号不准甚至错误；(2)对于超高压电源系统，隔离光耦的耐受电压，以及响应灵敏度等要求对器件的选型造成较大困难；(3)受器件参数分散性影响，过零相位误差很难通过有效手段进行修正；(4)无法满足需要获取电源幅值等其他信号的控制要求；(5)由于同样采用过零检测方法，动态性能在一些特定应用中无法满足要求.

2 同步信号处理在电力机车相控整流系统中的典型应用

2.1 电力机车网压同步信号特点

电力机车是波动性很大的单相大功率整流或逆变负荷，在运行过程中会产生大量的负序和谐波电流.受电弓与供网的接触也会对网压产生很大干扰.尤其对交直电力机车，由变压器漏抗产生的换向重叠角可以导致变压器次边电压的短时掉零.这些干扰导致了同步信号含有大量的三次、五次谐波以及高频脉动分量.

2.2 电力机车网压同步信号处理

在韶山系列的交直电力机车控制系统中，采用同步变压器获取电源同步信号后，一直沿用8K电力机车的50Hz有源带通滤波电路来实现对网压同步信号干扰的滤除.由于电气化铁道供网频率变化较小，稳定在49.8Hz至50.2Hz之间，为了避免干扰引起的过零抖动，选用的带通滤波参数通频带较窄.品质因数Q为4，-3dB截止频率上下限分别为56Hz、44Hz.在中心频率50Hz时，相移偏差180°，反相增益为1.

图3 二阶有源带通滤波电路[3]

对于单相整流系统，该参数下的滤波电路有以下几点好处：

(1)去除电源高次谐波和直流分量的效果好.(2)滤波后生成的反相正弦信号过零点与原电源信号过零点重叠，节省了后续的相位匹配延时电路.这一优点在集成数字触发控制电路中不明显，因为软件数字延时匹配的开销很小.

主要的缺点包括：(1)相位信息滞后与滤波效果相互矛盾，在电网出现较大负序扰动时，过零判断严重滞后.

(2)在电网频率变动在49.8～50.2Hz时，能保证过零误差小于2°.当频率变化较大时，过零偏差将急剧增大.

3 局域发电网频率变化导致的过零偏差

3.1 过零偏差产生原因及危害

局域发电网如单柴油机发电系统中，电源频率变化可在40Hz至63Hz之间.不同频率下，同步信号经过滤波电路后将不可避免产生较大的过零偏差.以前文所述的滤波电路为例，相位延时与频率的关系为：

中心频率为50Hz，品质因数Q为4(品质因数过小将影响滤波效果).40Hz频率电源信号经带通滤波电路后的相位误差φ等于61°.对于三相整流系统，触发基准偏移61°将导致晶闸管换流导通失败，影响输出电压和功率急剧下降.

3.2 过零偏差修正方法

对于固定参数和形式的滤波电路，相移偏差与输入信号频率成固定函数关系.通过检测单相系统两次同步过零点间隔或者三相系统中两路同步过零间隔，都可以较方便地计算出信号源频率，依据此频率可以固定得出相移发生的偏差值[4].将此偏差值对同步过零基准进行修正即可还原真实过零信号.在工程应用中，可以构建频率与相移偏差的对应关系表，通过查表可快速便捷地实现误差修正.以使用前文所述带通滤波电路的三相整流控制系统为例，系统中引入两路相电压同步信号，经50Hz带通滤波并整形形成过零方波信号送入数字触发控制器.数字触发控制器内以50kHz的频率对过零方波信号进行采集.采样分辨间隔20μs,对应50Hz相周期的0.18°,能充分满足移相控制精度要求.

电源频率为标准50Hz时，两相过零时间间隔6667μs，控制器频率测定计数为333；电源频率为40Hz时，过零偏差-4220μs，对应修正计数211；电源频率为63Hz时，过零偏差2720μs，对应修正计数-136.

4 过零偏差修正仿真及优化

使用Matlab/Simulate构建二阶带通滤波模型，将偏差修正算法运用到模型中[6].

设计要求：在两个工频周期内修正过零偏差.

步骤如下：

(1)从Matalb/Simulate中调取二阶带通滤波模型，根据之前的的滤波器参数，输入C1=C2=66nf；R1=196k;R2=6.12k；R3=392k，分别设定品质因数Q=4和2.

(2)输入可变同步信号源，频率0.1s内为标准正弦信号，在0.1s后突然改变频率，改为40Hz的正弦信号；得到滤波器滤波之后的同步正弦信号，与实际的同步信号源相比存在滞后的影响.

(3)根据之前的修正方法，构建二维数组数据表，以频率计数范围265～417为x轴.计算修正数值为y轴，对应范围为-136～-211.

