（1.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江212013；2.盐城工学院 电气学院，江苏 盐城224051）
针对传统锁相环精度差、速率慢等问题，利用互感器实现了一种基于预测电流无差拍方法的改进功率解耦掌握的数字锁相环，很好地办理三相逆变器在并网运行时锁相问题。仿真剖析和实验结果表明，该数字锁相环在电网频率发生变革时，能快速准确跟踪上电网电压相位，证明此方法在逆变器并网锁相时具有良好的效果。
互感器；无差拍；锁相环；逆变器
中图分类号：TM464
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.033
中文引用格式：何松原，陈荣. 基于互感器的数字锁相环设计[J].电子技能运用，2017，43(2)：137-139，144.
英文引用格式：He Songyuan，Chen Rong. Design of digital phase-locked loop based on transformer[J].Application of Electronic Technique，2017，43(2)：137-139，144.
0 弁言
在新能源并网发电中，锁相环的运用非常广泛。逆变器的并网就须要传感器对电网相位、频率信息的采集，然后进行A/D转换。如何对电网电压信息准确快速地获取成为并网逆变器研究的焦点。传统的硬件锁相环由硬件电路对电压的过零点检测，虽本钱较低且易于实现，但易受外界条件的滋扰且精度不高。为了使逆变器在并网时输出电流能快速准确地跟踪上电网电压相位，数字化锁相技能应运而生[1-3]。锁相环的浸染在于产生相位角，使并网电流与电网电压保持同频同相，同时实时打算电网确当前相位以便进行坐标变换来完成电流内环解耦[4]。本文利用互感器实现了基于预测电流无差拍方法结合改进的解耦方法和空间矢量调制的策略[5-6]，很好地办理三相逆变器在并网运行时锁相问题。在MATLAB/Simulink软件下搭建模型并进行仿真验证，仿真和实验结果证明基于互感器的数字锁相环在锁相精度和速率方面具有良好的效果。
1 逆变器拓扑构造
逆变器拓扑构造如图1所示，直流侧一样平常由两个支撑电容[7]串联而成，起到稳定母线电压，接管纹波电流、功率解耦、均压等浸染。而在实际运用中，还需在每个电容两端 并联一定阻值的均压电阻，其浸染一是进一步办理均压的问题，二是在系统停机时，可以供应一个能量开释的通道，以是这个电阻可以称为均压电阻或开释电阻。
样机设计功率1.2 kVA，支撑电容的打算有多种方法，目前还没有统一的定论，本设计根据式(1)方法打算，得Cd为332 μF，选择两只450 V/1 000 μF电解电容串联，等效电容容值500 μF，泄放电阻选择10W30KJ。
本设计对电网电压信息的采集依赖互感器实现，互感器是一种利用电磁感应事理对旗子暗记采集的传感器[8]。电压互感器事理上是电流型电压互感器，以是电压检测电路与电流检测电路类似，参数设置也可以参考。以电流检测电路为例，如图2所示。
电流互感器低级串联在输出电路中，次级近似短路状态，第一级将电流旗子暗记转变成电压旗子暗记；第二级是为后加运放供应一个基准电压；第三级是一个差分放大电路，放大电压旗子暗记；末了一级为电压跟随，起阻抗变换浸染，提高电路带负载能力，A/D输入利用钳位二极管使得电压钳位在3.3 V。
对付电网频率的采集利用的是过零检测电路，根据电网的检测旗子暗记设置A/D采样频率，两个零点之间的 韶光便是电网的周期，过零检测电路如图3所示。
