锁相环在矩阵变换器中的应用

文章摘要：1 引言 矩阵变换器的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率限制：输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。电气性能十分理想的。 获取电网电压相位是矩阵变换器实现中的一个关键环节。传统矩阵变换器基于过零点检测进行相位获取，然而，这种方法必须在电网平衡时才保证有效。随着近几年配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁路及各种电力电子设备的不断增加，这些负载的非线性、冲击性和不平衡用电特性使公用电网遭到严重污染，电网随时可能发生波动。于是，基于过零点检测的方法

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1 引言
    矩阵变换器的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率限制：输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。电气性能十分理想的。
    获取电网电压相位是矩阵变换器实现中的一个关键环节。传统矩阵变换器基于过零点检测进行相位获取，然而，这种方法必须在电网平衡时才保证有效。随着近几年配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁路及各种电力电子设备的不断增加，这些负载的非线性、冲击性和不平衡用电特性使公用电网遭到严重污染，电网随时可能发生波动。于是，基于过零点检测的方法无法达到要求，锁相环便成为电网波动条件下获取电压相位的一种有效途径。
    广义上讲，锁相环(PLL)的结构分为3种类型：基于过零点检测(ZCD)的锁相环；基于静止坐标系的锁相环；基于同步旋转坐标系(SRF)的锁相环。
    基于过零点检测的锁相环结构最简单，而一旦电网频率波动，它便无法准确跟踪电压相位。基于静止坐标系的锁相环和基于同步旋转坐标系的锁相环无法在电网不平衡时保持良好性能。在电网不平衡条件下如何准确地跟踪电压相位，很多文献已经提出大量方法。这里提出一种基于滑动平均数字滤波器的简单方法。可在电网不平衡条件下有效改善SRF PLL的性能。仿真和实验结果均表明，按此方法构建的锁相环性能优于传统SRF PLL。

2 三相SRF PLL
    三相SRF PLL结构如图1所示。

    为了获取相位信息，三相系统(Va，Vb，Vc)转换为静止两相系统(Vα，Vβ)。其中，

   
    相位角可以通过图2所示方法获取，θ=ωt一(π/2)。在图2中，V为电压空间矢量，q,d轴为同步旋转参考坐标系的坐标轴。

    在此锁相环结构中，PI控制器的输出与理想电网角频率(100π)累加成为预估计角频率ω′，对ω′进行积分得到估计相位θ′。同步旋转坐标系电压空间矢量可以通过下面公式得到：

   
    PI控制器增益设定合适时，系统的估计频率(ω′)锁定在实际电网角频率(ω)处。估计相位(θ′)近似等于电网电压实际相位(θ)，下面公式成立。

   

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