(4)依据每次采样的两相过零间隔，查对应修正二维表获得修正值，对采集的过零点进行修正构建还原的过零基准.仿真中以40Hz为例，两相过零的周期为8334μs，以采样率为50kHz的采样频率，频率采集计数为417，过零偏差为-4220μs，对应修正频率计数为211.如为其他的频率，计算两过零点的周期及计数，查找二维表中对应的修正周期即可.

图4 滤波电路品质因数为4的仿真结果

仿真结果如下：

上图中第一行为相差120°的两相正弦信号，在0.1s时刻由50Hz突变为40Hz；

第二行为经过二阶带通滤波器后的正弦信号；

第三行实线为第一相输入信号同步过零方波，点实线为第一相滤波后同步过零方波，虚线为修正后过零方波；

第四行为实时检测的两相间隔计数，以及查表获得的修正计数(采样周期20μs).

从图中分析，从0.1s时刻突变，到0.18s历时4个周期，修正后的过零方波与原信号过零点恢复一致.

修正过渡时间较长的原因有以下几点：

(1)信号源突变幅度较大.现实的柴油机发电系统虽然频率范围较广，但均为缓慢连续变化，不会造成过长的修正恢复时间；

(2)滤波电路对信号的频率变化响应从图中可知，一直到0.16s时刻历时3个周期，滤波后信号的频率和两相相位差才达到与输入信号基本一致.

(3)修正方法采用的是先计算相差，再修正的方式.从频率变化到修正结果，不可避免地产生半个周期的延时.

为了减少滤波电路响应时间，尝试着对滤波参数进行优化.通过调整品质因数可以减少修正过渡时间.

滤波电路品质因数调整为2的仿真结果如下：

图5 滤波电路品质因数为2的仿真结果

从图5可知，滤波后信号的频率和相差达到与输入信号基本一致的时间从原先的0.06s时刻提前到了0.03s时刻，总的修正过渡时间也原来的0.08s提前到了0.05s.过渡周期和过渡过程中的过零误差都大幅减小.

5 结论

为解决在工程实际应用中的小容量的柴油机发电系统频率变化幅度较大的问题，采用经典的二阶带通滤波器进行同步信号滤波，而由滤波器引起同步信号的采集偏差，导致相控整流严重的故障.本文所述的相位偏差修正方法可以基本消除频率连续变化带来的过零误差.在电源谐波干扰较轻的应用中，可以适当减小滤波电路的品质因数来获得滤波后信号对原信号的快速响应.

同时本文所采用的方法具有原理简单、操作简便、经济可靠、适用范围广、能消除频率连续变化带来的过零误差等优点.

[1] 彭洪涛,皮佑国.晶闸管相控同步信号电路研究[J].电工技术,2004,(2):58-59.

[2] 陈海荣,张静,潘武略.同步相位与瞬时对称分量的检测新方法[J].高电压技术,2009,(9):2150-2155.

[3] 丁丽娜,李向军,谷军.四象限整流同步信号处理电路的设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2011, (12):69-73.

[4] 刘灿,钱华,戴仁德.一种修正相控整流控制中因频率变化引起相位采集误差的方法:中国,CN102981133B[P]. 2013-03-20.

[5] 陈海荣，刘子坚，屠卿瑞 一种频率自适应的同步相位与对称分量检测方法[J].浙江大学学报(理学版), 2012,(3):297-302.

[6] 洪小圆,吕征宇.基于同步参考坐标系的三相数字锁相环[J].电工技术学报,2012,(11): 203-210.

(责任编校：晴川)

Simulation and Application of Correction Method for Phase Error

HE Xuefei, DAI Rende, YANG Biao

(Hunan Red Solar New Energy Science and Technology Co., Ltd, Changsha Hunan 412001, China)

In Phase controlled rectifier controlled system, the large frequency variation range of small capacity diesel generator system causes synchronous signal acquisition error and fault of phase controlled rectifier. This paper describes the causes of the fault, according to the relationship between the system frequency and the phase shift of the synchronous signal filter circuit , introduces the correction method, and simulation and practical application are also given. The results show that the proposed method has the advantages of simple principle, easy operation, wide application range and can eliminate the zero crossing error caused by continuously varying frequency.

phase controlled rectifier; synchronous signal; zero crossing detection ;phase difference; band-pass filtering; AC sampling

2017-02-10

湖南省自然科学基金(批准号：14JJ2142)资助项目.

何学飞(1981— )，男，湖北钟祥人，湖南红太阳新能源科技有限公司高级工程师.研究方向：电力电子及新能源系统.

TM32

A

1008-4681(2017)02-0042-03