锁相环在有源电能质量综合治理设备中的运用研究

张恩寿 戎麒 田华 姚鹏 赵荣浩

摘要：电力有源滤波器（APF）和静止无功发生器（SVG）是治理电网谐波污染和功率因数低问题的较好选择，锁相环（PLL）在APF和SVG检测谐波电流和无功电流、单片机信号采样和数模转换（ADC）、补偿电流并网过程中有着巨大的作用。现就锁相环在有源电能质量综合治理设备中的用途进行研究分析，为电力有源滤波器、静止无功发生器等有源电能质量综合治理设备设计提供支撑。

关键词：电力有源滤波器;静止无功发生器;锁相环;谐波

0    引言

随着电力电子技术的快速发展，电网终端引入了大量的非线性负荷，这些负荷使得无功需求增加，并且产生大量高频谐波向电网侧反馈，造成线路损耗增加、功率因数降低、设备老化加速或损坏等问题[1-2]。加装有源电能质量综合治理设备是应对功率因数低和谐波含量高的有效手段[3]。有源电能质量综合治理设备与常规的无源设备相比具有输出连续，既可以补偿感性无功也可以补偿容性无功，既可以补偿特定次数的谐波也可以全補偿的特点，应用较广泛[4]。锁相环模块在数据采集中运用比较广泛，本文主要介绍锁相环模块在有源电能质量综合治理设备中的运用。锁相倍频模块在有源电能质量综合治理设备中起到驱动正余弦表的循环、ADC采样和转换触发、补偿电流并网驱动的作用[5-6]。

1    PLL驱动正弦表和余弦表的循环

有源滤波器设计中，基于瞬时无功电流检测的谐波算法较传统的傅里叶检测谐波实时性好，响应速度快，算法简单，易于嵌入式开发。图1为瞬时无功电流检测谐波算法原理图。

由图可知，矩阵C是由PLL获得，一般情况下，我们将矩阵C根据模数转换速率制成[0，2π]的正弦表和余弦表，这样在嵌入式系统中可以很方便地实现，不占用太多的资源，减少硬件系统的开发。计算时，不断循环调用正余弦表，将A相电压的同步方波信号进行锁相后，送至单片机的CAP端口，当第二个同步信号的上升沿到来时，让正弦表和余弦表从头循环一次，就能很方便地执行算法，即将单片机的CAP端口设置为边沿触发即可。图2为A相电压同步方波信号和A相电压信号波形。

A相电压同步信号一般是通过过零检测获得，就是将A相电压与0做比较，在正半周期内，A相电压大于0，比较输出高电平;在负半周期内，A相电压小于0，比较输出低电平。图3是由LM324构成的过零比较器电路输出波形。

从图3可知，比较输出的结果是高电平为正，低电平为负，而大部分单片机只能识别单极性电信号，如TMS320F28335的I/O口电压范围为0～3 V，CAP口为0～3.3 V，所以需要将过零检测的结果由双极性电信号转化为0～3 V的单极性电信号。需在过零检测输出端加一个施密特反相器，让输出结果在0～3 V范围内，并且边沿过渡更短。图4是设计的A相过零检测电路。

2    PLL驱动AD采样

经过锁相后的A相电压同步方波信号，倍频后作为模数转换的触发信号。设采样率为fs，A相同步方波的频率为50 Hz，则可得倍频的倍数为n=fs/50，上个数据采样完成后，当倍频信号的第二个上升沿信号到来时，响应AD采样中断，进行AD采样。

例如采样率设置为12.8 kHz时，采样周期为1/12 800 s，即每隔1/12 800 s采样一个数据，倍频倍数n=fs/50=12 800/50，也就是说一个工频周期内采样256个数据，需要将一个周期的同步方波进行256等分，每一份也是一个方波信号，一个小方波信号周期采样一个数据，所以当小方波信号的第二个上升沿到来之时进行AD采样。图5为基于锁相环CD4046和分频器CD4040组合成的锁相倍频模块。

CD4046是一款微功耗的锁相环芯片，供电电压3～18 V。CD4046微功耗锁相环有一个低功耗、线性、电压控制振荡器（VCO），一个源极跟随器、稳压二极管，两个相位比较器。两个相位比较器有一个共同的信号输入和一个通用比较器输入。信号输入可直接耦合大电压信号，或电容耦合一个小的输入电压信号。常将CD4046和分频器CD4040配合使用构成锁相倍频模块。

3    PLL驱动补偿电流并网

由于经过各个数据处理环节，得到的补偿电流信号有一定的滞后，如果直接将其并到电网中，可能达不到补偿的效果，甚至会使畸变更加严重。因此，需要将补偿信号和电网信号的相位差锁定，让补偿信号正确地并到电网中。

电网谐波一般情况下是周期性的重复畸变波形，可将上个周期计算得到的补偿电流加到下个周期，从下个周期开始补偿。设某个时刻T0采样到电网谐波电流，经过Δt延时后计算得到补偿电流，也就是说补偿信号与电网存在2πΔt/0.02的相位差，在电流没有大的突变情况下，可以将T0+Δt的补偿电流作为下一个周期的补偿信号，用它来补偿T0+Δt+0.02的谐波，通过锁相环锁定补偿信号和电网信号之间的相位差，也就确定了补偿信号并网的时间，这样可以准确无误地补偿谐波。但这样会有一个问题：在电流有突变的情况下，会造成补偿错误。这就需要尽量减少计算处理延时，选取较高性能的处理器和芯片，保证对电网电信号的实时跟踪。

锁相环驱动补偿电流并网实际上是控制IGBT模块的触发时刻符合上述分析，这就需要一个和系统电压同步的方波信号，上面分析A相同步方波信号可以满足要求，经过锁相后，可以用于信号采样、触发脉冲，和系统电网信号保持同步，这样即便电流信号有突变，也能同步跟踪，提高了实时性。

4    数字锁相环（DPLL）

随着数字电路技术的发展，数字锁相环得到了广泛的应用。数字锁相环具有可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化影响等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。现在已经出现了全数字锁相环，所有环路部件都采用数字器件。

随着EDA技术的不断进步，FPGA和CPLD在很多领域被广泛运用，可以将它们做成一个锁相环，从而方便地运用到各个领域。

5    结语

本文通过分析锁相倍频模块在有源电能质量综合治理设备中的作用，利用电子电路仿真软件仿真了A相同步方波和过零比较信号波形、锁相倍频模块实现256倍频波形，并利用嵌入式开发板配合锁相倍频模块实现了三相四线制电参数的信号采集，验证了锁相倍频技术在有源电能质量综合治理设备中运用的可行性;同时，也为有源电能质量综合治理设备嵌入式设计时针对正弦常量表和余弦常量表的循环、ADC模块采样和转换的触发及补偿电流并网的时刻锁定提供了设计依据。

[参考文献]

[1] 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器——结构·原理·控制[M].北京：科学出版社，2005.

[3] 杜少通.谐波抑制与无功补偿关键技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2015.

[4] 王磊，赵煜，梁仕斌，等.一种新型自适应谐波与无功治理方法研究[J].电力电子技术，2018，52（12）：119-121.

[5] 王裕.三相四线制有源电力滤波器关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[6] 陈仲，王志辉，陈淼.基于新型四象限开关单元的并联型有源滤波器[J].电工技术学报，2015，30（4）：147-154.

收稿日期：2020-08-13

作者简介：张恩寿（1992—），男，云南保山人，助理工程师，研究方向：电能质量综合治理。