过零检测电路第一级与电路检测电路浸染相同，将电流旗子暗记转变为电压旗子暗记；第二级LM339是比较器，将正弦旗子暗记转变频率相同的-5 V~+5 V的方波旗子暗记；第三级是一个反相器，将旗子暗记转换为0~5 V的方波旗子暗记；然后经由第四级第五级限幅反向送入到DSP中，掌握DSP是上升沿出发还是低落沿出发就可以得到相应的频率，钳位二极管起到保护I/O口的浸染。
2 无差拍功率解耦掌握
对付图1根据KVL可得，
根据式(4)离散化处理后进行无差拍跟踪掌握，电压外环PI掌握，电流内环无差拍掌握[9]，采取无差拍有利于数字化掌握的实现。
对式(2)进行abc/dp变换，可得与电网电压同步旋转坐标系下的模型：
式中，ud，uq为逆变器输出电压矢量的dq分量；ed，eq为三相电网电压矢量的dq分量；id，iq为逆变器输出电流矢量的dq分量；ω为电网电压角频率。
式(5)可以创造电网电压不仅影响轴电流，而且受交叉耦合影响，以是要对dq轴的电流解耦[10]。
在ea，eb，ec平衡状态下，电网电压矢量选取直轴方向定向，即ed=ES，eq=0，通过对ud和id的调节，从而调节输出有功功率。电网电压合成矢量Es，电感上的电压矢量VL，电阻电压矢量VR，并网电流矢量Is，功率因数角，空间矢量图如图4所示。
代入式(5)可得：
传统解耦框图如图5所示，利用PI调节器完成输出电流对参考电流的直交轴分别跟踪。
改进的解耦方法直接引入参考电流的解耦，系统动态相应速率更快，且不含有桥臂脉动分量，避免了脉动分量之间的耦合，从而提高了入网电流质量[11]。改进互换电流内环解耦框图如图6所示。
解耦后功率为：
式中，P为有功功率，Q为无功功率。这样就实现了功率解耦掌握，从逆变器侧来看，若直轴电流为正，交轴电流为零，输出能量全部为有功功率，为单位功率因数逆变；若直轴电流为正，交轴为负，可以实现对电网无功补偿。改变直交轴电流分量，就能够调节并网功率和电能质量。
3 实验
为了更好地验证该掌握策略的可行性和可靠性，研制了一台1.2 kVA样机，处理器利用了TI公司的TMS320F2812，驱动芯片利用了IR公司的IR2132，功率器件利用了IR公司型号为IRFP460的MOSFET。实验参数与仿真参数同等。
当开关频率为10 kHz时，逆变器输出电压波形如图7所示，可以看出，由于开关频率不足高，滤波器参数不适配，峰顶有包络，高频分量多，此时含有较多的谐波分量；当开关频率为20 kHz时，逆变器输出电压波形如图所示，可以看出，此时波形明显好于10 kHz，此时滤波电感为3 mH，滤波电容2.2 μF。
图8(a)是M为0.9时的滤波前电压波形。图8(b)是输出电压和输出电流波形，调制比M由逆变器输出相电压与直流母线电压共同决定的，一样平常情形下尽可能地使调制比靠近于1。
图9(a)为电网电压过零点检测时测出的波形，从图中可以看出，电网电压和方波电压频率同等，从而可以利用DSP捕获中断捕获上升沿或者低落沿旗子暗记获取电网频率信息。图9(b)为电网电压锁相角，实验波形是通过DSP将角度转换成正值从DA口显示出来。从波形可以看出，该锁相角的变革范围从0到2π。
由于基于电流预测无差功率解耦掌握策略将电网电压与并网电流实现了双闭环掌握，解耦后可以通过掌握id和iq从而调节掌握系统的输出能量和功率因数，达到了调节并网功率和电能质量的效果。
4 结论
本文从理论和实验上剖析和验证了基于互感器的数字锁相环可行性，结合电流预测无差拍方法和空间矢量调制技能运用到1.2 kVA样机中。从仿真和实验结果来看，该方法对付并网锁相有很强的适用性，同时也可以看出该数字锁相环具有良好的稳态特性和动态特性，可以实现对给定电流进行快速精确地跟踪，锁相波形效果良好。
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